DE10229962B4

DE10229962B4 - Verfahren zur Anbringung einer Verschwächung auf einem Kunststoffformteil

Info

Publication number: DE10229962B4
Application number: DE2002129962
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Brockmann
Original assignee: Peguform GmbH
Current assignee: SMP Deutschland GmbH
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: DE10229962A1

Abstract

Verfahren zur Anbringung einer Verschwächung auf einem Kunststoffformteil, wobei die Verschwächung auf einer Oberflächenseite des Kunststoffformteils unsichtbar ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellung eines Kunststoffformteils welches eine Trägerschicht (1), eine Schaumschicht (2) und eine Dekorschicht (3) enthält, wobei das Kunststoffformteil in einem folgenden Schritt in einer Verschwächung ausgestattet ist, welche die Trägerschicht, die Schaumschicht und einen Teil der Dekorschicht durch eine Serie von Bohrungen (4) oder Nuten (7) durchtrennt, gekennzeichnet dadurch, dass die Verschwächung nach Abschluss der Herstellung der Bohrungen (4) oder Nuten (7) einer die Elastizität der Randschichten (8) erhöhenden Wärmebehandlung unterzogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anbringung einer Verschwächung auf einem Kunststoffformteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Derartige, meist großflächige Formteile werden beispielsweise im Fahrzeuginnenraum verwendet und können Verschwächungen aufweisen, die eine Sicherheitseinrichtung verbergen. Im Fahrzeugbereich handelt es sich dabei beispielsweise um Airbagkonstruktionen, die für die Insassen unsichtbar an verschiedenen Stellen im Fahrzeug angebracht werden können. Um eine Aktivierung dieser Sicherheitseinrichtungen trotz der vorhanden Verkleidung zu gewährleisten, muss gewährleistet sein, dass das Verkleidungsmaterial dem Auslösen der Sicherheitseinrichtung keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Aus diesem Grund werden an solchen Formteilen Reißnähte angebracht. Sollen solche Reißnähte für die Insassen unsichtbar bleiben, muss die Verschwächung auf der dem Betrachter abgewandten Seite aufgebracht werden. Bisher trat bei derartigen Lösungen oft das Problem auf, dass die Verschwächung zwar unmittelbar nach ihrer Herstellung sich auf der Dekorseite nicht abgezeichnet hat, wohl aber nach einiger Zeit sich abzuzeichnen begann Dieser Zeitraum kann in Monaten oder Jahren des Einsatzes bemessen sein.
In der DE 199 52 497 A1 wird eine Wärmebehandlung für eine Sollbruchstelle beschrieben, um so Aufreißlinien oder Aufreißabschnitte auf einfache Weise auszubilden. In dem Dokument DE 199 41 427 A1 wird eine Wärmebehandlung bei einer Verpackungsfolie beschrieben, die vor dem Einbrennen der Sollbruchstelle erfolgt. Auch durch derartige Behandlungen wird das Problem nicht gelöst, dass sich die Verschwächung nach einem längeren Zeitraum auf der Dekoroberseite abzeichnet.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Formteil so herzustellen, dass es im Bereich einer unsichtbaren Verschwächung keine Veränderungen während der Alterung durchläuft. Wenn derartige Veränderungen, bedingt durch Temperatur-, Licht oder Feuchtigkeitseinwirkung bei Verwendung bestimmter Materialkombinationen dennoch auftreten sollten, sollte die Verschwächungszone durch eine einmalige Behandlung während des Herstellungsprozess derselben, nachbehandelt werden. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung nach Durchführung des Prozessschrittes, welcher der Erzeugung der Verschwächung des Formteils entlang einer vorbestimmten geometrischen Linien- oder Kurvenführung bestimmt.
