DE102017217187B4

DE102017217187B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Bauteils sowie Formwerkzeug

Info

Publication number: DE102017217187B4
Application number: DE102017217187.1A
Authority: DE
Inventors: Marcus Meding; Jörg Mohr; Benedikt Nohn; Fabian Kurzidim
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: DE102017217187A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines zumindest zweischichtigen Kunststoff-Bauteils (1), bestehend aus einem Trägerteil (3), insbesondere aus einer Hartkomponente, mit einer Kontaktfläche (7), an der das Trägerteil (3) in Haftverbindung mit einem Kunststoff-Verbindungspartner (5) ist, insbesondere einer Kunststoffschicht aus einer Weichkomponente, in welchem Verfahren in einem ersten Prozessschritt ein Kunststoff (11) in flüssiger Form in eine Werkzeugkavität (13) eines Formwerkzeugs (15) eingebracht wird, deren Formflächen (17, 19) eine Negativform des Trägerteils (3) bilden, und in einem zweiten Prozessschritt das im ersten Prozessschritt gebildete Trägerteil (3) an seiner Kontaktfläche (7) mit dem Kunststoffmaterial (24) des Verbindungspartners (5) in Haftverbindung gebracht wird, wobei zur Steigerung der Haftverbindung eine der Kontaktfläche (7) des Trägerteils (3) zugewandte Formfläche (19) des Formwerkzeugs (15) eine Narbstruktur (21) aufweist, die im ersten Prozessschritt unter Bildung einer Verkrallungsnarbe (9) in die Kontaktfläche (7) des Trägerteils (3) abgeformt wird, und wobei im zweiten Prozessschritt die Trägerteil-Kontaktfläche (7) mit ihrer Verkrallungsnarbe (9) in Haftverbindung mit dem Kunststoffmaterial (24) des Verbindungspartners (5) gebracht wird, wobei die in der Formfläche (19) des Formwerkzeugs (15) gebildete Narbstruktur (21) eine Vielzahl voneinander beabstandeter Vertiefungen (27) aufweist, die um eine Narbtiefe (Δt) von der Formfläche (19) zurückgesetzt sind, wobei die Vertiefungen (27) der Narbstruktur (21) regelmäßig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßig angeordneten Vertiefungen (27) sowie die zwischengeordneten Materialvorsprünge (29) ein Schachbrettmuster auf der Formfläche (19) des Formwerkzeuges (15) bilden, und dass bei dem Schachbrettmuster sowohl die Böden (31) der Vertiefungen (27) als auch die Oberseiten der Materialvorsprünge (29) gleich große quadratische Flächen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest zweischichtigen Kunststoff-Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Formwerkzeug nach dem Anspruch 9.
Die Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs ist in gängiger Praxis mehrschichtig aufgebaut, und zwar aus einer zum Beispiel im Kunststoff-Spritzgießverfahren hergestellten Trägerschicht aus einer Kunststoff-Hartkomponente, einer Schaumschicht und gegebenenfalls einer sichtseitigen Slushhaut. Dadurch wird eine in optischer sowie haptischer Hinsicht hochwertige Instrumententafel-Oberfläche erzielt.
Zur Herstellung der obigen Instrumententafel wird in einem Verfahren zunächst in einem Spritzgießschritt eine Kunststoffschmelze in eine Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeugs eingespritzt, deren Formflächen eine Negativform des herzustellenden Trägerteils bilden. Nach der Entnahme des Trägerteils aus dem Spritzgießwerkzeug erfolgt ein Schäumungsvorgang, bei dem das Trägerteil in die Werkzeugkavität eines Schäumwerkzeuges eingelegt wird und anschließend eine flüssige Ausgangskomponente des Schaummaterials (das heißt eine reaktionsfähige Masse, zum Beispiel Isocyanat und Polyol) in die Werkzeugkavität des Schäumwerkzeugs eingebracht wird. Die flüssige Ausgangskomponente schäumt unter Druck und/oder Wärme oder alternativ durch eine chemische Reaktion auf und geht so in einen festen Zustand über.
Im obigen Stand der Technik wird die Trägerteil-Kontaktfläche, die in Haftverbindung mit der Schaumschicht zu bringen ist, einem Vorbehandlungsschritt unterzogen, der dem Schäumungsvorgang vorgelagert ist. In dem Vorbehandlungsschritt erfolgt eine Oberflächenbehandlung, in der die Trägerteil-Kontaktfläche zum Beispiel beflämmt wird. Auf diese Weise erhält die Trägerteil-Kontaktfläche eine Oberflächenstruktur, mit der im nachgeschalteten Schäumungsvorgang eine gesteigerte Haftverbindung zwischen dem Trägerteil und der Kunststoffschicht erzielbar ist.
