DE102013012515A1

DE102013012515A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus Schaumpartikeln

Info

Publication number: DE102013012515A1
Application number: DE201310012515
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Ilzhöfer; Joachim Seidel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-07-27
Filing date: 2013-07-27
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus aus einem Kunststoff gebildeten Schaumpartikeln (12), bei welchem die Schaumpartikel (12) in eine Form (18) eingebracht und thermisch miteinander verbunden werden, wobei die Schaumpartikel (12) mittels induktiver Erwärmung thermisch miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus aus einem Kunststoff gebildeten Schaumpartikeln ist aus der DE 100 09 665 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Schaumpartikel in eine Form eingebracht und thermisch miteinander verbunden. Die Schaumpartikel werden dabei mittels hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung thermisch miteinander verbunden. Mit anderen Worten wird Wärmeenergie zum thermischen Verbinden der Schaumpartikel mittels elektromagnetischer Strahlung erzeugt beziehungsweise in die Schaumpartikel eingebracht.
Ein solches Verfahren ist auch aus der EP 0 588 321 A1 als bekannt zu entnehmen, wobei die Schaumpartikel mittel heißen Dampfes thermisch miteinander verbunden werden. Bei den bekannten Verfahren erfolgt das thermische Verbinden der Schaumpartikel mit einem sehr hohen Energieaufwand.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem die Schaumpartikel besonders energiegünstig thermisch miteinander verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus aus einem Kunststoff gebildeten Schaumpartikeln zu schaffen, bei welchem die Schaumpartikel besonders energiegünstig thermisch miteinander verbunden werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaumpartikel mittels induktiver Erwärmung thermisch miteinander verbunden werden. Mit anderen Worten wird Wärmeenergie zum thermischen Verbinden der Schaumpartikel durch Induktion beziehungsweise Induktionsheizen erzeugt und in die Schaumpartikel eingebracht.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, jeweilige Berührungsflächen der Schaumpartikel durch die induktive Erwärmung besonders energiegünstig mit hinreichender Energie beziehungsweise Wärmeenergie zu versorgen, so dass dadurch eine jeweilige Oberfläche der Schaumpartikel angeschmolzen werden kann. Durch dieses Anschmelzen der Oberflächen kann eine Verschweißung beziehungsweise Sinterung der Berührungsflächen erfolgen, so dass die Schaumpartikel thermisch miteinander verbunden werden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren lässt sich dabei eine verbesserte Energiebilanz bei der Herstellung des Bauteils realisieren. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Darstellung einer sehr hohen und reproduzierbaren Bauteilqualität.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Bauteile, insbesondere für Kraftwagen, aus geschäumtem Kunststoff hergestellt werden. Insbesondere können Interieurbauteile, aber auch Exterieurbauteile hergestellt werden. Infolge der Herstellung aus geschäumtem Kunststoff lässt sich beispielsweise gegenüber Spritzgussverfahren eine Gewichtseinsparung von circa 50% realisieren.
Vorzugsweise wird als der Kunststoff, aus dem die Schaumpartikel gebildet sind, expandiertes Propylen (EPP) verwendet. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich jedoch auch Partikel verwenden, welche aus einem anderen geschäumten Kunststoff wie beispielsweise expandiertem Polystyrol (EPS) gebildet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung;
die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus aus einem Kunststoff gebildeten Schaumpartikeln, wobei die Schaumpartikel in eine Form des Werkzeugs eingebracht und mittels induktiver Erwärmung thermisch miteinander verbunden werden.
Die Fig. zeigt ein Werkzeug 10 zum Durchführen eines Verfahrens, im Zuge dessen ein Bauteil aus Schaumpartikeln 12 hergestellt wird. Die Schaumpartikel 12 sind dabei aus einem Kunststoff in Form von expandiertem Polypropylen (EPP) hergestellt. Mit anderen Worten wird das Bauteil aus Partikeln aus geschäumtem Kunststoff hergestellt. Die Schaumpartikel 12 sind vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kugelförmig und somit als Kügelchen ausgebildet, können jedoch grundsätzlich auch eine andere Außenkontur aufweisen.
