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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, insbesondere eines Spritzgussteils, mit einem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch wie einem Polyurethanharz im Reaction-Injection-Molding-(RIM)-Verfahren (Reaktionsgießverfahren).
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem auf einer Anlage, üblicherweise einer Kunststoffspritzgussanlage in Kombination mit einer RIM-Anlage (Reaktionsgießmaschine), zunächst in einem ersten Schritt in einer Werkzeugform der Kunststoffspritzgussanlage ein oder mehrere Spritzgussteile, insbesondere Thermoplastspritzgussteile, hergestellt werden oder alternativ ein in die Werkzeugform der Spritzgussanlage eingelegtes Substrat mit dem Thermoplasten hinterspritzt wird, und dann in einem zweiten Schritt die aus der Werkzeugform entnommenen Spritzgussteile anschließend in der RIM-Anlage mit einer Beschichtung des Zwei-Komponenten-Reaktionsgemischs versehen werden.
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Bei klassischen RIM-Verfahren wird ein wenigstens zweikomponentiges Reaktionsgemisch mittels eines Mischkopfes in eine Oberflächenkavität zwischen einem in der Werkzeugform eingelegten Einleger und der Werkzeugform gespritzt, um dort auszureagieren. Nach der erfolgten Aushärtung des Reaktionsgemischs in der Werkzeugform wird die Form geöffnet und der beschichtete Einleger, das Bauteil, entnommen.
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Im Allgemeinen ist die Werkzeugform wenigstens teilweise beheizbar, um die Aushärtung zu beschleunigen. Die Werkzeugform besteht im Allgemeinen aus wenigstens zwei Werkzeugformteilen, die geöffnet werden können, um die Entnahme des beschichteten Einlegers zu ermöglichen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein Substrat, das beispielsweise aus Holz oder Kunststoff sein kann, in der Spritzgussanlage mit Kunststoff zu hinterspritzen und anschließend mit einem Zwei-Komponenten-Polyurethanharz (2K-PUR) in einer RIM-Anlage zu beschichten.
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Nach Einlegen des entsprechend vorbereiteten Substrats, beispielsweise einer Furnierschale, in die Spritzgussanlage wird das Substrat im ersten Schritt mit einem thermoplastischen Kunststoff hinterspritzt, wobei es zum festen Verbund zwischen Furnierschale und Kunststoff bei dem Spritzgussteil kommt.
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Nach einer für den Kunststoff typischen Kühlzeit wird das Werkzeug dann geöffnet und das erstellte Spritzgussteil (bzw. hinterspritztes Furnier) in den RIM-Prozess zur Beschichtung mit dem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch überführt. Hierzu gibt es verschiedene Methoden wie z. B. Wendeplatten-, Schiebe-, Drehteller-, Indexdrehplattenmechanismus oder auch maschinelle Bauteilentnahme und Umsetzung auf der Anlage.
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Die Werkzeugformen der Spritzgussanlage bildet eine oder mehrere Oberflächenkavität(en) für den Thermoplastprozess ab und die Werkzeugformen der RIM-Anlage eine oder mehrere Oberflächenkavität(en) für den zweiten Schritt, in dem die hinterspritzten Teile mit einem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch im RIM-Verfahren übergossen/lackiert werden. Die zweite(n) Kavität(en) bestimmt/bestimmen dabei die Schichtdicke der Schicht des Reaktionsgemischs, z. B. des PUR, und über die Oberflächenstruktur z. B. auch den Mattgrad, Kanten und sonstige durch die Form dargestellte Strukturierungen. Nach einer entsprechenden Reaktionszeit wird die Werkzeugform geöffnet, und das Bauteil kann entnommen werden.
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Bei den bislang bekannten Verfahren ist es erforderlich, dass die RIM-Werkzeugform mit der Kavität für das Reaktionsgemisch, zum Beispiel ein Polyurethan-Reaktionsgemisch, etwas länger geschlossen sein muss als die Spritzgusswerkzeugform, damit die chemische Reaktion, zum Beispiel beim PUR zwischen Polyol und Isocyanat, in ausreichendem Maße ablaufen kann. Bei einem Polyurethanharz als Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch ist die RIM-Werkzeugform im Allgemeinen zwischen 35–120 Sekunden geschlossen.
