DE102009016432A1

DE102009016432A1 - Oberflächenbeschichteter Träger

Info

Publication number: DE102009016432A1
Application number: DE102009016432A
Authority: DE
Inventors: Chtistoph Lange
Original assignee: Polytec Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2009-04-04
Filing date: 2009-04-04
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteter thermoplastischer Träger sowie die so erhaltenen Träger.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteter thermoplastischer Träger sowie die so erhaltenen Träger.
Die Erfindung beschäftigt sich in erster Linie mit der Herstellung von Bauteilen mit veredelter Oberfläche und gleichzeitig einer partiellen Versteifung mit angenehmer, kratzfester und medienbeständiger Oberfläche
Durch Erzeugung von Rippenstrukturen, insbesondere Längsrippen, beispielsweise bei einer Kartentaschenoberkante können Bauteile (Träger) versteift werden. Die sichtbare Oberfläche wird häufig entweder nicht (spritzblank) oder aber durch Folien, Lack oder andere Materialien veredelt. Alternativ ist die Erzeugung von partiellen Hohlräumen in dem zu verstärkenden Bereich durch Injektion von Gasen oder Wasser in die Kunststoffschmelze bekannt.
Eine Beschichtung wird beispielsweise entweder durch eine nachgeschaltete Kaschierung oder aber durch direktes Hinterspritzen mit dem Trägermaterial erzielt. Die erforderliche Versteifung des strukturierten Trägers durch Rippen ist technisch zwar einfach, führt aber zu einer unangenehmen Haptik, vor allem im Griffbereich beispielsweise einer Kartentasche. Daher werden die Rippen oftmals durch ein weiteres Bauteil, welches nachträglich aufgebracht werden muss, geschlossen. Dies verursacht zusätzliche Kosten und nachträgliche Montageschritte. Zudem entstehen durch die Einbringung von Verstärkungsrippen immer lokale Materialanhäufungen, die sich bei vielen Materialien durch optisch inakzeptable Einfallstellen auf der Sichtseite bemerkbar machen. Die Beschichtung mittels einer Folie in diesem Fall ist in der Regel sehr aufwändig und kostenintensiv. Alternativ kann eine derartige Versteifung auch durch Erzeugung eines Hohlraumes im Kunststoff erzielt werden. Der Hohlraum wird hierbei meistens durch Injektion eines Fluids (Gas, Wasser) oder eines Projektils hergestellt. Dieses Verfahren ist technisch aufwändig und führt abhängig von den verwendeten Materialien (beispielsweise Polypropylen) zu relativ kratzempfindlichen Oberflächen. Für spritzblanke Oberflächen ist dies üblich, bei folienbeschichteten Bauteilen ist dies jedoch sehr aufwändig und kostenintensiv. Zudem ist die Haptik des Bauteils bei spritzblanken Oberflächen wenig ansprechend, zudem weisen diese meistens eine sehr geringe Kratzfestigkeit aufweisen. Andere Materialien mit besserer Beständigkeit, wie beispielsweise ABS oder PC-ABS, lassen sich oft nur schwierig mit diesen Injektionsverfahren kombinieren, gleichzeitig führt dies zu wenig ansprechenden Oberflächen (zu hoher Glanzgrad) und akustisch unangenehmen Bauteilen (scheppernder Klang). Ein weiterer Nachteil ist in der Einschränkung der Bauteilgeometrie durch den Kanal zu sehen, der abhängig von dem verwendeten Fluid speziellen Konstruktionsrichtlinien unterworfen ist und damit zu Einschränkungen im Bauteildesign führt.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteten thermoplastischen strukturierten Trägers mit einer entsprechend veredelten Oberfläche und gleichzeitig einer partiellen Versteifung mit angenehmer (haptischer), kratzfester und medienbeständiger Oberfläche.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteter thermoplastischer strukturierter Träger,
wobei man
in einem ersten Schritt den Träger spritzgießt,
in einem zweiten Schritt den Träger des ersten Schritts in eine geschlossene Kavität überführt, die neben der Kontur des Trägers einen Hohlraum entsprechend dem Volumen und der Kontur der Oberflächenbeschichtung ausweist und
in einem dritten Schritt das Volumen der Kavität mit einem flüssigen Polyurethanreaktionsgemisch unter hohem Druck flutet und das Polyurethanreaktionsgemisch aushärtet, bevor der strukturierte Träger der Kavität entnommen wird.
