DE102020204875A1

DE102020204875A1 - Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers

Info

Publication number: DE102020204875A1
Application number: DE102020204875.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hain; Nina Gerlach; Christian Ohse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers (1) aus thermoplastischen Partikeln (8), die insbesondere über ein gasförmiges Fördermedium, etwa ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (15) injiziert werden, die von Werkzeughälften (19, 21) eines Aufschäum-Werkzeugs (17) begrenzt ist, und in einem Aufschäum-Schritt die Partikel (8) unter Druck und Wärme in der Werkzeugkavität (15) zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt werden. Erfindungsgemäß erfolgt zum Verhauten des Partikelschaum-Formkörpers (1) nach dem Aufschäum-Schritt ein Heizpress-Schritt, bei dem durch Werkzeugverschiebung der in der Werkzeugkavität (15) befindliche Partikelschaum-Formkörper (1) druckbeaufschlagt wird und gleichzeitig zumindest eine Werkzeughälfte (19, 21) beheizt wird, so dass an einer, der beheizten Werkzeughälfte (19, 21) zugewandten Randseite des Partikelschaum-Formkörpers (1) die Schaumstruktur durch Aufschmelzen kollabiert, und zwar unter Bildung einer Vollmaterial-Randschicht (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, einen Partikelschaum-Formkörper nach Anspruch 7 sowie eine Prozessanordnung zur Herstellung eines solchen Partikelschaum-Formkörpers nach Anspruch 8.
Partikelschaum-Bauteile bieten im Hinblick auf Leichtbau sowie Wärme- und Schallisolation ein breites Potential für den Einsatz im Automobilbau, etwa im Wohnmobilbau.
In einem gattungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung des Partikelschaum-Formkörpers industriell im Wesentlichen aus zwei Prozessschritten: In einem ersten Prozessschritt (Vorschäumen) wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt. Anschließend werden die Schaumperlen im zweiten Prozessschritt (Aufschäumen) in die Werkzeugkavität eines Aufschäumwerkzeugs injiziert und darin unter Druck und Wärme zu den Partikelschaum-Formkörper aufgeschäumt. Der für das Vorschäumen und für das Aufschäumen erforderliche Wärmeenergie-Eintrag kann mittels Wasserdampf erfolgen. Beim Vorschäumen bewirkt der Wasserdampf, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. Im Aufschäum-Schritt wird der Wasserdampf in die Werkzeugkavität zwischen die Schaumperlen geleitet, die aufschäumen und miteinander versintern.
Ein derart hergestellter Partikelschaum-Formkörper weist ohne entsprechende Oberflächenveredelung zumeist eine Oberfläche auf, die im Hinblick auf Design-Anforderungen oder im Hinblick auf Abrasions-Beständigkeit mangelhaft ist. Bei einer Oberflächenveredelung kann der Partikelschaum-Formkörper mit einer Vollmaterial-Randschicht (das heißt Formkörper-Haut) versehen werden, die eine geschlossene, homogene Oberfläche bereitstellt, die im Hinblick auf Design-Anforderungen und im Hinblick auf Abrasions-Beständigkeit gesteigert ist.
Im Stand der Technik kann eine solche Vollmaterial-Randschicht (das heißt Formkörper-Haut) prozesstechnisch aufwendig in zwei voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen: Im ersten Prozessschritt wird der Partikelschaum-Formkörper unter Verwendung von Wasserdampf in einem Aufschäum-Werkzeug hergestellt. Im zweiten Prozess-Schritt wird der Partikelschaum-Formkörper in eine Pressmaschine eingelegt und darin unter Druck und Wärme dessen Oberfläche verdichtet. Ferner sind bei der Verwendung von Wasserdampf im Formgebungsprozess sogenannte Dampfdüsen an den Werkzeugoberflächen notwendig. Diese hinterlassen auf dem fertigen Partikelschaum-Formkörper Abdrücke. Durch eine spätere Vernarbung sind die Dampfdüsen auf der Formkörper-Oberfläche zumindest teilweise weiterhin erkennbar.
