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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein
nach dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil nach Anspruch 11.
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Es
ist bekannt, Verbundbauteile durch Hinterspritzen von Dekorschichten
herzustellen. Die Dekorschicht, die beispielsweise ein Stoffdekor
oder eine Narbfolie ist, weist dabei eine dekorative, im fertigen
Verbundbauteil außen
liegende Sichtseite sowie eine von dieser abgewandten Nicht-Sichtseite auf.
Für das
Hinterspritzen wird die Dekorschicht in einen Formraum eines Spritzgießwerkzeugs
eingelegt und auf ihrer Nicht-Sichtseite mit einer fließfähigen Kunststoffmasse
(Kunststoffschmelze) hinterspritzt. Nach seiner Aushärtung bildet
der Kunststoff eine stabile Trägerschicht,
deren Form durch den Formraum des Spritzgießwerkzeugs bestimmt wird. Üblich ist
auch, die Dekorschicht in Form eines Verbundmaterials zu hinterspritzen,
welches typischerweise aus dem Dekor selbst und einer auf der Nicht-Sichtseite
aufgebrachten Schaumstoffschicht besteht. Dabei kann die Schaumstoffschicht
durch Laminieren oder Hinterschäumen
hergestellt werden. Als zu hinterspritzende Kunststoffe werden üblicherweise
hartelastische, thermoplastische Materialien verwendet.
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Derartige
Verbundbauteile werden beispielsweise für Verkleidungen, etwa für Fahrzeuginnenverkleidungen,
verwendet.
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Problematisch
an dem beschriebenen Hinterspritzverfahren ist das aufgrund der
vielfältigen Randbedingungen
sehr kleine Prozessfenster, innerhalb welcher ein zufriedenstellendes
Fertigungsresultat erhalten wird. Geringste Abweichungen, beispielsweise
hinsichtlich der Prozessparameter oder der eingesetzten Materialien,
führen
schnell zu unzulänglichen
Ergebnissen und damit zu hohen Ausschüssen. Ein typischer Fehler
ist die so genannte Verprägung
des Dekors, bei der eine gewünschte Oberflächenstruktur
des Dekors aufgrund der hohen erforderlichen Drücke und Temperaturen zerstört wird.
Ferner führen
Scherkräfte
der in den Formraum einströmenden
Kunststoffmasse häufig
zu einem Dekorverzug. In noch ungünstigeren Fällen kann sogar eine Durchspritzung
des Dekors mit der Kunststoffmasse auftreten. Optisch unvorteilhaft
sind auch Glanzstellen der Sichtseite, die insbesondere in den Anspritzpunkten
des Werkzeugs aufgrund der hohen Temperaturen der Kunststoffmasse
entstehen. Bei zu hohen Drücken
und Temperaturen kann außerdem ein
Bauteilverzug auftreten. Um diese Nachteile zu vermeiden, werden
möglichst
geringe Einspritzdrücke
angestrebt. Hieraus resultieren jedoch geringe Fließwege der
Kunststoffmasse und lange Prozesszyklen. Die Zyklenzeiten werden
zudem durch die langen Nachdruckzeiten verlängert, während der der Einspritzdruck
nach Ausfüllen
des Formraums durch die Kunststoffmasse aufrechterhalten wird, um
den Bauteilverzug zu minimieren.
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Um
die genannten Probleme beim Hinterspritzen zu überwinden, schlägt die
DE 100 20 993 das Einlegen
einer Kunststoffschutzfolie an der Nicht-Sichtseite des Dekormaterials
zumindest in den Anspritzpunkten des Werkzeugs vor. Die Folie schützt das
Dekormaterial vor der einströmenden Kunststoffvormasse
und schmilzt mit dieser an.
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Auf
der anderen Seite ist für
die Herstellung geschäumter
Kunststoffteile die Gasbeladung des schmelzflüssigen Kunststoffs mit chemischen
oder physikalischen Treibgasen bekannt, die im Formraum expandieren
und so für
eine Aufschäumung des
Kunststoffs sorgen (zum Beispiel
DE
100 14 156 ).