Das Bauteil wird erfindungsgemäß als Träger in einem ersten Prozess spritzgegossen. Hierbei wird die Versteifung des Trägers beispielsweise durch Rippen dargestellt. In einem direkt nachfolgenden Schritt insbesondere im gleichen Werkzeug wird durch Umsetzen des Trägers in eine neue Kavität – vornehmlich durch Drehbewegung des Werkzeugs oder eines Werkzeugteils – die Oberfläche des Trägers mit einem flüssigen Lack auf Polyurethan-Basis Polyurethanreaktionsgemisch beschichtet. Hierbei wird auch die trägerseitige Verrippung durch das Lacksystem aufgefüllt und eine ergonomische Form durch den relativ weichen Lack erzeugt. Anstelle der Rippenstruktur ist auch ein Hohlraum (Gaskanal) denkbar, der dann ebenfalls im zweiten Prozessschritt mit beschichtet wird.
Nach dem Überführen des Trägers in eine zweite Kavität wird diese vorzugsweise mit dem Polyurethanreaktionsgemisch bei einem Druck von 100 bis 300 bar, insbesondere 150 bis 200 bar geflutet. Ein zu hoher Druck ist hierbei unwirtschaftlich, während bei einem zu geringen Druck nicht gewährleistet wird, dass feine Hohlräume in der Kavität, die durch eine Rippenstruktur oder Hohlräume gebildet werden, vollständig geflutet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt somit, dass sämtliche Oberflächenbereiche der Träger vollständig mit dem Polyurethanreaktionsgemisch bedeckt sind. Im Verlauf der weiteren Reaktion lässt man dann das Polyurethanreaktionsgemisch aushärten, bevor der strukturierte Träger der Kavität entnommen wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteten thermoplastischen strukturierten Trägern mit Rippen und/oder Hohlräumen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Oberflächenbeschichtung aus Polyurethan eine Schichtdicke im Bereich von 0,2 bis 2 mm, insbesondere 0,2 bis 0,7 mm aufweist. Hiermit wird eine angenehme (haptische), kratzfeste und medienbeständige Oberfläche der Träger bereitgestellt, wobei die Oberflächenbeschichtung aus Polyurethan eine äußerst geringe Schichtdicke aufweist. Dennoch werden Rippenstrukturen, Hohlräume und Hinterschneidungen mit dem Polyurethan vollständig ausgefüllt.
Im Vergleich zu bekannten Oberflächen (Kunststoff, Lack, Folie) stellt die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Alternative bei gleichzeitig sehr hoher Beständigkeit (Kratzbeständigkeit, Medienbeständigkeit und weitere) dar. Gleichzeitig kann der versteifte Bereich beispielsweise einer Kartentaschengriffkante mit beschichtet werden. Die Versteifung (Rippenstruktur) kann als reine Kunststoffoberfläche zwar technisch einfach hergestellt werden, weist jedoch an sich materialabhängig eine mangelhafte Kratzfestigkeit (Polypropylen (PP)) oder mangelhafte Glanzgrade (ABS, PC-ABS u. a.) auf. Auch die akustischen Eigenschaften, vor allem bei ABS oder PC-ABS, sind bei unbeschichteten Bauteilen nachteilig (scheppernder Klang). Weiterhin bietet die Beschichtung mit der erfindungsgemäßen Oberfläche aufgrund der geringen Schichtdicken deutliche Gewichtsvorteile. Im Vergleich zu Folie und thermoplastischen Elastomeren sind deutlich geringere Beschichtungsdicken möglich, was zu einer Reduzierung des Bauteilgewichts führt. Zudem wird hierbei nicht nur die sichtbare, dem Fahrer zugewandte Oberfläche, sondern auch der Griffbereich auf der Rückseite mitbeschichtet. Im Vergleich zu Lacksystemen können Bauteile nach dieser Erfindung in einem integrierten Prozess hergestellt werden, während, bei Lackiervorgängen meist mehrere Prozessschritte erforderlich sind, häufig der Einsatz von chemischen Vorbehandlungsverfahren erforderlich ist.
