Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Formschäu
men von halbhartem Integralschaum zur Verfügung, wobei der
halbharte Integralschaum einen einstückig ausgebildeten Haut
bereich mit einem niedrigen Schäumungsgrad und einen Kernbe
reich mit einem hohen Schäumungsgrad umfaßt. Dabei wird ein
Polyurethan-Material eingesetzt, das für das Reaktions
spritzgießverfahren (RIM) eines formgeschäumten Produkts
mit einem Integralschaum wie einer Ummantelung oder Prall
platte für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, einer Instrumen
tentafel, einem Konsolenfach-Deckel, einem Handschuhfach-
Deckel, einer Kopfstütze, einer Armlehne oder einem Spoiler
geeignet ist.
Ein halbharter Polyurethanschaumstoff, der einen einstückig
ausgebildeten Hautbereich mit einem niedrigen Schäumungsgrad
auf seiner Oberfläche und eine Kernzone mit einem hohen Schäu
mungsgrad in seinem Zentrum enthält, wird im allgemeinen als
ein Integralschaum (ISF) bezeichnet. Es ist üblich gewesen,
einen ISF zu formen, indem man ein Polyurethan-Material aus
einem Polyol-Bestandteil und einem Isocyanat-Bestandteil, das
Freon enthält, in eine Formhöhlung einspritzt und das Freon
durch die durch eine Urethan-Bildungsreaktion erzeugte Wärme
verdampft und expandiert.
Im Zentrum des Polyurethan-Materials finden die Urethan-Bil
dungsreaktion und die Verdampfung von Freon gleichzeitig
statt, was eine Unzahl von Freon-Blasen unterstützt. Dies
führt zur Ausbildung eines Kerns mit einem hohen Schäumungs
grad. Das Polyurethanmaterial nahe der Wandoberfläche der
Formhöhlung unterliegt der Reaktion zur Bildung von Urethan
langsamer als das im Zentrum, da die Reaktionswärme durch die
Wandoberfläche der Formhöhlung abgeführt wird. Ein Fachmann
wird richtig einschätzen, daß die langsamere Reaktion durch
eine niedrigere Reaktionswärme gekennzeichnet ist und folglich
eine verringerte Anzahl an Blasen bei einer verringerten Ver
dampfung von Freon gebildet wird. Die Blasen verdichten sich
oder fallen durch den inneren Schäumdruck zusammen. Das Ergeb
nis ist die Bildung einer einstückig ausgebildeten Haut mit
einem niedrigen Schäumungsgrad.
Das vorstehend beschriebene, herkömmliche Verfahren zur Her
stellung eines ISF mit Hilfe von Freon stellt die folgenden
Probleme:
In die Atmosphäre von einem industriellen oder kommerziellen
Verfahren freigesetztes Freon wird als ein globales Problem
erkannt, und Verringerungen bei seiner Verwendung werden von
vielen Ländern vorgeschrieben;
die Bildung der einstückig ausgebildeten Haut durch zusammen
fallende Blasen an dem Oberflächenbereich durch den inneren
Schäumdruck läßt zu, daß winzige Blasen unvermeidbar in der
Haut verbleiben, was letztlich die Erscheinung des formge
schäumten Endprodukts beeinträchtigt, und
Überdosierung und darauffolgende Entladung des Polyurethan-Ma
terials durch eine Entlüftung ist notwendig, um den inneren
Schäumdruck zu erhöhen und das Ausfüllen der Form bzw. des
Formwerkzeugs zu fördern. Letztlich führt dies zu einem großen
Materialverlust.
