DE102007021750B4

DE102007021750B4 - Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoffkörper

Info

Publication number: DE102007021750B4
Application number: DE102007021750A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Mark Voelkel
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: DE102007021750A1; CN101077603B; CN101077603A; US20070267772A1; AT9383U1

Abstract

Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoffkörper, wobei der geschäumte Kunststoffkörper ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere auf Polyesterbasis oder auf Basis von PBT, ist, gekennzeichnet durch die Schritte – Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den in der Plastifiziereinheit befindlichen, zu schäumenden plastifizierten Kunststoff, wobei das physikalische Treibmittel mit einem Druck von mehr als 180 bar, vorzugsweise mehr als 300 bar, besonders bevorzugt mehr als 350 bar in den plastifizierten Kunststoffeingebracht wird, – Einspritzen des mit physikalischem Treibmittel versehenen Kunststoffs in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine, – Dekompression der Kunststoffschmelze durch Expansion des Werkzeughohlraums, wobei das Volumen des Werkzeughohlraumes bei der Expansion auf das 1,5- bis 4-fache erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoffkörper aus einem thermoplastischen Elastomer.
Die Instrumententafeln gängiger Pkws weisen oft eine I-Tafel mit einer Oberfläche in Lederoptik und einem dahinter befindlichen Kunststoffschaum auf, der eine Verbindung zu einem Träger herstellt. Solche Verbundkörper werden durch Hinterschäumen von Slushhäuten mit Polyurethan hergestellt, welches dabei auch den Verbund mit dem vorzugsweise spritzgegossenen Träger herstellt. Die DE 43 04 751 C2 offenbart Kunststoffteile, bei denen auf einem spritzgegossenen Träger eine mit Treibmittelgas versetzte Schmelze aufgebracht wird, die durch anschließende Dekompression geschäumt wird. Bei den darin beschriebenen Verfahren werden Treibmittel eingesetzt, die unter Einfluss von Wärme oder Katalysatoren unter anderem C0₂ oder N₂ abspalten und somit durch den daraus resultierenden Schaumdruck den Kunststoff aufschäumen. Allerdings sind die auf diese Art erzielten Kunststoffteile in Ihrer Haptik- und Oberflächeneigenschaft nicht ideal. Die Raumdichten des Kunststoffs, die damit erzielte Weichheit und der daraus resultierende Saft-Touch-Effekt waren zu gering. Auch ist nur eine Anspritzung des Kunststoffs möglich, da sich ansonsten die Bindenaht abzeichnet.
Neben den chemischen Treibmitteln gemäß der DE 43 04 751 C2 sind auch geschäumte Kunststoffe bekannt, die mittels physikalischen Treibmitteln geschäumt werden. Die nach den bisherigen Verfahren hergestellten, mittels physikalischer Treibmittel geschäumten Kunststoffe weisen allerdings äußerst unansehnliche Oberflächen auf. Daher sind solche Kunststoffe für Bauteile im Sichtbereich nicht verwendbar. Die bisherigen Verfahren erzeugen darüber hinaus Schäume, die sehr großzellig sind und nicht den gewünschten Soft-Touch-Effekt aufweisen. Zurückzuführen ist dies auf die große Zelle mit Gaseinschluss bei einer gleichzeitig relativ steifen Wandung der Zelle.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, Kunststoffe derart zu schäumen, dass sich diese einerseits durch optisch ansprechende Oberflächen auszeichnen und somit ohne Kaschierung verwendet werden können, und dass diese andererseits eine angenehme Haptik, das heißt einen so genannten Saft-Touch-Effekt (z. B. wie bei Leder), aufweisen.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoffkörper erzielt, das gekennzeichnet ist durch die Schritte

– Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den in der Plastifiziereinheit befindlichen, zu schäumenden plastifizierten Kunststoff, wobei das physikalische Treibmittel mit einem Druck von mehr als 180 bar, vorzugsweise mehr als 300 bar, besonders bevorzugt mehr als 350 bar in den plastifizierten Kunststoff eingebracht wird,
– Einspritzen des mit physikalischem Treibmittel versehenen Kunststoffs in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine, Dekompression der Kunststoffschmelze durch Expansion des Werkzeughohlraums, wobei das Volumen des Werkzeughohlraums bei der Expansion auf das 1,5- bis 4-fache erhöht wird.

