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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils.
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Es gibt eine Vielzahl von geschäumten Kunststoffbauteilen, welche unter Zuhilfenahme eines Treibmittels in einem Werkzeug, beispielsweise in einem Spritzgusswerkzeug, aufgeschäumt werden. Hierbei wird ein Kunststoff mit einem Treibmittel in Verbindung gebracht, welches ihn aufschäumen lässt. Anschließend wird das schäumende Material in eine Kavität des Werkzeugs eingebracht, in welcher es expandiert bis die Kavität gefüllt und die endgültige Bauteilform erreicht ist.
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Die
DE 10 2011 000 399 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Kunststofffolie, bei welcher eine Schicht aus einem geschäumten Kunststoff besteht. Die geschäumte Schicht wird durch Einblasen eines Gases in eine Kunststoffschmelze erzeugt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Kunststoffbauteils bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils umfasst die folgenden Schritte:
- – Vermischen eines thermoplastischen Kunststoffgranulats mit einem Treibmittel zu einem Gemisch;
- – Extrudieren des Gemischs bei einer Extrudiertemperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur des Treibmittels zu einem Halbzeug;
- – Erwärmen des Halbzeugs über die Aktivierungstemperatur des Treibmittels und Ausbildung des Kunststoffbauteils unter Zuhilfenahme eines Werkzeugs.
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Im Unterschied zum aus der
DE 10 2011 000 399 A1 bekannten Verfahren wird eine geschäumte Schicht bei der Erfindung dadurch erzeugt, dass bereits vor dem Extrudieren des Gemischs ein thermoplastisches Kunststoffgranulat mit einem Treibmittel vermischt wird, wobei ein Aufschäumen des aufgeschmolzenen Kunststoffs erst im Zuge der Bauteilausbildung in einem Werkzeug erfolgt.
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Der Einbringungsprozess des Treibmittels und das anschließende Aufschäumen und Verarbeiten des Kunststoffes sind somit zeitlich und örtlich nicht aneinander gebunden. Nach dem Extrudieren des Gemischs liegt ein optimiertes Halbzeug zur industriellen und automatisierten Verarbeitung vor. Dadurch können besonders kostengünstig Bauteile in Sandwich-Verbundbauweise unter Verwendung des Halbzeugs hergestellt werden. Dabei kann eine gezielte lokale Einstellung des Porengehalts bzw. der Dichte des Halbzeugs und somit auch des Kunststoffbauteils eingestellt werden. Darüber hinaus können bei der Verwendung des mittels des Verfahrens hergestellten Halbzeugs besonders günstige Werkzeuge, beispielsweise Presswerkzeuge oder auch Spritzgusswerkzeuge verwendet werden, da die Einbringung des Treibmittels nicht mehr innerhalb des Werkzeugs erfolgen muss. Das Halbzeug wird vorzugsweise in Form einer Folie hergestellt, wodurch besonders dünne Sandwich-Verbundbauteile aus dem Halbzeug hergestellt werden können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Halbzeug vor einem Anordnen in dem Werkzeug über die Aktivierungstemperatur erwärmt und anschließend in dem Werkzeug angeordnet wird. Das Halbzeug kann beispielsweise durch einen Durchlaufofen hindurchgeführt oder mittels Strahlswärme über die Aktivierungstemperatur erwärmt werden und anschließend erst in dem Werkzeug angeordnet werden. Das Werkzeug selbst kann dadurch relativ kostengünstig ausgebildet sein, da dieses selbst nicht temperiert werden muss.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Halbzeug in dem Werkzeug angeordnet und anschließend über die Aktivierungstemperatur erwärmt wird. Es kann beispielsweise ein zyklisch beheizbares Werkzeug eingesetzt werden, so dass das Erwärmen des Halbzeugs über die Aktivierungstemperatur direkt innerhalb dieses Werkzeugs erfolgen kann. Vorteilhaft hierbei ist, dass keine weiteren Temperiervorrichtungen außerhalb des Werkzeugs vorgesehen werden müssen, um das Halbzeug über die Aktivierungstemperatur des Treibmittels zu erwärmen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass dem Gemisch zusätzlich Verstärkungs- und/oder Füllmaterialien, insbesondere Glasfasern, Naturfasern und/oder Talkum, beigefügt werden. Dadurch können die mechanischen Eigenschaften des Halbzeugs bedarfsgerecht je nach Anwendungsfall eingestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vor dem Anordnen des Halbzeugs in dem Werkzeug zumindest ein textiles Flächengebilde unter Ausbildung eines Sandwich-Verbunds an dem Werkzeug angeordnet wird. Das Flächengebilde dient dabei als Verstärkungs- oder Füllmaterial, welches unter Ausbildung eines Sandwich-Verbunds an dem Halbzeug angeordnet werden kann. Vorzugsweise ist das zumindest eine textile Flächengebilde aus Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff in Form eines Geleges, eines Gewebes oder eines Fliesstoffs hergestellt. Darüber hinaus kann das textile Flächengewebe auch aus einer Mischform von den zuvor genannten Arten ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Werkzeug während der Ausbildung des Kunststoffbauteils über eine Zielbauteildicke hinaus geöffnet und auf die Zielbauteildicke geschlossen wird. Dadurch kann eine verbesserte Oberflächenqualität des herzustellenden Kunststoffbauteils erzielt werden, da das Werkzeug zunächst über die Zielbauteildicke hinaus geöffnet wird und nach der Aufschäumung des Halbzeugs wieder auf die Zielbauteildicke geschlossen wird. Im Werkzeug erstarrt anschließend der thermoplastische Anteil des Kunststoffbauteils und das Bauteil kann danach entformt werden.