Das Material der erfindungsgemäß hergestellten Träger kann aus üblichen Spritzgussmaterialien hergestellt werden. Dementsprechend enthält der Träger vorzugsweise ein Polyolefin, insbesondere Polypropylen (PP), ein Polycarbonat (PC), ein Polyamid, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) aber auch Blendsysteme, wie beispielsweise PC-ABS, ASA-PA oder ABS-PA. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung besteht der Träger aus den vorgenannten Materialien.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung lassen sich besonders schlagfeste, insbesondere kerbschlagfeste Träger herstellen. So ist in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der E-Modul eines Trägers auf der Basis von ABS dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1.800 bis 2.400 MPa und/oder eine Kerbschlagzähigkeit nach Charpy von 13 bis 63 kJ/m² (23°C) aufweist.
Analog dazu ist ein bevorzugter Träger dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul eines Trägers auf der Basis von PP 1.300 bis 2.800 MPa und/oder die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy 14 bis 18 kJ/m² (23°C) beträgt. Bei gefüllten Typen (beispielsweise Glasfaser) kann der E-Modul auch 4.200–5.200 MPa und die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (23°C) 4,5–14 kJ/m² betragen.
Ein entsprechender Träger auf der Basis von PC-ABS kann so mit einem E-Modul von 2.100 bis 2.600 MPa und/oder einer Schlagzähigkeit nach Charpy von 20 bis 50 kJ/m² (23°C) hergestellt werden.
Zusätzlich kann mit der aufgebrachten PUR-Schicht auch die Crash-Kompatibilität des Träger-Oberflächen-Systems verbessert werden, da die PUR-Beschichtung evtl auftretende scharfkantige Bruchstellen des Spritzguß-Trägers abdeckt und das Verletzungsrisiko für einen Insassen beispielsweise bei einem Seitencrash erheblich reduziert.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die zur lokalen Erhöhung von Bauteilsteifigkeiten erforderlichen Rippenstrukturen durch die Oberflächenbeschichtung im Bereich zwischen den einzelnen Rippen vollständig aufgefüllt ist.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Träger 1 mit einer Rippenstruktur 10 dargestellt.
In der 2 wird dargestellt, dass die Rippenstruktur gemäß 1 vollständig mit einer Oberflächenbeschichtung 2 versehen ist.
Die 3 zeigt ein vergrößertes Schnittbild des Trägers 1, der im Bereich der Rippenstruktur 10 vollständig mit der Oberflächenbeschichtung 2 versehen ist. Hierbei werden die Kammartigen Zwischenräume der Rippenstruktur 2 durch die Beschichtung 2a vollständig aufgefüllt.