Der überraschende erfindungsgemäße Effekt zeigte sich dann, wenn ein physikalisches Treibmittel unter besonders hohem Druck in die Kunststoffschmelze eingebracht wird. Während beim bisher bekannten Schäumen mit physikalischen Treibmitteln Drücke im Bereich von weit unter 200 bar angewendet wurden, konnte durch das erfindungsgemäße Erhöhen des Drucks und die Folgeschritte der optimale erfinderische Effekt erzielt werden. Idealerweise beträgt der Druck über 200 bar. Besonders ausgeprägt war der Effekt bei einem Druckniveau von 350 bar oder mehr. Als physikalisches Treibmittel ist hierunter ein Treibmittel zu verstehen, das nicht im Inneren der Schmelze durch einen chemischen Prozess, beispielsweise durch Abspaltung eines gasförmigen Moleküls entsteht. Man versteht hierunter also vielmehr Treibmittel, die gasförmig in den Kunststoff eingebracht werden, wie beispielsweise Stickstoff, CO₂, Edelgase usw.
In der einfachsten Variante ist es denkbar, die Kunststoffschmelze ebenfalls bei einem Druck von über 200 bar, vorzugsweise mehr als 300 bar, besonders bevorzugt mehr als 350 bar in den Werkzeughohlraum einzuspritzen. Allerdings ließen sich besonders ansprechende Oberflächen dann erzielen, wenn nach dem Einbringen des physikalischen Treibmittels in die Kunststoffschmelze aber vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum ein Zwischendekompressionsschritt erfolgt. Ein solcher Zwischendekompressionsschritt, also eine entsprechende Druckverringerung in der Kunststoffschmelze, kann zum Beispiel erzielt werden, indem die Düsenanlegekraft verringert wird oder im Falle einer schneckenförmigen Plastifiziereinheit durch eine Reduktion der Schnecke. Auch ist es möglich, eine Nadelverschlussdüse im Heißkanal zu öffnen. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass eine Druckreduktion auf 70 bis 80 bar sehr ansprechende Ergebnisse lieferte. Günstig hat es sich dann allerdings erwiesen, wenn nach dem Zwischendekompressionsschritt der Druck in der Kunststoffschmelze erhöht wird. Es kann der Druck hierbei wiederum auf die oben erwähnten Druckniveaus angehoben werden.
Obwohl sich mit dem Verfahren generell die gewünschten Kunststoffkörper mit den oben erwähnten Eigenschaften herstellen lassen, kann es dennoch vorteilhaft sein, wenn der Kunststoffkörper Bereiche aufweist, die eine höhere Festigkeit aufweisen, z. B. zur Befestigung einer Instrumententafel am PKW. Daher kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass der geschäumte Kunststoffkörper auf einen Träger aufgebracht wird, indem der Träger vor dem Einspritzen des Kunststoffes in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine eingebracht wird. Der Träger kann hierbei selbst ein Kunststoffkörper sein, der beispielsweise vorher in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine eingelegt wird. Es wäre aber auch denkbar, den Träger in der Spritzgießmaschine selbst zu erzeugen und durch entsprechende Adaptierung des Werkzeughohlraumes anschließend das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden. Die Expansion kann durch einen gezielten Hub im Werkzeug oder der Schließkraft erfolgen. Die Schmelze kann soviel Druck aufweisen, dass sie die Öffnungsbewegung durch den Schäumdruck unterstützt. Günstige Ergebnisse wurden beispielsweise unter Verwendung eines Prägewerkzeuges erzielt. Dabei wird umgekehrt zum Spritzprägeprozess ein Hohlraum im Werkzeug geschaffen, in dem die Kunststoffschmelze eingespritzt wird. Anschließend wird gezielt die Schließeinheit um einen entsprechenden Hub verfahren, sodass der Hohlraum entsprechend vergrößert wird. Die Expansion kann allerdings in an sich bekannter Weise auch auf andere Arten erfolgen.
Der erfindungsgemäße Effekt konnte besonders gut erzielt werden, wenn der geschäumte Kunststoffkörper ein thermoplastisches Elastomer auf Polyesterbasis oder auf Basis von PBT ist.
Aufgrund der Tatsache, dass bei den erwähnten Verfahrensschritten hohe Drücke und Temperaturen auftreten, ist es günstig, wenn das Treibmittel ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder Mischungen daraus, ist. Dabei ist mit Inertgas gemeint, dass es sich um Gase handelt, die nicht in einer (negativen) Weise mit der Kunststoffschmelze chemisch reagieren.
Die Menge an zugesetztem Treibmittel hängt im Endeffekt auch von den gewünschten Eigenschaften des Kunststoffkörpers ab. Der Idealbereich liegt bei einer Ausführungsvariante in einer Menge von 0,3% bis 4%, vorzugsweise 0,7% (jeweils Gewichtsprozent). Im Idealfall wird man die Treibmittelmenge auch auf das Expansionsvolumen des Werkzeughohlraumes abstimmen. Günstige Werte erzielt man insbesondere dann, wenn das Volumen des Werkzeughohlraumes bei der Expansion auf das etwa 2,5-fache erhöht wird. Die somit Letztendlich erzielbaren Raumdichten des geschäumten Kunststoffes oder Polymeren liegen bei etwa 60% der Rohdichte oder darunter. Das derartige Verfahren könnte beispielsweise realisiert werden, indem der Träger bereichsweise einen Abstand zur Innenwandung des Werkzeughohlraumes von 1 bis 3 mm, vorzugsweise 2 mm, aufweist. In einer günstigen Ausführungsvariante hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Einspritzgeschwindigkeit des plastifizierten Kunststoffes in den Werkzeughohlraum zwischen 10 mm/sec und 200 mm/sec, vorzugsweise 60 mm/sec, beträgt, sowie der Werkzeughohlraum während der Dekompression mit einer Dekompressionsgeschwindigkeit zwischen 1 mm/sec und 25 mm/sec vergrößert wird. Diese Werte haben sich insbesondere bei Verwendung eines Spritzprägewerkzeuges als vorteilhaft erwiesen, wobei die Dekompressionsgeschwindigkeit die Bewegung der beweglichen Formaufspannplatte der Spritzgießmaschine in Bewegungsrichtung meint.