Aus der WO 2017/109079 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Partikelschaummaterial bekannt. Aus der DE 42 42 939 A1 ist eine Sonnenblende für Fahrzeuge sowie ein Verfahren zur Herstellung der Sonnenblende bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers bereitzustellen, bei dem in fertigungstechnisch einfacher Weise eine im Hinblick auf Design-Anforderungen und/oder Abrasions-Beständigkeit veredelte Formkörper-Oberfläche herstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 7 oder des Anspruches 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgt nach dem Aufschäum-Schritt unmittelbar in der Werkzeugkavität des Aufschäum-Werkzeugs ein Heizpress-Schritt. Im Heizpress-Schritt wird durch eine Werkzeugverschiebung der, in der Werkzeugkavität befindliche Partikelschaum-Formkörper druckbeaufschlagt und gleichzeitig zumindest eine Werkzeughälfte beheizt, so dass eine der beheizten Werkzeughälfte zugewandte Randseite des Partikelschaum-Formkörpers bis auf über die Schmelztemperatur des Partikelschaums erhöht wird. Dadurch schmilzt die Schaumstruktur an der Formkörper-Randseite auf und kollabiert, und zwar unter Bildung einer Vollmaterial-Randschicht, die eine geschlossene, homogene Oberfläche bildet, die Design-Anforderungen sowie Anforderungen an die Abrasions-Beständigkeit erfüllen.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen dampffreien Herstellungsprozess für Partikelschaumformteile. Nach dem Verschweißen der Partikel wird im selben Werkzeug das Verhauten der Oberfläche durchgeführt. Dabei wird mindestens eine Werkzeughälfte nachtemperiert, sodass der Kunststoff in der Randschicht beginnt zu schmelzen und beim Abkühlen eine geschlossene, homogene Oberfläche bildet. Dadurch kann prozesstechnisch einfach ein Verhauten der Formteiloberfläche in dem Aufschäum-Werkzeug erfolgen.
In einer bevorzugten Prozessführung werden die Partikelschaumperlen in die Werkzeugkavität eingefüllt. Nach dem Befüllungsprozess wird durch eine variotherme Temperieranlage das Werkzeug bis auf Verschweißungstemperatur der Partikel aufgeheizt und für einen Moment gehalten. Nach dem Fügeprozess der Partikel wird zum Beispiel die obere Werkzeughälfte (Verhautungsseite) weiter temperiert, sodass die Partikel in der Randschicht zur Werkzeughälfte kollabieren und der Kunstoff schmilzt. Durch Verringerung des Kavitätsvolumens durch eine Werkzeugverschiebung auf die Verhautungsseite wird Druck auf den geschmolzenen Kunststoff aufgebracht, sodass dieser eine geschlossene, homogene Oberfläche bildet. Nach dem Verhauten der Oberfläche wird das Formteil entformt. Dieses Ausführungsbeispiel ist mit einer geringeren Zykluszeit durchführbar und spart somit Energie ein, da ein zweites Aufheizen des Werkzeuges nicht erforderlich ist.
Weitere Ausführungsbeispiele können sich in der Werkzeugtemperierung unterscheiden. Zum Beispiel ist es ebenfalls möglich, das Werkzeug nach dem Fügeprozess der Partikel zunächst wieder abzukühlen. Dies führt zu einem weiteren Aushärten des Partikelschaumbauteils. Im Anschluss daran kann eine der Werkzeughälften (Verhautungsseite) wieder aufgeheizt werden, sodass es zum Schmelzen der Randschicht des Partikelschaumbauteils kommt. Anschließend kann wieder Druck aufgebaut werden und es bildet sich eine geschlossene, homogene Oberfläche. Dies kann gerade bei elastischeren Partikelschäumen von Vorteil sein.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft eine dampffreie Herstellung der Partikelschaumbauteilen. Durch das Verhauten und dem dampffreien Herstellungsprozess lassen sich Oberflächen herstellen, bei denen keine späteren Dampfdüsenabdrücke auf der Bauteiloberfläche ersichtlich sind. Außerdem können geschlossene und glatte Oberflächen erzielt werden.
Die Erfindung ist bevorzugt im Interieur- sowie Exterieurbereich, zum Beispiel Türinnenverkleidung, Stoßfängerbereich, anwendbar, und zwar überall, wo Leichtbauthemen eine wichtige Rolle spielen, etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Schienen- und Schiffsverkehr. Die durch das Verhauten entstandene geschlossene, homogene Bauteiloberfläche ermöglicht Anwendungen im Sichtbereich.
Nachfolgend sind wesentliche Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann zur Durchführung des Heizpress-Schritts und/oder des Aufschäum-Schritts zumindest eine Werkzeughälfte mit Hilfe einer Temperieranlage beheizt werden. Die Beheizung mittels der Temperieranlage erfolgt bevorzugt anstelle eines Wärmeenergie-Eintrags mittels Wasserdampf, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bevorzugt kann die beheizbare Werkzeughälfte Fluid-Kanäle aufweisen, die mit einem Heizmedium durchströmbar sind. Die Fluid-Kanäle können Bestandteil der Temperieranlage sein, mit deren Hilfe eine variotherme Temperierung der Prozesstemperatur im Aufschäum-Schritt und/oder im Heizpress-Schritt ermöglicht.
