DE3528810C1 - Verfahren zum Herstellen eines tiefgezogenen Formteiles aus teilkristallinem Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines tiefgezogenen Formteiles aus teilkristallinem Kunststoff gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekanntes Verfahren der vorgenannten Art (US-PS 44 89 034) führt zu einer Vergrößerung des Temperaturbereiches, innerhalb dessen die zur Anwendung gelangende Folie tiefgezogen werden kann. Ein Prägen der Folie in Hinblick auf die Erzeugung einer Oberflächenstruktur wird nicht erwähnt.

Aus der DE-OS 25 39 889 ist es bekannt, daß sich bei thermoplastischem PVC durch eine Vernetzung der Erweichungspunkt erhöhen läßt, was es erlaubt, ein daraus bestehendes Flachmaterial bei höheren Temperaturen zu prägen als im unvernetzten Zustand. Über die beim anschließenden Tiefziehen anzuwendenden Temperaturen wird nichts ausgesaugt.

Tiefgezogene Formteile aus mit einer Oberflächenspannung versehenen Folien dienen zur Gestaltung der Innenräumen von Kraftfahrzeugen. Diese Folien bestehen im wesentlichen aus Polyvinylchlorid oder aus Gemischen von Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymerisaten (ABS) mit Polyvinylchlorid und sind als Einschicht- oder als Verbund- Folien in einer Dicke zwischen 500 µm und 1400 µm, vorzugsweise einer Dicke von 600 µm bis zu 1200 µm, in Gebrauch. Dabei sind verschiedene Modifikationen aus Weich-PVC oder Hart-PVC bekannt. Die Folien haben verschiedene Nachteile. Bei weichmacherhaltigen Folien tritt durch Emigration des Weichmachers und anschließende Kondensation an der Windschutzscheibe das sogenannte "Fogging" auf sowie eine allmähliche Verringerung der Dehnungswerte, eine Verschlechterung des Tiefziehverhaltens, der Kälteflexibilität und des Wärmealterungsverhaltens. Weichmacherfreie Folien aus ABS und Hart-PVC besitzen den Nachteil einer zu großen Steifigkeit und einer geringen Kälteflexibilität.

Weiterhin ist es bekannt, daß teilkristalline Kunststoffe, wie z. B. Polypropylen, Ethylen-Propylen- Dien-Copolymerisate (EPDM), Ethylen-Propylen-Mischpolymerisate (EPM) und Polyamide mit gutem Erfolg in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden können. Diese Kunststoffe werden unvernetzt im Spritzguß- oder im Blasformverfahren bzw. vernetzt unter Verwendung des Pressenverfahrens zu Formteilen verarbeitet. Die Temperaturen liegen dabei oberhalb des Kristallitschmelzpunktes. Folien aus EPDM- und EPM-Copolymerisaten erfüllen im vernetzten und im unvernetzten Zustand einen Teil der bestehenden Anforderungen und weisen eine gute Dehnungsfähigkeit, eine gute Alterungsbeständigkeit, eine gute Lichtbeständigkeit, eine gute Kälteflexibilität, ein geringes Fogging-Verhalten und eine gute Schlagfestigkeit auf.

Die Werkstofftemperatur während des Tiefziehvorganges liegt stets unterhalb des Kristallitschmelzpunktes, um eine Auflösung der Folie zu vermeiden. Die Verwendung des Tiefziehverfahrens ist jedoch bei der Verarbeitung dieser Kunststoffe in bezug auf die Herstellung von geprägten Formteilen zur Auskleidung von Kraftfahrzeug- Innenräumen bisher nicht bekanntgeworden und auch aus technischen Gründen äußerst problematisch.

Sie setzt nämlich die Verwendung eines Tiefziehwerkzeuges voraus, das selbst eine der gewünschten Prägung entsprechende Strukturierung der Oberfläche aufweist. Das bedingt außerordentlich hohe Werkzeugbeschaffungskosten sowie eine Erschwernis bei gegebenenfalls notwendig werdenden Werkzeugreparaturen. Außerdem müßte das Tiefziehverfahren zur Herstellung von Formteilen für den Kraftfahrzeug-Innenausbau vom fast ausschließlich üblichen Positiv-Verfahren in das kompliziertere Negativ- Verfahren umgewandelt werden. Die Herstellung von Formteilen mit sehr hohen Verstreckungsgraden und tiefen Hinterschneidungen wird dadurch erschwert bzw. unmöglich gemacht, was häufig den stilistischen Interessen der Designer widerspricht.

