DE102016106667A1

DE102016106667A1 - Formteil aus mehrlagigem PUR-Spray und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102016106667A1
Application number: DE102016106667.2A
Authority: DE
Inventors: Kurt Nöcker
Original assignee: Formtec Pur-Verarbeitungs-Gmbh
Current assignee: Formtec Pur-Verarbeitungs-Gmbh
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-06-29
Also published as: DE102016106668A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Bauteil hergestellt aus PUR, das aus mehreren Schichten aufgebaut ist, wobei die Dicke des Bauteils kleiner 5 mm ist und dass das Bauteil aus mindestens 3 Schichten aufgebaut ist, und wobei die Schichten aus PUR-Spray-Material hergestellt sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Bauteil mit einer oben genannten Schichtabfolge, wobei die Schichten in eine Form gesprüht werden, wobei die Schichten sequentiell aufgebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung bevorzugt großflächiger Formteile, z.B. Stoßstangen oder Kotflügel, aus mehrlagig aufgebrachtem und zeitabhängig aushärtendem sprühbarem Kunststoff, bevorzugt Polyurethan(PUR)-Spray-Material, das mit kurzen Fasern gefüllt bzw. verstärkt ist. Zudem wird eine Technologie beschrieben, um versteifende Streben mit einem effizienten Arbeitsablauf ansetzen zu können, wobei dennoch eine sehr gute lackierfähige Oberfläche entsteht.
Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Ausprägung wird beispielsweise in der DE 100 03 965 A1 beschrieben. Hier betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auftragen von Beschichtungen aus Polyurethan (PUR) bei der zwei verschiedene Komponenten A und B mit zeitlichem Abstand auf die zu beschichtende Oberfläche nacheinander aufgetragen werden.
Darüber hinaus ist beispielsweise aus der DE 10 2007 051 129 A1 ein entsprechendes Verfahren bekannt geworden, bei dem eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Faser-/Partikel-PUR-Reaktionsgemisches, meist über mehrere Schichten hinweg, auf der Formoberfläche oder dem Substratträger angestrebt wird.
Zudem ist es bei einem vergleichbaren Verbundbauteil entsprechend der DE 10 2009 018 131 A1 bekannt geworden, dass durch das Sprühverfahren eines entsprechenden Werkstoffes eines dreidimensionalen Strukturelements die Herstellung sehr kostengünstig erfolgen kann.
Die DE 10 2009 018 131 A1 hat auch erkannt, dass zur zusätzlichen Verstärkung eines dreidimensionalen Strukturelements und/oder zur Kostenreduktion auch vorgesehen ist, dass der Werkstoff des dreidimensionalen Strukturelements Fasern und/oder Füllstoffe umfasst und/oder dass dem Werkstoff des dreidimensionalen Strukturelements Fasern und/oder Füllstoffe beigemischt werden.
Ein ähnlicher Sachverhalt liegt auch in der EP 303 305 B1 und in EP 389 014 B1 vor.
In diesen bekannten Verfahren wird eine elastomere Polyurethanhautschicht mit einer Dicke von mehr als 0,3 mm und vorzugsweise einer Dicke zwischen 0,5 und 2 mm, hergestellt.
Zudem wird in der EP 303 305 B1 ein Verfahren zur Bildung einer als Gel gebildeten Polyurethanschicht auf einer Oberfläche beschrieben, welches vornehmlich durch Aufsprühen eines flüssigen Reaktionsgemisches, das Polyol und Isocyanate enthält.
Aus dem Stand der Technik ist also bereits das Besprühen von z.B. Formkörpern aus Polystyrol mit einer PUR-Schicht bekannt. Nachteilig ist hier insbesondere, dass die Dicke der PUR-Schicht dabei lokal sehr stark variiert. Insbesondere bei Verwendung von herkömmlichem Short-Fiber-Spray-Verfahren bilden sich einige Millimeter hohe Höcker durch das Auftürmen von Fasern, die sich bei der weiteren Verarbeitung eines Formkörpers sehr nachteilig auswirken.