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Idealerweise sollten die Zeitdauern der geschlossenen Werkzeugformen beider Prozesse (Thermoplastspritzgussprozess und RIM-Übergießprozess mit dem Reaktionsgemisch) identisch sein, damit kein Prozessschritt auf den anderen warten muss.
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Durch die erforderliche „Wartezeit” der Thermoplastkavität auf die Aushärtung in der RIM-Kavität kommt es zu unerwünschten Kostenerhöhungen, die den Wettbewerbsvorteil des Verfahrens zu anderen Herstellvarianten schrumpfen lässt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die Wartezeiten verringert oder gar vollständig vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 2 gelöst.
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Bei dem Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einem ersten Kunststoff und anschließendem Beschichten mit einem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch, insbesondere einem Polyurethangemisch, bei dem das zu beschichtende Substrat im ersten Schritt in ein Spritzgusswerkzeugformteil eingelegt und mit einem weiteren Werkzeugformteil verschlossen wird, wobei in wenigstens eine Kavität zwischen einer Oberfläche des Substrats und dem weiteren Werkzeugformteil ein Kunststoffmaterial gespritzt wird, und anschließend in wenigstens eine weitere Kavität zwischen einer weiteren Oberfläche des Spritzgussteils und einem Werkzeugformteil einer RIM-Anlage das Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch eingefüllt wird, erfolgt erfindungsgemäß die Entformung des mit dem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch beschichteten Spritzgussteils vor der vollständigen Vernetzung der Oberfläche der mit dem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch beschichteten Oberfläche, wobei das entformte beschichtete Bauteil anschließend unter Bestrahlung, insbesondere IR-Bestrahlung, ausgehärtet wird.
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Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgt somit erfindungsgemäß die vollständige Vernetzung außerhalb der Werkzeugform, und zwar als extern induzierte Nachtrocknung/-reaktion unter (IR)-Bestrahlung.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß das Bauteil nicht in der RIM-Werkzeugform in der RIM-Kavität aushärtet sondern durch IR-Bestrahlung, können für beide Prozesse (Thermoplastprozess und RIM-Übergießprozess) identische Zykluszeiten erreicht werden.
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Die Zeit für die Aushärtung des Reaktionsgemischs kann in der RIM-Werkzeugform gegenüber dem Stand der Technik verkürzt und somit die beiden Verfahrenszeiten aneinander angepasst werden.
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Erfindungsgemäß wird die RIM-Kavität nur so lange geschlossen gehalten, bis eine entformbare aber noch sehr empfindliche, weil unvollständig vernetzte PUR-Oberfläche erhalten wird. Das Bauteil wird dann entnommen und auf eine maschinelle Einheit (wie z. B. Förderband, Förderturm) oder eine Bauteilfixierung verbracht, in welcher das Bauteil zur weiteren Aushärtung IR-Strahlung ausgesetzt wird.
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Das noch nicht vollständig ausgehärtete Bauteil kann dann aus der RIM-Kavität entnommen werden, wenn nach der Entnahme mit bloßem Auge keine entformungsbedingte Störungen an der Oberfläche sichtbar sind. Bei solchen entformungsbedingten Störungen kann es sich beispielsweise um Entformungslinien, Eisblumenmuster oder gar Ausrisse handeln. Sind jedoch solche Oberflächenstörungen zu erkennen, ist der Entnahmezeitpunkt für das anschließende Aushärten unter IR-Bestrahlung zu früh.
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Generell hängt die kürzeste Entnahmezeit der noch nicht vollständig ausgehärteten Oberfläche des Bauteils aus der RIM-Kavität selbstverständlich u. a. von der jeweiligen Werkzeugform der RIM-Anlage, der Oberfläche der Werkzeugform, der Beschichtung der Werkzeugform und der Werkzeugtemperatur ab und kann aufgrund der obigen Angaben für jede RIM-Werkzeugform und jede Formulierung des eingesetzten Zwei-Komponenten-Reaktionsgemischs einfach bestimmt werden.