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Aus
der WO 99/32544 ist ein Blasformverfahren bekannt, bei dem der für die herzustellenden blasgeformten
Hohlkörperprodukte
eingesetzte Kunststoff ebenfalls physikalisch geschäumt wird. Bei
dem dort beschriebenen Verfahren wird das Kunststoffgranulat auf
herkömmliche
Weise in einem Schneckenextruder durch Wärmezufuhr und Friktion aufgeschmolzen.
Ebenfalls im Extruder wird das Treibgas, vorzugsweise in einem superkritischen
Zustand, der Kunststoffschmelze zugeführt und mit dieser vermischt,
wobei aufgrund der herrschenden Prozessparameter eine einphasige
Lösung
des Gases in der Schmelze entsteht. Diese homogene Mischung wird
anschließend
unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit in das Werkzeug
eingespritzt. Aufgrund des plötzlichen
Druckabfalls expandiert das Gas beim Einspritzen und bildet sehr
kleine, gut verteilte Bläschen
in der Kunststoffmasse aus. Während der
Abkühlphase
wachsen diese Blasen an und übernehmen
zudem die Funktion des Nachdrucks. Die hierbei entstehenden Schäume werden
aufgrund der geringen mittleren Zellgrößen unterhalb von 100 μm als mikrozelluläre Schäume bezeichnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hinterspritzverfahren
für Dekormaterialien
zur Verfügung
zu stellen, das eine verbesserte Prozesssicherheit aufweist und
damit einen geringeren Produktionsausschuss verursacht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß wird die
fließfähige Kunststoffmasse außerhalb
des Formraums, insbesondere in einem Extruder, der den Kunststoff
aufschmilzt und in das Spritzgießwerkzeug fördert, mit einem Treibgas beladen.
Dabei werden Prozessparameter, wie Druck und/oder Temperatur, derart
gewählt,
dass außerhalb des
Formraums des Werkzeugs eine im Wesentlichen einphasige (homogene)
Lösung
des Treibgases in der Kunststoffmasse entsteht und innerhalb des Formraums
das Treibgas expandiert und dabei winzige, vom Kunststoff eingeschlossene
Bläschen
bildet, das heißt
sich von Kunststoff separiert. Diese Ausgasung des Treibgases bewirkt
eine äußerst gleichmäßige Druckverteilung
innerhalb des Formraums und auf die Dekorschicht. Da ein hoher Anteil
des erforderlichen Einspritzdrucks durch das im Formraum expandierende
Treibgas aufgebracht wird, kann das Verfahren mit einem geringeren
Einspritzdruck sowie einer verkürzten
Nachdruckzeit durchgeführt
werden. Die Gasbeladung sorgt ferner für eine geringere Viskosität der Kunststoffmasse
(Schmelze), was zu einer weiteren Reduzierung des Spritzdrucks und
somit des Werkzeuginnendrucks führt.
Die beim herkömmlichen
Hinterspritzen auftretenden lokalen Druck- und Schereinwirkungen
der einströmenden Kunststoffmasse
auf die Dekorschicht werden auf diese Weise weitgehend vermieden.
Insbesondere werden die beschriebenen derzeitigen Verfahrensmängel wie
Verprägung
der Dekoroberfläche,
Dekorverzug, Durchspritzung und Glanzstellen vermieden oder stark
abgeschwächt.
Der verminderte Werkzeuginnendruck erlaubt zudem eine kleinere Dimensionierung
der gesamten Spitzgießmaschine
und sorgt somit für
eine Kostenersparnis. Insgesamt wird das Prozessfenster beim Hinterspritzen,
das heißt
der anwendbare Parameterbereich, gegenüber herkömmlichen Hinterspritzverfahren
vergrößert. Im
Ergebnis kommt es somit zu einer höheren Prozesssicherheit und
einem geringeren Ausschuss.
