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Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet des Herstellens eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff, insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil, sowie ein Trägermaterial mit flüssigem Treibmittel für das Verfahren.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, geschäumte Bauteile aus Kunststoff, also Bauteile aus einem geschäumten Kunststoff, herzustellen, indem einem Kunststoffgrundmaterial ein ein Treibmittel enthaltenes Trägermaterial zugemischt wird, das Kunststoffgrundmaterial plastifiziert wird und anschließend das plastifizierte Kunststoffgrundmaterial mittels einer Druck- und/oder einer Temperaturänderung aufgeschäumt wird. Als Verarbeitungsmaschinen werden beispielsweise Spritzgieß-, Blas- oder Extrusionsanlagen verwendet.
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Es können sowohl chemische als physikalische Treibmittel verwendet werden, um das Aufschäumen des plastifizierten Grundmaterials zu bewirken. Chemische Treibmittel weisen den Vorteil auf, dass sie mittels Mischung unterschiedlicher Treibmittelsubstanzen zu einer großen Variationsbreite der Reaktionstemperatur führen, so dass die Verarbeitung auf entsprechend ausgelegten Produktionsmaschinen relativ einfach ist. Ein Nachteil derartiger Treibmittel besteht jedoch darin, dass nach der Reaktion während des Aufschäumens Restsubstanzen im geschäumten Werkstoff verbleiben und dessen Eigenschaften beeinflussen.
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Physikalische Treibmittel führen in der Regel zu feineren geschäumten Strukturen in dem hergestellten Bauteil oder Artikel, wobei allerdings ein homogenes Einbringen physikalischer Treibmittel in einem plastifizierten Kunststoff wesentlich schwieriger ist als dies für chemische Treibmittel der Fall ist.
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Aus dem Dokument
EP 1 290 073 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Bauteils bekannt, bei dem ein aufzuschäumendes Ausgangsmaterial gebildet wird, indem in ein Grundmaterial ein ein flüssiges Treibmittel enthaltendes Trägermaterial in Form von Schäben eingemischt wird, und bei dem anschließend das aufzuschäumende Ausgangsmaterials mittels einer Druck- und/oder Temperaturänderung aufgeschäumt wird. Schäben werden in einem mehrstufigen Verarbeitungsprozess aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, insbesondere Einjahrespflanzen. Es handelt sich hierbei um die bei der Gewinnung von Pflanzenfasern anfallenden holzartigen Bestandteile. Die Schäben zersetzen sich bei Temperaturen, die etwa bei 200°C beginnen. Solche und höhere Temperaturen sind bei Spritzgießverfahren jedoch durchaus üblich und gewünscht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff anzugeben, bei denen die vorangehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden sind. Insbesondere soll auch bei hohen Schmelz- oder Plastifizierungstemperaturen ein prozessgerechtes Einmischen des mit dem flüssigen Treibmittel versehenen Trägermaterials ermöglicht sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff, insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil, nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist ein Trägermaterial mit flüssigem Treibmittel nach dem unabhängigen Anspruch 11 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
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Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff, insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Bereitstellen eines Kunststoffgrundmaterials,
- – Einmischen eines Trägermaterials, welches mit flüssigem Treibmittel beladen ist, in das Kunststoffgrundmaterial,
- – Herstellen einer Kunststoffschmelze, indem das Kunststoffgrundmaterials mit dem eingemischten Trägermaterial in einer Plastifizierungseinrichtung plastifiziert wird,
- – Einbringen und Aufschäumen der Kunststoffschmelze unter einer Druck- und/oder einer Temperaturänderung in einer Werkzeugkavität und
- – Entfernen des geschäumten Bauteils aus der Werkzeugkavität,
wobei als Trägermaterial mit flüssigem Treibmittel ein Granulat aus geschäumten mikroporösen Polymerformkörpern und/oder Agglomerate verwendet werden, die aus einem oder mehreren verschiedenen thermoplastischen Polymeren gebildet sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Trägermaterial mit flüssigem Treibmittel zur Verwendung in einem Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Bauteils geschaffen, bei dem eine Kunststoffschmelze unter einer Druck- und/oder einer Temperaturänderung aufgeschäumt wird, insbesondere Spritzgießverfahren, enthaltend eine Mischung eines Kunststoffgrundmaterials und eines Granulats aus geschäumten mikroporösen Polymerformkörpern und/oder Agglomeraten, die aus einem oder mehreren verschiedenen thermoplastischen Polymeren gebildet sind.
