DE19514560C2 - Verfahren zum teilweisen Einschäumen eines Werkstücks sowie zugehöriges Werkzeug und Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum teilweisen Einschäumen eines Werkstücks mit einem Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, der in flüs­ siger Form in das auszuschäumende Volumen, das von der Oberfläche des Werkstücks sowie eines auf ihm in einer oder mehreren geschlossenen Linien anlie­ genden Werkzeugs begrenzt ist, eingebracht wird so­ wie ein Werkzeug und ein Werkstück, die in dem Ver­ fahren Verwendung finden.

Eine einfache und bewährte Methode der Polsterung oder Wärmeisolation von Werkstücken besteht darin, ihre Oberfläche mit einem Kunststoff zu umschäumen, wobei insbesondere Polyurethanschäume eine breite Verwendung finden. Dabei ist es vielfach vorgese­ hen, das Werkstück nur teilweise einzuschäumen, da­ mit es von außen zugänglich bleibt, Hohlräume in seinem Inneren erhalten werden oder das Werkstück weiterhin unmittelbar mit anderen Körpern verbind­ bar ist. Beispiele für derartige Werkstücke sind ein auf seiner Außenseite mit einer Schaumstoff­ schicht isoliertes Rohr oder ein einseitig offener Kasten, der auf seiner Außenseite mit einem Kunst­ stoffschaum zu polstern ist, während die Öffnung und sein Innenraum zur Aufnahme eines Einschubs ausgespart werden soll. Zur Erzeugung teilweise um­ schäumter Werkstücke werden im Stande der Technik ein- oder mehrteilige Werkzeuge so auf die Oberflä­ che des Werkstücks gepreßt, daß das auszuschäumende Volumen vollständig von der Werkstückoberfläche so­ wie dem Werkzeug umschlossen ist, was zur Folge hat, daß sich Werkzeug und Werkstück in einer oder mehreren geschlossenen Linien berühren. Der Kunst­ stoff oder seine Ausgangsstoffe mit den Treibmit­ teln werden in flüssiger Form in das umschlossene Volumen eingebracht, das sie beim Aufschäumen voll­ ständig ausfüllen.

Bei dieser Vorgehensweise ergibt sich während des Aufschäumungsprozesses das Problem, daß die Flüs­ sigkeit eine geringe Viskosität aufweist und auch in engste Spalten zwischen Werkzeug und -stück ein­ dringt, teilweise sogar durch sie hindurchläuft, und in diesen Bereichen aushärtet. Erfordert es die Funktion des Werkstücks, daß bestimmte Teile seiner Oberfläche frei von Schaumstoff sind, so ist eine Entfernung des ausgetretenen Kunststoffes notwen­ dig, wenn auch oft technisch schwierig und damit teuer, oder das gesamte Werkstück wird zum Aus­ schuß. Erschwert werden die Abdichtungsprobleme ei­ nerseits durch den beim Aufschäumen entstehenden Druck und andererseits durch konstruktive Beschrän­ kungen, etwa wenn die Umschäumung im Bereich einer Kante enden soll, die aus Sicherheitsgründen abge­ rundet ist.

Elastische Dichtelemente zwischen Werkzeug und Werkstück verbessern die Abdichtung, sind in ihrer Anwendung jedoch vergleichsweise aufwendig, da auf ihre Oberfläche regelmäßig ein Trennmittel aufzu­ bringen ist, um eine feste Verbindung mit dem Schaumstoff zu verhindern. Trotzdem ist bereits nach wenigen Arbeitstakten eine Reinigung oder Aus­ wechselung der Dichtungen vorzunehmen.