Bei dem Short-Fiber-Spray-Verfahren handelt es sich um ein Verfahren welches ein schnell aushärtendes, mehrkomponentiges PUR-System verwendet, das bei Raumtemperatur in eine offene Form gesprüht wird. Gewöhnlich sind die einzelnen Komponenten in ihrem Mischungsverhältnis variierbar, wodurch sich Reaktivitäten und Materialeigenschaften je nach Anwendungsgebiet individuell einstellen lassen.
Das Reaktionsgemisch besteht in einem Short-Fiber-Verfahren für gewöhnlich aus einer Isocyanat- und mehreren Polyol-Komponenten, welche nur wenige Minuten für die Aushärtung benötigen.
Des Weiteren wird bei einem klassischem Short-Fiber-Spray-Verfahren ein Zwei-Komponenten-Polyol- und Isocyanat-Gemisch mit Aktivator oder ohne gesprüht. Seitlich wird zudem ein Faserschnitt eingeblasen, so dass sich Fasern und Sprühmasse durchmengen können. Als problematisch erwiesen sich bei diesem Verfahren bisher jedoch die sehr ungleiche Dicke und die sehr raue Oberfläche.
Ebenfalls bekannt sind aus dem Stand der Technik zweilagige Sprühverfahren, bei denen eine zweite Schicht aufgetragen wird, sobald die erste Schicht ausgehärtet ist. Dabei addieren sich die Toleranzen der Schichtdicke auf etliche Millimeter. Das heißt, auch hier entstehen Formteile mit einer sehr ungleichmäßigen Dicken und gleichzeitig auch mit einem hohen Gewicht.
Zudem zeichnen sich bei diesem Verfahren auch oft die Stellen zur Lackseite bzw. Außenseite ab, an denen sich viel Material mit großer Schichtdicke gesammelt hat.
Insgesamt können damit die bekannten Vorgehensweisen bei den vorgestellten Herstellungsverfahren und den daraus resultierenden Verbundbauteilen nicht in allen Aspekten überzeugen.
Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren und ein Verbundbauteil so weiter zu entwickeln, dass bevorzugt großflächige Bauteile effizient aus Kunststoff hergestellt werden, die ähnlich aussehen wie Blechteile, mit gleichmäßiger Wandstärke und ausgezeichneter Oberfläche.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils vor, dass zunächst eine erste PUR-Schicht in eine Form aufgesprüht wird, wobei die erste Schicht eine Dicke von kleiner 1 mm bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweist. Daran schließt sich ein Abkühlen der aufgebrachten PUR-Schicht an. In einem weiteren Schritt wird eine weitere PUR-Schicht auf die zuvor aufgesprühte PUR-Schicht aufgesprüht, wobei die weitere Schicht eine Dicke von kleiner 1 mm, bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweist und ein Wiederholen der eingangs beschriebenen Schritte stattfindet, bis ein Schichtverbund mit mindestens 3 Schichten bevorzugt 4 Schichten besonders bevorzugt 5 Schichten hergestellt ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist der Schichtverbund eine Gesamtdicke von 0,8 mm bevorzugt 0,7 mm, besonders bevorzugt 0,6 mm multipliziert mit der Anzahl der Schichten auf. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung leichter Verbundbauteile möglich ist.
Zudem wird in dem Verfahren in einer weiteren Ausführungsform der Abkühlprozess solange durchgeführt, bis sich an der Oberfläche der aufgebrachten Schicht ein Gel gebildet hat.