Der obige Vorbehandlungsschritt ist für jedes hergestellte Trägerteil durchzuführen, wodurch sich eine insgesamt zeitaufwendige sowie prozesstechnisch aufwendige Prozessabfolge bei der Herstellung der Instrumententafel ergibt.
Aus der DE 10 2008 004 303 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Kunststoffformhaut bekannt. Aus der DE 10 2006 006 924 A1 ist eine Trägerfolie mit Antennenstruktur mit Aussparungen und/oder Einbuchtungen und/oder Markierung bekannt. Aus der DE 10 2006 033 059 A1 ist ein Kunststoff-Innenraumteil für ein Kraftfahrzeug bekannt.
Aus der EP 2 899 088 A1 ist ein Spritzgießverfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit Oberflächenstrukturierung im Kontaktbereich der Schichten zur Verbesserung der Haftung bekannt. Aus der DE 100 14 156 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteils bekannt. Aus der DE 195 46 685 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffspritzgußbauteils bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest zweischichtigen Kunststoff-Bauteils, zum Beispiel einer Instrumententafel, sowie ein hierfür verwendetes Formwerkzeug bereitzustellen, mit dem die Prozessabfolge bei der Bauteil-Herstellung vereinfacht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass der aus dem Stand der Technik bekannte Vorbehandlungsschritt als separater Prozessschritt bei der Herstellung jedes einzelnen Bauteils durchzuführen ist. In Abkehr davon wird erfindungsgemäß die Haftverbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kunststoff-Verbindungspartner dadurch gesteigert, dass in eine, der Kontaktfläche des Trägerteils zugewandte Formfläche des Formwerkzeugs einmalig eine Narbstruktur eingebracht wird. Die Narbstruktur in der Formfläche des Formwerkzeuges wird im ersten Prozessschritt (zum Beispiel Spritzgießvorgang) unter Bildung einer Verkrallungsnarbe in die Kontaktfläche des Trägerteils abgeformt. Im anschließenden zweiten Prozessschritt (zum Beispiel Schäumungsvorgang) wird die Trägerteil-Kontaktfläche mit ihrer Verkrallungsnarbe in Formschlussverbindung mit dem Kunststoffmaterial des Verbindungspartners gebracht. Speziell bei der Herstellung einer Instrumententafel kann der Kunststoff-Verbindungspartner eine Schaumschicht sein.
Auf diese Weise kann der im Stand der Technik erforderliche Vorbehandlungsschritt entfallen. Anstelle dessen erfolgt erfindungsgemäß eine einmalige Behandlung der Formfläche des Formwerkzeuges mittels gezielter Oberflächenbearbeitung, und zwar insbesondere mit Hilfe von Laserablation, bei der unter punktuellem, stoßweisem Energieeintrag ein Abtrag des Werkstoffes (Stahl) des Formwerkzeuges erfolgt, und zwar unter Bildung der Narbstruktur.
Im Hinblick auf eine optimale Steigerung der Haftverbindung ist die Geometrie der Narbstruktur von entscheidender Bedeutung. Vor diesem Hintergrund weist die in der Formfläche des Formwerkzeugs gebildete Narbstruktur eine Vielzahl voneinander beabstandeter Vertiefungen auf, die regelmäßig in der Formfläche eingebracht sind. Die Vertiefungen sind um eine Narbtiefe von der Formfläche zurückgesetzt, wobei bevorzugt sämtliche Vertiefungen der Narbstruktur eine identische Narbtiefe aufweisen. Dies gilt, sofern die Narbstruktur unverzerrt ist. Bei Verzerrungen auf 3D-Konturen können sich dagegen Abweichungen ergeben.
Die Vertiefungen der Narbstruktur sind über vordefinierte Abstände voneinander beabstandet, und zwar unter Zwischenordnung von noppenartigen Materialvorsprüngen, wodurch zwischen dem Trägerteil und der Kunststoffschicht nicht nur eine Stoffschlussverbindung , sondern auch eine Formschlussverbindung wirkt. Jede der Vertiefungen kann einen um die Narbtiefe von der Formfläche zurückgesetzten Boden aufweisen, von dem Seitenflanken insbesondere rechtwinklig und/oder hinterschneidungsfrei hochgezogen sind. Diese gehen an oberen Formkanten rechtwinklig in Oberseiten von Materialvorsprüngen über. Bevorzugt sind die Oberseiten der Materialvorsprünge sowie die Böden der Vertiefungen im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet.
