DE102013224757A1

DE102013224757A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles und Träger zur Verwendung in einem derartigen Verfahren

Info

Publication number: DE102013224757A1
Application number: DE102013224757.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kurzidim; Andreas Wolff; Jörg Mohr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles, welches folgende Schritte umfasst: a) der Träger (2) wird an ein erstes Werkzeugteil (13) und die Haut (3) an ein zweites Werkzeugteil (14) des geöffneten Schäumwerkzeuges (15) angelegt, b) das erste Werkzeugteil (13) und das zweite Werkzeugteil (14) werden zur Bildung einer Kavität (16) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) relativ zueinander bewegt, wobei eine in einem Randbereich des Trägers (2) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) angeordnete semipermeable Dichtung (7) die Kavität (16) bei geschlossenem Schäumwerkzeug (15) begrenzt, c) ein die Schaumschicht (4) bildender Kunststoffschaum (18) wird vor der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) in das geöffnete Schäumwerkzeug (15) eingebracht oder wird nach der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) in die Kavität (16) des geschlossenen Schäumwerkzeuges (15) eingebracht, d) der Kunststoffschaum (18) expandiert in der Kavität (16) des geschlossenen Schäumwerkzeuges (15), wobei das durch die Expansion des Kunststoffschaumes (18) in der Kavität (16) verdrängte Gas (20) und/oder die verdrängte Luft (20) durch zumindest einen Mikrokanal (10) in der Dichtung (7) hindurch aus der Kavität (16) austritt, während ein Eintreten des Kunststoffschaumes (18) in den Mikrokanal (10) und/oder ein Austreten des Kunststoffschaumes (18) aus der Kavität (16) durch den Mikrokanal (10) in der Dichtung (7) hindurch aufgrund einer gegenüber dem Gas (20) und/oder der Luft (20) größeren Viskosität des Kunststoffschaumes (18) verhindert wird, e) der Kunststoffschaum (18) füllt die Kavität (16) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) aus und das Schäumwerkzeug (15) wird durch eine Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) geöffnet und das hergestellte mehrschichtige Verbundbauteil wird aus dem geöffneten Schäumwerkzeug (15) entnommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles, bestehend aus einem Träger, einer Haut und einer zwischen Träger und Haut angeordneten Schaumschicht, in einem aus zumindest zwei relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen bestehenden Schäumwerkzeug. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Träger zur Verwendung in einem derartigen Verfahren.
Um den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden, sind heute Formteile im Innenraum eines Fahrzeuges, wie beispielsweise Armaturentafeln bzw. Instrumententafeln, oder Fahrzeuginnenausstattungsteile, wie Innenverkleidungen, Türbrüstungen bzw. Türseitenverkleidungen, Tür- und Säulenverkleidungen, Mittelkonsolen, Handschuhkasten-Deckel oder Griffe, in der Regel als mehrschichtige Verbundbauteile aufgebaut. Diese mehrschichtigen Verbundbauteile bestehen üblicherweise aus einem Trägerteil aus einem mechanisch festen Werkstoff, einer als Folie ausgebildeten Haut, welche die Sichtseite des Bauteiles bildet und aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann, und einer zwischen dem Träger und der Haut angeordneten Schaumschicht aus einem aufgeschäumten Kunststoff.
Vorliegend geht es um ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles aus verschiedenen Kunststoffkomponenten, wobei die verschiedenen Schichten des Verbundbauteiles jeweils unterschiedliche Materialeigenschaften besitzen. Der Träger gibt der gesamten Struktur den notwendigen Halt bzw. die mechanische Festigkeit. Die die Sichtseite des Verbundbauteiles bildende Haut bzw. Folie stellt ein gewünschtes Dekor oder eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit bzw. Haptik zur Verfügung. Die Haut ist über die Schaumschicht, welche vorzugsweise aus einem Polyurethan-Schaummaterial besteht, mit dem Träger verbunden.
Bei der Herstellung derartiger Formteile wird eine Reaktionsmasse, bestehend aus Polyol und Isocyanat, in eine Kavität bzw. einen Zwischenraum zwischen der Haut und dem Träger eingetragen. Durch eine chemische Reaktion der beiden Reaktionspartner der eingetragenen Reaktionsmasse bildet sich ein Kunststoffschaum (PUR), welcher sich ausdehnt und den Zwischenraum zwischen der Haut und dem Träger gleichmäßig ausfüllt. Um eine weiche Druckhaptik der Haut bzw. der Hautoberfläche zu erhalten, beträgt die Dicke der Schaumschicht vorzugsweise einige Millimeter. Während des Aufschäumens ist der Träger in bzw. an einem ersten Werkzeugteil und die Haut in bzw. an einem zweiten Werkzeugteil eines Schäumwerkzeuges gehalten. Das zweite Werkzeugteil, an dessen Kontur die Haut anliegt, bildet beim Hinterschäumen in der Regel das unten liegende Werkzeugteil, sodass der eingetragene Kunststoffschaum sich sicher an die Kontur der Haut anpasst, insbesondere in Vertiefungen eindringt. Der Träger wird beim Einschäumen des flüssigen, Schaum bildenden Kunststoffes durch das erste Werkzeugteil gehalten. Das erste Werkzeugteil ist vorzugsweise oberhalb der Haut angeordnet und hält den Träger gegen den Schaumdruck fest.