Das heißt, es ist vorgesehen, dass beim Aufsprühen der weiteren PUR-Schicht die zuvor aufgesprühte Schicht an der Oberfläche in einem gelartigen Zustand ist. Der besondere Vorteil dieser „Nass-in-Gel-Technologie“ mit mehreren dünnen Teilschichten liegt hier insbesondere darin, dass gleichzeitig werkzeugseitig eine erstklassige lackierfähige Oberfläche entsteht, und dass sprühseitig ein noch anbindefähiger Gelzustand herrscht. Als Werkzeug dient im einfachsten Fall eine einflächig polierte Form, in die Schicht für Schicht das flüssige angemischte PUR-Material gesprüht wird. Denn das bisherige Problem ohne die „Nass-in-Gel-Technologie“ war, dass an Krümmungen sich insbesondere Pfützen ausgebildet haben. Dies liegt vor allem daran, dass das aufgetragenen PUR die Eigenschaft hat, zum Teil zu schrumpfen. Resultierend daraus ergeben sich folglich sichtbare Einzugsdellen der Oberkante der zusammengelaufenen Pfützen. Die erfindungsgemäße „Nass-in-Gel-Technologie“ verhindert aber ein Zusammenlaufen, so dass auch in solchen Ecken die Schichtfolge von mehreren, meist 4 bis 6, dünnen Schichten intakt bleibt. Folglich nutzt die vorliegende Erfindung ein mehrschichtiges Nass-in-Gel-Sprühverfahren, um mehrere dünne Lagen aus aushärtbarem Kunststoff nacheinander nach bemessener Aktivierungszeit und nach Gelbildung aufzusprühen.
Ebenfalls ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung möglich, dass die PUR-Schichten zumindest teilweise mit Fasern verstärkt sind. Derartige Sprühverfahren zur Herstellung von mit Fasern oder Feststoffpartikeln verstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien sind auch bereits seit langem bekannt. Die Herstellung solcher Materialien erfolgt dabei in aller Regel so, dass die für die Verstärkung verwendeten Fasern bzw. Feststoffpartikel, vorzugsweise druckluftunterstützt, über eine trichterförmige mit dem PUR-Sprühmischkopf fest verbundenes Auftragsorgan seitlich in den Sprühstrahl des PUR-Reaktivgemisches geleitet werden. Als Fasern können insbesondere Kohlenstoff-, Glas- und/oder Naturfasern und/oder kunststoffbasierte und/oder mineralische Fasern und/oder Basalt gewählt werden. Zudem haben sich in der hier vorliegenden Erfindung Mikrofasern als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei der Faseranteil typischerweise zwischen 5 und 20 Prozent liegt. Das heißt, je mehr Fasern die PUR-Schichten am Ende enthalten, desto druckfester werden sie dann. Umgekehrt bedeutet dies aber auch, dass ein geringerer Faseranteil eine hohe Elastizität der die PUR-Schichten ermöglicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Fasern der ersten faserverstärkten PUR-Schicht kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,25 mm. Das hat den Vorteil, dass die kurzen Fasern keine Spuren in der Lackoberfläche hinterlassen.
In einer weiteren Variante der Fasern ist vorgesehen, dass die Länge der Fasern in den PUR-Schichten teilweise kleiner als 1 mm und teilweise größer als 1mm sind. Dies bedeutet gleichzeitig auch, dass für eine größere Zugfestigkeit der PUR-Schichten längere Fasern in diesem Fall notwendig sind. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die in den tiefer liegenden Schichten verwendeten größeren Fasern für eine verbesserte mechanische Stabilität sorgen.
Als besonders vorteilhaft in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat sich auch ergeben, dass vor dem Aufsprühen der ersten PUR-Schicht eine Lackschicht in die Form eingebracht wird. Ein derartiges Verfahren, bei dem die Lackierung eines Kunststoff-Formteils bereits im Formwerkzeug durchgeführt wird, wird auch als In-Mould-Coating-Verfahren (IMC) bezeichnet. Dabei wird beispielsweise ein Lacksystem, vorzugsweise ein hochreaktiver 2-Komponenten-Lack (2K-Lack) in einem Spritz- oder Sprühverfahren in das Formwerkzeug gebracht. Danach wird in die offene oder geschlossene Form ein Trägermaterial auf Polyurethan-Basis eingebracht. Nach Ablauf der Reaktionszeit wird das Formteil dem Werkzeug entnommen. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit Finish-Oberfläche, die je nach Formbeschaffenheit hochglänzend bis matt und glatt bis strukturiert sein kann.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß durch ein Verbundbauteil gelöst, welches durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wird. Das Verbundbauteil wird aus PUR-Schichten hergestellt, die eine Dicke von kleiner 1 mm, bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweisen. Weiterhin stellt das Verbundbauteil einen Schichtverbund mit mindestens 3 Schichten, bevorzugt mindestens 4 Schichten, besonders bevorzugt mindestens 5 Schichten dar und die Gesamtdicke des Schichtverbundes beträgt 0,8 mm, bevorzugt 0,7 mm, besonders bevorzugt 0,6 mm multipliziert mit der Anzahl der Schichten.