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Vorzugsweise
umfassen die wählbaren
Prozessparameter die Größen Druck
und Temperatur. Somit kann das Expandieren des Treibgases innerhalb
des Formraums durch einen schnellen Druck- und/oder Temperaturabfall
hervorgerufen werden. Es ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass
das Treibgas außerhalb
des Formraums eine Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur
sowie einen Druck oberhalb seines kritischen Drucks aufweist, mit anderen
Worten in einem superkritischen Zustand vorliegt. Damit wird ein
thermodynamischer Zustand bezeichnet, bei dem die Unterscheidung
zwischen gasförmigem
und flüssigem
Aggregationszustand willkürlich
ist. Gase im superkritischen Zustand werden auch als SCF (super
critical fluid) bezeichnet. Die kritische Temperatur (Tk)
und der kritische Druck (pk) sind stoffspezifische
Konstanten. Für
die vorliegend vorzugsweise als Treibmittel verwendeten Inertgase Stickstoff
und/oder Kohlendioxid betragen diese Größen Tk = –147 °C und pk = 34 bar für N2 beziehungsweise
Tk = 31 °C
und pk = 74 bar für CO2.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren
die Verwendung unkonventioneller Kunststoffe zum Hinterspritzen
und damit die Erzeugung neuartiger Verbundbauteile erlaubt. So kann
zwar in einer typischen Ausgestaltung der Erfindung als zu hinterspritzender Kunststoff
ein im herkömmlichen
Hinterspritzverfahren üblicher
hartelastischer Thermoplast verwendet werden, der nach seiner Aushärtung eine
formstabile (rigide) Trägerschicht
ausbildet. Demgegenüber
ist es jedoch ebenso möglich,
einen weichelastischen Thermoplasten, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer
(TPE), zu verwenden, der nach seiner Aushärtung eine weiche elastische
Trägerschicht
mit schaumstoffähnlichem
Charakter ausbildet. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, in
einem Mehrstufenprozess nacheinander ein thermoplastisches Elastomer
und ein Thermoplast zu hinterspritzen. Die Materialeigenschaften,
insbesondere Haptik, Weichheit und Elastizität des weichelastischen Thermoplasten,
lassen sich durch Wahl des Beladungsgrades des Kunststoffs mit dem
Treibgas einstellen. Durch die Verwendung eines weichelastischen
Thermoplasten mit hoher Gasbeladung kann eine Kunststoffschicht
mit weicher Haptik in ein und demselben Werkzeug erzeugt werden,
die die in den derzeitig typischen Verbundbauteilen verwendeten
Polyurethanschaumschichten ersetzt. Geeignete hartelastische Thermoplasten
sind etwa HCPP (hochkristallines Polypropylen), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere)
oder PP-T (PP mit Talkumanteilen von 10 bis 30 %) wohingegen als
weichelastische Thermoplasten TPE-E (thermoplastische Elastomere
auf Basis von Copolyestern), TPE-U (TPE auf Basis von Copolyamiden)
oder TPE-A (TPE auf Basis von Copolyestern) eingesetzt werden können. Die
Gasbeladung wird bedingt durch die Wandstärke des Bauteils und abhängig von
der erforderlichen Dimensionsgenauigkeit und der gewünschten
Gewichtsreduktion sowie Haptik bei Weichkomponenten gewählt. Typischerweise
liegt die Gasbeladung zwischen 0,3 und 50 % (Gasanteil bezogen auf
Kunststoffmasse), im Falle von PPT20 beispielsweise bei 0,8 %.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestelltes Verbundbauteil, das eine Dekorschicht mit einer Sichtseite und
einer Nicht-Sichtseite und mindestens eine auf der Nicht-Sichtseite
hinterspritzte Kunststoffschicht aufweist.