Nach dem Applizieren der Reaktionsmasse zwischen dem Träger und der Haut dehnt sich der bei der chemischen Reaktion entstehende Kunststoffschaum in der Kavität aus. Durch eine fortschreitende Expansion des Schaumwerkstoffes wird in zunehmendem Maße die in der Kavität vorhandene Luft verdrängt. Die verdrängte Luft muss in der Lage sein, aus der Kavität zwischen dem Träger und der Haut bzw. aus dem Schäumwerkzeug zu entweichen, um Lufteinschlüsse im Werkstück zu vermeiden. Um ein Entweichen der Luft zu gewährleisten, weist das Schäumwerkzeug üblicherweise mehrere aufblasbare Konturdichtungen auf, welche zumindest abschnittsweise so lange geöffnet bleiben müssen, bis der expandierende Kunststoffschaum sich nähert. Danach müssen die Konturdichtungen des Schäumwerkzeuges in der Lage sein, innerhalb kürzester Zeit ihre Dichtfunktion auszuführen, damit der sich ausbreitende Kunststoffschaum nicht aus der Kavität bzw. dem Werkzeug entweichen kann.
Wichtige Steuerelemente dieses Verfahrens sind also die als Silikonschlauchdichtungen ausgebildeten Konturdichtungen, welche entlang eines Randbereiches des herzustellenden Verbundbauteiles verlaufen und in dem Schäumwerkzeug integriert sind. Insgesamt sind je nach Größe und Komplexität des Verbundbauteiles etwa 10 bis 12 einzelne Dichtungen vorgesehen, welche jeweils einzeln angesteuert werden, wobei die Prozess-Stellgrößen der den einzelnen Dichtungen zugeordneten Dichtkreise für einen kompletten Schäumprozess vorab empirisch ermittelt werden müssen. Außerdem müssen die Prozessgrößen während des Verfahrens erfasst und auch in Abhängigkeit von äußeren Störgrößen, wie beispielsweise der Hallentemperatur, gesteuert und angepasst werden. Die Konturdichtungen sind sehr wartungsintensiv und müssen in Abhängigkeit des Verschleißes turnusmäßig überprüft, gewartet und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Derartige Konturdichtungen sind beispielsweise aus der DE 20 2009 012 903 U1 bekannt.
In der DE 10 2009 054 893 A1 wird ein anderes Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen und aus einem Träger, einer Haut und einer Schaumschicht bestehenden Verbundbauteiles offenbart. Beim Schließen des aus zwei Werkzeugteilen bestehenden Schäumwerkzeuges drückt ein dem oberen Werkzeugteil zugeordneter Konturvorsprung die Haut im Bereich des Konturvorsprunges abdichtend in den verformbaren Träger ein. Hierdurch wird die Kavität zwischen dem Träger und der Haut dichtend verschlossen.
Außerdem ist durch die DE 10 2007 061 337 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles, bestehend aus einem Träger, einer Haut und einer Schaumschicht als Zwischenschicht bekannt. Hierbei werden zunächst der Träger und die Haut derart in einem aus zwei Werkzeugteilen bestehenden Schäumwerkzeug angeordnet, dass sie in einem Randbereich spaltfrei aufeinander aufliegen. Ein in eine Kavität zwischen dem Träger und der Haut eingebrachter Kunststoffschaum expandiert im geschlossenen Schäumwerkzeug und die durch den expandierenden Kunststoffschaum verdrängte Luft bzw. das verdrängte Gas wird über eine in dem Träger angeordnete Entlüftungsbohrung und einen Entlüftungskanal, welcher sich zwischen dem Träger und dem benachbarten Werkzeugteil erstreckt, aus der Kavität bzw. aus dem Schäumwerkzeug abgeführt. Die Entlüftungsbohrung und der Entlüftungskanal liegen hierbei in einem temperierbaren und durch eine aufblasbare Dichtung abgedichteten Bereich des Schäumwerkzeuges. Der Kunststoffschaum ändert in der Entlüftungsöffnung bzw. im Entlüftungskanal aufgrund der voreingestellten Temperatur in dem temperierbaren Bereich seine Materialeigenschaften, infolge welcher es zu einem Verstopfen der Entlüftungsbohrung bzw. des Entlüftungskanals durch den austretenden bzw. hindurchfließenden Kunststoffschaum kommt. Hierdurch kann ein Ausfluss von Kunststoffschaum durch die Entlüftungsbohrung nach kurzer Zeit unterbunden werden. Außerdem kann durch die Entlüftungsbohrung und den Entlüftungskanal auch überschüssiger Schaum gezielt aus der Kavität bzw. dem Schäumwerkzeug abgeführt bzw. ausgeleitet werden.
Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass eine den Träger über seine gesamte Bauteildicke durchsetzende Entlüftungsbohrung und zusätzlich noch ein Entlüftungskanal zwischen dem Träger und dem benachbarten Werkzeugteil erforderlich sind, um die Luft aus der Kavität bzw. aus dem Schäumwerkzeug abzuführen. Diese müssen in vorgelagerten Arbeitsschritten in den Träger bzw. das entsprechende Werkzeugteil eingebracht werden. Weiterhin ist ein aufwendiges und dadurch kostenintensives Schäumwerkzeug mit einem durch eine aufblasbare Dichtung abgedichteten und temperierbaren Bereich erforderlich. Um ein Austreten von Kunststoffschaum durch die Entlüftungsbohrung und den Entlüftungskanal zu verhindern, müssen die aufblasbare Dichtung und der temperierbare Bereich entsprechend dem Verfahrensfortschritt bzw. in Abhängigkeit der Expansionsgeschwindigkeit des Kunststoffschaumes und/oder in Abhängigkeit der Position der Applikation des Kunststoffschaumes und weiterer Störgrößen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur in der Halle, angesteuert werden. Dies erfordert einen nicht unerheblichen Steuerungsaufwand. Außerdem muss gewährleistet werden, dass die Entlüftungsbohrung in einem die Kavität begrenzenden Randbereich unmittelbar neben dem Auflagebereich zwischen Träger und Haut angeordnet ist, da der Kunststoffschaum anderenfalls die Entlüftungsöffnung verschließen könnte, noch bevor die in der Kavität enthaltene Luft vollständig aus der Kavität abgeführt werden konnte. Hierdurch ist der Zwischenraum bzw. die Kavität zwischen der Haut und dem Träger nicht vollständig mit dem Kunststoffschaum gefüllt, sondern enthält Luftblasen, welche die mechanische Stabilität bzw. Festigkeit und das optische Erscheinungsbild des Verbundbauteiles erheblich negativ beeinflussen, sodass es nicht mehr als Innenraum-Verkleidungsteil verbaut werden kann. Die Folge sind ein erhöhter Anteil an Ausschussteilen und eine geringe Prozesssicherheit des Verfahrens.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und prozesssicheres Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles zur Verfügung zu stellen, welches ein geringes Werkzeuginvestitionsvolumen und einen geringen Steuerungsaufwand erfordert. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Träger zur Verwendung in einem derartigen Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche 2 bis 6 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles, bestehend aus einem Träger, einer Haut und einer zwischen Träger und Haut angeordneten Schaumschicht, in einem aus zumindest zwei relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen bestehenden Schäumwerkzeug vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst:

a) der Träger wird an ein erstes Werkzeugteil und die Haut an ein zweites Werkzeugteil des geöffneten Schäumwerkzeuges angelegt,
b) das erste Werkzeugteil und das zweite Werkzeugteil werden zur Bildung einer Kavität zwischen dem Träger und der Haut relativ zueinander bewegt, wobei eine in einem Randbereich des Trägers zwischen dem Träger und der Haut angeordnete semipermeable Dichtung die Kavität bei geschlossenem Schäumwerkzeug begrenzt,
c) ein die Schaumschicht bildender Kunststoffschaum wird vor der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile in das geöffnete Schäumwerkzeug eingebracht oder wird nach der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile in die Kavität des geschlossenen Schäumwerkzeuges eingebracht,
d) der Kunststoffschaum expandiert in der Kavität des geschlossenen Schäumwerkzeuges, wobei das durch die Expansion des Kunststoffschaumes in der Kavität verdrängte Gas und/oder die verdrängte Luft durch zumindest einen Mikrokanal in der Dichtung hindurch aus der Kavität austritt, während ein Eintreten des Kunststoffschaumes in den Mikrokanal und/oder ein Austreten des Kunststoffschaumes aus der Kavität durch den Mikrokanal in der Dichtung hindurch aufgrund einer gegenüber dem Gas und/oder der Luft größeren Viskosität des Kunststoffschaumes verhindert wird,
e) der Kunststoffschaum füllt die Kavität zwischen dem Träger und der Haut aus, das Schäumwerkzeug wird durch eine Relativbewegung der beiden Werkzeugteile geöffnet und das hergestellte mehrschichtige Verbundbauteil wird aus dem geöffneten Schäumwerkzeug entnommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles weist gegenüber den in den eingangs genannten Druckschriften beschriebenen Verfahren eine wesentlich größere Prozesssicherheit auf. Gleichzeitig sind keine aufwendigen kostenintensiven Schäumwerkzeuge mit temperierbaren Bereichen oder in die Schäumwerkzeuge integrierbare Konturdichtungen erforderlich. Durch den Entfall der Konturdichtungen und des temperierbaren Bereiches entfällt auch der Aufwand zur Erfassung, Identifizierung und Steuerung der