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Bei der Erfindung ist vorgesehen, als Trägermaterial für das flüssige Treibmittel ein Granulat aus geschäumten mikroporösen Polymerformkörpern zu verwenden. Die geschäumten Polymerformkörper des Granulats bestehen aus einem oder mehreren verschiedenen thermoplastischen Polymeren, so dass auch mikroporöse Polymerformkörper und/oder Agglomerate in dem Granulat gemischt sein können, die aus unterschiedlichen thermoplastischen Polymeren bestehen. Die Granulatpartikel sind mit einem oder mehreren flüssigen Treibmitteln befeuchtet. Bei der Druck- und/oder Temperaturänderung im Prozess des Aufschäumens der Kunststoffschmelze, welche das Trägermaterial mit dem Treibmittel enthält, kommt es zum wenigstens teilweisen Verdampfen des Treibmittels, was eine Blasenbildung in der Kunststoffschmelze verursacht, so dass die Werkzeugkavität ausfüllend ein geschäumtes Bauteil entsteht, welches nach dem Abkühlen aus der Werkzeugkavität entfernt werden kann.
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Das Aufschäumen der Kunststoffschmelze erfolgt in einer Ausführungsform in einer formgebenden Werkzeugkavität. In dieser oder anderen Ausgestaltungen kann das Aufschäumen im Rahmen eines Spritzgieß-, eines Extrusions- oder eines Blasformverfahrens erfolgen. Bei der Verwendung des Verfahrens im Zusammenhang mit dem Extrudieren oder dem Blasformen kann vorgesehen sein, in die Kunststoffschmelze des plastifizierten Materials ergänzend noch zusätzliches Trägermaterial einzubringen, welches mit dem Treibmittel beladen ist.
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Geschäumte mikroporöse Polymerformkörper in Granulatform sind als solche in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie eine mikroporöse Schaumstruktur aufweisen, in welcher sich das flüssige Treibmittel einlagern kann, um dieses dann dem Kunststoffgrundgranulat in der Materialdosiereinheit einzubringen. Die Agglomerate bilden ein Granulat mit einer im Wesentlichen gleichen Korngröße der Agglomerate. Es handelt sich um haftend miteinander verbundene Partikel aus Kunststoff, zum Fasern oder Körner, derart, dass die Agglomerate Hohlräume aufweisen, in die dann das oder die flüssigen Treibmittel einbringbar sind. Agglomerate entstehen zum Beispiel dadurch, aufeinander treffende Kunststoffpartikel, die im Oberflächen bereich aufgeschmolzen sind, aneinander und diese Haftung dann nach dem Abkühlen erhalten bleibt.
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Vorzugsweise bestehen die einzelnen geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und die Agglomerat jeweils aus genau einem thermoplastischen Polymer. Solche jeweils aus einem thermoplastischen Polymer bestehende Granulatpartikel können dann für mehrere unterschiedliche thermoplastische Polymere miteinander vermischt werden, um ein Trägermaterial-Granulat herzustellen, was aus Granulatpartikeln besteht, die jeweils aus einem bestimmten thermoplastischen Polymer bestehen, und im Übrigen jedoch Granulatpartikel unterschiedlicher thermischer Polymere enthält. Ein solches Vermischen unterschiedlicher geschäumter mikroporöser Polymerformkörper und/oder Agglomerate erfolgt vorzugsweise vor dem Einmischen des Trägermaterials in das oder Beimengen des Trägermaterials zum Kunststoffgrundmaterial.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist somit ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff geschaffen, bei dem in das Kunststoffgrundmaterial, bevor dieses dann in die Plastifizierungseinrichtung eindosiert wird, ein Trägermaterial mit flüssigem Treibmittel eingebracht wird, welches selbst aus thermoplastischem Polymer besteht.