Zudem sind die PUR-Schichten des Verbundbauteils chemisch aneinander gebunden. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Schichten fest aneinander haften und eine Delamination der einzelnen Schichten vermieden wird.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der PUR-Schichten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils mit Fasern verstärkt sind.
Die dafür verwendeten Fasern in dem aus PUR-Schichten hergestellten Verbundbauteil weisen eine Länge von kleiner 10 mm, bevorzugt kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,2 mm und eine Dicke von kleiner 30 µm, bevorzugt kleiner 20 µm.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Faseranteil zwischen 5 Vol% und 20 Vol% des Volumen der jeweiligen mit Fasern verstärkten PUR-Schicht liegt.
Ebenfalls ist es in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung vorgesehen, dass das Verbundbauteil aus PUR-Schichten eine Lackschicht aufweist.
In der vorliegenden Erfindung werden zur Abscheidung der Schichten bevorzugt PUR-Kunststoffe aus zwei Komponenten Polyol und Isocyanat bei Bedarf mit Aktivatoren verwenden, denen kurzfaserige Glasfasern beigemengt sind, insbesondere Mikrofasern mit weniger als 500 µm Länge und weniger als 30 µm Durchmesser.
Für das Nass-in-Gel-Verfahren bzw. die „Nass-in-Gel-Technologie“ ist insbesondere der genauere Zeitablauf von besonderer Bedeutung, um mehrlagige, gleichmäßig dünne PUR-Formteile herstellen zu können.
So wird in eine einflächig polierte Form Schicht für Schicht das flüssig angemischte PUR-Material gesprüht. Darauffolgend wird eine bestimmte Aktivierungszeit tA abgewartet und anschließen eine entsprechende Gelzeit tG. Im Gelzustand folgt dann die aktivierte nächste Schicht. Für jede Schicht können Bearbeitungsfenster von 1 bis 15 Minuten eingestellt werden, wobei lange Bearbeitungsfenster erforderlich sind, wenn das Bauteil komplex zu besprühen ist und viele Umlagerungen erfordern.
Das heißt, entscheidend ist vor allem hier, dass bei Beginn der Sprühzeit tS der Gelzustand der zuletzt aufgesprühten PUR-Schicht durch die entsprechend eingestellte Temperatur und Zugabe von Aktivatoren erreicht ist.
Folglich kann nur die „Nass-in-Gel-Technologie“ mit mehreren dünnen Teilschichten erreichen, dass werkzeugseitig eine erstklassige lackierfähige Oberfläche entsteht und dass gleichzeitig sprühseitig noch der anbindefähige Gelzustand herrscht.
Gewöhnlich erfolgt die Aktivierung des sprühbaren Materials nach dem Anmischen der zwei Hauptkomponenten mit der Zeitkonstante tA. Diese wird durch Temperatur der noch nicht aushärtenden Materialmischung und Zugabe von Aktivator eingestellt. Bei der Aktivierung wird eine exotherme Reaktion in Gang gesetzt und sich in der steigenden Temperatur widerspiegelt.
Die Gelierung tritt nach einer bestimmen Zeit tG ein. Diese Zeit kann durch die erhöhte Menge eines Aktivators und durch eine entsprechende erhöhte Temperatur verkürzt werden. Damit kann man den gesamten Gelierungsprozess genau steuern.
Weiter bedeutet Gelierung in dem o.g. Prozess auch ein Ansteigen des Schermoduls im Material und auch ein Ansteigen der Viskosität, aber es entsteht noch keine Hautbildung. Resultierend daraus ist ein Anbinden einer Folgeschicht an die Gelschicht nahtlos möglich.