Ferner leiden mit Freon schäumende Verfahren, bei denen ein
Kern in der Formhöhlung enthalten ist, so wie es bei der Her
stellung von Lenkrädern üblich ist, an Turbulenz-induzierten
Defekten wie nadelfeinen Löchern, Lunkern und ungenügender
Werkzeugfüllung, aufgrund von eingeschlossener Luft. Dies ist
insbesondere bei der Herstellung von Lenkrädern ein Problem,
wobei in diesem Fall sich ein langer Ringkern in der Formhöh
lung befindet. So ist es nötig, einen geeigneten Platz für den
Anguß auszuwählen, um Turbulenzen zu minimieren und mehrere
Lüftungen zur Freisetzung eingefangener Luft zu bilden.
Die Anmelder der vorliegenden Anmeldung haben früher eine Pa
tentanmeldung eingereicht, die ein Verfahren
zum Formschäumen von ISF ohne jegliche Verwendung von Freon
betrifft (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 4-226313). Gemäß
dieser älteren Anmeldung umfaßt das Verfahren das Evakuieren einer
Formhöhlung, das Einspritzen eines Polyurethan-Materials in
die Formhöhlung und das Expandieren des Materials, so daß es
fließt und die Formhöhlung ausfüllt. Das Polyurethan-Material
enthält 0,1 bis 0,6 Gewichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile
Polyol-Bestandteil. Es ist erwünscht, die Formhöhlung auf
133 hPa oder darunter zu evakuieren, wenn die Wassermenge
0,1 Gewichtsteile beträgt, und auf 533 hPa oder darunter,
wenn die Wassermenge 0,6 Gewichtsteile beträgt.
Wenn das vorstehend erwähnte Verfahren ausgeführt wird,
indem die Wassermenge in dem Polyurethan-Material und der Va
kuumgrad in der Formhöhlung variiert werden, dann ist es mög
lich gewesen, unterschiedliche Schäumungsgrade zu erhalten und
dadurch einen ISF mit Kernbereichen zu formen, die sich in der
Dichte voneinander unterscheiden.
Die Wassermenge in dem Bereich von 0,1 bis 0,6 Gewichtsteilen
ist jedoch zu klein gewesen, um jeden ISF mit einem Kernbe
reich mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte
leicht zu formen. Es hat sich jedoch erwiesen, daß die
bloße Erhöhung der Wassermenge auf über 0,6 Gewichtsteile
nicht notwendigerweise wirkungsvoll ist, um einen Kern mit ei
nem hohen Schäumungsgrad zu bilden, da das Polyurethan-Mate
rial während seines Schäumens aushärtet.
Man hat auch gefunden, daß, wenn die Formhöhlung auf 50 Torr
oder darunter evakuiert wird, ein Ungleichgewicht zwischen
Schäumen und Härten des Polyurethan-Materials auftritt, da
sowohl Blasenbildung als auch Entgasen schnell stattfinden,
während seine Aushärtung langsam vorangeht. Man hat weiter gefunden,
daß dieses Ungleichgewicht mit einer Erhöhung der Wassermenge
größer wird, da sie eine weitere Verzögerung der Aushärtung
verursacht.
Alternative Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Schäumen
unter Verwendung von reduziertem Druck sind in den folgenden
Japanischen Patentschriften beschrieben, in diesen Patent
schriften wird jedoch nicht notwendigerweise die Aufgabe, die
Zusammensetzung und die Wirkung der vorliegenden Erfindung be
schrieben oder vorgeschlagen.
In den Japanischen Offenlegungsschriften Nr. 55-63237 und
55-63238 ist ein Verfahren beschrieben, um ein Polyurethan-
Material gleichförmig expandieren zu lassen, wobei es eine
Formhöhlung vollständig ausfüllt, indem die Formhöhlung durch
dünne Einkerbungen, die in den Wänden der Formhöhlung gebildet
sind, evakuiert wird. In diesen Patentschriften wird jedoch
vermutlich die Verwendung von Standard-Treibmitteln gelehrt,
da nur herkömmliche Zusammensetzungen beschrieben sind.