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Vorzugsweise wird das Halbzeug durch Folienextrusion oder durch Folienblasen hergestellt. Dadurch kann das Halbzeug mit einer relativ hohen Ausbringungsmenge kontinuierlich in Folienform hergestellt werden. Nach dem Abkühlen des folienförmigen Halbzeugs kann dieses beispielsweise auf eine transportierbare Rolle aufgerollt und direkt in transportierbare Stücke geschnitten werden. In der Handhabung unterscheidet sich das folienartige Halbzeug nicht von einer normalen Kunststofffolie. Darüber hinaus kann das Halbzeug auch in Form von Platten hergestellt werden, wobei sich lediglich die Dicke von der folienartigen Ausgestaltung unterscheidet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen eines Kunststoffbauteils, welche durch Spritzgießen hergestellt worden sind;
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2 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen des Kunststoffbauteils, welche mittels eines Presswerkzeugs hergestellt worden sind;
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3 eine schematische Seitenansicht einer Extrusionsanlage, mittels welcher ein Halbzeug hergestellt wird, das Bestandteil der in den 1 und 2 gezeigten Kunststoffbauteile sein kann;
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4 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten, mittels welchen das Halbzeug zu einem der in den 1 oder 2 gezeigten Ausführungsformen des Kunststoffbauteils weiterverarbeitet werden kann.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind fünf unterschiedliche Ausführungsformen eines Kunststoffbauteils 10 dargestellt, welche durch Spritzgießen hergestellt worden sind. Dabei weisen alle Kunststoffbauteile 10 eine aufgeschäumte Folie 12 auf, welche aus einem thermoplastischen Kunststoffgranulat hergestellt worden ist. Manche der hier dargestellten Ausführungsformen des Kunststoffbauteiles 10 weisen darüber hinaus noch eine oder mehrere Deckschichten 14 auf, welche beispielsweise aus textilen Flächengebilden in Form von Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Kunststoff hergestellt worden sind. Darüber hinaus weisen vier der hier gezeigten Ausführungsformen des Kunststoffbauteils 10 noch eine aufgespritzte Rippe 16 auf, welche während der Herstellung des Kunststoffbauteils 10 in einem Spritzgusswerkzeug entweder an eine der Deckschichten 14 oder auch direkt an die aufgeschäumt Folie 12 angespritzt worden sind.
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In 2 sind weitere mögliche Ausführungsformen des Kunststoffbauteils 10 dargestellt, wobei diese Ausführungsformen als Pressteile mittels eines Presswerkzeugs hergestellt worden sind. Die hier gezeigten Ausführungsformen des Kunststoffbauteils 10 umfassen wiederum jeweils eine aufgeschäumte Folie 12 sowie eine oder zwei der Deckschichten 14. Allen in den 1 und 2 gezeigten Kunststoffbauteilen 10 ist gemeinsam, dass diese also die aufgeschäumte Folie 12 aufweisen.
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In 3 ist in einer schematischen Seitenansicht eine Extrusionsanlage 18 dargestellt, mittels welcher ein Halbzeug 20 hergestellt wird, welche zu der aufgeschäumten Folie 12 ausgebildet wird.
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In einem Behälter 22 wird zunächst ein Gemisch 24 aus einem thermoplastischen Kunststoffgranulat und einem Treibmittel bereitgestellt. Mit anderen Worten wird zu Beginn des Prozesses das thermoplastische Kunststoffgranulat mit dem Treibmittel vermischt. Das Treibmittel kann beispielsweise in Pulverform oder auch bereits im thermoplastischen Kunststoffgranulat eingearbeitet vorliegen. Diesem Gemisch 24 können des Weiteren Verstärkungs- oder Füllmaterialien hinzugefügt und im späteren Prozess ohne zusätzlichen Aufwand mitverarbeitet werden. Bei den Verstärkungs- oder Füllmaterialien kann es sich beispielsweise um Glasfasern, Naturfasern oder Talkum und dergleichen handeln. Bei den Treibmitteln sind sowohl physikalische oder chemische Treibmittel möglich, wobei auch eine Kombination aus beiden Treibmittelarten einsetzbar ist.
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Im hier gezeigten Fall erfolgt die Halbzeugherstellung über Folienextrusion, wobei die Halbzeugherstellung genauso gut auch über Folienblasen erfolgen kann. Das Gemisch 24 wird durch einen Extruder 26 geführt und durch eine nicht näher bezeichnete flache Düse extrudiert. Hierbei wird die Maximaltemperatur beim Extrudieren unterhalb der Aktivierungstemperatur des Treibmittels gehalten, wodurch verhindert wird, dass bereits beim Extrudieren des Gemischs 24 die gasförmigen Anteile des Treibmittels austreten.