Gleichzeitig muss aber vor dem Ausbringen einer weiteren Schicht beachtet werden, dass die Temperatur der Materialschicht wieder in Höhe der Werkzeugtemperatur, bevorzugt 60 Grad +/– 10 Grad liegt, da ansonsten das Material der Folgeschicht an heißen Stellen zu schnell aushärtet.
Wird die Folgeschicht nun aufgesprüht, so geht das Material den direkten chemischen Kontakt mit der darunter liegenden Schicht ein. Gleichzeitig sind die tieferen Schichten bereits über den Gelzustand hinaus ausgehärtet. Insbesondere ist die tiefste PUR-Schicht am weitesten ausgehärtet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der weiteren Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar. Ausführungsbeispiele eines Verbundbauteils nach der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 Schematische Darstellung einer mehrachsigen Maschine und ein darauf befestigtes Werkzeug bzw. Form, welches mit mehreren Schichten besprüht wurde.
2 Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Formteils.
3 Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Formteils mit faserverstärkten Schichten.
4 Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Formteils mit einer IMC-Grundierung und zwei verschiedenen Faserlängen.
5 Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Formteils mit einer IMC-Grundierung, einer Schaumfüllung sowie ultrakurzen Fasern.
6a, 6b Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Formteils aus einer schlagzähen und plastisch dehnbaren 2K-PUR-Mischung.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1, die über einen Dreh-/Neigetisch verfahrbar ist und ein darauf befestigtes Werkzeug bzw. Form 3, welches mit Hilfe eines Sprühkopfes 4 schichtweise Material L1–L5 auftragen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Form 3 über den Dreh-/Neigetisch 2 mehrachsig verfahrbar. Die Vorrichtung 1 wird beispielsweise benutzt, um mit Hilfe des Multilayer-Short-Fiber-Spray-Verfahrens dünne, flexible Leichtbauteile aus PUR mit glatter Oberfläche zu erzeugen. Diese finden z.B. als Teile für Verkleidungen von KFZ und Maschinen Verwendung.
In einem ersten Arbeitsschritt wird eine spiegelglatt polierte Form 3 bereitgestellt und auf eine Werkzeugtemperatur von 55 bis 65 Grad vorgeheizt. Das Werkzeug 3 wird dann mit einem IMC Lack (Schicht L0) beschichtet (vgl. 1). Die Schichtdicke beträgt hierbei 60 bis 160 µm.
Mit einer mehrachsig verfahrbaren Vorrichtung 1 wird ein Sprühkopf 4 über das Werkzeug 3 bewegt und aus zwei Düsen 5 wird eine gleichmäßig dünne erste PUR-Schicht L1 auf das Werkzeug 3 gesprüht. Durch einen mehrachsigen Dreh- und Neigetisch 2 wird dabei das Werkzeug 3 so gestellt, dass die besprühte Fläche bevorzugt waagrecht steht mit Neigungen unter 20 Grad.
Nach einer kurzen Anhärtezeit von ca. 60 bis 180 Sekunden bildet sich bei ca. 60 Grad Werkzeugtemperatur nach geeigneter Mischung der zwei Komponenten des PUR-Harzes eine leicht klebrige Oberflächenschicht.
Nun wird der zweite Arbeitsgang ausgeführt, bevorzugt mit dem gleichen 2K-PUR-Material. Erneut wird eine gleichmäßig dünne Schicht L2 aufgesprüht, erneut so dass die Fläche dabei in etwa waagrecht steht. Nun aber werden Bereiche etwas ausgedünnt, also schneller oder weniger besprüht, in denen sich das PUR-Harz sammeln würde. Auf diese Weise wird letztlich eine Bildung zu dicker Schichten vermieden. Optional kann während des Sprühvorgangs eine Dickenmessung vorgenommen werden, z.B. durch einen 3D Oberflächen Scanner. Schicht für Schicht L1–L5 wird jeweils ca. 0,50 bis 0,70mm PUR aufgetragen, ohne dass das noch flüssige PUR in Vertiefungen zusammen läuft. Überraschend wurde festgestellt, dass auf diese Weise sich die bisherigen Additionen der Dickenabweichungen egalisieren.