Die regelmäßig angeordneten Vertiefungen sowie die zwischengeordneten Materialvorsprünge bilden ein Schachbrettmuster auf der Formfläche des Formwerkzeuges. Bei dem Schachbrettmuster weisen sowohl die Böden der Vertiefungen als auch die Oberseiten der Materialvorsprünge gleich große quadratische Flächen auf. Dies gilt, sofern die Narbstruktur unverzerrt ist. Bei Verzerrungen auf 3D-Konturen können sich dagegen Abweichungen ergeben.
Die aneinandergrenzenden Vertiefungen können in dem Schachbrettmuster bevorzugt über Materialstege voneinander getrennt sein, die jeweils rechtwinklig von den Vertiefungs-Böden hochgezogen sind. Die Materialstege verbinden somit die Eckbereiche aneinandergrenzender Materialvorsprünge.
Im Hinblick auf eine weitere Steigerung der Verkrallungsfunktion kann jeder der Materialvorsprünge nicht nur quaderförmig, sondern bevorzugt würfelförmig ausgebildet sein. Bei einer solchen Würfelform ist die Narbtiefe identisch mit der Kantenlänge der, die Oberseiten der Materialvorsprünge begrenzenden Formkanten. Dies gilt, sofern die Narbstruktur unverzerrt ist. Bei Verzerrungen auf 3D-Konturen können sich dagegen Abweichungen ergeben. Bevorzugt liegt die Narbtiefe der im Formwerkzeug integrierten Narbstruktur in einem Bereich von 300 µm bis 400 µm, insbesondere in einem Bereich zwischen 340 µm und 370 µm, besonders bevorzugt bei 360 µm.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Teilschnittdarstellung der Materialaufbau einer Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs;
2 und 3 jeweils Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Instrumententafel veranschaulichen; sowie
4 und 5 jeweils eine in eine Formfläche des Formwerkzeuges aus der 2 eingearbeitete Narbstruktur.

In der 1 ist ein Materialaufbau einer Instrumententafel 1 dargestellt. Demzufolge ist die Instrumententafel 1 zweischichtig aufgebaut mit einem Trägerteil 3 aus einer Kunststoff-Hartkomponente und einer sichtseitigen Schaumschicht 5 aus einer Kunststoff-Weichkomponente. In der 1 ist eine Trägerteil-Kontaktfläche 7, die in Haftverbindung mit der Kunststoffschicht 5 ist, nicht glattflächig, sondern vielmehr mit einer Verkrallungsnarbe 9 ausgebildet. Entsprechend erfolgt in der 1 die Haftverbindung zwischen dem Trägerteil 3 und der Kunststoffschicht 5 nicht nur durch eine Stoffschlussverbindung, sondern auch durch eine Formschlussverbindung, die mittels der Verkrallungsnarbe 9 des Trägerteils 3 bewirkt wird.
Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Instrumententafel 1 beschrieben: Demzufolge wird zunächst in einem Spritzgießvorgang eine Kunststoffschmelze 11 in eine Werkzeugkavität 13 eines Spritzgießwerkzeuges 15 eingespritzt. Die Werkzeugkavität 13 ist durch Formflächen 17, 19 begrenzt, die eine Negativform des herzustellenden Trägerteils 3 nachbilden. Die in der 2 gezeigte untere Formfläche 19 ist im Spritzgießprozess der Trägerteil-Kontaktfläche 7 zugewandt. Wie in der 2 gezeigt, ist die untere Formfläche 19 nicht glattflächig ausgebildet, sondern vielmehr mit einer Narbstruktur 21 versehen, die später anhand der 4 und 5 beschrieben ist. Die in der unteren Formfläche 19 ausgebildete Narbstruktur 21 wird im Spritzgießvorgang in die Trägerteil-Kontaktfläche 7 abgeformt, und zwar unter Bildung der oben erwähnten Verkrallungsnarbe 9.