Darüber hinaus können die hohen Temperaturen, die bei modernen Fahrzeugtypen mit stark geneigter Windschutzscheibe im Bereich des Armaturenbrettes auftreten, bei Verwendung einer tiefgezogenen Folie aus teilkristallinem Kunststoff, die unterhalb des Kristallitschmelzpunktes verformt wurde, zu einer erheblichen Schrumpfung führen, wenn die Materialtemperaturen im eingebauten Zustand gleich oder ähnlich der Materialtemperatur während des Tiefziehvorganges sind. Derartige Schrumpferscheinungen können trotz der Hinterschäumung zu einer unerwünschten Deformierung des Armaturenbrettes führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß sich eine sichere Vermeidung der genannten Nachteile ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren soll einfach durchführbar sein und die Erzeugung eines tiefgezogenen Formteiles aus einem teilkristallinen Kunststoff zulassen, das bei einer Verwendung als Armaturenbrettverkleidung eines Kraftfahrzeuges allen dort auftretenden Belastungen ohne nachteilige Veränderung oder Foggingbildung langfristig gut zu widerstehen vermag. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Auf eine vorteilhafte Ausgestaltung nimmt Anspruch 2 Bezug.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine Folie aus einem teilkristallinen Kunststoff erzeugt, vorzugsweise aus EPDM oder EPM. Diese wird auf eine Temperatur knapp unterhalb des Kristallitschmelzpunktes erwärmt und durch Prägen mit einer Oberflächenstrukturierung versehen, beispielsweise einer Ledernarbung. Die so erhaltene Folie wird abgekühlt und anschließend der Einwirkung einer energiereichen Strahlung ausgesetzt, um eine Vernetzung zu erreichen. Nach einer erneuten Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes des verwendeten Kunststoffes erfolgt schließlich die Umformung unter Anwendung des Tiefziehverfahrens. Dabei stellt man überraschend fest, daß die zuvor eingebrachte Prägung der Oberfläche in ihrer Struktur erhalten bleibt, obwohl die Materialtemperatur beim Tiefziehen höher ist als die Materialtemperatur während des vorausgegangenen Prägevorganges. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß der Tiefziehvorgang wesentlich leichter zu kontrollieren und zu steuern ist, weil die Verarbeitungsbedingungen in einem vergrößerten Temperaturbereich nahezu konstant bleiben.

Die Unterschiede und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren werden nachfolgend anhand des beigefügten Diagramms weiter erläutert.

Bei thermoplastischen Kunststoffen fällt der Elastizitätsmodul mit steigender Temperatur mehr oder weniger konstant ab. Die Verformung des Materials durch Tiefziehen oder Prägen erfolgt in einem Temperaturbereich, in dem das Material einen niedrigen Elastizitätsmodul und dadurch eine leichte Verformbarkeit besitzt. Diese Temperatur wird nach oben begrenzt durch die Eigenfestigkeit des Materials und dessen Temperaturbeständigkeit.

Aufgrund des "Erinnerungsvermögens" der Makromoleküle und der Fähigkeit der thermoplastischen Kunststoffe zu schmelzen, ist es notwendig, daß die Materialtemperatur beim Prägen größer ist als die Materialtemperatur beim Tiefziehen. Würde man diese Bedingung nicht einhalten, dann würde die durch den ersten Verformungsvorgang erzeugte Strukturierung der Oberfläche bei der Durchführung des zweiten Verformungsvorganges, dem Tiefziehen, weitgehend abgeschwächt oder ausgelöscht werden.

Teilkristalline Polymere können im unvernetzten Zustand nur unterhalb des Kristallitschmelzpunktes als Folienbahn geprägt oder tiefgezogen werden, weil der Elastizitätsmodul oberhalb dieser Temperatur auf einer steilen Kennlinie bis zum Erreichen des unbedeutenden Wertes der relativ niedrig viskosen Schmelze abfällt. Vernetzte teilkristalline Polymere zeigen demgegenüber nach einem anfänglich vergleichbar steilen Abfall des Elastizitätsmoduls überraschenderweise noch oberhalb des Kristallitschmelzpunktes einen relativ konstanten Wert in einem großen Temperaturbereich, was wahrscheinlich durch den Gehalt an vernetzten Molekülketten verursacht ist und dem Material bei den in Frage kommenden Temperaturen einen gummielastischen, nicht schmelzbaren Charakter verleiht.

Die Höhe des Elastzitätsmoduls oberhalb des Kristallitschmelzpunktes ist von der Höhe des Vernetzungsgrades des verwendeten Werkstoffes abhängig und läßt sich durch dessen Veränderung gezielt beeinflussen.

Obwohl die Temperatur beim Prägen niedriger und der Elastizitätsmodul höher ist als während des nachträglich durchgeführten Verformungsschrittes, dem Tiefziehvorgang, bleibt die durch die Prägung erzeugte Strukturierung der Oberfläche der Folie nach der Vernetzung und dem anschließenden Tiefziehen erhalten. Es wird vermutet, daß durch die Vernetzung der Makromoleküle deren Neuorientierung oberhalb des Kristallitschmelzpunktes erschwert wird, und daß beim zweiten Verformungsschritt, dem Tiefziehen, lediglich das "Gerüst" der vernetzten Polymerketten gedehnt wird. Diese Vermutung wird bestärkt durch Versuchsreihen, in denen der Vernetzungsgrad modifiziert wurde.