Der Schnitt durch ein fünflagiges PUR-Formteil 6 zeigt (vgl. 2) unter geeigneter Beleuchtung im Mikroskop das IMC-Coating L0 und dann die fünf fast gleich dicken Schichten L1–L5 aus PUR-Harz. Die Schichten L1–L5 sind dabei lokal betrachtet etwas wellig oder rauh. Bei der Aushärtung steigt die Temperatur der Formteile 6 zunehmend an. In einer Weiterbildung der Erfindung wird daher zum Ausgleich der steigenden Temperatur die Wartezeit zwischen den abfolgenden Schichten L1–L5 erhöht. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Form 3 von Schichtauftrag zu Schichtauftrag verringert.
Die abfolgenden Schichten L1–L5 grenzen sich wegen der Ausbildung der leichten Oberflächenhaut nachweisbar ab. Bisher konnten auf eine Gesamtdicke von ca. 3 mm nur zwei bis drei Lagen gesprüht werden, was zu Dickenschwankungen von bis zu +–2mm führte. Mit der erfindungsgemäßen Multilayer-Sprühtechnik können bis zu 7 oder mehr Schichten aufgebracht werden. Bei 5 Schichten L1–L5 beträgt die Dicke gesamt z.B. 2,5 mm an den dünnsten stellen und bis 4,0 mm an den dicksten Stellen.
Das auf diese Weise hergestellte Formteil 6 ist – gemessen an früheren PUR-Formteilen bei gleicher Stabilität um bis zu 50% leichter. Zudem ist die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung und gegen Zerstörung auf bis zu 200% und mehr gesteigert, infolge der gleichmäßigen Wandstärken.
3 verdeutlicht einen weiteren besonders bevorzugten Ausführungsfall eines mehrschichtigen Formteils 6. Hierbei wird mindestens einer der beiden PUR-Komponenten eine feinfaserige Füllung beigemischt. Ganz besonders bevorzugt werden mikroskopisch feine, ultrakurze Fasern mit einer Faserlänge von 100 bis 500 µm und einem Durchmesser von 5 bis 30 µm verwendet. Diese feinen Fasern können durch den Sprühkopf 4 hindurch versprüht werden, nach vorhergehender Mischung mit der zweiten PUR-Komponente.
Um nicht nur reines 2K-PUR sondern auch fasergefülltes oder partikelgefülltes PUR versprühen zu können, sind mehrere Vorlagebehälter für die zweite Komponente 7.2, 7.3 etc. vorhanden. In der bevorzugten Ausführung enthält der dritte Vorlagebehälter 7.3 ein Gemisch aus der zweiten Komponente und ultrakurzen Fasern während der zweite Vorlagebehälter 7.2 nur die zweite Komponente enthält. Der erste Vorlagebehälter enthält die erste Komponente. In der Düse 5 werden dann die erste Komponente und wahlweise die zweite Komponente aus dem zweiten Vorlagebehälter 7.2 oder das Gemisch aus zweiter Komponente und Fasern aus dem dritten Vorlagebehälter 7.3 gemischt.
In 4 ist eine weitere Variante eines mehrschichtigen Formteils 16 dargestellt, welches für besondere Anwendungen mit erhöhter Anforderung an Festigkeit und Steifigkeit seine Anwendung findet. Auch hier wird die Schichtabfolge Lage für Lage gesprüht. Dabei wird nun gezielt das PUR-Harz in seinen mechanischen Eigenschaften von Lage zu Lage verändert. Dadurch ergibt sich ein fein geschichteter mehrlagiger Aufbau, wobei die gesamte Dicke der Schichten L0, L11, L12, L13, L14, L15 vorzugsweise unter 5 mm verbleibt, besonders bevorzugt 2 bis 4,5 mm.