Anschließend wird das Trägerteil 3 aus dem Spritzgießwerkzeug 15 entnommen und in die Werkzeugkavität 23 eines Schäumwerkzeuges 25 (3) eingelegt. Im Schäumprozess wird zunächst eine flüssige Ausgangskomponente 24 auf die Kontaktfläche 7 des Trägerteils 3 aufgebracht. Anschließend erfolgt unter Druck und Wärme ein Aufschäumprozess, bei dem aus der Ausgangskomponente 24 die Schaumschicht 5 gebildet wird.
Wie aus den 4 und 5 hervorgeht, weist die in der Formfläche 19 gebildete Narbstruktur 21 ein regelmäßiges Schachbrettmuster auf, das aus voneinander beabstandeten Vertiefungen 27 mit zwischengeordneten Materialvorsprüngen 29 aufgebaut ist. Jede der Vertiefungen 27 weist eine um eine Narbtiefe Δt von der Formfläche 19 zurückgesetzten Boden 31 auf, von dem Seitenflanken 33 rechtwinklig sowie hinterschneidungsfrei hochgezogen sind. Die Seitenflanken 33 gehen an oberen Formkanten 35 (5) rechtwinklig sowie hinterschneidungsfrei in flächige Oberseiten 37 der Materialvorsprünge 29 über. Wie der 4 entnehmbar ist, liegen die Oberseiten 37 der Materialvorsprünge 29 allesamt in einer gemeinsamen Ebene, die planparallel zu den Böden 31 der Vertiefungen 27 ausgerichtet ist.
In dem Schachbrettmuster weisen sowohl die Böden 31 der Vertiefungen 27 als auch die Oberseiten 37 der Materialvorsprünge 29 jeweils identische quadratische Flächen auf. Aneinandergrenzende Vertiefungen 27 sind über Materialstege 39 (5) voneinander getrennt, die rechtwinklig von den Vertiefungs-Böden 31 hochgezogen sind und aneinandergrenzende Materialvorsprünge 29 an ihren Eckbereichen miteinander geschlossenflächig verbinden.
Die Materialvorsprünge 29 sind in den 4 und 5 jeweils in einer Würfelform ausgeführt, bei der Narbtiefe Δt identisch mit einer Kantenlänge I (5) der Formkanten 35 ist, die die Materialvorsprung-Oberseiten 37 begrenzen.
Die in den 4 und 5 gezeigte Narbstruktur 21 wird bevorzugt mittels einer Laserablation erzeugt, bei der unter punktuellem, stoßweisem Energieeintrag ein Abtrag des Werkstoffes des Spritzgießwerkzeugs 15 erfolgt, und zwar unter Bildung der jeweiligen Vertiefungen 27 der Narbstruktur 21. In einem vorangeschalteten Datenprozess wird die Position der abzutragenden Bereiche auf dem Spritzgießwerkzeug 15 festgelegt.
Die Narbe weist im unverzerrten Zustand eine Schachbrettstruktur auf. Im verzerrten Zustand, der bei gewölbten Formflächen unvermeidlich ist, kommt es zu deformierten Vertiefungen/Materialvorsprüngen.
In den 4 und 5 sind jeweils Idealformen der Narbstruktur 21 mit scharfen Kantenübergängen gezeigt. In einer technischen Realisierung können dagegen die Kantenübergänge an den Vertiefungen/Materialvorsprüngen abgerundet sein. Solche Abrundungen resultieren gegebenenfalls aus dem Laserprozess.