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Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen und Beschichten eines Spritzgussteils mit einem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch, bei dem zur Herstellung des Spritzgussteils zunächst in eine Kavität in eine erste Werkzeugform einer Spritzgussanlage ein Kunststoffmaterial eingespritzt wird und anschließend in wenigstens einer weiteren Kavität zwischen der Oberfläche des Spritzgussteils und einem zweiten Werkzeugformteil einer RIM-Anlage ein Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch eingefüllt wird, wobei die Entformung des mit dem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch beschichteten Spritzgussteils (Bauteil) vor der vollständigen Vernetzung der Oberfläche des Zwei-Komponenten-Reaktionsgemischs erfolgt und das Bauteil anschließend außerhalb des Werkzeugs unter Bestrahlung, insbesondere IR-Bestrahlung, ausgehärtet wird.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Variante erfolgt die Entnahme des Bauteils aller Varianten der vorliegenden Erfindung aus der Werkzeugform mittels eines Roboters oder manuell.
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Vorzugsweise wird das beschichtete Bauteil nach der Entnahme auf eine maschinelle Einheit (wie z. B. ein Förderband, eine Handlingeinrichtung, einen Förderturm) oder eine Bauteilfixierung verbracht, in welcher das Bauteil IR-Strahlung ausgesetzt wird, um die weitere Aushärtung zu ermöglichen oder zu unterstützen.
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Geschwindigkeit und Länge der Förderanlage bzw. Auslegung der Bauteilfixierung und IR-Bestrahlung werden so gewählt, dass die Zwei-Komponenten-Reaktionsgemischschicht hinreichend ausgehärtet wird. Am Ende wird das Bauteil abgekühlt und entsprechend verpackt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die IR-Bestrahlung mittels einer emittierenden Vorrichtung, vorzugsweise einem Thermoreaktor, einer Halogenlampe oder einer Infrarotlampe erfolgt. Zudem kann jede alternative IR-Emissionsquelle, welche die oben beschriebene Aushärtung ermöglicht, eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch mehrere Strahlungsquellen, sowohl derselben als auch einer anderen Art, eingesetzt werden.
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Die IR-Strahlung kann elektrisch erzeugt werden, aber auch durch chemische Reaktionen oder Verbrennungsvorgänge (z. B. Thermoreaktor) oder durch physikalische Vorgänge (z. B. optische Verdichtung bzw. Fokussierung natürlicher Strahlung).
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Die Aushärtung außerhalb der Form kann darüber hinaus auch durch Bestrahlung mit einer anderen Strahlung als IR-Strahlung, beispielsweise mit UV-Strahlung, erfolgen.
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Selbstverständlich sollte die Dosis, Zeitdauer und der Energieeintrag der auf das Bauteil einwirkenden Strahlung, der Abstand zwischen Strahlungsquelle und dem auszuhärtenden Bauteil und die Abkühlrate sorgfältig gewählt werden, um ein ausgehärtetes Bauteil mit sehr guten Oberflächeneigenschaften zu erhalten.
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Vor, während oder auch nach der IR-Ausreaktion/Aushärtung kann zusätzlich eine physikalische Ausreaktion/Aushärtung durch Wärme – zum Beispiel erzeugt durch Strahlung oder Warmluft – erfolgen.
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Das in die Kavität des Werkzeugs der Spritzgussanlage einzulegende Substrat, das im zweiten Schritt in der RIM-Anlage beschichtet wird, kann ein Thermoplast oder ein Duroplastbauteil sein.
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Sofern das Substrat aus Kunststoff ist, kann in die Spritzgusswerkzeugform auch entweder eine (ggf. vorverformte) Dekorfolie eingelegt werden und dann das Verfahren wie zuvor beschrieben durchgeführt werden. Ebenso kann eine Kunststofffolie über ein Endlosverfahren zugeführt und hinterspritzt werden, wie es u. a. im sogenannten IMD-Verfahren üblich ist und seit Jahren praktiziert wird. Es können sowohl vorbedruckte Folien als auch Transparentfolien verwendet werden.