Die unterste Schicht besteht bevorzugt aus einem IMC-Grundierlack L0. Dieser bildet später die Grundierung für die nachfolgende Lackierung des PUR-Multilayer-Schichtformteils. Die erste PUR-Schicht L11 wird bevorzugt mit einem PUR-Harz gesprüht, das mit ultrakurzen Fasern gefüllt ist. Der Füllgrad, der Faseranteil also, wird bevorzugt auf 5 % bis 20 % eingestellt. Die ultrakurzen Fasern ergeben keine den Lack störende Struktur, erhöhen aber die Zugfestigkeit und Druckfestigkeit der Schicht L11. Die folgenden zwei Schichten L12 und L13 werden bevorzugt mit einem PUR-Harz gesprüht, das mit längeren Fasern gefüllt ist. Die Faserlänge beträgt mehr als 2 mm Faserlänge. Dazu kann das 2K-Harz intern mit Fasern vorgemischt sein oder es werden Fasern hinzugeblasen. Die danach folgenden Schichten L14 und L15 werden mit PUR-Harz gesprüht, das mit ultrakurzen Fasern gefüllt ist. Dadurch gleichen sich die Unebenheiten aus, die beim Sprühen mit Faserlänge von mehr als 2 mm entstehen. Dadurch kann Masse eingespart und eine bessere rückseitige Oberfläche erreicht werden. Die so hergestellten Formteile 16 haben weitaus höhere mechanische Steifigkeit als die Multilayer-Formteile 6 aus ungefülltem PUR.
Des Weiteren wird für Leichtbauanwendungen, wie dies 5 verdeutlicht, besonders bevorzugt mit schaumgefüllten oder Schaum erzeugenden Sprühschichten L23, L24 gearbeitet. Dazu werden statt Fasermischungen entweder aktivierbare Schaumpartikel oder aktivierbare Schaumbildner zur zweiten Komponente zugegeben. Nach dem Sprühen entsteht eine Schaumschicht L23, L24, bevorzugt mit etwas größerer Dicke.
In einer besonders bevorzugten Anordnung wird zunächst eine IMC-Grundierung L0 in die Form gesprüht. Dann folgen zwei Schichten mit ultrakurzen Fasern L21 und L22. Danach werden zwei Schichten mit Schaumfüllung aufgebracht L23 und L24. Schließlich werden weitere zwei Schichten gefüllt mit ultrakurzen Fasern aufgebracht L25 und L26.
Die schaumgefüllte Multilayer Struktur erreicht sehr hohe Biegefestigkeiten, sehr geringes Gewicht und sehr gute Isolationswerte. Die Summe der sechs Schichten mit zusätzlicher IMC-Grundierung L0 (100 µm) liegt in der Dicke bevorzugt zwischen 5 und 9 mm.
Wie in 6a und 6b weiter dargestellt wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines mehrschichtigen Formteils, die mit Hilfe der Multilayer-PUR-Spray-Technologie hergestellt wurde, eine partikelverstärkte Schicht eingebracht, die beispielsweise als schusssichere Verkleidung Anwendung finden kann. Zur Anwendung kommt hier eine besonders schlagzähe und plastisch dehnbare 2K-PUR-Mischung. Die erste Sprüh-Schicht L31 besteht aus ungefülltem schlagzähem und hochflexiblem PUR-Harz. Dann folgt eine zweite Schicht L32 aus partikelgefülltem, sehr nachgiebigem und verformbarem PUR-Harz. Die dritte Schicht L33 ist ein schlagzähes PUR-Harz z.B. dasselbe wie die erste Schicht L31. Anschließend wird eine vierte Schicht L34 aus mit ultrakurzer Faser verstärktem PUR-Harz aufgebracht. Abgedeckt wird die Schichtfolge durch ein mit ultrakurzer Faser verstärktes oder ein mit Karbonfaser verstärktes PUR-Harz L35. Diese spezielle Schichtfolge eignet sich besonders, um Projektile 8 deformierend und energieverzehrend abzufangen, ohne sie durch die Schichtstruktur hindurch zu lassen. Anwendungsbereiche sind Personenschutz, Fahrzeugschutz, Gebäudeschutz etc. (6b).
