DE10313495A1 - Kunststoff-Hohlkörper und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Kunststoff-Hohlkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Hierbei werden thermoplastische Kunststoff-Halbzeuge, vorzugsweise extrudierte Halbzeuge aus unvernetzter Polypropylenschaumfolie in einem Arbeitsgang unter Einsatz von porösen Werkzeughälften, an denen jeweils Unterdruck anliegt, zumindest teilweise umgeformt und über Druck und oder Temperatur zu einem Formkörper, der zumindest teilweise Hohlräume enthält, verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft Kunststoff-Hohlkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung wobei zumindest teilweise geschäumte Kunststoff-Halbzeuge, vorzugsweise extrudierte Halbzeuge aus unvernetzter Polypropylenschaumfolie in einem Arbeitsgang unter Einsatz von porösen Werkzeughälften an denen jeweils Unterdruck anliegt umgeformt und über Druck und oder Temperatur zu einem Formkörper der zumindest teilweise Hohlräume enthält verbunden werden.
  • Es ist bekannt, thermoplastische ungeschäumte Polyolefinfolien zu erhitzen und unter Anlegen von Vakuum an einer Formhälfte tiefzuziehen, um die gewünschte Formgebung zu erreichen. Beispielsweise werden Verpackungen für Lebensmittel auf diese Weise hergestellt. Des weiteren ist das Umformen von Schaumstoff-Halbzeugen beispielsweise aus Polystyrol-Schaumstoff für Verpackungsschalen für Lebensmittel durch Erhitzen und anschließendes Umformen in gekühlten massiven Aluminiumwerkzeugen bekannt. Ebenso werden aus Halbzeugen aus vernetztem Polyethylenschaumstoff Produkte wie Isoliermatten durch erhitzen und nachträgliches Verpressen in einer konturgebenden Form hergestellt.
  • Zur Herstellung von Hohlkörpern sind Verfahren wie Blasformen oder bei großen Bauteilen Rotationsformen bekannt. Im Rotationsformen werden thermoplastische Kunststoffpulver oder -granulate in ein beheizbares Werkzeug eingebracht und durch Rotationsbewegung des Werkzeuges, das Pulver gleichmäßig an der Außenhaut verteilt und angeschmolzen. Auf diese Weise werden sowohl massive Hohlkörper wie Tonnen oder Kanister als auch dreidimensional geformte Dekorhäute, vorzugsweise auf Basis von Polyvenylchlorid (PVC) für beispielsweise Instrumententafeln hergestellt. Im Blasformverfahren wird ein Vorformling oder ein Schlauchextrudat mittels einer Blaslanze innerhalb einer Kavität aufgeblasen wird.
  • DE 19618329 beschreibt ein Verfahren zum Tiefziehen thermoplastischer Kunststoffe zur Herstellung von Behältern.
  • In DE 10010900 wird ein kombiniertes Extrusions-Press-Verfahren beschrieben, wobei aus Vorformlingen Halbschalen hergestellt werden die anschließend zu Hohlkörpern verschweißt werden. Das Verfahren eignet sich jedoch in erster Linie für Bauteile mit massiven Wandungen.
  • DE 3512973 beschreibt ein Verfahren, welches die Herstellung von Hohlkörpern aus Schaumstoff über einen Vorformling der aufgeblasen wird. Hierbei sind jedoch nur die Herstellung annähernd symmetrischer Hohlkörper möglich.
  • In DE 4006729 wird ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Hohlkörper beschrieben, welches über die Verbindung zweier Schaumstoff-Halbzeuge und Einbringen eines Fluids zwischen die Halbzeuge und Ausformung in einem Werkzeug zur Herstellung von Hohlkörpern eingesetzt wird. Nachteilig ist hier, die Ausdünnung an den höher verstreckten Bereichen, die schlechte Oberflächenqualität innen und an der zum Werkzeug gerichteten Oberfläche, Restmengen des Fluids, Temperierbedarf des Fluids, sowie eine begrenzte Verformbarkeit der Schaumstofffolien.
  • Verfahren wie Thermoformen/Tiefziehen eignen sich in erster Linie zur Formgebung massiver oder geschäumte Kunststoff-Folien, Hohlkörper werden jedoch bislang nicht damit gefertigt.
