DE19648525A1 - Hohlkörper mit einer Füllung aus Kunststoffschaum-Beads - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Hohlkörper, insbesondere geblasene, tiefgezogene, spritzgeformte und für Kfz-Teile wie Dachhimmel, Hutablagen, Seitenverkleidungen, Sonnenblenden und auch Stoßfänger.

Die Herstellung solcher Kfz-Teile und ähnlicher Körper eröffnet verschiedene Möglichkeiten. In früherer Zeit wurden diese Teile zumeist als Massivteile hergestellt. Häufig wurde dabei ein Grundkörper aus einem einfachen Werkstoff, wie z. B. Pappe verwendet und mit einer geeigneten Beschichtung versehen.

Die Beschichtung war zumeist aus Kunststoff.

Es war auch bekannt, einen Grundkörper aus Kunststoffschaum einzusetzen. Bislang setzt diese Technik im Falle einer gewünschten zusätzlichen Beschichtung voraus, daß die Beschichtung anschließend auf den Grundkörper aufgebracht oder die Beschichtung zunächst als getrennter Körper hergestellt und anschließend mit dem Grundkörper verbunden wird.

Zumindest seit dem Bestreben der Automobilindustrie um eine Leichtbauweise der Kraftfahrzeuge ist es üblich, diese Teile weitgehend als Hohlkörper herzustellen. Es handelt sich dann um Körper, die aus einem Kunststoff geblasen, tiefgezogen, spritzgeformt oder in ähnlicher Weise erzeugt werden.

Auf diesem Wege wird tatsächlich eine Gewichtsersparnis erreicht.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Hohlkörperbauweise weiter zu verbessern. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß Hohlkörper nicht immer eine optimale Konstruktion sind. Nach der Erfindung wird eine bessere Konstruktion dadurch erreicht, daß die Hohlkörper mit einer Kunststoffschaum-Füllung versehen werden.

Diese Bauweise erlaubt es, den die Außenhaut bildenden Hohlkörper noch dünner auszubilden, weil wesentliche Tragfähigkeitsaufgaben durch die Kunststoffschaumfüllung übernommen werden können. Trotz dünnerer Außenhaut wird der Körper durch eine Kunststoffschaumfüllung in der Regel belastbarer, z. B. biegesteifer. Die Kunststoffschaumfüllung kann dabei so leicht eingestellt werden, daß das durch den Kunststoffschaum verursachte Zusatzgewicht des Körpers durch die Dickenreduzierung des Hohlkörpers bei gleicher Belastbarkeit weit überkompensiert wird. Das belegt den technologischen Vorteil der Kunststoffschaumfüllung.

Der Kunststoffschaum kann in dem Hohlkörper in situ erzeugt werden, z. B. mit einer Polyurethanschäumeinrichtung. Derartige Schäume sind jedoch nicht ideal für ein Kraftfahrzeug, weil sie im Brandfalle zusätzlich zur Brandlast noch extrem giftige Dämpfe entwickeln.

Wesentlich besser sind Schäume aus Polystyrol, Polyethylen und Polypropylen oder dergleichen bzw. Schäumen mit Bestandteilen davon. Allerdings können diese Schäume nicht ohne weiteres in dem Hohlkörper in situ erzeugt werden.

Zwar kann die Schaumfüllung in einer Spritzgußform bewirkt werden. Dem sind jedoch erhebliche Grenzen gesetzt.

Nach der Erfindung wird deshalb mit Hilfe von Kunststoffschaum-Beads eine Hohlkörperfüllung bewirkt.

Die Beads sind Kunststoffschaumpartikel, die auf verschiedene Weise hergestellt werden können. Ein Herstellungsweg ist durch den Autoklaven gekennzeichnet. Darin fallen unter Druck und Wärmebehandlung aus einer Suspension kleine Partikel an. Diese Partikel werden mit einem Treibmittel versetzt bzw. schließen aufgrund ihres Herstellungsvorganges bereits ein Treibmittel ein. Die Partikel werden durch schlagartige Entladung des Autoklaven zum Schäumen gebracht.