In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 56-111648 wird ein
Verfahren zum Schäumen eines Polyurethan-Materials in einer
Atmosphäre von reduziertem Druck beschrieben. Der Patentinha
ber beansprucht, daß dieses Verfahren für eine erforderliche
Verringerung der Menge eines Treibmittels wie Freon sorgt. Ge
mäß diesem Verfahren wird jedoch, wie herkömmlicherweise,
Freon verwendet. Das in dieser Offenlegungsschrift beschrie
bene Verfahren sorgt nicht, wie das Verfahren gemäß der vor
liegenden Erfindung, für die vorteilhafte Beseitigung von
Freon.
In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-164709 wird ein
Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums mit nied
riger Dichte beschrieben, indem ein Polyurethan-Material, das
Wasser als ein Treibmittel enthält, in einer Atmosphäre von
verringertem Druck expandiert wird. Im Unterschied zur vorlie
genden Erfindung wird bei diesem Verfahren nicht beabsichtigt,
einen ISF herzustellen. Die Bildung der Haut ist nicht er
wünscht.
In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 63-268624 wird ein
Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums beschrie
ben, indem man ein Polyurethan-Material Stickstoff-Gas in ei
ner Menge von 2 bis 30 Vol.-% einfangen läßt und indem man das
Material in einer Atmosphäre von reduziertem Druck expandieren
läßt. Es wird nicht gelehrt, daß dieses Verfahren nützlich für
die Herstellung von ISF ist.
In der Japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 64-5528 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums be
schrieben, indem ein hartes Polyurethan-Material in eine eva
kuierte Formhöhlung bei einer Packungsdichte von ungefähr 150
bis 450% eingespritzt wird und das Material darauf folgend ex
pandiert wird, das Polyurethan-Material enthält jedoch ein
Treibmittel, wie Freon.
Die EP-A-0 534 358 offenbart ein Verfahren zum Formschäumen
eines halbharten Integralschaums, bei dem eine Formhöhlung
auf einen Druck von 50 Torr oder darunter evakuiert wird,
dann ein Polyurethan-Material, das im wesentlichen aus einem
Polyol-Bestandteil und einem Isocyanat-Bestandteil besteht
und einen die Urethan-Bildungsreaktion fördernden Katalysator
(Triethylendiamin) und unter 0,4 Gew.-% Wasser enthält,
ansonsten jedoch im wesentlichen keine Schäumungsmittel wie
Freon enthält, eingespritzt wird, und dieses Material
schließlich unter Ausfüllen der Formhöhlung geschäumt wird.
Bei dieser Vorgehensweise wird zum Formschäumen zur Bildung
des Integralschaums die schnelle Expansion geringer Mengen
von in dem Polyurethan-Material absorbiertem Gas bei einem
verringerten Druck von 67 hPa oder darunter ausgenutzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Formschäumen eines ISF mit einer Kernzone mit einem hohen
Schäumungsgrad und niedriger Dichte im wesentlichen ohne, vor
zugsweise vollständig ohne Anwesenheit von Freon zur Verfügung
zu stellen und dadurch ein ökologisch vorteilhafteres Verfah
ren, von dem bezweckt wird, daß es strengere Überwachungsnor
men erfüllt, zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Bildung einer
festen, einstückig ausgebildeten Haut mit einem niedrigen
Schäumungsgrad zur Verfügung zu stellen, wodurch praktisch
keine Blasen übrig bleiben, das ein Produkt bereitstellt, des
sen Oberflächenerscheinung und Griffigkeit so gut sind wie
oder besser als bei einem Produkt sind, das unter Verwendung
herkömmlicher Verfahren, bei denen Freon als ein Treibmittel
enthalten ist, hergestellt wird. Ein Fachmann wird einschät
zen, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Produkt mit verringerten Defekten wie nadelfeinen Löchern,
Lunkern und ungenügender Werkzeugfüllung zur Verfügung stellt,
wodurch die allgemeine Praxis der Überdosierung von Poly
urethan-Material, die zuvor zu einem vermehrten Materialver
lust geführt hatte, beseitigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein verbessertes
Verfahren zum Formschäumen eines halbharten ISF, der eine ein
stückig ausgebildete Haut mit einem niedrigen Schäumungsgrad
und eine Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad enthält, zur
Verfügung gestellt. Das verbesserte Verfahren gemäß der vor
liegenden Erfindung umfaßt die Evakuierung einer Formhöhlung
auf über 67 bis 933 hPa, Einspritzen eines Polyurethan-
Materials, das im wesentlichen aus einem Polyol-Bestandteil
und einem Isocyanat-Bestandteil bei Abwesenheit von Freon
besteht und einen Katalysator, der die Aushärtung verzögert
und mehr als 0,6 bis 3,0 Gewichtsteile Wasser auf 100
Gewichtsteile Polyol-Bestandteil enthält, und Schäumen des
Materials unter Ausfüllen der Formhöhlung.