Aus der US 39 70 732 ist ein Werkzeug zum Schäumen von Formteilen mit zwei Werkzeughälften bekannt. Zur Abdichtung des Werkzeugs beim Schäumen weist die eine Werkzeughälfte eine das Formnest umschließende Nut auf, in die bei geschlossenem Werkzeug ein funktionskomplementär ausgebildeter Dichtring, der auf der gegenüberliegenden Werkzeughälfte befestigt ist, eingreift.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine möglichst einfache und kostengünstige Abdich­ tung zwischen Werkzeug und Werkstück erreicht und ein Austreten des Kunststoffes verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine Nut an einer oder mehreren Begrenzungen außer­ halb des einzuschäumenden Bereiches auf der Werk­ stückoberfläche eingebracht. Dabei ist es im Sinne der Erfindung nicht notwendig, alle Begrenzungen mit Nuten zu versehen, sondern es ist vielfach aus­ reichend, sich auf Begrenzungen zu beschränken, an denen ein Austreten des geschäumten Kunststoffes die Funktionalität oder Ästhetik des Werkstücks be­ einträchtigen würde. Obwohl die Nuten vorzugsweise in geschlossener Linie verlaufen, sind auch Begren­ zungen möglich, die nur in Teilstücken mit Nuten versehen sind. Zur Verringerung der Herstellungsko­ sten erfolgt das Einbringen der Nut in gegossene Werkstücke vorzugsweise bereits während der Produk­ tion, d. h. durch entsprechende Erhöhungen der Guß­ form. Die Gestalt der Nut ist an die konstruktiven Gegebenheiten ihrer Umgebung anzupassen. Während Nuten in verletzungskritischen Bereichen vorzugs­ weise fluchtend mit der Oberfläche abschließen, können die Kanten von Nuten, die sich ihrerseits in Vertiefungen befinden, etwa auf der Innenseite ei­ ner Öffnung, durchaus über die sie umgebende Ober­ fläche überstehen. Ein Beispiel für den letzteren Fall stellt eine Nut dar, die vom Zwischenraum zweier Erhöhungen auf der Werkstückoberfläche ge­ bildet wird. Dabei ist nicht ausgeschlossen, daß selbst der tiefste Bereich der Nut oberhalb des durch die umgebende Oberfläche gegebenen Niveaus gelegen ist.

Das Werkzeug wird in der Weise gestaltet und auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt, daß es mit ei­ ner Erhöhung in die Nut eingreift und mit ihr auf der Oberfläche der Nut anliegt. Um ein Austreten des Kunststoffes durch die Nut hindurch zu vermei­ den, bildet die Anlagefläche eine oder mehrere par­ allel zueinander verlaufende durchgehende Linien entlang der Begrenzung des auszuschäumenden Berei­ ches. Eine gute Abdichtung ist beispielsweise er­ zielbar, indem die Oberflächen von Nut und Werk­ zeugerhöhung weitgehend parallel zueinander verlau­ fen, so daß sich Werkstück und Werkzeug in breiter Linie, d. h. flächig entlang der Nut berühren. Das Ausschäumen des umschlossenen Volumens erfolgt auf bekannte Weise.

Der prinzipielle Vorzug des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht darin, daß sich die Fläche, über die hinweg die Abdichtung auf der Oberfläche er­ folgt, durch die Nut wesentlich verbreitert, d. h. austretendes Material muß eine längere Strecke überwinden, bevor es aus dem umschlossenen Bereich heraus gelangt. Entsprechend läßt sich bei räumli­ cher Beschränkung im Gegensatz zu herkömmlichen Ab­ dichtungen auch über eine kurze Strecke hinweg eine gute Dichtwirkung erzielen. Liegt das Werkzeug in mehreren, durchgehenden Linien auf dem Werkstück an, so entstehen Kammern, die im Falle einer Un­ dichtigkeit zunächst weitgehend ausgefüllt werden, bevor das Material in die nächste Kammer übertritt. Somit wird durch eine Nut eine gute Abdichtung des auszuschäumenden Bereiches ermöglicht, wobei keine zusätzliche Kosten entstehen, sofern die Nut be­ reits während des Gusses in das Werkstück einge­ bracht wird, und die zusätzlichen Kosten ansonsten gering sind. Aufwendungen für elastische Dichtele­ mente, Trennmittel oder nachträgliches Entfernen ausgetretenen Schaumstoffes entfallen. Weiterhin läßt sich das Verfahren problemlos in eine beste­ hende Produktion teilweise eingeschäumter Werk­ stücke integrieren.

In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Aufsetzen des Werkzeugs auf das Werkstück mit einer derartigen Kraft, daß die Oberfläche der Nut ver­ formt wird oder das Werkzeug in ihre Oberfläche eindringt. Auf diese Art ist ein dichtes Anliegen zwischen Werkzeugerhöhung und Nut gewährleistet, das im Fall einer elastisch verformten Nut durch den Anpreßdruck unterstützt wird. Geringe Beschädi­ gungen beim Eindringen des Werkzeugs in die Werk­ stückoberfläche beschränken sich auf das Innere der Nut und sind damit in der Regel nahezu unsichtbar und für die Funktion des Werkstücks irrelevant.

Bei Werkstücken, die einen Hohlraum mit einer oder mehreren Öffnungen umschließen, besteht vielfach die Anforderung, daß eine Umschäumung an einer de­ finierten Linie im Bereich der Öffnung endet, vor­ zugsweise auf ihrer Außenseite, so daß der Hohlraum sowie an der Öffnung angeordnete Verbindungsele­ mente, etwa ein Gewinde oder Buchsen, zur Auf­ rechterhaltung ihrer Funktionsfähigkeit frei von Schaumstoff sind. Um die Möglichkeit zu gewähren, daß die Umschäumung unmittelbar an der Grenzlinie endet, bietet es sich an, daß die Nut auf dieser die Öffnung umschlossen umläuft, so daß durch die eingreifende Erhöhung des Werkzeuges eine sichere Abdichtung gegeben ist. Auf diese Weise lassen sich die infolge der Werkstückgestalt im Bereich von Öffnungen oft erheblichen Dichtungsprobleme in ge­ eigneter Weise beseitigen, wobei die Tiefe der Nut die Wandstärke des Materials deutlich übertreffen kann, wenn die Wand des Werkstücks in Öffnungsrich­ tung verläuft und die Nut parallel dazu geöffnet ist.