jeweiligen Dichtkreise bzw. Prozess-Stellgrößen. Eine Wartung oder ein Austausch von Konturdichtungen ist nicht erforderlich. Hieraus resultierend ergeben sich ein gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich reduziertes Werkzeuginvestitionsvolumen und eine Reduktion des Einflusses äußerer und schwankender Störgrößen auf den Prozessverlauf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine semipermeable Dichtung verwendet, welche für die verdrängte Luft bzw. das verdrängte Gas durchlässig und gleichzeitig für den expandierenden Kunststoffschaum undurchlässig ist. Eine Änderung der Materialeigenschaften zur Verstopfung des Mikrokanals, wie in der DE 10 2007 061 337 A1 beschrieben, ist nicht erforderlich. Der Kunststoffschaum wird allein durch eine Kombination der geringen Querschnittsfläche des Mikrokanals und einer gegenüber dem Gas bzw. der Luft größeren Viskosität an einem Eintreten in den Mikrokanal gehindert. Die verdrängte Luft kann jedoch aufgrund der geringeren Viskosität durch den Mikrokanal in der Dichtung hindurchtreten bzw. aus der Kavität entweichen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung von mehrschichtigen Verbundbauteilen von sich ändernden Prozessgrößen, wie beispielsweise der Hallentemperatur oder dem Ort, der Form oder der Menge der Applikation des Kunststoffschaumes im Schäumwerkzeug, sowie von unterschiedlichen Expansionsgeschwindigkeiten des Kunststoffschaumes entkoppelt, sodass Bauteilfehler vermieden werden können und dadurch die Ausschussquote insgesamt reduziert wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass das Austreten des Kunststoffschaums durch einen Mikrokanal mit einer Querschnittsfläche von 0,1 bis 100 µm² verhindert wird. Bei einer Querschnittsfläche in diesem Größenbereich ist gewährleistet, dass die Luft bzw. das Gas ohne Beeinträchtigung durch den Mikrokanal hindurch aus der Kavität bzw. aus dem Schäumwerkzeug entweichen kann, während der Kunststoffschaum aufgrund der gegenüber der Luft größeren Viskosität weder in den Mikrokanal eintreten noch durch diesen hindurchtreten kann. Dabei kann die Querschnittsfläche eine beliebige Form aufweisen, wobei sich eine rechteckige bzw. quadratische, eine kreisrunde oder eine ovale Form des Mikrokanals insbesondere aus funktionstechnischer Sicht bewährt hat.
Eine andere besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass der Mikrokanal durch eine Anlage der Dichtung an die Haut während der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile erzeugt wird, wobei der Mikrokanal durch eine Nut in der an der Haut anliegenden Kontaktfläche der Dichtung und einen gegenüberliegenden Teilabschnitt der Haut begrenzt wird. Die in der Kontaktfläche der Dichtung angeordnete Nut kann dabei eine beliebige Form aufweisen, jedoch ist aus fertigungstechnischer Sicht eine rechteckige, V-förmige, halbkreisfömige oder aus einem Kreisabschnitt bzw. -segment bestehende Nutform besonders zweckmäßig. Derartige Nutformen lassen sich in einfacher Art und Weise prozesssicher in die Kontaktoberfläche der Dichtung einbringen.
Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass ein durch die Relativbewegung zwischen den beiden Werkzeugteilen des Schäumwerkzeuges erzeugter Anpressdruck der Dichtung an die Haut während oder nach der Expansion des Kunststoffschaumes derart gesteigert wird, dass der den Mikrokanal begrenzende Teilabschnitt der Haut zumindest teilweise die Querschnittsfläche des Mikrokanals reduzierend in die in der Dichtung angeordnete Nut gedrückt wird. Die Haut ist flexibel ausgebildet und verformt sich bei hohem Anpressdruck elastisch. Je nach Höhe des Anpressdruckes bzw. abhängig von der Materialwahl und Materialdicke der Haut und der Form der Nut in der Dichtung kann die Haut auch derart in die Nut eingedrückt werden, dass der Mikrokanal vollständig, also auch für die durch den expandierenden Kunststoffschaum verdrängte Luft, verschlossen wird. Hierdurch können die Taktzeiten zur Herstellung des Verbundbauteiles reduziert werden, wobei hierbei sichergestellt sein muss, dass eventuell noch in der Kavität enthaltene Luft- bzw. Gasblasen in einem Bereich unmittelbar neben der Dichtung angeordnet sind und dadurch bei einem nachfolgenden Stanz- oder Schneidvorgang von dem Verbundbauteil abgetrennt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass die Dichtung und der Träger als einteilige Baueinheit an dem ersten Werkzeugteil angelegt werden. Hierdurch wird eine definierte Positionierung der Dichtung relativ zu dem Träger und der Haut gewährleistet und die Prozesssicherheit des Verfahrens optimiert. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Positionierung und Fixierung der Dichtung zwischen dem Träger und der Haut ist nicht erforderlich, sodass die Taktzeit zur Herstellung des Verbundbauteiles insgesamt verkürzt werden kann. In vorteilhafter Weise bestehen sowohl der Träger als auch die Dichtung aus demselben Material, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (PP-GF), sodass die aus dem Träger und der Dichtung bestehende Baueinheit in einem einzigen Spritzgießwerkzeug hergestellt werden kann. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass auch die Nut in der Kontaktfläche der Dichtung in demselben Spritzgießwerkzeug während des Spritzgießens der Baueinheit in die Dichtung eingebracht wird. Hierdurch kann die Baueinheit unmittelbar nach der Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug, ohne nachgelagerte Bearbeitungsschritte, in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
Im Anschluss an die Herstellung des mehrschichtigen Verbundbauteiles werden zumindest abschnittsweise überstehende Randabschnitte des Verbundbauteiles durch einen Schneid-, Fräs- bzw. Stanzvorgang vom Verbundbauteil abgetrennt. Hierbei wird üblicherweise der Randabschnitt zusammen mit der Dichtung abgetrennt, um ein Verbundbauteil zur Verfügung zu stellen, bei welchem der Zwischenraum zwischen dem Träger und der Haut vollständig mit dem Kunststoffschaum ausgefüllt ist. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich jedoch dadurch, dass überschüssige Randabschnitte des hergestellten mehrschichtigen Verbundbauteiles im Schäumwerkzeug oder nach der Entnahme aus dem Schäumwerkzeug durch einen Schneid- oder Stanzvorgang entfernt werden, wobei die Dichtung am mehrschichtigen Verbundbauteil verbleibt. Durch die am mehrschichtigen Verbundbauteil verbleibende Dichtung wird das Verbundbauteil einerseits versteift und andererseits enthält der entfernte Verschnitt nur einen geringen Anteil am Material des Trägers. Gleichzeitig enthält der Verschnitt keinen Anteil am Kunststoffschaum, da dieser nicht durch die Dichtung hindurchtreten kann und somit auch nicht in den Bereich des Randabschnittes gelangt, welcher durch den Schneid- bzw. Stanzvorgang von dem Verbundbauteil abgetrennt wird.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Träger gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 7. Die Unteransprüche 8 bis 10 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Träger zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles bestehend aus dem Träger einer Haut und einer zwischen dem Träger und der Haut angeordneten Schaumstoffschicht vorgesehen, welcher in einem Randbereich mit einer semipermeablen Dichtung verbunden ist, welche für Luft oder Gas durchlässig und für einen bei dem Verfahren verwendeten expandierenden Kunststoffschaum undurchlässig ist. Die Dichtung ermöglicht während des Verfahrens zur Herstellung des mehrschichtigen Verbundbauteiles ein Entweichen von verdrängter Luft bzw. von verdrängtem Gas, während der expandierende Kunststoffschaum aufgrund der gegenüber der Luft größeren Viskosität nicht in den Mikrokanal eintreten bzw. durch den Mikrokanal hindurchtreten kann. Vorzugsweise besteht der Träger und/oder die Dichtung aus einem mechanisch festen Werkstoff, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (PP-GF).
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Dichtung zumindest einen Mikrokanal mit einer Querschnittsfläche von 0,1 bis 100 µm² aufweist. Durch eine Querschnittsfläche in der angegebenen Größenordnung wird sichergestellt, dass zwar die Luft durch den Mikrokanal hindurchtreten kann, der eine größere Viskosität als Luft aufweisende Kunststoffschaum jedoch nicht. Hierbei wird die Querschnittsfläche in Abhängigkeit der Viskosität der reagierenden Kunststoffschaummasse gewählt. Je geringer die Viskosität ist, desto geringer sollte die Querschnittsfläche des Mikrokanals sein. Die Länge des Mikrokanals sollte vorzugsweise zwischen 0,5 und 5,0 mm betragen, wobei die Länge des Mikrokanals im Wesentlichen den Abmessungen der Dichtung, insbesondere der Dichtungsbreite, entspricht.
Der Mikrokanal kann an jeder beliebigen Stelle in der Dichtung eingebracht sein. Allerdings hat sich aus fertigungstechnischer und verfahrenstechnischer Sicht als vorteilhaft erwiesen, dass der Mikrokanal als Nut ausgebildet und in einer der Haut zugewandten Kontaktfläche der Dichtung angeordnet ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass sich der Mikrokanal erst durch eine Schließbewegung der beiden Werkzeugteile ausbildet. Der Mikrokanal wird dann durch die die Nut begrenzenden Wandflächen und einen der Nut gegenüberliegenden Teilabschnitt der Haut begrenzt. Durch eine derartige Ausbildung ist es auch möglich, eine Querschnittsfläche des Mikrokanals durch einen erhöhten Anpressdruck der Dichtung auf die Haut zu reduzieren, indem nämlich die Haut in die Nut gedrückt wird. Hierdurch kann der Mikrokanal auch für die entweichende Luft dichtend verschlossen werden.
