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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen
Bauteils, insbesondere eines Interieurbauteils für ein Kraftfahrzeug sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Herstellen eines
mehrschichtigen Kunststoffbauteils, beispielsweise einer Instrumententafel
für ein
Kraftfahrzeug, umfasst folgende Schritte: In das Werkzeugunterteil
eines geöffneten Schäumwerkzeugs
wird eine die Kontur des Bauteils abbildende Formhaut, beispielsweise
eine Polyurethan-Formhaut, eingelegt. Daraufhin wird ein aufschäumender
Polyurethan-Kunststoff in die offene Seite der Formhaut eingetragen.
Ein steifes Trägerbauteil,
das einer Anbindung der Instrumententafel an die Fahrzeugkarosserie
dienen kann, wird gleichzeitig an der anderen Werkzeughälfte fixiert.
Nach dem Zusammenfahren der beiden Hälften des Schäumwerkzeugs,
wobei die Formhaut sowie das Trägerbauteil
in einem definierten Abstand zueinander in der Kavität des Werkzeugs
positioniert sind, schäumt
der Polyurethan-Kunststoff aufgrund seiner Eigenreaktivität, gegebenenfalls
unterstützt
durch eine Temperierung des Schäumwerkzeugs
auf, wobei dieser den Zwischenraum zwischen dem Trägerbauteil
und der Formhaut ausfüllt
und diese beiden Komponenten miteinander verbindet. Auf diese Art und
Weise kann ein dreischichtiges Kunststoffbauteil, beispielsweise
eine Instrumententafel für
ein Kraftfahrzeug, hergestellt werden, das aufgrund der steifen
Ausführung
des Trägerbauteils
sowohl die erforderliche mechanische Festigkeit aufweist, als auch die
an ein Innenausstattungsteil eines Kraftfahrzeugs gestellten optischen
und haptischen Anforderungen erfüllt.
Aufgrund der Flexibilität
dieses Verfahren ist die Herstellung eines Bauteils mit komplexen
Geometrien möglich.
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Im
Stand der Technik wird der Polyurethan-Kunststoff in Form von zwei
Komponenten – Polyol
und Isocyanat – eingebracht,
wobei diese in der Regel unmittelbar beim Eintrag in das Werkzeug
verdüst
werden. Hierbei erfolgt eine unmittelbare Vernetzung dieser Komponenten
unter Freisetzung von Treibgas. Die Aushärtezeit bis zum Erreichen einer für die Entformung
ausreichenden Schaumfestigkeit ist bei diesen Verfahren abhängig vom
Füllvorgang und
der in Grenzen einstellbaren Reaktionsgeschwindigkeit der beiden
Komponenten des Polyurethan-Kunststoffs.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieses aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahrens ist das aufwändige
Handling der beiden Komponenten des Polyurethans. Aufgrund der hohen
Reaktivität
darf die Vermischung erst unmittelbar an der Düse der Sprühvorrichtung erfolgen, um ein
Aushärten
in den Zuleitungen zu vermeiden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein solches Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauteils
zu vereinfachen, um dieses insbesondere wirtschaftlicher ausführen zu
können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauteils, insbesondere eines
Interieur-Bauteils für
ein Kraftfahrzeug, umfasst die Verfahrensschritte: Erzeugen einer
Formhaut sowie eines Trägerbauteils; Einlegen
der Formhaut und des Trägerbauteils
in eine temperierte Kavität
eines Schäumwerkzeugs
(hierbei kann es sich um dasselbe Werkzeug handeln, das bereits
für die
Erzeugung der Formhaut und/oder des Trägerbauteils zum Einsatz kam);
und Einbringen eines aufschäumbaren
Polyurethans über
eine oder mehrere Zuleitungen in den Zwischenraum zwischen der Formhaut und
dem Trägerbauteil,
wobei das Polyurethan ein einkomponentiges Polyurethan ist, das
eine Reaktionstemperatur aufweist, die unterhalb der Temperatur
der temperierten Kavität
und oberhalb der Temperatur der Zuleitungen liegt.
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Unter
wärmeaktivierbarem,
einkomponentigem Polyurethan wird ein Polyurethansystem verstanden,
das sämtliche
für eine
Vernetzungsreaktion notwendigen Komponenten bereits umfasst und
dessen Vernetzungsreaktion, insbesondere hinsichtlich des Beginns
und der Schnelligkeit mit der diese abläuft, von der Temperatur des
Polyurethans abhängt.