Die in den 4 und 5 gezeigte Narbstruktur 21 ist bewusst ohne Hinterschnitte ausgeführt, da das Trägerteil 3 aus der Narbstruktur 21 des Spritzgießwerkzeugs 15 entformt werden können muss. Die von der Narbstruktur 21 bereitgestellte Haftwirkung resultiert einerseits aus einer Verdreifachung der Oberfläche und andererseits daraus, dass die durch die Narbstruktur 21 eingebrachten Flächen 33 orthogonal zur Oberfläche (das heißt Formfläche) stehen und somit eine Haftung begünstigen. Ausschließlich eine Abziehbewegung orthogonal zur Oberfläche könnte - sofern jegliche Deformation ausgeklammert wird - zum Ablösen der aufgebrachten Schaumschicht 5 führen. Flächen mit einer Anstellung, zum Beispiel eine Pyramide würden dagegen einen größeren Abziehwinkel und damit geringe Haftung erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Instrumententafel
3: Trägerteil
5: Kunststoffschicht
7: Kontaktfläche
9: Verkrallungsnarbe
11: Kunststoffschmelze
13: Werkzeugkavität
15: Spritzgießwerkzeug
17, 19: Formflächen
21: Narbstruktur
23: Werkzeugkavität
24: Ausgangskomponente
25: Schäumwerkzeug
27: Vertiefungen
29: Materialvorsprünge
31: Boden
33: Seitenflanken
35: Formkanten
37: Materialvorsprung-Oberseiten
39: Materialstege
Δt: Narbtiefe
I: Kantenlänge

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zumindest zweischichtigen Kunststoff-Bauteils (1), bestehend aus einem Trägerteil (3), insbesondere aus einer Hartkomponente, mit einer Kontaktfläche (7), an der das Trägerteil (3) in Haftverbindung mit einem Kunststoff-Verbindungspartner (5) ist, insbesondere einer Kunststoffschicht aus einer Weichkomponente, in welchem Verfahren in einem ersten Prozessschritt ein Kunststoff (11) in flüssiger Form in eine Werkzeugkavität (13) eines Formwerkzeugs (15) eingebracht wird, deren Formflächen (17, 19) eine Negativform des Trägerteils (3) bilden, und in einem zweiten Prozessschritt das im ersten Prozessschritt gebildete Trägerteil (3) an seiner Kontaktfläche (7) mit dem Kunststoffmaterial (24) des Verbindungspartners (5) in Haftverbindung gebracht wird, wobei zur Steigerung der Haftverbindung eine der Kontaktfläche (7) des Trägerteils (3) zugewandte Formfläche (19) des Formwerkzeugs (15) eine Narbstruktur (21) aufweist, die im ersten Prozessschritt unter Bildung einer Verkrallungsnarbe (9) in die Kontaktfläche (7) des Trägerteils (3) abgeformt wird, und wobei im zweiten Prozessschritt die Trägerteil-Kontaktfläche (7) mit ihrer Verkrallungsnarbe (9) in Haftverbindung mit dem Kunststoffmaterial (24) des Verbindungspartners (5) gebracht wird, wobei die in der Formfläche (19) des Formwerkzeugs (15) gebildete Narbstruktur (21) eine Vielzahl voneinander beabstandeter Vertiefungen (27) aufweist, die um eine Narbtiefe (Δt) von der Formfläche (19) zurückgesetzt sind, wobei die Vertiefungen (27) der Narbstruktur (21) regelmäßig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßig angeordneten Vertiefungen (27) sowie die zwischengeordneten Materialvorsprünge (29) ein Schachbrettmuster auf der Formfläche (19) des Formwerkzeuges (15) bilden, und dass bei dem Schachbrettmuster sowohl die Böden (31) der Vertiefungen (27) als auch die Oberseiten der Materialvorsprünge (29) gleich große quadratische Flächen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Vertiefungen (27) eine identische Narbtiefe (Δt) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (27) unter Bildung zwischengeordneter Materialvorsprünge (29) voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vertiefungen (27) einen, um die Narbtiefe (Δt) von der Formfläche (19) zurückgesetzten Boden (31) aufweist, von dem Seitenflanken (33), insbesondere rechtwinklig und/oder hinterschneidungsfrei, hochgezogen sind, die an Formkanten (35) rechtwinklig in Oberseiten (37) von Materialvorsprüngen (29) übergehen, und dass insbesondere die Oberseiten (37) der Materialvorsprünge (29) und die Böden (31) der Vertiefungen (27) im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aneinandergrenzende Vertiefungen (27) über Materialstege (39) voneinander getrennt sind, die rechtwinklig von den Vertiefungs-Böden (31) hochgezogen sind, und dass die Materialstege (39) aneinandergrenzende Materialvorsprünge (29) miteinander verbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Materialvorsprünge (29) eine Würfelform aufweist, bei der die Narbtiefe (Δt) identisch mit der Kantenlänge (I) der die Materialvorsprung-Oberseiten (37) begrenzenden Formkanten (35) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einarbeitung der Narbstruktur (21) in die Formfläche (19) des Formwerkzeugs (15) mittels Laserablation erfolgt, bei der unter punktuellem, stoßweisem Energieeintrag ein Abtrag des Werkstoffes des Formwerkzeugs (15) erfolgt, und zwar unter Bildung der jeweiligen Vertiefung (27) der Narbstruktur (21).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Narbtiefe (Δt) in einem Bereich von 300 µm bis 400 µm liegt, insbesondere bei 360 µm.
Formwerkzeug (15) für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.