Der andere Herstellungsweg ist neuerer Art und geht von der Kunststoffextrusion aus. Es werden dünne Kunststoffschaumstränge erzeugt und sofort granuliert. Die Partikelgröße wird dabei durch die Granulierungsgeschwindigkeit bestimmt.

Die Beads werden üblicherweise in Formteilautomaten zu Formkörpern verschiedenster Art verarbeiten. Der Formteilautomat ist eine Form, die im geschlossenen Zustand mit den Beads unter Druck befüllt und anschließend mit Heißdampf beaufschlagt wird. Der Heißdampf dringt zwischen den Beads durch und verursacht eine Erwärmung der Beads an der dem Dampf zugänglichen Oberfläche. Die Erwärmung führt zu einer Plastifizierung bzw. Erweichung der Oberfläche und zu einer Ausdehnung der Beads, so daß die Beads mit den erwärmten Oberflächen gegeneinander gedrückt werden und je nach Druck- und Temperaturverhältnissen versintern oder verschweißen. Auf dem beschriebenen Wege entsteht der gewünschte Formkörper.

Nach ausreichender Abkühlung des Formkörpers wird die Form geöffnet und entladen, wieder geschlossen und mit dem nächsten Herstellungsvorgang begonnen.

In der Anwendung der Beads auf die Hohlkörperfüllung ist erforderlich, daß der Heißdampf einerseits genau geführt wird, um alle Beads ausreichend zu erreichen. Andererseits muß der Heißdampf nach Durchdringen der Beads wieder entweichen können. Deshalb eignet sich das Verfahren mehr für dampfdurchlässige Hohlkörper, z. B. aus Textil.

Nach der Erfindung werden die Beads unabhängig von der Dampfduchlässigkeit mit Mikrowellen anwendbar. Dabei knüpft die Erfindung an einen älteren Vorschlag, der davon ausgeht, daß die bisherige Herstellung mit Dampf üblicherweise ein Verschweißungsvorgang ist und die zum Verschweißen notwendige Wärme auch in anderer Weise als durch Heißdampf vermittelt werden kann. Ein bekannter Weg ist die Verschweißung mittels Mikrowelle.

Nach dem älteren Vorschlag erfolgt die Formkörperherstellung aus den Beads dadurch, daß die Beads mit einem mikrowellenaktiven Material beschichtet oder benetzt werden und in der Form mit Mikrowellen beaufschlagt werden, bis ihre Oberfläche ausreichend erwärmt ist, so daß sie unter Druck miteinander zu verschweißen. Die verwendete Form besteht aus nichtaktivem Kunststoff Nichtaktiv ist ein Material, daß nicht in nennenswertem Umfang auf Mikrowellen reagiert. Aktiv ist ein Material mit genau gegenteiliger Eigenschaft.

In Anwendung dieser Technik werden die Hohlkörper mit Beads gefüllt, die vorher mit einem aktiven Material beschichtet oder benetzt worden sind. Das geschieht vorzugsweise unter Druck, wobei die Wände des Hohlkörpers in einer Form gegen Ausbeulen gestützt werden. Ein geeignetes aktives Material ist Wasser, besser noch oberflächenentspanntes Wasser. Die Entspannung kann mit Hilfe von Tensiden, im einfachsten Fall mit Haushalts-Spülmittel erreicht werden.

Nach dem Einfüllen der Beads wird der Hohlkörper mit Mikrowellen beaufschlagt. Die Mikrowellen erwärmen das Wasser an der Beadsoberfläche und verdampfen es. Durch den herrschenden Druck entsteht ein überhitzter Dampf mit einer höheren Temperatur als 100 Grad Celsius. Im Falle von Propylen-Beads mit einer Erweichungstemperatur von etwa 160 Grad Celsius ist bis auf eine entsprechende Temperatur zu erwärmen, um die notwendige Plastifizierung zu erreichen.

Nach der Erfindung muß der Hohlkörper nicht vollständig mit den Schaumstoff-Beads gefüllt werden. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die herkömmliche Bedampfung Nachteile hat. Ein Nachteil ist die notwendige vollständige Füllung des Formhohlraumes, um zu verhindern, daß der Dampf an den Beads vorbeistreicht. Diese Verfahrensweise bedingt ein Vorschäumen der in der Ausgangsform aus verschiedenen Gründen sehr kleinvolumigen Beads auf eine Größe, bei der es unter dem gewählten Druck zu einer vollständigen Befüllung der Form kommt.