Außerdem ist vorgesehen, dass der Träger und die Dichtung einstückig miteinander verbunden sind. Der Träger wird im Spritzgießverfahren hergestellt und besteht aus Kunststoff und einer Glasfaserverstärkung (PP-GF). Die semipermeable Dichtung wird bei dem Spritzgießprozess zusammen mit dem Träger hergestellt, sodass Träger und Dichtung eine einteilige bzw. einstückige und zusammen handhabbare Baueinheit bilden. Folglich besteht die Dichtung ebenfalls aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Die Herstellung der aus dem Träger und der Dichtung bestehenden Baueinheit erfolgt im Spritzgießverfahren in einer einzigen Spritzgießform, wobei eine ohnehin vorhandene Spritzgießform zur Herstellung des Trägers um die Negativkontur der semipermeablen Dichtung ergänzt werden muss. Vorteilhafterweise wird die den Mikrokanal zumindest teilweise bildende Nut auf einer Kontaktfläche der Dichtung ebenfalls während der Herstellung der Baueinheit in diese eingebracht, sodass keine nachträglichen Arbeitsschritte zum Einbringen des Mikrokanals erforderlich sind.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Schnittdarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mehrschichtigen Verbundbauteiles;
2 einen erfindungsgemäßen Träger mit einer semipermeablen Dichtung in einer Draufsicht;
3 eine perspektivische und vergrößerte Darstellung des in 2 dargestellten Trägers mit einer einen Mikrokanal aufweisenden semipermeablen Dichtung;
4 eine andere perspektivische Darstellung des in 2 dargestellten Trägers mit einer semipermeablen Dichtung und einem Mikrokanal in einer zweiten Ausführungsform;
5 ein aus zwei Werkzeugteilen bestehendes geöffnetes Schäumwerkzeug mit eingelegtem Träger und eingelegter Haut zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 das geschlossene Schäumwerkzeug während der Expansion des Kunststoffschaumes in der Kavität zwischen dem Träger und der Haut;
7 das in 6 dargestellte Schäumwerkzeug mit einer ersten Ausführungsform des Mikrokanals in einer Ansicht gemäß X-X;
8 das in 6 dargestellte Schäumwerkzeug mit einer zweiten Ausführungsform des Mikrokanals in einer Ansicht gemäß X-X;
9 die Ansicht gemäß 7 mit einem eine reduzierte Querschnittsfläche aufweisenden Mikrokanal;
10 die Ansicht gemäß 8 mit einem eine reduzierte Querschnittsfläche aufweisenden Mikrokanal;
11 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil ohne Dichtung;
12 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil mit Dichtung.
1 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes mehrschichtiges Verbundbauteil 1, welches aus einem Träger 2, einer Haut 3 und einer zwischen dem Träger 2 und der Haut 3 angeordneten Schaumschicht 4 besteht, wobei die Schaumschicht 4 einen Zwischenraum 5 zwischen dem Träger 2 und der Haut 3 vollständig ausfüllt. Der Zwischenraum 5 ist durch eine mit dem Träger 2 verbundene und an einer Unterseite 6 der Haut 3 anliegende semipermeable Dichtung 7 verschlossen. Das mehrschichtige Verbundbauteil 1 ist durch ein Polyurethan-Schäumverfahren hergestellt. Die Schaumschicht 4 aus aufgeschäumtem Polyurethan ist stoffschlüssig mit dem Träger 2 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff und stoffschlüssig mit der aus PVC bestehenden Haut 3 verbunden. Eine der Schaumschicht 4 abgewandte dekorative Oberseite 8 der Haut 3 bildet die Sichtseite des als Innenverkleidungsteil für ein Kraftfahrzeug ausgebildeten mehrschichtigen Verbundbauteiles 1.
2 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Trägers 2 mit der in einem Randbereich 9 des Trägers 2 angeordneten semipermeablen Dichtung 7. Die Dichtung 7 ist umlaufend ausgebildet und einteilig mit dem Träger 2 verbunden. Demnach bestehen sowohl die Dichtung 7 als auch der Träger 2 aus demselben Material, nämlich einem glasfaserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus PP-GF. Der Träger 2 und die Dichtung 7 bilden also eine einteilige bzw. einstückige und zusammen handhabbare Baueinheit.
Die mit dem Träger 2 verbundene semipermeable Dichtung 7 weist, wie insbesondere in den 3 und 4 dargestellt ist, mehrere Mikrokanäle 10 auf, wobei in den 3 und 4 jeweils nur ein einziger Mikrokanal 10 zu erkennen ist. Tatsächlich sind eine Vielzahl von Mikrokanälen 10 auf dem Umfang der in 2 dargestellten umlaufenden Dichtung 7 verteilt angeordnet. Der in den 3 und 4 dargestellte Mikrokanal 10 ist als Nut 11 ausgebildet und in einer der Unterseite 6 der Haut 3 zugewandten Kontaktfläche 12 der Dichtung 7 angeordnet. Die in 3 abgebildete Nut 11 ist halbkreisförmig und die in 4 abgebildete Nut 11 ist rechteckig ausgebildet. Selbstverständlich sind auch andere Nutformen denkbar.
Nachfolgend wird anhand der 5 und 6 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des mehrschichtigen Verbundbauteiles 1 in einem aus zumindest zwei relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen 13, 14 bestehenden Schäumwerkzeug 15 beschrieben. Wie in 5 dargestellt, wird bei einem geöffneten Schäumwerkzeug 15 zunächst der Träger 2 mit der semipermeablen Dichtung 7 als einteilige Baueinheit an das erste Werkzeugteil 13 und die Haut 3 an das zweite Werkzeugteil 14 angelegt. Hierbei sind der Träger 2 und die Haut 3 beispielsweise durch Unterdruck in ihren jeweiligen Soll-Positionen an dem jeweiligen Werkzeugteil 13, 14 fixiert.