  • Zur Herstellung von Hohlkörpern wird Rotationsformen welches relativ lange Zykluszeiten mit sich bringt, und Blasformen welches eine teure Anlagentechnik erfordert eingesetzt.
  • Sonderverfahren oder Verfahrenskombinationen wie das Twin-Sheet-Verfahren oder die in DE 10010900 und DE 10010900 beschriebenen Verfahren sind nur zur Weiterverarbeitung von ungeschäumten Kunststoffplatten zu Hohlkörpern geeignet.
  • Verfahren wie in DE 3512973 und DE 4006729 beschreiben die Herstellung von Schaumstoff-Hohlkörpern, arbeiten jedoch nach ähnlichem Prinzip wie das Blasformen und bringen aufgrund der Prozessführung und Anlagentechnik geometrische Einschränkungen der Hohlkörper mit sich.
  • Allgemein wird bei der Thermoformierung beispielsweise durch Abdrücke der Belüftungslöcher eine mangelhafte Oberflächengüte erzielt. Die nicht an der Formhälfte anliegende Seite zeigt durch Aufschmelzung des Polymers ebenfalls eine rauhe Oberflächenstruktur.
  • Die derzeitig eingesezten vernetzte oder teilvernetzte Polyolefinschaumfolien, sind des weiteren nur eingeschränkt Tiefziehfähig, da ein solches vernetztes Polymer unter Temperatur nicht mehr ausreichend in einen viskosen oder viskoelastischen Zustand überführbar ist und somit keins größeren Tiefziehraten wie bei einme unvernetzten Polymer möglich sind.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen welches über eine einfache Prozessführung und mittels einfacher Anlagentechnik die wirtschaftliche Herstellung von geschäumten Kunststoff-Hohlkörpern niedriger Dichte ermöglicht ohne eine geometrische Reklementierung durch eingeschränkte Tiefziehraten, sowie eine glatte, optische Ansprechende Oberflächengüte und vollständige Recyclierbarkeit.
  • Dies wird dadurch gelöst, dass geschäumten thermoplastische Kunststoff-Halbzeugen vorzugsweise in Form extrudierten Halbzeugen aus unvernetzter Polypropylenschaumfolie in einem Arbeitsgang unter Einsatz von vakuumisierten, porösen Werkzeughälten zu Hohlkörper oder Formkörper die zumindest teilweise Hohlräume enthalten hergestellt werden.
  • Zur Formgebung und Verarbeitung der Halbzeuge werden die Werkzeuge derart gestaltet, dass die Werkzeughälften, deren Form der äußeren Kontur des herzustellenden Produktes entsprechen, aus einem porösen Werkstoff bestehen oder perforiert sind. Zum Einsatz können hierbei poröse Harze, Sintermetalle, Gitterstrukturen, nachträglich perforierte Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze kommen. Über die Poren in den Werkzeughälften werden die umzuformenden Schaumstofffolien über einen Unterdruck zunächst in einer Werkzeughälfte gehalten, wodurch eine Fixierung der Folie und faltenfreie Anpassung an die Werkzeugkontur gewährleistet wird. Das Anpassen an die Werkzeugkontur kann durch Regelung des Unterdrucks erfolgen, der eine Verformung der Schaumstofffolie bewirkt. Eine Variante ist auch der Einsatz eines Gegenhalters, bzw. eines Werkzeugkerns, der zur Umformung über die Folie in die perforierte Werkzeughälfte gedrückt wird. Eine weitere Variante ist die zusätzliche Zufuhr von Wärme zur Unterstützung des Umformprozesses. Eine weitere Variante ist auch der Einsatz vorgeformter Halbzeuge.