Das Formteil besteht aus mindestens einer Schicht, vorzugsweise aus einem Kunststoff, mit einer Schichtdicke, die in zumindest einem Bereich vermindert ist, wobei der Bereich verminderter Schichtdicke im Vergleich zu den Bereichen größerer Schichtdicke nur einen geringen Oberflächenanteil des Formteils ausmacht. Der Bereich verminderter Schichtdicke weist zumindest annähernd dieselbe Oberflächenbeschaffenheit und dasselbe Krümmungsverhalten wie der Bereich größerer Schichtdicke auf, sodass der Übergang von jedem Bereich größerer Schichtdicke zu einem benachbarten Bereich geringerer Schichtdicke auf der Seite des Formteils, welche eine einheitliche Oberflächenbeschaffenheit und ein einheitliches Krümmungsverhalten aufweist, unsichtbar bleibt. Der Übergang von jedem Bereich größerer Schichtdicke zu einem benachbarten Bereich geringerer Schichtdicke auf der gegenüberliegenden Seite des Formteils mit einer uneinheitlichen Oberflächenbeschaffenheit, bleibt im wesentlichen erhalten, weil sich das Krümmungsverhalten der Schichtoberfläche, bedingt durch die relativ abrupten Übergänge von größerer zu kleinerer Schichtdicke oder umgekehrt, wesentlich stärker ändert als auf der Seite des Formteils mit einer einheitlichen Oberflächenbeschaffenheit und einem einheitlichen Krümmungsverhalten. Im Übergangsbereich von jedem Bereich größerer Schichtdicke zu einem benachbarten Bereich geringerer Schichtdicke existiert ein oberflächennaher Bereich, dessen Molekülstruktur einen anderen Vernetzungsgrad aufweist als angrenzende Bereiche. Die Molekülstruktur kann im Umfeld der Verschwächung kompakte thermoplastische Bereiche mit verminderten elastische Eigenschaften aufweisen. Die elastischen Eigenschaften der Molekülstruktur entstehen durch mindestens einen Erwärmungszyklus. Jeder Erwärmungszyklus führt zu einer Wärmedehnung der Molekülketten im Wandbereich der Verschwächung. Nach jedem Erwärmungszyklus kommt es zu einer Kontraktion der Molekülketten im Wandbereich der Verschwächung. Diese Erwärmungszyklen führen somit zu einer erhöhten Elastizität des Wandbereichs der Verschwächung während der Erwärmung. Durch die Elastizität des Wandbereichs werden Spannungen in der den Verschwächungsbereich abdeckenden Folie ausgeglichen. Durch die Spannung der Folie wird ein erhöhter Druck auf die Molekülketten im Umgebungsbereich der Verschwächungen ausgeübt. Dadurch erfolgt eine Neupositionierung der Molekülketten, um diese Spannungen abzubauen. Durch die daraus resultierende temporäre Elastizität des Wandbereichs wird das Schwindungsverhalten der Folie somit nicht mehr behindert. Im nachfolgenden Abkühlungsschritt kann dann diese Position der Molekülketten „eingefroren" werden. Die Verschwächungen selbst werden beispielsweise durch die Einwirkung von Laserstrahlung hergestellt, aber auch Schneidvorgänge oder Fräsvorgänge wären denkbar. Dabei kann eine solche Verschwächung entlang einer Bauteillänge kontinuierlich vorgesehen wurden oder aus einzelnen Bohrungen mit unterschiedlicher Tiefe oder unterschiedlichen Abständen voneinander bestehen. Wenn es sich um einzelne Bohrungen handelt, haben dieselben vorzugsweise röhrenartige Gestalt.
Die Erfindung lässt sich vorteilhafterweise für Verschwächungen verwenden, die an der sichtbaren Oberfläche eines Formteils nicht erkennbar sein sollen. Im Fahrzeugbau fallen darunter alle Verschwächungen im Fahrzeuginnenraum, die zur Auslösung von Sicherheitseinrichtungen, wie beispielsweise Airbags dienen.
1 stellt ein mehrschichtiges, unverschwächtes Formteil im Schnitt dar.
2 stellt ein mehrschichtiges Formteil im Schnitt dar, welches Verschwächungen aufweist und die Veränderung dieser Verschwächungen beim Alterungsprozess nach dem Stand der Technik angedeutet werden.
3a bis 3d stellen verschiedene Ausführungsformen für ein mehrschichtiges Formteil dar, welches Verschwächungen aufweist, die auch während des Alterungsprozesses unsichtbar bleiben.