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Unter
einer temperierten Kavität
des Schäumwerkzeugs
wird erfindungsgemäße verstanden,
dass die Oberflächentemperatur
der Kavität
auf einen definierten Wert eingestellt werden kann. Dies kann auf
beliebige Art und Weise erfolgen, beispielsweise mittels einer integrierten
Heizvorrichtung (z. B. Heizdrähte,
Heizrohre für
ein temperiertes Fluid) oder auch durch temporäre Aufheizung durch eine externe
Heizvorrichtung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Verwendung eines einkomponentigen Polyurethans für die Herstellung
eines mehrschichtigen Bauteils, wobei sichergestellt wird, dass
eine Vernetzung des Polyurethans ausschließlich in der Kavität des Schäumwerkzeugs
stattfindet, indem die Reaktionstemperatur des Polyurethans so gewählt wird, dass
diese oberhalb der Temperatur in den entsprechenden Zuleitungen
für den
Werkstoff und unterhalb der entsprechenden Temperatur in der Kavität liegt. Ein
entsprechendes Ergebnis kann natürlich
auch dadurch erzielt werden, dass – bei einer vorge gebenen Reaktionstemperatur
des Polyurethans – die Temperatur
der Zuleitungen unterhalb dieser Reaktionstemperatur eingestellt
wird.
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Das
Erzeugen der Formhaut kann auf beliebige, aus dem Stand der Technik
bekannte Art und Weise erfolgen. Insbesondere bietet sich das Sprühen eines
Polyurethans in ein offenes Sprühwerkzeug
an. Die Formhaut kann selbstverständlich auch mehrschichtig aufgebaut
sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere
kann diese noch eine Oberflächenschicht
aufweisen, die vorzugsweise lichtecht sein und besondere optische und
haptische Qualitäten
aufweisen sollte.
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Das
Einbringen des Polyurethans in den Zwischenraum zwischen der Formhaut
und dem Trägerbauteil
kann ebenfalls auf beliebige Art und Weise erfolgen; insbesondere
kann hierfür
eine Hochdruckinjektionseinrichtung verwendet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert das verwendete Polyurethan auf
einem Polyisocyanat-Prepolymer und weist ein Methylendiphenyldiisocyanat
in einer Konzentration > 1%,
ein 2,2,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat
in einer Konzentration von < 0,5%
und ein 2,4,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat in einer Konzentration
von < 0,5% auf.
Ein solches einkomponentiges Polyurethan, das zum Zeitpunkt der
Patentanmeldung von der Firma Braking-Sunstar S. P. A., Weikersheim,
Deutschland, unter der Bezeichnung PENGUIN FOAM 3151 E vertrieben
wird, weist eine Reaktionstemperatur von 63°C auf. Diese Temperatur, die
im Vergleich zu anderen bekannten Polyurethan-Systemen niedrig ist, ermöglicht die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei entsprechend niedrigen Temperaturen. Auf diese Weise kann eine
negative Beeinflussung der übrigen
Verfahrensschritte bzw. der einzelnen Bestandteile des mehrschichtigen
Bauteils (Formhaut und Trägerbauteil)
durch eine zu hohe Temperatur vermieden werden.
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Vorzugsweise
wird bei der Verwendung dieses einkomponentigen Polyurethans die
Kavität
des Schäumwerkzeugs
auf eine Temperatur von mindestens 63°C temperiert. Eine bevorzugte
obere Grenze für
die Temperatur der Kavität
des Schäumwerkzeugs
liegt bei 80°C.
Oberhalb dieser Grenztemperatur muss mit vermehrten negativen Beeinflussungen der übrigen Verfahrensschritte
beziehungsweise Bestandteile gerechnet werden, ohne dass dadurch
die Reaktionssicherheit des Polyurethans nennenswert weiter erhöht werden
könnte.
Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich,
diesen Grenzwert zu überschreiten.