  • Während des Umformprozesses oder in einem nachfolgendem Prozessschritt werden die Schaumstofffolien an den Trennebenen der Werkzeughälften miteinander zumindest teilweise stoffschlüssig verschweißt. Dies geschieht über Zusammenführen der Werkzeughälften und Temperierung der Schaumstofffolien an den zu verschweißenden Stellen. Ein wesentliches Merkmal des Prozesses ist die Nutzung der Wärmeenergie zur gleichzeitigen Thermoformierung und Verschweißung der Halbzeuge an ihren Kontaktstellen. Das Schließen der Werkzeughälften bzw. das Zusammenführen der späteren Verbindungsstellen wird zeitlich mit dem Begin der Thermoformierung so gesteuert das eine ideale Thermoformierung bzw. Verstreckung der Halbzeuge ggf. unter Nachführung der Folien ermöglicht wird und gleichwohl die Verbindungsstellen noch eine ausreichende Temperatur zur Verschweißung aufweisen.
  • Die für das Umformen notwendige Erwärmung der tiefzuziehenden/umzuformenden Materialien kann über Heizeinrichtungen wie beispielsweise Infrarot-Strahler außerhalb und/oder innerhalb des Werkzeuges und/oder durch Temperieren der Werkzeugkavität erreicht werden. Ferner kann über die Werkzeugtemperierung die Abbildungsgenauigkeit der Werkzeugoberfläche in der Schaumstofffolie reguliert werden und eine Verhautung/Verdichtung der Folienoberfläche erzeugt werden.
  • Während der Verschweißung wird der Unterdruck zumindest teilweise in den Werkzeughälften aufrecht erhalten. Ferner kann auch über eine Regelung des Druckes im Werkzeug das Material „nachfließen" um Rissen und Wandstärkenänderungen in stark umzuformenden Bereichen vorzubeugen.
  • Eine weitere Variante ist die Einführung einer Lanze in den entstehenden Hohlraum um entweder eine Überdruck im Inneren aufzubauen, um die Ausformung und Oberflächenqualität zur erhöhen, oder eine Unterdruck einzubringen der die Dichte der Schaumfolie durch Zunahme der Wandstärke erniedrigt bzw. die Biegesteifigkeit, erhöht. Insbesondere an den, hochverstreckten Bereichen wird bei einem normalen Thermoformier- oder Tiefziehprozeß die Wandstärke und somit die Biegesteifigkeit geringer. Die geschäumte Struktur ermöglicht mittels Anlegen von Unterdruck an beiden Seiten der erhitzten Schaumfolie, d.h. im Hohlraum und am Werkzeug eine Vergrößerung oder zumindest Rückführung der Wandstärke auf ihre ursprüngliche Größe.
  • Die Oberflächen von zumindest einer der beiden Werkzeughälften können eine Oberflächenstruktur aufweisen, die vorzugsweise in Form einer Narbung oder einer Gitterstruktur bzw. Textilstruktur vorliegt und durch Abformung der Werkzeuge von einem Negativmodell mit entsprechender Oberflächenstruktur oder durch direktes Einbringen der Struktur in die Werkzeugoberfläche mittels gängigen Verfahren wie spanende Verfahren oder Ätzverfahren erzeugt wird.
  • Als umzuformende Halbzeuge werden vorzugsweise extrudierte Halbzeuge aus unvernetzter Polypropylen-Schaumstofffolien eingesetzt. Eine Variante ist auch die Kombination der Schaumstofffolien mit ungeschäumten Folien, Geweben oder anderen Deckschichten.
  • Wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist eine kostengünstige Herstellung von Hohlkörpern oder Formkörpern, die zumindest teilweise Hohlräume enthalten. Es wird ein Verfahren bereit gestellt, welches auch die Herstellung von Hohlkörpern mit geschäumten Wandungen niedriger Dichte ermöglicht. Über die Regelung des Unterdrucks an der Werkzeugwand in Kombination mit der Temperierung der Schaumstofffolien und/oder der Werkzeuge wird eine reproduzierbare Wanddicke der Schaumstoffhohlkörper mit qualitativ hochwertiger Oberflächengüte gegeben.
  • Auf die beschriebene Weise können vorteilhaft extrem leichte und wärmeisoliere Luftführungselemente für die Kraftfahrzeugbranche hergestellt werden. Ebenso können doppelwandige, leichte Speisebehälter mit hochwertiger Oberfläche hergestellt werden.
  • Ausführungsbeispiel:
  • 1: In einer Infrarot-Heizeinrichtung (1a; 2a) werden zwei Polypropylenschaumfolien (1; 2) auf eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C erwärmt.