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Anstelle der Kunststofffolien können auch Metallfolien oder Metallplatten eingesetzt werden.
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Als Substrate können auch Metalle, beispielsweise für Dekorleisten in Automobilen, aber auch in sonstigen Anwendungsbereichen, verwendet werden.
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Ebenso können Glas-, Graphit-, Keramiksubstrate und/oder WPC-Substrate (Wood-Plastic-Composite) mit dem Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch beschichtet werden.
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Das Substrat kann auch ein Faserverbund-, Leichtbauteil bzw. Composite-Bauteil sein, wie z. B. ein kohlefaserverstärktes oder glasfaserverstärktes Bauteil, welches entweder vorgeformt sein kann oder durch das Hinterspritzen in der Spritzgussanlage erst die gewünschte Form erhält.
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Vorzugsweise ist die Substrateinlage eine Furnierschale, insbesondere für die Automobilindustrie, eine kaschierte Furnierschale oder ein kaschiertes Furnier, ein Holzsubstrat, ein Holzfurnieraufbau mit verschiedenen Aufbaumaterialien (Furnier, Kaschierfolie, Leimfolie, Aluminium, Faserverbundmatte, etc.) in unterschiedlichen Aufbaureihenfolgen, Aufbaudicken und Eigenschaften, welche eine gewisse Farbgebung aufweist und/oder eine Isolierung oder Grundierung aufweisen kann. Ebenso kann das Substrat beispielsweise aus Metall, Kunststoff oder Glas sein.
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Es ist unerheblich, ob das faserverstärkte Bauteil aus einer Fasermatrix besteht oder auf Basis von Endlosfasern.
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In einer besonders bevorzugten Variante einer kombinierten Spritzguss-RIM-Anlage wird eine Spritzgusswerkzeugform nach dem Einspritzen und Abkühlen des Kunststoffs geöffnet und ein Spritzgusswerkzeugformteil mit dem Spritzgussteil über einen Mechanismus, insbesondere einen Wendeplatten-, Schiebe-, Drehteller-, Indexdrehplattenmechanismus oder auch maschinelle Bauteilentnahme und Umsetzung auf der Anlage einem Werkzeugformteil der RIM-Anlage zugewandt. Hierbei bildet das eine Formteil des Spritzgussprozesses, in dem sich das Spritzgussteil befindet, das eine Werkzeugformteil der RIM-Werkzeugform und das zweite Werkzeugformteil der RIM-Anlage das zweite Teil der RIM-Werkzeugform mit der RIM-Kavität.
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Selbstverständlich kann das Verfahren auch in zwei voneinander getrennten Anlagen durchgeführt werden.
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In der Variante ohne Substrateinlage gemäß Anspruch 2, bei der zunächst das Spritzgussteil als Substrat hergestellt wird, kann die Polyurethanbeschichtung direkt auf die im ersten Schritt erzeugte Thermoplastoberfläche in die RIM-Kavität eines weiteren Werkzeugformteils erfolgen.
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Die extern durch IR-Strahlung angeregte Nachtrocknung kann somit unabhängig davon, ob das Spritzgussteil das reine Thermoplastsubstrat oder ein hinterspritztes Substrat (Furnier, Furniermischaufbau u. a. inklusive Kaschierung, Leimfolien, Aluminiumeinlagen, Kaschierfurnier, Metall, Glas etc.) ist, erfolgen.
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Das Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch ist vorzugsweise ein 2K-Polyurethan-Gemisch, das interne Trennmittel enthalten und farblos, transparent, farbig transparent oder auch pigmentiert bzw. eingefärbt sein kann. Auch kann das Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch ansonsten übliche Zusätze enthalten. Ebenso kann das Zwei-Komponenten-Reaktionsgemisch ein Epoxiharz sein.