Nach der Erfindung wird der Hohlkörper in der Anwendung der Mikrowellen ohne Vorschäumen der Beads teilweise befüllt. Dadurch entfällt ein wesentlicher Verfahrensschritt und verringert sich der Umfang der Anlage ganz erheblich. Auch die Befüllung erleichtert sich.

Nach der Erfindung wird das Beadsvolumen aber so gewählt, daß deren Volumenanteil nicht kleiner als 1/15, vorzugsweise 1/8 bis 1/10 des Hohlraumes ist. Durch die Erwärmung der Beads mit den Mikrowellen entsteht bei Erreichen einer Vorschäumtemperatur eine Expansion der Beads. Die Expansion tritt bei geschrumpelten Polypropylen-Beads zwischen 95 und 100 Grad Celsius ein und verläuft mit relative großer Geschwindigkeit. Danach ist die Form gefüllt und bewirkt eine weitere Expansion eine deutliche Druckerhöhung.

Wahlweise wird diese Druckerhöhung und/oder die Expansion der Beads mit einem Taster gemessen und danach die weitere Beaufschlagung mit Mikrowellen gesteuert.

Je nach Temperatur und Druck kommt es zu einer Versinterung oder Verschweißung der Beads.

Die Sintertemperatur ist geringer als Schweißtemperatur. Dafür ist der Sinterdruck bei Beads höher als der Schweißdruck. Solange die Formkörper im wesentlichen auf Druck belastet werden, ist eine geringe Festigkeit der Verbindung zwischen den Beads ausreichend. Bei gewünschten größeren Festigkeiten ist eine Verschweißung der Beads zweckmäßig. Um von einer Versinterung zu einer Verschweißung zu kommen, muß die Temperatur auf Schweißtemperatur erhöht werden, der Druck kann gesenkt werden.

Wasser ist als aktives Material zur Benetzung der Beads geeignet, weil es sich in der Mikrowelle bekanntlich sehr schnell erwärmt, auch auf Siedetemperatur, und verdampft. Je nach Druckverhältnissen ergibt sich ein überhitzter Dampf, der für Polypropylen z. B. eine Temperatur von 160 Grad Celsius erreicht. Für Polystyrol, Polyethylen und andere Werkstoffe wird eine andere Temperatur eingestellt. Die Einstellung der Temperatur kann mit wenigen Versuchen durch Änderung der Mikrowellen-Einwirkungsdauer ausgetestet werden. Als aktives Material kann auch ein Dethylenglykol verwendet.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die Beads mit Hilfe eines Extruders hergestellt werden, indem der Extruder dünne Schaum-Schmelzestränge erzeugt, die mittels einer Granuliereinrichtung zu Beads zerkleinert werden. Dabei ist eine schnelle Kühlung der Partikel wichtig und vorzugsweise Wasser zur Kühlung vorgesehen. Beads und Wasser sammeln sich in einem Wasserbad. Nach der bisherigen Verfahrensweise werden die Beads getrocknet und einem Vorratssilo zugeführt. Bei Verwendung der Beads für eine erfindungsgemäße Formkörperherstellung kann die Trocknung entfallen. Das gilt besonders bei einer sich unmittelbar an die Herstellung anschließenden Verwendung der Beads.

Bei wasserbenetzten Beads aus Polypropylen kann der Druck im Hohlkörper (mit Abstützung durch eine umgebende Form) z. B. 6 bar betragen.

Die relativ niedrige obere Druckgrenze und die möglichen geringen Druckänderungen für unterschiedliche Materialien haben große bauliche Vereinfachungen zur Folge.

Vorzugsweise wird zur Einhaltung der geringen Drücke in der Form mit Hilfe von unterschiedlichen Beads erreicht. Für große Raumgewichte werden danach Beads mit großem Raumgewicht eingesetzt, so daß sich die notwendige Verformungsarbeit beim Füllen des Hohlkörpers in Grenzen hält.