Zum Prozessstart werden die beiden Werkzeughälften in eine Geschlossenstellung verbracht, so dass ein Füll-Prozessschritt ausführbar ist. Im Füll-Prozessschritt werden die Partikel in die geschlossene Werkzeugkavität injiziert. Anschließend startet der Aufschäum-Prozessschritt. Im Hinblick auf eine prozesstechnisch einwandfreie Oberflächenveredelung ist die folgende Prozessführung von Vorteil: Demnach kann zur Durchführung des sich anschließenden Heizpress-Schritts ein Presshub erfolgen, bei dem die Werkzeughälften unter Reduzierung des Kavitätsvolumens verstellt werden.
Bevorzugt kann der Heizpress-Schritt unterbrechungsfrei, das heißt ohne Abkühlung des im Aufschäum-Schritts hergestellten Partikelschaum-Formkörpers, an den Aufschäum-Schritt anschließen. Alternativ dazu kann nach dem Aufschäum-Schritt ein Aushärte-Schritt erfolgen, bei dem der hergestellte Partikelschaum-Formkörper zunächst abgekühlt wird. Nach dem Aushärte-Schritt kann dann der Heizpress-Schritt durchgeführt werden.
Die thermoplastischen Partikel können in gängiger Praxis als bereits vorgeschäumte Schaumperlen in einem Partikel-Reservoir einer Prozessanordnung vorgehalten sein. Die Schaumperlen werden in einem Vorschäum-Schritt aus zum Beispiel Polysterol vorgeschäumt. Hierzu wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat erwärmt und zu den Schaumperlen vorgeschäumt. Beim Vorschäumen bewirkt der Wärmeeintrag, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. Das Partikel-Reservoir ist über eine Saugleitung mit zumindest einem werkzeugseitigen Injektor verbindbar. In einem Injektions-Schritt (bzw. Füll-Schritt) können die Partikel aus dem Partikel-Reservoir zusammen mit dem gasförmigen Fördermedium (das heißt Luft) in den Injektor gesaugt werden und von dort über eine Injektordüse in die Werkzeugkavität injiziert werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Teilschnittansicht den Materialaufbau eines fertiggestellten Partikelschaum- Formkörpers;
2 eine skizzenhafte Darstellung der Prozessschritte zur Herstellung des in der 1 gezeigten Partikelschaum-Formkörpers;
3 bis 5 jeweils eine Anlageskizze einer Prozessanordnung in unterschiedlichen Betriebszuständen.

In der 1 ist der Materialaufbau eines fertiggestellten Partikelschaum-Formkörpers 1 ausschnittsweise gezeigt. Demzufolge weist der Partikelschaum-Formkörper eine Schaumstruktur 2 mit geschlossenen Poren auf. Die Oberseite des Partikelschaum-Formkörpers 1 ist in der 1 verhautet, und zwar unter Bildung einer Randschicht 3, die im Gegensatz zur geschlossenporigen Schaumstruktur 2 aus Vollmaterial besteht. Die Vollmaterial-Randschicht 3 bildet eine geschlossene, homogene Oberfläche, die Design-Anforderungen sowie Anforderungen bezüglich Abrasions-Beständigkeit erfüllt.
Nachfolgend werden anhand der 2 bis 5 die Prozessschritte zur Herstellung des in der 1 gezeigten Partikelschaum-Formkörpers 1 beschrieben: Die hierfür gezeigte Prozessanordnung weist in der 3 bis 5 ein Partikel-Reservoir 7 auf, in dem bereits vorgeschäumte Schaumperlen 8 vorgehalten sind. Die Schaumperlen 8 werden in einem nicht gezeigten Vorschäum-Prozessschritt hergestellt, bei dem ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zu den Schaumperlen 8 vorgeschäumt wird. An das Partikel-Reservoir 7 ist eine Saugleitung 9 angeschlossen, die in Verbindung mit einem Injektor 11 ist. Dessen Injektordüse 13 mündet in eine Werkzeugkavität 15 eines Aufschäum-Werkzeugs 17. Das Aufschäum-Werkzeug 17 weist zwei Werkzeughälften 19, 21 auf, die die Werkzeugkavität 15 begrenzen. In den beiden Werkzeughälften 19, 21 sind nicht gezeigte Fluid-Kanäle ausgebildet, die Bestandteil einer Temperieranlage 23 sind. Mittels der Temperieranlage 23 wird in den FluidKanälen der Werkzeughälften 19, 21 ein Heizmedium umgewälzt, so dass in einem nachfolgend beschriebenen Aufschäum-Schritt sowie Heizpress-Schritt variotherm temperiert werden kann. Der Wärmeenergie-Eintrag erfolgt somit sowohl im Aufschäum-Schritt als auch im Heizpress-Schritt über die beheizten Werkzeughälften 19, 21.