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Derartige
Verbundbauteile, insbesondere solche mit der Schichtfolge Dekorschicht,
weichelastische, thermoplastische Kunststoffschicht und hartelastische
Trägerschicht,
können
vorteilhaft als Fahrzeuginnentrimmteil verwendet werden, insbesondere
als Türverkleidung,
ABC-Säule
oder dergleichen.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine Schnittansicht eines
Spritzgießwerkzeugs
in einer frühen
Verfahrensstufe;
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1b eine Schnittansicht des
Spritzgießwerkzeugs
aus 1a in einer späteren Verfahrensstufe;
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2 eine Schnittansicht eines
erfindungsgemäß hergestellten
Verbandbauteils nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und
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3 eine Schnittansicht eines
erfindungsgemäß hergestellten
Verbandbauteils nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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Die 1a und 1b zeigen schematische Schnittansichten
eines Spritzgießwerkzeugs
in verschiedenen Verfahrensstufen. Das Werkzeug wird aus zwei Werkzeughälften, der
Matrize 10 sowie der Patrize 12 gebildet, die
zusammen einen Formraum 14 beliebiger Gestalt ausbilden.
Die Werkzeughälfte 12 weist
eine Einspritzöffnung 16 auf,
durch die eine schmelzflüssige
Kunststoffmasse in den Formraum 14 einspritzbar ist. Je
nach Größe und Komplexität des Formraums 14 können auch
mehrere Einspritzöffnungen 16 vorgesehen
sein. An die Einspritzöffnung 16 angeschlossen
ist ein nicht dargestellter Extruder, typischerweise ein Schneckenextruder,
der mit einem Kunststoffgranulat gefüttert wird, dieses durch Wärmezufuhr
und Friktion aufschmilzt, homogenisiert und dem Formraum 14 des
Werkzeugs 10, 12 zuführt.
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In
dem in 1a dargestellten
Verfahrensschritt ist bereits eine Dekorschicht 18 in den
Formraum 14 des Werkzeugs 10, 12 eingelegt.
Dabei wird die Dekorschicht 18 mit ihrer Sichtseite 20 auf
eine den Formraum 14 begrenzende Oberfläche der Werkzeughälfte 10 eingelegt.
Die Dekorschicht 18 kann etwa eine Kunststofffolie oder
eine synthetische oder natürliche
Textilfaser sein, wobei Kunststofffolien häufig eine lederähnliche
Oberflächenstruktur (Narbfolie)
aufweisen. Denkbar ist ferner die Verwendung einer beispielsweise
mit einer dünnen
Schaumstoffschicht laminierten Dekorschicht 20.
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In
der in 1a dargestellten
Verfahrensstufe strömt
eine schmelzflüssige
Kunststoffmasse 24 durch die Einspritzöffnung 16 in den Formraum 14, der
bereits teilweise von der Kunststoffmasse 24 ausgefüllt ist.
Erfindungsgemäß wird die
schmelzflüssige Kunststoffformmasse
außerhalb
des Formraums 14, insbesondere in dem nicht dargestellten
Extruder, mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff N2 und/oder Kohlendioxid
CO2, beladen. Dabei werden die Prozessparameter,
insbesondere Temperatur und Druck des Gases, derart gewählt, dass
eine homogene, im Wesentlichen einphasige Lösung des Treibgases in der
Kunststoffschmelze 24 entsteht. Dieses lässt sich besonders
vorteilhaft erreichen, wenn sich das Gas in einem superkritischen
Zustand befindet, das heißt eine
Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur und einen Druck
oberhalb seines kritischen Drucks aufweist. In diesem Zustand hat
das Gas den Vorteil einer Kompressibilität, welche der einer Flüssigkeit
gleicht, weshalb das Gas genau dosierbar ist. Ferner weisen superkritische
Gase gute Löslichkeiten
sowie hohe Diffusionsgeschwindigkeiten in Kunststoffschmelze auf,
weswegen es sich sehr gleichmäßig innerhalb
der Kunststoffmasse 24 verteilt. Die Zufuhr des Treibgases
zu der Kunststoffmasse 24 kann beispielsweise über geeignete
Düsen im
vorderen Bereich des Extruders erfolgen.