  • 2: Die Schaumstofffolien (1; 2) werden in ein Umformwerkzeug (5; 6) aus sogenannten Porenharz der Markte Metapor besteht, transferiert und über Anlegen eines Unterdruckes (3; 4) an perforierten oder porösen Werkzeughälften (5; 6) fixiert.
  • 3: Durch Regulierung des Unterdruckes (3, 4) an den beiden ggf. temperierbaren Werkzeughälften (5, 6) wird eine beginnende Umformung der Schaumstofffolien (1; 2) und Anpassung an die Innenkontur der Werkzeughälften (5; 6) erreicht.
  • 4: Während des Schließvorganges der Werkzeughälften (5, 6) wird eine vollständige Umformung der Schaumstofffolien (1; 2) und Anpassung an die Innenkontur der Werkzeughälften (5; 6) erreicht.
  • 5: Durch Schließen der Werkzeughälften (5, 6 und über den Werkzeughub/mech. Druck (7) und gegebenenfalls Wärmezufuhr wird eine Verbindung der Schaumstofffolien (1; 2) an den Trennebenen (8) erreicht. Der Unterdruck an den Werkzeughälften (5, 6) wird zumindest teilweise aufrecht erhalten um einen Verzug der Folien zu vermeiden
  • 6: Die Werkzeughälften (5; 6) werden geöffnet, und das aus den Schaumstofffolien (1; 2) gefertigte Formteil (Hohlkörper) entnommen.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Hohlkörper dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kunststoffhalbzeuge die zumindest Teilweise aus ein- oder mehrlagigen, unvernetzten Polypropylenschaumfolien bestehen über luftdurchlässige Werkzeughälften an denen jeweils Unterdruck anliegt umgeformt werden und über Druck und/oder Temperatur zu einem Formkörper der zumindest teilweise Hohlräume enthält stoffschlüßig verbunden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Werkzeughälften gleichzeitig oder unmittelbar nach Anlegen des Vakuum geschlossen werden
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeug über Spannvorrichtungen gehalten werden die vorzugsweise eine Nachführung des Materials während des Tiefziehprozepes erlauben und/oder die Abdichtung zwischen Halbzeug und Werkzeughälfte gewährleisten.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass unvernetzte Polypropylenschaumfolie mit aufkaschierten oder koextrudierten ungeschäumten Folien eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die unvernetzte Polypropylenschaumfolie zumindest teilweise mit aufkaschierten Dekorschichten, insbesondere Dekorfolien oder textile Schichten verbunden ist.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Einlegeteile oder Dekorschichten bzw. Dekorelemente wie beschriftete Folien während des Thermoformierprozesses angeformt werden.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus zwei Werkzeughälften aufgebaut ist welche einen homogenen porösen oder perforierten Aufbau aufweisen.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem porösen Harz und/oder Metall oder einem Metallgitter oder aus Sintermetall besteht.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugoberfläche eine a. Textilstruktur b. Ledernarbung c. Von einer glatten Oberfläche abweichende Struktur aufweist.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umzuformenden Materialien a. vor dem Umformprozess b. während des Umformprozesses c. über ein temperiertes Werkzeug erwärmt werden.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umzuformenden Materialien über Infrarotstrahlung erwärmt werden.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umzuformenden Materialien auf eine Temperatur von 150–250 °C erwärmt werden.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge temperiert werden
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der über die Werkzeughälften beaufschlagte Unterdruck während des Umformvorganges regulierbar ist.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über eine Lanze ein Überdruck im entstehenden Hohlraum des Produktes erzeugt wird.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über eine Lanze ebenfalls ein Unterdruck im entstehenden Hohlraum des Produktes erzeugt wird.
  17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformten Kunststoffhalbzeuge an den Trennebenen der Werkzeughälften miteinander verbunden werden.
  18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformten Kunststoffhalbzeuge an den Trennebenen der Werkzeughälften unter Einsatz von Druck und/oder Temperatur miteinander verschweißt werden.
  19. Kunststoffhohlkörper hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorhergehenden Ansprüche.
  20. Kunststoffhohlkörper hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass es sich um Isolierbehälter oder Kraftfahrzeugteile wie Luftführungen handelt.
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