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Vorzugsweise besteht auch das Kunststoffgrundmaterial aus einem oder mehreren thermoplastischen Polymeren.
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Die Begriffe Plastifizieren und Aufschmelzen eines Kunststoffmaterials werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet. Das Kunststoffmaterial wird hierbei unter Energiezufuhr in einen erweichten Zustand gebracht, zum Beispiel durch Aufheizen mittels Wärmestrahlung oder Mikrowellenbehandlung. Dementsprechend haben die Begriffe Plastifizierungstemperatur und Schmelztemperatur in Verbindung mit der vorliegenden Anmeldung die gleiche Bedeutung.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das eine oder die mehreren verschiedenen thermoplastischen Polymere Kunststoffmaterialien mit einem Schmelzfließindex von wenigstens 8 sind. Der Schmelzfließindex („Melt Flow Index”) dient zur Charakterisierung des Fließverhaltens (Formmassenprüfung) eines thermoplastischen Werkstoffes bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen. Er ist ein Maß für die Viskosität der Kunststoffschmelze. Die Einheit für den Schmelzfließindex ist g/10 min. Die Normen für die Bestimmung des Schmelzfließindexes sind angegeben in: ISO 1133 sowie ASTM D1238 MVR. Der Schmelzindex gibt an, wie viel Gramm eines Kunststoffes in 10 Minuten durch eine Kapillare bestimmter Geometrie gepresst wird. Der Schmelzfließindex (MFI) wird wir folgt bestimmt: MFI = (600·m)/t.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kunststoffgrundmaterial ein thermoplastisches Polymer umfasst, aus dem zumindest ein Teil der geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder der Agglomerate des Granulats gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung besteht das Kunststoffgrundmaterial, in welches dann das Trägermaterial mit dem Treibmittel eingemischt wird, selbst zumindest teilweise aus einem thermoplastischem Polymer, aus dem die geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder die Agglomerate zumindest teilweise auch gebildet sind. Das thermoplastische Polymer findet sich also sowohl im Kunststoffgrundmaterial als auch in Granulat.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kunststoffgrundmaterial aus einem thermoplastischen Polymer besteht, aus dem zumindest ein Teil der geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder der Agglomerate des Granulats gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung besteht das Kunststoffgrundmaterial ausschließlich aus einem thermoplastischen Polymer, welches sich auch in dem Granulat der geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder der Agglomerate findet. Beispielsweise ist also ein Teil der geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder die Agglomerate des Granulats aus dem thermoplastischen Material hergestellt, welches als Kunststoffgrundmaterial zum Einsatz kommt.
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Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das Kunststoffgrundmaterial aus einem thermoplastischen Polymer besteht, aus dem das Granulat der geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder der Agglomerate gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform bestehen Kunststoffgrundmaterial und sämtliche geschäumten mikroporösen Polymerformkörper und/oder die Agglomerate des Granulats ausschließlich aus demselben thermoplastischen Polymer. Das Granulat besteht also aus genau einem Kunststoffmaterial, welches gleich dem Kunststoffgrundmaterial ist, also gleich dem hierfür vorgesehenen thermoplastischen Polymer.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Trägermaterial beim Aufschäumen im Wesentlichen rückstandsfrei vom Kunststoffgrundmaterial aufgenommen wird. Die im Wesentlichen rückstandsfreie Aufnahme des Trägermaterials im Kunststoffgrundmaterial nach dem Aufschäumen bedeutet insbesondere, dass das Trägermaterial im geschäumten Bauteil nicht mehr als getrenntes Material nachweisbar ist, da es in dem geschäumten Kunststoffgrundmaterial „aufgegangen ist”. Dieses wird beispielsweise dadurch erreicht, dass Kunststoffgrundmaterial und das Granulat des Trägermaterials aus demselben thermoplastischen Polymer bestehen. Aber auch bei anderen Ausführungsformen kann eine Aufnahme des Trägermaterials in dem Kunststoffgrundmaterial im geschäumten Bauteil in diesem Sinne stattfinden, zum Beispiel dann, wenn Trägermaterial und Kunststoffgrundmaterial zumindestens zu Teilen aus demselben thermoplastischen Polymer bestehen. Zumindest für diesen Teil des Trägermaterials kann dann eine im Wesentlichen rückstandsfreie Aufnahme des Trägermaterials in dem Kunststoffgrundmaterial stattfinden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass das Trägermaterial vor dem Einmischen in das Kunststoffgrundmaterial mit wenigstens einem flüssigen Treibmittel aus der folgenden Gruppe beladen wird: Wasser und Alkohol. Das Beladen des Trägermaterials mit Wasser, Alkohol und/oder einem anderen flüssigen Treibmittel findet beispielsweise mittels Befeuchten der Granulatpartikel statt. Hierzu können diese in Wasser eingetaucht werden.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Besprengen, eine Auftrommeln, ein Begasen und/oder ein Bedampfen des Granulats vor dem Einmischen in das Kunststoffgrundmaterial stattfinden.