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Die
Prozessparameter werden weiterhin derart gewählt, dass das Treibgas innerhalb
des Formraums 14 expandiert und sich von der Kunststoffmasse 24 separiert,
wobei es winzige, von der Kunststoffmasse 24 eingeschlossene
Zellen 26 ausbildet. Diese auch als Nukleation bezeichnete
Phasentrennung wird insbesondere durch den abrupten Druckabfall beim
Eintritt in den Formraum 14 erreicht. Die Treibgasexpansion
innerhalb des Formraums 14 bewirkt eine sehr gleichmäßige Druckverteilung,
die sich über
die gesamte Oberfläche
der Dekorschicht 18 verteilt. Die durch die Gasexpansion
gebildeten Zellen 26 sind zur besseren Visualisierung in
allen Figuren wesentlich vergrößert dargestellt.
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1b zeigt eine spätere Verfahrensstufe,
in der der gesamte Formraum 14 mit der gasbeladenen Kunststoffmasse 24 ausgefüllt ist.
Als besonders vorteilhafter Effekt der internen Gasbeladung ergibt
sich die Möglichkeit,
in dieser Phase auf den sonst erforderlichen Nachdruck nach Füllung des
Formraums 14 zu verzichten. Die niedrigere Viskosität der gasbeladenen
Kunststoffschmelze 24 gestattet ferner die Füllung sehr
komplex gestalteter Formräume 14 und geringer
Trägerschichtdicken.
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2 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestelltes Verbundbauteil 28 gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung nach seiner Aushärtung
und Entformung aus dem Spritzgießwerkzeug 10, 12.
Das Verbundbauteil umfasst die Dekorschicht 18 sowie die
hinterspritzte Trägerschicht 24a.
Abhängig
von dem für
den Hinterspritzprozess verwendeten Kunststoff sowie der Höhe der Gasbeladung
kann die Trägerschicht 24a verschiedene
Eigenschaften aufweisen. Wird etwa ein hartelastischer Thermoplast
verwendet, insbesondere mit einer geringen Werkbeladung, so entsteht
ein rigider, formstabiler Träger 24a.
Wird auf der anderen Seite ein weichelastischer Thermoplast, insbesondere
ein thermoplastisches Elastomer, verwendet, so hat die entstehende
Trägerschicht 24a eine weiche
elastische Haptik ähnlich
der von Schaumstoffen.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 28 mit
einem dreischichtigen Aufbau. Dieser umfasst neben der Dekorschicht 18 eine
elastische Trägerschicht 24b,
die insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer mit hoher
Gasbeladung ausgebildet wird, sowie eine hartelastische Trägerschicht 24a,
die aus einem hartelastischen Thermoplasten mit geringerer Gasbeladung
ausgebildet wird. Ein Bauteil 28 dieses Aufbaus eignet
sich hervorragend als Innentrimmteil für Kraftfahrzeuge, beispielsweise
für Türverkleidungen
oder ABC-Säulen,
die derzeit häufig
mit einer Polyurethanschicht (anstelle der hier vorgesehenen TPE-Schicht 24b) ausgestattet
sind, um eine weiche Haptik zu erzeugen.
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- 10
- Werkzeughälfte, Matrize
- 12
- Werkzeughälfte, Patrize
- 14
- Formraum
- 16
- Einspritzöffnung
- 18
- Dekorschicht
- 20
- Sichtseite
- 22
- Nicht-Sichtseite
- 24
- Kunststoffmasse
- 24a
- hartelastische
Trägerschicht
- 24b
- weichelastische
Trägerschicht
- 26
- Treibgaszellen
- 28
- Verbundbauteil