Bezugszeichenliste

1: Maschine
2: Dreh-/Neigetisch
3: Form
4: Sprühkopf
5: Düse
6: PUR-Formteil
16: PUR-Formteil mit einer faserverstärkten Schicht
26: PUR-Formteil mit einer Schaumschicht
36: PUR-Formteil mit einer partikelverstärkten Schicht
7.1, 7.2, 7.3: Vorlagebehälter
8: Projektil
L0: Lackschicht; Grundierung
L1, L2, L3, L4, L5, L31, L33: PUR-Schicht
L11, L14, L15, L21, L22, L25, L26, L34, L35: mit kurzen Fasern verstärkte PUR-Schicht
L12, L13: mit langen Fasern verstärkte PUR-Schicht
L23, L24: Schaumschicht
L32: mit Partikeln verstärkte PUR-Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10003965 A1 [0002]
DE 102007051129 A1 [0003]
DE 102009018131 A1 [0004, 0005]
EP 303305 B1 [0006, 0008]
EP 389014 B1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Aufsprühen einer ersten PUR-Schicht (L1, L11, L21, L31) in eine Form, wobei die erste Schicht (L1) eine Dicke von kleiner 1 mm bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweist, b) Abkühlen der aufgebrachten ersten PUR-Schicht (L1), c) Aufsprühen einer weiteren PUR-Schicht (L2, L12, L22, L32) auf die zuvor aufgesprühte PUR-Schicht (L1, L11, L21, L31), wobei die weitere Schicht (L2, L12, L22, L32) eine Dicke von kleiner 1 mm, bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweist, und d) Wiederholen der Schritte b) und c) bis ein Schichtverbund (6, 16, 26, 36) mit mindestens 3 Schichten, bevorzugt 4 Schichten, besonders bevorzugt 5 Schichten (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke des Schichtverbundes (6, 16, 26, 36) 0,8 mm, bevorzugt 0,7 mm, besonders bevorzugt 0,6 mm multipliziert mit der Anzahl der Schichten ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlprozess solange durchgeführt wird, bis sich an der Oberfläche der aufgebrachten Schicht (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) ein Gel gebildet hat.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufsprühen der weiteren PUR-Schicht die zuvor aufgesprühte Schicht an der Oberfläche in einem gelartigen Zustand ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PUR-Schichten (L11, L14, L15, L21, L22, L25, L26, L34, L35, L12, L13) zumindest teilweise mit Fasern verstärkt sind.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der ersten PUR-Schicht (L11, L21) kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,25 mm sind.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Fasern in den PUR-Schichten (L11, L14, L15, L21, L22, L25, L26, L34, L35, L12, L13) teilweise kleiner als 1 mm und teilweise größer als 1mm sind.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Verbundbauteils (6, 16, 26, 36) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufsprühen der ersten PUR-Schicht (L1, L11, L21, L31) eine Lackschicht und/oder Grundierungsschicht (L0) in die Form (3) eingebracht wird.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die PUR-Schichten (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) eine Dicke von kleiner 1 mm, bevorzugt von kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt von kleiner 0,3 mm aufweisen, das Verbundbauteil (6, 16, 26, 36) ein Schichtverbund mit mindestens 3 Schichten bevorzugt 4 Schichten besonders bevorzugt 5 Schichten (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) darstellt und die Gesamtdicke des Schichtverbundes (6, 16, 26, 36) 0,8 mm, bevorzugt 0,7 mm, besonders bevorzugt 0,6 mm multipliziert mit der Anzahl der Schichten (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) beträgt.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die PUR-Schichten (L1–Ln, L11–L1n, L21–L2n, L31–L3n) chemisch aneinander gebunden sind.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der PUR-Schichten (L11, L14, L15, L21, L22, L25, L26, L34, L35, L12, L13) mit Fasern verstärkt sind.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von kleiner 10 mm, bevorzugt kleiner 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,2 mm und eine Dicke von kleiner 30 µm, bevorzugt kleiner 20 µm aufweisen.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüchen 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil zwischen 5 Vol% und 20 Vol% des Volumen der jeweiligen mit Fasern verstärkten PUR-Schicht (L11, L14, L15, L21, L22, L25, L26, L34, L35, L12, L13) liegt.
Verbundbauteil aus PUR-Schichten (6, 16, 26, 36) hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüchen 9 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil (6, 16, 26, 36) eine Lackschicht und oder Grundierungsschicht (L0) aufweist.