Die Formhöhlung wird auf einen Druck über 67
bis 933 hPa, vorzugsweise über 67 bis 800 hPa, evakuiert,
und das Polyurethan-Material enthält einen Katalysator, um
seine Aushärtung zu verzögern, und mehr als 0,6 bis 3,0 Ge
wichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil.
Die Evakuierung der Formhöhlung auf 67 hPa oder darunter er
fordert eine lange Zeit, während die Ergebnisse, die von der
Verwendung von verringertem Druck, wie nachstehend beschrie
ben, erwartet werden, schwierig zu erreichen sind, wenn die
Formhöhlung einen Druck hat, der 933 hPa überschreitet und
sich dem atmosphärischen Druck annähert. Der Katalysator kann
ausgewählt sein aus DBU (1,8-Diazabicycloundecen-7), einem
Phenolsalz oder Formiat von DBU und einem Amin-Katalysator-
Salz einer organischen Säure (z. B. Oleat von Triethylen
diamin). Die hinzuzufügende Katalysatormenge beträgt gewöhn
lich 0,01 bis 0,3 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile Polyol-
Bestandteil, obwohl sie von der als Katalysator verwendeten
Substanz, der für den Kernbereich erforderlichen Schäumungsge
schwindigkeit und weiteren, dem Fachmann bekannten Faktoren
abhängen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegt das in die Form
höhlung eingespritzte Polyurethan-Material den folgenden Ver
änderungen, die von einem Teil in der Formhöhlung zum anderen
variieren.
Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der Formhöhlung ent
fernt ist, wird das Polyurethan-Material ausreichend durch die
Schäum- und Expandierwirkung von Wasser und die Wirkung des
Katalysators für die Regelung eines Ungleichgewichts zwischen
Schäumen und Härten des Materials geschäumt, wobei sich eine
Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte
bildet.
(1) Chemisches Schäumen durch die chemische Reaktion von Was
ser
Das Zentrum des Polyurethan-Materials wird heiß
(beispielsweise 70 bis 90°C) aufgrund der durch die Urethan-
Bildungsreaktion zwischen dem Polyol-Bestandteil und dem
Isocyanat-Bestandteil erzeugten Wärme. Diese Reaktionswärme
fördert auch die Reaktion zwischen dem Wasser und dem Iso
cyanat-Bestandteil, wobei Kohlendioxidgas erzeugt wird, das
das Polyurethan-Material schäumt. Da die Formhöhlung evakuiert
ist, expandiert das Kohlendioxidgas nach den Gesetzen von
Boyle und Charles. Der Schäumvorgang des Polyurethan-Materials
wird jedoch mit dem Fortschreiten der Reaktion zur Bildung von
Urethan eingeschränkt, da seine Härtung vorangeht.