Eine besondere Hilfe können bei dieser Verfahrensweise Mikrobeads und/oder Schrumpelbeads sein. Mikrobeads sind sehr kleinvolumige Beads. Schrumpelbeads sind Beads, bei denen das für die Beads verwendete Treibmittel schneller aus den Zellen entweicht, als Umgebungsluft in die Zellen eindringt. Das Phänomen der Schrumpelung ist besonders bei geschlossenzelligen Beads auffallend. Bei geschlossenzelligen Beads diffundieren die Gase durch die Zellwände.

Dadurch entsteht ein Unterdruck in den Beads. Die Beads werden zusammengedrückt. Dabei falten sich die Zellwände ein und entsteht der Schrumpeleindruck. Die Beads nehmen ein kleineres Volumen ein.

Der Vorgang läßt sich durch eine Wärmebehandlung beschleunigen bzw. verstärken. In diesem Sinne läßt sich ein gutes Schrumpelergebnis erreichen, wenn die Beads nach ihrer Herstellung für einige Zeit in einem beheizten Wasserbad verbleiben. Die Behandlungsdauer und die Wassertemperatur bestimmen den Schrumpelungsgrad. Die Schrumpelung bzw. Volumenverkleinerung führt zu einer Veränderung des Raumgewichtes der Beads. Nach der Erfindung wird das genutzt, um unterschiedliche Beads aus einem einzigen Herstellungsvorgang zu erzeugen und unterschiedliche Ausgangsbeads für eine gewünschte Formkörperherstellung verfügbar zu machen.

Es kann von Vorteil sein, die Sinterbedingungen oder Schweißbedingungen (Druck/Temperatur) nach Beendigung der Mikrowellenbeaufschlagung für einige Zeit zu halten, weil die Verschweißung und die Sinterung nicht schlagartig einsetzen, sondern eine Molekülverschiebung in den Grenzflächen erfordern, die einige Zeit benötigt.

Nach der Beendigung des Sintervorganges bzw. Schweißvorganges wird der Formkörper wahlweise zwangsgekühlt, um den Herstellungsvorgang beschleunigt zu Ende zu führen.

Es ist von Vorteil, eine Mikrowellenanlage mit mehreren Formen in der Weise zu betreiben, daß die Formen nacheinander in die Mikrowellen bewegt werden bzw. dort verharren. Bei dem Betrieb einer solchen Anlage ist es von Vorteil, vor der Mikrowellenstation eine Füllstation für die Formen und nach der Mikrowellenstation eine Kühl- und Entleerungsstation anzuordnen.

Extrem günstige Verhältnisse ergeben sich bei der Verwendung von gleichem Werkstoff für den Hohlkörper und die Hohlkörperfüllung. Dann entsteht eine Einstofflichkeit mit allen Vorteilen der späteren Entsorgung. Außerdem ermöglicht die Einstofflichkeit eine Verschweißung bzw. Versinterung der Beadsfüllung mit dem Hohlkörpermaterial.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung zeigt einen Polypropylen-Hohlkörper 3 für eine Sonnenblende eines Kraftfahrzeuges. Der Hohlkörper hat eine Wandstärke von 0,5 mm und ist teilweise mit Polypropylen-Schaum Schrumpelbeads 6 gefüllt. Der Füllungsgrad ist 1/9 des Hohlraumvolumens. Die Füllung wird durch die Öffnung 4 bewirkt, in die im nachhinein die Schwenkachse für die Sonnenblende eingesetzt wird.

In der Füllstation wird der so vorbereitete Hohlkörper mitsamt der Schwenkachse in eine untere Formhälfte 1 auf einem Rollgang eingelegt.

Von der Füllstation gelangt die Formhälfte 1 auf dem Rollgang in die Schließstation. Dort wird die zweite und obere Formhälfte auf die untere Formhälfte 1 gelegt und die Form dadurch geschlossen. Die Trennlinie beider Formhälften ist mit 5 bezeichnet. Die beiden Formhälften 1 und 2 bestehen aus nicht aktivem Kunststoff.

Bei den Beads handelt es sich um Polypropylen-Schrumpelbeads, die vor dem Einfüllen mit Wasser als aktivem Material benetzt worden sind.