4 stellt die Randschicht bei verschiedenen Ausführungsformen dieser Verschwächungen in einem mehrschichtigen Bauteil dar.
1 stellt ein mehrschichtiges, unverschwächtes Formteil im Schnitt dar. Die Schicht 1 stellt die sichtbare Oberfläche des Formteils dar und wird meist als Dekorschicht bezeichnet. Schicht 2 ist eine Schaumschicht, deren Hauptzweck darin besteht, die Haptik des Formteils zu verbessern. Schicht 3 ist schließlich eine Trägerschicht. Wenn auf die Oberflächengüte des Teils oder auf die Haptik kein Wert gelegt wird, kann auch auf die Schichten 1 und 2 ganz oder teilweise verzichtet werden. 2 stellt ein mehrschichtiges Formteil im Schnitt dar, welches Verschwächungen aufweist und die Veränderung dieser Verschwächungen beim Alterungsprozess nach dem Stand der Technik. Als Beispiel sind hier zylinderförmige Bohrungen 4 vorgesehen, die das Formteil punktweise verschwächen. In diesem Beispiel durchstoßen die Bohrungen sowohl die Trägerschicht 1 sowie auch die Schaumschicht 2 und verschwächen die Dekorschicht 3. Angedeutet wurden ferner mögliche Alterungseffekte, nämlich der Ausbildung von Beulen 5 oder Vertiefungen 6. Die Formteile können mit einem an sich beliebigen Verfahren verschwächt werden. Fräsen, Schneiden, Laserverfahren können dabei zum Einsatz kommen, um nur eine Auswahl zu treffen.
Für das Laserverfahren kann ein CO2 Laser, ein Nd:YAG Laser, Argon Laser, Dioden Laser, Excimer Laser oder Feststofflaser (argon gas, diode, excimer, solid state) zum Einsatz kommen.
Mögliche Materialkombinationen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf: ein Trägermaterial, bestehend aus einem Polyolefin, vorzugsweise aus Polypropylen, Polyethylen, einer Zwischenschicht bestehend beispielsweise aus geschäumten Polypropylen, Polyurethan, Polystyrol. Die Haut oder Folie besteht aus einem thermoplastischen Polyolefin (TPO), einem Copolymer bestehend aus elastomeren und thermoplastischen Anteilen, wie beispielsweise, Acrylnitrilbutadienstyrol-Copolymer oder Polystyrol-Polyvinylchlorid Copolymer. In einem anderen Ausführung kann die Folie auch aus einem versinterten, in seinem Ausgangszustand pulverförmigen Polymermaterial bestehen. Derartige Folien werden im sogenannten Slushverfahren hergestellt und dann in einem folgenden Verfahrensschritt hinterschäumt, verpresst oder verklebt. Die Erfindung kann in gleicher Weise auf Sprühhäute oder Gießhäute Anwendung finden.
Natürlich können auch einschichtige, beschichtete oder lackierte Formteile zum Einsatz kommen. Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf kann für jedes beliebige Formteil zum Einsatz kommen, welches einem Alterungsprozess unterworfen wird und während des Alterungsprozesses durch die unterschiedliche Dicke von Formteil und Restquerschnitt der Verschwächung Spannungen unterworfen wird.
Diese Spannungen können temperaturbedingt oder druckbedingt zu einem Ausbeulen oder einem Absacken des Querschnitts führen, sodass entweder eine Beule oder eine lokale Vertiefung entsteht.
Um der Bildung von Beulen oder Vertiefungen entgegenzutreten, wird nach der Herstellung der Verschwächung eine Wärmebehandlung vorgenommen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Infrarot (IR) Strahler verwendet, um eine lokale Warmbehandlung im Bereich der Verschwächung vorzunehmen.
Eine andere Möglichkeit besteht im Einsatz von hochfrequenter Strahlung zur Erwärmung des Formteils. Eine solche Erwärmung findet beispielsweise beim Hochfrequenzschweißen seinen Einsatz. Eine häufig verwendete Kennzahl für die HF-Schweißbarkeit eines Kunststoffes ist der dielektrische Verlustfaktor tan(delta).
