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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 9.
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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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In
DE 101 19 494 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen mit einer Dekorschicht aus Leder und einer damit verbundenen Stützschicht aus einem thermoplastischen Polymer beschrieben. Das Leder wird in ein Formwerkzeug eingelegt und darauf eine ersten Menge der Schmelze des Polymers bei einem ersten Druck aufgebracht. Daraufhin wird das Formwerkzeug geschlossen und das Formteil wird bei einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, fertiggeformt, wobei die an das Leder anliegende Formfläche temperiert wird. 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 A1 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 A1 ,
DE 101 13 273 A1 ).
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Aus der
WO 99/32544 A1 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, insbesondere bei empfindlichen Dekorschichten, aufweist und damit verbundene niedrigere Produktionskosten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Mehrstufenprozess nacheinander als zu hinterspritzender Kunststoff ein weichelastischer Thermoplast, der nach seiner Aushärtung eine elastische Trägerschicht ausbildet, und ein hartelastischer Thermoplast, der nach seiner Aushärtung eine formstabile Trägerschicht ausbildet, verwendet werden.
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Die fließfähige Kunststoffmasse wird 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 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. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in einem Mehrstufenprozess nacheinander ein thermoplastisches Elastomer und einen 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, mindestens eine auf der Nicht-Sichtseite hinterspritzte Kunststoffschicht aufweist, wobei die hinterspritzte Kunststoffschicht eine Kombination einer elastischen Trägerschicht aus einem weichelastischen Thermoplasten und einer formstabilen Trägerschicht aus einem hartelastischem Thermoplasten umfasst.
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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 nicht erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteils und
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3 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteils.
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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. Die schmelzflüssige Kunststoffformmasse wird 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 homogene 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 nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil 28 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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Bezugszeichenliste
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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