Anschließend werden die beiden Werkzeugteile 13, 14 derart relativ zueinander bewegt, dass die mit dem Träger 2 verbundene semipermeable Dichtung 7 eine Kavität 16 zwischen dem Träger 2 und der Haut 3 verschließt. Hierbei wird die Kontaktfläche 12 der Dichtung 7 mit einem vorbestimmten Anpressdruck (F) an der gegenüberliegenden Unterseite 6 der Haut 3 zur Anlage gebracht und angedrückt (6). Durch die Anlage der Kontaktfläche 12 der Dichtung 7 an der Unterseite 6 der Haut 3 bilden sich der durch die Nut 11 und einen der Nut 11 gegenüberliegen Teilabschnitt 17 der Haut 3 begrenzte semipermeable Mikrokanal 10 bzw. die Mikrokanäle 10 aus (siehe 7 und 8). Der Mikrokanal 10 weist dabei eine Querschnittsfläche von 0,1 µm bis 100 µm² auf und kann rechteckig (7) oder auch halbkreisförmig (8) ausgebildet sein. Die Länge des Mikrokanals 10 entspricht der Breite der Dichtung 7 und sollte vorzugsweise zwischen 0,5 mm bis 5,0 mm betragen (3 und 4).
Ein die Schaumschicht 4 bildender Kunststoffschaum 18 wird vor der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile 13, 14 in das geöffnete Schäumwerkzeug 15 eingebracht oder der Kunststoffschaum 18 wird nach der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile 13, 14 in die Kavität 16 zwischen dem Träger 2 und der Haut 3 in das geschlossene Schäumwerkzeug 15 eingebracht. Durch eine chemische Reaktion expandiert der Kunststoffschaum 18 in der Kavität 16, was in 6 durch einen Richtungspfeil 19 dargestellt ist. Hierbei wird ebenfalls in der Kavität 16 enthaltene Luft 20 bzw. enthaltenes Gas 20 durch den Mikrokanal 10 in der Dichtung 7 hindurch aus der Kavität 16 und aus dem Schäumwerkzeug 15 abgeführt, was in 6 durch den Richtungspfeil 21 dargestellt ist. Aufgrund der gegenüber dem Gas 20 bzw. der Luft 20 größeren Viskosität des Kunststoffschaumes 18 und der geringen Querschnittsfläche des Mikrokanals 10 kann die Luft 20 bzw. das Gas 20 durch den Mikrokanal 10 entweichen, während der Kunststoffschaum 18 an einem Eintreten in den Mikrokanal 10 bzw. an einem Durchtreten durch den Mikrokanal 10 gehindert wird.
Nachdem der Kunststoffschaum 18 die gesamte in der Kavität 16 enthaltene Luft 20 durch den Mikrokanal 10 hindurch aus der Kavität 16 bzw. dem Schäumwerkzeug 15 herausgedrückt hat und somit die gesamte Kavität 16 zwischen dem Träger 2 und der Haut 3 durch den Kunststoffschaum 18 ausgefüllt ist, wird das Schäumwerkzeug 15, vorzugsweise wenn der Kunststoffschaum 18 eine ausreichende Formstabilität erreicht hat, durch eine Relativbewegung der beiden Werkzeugteile 13, 14 in die geöffnete Stellung überführt und das hergestellte mehrschichtige Verbundbauteil 1 kann aus dem geöffneten Schäumwerkzeug 15 entnommen werden.
Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Anpressdruck F der Dichtung 7 auf die Haut 3 während der Expansion des Kunststoffschaumes 18 bzw. kurz vor Abschluss der vollständigen Füllung der Kavität 16 mit dem Kunststoffschaum 18 derart erhöht wird, dass der den Mikrokanal 10 begrenzende Teilabschnitt 17 der Haut 3 derart in die gegenüberliegende Nut 11 in der Dichtung 7 eingedrückt wird, dass sich die Querschnittsfläche des Mikrokanals 10 verkleinert. Hierdurch kann der Mikrokanal 10 auch vollständig verschlossen werden, sodass auch die Luft 20 bzw. das Gas 20 nicht mehr durch den Mikrokanal 10 hindurchtreten kann.