Ausführungsbeispiel:
Ein Innenraumbauteil, hier ein Türverkleidungsunterteil 1 (Kartentasche), wie in 1 dargestellt, vornehmlich aus thermoplastischem Material wie ABS, PC-ABS oder PP, wurde in einem ersten Schritt als Vorformling im Spritzgießverfahren hergestellt (1. Kavität). Hierzu wurde das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (Massetemperatur beispielsweise 220 bis 260°C bei PC-ABS) unter hohem Druck in die Werkzeugkavität eingepresst. Nach Abkühlung der heißen Schmelze auf Entformungstemperatur (bei PC-ABS beispielsweise 80 bis 120°C) wurde das Werkzeug geöffnet. Der Vorformling wurde dann in eine neue Kavität im selben Werkzeug umgesetzt, beispielsweise durch Drehen des gesamten Werkzeugs oder durch Drehen eines Teilbereiches des Werkzeugs. Das Werkzeug wurde wieder geschlossen, in der ersten Kavität wurde wieder ein Vorformling hergestellt. In der zweiten, neuen Kavität, wurde nun flüssiges Polyurethanreaktionsgemisch, vornehmlich aliphatisches Polyurethanreaktionsgemisch, über einen oder mehrere Mischköpfe injiziert. Das Polyurethanreaktionsgemisch wies dabei eine Temperatur von 40 bis 70°C auf und wurde mit einem Druck von 150 bis 190 bar in einer Mischkammer vermischt und dann über ein Austragsrohr der Kavität zugeführt. Das Gemisch 2 überflutete die gemischte zu beschichtende Oberfläche vollständig und vernetzte dann chemisch zu einer hautartigen Beschichtung (siehe 2 und 3). Die Dicke der Beschichtung betrug hierbei insbesondere 0,5 bis 1,5 mm, konnte aber auch deutlich dünner (bis 0,2 mm) oder deutlich dicker (bis 2 mm) (auch ein zusätzliches Aufschäumen des PUR mit chemischen Treibmitteln zur Erhöhung der Haptik und Reduzierung des Gewichts zusätzlich ist möglich) ausgeführt werden. Für die Vernetzungsreaktion war eine Werkzeugtemperatur von 80 bis 100°C erforderlich. Nach Ablauf der Vernetzungsreaktion – ca. 40 bis 80 s je nach Katalyse des Materials – konnte das Werkzeug geöffnet und das fertige Bauteil aus der 2. Kavität entnommen werden. Anschließend wurde der gleichzeitig hergestellte Vorformling aus Kavität 1 wieder in die Position für Kavität 2 umgesetzt.

Claims

Verfahren zur Herstellung teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteter thermoplastischer strukturierter Träger, wobei man in einem ersten Schritt den Träger spritzgießt, in einem zweiten Schritt den Träger des ersten Schritts in eine geschlossene Kavität überführt, die neben der Kontur des Trägers einen Hohlraum entsprechend dem Volumen und der Kontur der Oberflächenbeschichtung ausweist und in einem dritten Schritt das Volumen der Kavität mit einem flüssigen Polyurethanreaktionsgemisch unter hohem Druck flutet und das Polyurethanreaktionsgemisch aushärtet, bevor der strukturierte Träger der Kavität entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kavität mit dem Polyurethanreaktionsgemisch bei einem Druck von 100 bis 300 bar, insbesondere 150 bis 200 bar flutet.
Teilweise oder vollständig oberflächenbeschichteter thermoplastischer strukturierter Träger mit Rippen und/oder Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus Polyurethan eine Schichtdicke im Bereich von 0,2 bis 2 mm, insbesondere 0,2 bis 0,7 mm aufweist.
Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem Polyolefin, insbesondere Polypropylen (PP), einem Polycarbonat (PC), einem Polyamid, einem Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), oder Blend-Systemen, insbesondere PC-ABS, ASA-PA oder ABS-PA besteht.
Träger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul eines Trägers auf der Basis von ABS 1.800 bis 2.400 MPa und/oder die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy 13 bis 63 kJ/m² (23°C) beträgt.
Träger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul eines Trägers auf der Basis von PP 1.300 bis 2.800 MPa und/oder die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy 14 bis 18 kJ/m² (23°C) beträgt.
Träger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul eines Trägers auf der Basis von PC-ABS 2100 bis 2.600 MPa und/oder die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy 20 bis 50 kJ/m² (23°C) beträgt.
Träger nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur lokalen Erhöhung von Bauteilsteifigkeiten erforderliche Rippenstruktur durch die Oberflächenbeschichtung aufgefüllt ist.