Das Werkzeug 10 umfasst ein erstes Werkzeugteil 14 und ein damit korrespondierendes zweites Werkzeugteil 16, welche relativ zueinander bewegbar sind. Bezogen auf die Bildebene der Fig. ist das erste Werkzeugteil 14 beispielsweise relativ zum zweiten Werkzeugteil 16 nach oben bewegbar, so dass dadurch die Werkzeugteile 14, 16 auseinander gefahren werden können. Im zusammengefahrenen Zustand begrenzen die Werkzeugteile 14, 16 eine Kavität 18 des Werkzeugs 10. Bei der Kavität 18 handelt es sich um eine Form des Werkzeugs 10, welches somit als Formwerkzeug ausgebildet ist.
Das Herstellen des Bauteils in Form eines EPP-Formteils erfolgt beispielsweise in einem zweistufigen Prozess. In einer ersten Stufe des Prozesses werden die Schaumpartikel 12 beispielsweise aus einem Aufnahmebehältnis 20 in die Kavität 18 (Form) eingebracht, indem die Schaumpartikel 12 beispielsweise in die Form eingeblasen werden. Zum Einblasen wird beispielsweise wenigstens ein Injektor verwendet. Als Transportmedium zum Bewegen der Schaumpartikel 12 in die Kavität 18 wird ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, verwendet. Somit wird in der ersten Stufe des Prozesses ein Gemischt aus der Luft und den Schaumpartikel 12 in das Formwerkzeug geblasen.
In der zweiten Stufe des Prozesses werden die Schaumpartikel 12 thermisch miteinander verbunden, so dass das Bauteil eine durch die Kavität 18 beziehungsweise deren Innenkontur vorgebbare Form beziehungsweise Außenkontur beibehält und sich die Schaumpartikel 12 nicht mehr relativ zueinander bewegen können.
Im Rahmen des Verfahrens werden die Schaumpartikel 12 mittels induktiver Erwärmung thermisch miteinander verbunden. Mit anderen Worten werden die Schaumpartikel 12 induktiv erwärmt, um sie thermisch miteinander zu verbinden. Durch die induktive Erwärmung werden die Schaumpartikel 12 an ihren jeweiligen Berührungsflächen, über die die Schaumpartikel 12 aneinander in der Kavität 18 anliegen, angeschmolzen, so dass die Schaumpartikel 12 in der Folge gesintert beziehungsweise miteinander verschweißt werden.
Zum induktiven Erwärmen der Schaumpartikel 12 ist eine Induktionsheizung vorgesehen, welche in das Werkzeug 10 integriert sein kann. Die Induktionsheizung umfasst beispielsweise wenigstens eine Spule 22, welche vorliegend im zweiten Werkzeugteil 16 angeordnet ist. Die elektrische Spule 22 wird beispielsweise von einem nieder- oder mittelfrequenten Wechselstrom durchflossen, wodurch die Induktionsheizung ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Das magnetische Wechselfeld induziert in einem korrespondierenden elektrisch leitfähigen Material, mit welchem die Schaumpartikel 12 versehen sind, Wirbelströme, wodurch das elektrisch leitfähige Material erwärmt wird. Über das elektrisch leitfähige Material kann dann der Kunststoff, aus welchem die Schaumpartikel 12 ausgebildet sind, erwärmt werden, so dass in der Folge die Schaumpartikel 12 thermisch miteinander verbunden werden können.
Mit anderen Worten wird Wärmeenergie zum thermischen Verbinden der Schaumpartikel 12 durch Induktionsheizen in die Schaumpartikel 12 eingebracht, so dass das Bauteil mit einer sehr guten Energiebilanz, das heißt besonders energiegünstig hergestellt werden kann. Im Gegensatz zum thermischen Verbinden der Schaumpartikel 12 mittels gesättigten Dampfs kann durch das Induktionsheizen im Werkzeug 10 verbleibendes Kondensat vermieden werden. Darüber hinaus ist es beispielsweise im Rahmen einer Serien- beziehungsweise Massenfertigung möglich, Qualitätsschwankungen zu vermeiden oder zumindest gering zu halten. Dies bedeutet, dass eine sehr hohe reproduzierbare Bauteilqualität darstellbar ist.
Um die Schaumpartikel 12 durch induktive Erwärmung zu erwärmen, ist beispielsweise ein elektrisch leitfähiger Materialzustand an jeweiligen Oberflächen der Schaumpartikel 12 vorgesehen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe elektrisch leitfähiger Füllstoffe im Ausgangsmaterial, das heißt im Kunststoff der Schaumpartikel 12, erreicht werden. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das elektrisch leitfähige Material in dem Kunststoff selbst aufgenommen, das heißt zumindest teilweise in dem Kunststoff der Schaumpartikel 12 eingebettet ist. Bei dem elektrisch leitfähigen Material kann es sich um Kohlenstoff, insbesondere Ruß, Karbon oder Nanotubes handeln. Alternativ kann es sich bei dem elektrisch leitfähigen Material auch um ein metallisches Material wie beispielsweise Metallpulver, zum Beispiel Aluminiumflocken (Aluminiumflakes) handeln.