Gemäß den erläuterten Verfahren besitzen geeignete Werkstücke eine Nut auf ihrer Oberfläche, die den einzuschäumenden Bereich, vorzugsweise in geschlos­ sener Linie, begrenzt. Vorteilhaft ist eine Nut, die sich in Richtung auf ihre Öffnung zu verbrei­ tert, also keilförmig gestaltet ist, so daß die Er­ höhung des Werkzeuges beim Aufsetzen in die Nut ge­ führt wird. Mit dieser Maßnahme lassen sich die To­ leranzen beim Zusammenführen von Werkzeug und Werk­ stück vergrößern und das Aufsetzen des Werkzeuges beschleunigen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die seitlichen Begrenzungswände der Nut flexibel sind, etwa indem sie mit einer geringen Materialstärke ausgeführt sind. Im Ergebnis paßt sich die Nut damit bereits bei einer niedrigen Aufpreßkraft des Werkzeuges auf das Werkstück gut der Erhöhung an, so daß auch bei Verschmutzungen oder Fertigungstoleranzen eine si­ chere Abdichtung gegeben ist.

Verbessern läßt sich die Abdichtung, wenn der ein­ zuschäumende Teil der Oberfläche von mehreren, par­ allel zueinander verlaufenden Nuten begrenzt ist. Die Nuten weisen nicht notwendig die gleiche Tiefe oder Breite auf, sondern es können beispielsweise auch schmale, sekundäre Nuten in die Oberfläche ei­ ner breiteren Nut eingebracht sein. Im Ergebnis entstehen durch Aufsetzen des Werkzeuges mehrere parallele Kammern, die durch die Zwischenräume der Nuten gegeneinander abgedichtet sind, so daß der flüssige Schaumstoff mehrere Barrieren überwinden muß, bevor er aus dem umschlossenen Volumen aus­ tritt.

Umschließt das Werkstück einen Hohlraum mit einer Öffnung, so umläuft die Nut diese bevorzugt in ge­ schlossener Linie. Damit lassen sich Probleme der Abdichtung, die in diesem Bereich wegen der kompli­ zierten Werkstückformen vielfach bestehen, vorteil­ haft vermeiden.

Ein geeignetes Werkzeug zur Durchführung eines er­ findungsgemäßen Verfahrens ist auf seiner Oberflä­ che mit einer Erhöhung versehen, die den auszu­ schäumenden Bereich begrenzt. Die Erhöhung läßt sich derart in die Nut auf der Werkstückoberfläche einsetzen, daß Werkstück und Werkzeug einander in einer oder mehreren parallel zueinander verlaufen­ den durchgehenden Linien entlang der Nut berühren. Vorzugsweise verjüngt sich die Erhöhung ähnlich ei­ nem Keil zu ihrer Oberseite hin, damit sich, wie bei einer sich nach oben hin verbreiternden Nut und mit den entsprechenden Vorteilen, die Toleranzen und Geschwindigkeiten beim Zusammenführen von Werk­ zeug und Werkstück erhöhen lassen.

Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Erhöhung re­ lativ zum Werkzeug in Richtung auf die Nut zu, z. B. in federnder Weise, verschiebbar ist. Diese Ausge­ staltung der Erfindung ermöglicht eine größere Fle­ xibilität beim Aufsetzen des Werkzeugs auf das Werkstück und gestattet es, etwa in Anpassung an unterschiedliche Werkstückmaterialien, den Aufpreß­ druck der Erhöhung zu variieren. Insbesondere ist auf diese Weise auch eine Abdichtung an Nuten er­ reichbar, die senkrecht der Aufsetzrichtung des Werkzeugs geöffnet sind, beispielsweise wenn das Werkzeug in eine Öffnung des Werkstücks eingreift, die auf ihrer Innenseite von einer umlaufenden, zur Innenseite der Öffnung hin offenen Nut umschlossen ist.

Zweckmäßig sind mehrere, parallel zueinander ver­ laufende Erhöhungen auf der Werkzeugoberfläche, so daß, wie bei mehreren parallelen Nuten, eine mehr­ fache Abdichtung des ausgeschäumten Bereiches ent­ steht. Greifen die parallelen Erhöhungen in paral­ lel zueinander verlaufende Nuten, so entsteht eine Verzahnung von Werkzeug und Werkstück, die auch bei großen Toleranzen in der Herstellung und/oder Zu­ sammenführung eine gute Abdichtung gewährleistet.