Wenn der dielektrische Verlustfaktor tan(delta) größer al 0,1 ist, kann der Kunststoff einfach durch hochfrequente Strahlung erwärmt werden. Bei dielektrischen Verlustfaktoren zwischen 0,1 und 0,01 ist die Erwärmung noch möglich, darunter ausgeschlossen, außer unter der Verwendung von Zusätzen, die wiederum zur Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors führen. Prinzipiell können die Kunststoffe Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PU), Ethylenvinylacetat (EVAC), Polyamid (PA) Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF, Polyvinylfluorid (PVF) mittels eines Verfahrens, welches einer HF-Schweißung entspricht, erwärmt werden. Durch den Eintrag der hoch-frequenten Strahlung werden die Molekülketten durch ihre polaren Eigenschaften zu Schwingungen angeregt, die zu Energieeintrag und damit zur Erwärmung führen. Weitere Hf-schweißbare und somit nach dieser Verfahrensvariante aufheizbare Kunststoffe sind thermoplastische Elastomere (TPA, TPS), Acrylnitril/Butadien/Styrol (ABS) Polymethylmethaacrylat (PMMA), Ethylen/Propylen-Dien (EPDM), Celluloseacetat (CA), Cellulosecetobutyrat (CAB), Cellulosepropionat (CP) oder Kunststoffe, welche die vorhergehend genannten Materialien in einem bestimmten Prozentsatz enthalten.
3a stellt ein mehrschichtiges Formteil dar, welches Verschwächungen aufweist, die auch während des Alterungsprozesses unsichtbar bleiben. In dieser Ausführung sind die Verschwächungen als Serie von Bohrungen 4 dargestellt. Alternativ dazu kann die Verschwächung als Nut 7 ausgeführt sein, wie in 3b dargestellt. In 3c werden die Bohrungen in unterschiedlicher Höhe vorgesehen. Diese Variante kann sinnvoll sein, wenn nur zum Anriss eine vollständige Verschwächung erforderlich ist, der Riss aber selbständig fortschreitet, sobald in einem Punkt oder einer Serie von Punkten die der Reißfestigkeit entsprechende Spannung der Verschwächung überschritten wird. Alternativ dazu kann der Abstand der Bohrungen unterschiedlich gewählt werden, wie in 3d dargestellt.
4 stellt die Veränderung der die Bohrungen umgebenden Randschicht 8 für die verschiedenen Ausführungsformen dieser Verschwächungen in einem mehrschichtigen Bauteil dar. Durch die Wärmebehandlung wird die Elastizität dieser Randschicht 8 erhöht. In einer bevorzugten Ausführung wird nun mittels eines IR Strahlerfeldes oder anderer Wärmequelle Wärme in den betroffenen Bereich eingebracht um so die Bohrungen, welche sich im Schaum durch die Einwirkung des Laserstrahls gebildet haben, anzuschmelzen. Durch die Erwärmung kommt es zu einer lokalen Wärmedehnung und durch die darauf folgende Abkühlung zu einer Kontraktion des Wandbereichs der „Röhren". Diese Röhren sind durch den vorherigen Bearbeitungsgang während des Laserverfahrens höher vernetzt als in den Bereichen des Formteils, die nicht verschwächt wurden. Diese Vernetzung wird durch die Temperatureinwirkung während Aufbohrens durch den Laser oder des Reibungsenergieeintrags im Fall einer Fräsbearbeitung oder Schnittbearbeitung erzeugt. Die Polymerketten werden durch den lokalen Wärmeeintrag während des Auftreffens des Laserstrahls beweglicher, weil einerseits das Folien, Schaum – oder Trägermaterial anschmelzen und andererseits durch die Temperaturerhöhung chemische Bindungen der Polymerketten untereinander aufgebaut werden, die zu der beschriebenen höheren Vernetzung im Randbereich führen. Wenn der Bearbeitungsschritt des Verschwächens abgeschlossen ist, wird daher in dem besagten Randschicht 8 eine Erhöhung der Steifigkeit eintreten. Genau diese Steifigkeit aber erlaubt es der Dekorschicht oder Folie 3 nicht, die durch Schwindung während des Alterungsprozesses bedingten Bewegungen durchzuführen. Um eine ausreichende Elastizität der Randschichten 8 wiederzugewinnen, wird nach der Lehre der Erfindung vorgeschlagen, diese Randschichten einer Erwärmung, vorzugsweise mit dem beschriebenen IR – Strahler zu unterwerfen. Idealerweise schließt sich dieser Erwärmungsvorgang direkt an den Laserbearbeitungsschritt an, sodass man diesen IR-Bestrahlungsvorgang in der gleichen Anlage durchführen kann und sich die Zykluszeit nur um die Heizzeit verlängert.