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Das
Aufschäumen
des einkomponentigen Polyurethans erfolgt vorzugsweise mechanisch,
indem eine definierte Menge eines Gases mit diesem Polyurethan gemischt
und die Kavität
nach dem Einbringen des Polyurethans vergrößert wird, so dass durch die
daraus resultierende Reduzierung des Fülldrucks in der Kavität das in
dem einkomponentigen Polyurethan enthaltene Gas expandiert, was
in einem Aufschäumen
des Polyurethans resultiert. Bei dem Gas kann es sich bevorzugt
um Luft handeln. Weiterhin bevorzugt wird das Gas bereits vor dem Einbringen
des einkomponentigen Polyurethans in die Kavität mit diesem vermischt.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens weist zumindest ein eine Kavität ausbildendes Schäumwerkzeug
auf, wobei die Kavität
temperierbar ist, und weiterhin mindestens eine Zuleitung für ein einkomponentiges
Polyurethan. Diese Zuleitung kann gegebenenfalls mehrkanalig ausgebildet
sein.
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Um
eine benötigte
Prozesssicherheit dahingehend zu erreichen, dass das einkomponentige
Polyurethan erst in der Kavität
des Schäumwerkzeugs reagiert,
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise
weiterhin eine Wärmeisolation
zwischen der Kavität
und der Zuleitung für
das einkomponentige Polyurethan auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen die:
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1a–1f:
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines mehrschichtigen Instrumententrägers für ein Kraftfahrzeug in verschiedenen
Teilschritten; und
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2:
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung
eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils in teilweise schematischer
Darstellung.
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In
den 1a bis 1f sind
in insgesamt fünf
Teilschritten die Herstellung eines mehrschichtigen Instrumententrägers für ein Kraftfahrzeug
mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt.
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In
einem ersten Schritt (1a) wird eine Formhaut mittels
eines aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Verfahrens
hergestellt. Hierbei wird ein kompaktes Polyurethan 1 unter
Hochdruck in ein entsprechendes Formhaut-Werkzeug 2 injiziert, wo
dieses aushärtet.
Nach dem Aushärten
des Polyurethans 1 kann die Formhaut entnommen werden und
in ein zweites Werkzeug 3 eingelegt werden, das aufgrund
eines drehbaren Kernelements 4 als kombiniertes Spritzgieß-/Hinterschäumwerkzeug
ausgebildet ist.
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Vor
dem Einlegen der Formhaut in das kombinierte Werkzeug wird ein Trägerbauteil
für die
Instrumententafel im Rahmen eines aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten
Kunststoff-Spritzgießprozesses
hergestellt. Hierzu wird ein thermoplastischer Kunststoff 5 (beispielsweise
ABS + PC oder PP-SGI) unter Hochdruck in eine Kavität eingespritzt, die
von dem Werkzeugunterteil 3b sowie der unteren Seite des
Kernelements 4 begrenzt wird (1b).
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Nach
einem ausreichenden Aushärten
des Trägerbauteils 6 werden
das Werkzeugunter- 3b sowie -oberteil 3a auseinander
gefahren und das Kernelement 4 um 180° rotiert (1c),
so dass das Trägerbauteil 6 bei
einem erneuten Zusammenfahren des Werkzeugoberteils und des Kernelements
in der durch diese Elemente ausgebildeten Kavität positioniert sein wird.
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Zunächst jedoch
wird die Formhaut 7 in dem Werkzeugoberteil 3a positioniert
und durch ein seitliches Einschieben von Umbugschiebern 8 fixiert (1d).
Daraufhin kann vorgesehen sein, über
eine Sprühvorrichtung 9 einen
Haftvermittler auf die Innenseite der Formhaut 7 sowie
auf der Oberseite des Trägerbauteils 6 aufzutragen.
Zur Reduzierung der Taktzeit für
die Produktion des Instrumententrägers sollte nach Möglichkeit
die Notwendigkeit, einen Haftvermittler vorzusehen, vermieden werden.
Sofern dies nicht möglich
ist, kann alternativ auch vorgesehen sein, eine Plasmavorbehandlung
in den vollautomatischen Prozess zu integrieren. Anschließend erfolgt
das Zusammenfahren des Werkzeugober- 3a und des Werkzeugunterteils 3b,
wobei sich eine geschlossene Kavität zwischen dem Werkzeugoberteil 3a und
dem Kernelement 4 ergibt; die Formhaut 7 sowie
das Trägerbauteil 6 sind
dabei innerhalb dieser Kavität
angeordnet (1e).