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Das Reaktions-Injection-Moulding-Verfahren kann als Hochdruck- oder Niederdruck-Reaktionsgießverfahren durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig davon, ob das Hinterspritzen einer kombinierten Spritzguss-RIM-Anlage auf der gleichen Anlage oder auf gesonderten Anlagen erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Holzfurniers (Substrat) in einem Werkzeugformteil 15 einer Spritzgussmaschine,
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2 eine schematische Darstellung des Holzfurniers (Substrat) in dem Werkzeugteil einer Spritzgussmaschine aus 1, das mit einem zweiten Werkzeugteil der Spritzgussmaschine verschlossen ist mit einer ersten Kavität,
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3 die geöffnete Werkzeugform aus 2 nach dem Hinterspritzen, ohne das erste Werkzeugformteil 15,
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4 die geschlossene Werkzeugform im RIM-Verfahren und
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5 die schematische Darstellung des entnommenen Bauteils.
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In 1 ist ein erstes Werkzeugformteil 15 einer Spritzgussanlage dargestellt, in das ein geformtes Substrat 11, beispielsweise eine Furnierschale 11, mit der späteren Sichtseite 12 in Richtung des Formteils 15 gewandt, eingelegt wird.
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Das erste Werkzeugformteil 15 wird mit dem zweiten Werkzeugformteil 16 der Spritzgussanlage verschlossen, wobei in die Kavität 17 zwischen einer Oberfläche 13 der Furnierschale 11, nämlich der Rückseite 13 der Furnierschale 11, und dem zweiten Werkzeugformteil 16 ein erwärmter Thermoplast gespritzt wird, bis die Kavität 17 der Spritzgusswerkzeugform 15, 16 vollständig mit dem Thermoplasten gefüllt ist.
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Dabei bildet sich ein fester Verbund zwischen Furnierschale 11 und dem eingespritzten Kunststoff. Der in der Kavität 17 ausgehärtete Kunststoff ist in 2 und 3 mit „14” gekennzeichnet.
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Nach dem Erkalten wird die Werkzeugform 15, 16 der Spritzgussmaschine geöffnet, indem das erste Werkzeugformteil 15 der Spritzgussmaschine entfernt wird. Das Spritzgussteil 14 mit dem fest daran haftenden Substrat 11 wird nun zusammen mit dem zweiten Werkzeugformteil 16 in den RIM-Anlagenbereich überführt, in der das Spritzgussteil 14 mit dem Substrat 11 in dem Werkzeugformteil 16 nun in Richtung der späteren Sichtseite 12 mit einer Werkzeugformhälfte 25 der RIM-Anlage verschlossen wird (4). Zwischen der Sichtseite 12 des Spritzgussteils 14 mit dem Substrat 11 und der Werkzeugformhälfte 25 der RIM-Anlage ist ebenfalls eine Kavität 27, in der nun in der RIM-Anlage das Polyurethanharz 30 eingefüllt wird und beginnt, zu vernetzen.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform mit der kombinierten Spritzguss-RIM-Anlage bildet das Werkzeugformteil 16 der Spritzgussmaschine das zweite Werkzeugformteil zu dem Werkzeugformteil 25 der RIM-Anlage.
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Sobald eine hinreichende Vernetzung der Oberfläche des Polyurethanharz 30 erreicht ist, wird die Form 16, 25 geöffnet und das Bauteil 31, d. h. die mit Kunststoff hinterspritzte und mit dem Polyurethanharz 30 beschichtete Furnierschale 11 entnommen und einer externen IR-Bestrahlung zugeführt (nicht dargestellt).
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Das obige Verfahren kann auch ohne Einlage des Substrats 11 erfolgen. In diesem Fall wird zunächst das Spritzgussteil 14 (ohne Substrat 11) analog hergestellt und dann – wie oben erläutert – im zweiten Schritt in der RIM-Anlage mit dem Polyurethanharz 30 beschichtet und das Bauteil 31 mit der noch nicht vollständig vernetzten PUR-Beschichtung dann extern unter IR-Bestrahlung ausgehärtet.