Tests, bei denen Teile nach einer Lagerzeit von ca. 4–6 Wochen mit einer sichtbaren Markierung in der oben beschriebenen Weise behandelt wurden, verliefen positiv. Die Markierung war nach drei ca. 2 s langen Heizzyklen nicht mehr sichtbar.
Der Verfahrensablauf stellt sich wie folgt dar: Das Formteil wird auf der Aufnahme der Laseranlage fixiert, der Laserprozess wird durchgeführt und im Anschluss wird das Formteil vor das IR-Strahlerfeld bewegt. Dann beginnt ein vorzugsweise gepulster Heizvorgang. Dieser Heizvorgang kann durch mehrmalige Abkühlung unterbrochen und wieder aufgenommen werden. Die Dauer und Frequenz der Heizimpulse wird so gewählt, dass die Erwärmung kontrolliert abläuft. Das Verfahren eignet sich gegenüber einem kontinuierlichen Wärmeeintrag insbesondere für Materialkombinationen, bei welchen es durch einen kontinuierlichen Wärmeeintrag zu einem zu starken Aufheizen der Randschichten kommt.
Abhängig von der verwendeten Materialkombination könnte auch ein kontinuierlicher Wärmeeintrag vorteilhaft sein, wenn das Material eine kurzfristige, aber kontinuierliche Erwärmung erlaubt.

1: Trägerschicht
2: Schaumschicht
3: Dekorschicht
4: Bohrung
5: Beule
6: Vertiefung
7: Nut
8: Randschicht

Claims

Verfahren zur Anbringung einer Verschwächung auf einem Kunststoffformteil, wobei die Verschwächung auf einer Oberflächenseite des Kunststoffformteils unsichtbar ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellung eines Kunststoffformteils welches eine Trägerschicht (1), eine Schaumschicht (2) und eine Dekorschicht (3) enthält, wobei das Kunststoffformteil in einem folgenden Schritt in einer Verschwächung ausgestattet ist, welche die Trägerschicht, die Schaumschicht und einen Teil der Dekorschicht durch eine Serie von Bohrungen (4) oder Nuten (7) durchtrennt, gekennzeichnet dadurch, dass die Verschwächung nach Abschluss der Herstellung der Bohrungen (4) oder Nuten (7) einer die Elastizität der Randschichten (8) erhöhenden Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmebehandlung durch Infrarotstrahlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmebehandlung mittels hochfrequenter Strahlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der dielektrische Verlustfaktor die Kunststoffe der Trägerschicht (1) und der Schaumschicht (2) größer als 0,1 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der dielektrische Verlustfaktor die Kunststoffe der Trägerschicht (1) und der Schaumschicht (2) zwischen 0,01 und 0,2 liegt.
Verfahren nach Ansprüchen 1, 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Kunststoffe der Trägerschicht (1), der Schaumschicht (2) und der Dekorschicht (3) Polyolefine, wie insbesondere Polypropylen, Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PU), Ehtylenvinylacetat (EVAC), Polyamid (PA), Polyethylenterephtalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) enthalten.
Verfahren nach Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Trägerschicht (1) und die Schaumschicht (2) Zusatzstoffe enthalten, welche den dielektrischen Verlustfaktor erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Kunststoffe der Trägerschicht (1), der Schaumschicht (2) und der Dekorschicht (3) thermoplastische Elastomere (TPA, TPS), Acrylnitril/Butadien/Styrol (ABS), Polymethylmethaacrylat (PMMA), Ethylen/Propylen-Dien (EPDM), Celluloseacetat (CA), Cellulosecetobutyrat (CAB), Cellulosepropionat (CP) enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Erwärmungszyklen vorgesehen sind.