Die geschlossene Form gelangt aus der Schließstation in die Mikrowellenstation. Die Mikrowellenstation wird durch eine ringformige Mikrowelleneinrichtung gebildet. In der Mikrowelleneinrichtung werden die Beads mit Mikrowellen beaufschlagt. Dadurch entsteht eine Erwärmung des Wassers und danach Wasserdampf. Bei Erreichen einer Temperatur von 95 Grad Celsius füllen die Beads den Sonnenblendenhohlraum schlagartig aus. Der Druck erhöht sich zugleich. Die Expansion wird durch einen nicht dargestellten Taster gemessen, der mit einem Zeitglied in der Steuerung der Mikrowelleneinrichtung verbunden ist und die weitere Beaufschlagung mit den Mikrowellen nach Ablauf einer bestimmten Zeit einstellt. Diese Zeit wird durch einige Versuche ermittelt. Bei zu kurzer Zeit erfahren die Beads nur eine unzulängliche Verbindung. Das zeigt sich an der Festigkeit der Verbindung zwischen den Beads. Dann wird die Einwirkungszeit der Mikrowellen (Stellgröße des Zeitgliedes) verlängert, bis die Festigkeit der Verbindung ein gewünschtes Maß erreicht hat.

Bei übermäßiger Beaufschlagung mit Mikrowellen entsteht eine übermäßige Erwärmung. Die Beads werden dadurch an der Oberfläche zu stark angeschmolzen. Auch das ist leicht erkennbar. Dementsprechend wird die Einwirkungszeit verkürzt.

Unter dem Einfluß der Mikrowellen entsteht in der Form weiterer Dampf und überhitzter Dampf. Bei einem Druck von 6 bar ist die Heißdampftemperatur 160 Grad Celsius. Das führt zu einem Anschmelzen der Beadsoberflächen. Die gleichzeitige weitere Erwärmung der Beads verursacht eine weitere Expansion, so daß die angeschmolzenen Oberflächen gegeneinander gedrückt werden. So entsteht eine Verschweißung der Beads und ein Formkörper bzw. eine geschlossene Schaumfüllung des Hohlraumes, die zugleich die Schwenkachse der Sonnenblende fest umschließt.

Aus der Mikrowellenstation gelangt die Form in eine Kühlstation. Dort wird die Form gekühlt, um dem Formkörper Festigkeit zu verleihen.

Aus der Kühlstation gelangt die Form auf dem Rollgang in eine Öffnungs- und Entleerungsstation. In der letzten Station wird die obere Formhälfte 2 entfernt und die Sonnenblende aus der unteren Formhälfte herausgenommen. Danach kann die untere Formhälfte wieder der Füllstation zugeführt werden.

Claims (11)

1. Hohlkörper, insbesondere geblasen, tiefgezogen, spritzgeformt und für Kfz-Teile wie Dachhimmel, Hutablagen, Seitenverkleidungen, Sonnenblenden und auch Stoßfänger, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Hohlkörper (3) zumindest teilweise mit Kunststoffschaum-Beads (6) gefüllt
• b) die Beads (6) vorher mit einem aktiven Material beschichtet oder benetzt worden sind
• c) die Beads (6) durch Beaufschlagung mit Mikrowellen an der Oberfläche erwärmt werden, so daß sie an der Oberfläche zumindest plastifiziert werden und expandieren und miteinander versintern oder verschweißen.

2. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörperwände gegen den Expansionsdruck der Beads (6) gestützt werden.

3. Hohlkörper nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine allseitig umschließende Form (1, 2).

4. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beads (6) aus Polystyrol und/oder Polyethylen und/oder Polypropylen und/oder Verbindungen davon bestehen.

5. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Einstofflichkeit.

6. Hohlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Berührungsflächen mit den Beads (6) vor dem Einfüllen der Beads gleichfalls mit einem aktiven Material beschichtet oder benetzt werden.

7. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wasser oder Diethylenglykol als aktivem Material.

8. Hohlkörper nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung oberflächenentspannten Wassers.

9. Hohlkörper nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tensiden.

10. Hohlkörper nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch die Verwendung von Haushalts-Spülmitteln.

11. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von Mikro-Beads und/oder Schrumpelbeads.