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Im Anschluss an den Extrusionsprozess wird das geschmolzene Extrudat über Kalanderwalzen 28 geführt. Durch den Extrusionsvorgang wird ein folienförmiges Halbzeug 20 ausgebildet, welches nach dem Abkühlen beispielsweise auf eine transportierbare Rolle 30 aufgerollt oder auch in transportierbare Stücke, beispielsweise in Form von Platinen oder dergleichen, geschnitten werden kann. Je nach Prozessführung ist es auch möglich, dass das Halbzeug 20 in Plattenform hergestellt wird, wobei sich lediglich die Dicke von der folienartigen Ausgestaltung unterscheidet.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass zusätzlich textile Flächengebilde 32 als Verstärkungs- oder Füllmaterial auf das folienförmige Halbzeug 20 aufgelegt werden, wodurch eine Art Sandwich-Verbund 34 erzeugt wird. Die textilen Flächengebilde 32 können z. B. Gelege, Gewebe oder Fliesstoffe sein, welche aus verschiedenen Materialien, z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Kunststoffen oder aus Mischungen von diesen bestehen können.
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In 4 ist einer schematischen Darstellung eine Abfolge von Verfahrensschritten gezeigt, mittels welchen aus dem folienförmigen Halbzeug 20 das Kunststoffbauteil 10 hergestellt wird.
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Im vorliegend gezeigten Fall wird der aus dem folienförmigen Halbzeug 20 und den Flächengebilden 32 bestehende Sandwich-Verbund 34 durch einen Durchlaufofen 36 hindurch befördert, mittels welchem das Halbzeug 20 über die Aktivierungstemperatur des Treibmittels erwärmt wird. Statt des Durchlaufofens 36 können auch Strahler oder dergleichen eingesetzt werden, wobei allgemein der Wärmeeintrag zum Aktivieren des Treibmittels konduktiv, konvektiv oder über Strahlungswärme zugeführt werden kann.
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Das aktivierte schäumende Halbzeug 20 wird anschließend einem Werkzeug 38 zugeführt und in einer nicht näher bezeichneten Kavität des Werkzeugs 38 angeordnet. Je nach dem, wie das Kunststoffbauteil 10 ausgestaltet werden soll, kann es sich bei dem Werkzeug 38 um ein Presswerkzeug oder auch um ein Spritzgusswerkzeug handeln. Wie hier dargestellt, können zusätzlich noch weitere textile Flächengebilde 32 nach dem Aktivieren des Halbzeugs 20, also nach dem Durchlaufen des Durchlaufofens 36, einseitig oder beidseitig entweder direkt auf der Folie 20 oder, wie im hier gezeigten Fall, außen am Sandwich-Verbund 34 angebracht werden.
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Das aktivierte Halbzeug 20 schäumt also innerhalb der Kavität des Werkzeugs 38 auf, bis die gewünschte Expansion erreicht ist und die vorhandene Kavität entsprechend gefüllt ist. Für eine verbesserte Oberflächenqualität kann das Werkzeug 38 darüber hinaus über eine Zielbauteildicke hinaus geöffnet werden und nach der Aufschäumung wieder auf die Zielbauteildicke geschlossen werden. Im Werkzeug erstarrt dabei thermoplastische Anteil des Halbzeugs 20 bzw. des Sandwich-Verbunds 34 und anschließend kann das fertige Kunststoffbauteil 10 aus dem Werkzeug 38 entformt werden.
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Statt wie in 4 gezeigt, ist es auch möglich, ein zyklisch beheizbares Werkzeug einzusetzen, so dass der Durchlaufofen 36 oder anderweitige werkzeugexterne Aufheizvorrichtungen eingespart werden können. Im Falle eines zyklisch beheizbaren Werkzeugs wird das Halbzeug 20 bzw. der Sandwich-Verbund 34 direkt innerhalb des zyklisch beheizbaren Werkzeugs angeordnet, mittels des Werkzeugs entsprechend über die Aktivierungstemperatur erhitzt und anschließend in dem Werkzeug und zu dem fertigen Kunststoffbauteil 10 ausgeformt. Nach dem fertigen Aufschäumen wird das Werkzeug vorzugsweise abgekühlt, wodurch das Material erstarrt und entnommen werden kann.
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Falls die in 1 gezeigten Versteifungsrippen 16 an dem Kunststoffbauteil 10 ausgebildet werden sollen, wird vorzugsweise ein Spritzgusswerkzeug eingesetzt, so dass Funktionselemente in Form der Versteifungsrippen 16 oder dergleichen direkt im selben Werkzeug angespritzt werden können. Alternativ ist es auch durch eine entsprechende Ausgestaltung einer Kavität eines als Presswerkzeug ausgebildeten Werkzeugs möglich, derartige Versteifungsrippen 16 oder anderweitige Funktionselemente direkt im Werkzeug auszuformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011000399 A1 [0003, 0007]