Die Er­ findung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. Die Zeichnung zeigt in prinzipienhafter Darstellung einen Querschnitt durch den Auflagebe­ reich eines erfindungsgemäßen Werkzeugs auf einem erfindungsgemäßen Werkstück.

Der dargestellte Ausschnitt zeigt einen Teil eines Werkstückes (1), das auf seiner Außenseite (2) mit einer Schaumstoffschicht zu versehen ist, während seine Innenseite (3) frei von Schaumstoff bleiben soll, etwa zur Aufnahme eines weiteren Gegenstan­ des. Zur Trennung des auszuschäumenden Volumens (4) vom Werkstückinneren (5) greift eine Erhöhung (6) des das auszuschäumende Volumen (4) begrenzenden Werkzeuges (7) in eine am Übergang von der Außen­ seite (2) zur Innenseite (3) des Werkstücks (1) an­ geordnete Nut (8). Dabei läuft die Erhöhung (6) in Richtung der Nut (8) spitz zu, um die Einführung während des Aufsetzens des Werkzeuges (7) auf das Werkstück (1) zu erleichtern, bzw. die zulässigen Toleranzen beim Aufsetzen zu erhöhen. Nut (8) und Erhöhung (6) liegen an zwei, in die Zeichnungsebene hinein verlaufenden, durchgehenden Linien (9) an­ einander an, so daß zwischen Nut (8) und Erhöhung (6) ein Hohlraum (10) entsteht. Auf diese Weise kann ein Kunststoff nur dann aus dem auszuschäumen­ den Volumen (4) in das Werkstückinnere (5) übertre­ ten, wenn es beide Anlagelinien der Nut an der Er­ höhung überwindet und den dazwischenliegenden Hohl­ raum (10) vollständig ausfüllt, so daß eine gute Abdichtung beider Volumina gegeneinander gegeben ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum teilweisen Einschäumen eines Werk­ stücks mit einem Kunststoff, vorzugsweise Po­ lyurethan, der in flüssiger Form in das auszuschäu­ mende Volumen, das von der Oberfläche des Werk­ stücks sowie eines auf ihm in einer oder mehreren geschlossenen Linien anliegenden Werkzeugs begrenzt ist, eingebracht wird, gekennzeichnet durch fol­ gende Verfahrensschritte:

• 1. Einbringen von Nuten (8) auf einer oder mehreren Begrenzungen des einzuschäumenden Bereiches in die Werkstückoberfläche,
• 2. Aufsetzen des Werkzeugs (7) auf die Werkstücko­ berfläche, derart, daß es mit einer Erhöhung (6) in die Nut (8) eingreift und in einer oder mehreren zueinander parallelen, durchgehenden Linien (9) entlang der Nut (8) auf ihrer Oberfläche anliegt,
• 3. Ausschäumen des Volumens (4) auf bekannte Weise.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Aufsetzen des Werkzeugs (7) auf das Werkstück (1) mit einer derartigen Kraft erfolgt, daß sich die Oberfläche der Nut (8) verformt oder das Werkzeug (7) in ihre Oberfläche eindringt.

3. Werkstück gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 hergestellt, dadurch gekennzeich­ net, daß der eingeschäumte Bereich der Oberfläche von einer Nut (8) begrenzt ist.

4. Werkstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Nut (8) in Richtung auf ihre Öff­ nung zu verbreitert.

5. Werkstück nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungswände der Nut (8) flexibel sind.

6. Werkstück nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere parallel neben- oder ineinander verlaufende Nuten (8) den einge­ schäumten Teil der Oberfläche begrenzen.

7. Werkstück nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) einen Hohlraum mit einer Öffnung umschließt und die Nut (8) die Öffnung in geschlossener Linie umläuft.

8. Werkzeug zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkzeug (7) auf seiner Oberfläche eine Erhöhung (6) aufweist, die den auszuschäumen­ den Bereich begrenzt und die derart in die Nut (8) auf der Werkstückoberfläche einsetzbar ist, daß sie entlang der Nut (8) in einer oder mehreren parallel zueinander verlaufenden durchgehenden Linien (9) anliegt.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Erhöhung (6) zu ihrer Oberseite hin verjüngt.

10. Werkzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erhöhung (6) relativ zum Werkzeug (7) in Richtung auf das Werkstück (1) zu verschiebbar ist.

11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere, parallel zuein­ ander verlaufende Erhöhungen (6) auf der Werkzeug­ oberfläche angeordnet sind.