Alternativ oder zusätzlich zur Einbettung des elektrisch leitfähigen Materials im Kunststoff kann auch eine Beschichtung, insbesondere eine außenumfangsseitige Beschichtung, der Schaumpartikel 12 mit elektrisch leitfähigem Material vorgesehen sein. Hierzu sind die Schaumpartikel 12 beispielsweise außenumfangsseitig mit einem metallischen Pulver, Graphit, Ruß und/oder mit einem anderweitigen elektrisch leitfähigen Material beschichtet.
Die Schaumpartikel 12 können durch Sprühen beschichtet werden. Dabei wird das elektrisch leitfähige Material beispielsweise durch Sprühauftrag außenumfangsseitig auf die Schaumpartikel 12 aufgebracht. Gegebenenfalls wird hierzu ein Bindemittel und/oder ein Trägermedium verwendet, so dass das elektrisch leitfähige Material besonders gut an den Schaumpartikeln haftet.
Um eine übermäßige Erwärmung des Werkzeugs 10 beim thermischen Verbinden der Schaumpartikel 12 zu vermeiden, ist das Werkzeug 10 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, welches durch elektromagnetische Wechselfelder nicht oder nicht übermäßig stark erwärmt wird. Das Werkzeug 10, insbesondere die Werkzeugteile 14, 16 sind beispielsweise aus einem Kunstharz, aus Schaumstoff, Pappe, Holz, Keramik oder aus Beton, insbesondere aus Mineralbeton, hergestellt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Schaumpartikel bereits beim Befüllen des Werkzeugs 10 unter Druck stehen, so dass zu verschweißende Bereiche der Schaumpartikel 12 entsprechend verpresst werden. Ferner kann ein Druckbeladen der Schaumpartikel 12 vorteilhaft eingesetzt werden, wobei ein solches Druckbeladen ebenfalls die Verschweißung der Schaumpartikel 12 untereinander unterstützt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es möglich, die Schaumpartikel 12 in wenigstens einer Folie zu verpacken beziehungsweise anzuordnen. Die von der Folie umgebenen Schaumpartikel 12 sind beispielsweise dann in einem Aufnahmeraum der Folie angeordnet. Die Folie wird beispielsweise in einer Form, insbesondere der Kavität 18, angeordnet. Die Folie beziehungsweise der Aufnahmeraum wird dann evakuiert, vorzugsweise unter ein Vakuum versetzt, so dass dadurch ein handhabbarer Vorformling gebildet wird, welcher zumindest nahezu die endgültige Kontur, insbesondere Außenkontur, des herzustellenden Bauteils bereits aufweist. Durch die Form, in welcher die Folie mit den Schaumpartikeln 12 angeordnet ist, wird der Folie und somit den Schaumpartikeln 12 eine erwünschte Form aufgeprägt, da sich die Folie und die Schaumpartikel 12 beispielsweise an die Form anlegen.
Der Vorformling kann schließlich in das elektromagnetische Wechselfeld verbracht werden, wodurch die Schaumpartikel 12 – wie geschildert – thermisch miteinander verbunden werden. Die formstabile Folie verhindert dabei zusammen mit dem Vakuum eine unerwünschte vorzeitige Änderung der Geometrie des Vorformlings. Mit anderen Worten dienen das Vakuum und die Folie zum Formerhalt des Vorformlings.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 10009665 C1 [0002]
EP 0588321 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus aus einem Kunststoff gebildeten Schaumpartikeln (12), bei welchem die Schaumpartikel (12) in eine Form (18) eingebracht und thermisch miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumpartikel (12) mittels induktiver Erwärmung thermisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumpartikel (12) jeweils mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Material versehen sind, welches mittels der induktiven Erwärmung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das elektrisch leitfähige Material Kohlenstoff, insbesondere Ruß oder Karbon oder Nanotubes, oder ein metallisches Material verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als das metallische Material metallische granulare Materie verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als das metallische Material ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material zumindest teilweise im Kunststoff eingebettet ist und/oder als Beschichtung, insbesondere als außenumfangsseitige Beschichtung, der Schaumpartikel (12) vorgesehen wird.