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Über eine
Injektionsvorrichtung 10 wird nunmehr ein Gemisch aus einem
einkomponentigen Polyurethan 11 und Druckluft 12 über eine
in dem Kernelement 4 des kombinierten Werkzeugs 3 angeordnete
Zuleitung 13 in den Zwischenraum zwischen der Formhaut 7 und
dem Trägerbauteil 6 injiziert.
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Nach
dem Füllen
dieses Zwischenraums wird ein definierter Entlastungshub gefahren,
wobei das Werkzeugoberteil 3a eine definierte Distanz von dem
Kernelement 4 angehoben wird, so dass sich eine Vergrößerung der
von diesen Bauteilen begrenzten Kavität ergibt. Durch den dabei stattfindenden
Druckabfall in der Kavität
erfolgt eine Expansion der in dem ein komponentigen Polyurethan 11 enthaltenen
Druckluft 12, was zu einem Aufschäumen des Polyurethans 11 führt.
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Bei
dem einkomponentigen Polyurethan 11 handelt es sich erfindungsgemäß um einen
solchen Werkstoff, der ab einer Temperatur von 63°C relativ schlagartig
reagiert. Bei Temperaturen unterhalb von 63°C ist die Vernetzungsreaktion
dieses einkomponentigen Polyurethans dagegen stark eingeschränkt.
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Durch
die Anordnung von Leitungen (Bohrungen) für temperiertes Wasser in dem
Werkzeugoberteil kann erreicht werden, dass in der Kavität eine Temperatur
von mindestens 63°C
herrscht. Auf diese Weise wird eine Vernetzungsreaktion des in die
Kavität
einströmenden
einkomponentigen Polyurethans nahezu unverzüglich gestartet. Um eine entsprechende
Vernetzungsreaktion jedoch in den Zuleitungen des Kernelements zu
vermeiden, ist vorgesehen, die dort herrschenden Temperaturen sicher
unterhalb dieser 63°C-Grenze
zu halten. Dies kann beispielsweise mittels einer entsprechenden
Isolierung erfolgen, wie dies im Folgenden näher anhand der 2 erläutert werden
soll.
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Nach
erfolgter Vernetzung und einem ausreichenden Aushärten des
Polyurethanschaums kann das kombinierte Werkzeug 3 wiederum
auseinander gefahren und das im Wesentlichen fertige Bauteil 14 entnommen
werden (1e).
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In
der 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung
eines mehrteiligen Kunststoffbauteils dargestellt. Als wesentliche
Bestandteile weist dieses Werkzeug 103 ein Werkzeugoberteil 103a sowie
ein Werkzeugunterteil 103b auf, die eine Kavität 114 ausbilden,
in der eine zuvor hergestellte Formhaut und ein ebenfalls zuvor
hergestelltes Trägerbauteil
positioniert und der zwischen diesen gebildete Zwischenraum mit
einem wärmeaktivierbaren, einkomponentigen
Polyurethan aufgefüllt
wird. Für eine
Zufüh rung
des Polyurethan-Druckluft-Gemisches ist in dem Werkzeugunterteil
eine Zuleitung 113 eingebracht, wobei – aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung
eines einkomponentigen Polyurethans – lediglich eine Zuleitung 113 ausreichend
ist.
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Ein
wesentliches Unterscheidungsmerkmal dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
gegenüber einer
entsprechenden Vorrichtung aus dem Stand der Technik liegt in der
Möglichkeit,
eine Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeugober- 103a und dem
Werkzeugunterteil 103b derart einzustellen, dass die Reaktionstemperatur
des verwendeten einkomponentigen Polyurethans, die vorliegend bei 63°C liegt,
in diesem Differenzbereich liegt. Für eine entsprechende Aufheizung
des Werkzeugsoberteils 103a sind in diesem eine Vielzahl
von Leitungen 115 angeordnet, durch die temperiertes Wasser
geleitet wird, wodurch eine einfache und insbesondere regelbare
Aufheizung des Werkzeugoberteils 103a möglich ist. Um eine ungewollte
Reaktion des einkomponentigen Polyurethans in der Zuleitung 113 zu
verhindern, wird mittels einer innerhalb des Werkzeugunterteils
positionierten Isolierung 116 ein ungewollter Wärmeübergang
von dem Werkzeugoberteil 103a auf den die Zuleitung 113 enthaltenden
Teil des Werkzeugunterteils 103b vermieden; die Temperatur innerhalb
der Zuleitung 113 beträgt
daher lediglich ca. 30°C.