In einer Prozessabfolge zur Herstellung des Partikelschaum-Formkörpers 1 beschrieben wird das Aufschäum-Werkzeug 17 in eine erste Geschlossenstellung (4) verbracht, in der ein Füll-Schritt erfolgt, bei dem über die Saugleitung 9 ein Partikel-Luft-Strom angesaugt wird und dieser über den Injektor 11 in die Werkzeugkavität 15 injiziert wird. Die zusammen mit den Partikeln 8 in die Werkzeugkavität 15 einströmende Luft kann über nicht gezeigte Tauchkanten oder Entlüftungsbohrungen aus der Werkzeugkavität 15 entweichen.
Nach Abschluss des Füll-Schritts erfolgt der Aufschäum-Schritt, bei dem unter Druck und Wärme die Partikel 8 in der Werkzeugkavität 15 zu dem Partikelschaum-Formkörper 1 aufgeschäumt werden.
Zum Verhauten des Partikelschaum-Formkörpers 1 erfolgt unmittelbar nach dem Aufschäum-Schritt ein Heizpress-Schritt (5). Im Heizpress-Schritt wird ein Presshub Δh (5) durchgeführt, um das Kavitätsvolumen zu reduzieren. Gleichzeitig wird die Werkzeughälfte 21, die der Sichtseite des Partikelschaum-Formkörpers 1 zugewandt ist, mittels der Temperieranlage 23 erwärmt, damit an der, der beheizten Werkzeughälfte 21 zugewandten Randseite des Partikelschaum-Formkörpers 1 die Schaumstruktur 2 durch Aufschmelzen kollabiert, und zwar unter Bildung der Vollmaterial-Randschicht 3. Anschließend wird der verhautete Partikelschaum-Formkörper 1 abgekühlt und aus dem Aufschäum-Werkzeug 17 entnommen.
Bezugszeichenliste

1: Partikelschaum-Formkörper
2: Schaumstruktur
3: Vollmaterial-Randschicht
7: Partikel-Reservoir
8: Partikel
9: Saugleitung
11: Injektor
13: Injektordüse
15: Werkzeugkavität
17: Aufschäumwerkzeug
19, 21: Werkzeughälften
23: Temperieranlage
Δh: Presshub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/109079 A [0006]
DE 4242939 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers (1) aus thermoplastischen Partikeln (8), die insbesondere über ein gasförmiges Fördermedium, etwa ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (15) injiziert werden, die von Werkzeughälften (19, 21) eines Aufschäum-Werkzeugs (17) begrenzt ist, und in einem Aufschäum-Schritt die Partikel (8) unter Druck und Wärme in der Werkzeugkavität (15) zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verhauten des Partikelschaum-Formkörpers (1) nach dem Aufschäum-Schritt ein Heizpress-Schritt erfolgt, bei dem durch Werkzeugverschiebung der in der Werkzeugkavität (15) befindliche Partikelschaum-Formkörper (1) druckbeaufschlagt wird und gleichzeitig zumindest eine Werkzeughälfte (19, 21) beheizt wird, so dass an einer, der beheizten Werkzeughälfte (19, 21) zugewandten Randseite des Partikelschaum-Formkörpers (1) die Schaumstruktur durch Aufschmelzen kollabiert, und zwar unter Bildung einer Vollmaterial-Randschicht (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Werkzeughälfte (19, 21) zur Durchführung des Heizpress-Schritts und/oder des Schäum-Schritts mittels einer Temperieranlage (23) beheizbar ist, und dass insbesondere die Werkzeughälfte (19, 21) Fluid-Kanäle aufweist, die mit einem Heizmedium durchströmbar sind, und dass die Fluid-Kanäle Bestandteil der Temperieranlage (23) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergie-Eintrag im Aufschäum-Schritt und der Heizpress-Schritt dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälften (19, 21) in einem Füll-Prozessschritt sich in einer Geschlossenstellung befinden, und dass die geschlossene Werkzeugkavität (15) mit den Partikeln (8) gefüllt wird, und dass anschließend der Aufschäum-Schritt startet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Heizpress-Schritts nach dem Aufschäum-Schritt ein Presshub (Δh) erfolgt, bei dem die Werkzeughälften (19, 21) unter Reduzierung des Kavitätsvolumens verstellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Heizpress-Schritt unterbrechungsfrei, das heißt ohne Abkühlung des Partikelschaum-Formkörpers (1), an den Aufschäum-Schritt anschließt, oder dass nach dem Aufschäum-Schritt ein Aushärte-Schritt erfolgt, bei dem der Partikelschaum-Formkörper (1) abgekühlt wird, und dass nach dem Aushärte-Schritt der Heizpress-Schritt durchgeführt wird.
Partikelschaum-Formkörper, der in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.