Abschließend wird der in 1 dargestellte überschüssige Randabschnitt 22 des hergestellten mehrschichtigen Verbundbauteiles 1 im Schäumwerkzeug 15 oder nach der Entnahme aus dem Schäumwerkzeug 15 durch einen Schneid-, Fräs- oder Stanzvorgang von dem Verbundbauteil 1 entfernt und entsorgt. Hierbei ist es möglich, dass die Dichtung 7 zusammen mit dem entsprechenden Randabschnitt 22 von dem Verbundbauteil 1 abgetrennt wird (11) oder aber, dass die Dichtung 7 am Verbundbauteil 1 verbleibt (12). Durch die am Verbundbauteil 1 verbleibende Dichtung 7 wird die mechanische Stabilität des Verbundbauteiles 1 verbessert und der Anteil des Trägermaterials bzw. der Schaumschicht am zu entsorgenden Verschnitt kann gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Verbundbauteil
2: Träger
3: Haut
4: Schaumschicht
5: Zwischenraum
6: Unterseite (Haut)
7: Dichtung
8: Oberseite (Haut)
9: Randbereich (Träger)
10: Mikrokanal
11: Nut
12: Kontaktfläche
13: erstes Werkzeugteil
14: zweites Werkzeugteil
15: Schäumwerkzeug
16: Kavität
17: Teilabschnitt
18: Kunststoffschaum
19: Richtungspfeil (Schaum)
20: Luft/Gas
21: Richtungspfeil (Gas/Luft)
22: Randabschnitt
F: Anpressdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009012903 U1 [0007]
DE 102009054893 A1 [0008]
DE 102007061337 A1 [0009, 0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles (1), bestehend aus einem Träger (2), einer Haut (3) und einer zwischen Träger (2) und Haut (3) angeordneten Schaumschicht (4), in einem aus zumindest zwei relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen (13, 14) bestehenden Schäumwerkzeug (15), welches folgende Schritte umfasst: a) der Träger (2) wird an ein erstes Werkzeugteil (13) und die Haut (3) an ein zweites Werkzeugteil (14) des geöffneten Schäumwerkzeuges (15) angelegt, b) das erste Werkzeugteil (13) und das zweite Werkzeugteil (14) werden zur Bildung einer Kavität (16) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) relativ zueinander bewegt, wobei eine in einem Randbereich (9) des Trägers (2) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) angeordnete semipermeable Dichtung (7) die Kavität (16) bei geschlossenem Schäumwerkzeug (15) begrenzt, c) ein die Schaumschicht (4) bildender Kunststoffschaum (18) wird vor der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) in das geöffnete Schäumwerkzeug (15) eingebracht oder wird nach der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) in die Kavität (16) des geschlossenen Schäumwerkzeuges (15) eingebracht, d) der Kunststoffschaum (18) expandiert in der Kavität (16) des geschlossenen Schäumwerkzeuges (15), wobei das durch die Expansion des Kunststoffschaumes (18) in der Kavität (16) verdrängte Gas (20) und/oder die verdrängte Luft (20) durch zumindest einen Mikrokanal (10) in der Dichtung (7) hindurch aus der Kavität (16) austritt, während ein Eintreten des Kunststoffschaumes (18) in den Mikrokanal (10) und/oder ein Austreten des Kunststoffschaumes (18) aus der Kavität (16) durch den Mikrokanal (10) in der Dichtung (7) hindurch aufgrund einer gegenüber dem Gas (20) und/oder der Luft (20) größeren Viskosität des Kunststoffschaumes (18) verhindert wird, e) der Kunststoffschaum (18) füllt die Kavität (16) zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) aus und das Schäumwerkzeug (15) wird durch eine Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) geöffnet und das hergestellte mehrschichtige Verbundbauteil (1) wird aus dem geöffneten Schäumwerkzeug (15) entnommen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Austreten des expandierenden Kunststoffschaumes (18) durch einen Mikrokanal (10) mit einer Querschnittsfläche von 0,1 bis 100 µm² verhindert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (10) durch eine Anlage der Dichtung (7) an die Haut (2) während der Relativbewegung der beiden Werkzeugteile (13, 14) erzeugt wird, wobei der Mikrokanal (10) durch eine Nut (11) in der an der Haut (3) anliegenden Kontaktfläche (12) der Dichtung (7) und einen gegenüberliegenden Teilabschnitt (17) der Haut (3) begrenzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpressdruck (F) der Dichtung (7) an die Haut (3) während oder nach der Expansion des Kunststoffschaumes (18) derart gesteigert wird, dass der den Mikrokanal (10) begrenzende Teilabschnitt (17) der Haut (3) zumindest teilweise die Querschnittsfläche des Mikrokanals (10) reduzierend in die in der Dichtung (7) angeordnete Nut (11) gedrückt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (7) und der Träger (2) als einteilige Baueinheit an dem ersten Werkzeugteil (13) angelegt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das überschüssige Randabschnitte (22) des hergestellten mehrschichtigen Verbundbauteiles (1) im Schäumwerkzeug (15) oder nach der Entnahme aus dem Schäumwerkzeug (15) durch einen Schneid-, Fräs- oder Stanzvorgang entfernt werden, wobei die Dichtung (7) am mehrschichtigen Verbundbauteil (1) verbleibt.
Träger (2) zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundbauteiles (1) bestehend aus dem Träger (2), einer Haut (3) und einer zwischen dem Träger (2) und der Haut (3) angeordneten Schaumstoffschicht (4) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) in einem Randbereich (9) mit einer semipermeablen Dichtung (7) verbunden ist, welche für Luft (20) oder Gas (20) durchlässig und für einen bei dem Verfahren verwendeten expandierenden Kunststoffschaum (18) undurchlässig ist.
Träger (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (7) zumindest einen Mikrokanal (10) mit einer Querschnittsfläche von 0,1 bis 100 µm² aufweist.
Träger (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (10) als Nut (11) ausgebildet und in einer der Haut (3) zugewandten Kontaktfläche (12) der Dichtung (7) angeordnet ist.
Träger (2) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) und die Dichtung (7) einstückig miteinander verbunden sind.