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Eine Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trägermaterial mit dem flüssigen Treibmittel im gefrorenen Zustand eingemischt wird. Zu diesem Zweck wird das Trägermaterial nach dem Aufbringen des Treibmittels kühlen Temperaturen ausgesetzt, zum Beispiel mittels Schockgefrieren.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kunststoffgrundmaterial als Kunststoffgranulat bereitgestellt wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Einmischen des Trägermaterials in das Kunststoffgrundmaterial in einer Dosiereinrichtung erfolgt, mit der dann das Kunststoffgrundmaterial mit dem hierin eingemischten Trägermaterial in die Plastifizierungseinrichtung eindosiert wird. An die Dosiereinrichtung zum Einbringen der Mischung aus Kunststoffgrundmaterial und Trägermaterial in der Plastifizierungseinrichtung kann eine weitere Dosiereinrichtung koppeln, mit der das Trägermaterial in das Kunststoffgrundmaterial eindosiert wird.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines geschäumten Bauteils aus Kunststoff wird zunächst ein Kunststoffgrundmaterial in einer Materialversorgungseinrichtung bereitgestellt, die zum Beispiel einer Spritzgießmaschine zugeordnet ist. Als Kunststoffgrundmaterial können zum Beispiel Ethylen-Vinyl Acetat (EVA), Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, oder eine Mischung hieraus oder ein Polyolefinelastomer verwendet werden.
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In das als Granulat bereitgestellte Kunststoffgrundmaterial wird dann das Trägermaterial eindosiert, welches mit einem oder mehreren flüssigen Treibmitteln beladen ist. Hierzu wird das schütt- und rieselfähige Granulat aus geschäumten mikroporösen Polymerformkörpern und/oder Agglomeraten aus Kunststoff, die mit Treibmitteln beladen sind, in das Kunststoffgrundmaterial eingemischt. Nach dem Einmischen wird die Mischung mit Kunststoffgrundmaterial und Trägermaterial plastifiziert in einer Plastifiziereinrichtung, zum Beispiel im Schneckenzylinder der Spritzgießmaschine.
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Danach wird in einer Werkzeugkavität aufgeschäumt, die wahlweise formgebend für ein herzustellendes Bauteil ist, indem dort Druck- und Temperaturbedingungen eingestellt werden, die zur Verdampfung des Treibmittels und so zur Blasenbildung in dem Ausgangsmaterial führen. Das plastifizierte Kunststoffmaterial wird hierbei in der Werkzeugkavität eingebracht, in der ein Hohlraum gebildet ist, welcher vorzugsweise im Wesentlichen einer äußeren Form des herzustellenden Artikels entspricht. Mittels dieser oder anderer Ausführungsformen des Verfahrens können unterschiedliche Bauteile oder Artikel hergestellt werden, insbesondere Bauteile für Kraftfahrzeuge, zum Beispiel Innen- oder Außenverkleidungsteile.
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Beim Herstellen des plastifizierten Ausgangsmaterials kann vorgesehen sein, dass ein thermoplastisches Kunststoffgrundmaterial mit einem weiteren Kunststoffmaterial vermischt wird, welches mit dem thermoplastischen Kunststoffgrundmaterial verträglich ist.
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Die in der vorstehenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 1133 [0017]
- ASTM D1238 MVR [0017]