Die Dekompressionsgeschwindigkeit hat einen maßgeblichen Einfluss auf den geschäumten Kunststoff, daher kann es günstig sein, wenn die Dekompressionsgeschwindigkeit mehrstufig erfolgt, das heißt, dass zuerst eine schnellere und anschließend eine langsamere Expansion oder umgekehrt erfolgt. Es kann sich außerdem als vorteilhaft erweisen, wenn zwischen dem erfolgten Einspritzvorgang und der anschließenden Expansion der Werkzeughohlraum für eine Zeitspanne von bis zu 10 sec, vorzugsweise etwa 1 sec, in seiner Form gehalten wird.
Optimale Oberflächen des geschäumten Kunststoffkörpers konnten beispielsweise dann erzielt werden, wenn der Werkzeughohlraum Sintermetalleinsätze aufweist. Noch besser waren die Resultate, wenn die Sintermetalleinsätze zeitweise mit Vakuum beaufschlagt sind. Will man Kunststoffkörper mit glatter Oberfläche erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Wandung des Werkzeughohlraums eine glatte Oberfläche aufweist. Da man in vielen Bereichen allerdings den optischen Effekt einer Lederoberfläche oder zumindest einer angenehmen strukturierten Oberfläche erzielen will, wird in den meisten Fällen vorgesehen sein, dass die Wandung des Werkzeughohlraums zumindest bereichsweise eine Ledergravuroberfläche aufweist oder mit Symbolen oder Schriftzeichen versehen ist.
Eine optimale Steuerung des Schäumens des Kunststoffes, bei dem der eingespritzte Kunststoff mit Treibmittel versetzt wird, ist dann möglich, wenn der Werkzeughohlraum vor dem Einspritzvorgang unter Druck gesetzt wird, vorzugsweise mit dem physikalischen Treibmittel. Während des Einspritzvorganges kann dann das vorher eingefüllte Gas aus dem Werkzeughohlraum gezielt und kontrolliert abgelassen werden oder entweichen. Nach dem erfolgtem Expansionsschritt und der damit verbundenen Schäumung kann der Werkzeughohlraum von außen gekühlt werden, damit der Kunststoffkörper nach der Entformung ideal entnommen werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoffkörper, wobei der geschäumte Kunststoffkörper ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere auf Polyesterbasis oder auf Basis von PBT, ist, gekennzeichnet durch die Schritte – Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den in der Plastifiziereinheit befindlichen, zu schäumenden plastifizierten Kunststoff, wobei das physikalische Treibmittel mit einem Druck von mehr als 180 bar, vorzugsweise mehr als 300 bar, besonders bevorzugt mehr als 350 bar in den plastifizierten Kunststoffeingebracht wird, – Einspritzen des mit physikalischem Treibmittel versehenen Kunststoffs in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine, – Dekompression der Kunststoffschmelze durch Expansion des Werkzeughohlraums, wobei das Volumen des Werkzeughohlraumes bei der Expansion auf das 1,5- bis 4-fache erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen des physikalischen Treibmittels in die Kunststoffschmelze, aber vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum, ein Zwischendekompressionsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zwischendekompressionsschritt der Druck in der Kunststoffschmelze erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschäumte Kunststoffkörper auf einen Träger aufgebracht wird, indem der Träger vor dem Einspritzen des Kunststoffes in den Werkzeughohlraum der Spritzgießmaschine eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder Mischungen daraus, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel in einer Menge von 0,3% bis 4%, vorzugsweise 0,7% (Gewichtsprozent), vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger bereichsweise einen Abstand zur Innenwandung des Werkzeughohlraumes von 1 bis 3 mm, vorzugsweise 2 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Werkzeughohlraumes bei der Expansion auf das etwa 2,5-fache erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzgeschwindigkeit des plastifizierten Kunststoffes in den Werkzeughohlraum zwischen 10 mm/sec und 200 mm/sec, vorzugsweise 60 mm/sec, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughohlraum während der Dekompression mit einer Dekompressionsgeschwindigkeit zwischen 1 mm/sec und 25 mm/sec vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dekompressionsgeschwindigkeit mehrstufig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erfolgtem Einspritzen und Dekompression eine Zeitspanne von 0 bis 10 sec, vorzugsweise 1 sec, fegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughohlraum Sintermetalleinsätze aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermetalleinsätze zeitweise mit Vakuum beaufschlagt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Werkzeughohlraums zumindest bereichsweise eine glatte Oberfläche aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Werkzeughohlraums zumindest bereichsweise eine Ledergravuroberfläche aufweist oder mit Symbolen oder Schriftzeichen versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughohlraum vor dem Einspritzvorgang unter Druck gesetzt wird, vorzugsweise mit dem physikalischen Treibmittel.