Zur Vernetzung wurde im vorliegenden Falle ein Elektronenbeschleuniger mit einer Leistung von 1,5 MeV eingesetzt. Die Verwendung anderer energiereicher Strahlen als Vernetzungsinitiator ist ohne weiteres möglich.

In dem vorliegenden Beispiel (Tabelle 1) wurde die geprägte Folie mit einer Dosisleistung zwischen 20 und 100 kGy behandelt. Im erstgenannten Falle wurde eine zwar ausreichende Materialfestigkeit oberhalb des Kristallitschmelzpunktes erreicht, die ein zweites Verformen ermöglicht.

Die Anzahl der vernetzten Moleküle war jedoch offensichtlich noch nicht genügend hoch, wodurch sich eine unbefriedigende Veränderung der eingeprägten Strukturierung der Oberfläche während des Tiefziehens ergab.

Im letztgenannten Falle resultierten offenbar zu viele Vernetzungsstellen zwischen den Makromolekülen, was zu einer starken Verminderung der Dehnbarkeit während des Tiefziehvorganges führte sowie zu einem Einreißen der Folie im Extremfall. Die geeignete Dosis ist daher im Einzelfalle zu ermitteln, wobei die spezifischen Werkstoffeigenschaften zu großen Abweichungen führen können. Werte zwischen 40 und 80 kGy führen jedoch in aller Regel zu einem guten Ergebnis.

Trotz der Vernetzung hat die Materialtemperatur beim Prägevorgang noch einen Einfluß auf die Oberflächenstruktur nach dem Tiefziehen. Ausgehend von der Kristallitschmelztemperatur wird mit abnehmender Prägetemperatur ein deutlich verschlechtertes Ergebnis erzielt, was darauf zurückzuführen sein dürfte, daß die Strahlenbehandlung bevorzugt, wenn nicht ausschließlich, zu einer Vernetzung der durch das vorausgegangene Prägen thermoplastisch veränderten Molekülteile führt. Die nur thermoelastisch verformten Anteile der Folie besitzen demgegenüber ein anderes "Erinnerungsvermögen", nämlich dasjenige der ungeprägten Folie.

Die Veränderungen der Materialtemperaturen beim Tiefziehen zeigen, daß die Temperaturen innerhalb eines weiten Bereichs variiert werden können, ohne daß sich dabei ein grundlegender Einfluß auf die Stabilität der in die Oberfläche der Folie eingeprägten Struktur ergibt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Folien aus teilkristallinen Kunststoffen verwendet, insbesondere solche aus EPDM oder EPM-Misch- und Copolymerisaten. Diese können im Hinblick auf spezifische Anforderungen modifiziert sein, beispielsweise im Hinblick auf die Erzielung einer bestimmten Shorehärte, auf Antifoggingverhalten, Elastizität, Alterungsbeständigkeit usw. Die Kristallitschmelztemperaturen liegen in allen diesen Fällen oberhalb von 130°C, zweckmäßig in dem Bereich zwischen 150 und 165°C. Eine beispielhafte Werkstoffzusammensetzung, die sich besonders gut für die Herstellung eines tiefgezogenen und geprägten Formteiles zur Verwendung als Armaturenbrettverkleidung in einem Kraftfahrzeug eignet, wird nachfolgend angegeben:

• 28,57 Gew.-Teile Ethylenpropylendienterpolymer
  42,86 Gew.-Teile Polypropylen (MFI 190/5 = 3)
  16,19 Gew.-Teile Phenylenoxid
  11,43 Gew.-Teile -Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol- Blockcopolymer
   0,95 Gew.-Teile Antioxidantien

Die Folie wies eine Dicke von ca. 0,9 mm auf und wurde in einem IR-Strahlerfeld erhitzt und mit einer lederähnlichen Prägung geprägt. Die Materialoberflächentemperatur betrug ca. 155°C, Prägegeschwindigkeit 5 m/min. Die so hergestellte genarbte Folie wurde in einem Elektronenbeschleuniger mit einer Dosis von 60 kGy bestrahlt.

An der bestrahlten Folie wurden die in Tabelle 2 aufge­ führten Meßwerte festgestellt. Ein Vergleich mit den zur Zeit gültigen technischen Lieferbedingungen der wichtigsten deutschen Automobilhersteller zeigt, daß die Folie vor allem in den mechanischen Werten vor und besonders nach Wärmealterung sowie nach Richtungsprüfungen die geforderten Werte erreicht und zum Teil deutlich überfüllt.

Als Vernetzungsinitiator eignen sich insbesondere β-Strahlen aus Elektronenbeschleunigern.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines tiefgezogenen Formteiles aus teilkristallinem Kunststoff, bei dem eine Folie aus dem Kunststoff vernetzt und bei einer Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes zu dem Formteil tiefgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bie einer Temperatur unterhalb des Kristallitschmelzpunktes vor dem Vernetzen geprägt sowie für das Tiefziehen wieder erwärmt wird und daß das Vernetzen mittels energiereicher Strahlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereiche Strahlung durch beschleunigte Elektronen bewirkt wird.