Demgemäß wird der Kernbereich durch das gutausgewogene Schäu
men und Härten des Polyurethan-Materials gebildet. Es sind im
allgemeinen die Wassermenge in dem Polyurethan-Material, der
Vakuumgrad in der Formhöhlung, der verwendete Katalysator und
seine Menge, die einen deutlichen Einfluß auf das Schäumen des
Materials haben, und es sind der Katalysator und seine Menge,
die einen deutlichen Einfluß auf die Aushärtung des Materials
haben.
Gemäß der Erfindung wird eine relativ große Menge Kohlendi
oxidgas erzeugt, da das Polyurethan-Material eine relativ
große Wassermenge in dem Bereich über 0,6 bis 3,0 Gewichts
teile enthält. Darüberhinaus wird eine große Menge Kohlendi
oxidgas erzeugt und expandiert vor der Aushärtung des Poly
urethan-Materials, die durch den in dem Material enthaltenen
Katalysator verzögert wird. Daher bildet das Zentrum des Poly
urethan-Materials einen Kernbereich mit einem herausragend ho
hen Schäumungsgrad.
Ein Kernbereich mit variabler Schäumungsgeschwindigkeit kann
hergestellt werden, indem man den Vakuumgrad in der Formhöh
lung, den Wassergehalt in dem Polyurethan-Material, den ver
wendeten Katalysator oder seine Menge variiert.
(2) Physikalisches Schäumen durch Sieden und Verdampfen von
Wasser
Die Formhöhlung wird evakuiert, und dies führt zur Erniedri
gung des Siedepunkts von Wasser. Das Zentrum des Polyurethan-
Materials verbleibt jedoch bei einer hohen Temperatur, wie
vorstehend beschrieben. Wenn die Formhöhlung in großem Maße
evakuiert wird oder die Temperatur des Polyurethan-Materials
absichtlich erhöht wird, kann die Temperatur im Zentrum des
Materials erhöht werden, so daß sie höher ist als der Siede
punkt von Wasser. In diesem Fall siedet das Wasser und ver
dampft unter Erzeugung von Dampf, der zusammen mit dem vorste
hend beschriebenen chemischen Schäumen zum Schäumen der Kern
zone beiträgt.
Das Polyurethan-Material nahe der Wand-Oberfläche der Formhöh
lung wird nicht heißer als die Temperatur des Formwerkzeugs
(gewöhnlich 40 bis 60°C), da die Reaktionswärme von dem Poly
ol-Bestandteil und dem Isocyanat-Bestandteil durch die Wan
doberfläche der Formhöhlung abgeführt wird. In dieser Situa
tion reagiert Wasser kaum mit dem Isocyanat-Bestandteil und
erzeugt daher sehr wenig Kohlendioxidgas. Ferner wird, da die
Formhöhlung evakuiert ist, das Kohlendioxidgas leicht entgast.
Dies führt zur Bildung einer Haut mit einem niedrigen Schäu
mungsgrad, und ihre Oberfläche hat fast unsichtbare winzige
Blasen. Die Haut hat daher eine Oberflächenerscheinung, die so
gut wie oder besser als die eines Produkts ist, das unter Ver
wendung von Freon als einem Treibmittel hergestellt wurde.
Da die Formhöhlung evakuiert wird, ist es weniger wahrschein
lich, daß irgendwelche Defekte wie nadelfeine Löcher, Lunker
und ungenügende Werkzeugfüllung auftreten. Daher ist eine
Überdosierung des Polyurethan-Materials, im Gegensatz zu Ver
fahren unter Verwendung von Freon als Treibmittel, nicht unbe
dingt erforderlich, wodurch Materialverluste verringert wer
den.
Weitere Aufgaben der Erfindung werden offensichtlich bei Ver
stehen der veranschaulichenden Ausführungsformen, die nachste
hend beschrieben sind. Zahlreiche Vorteile, auf die hier nicht
Bezug genommen wird, die aber im Rahmen der vorliegenden Er
findung liegen, werden dem Fachmann bei Ausführung der vorlie
gend beschriebenen Erfindung einfallen. Die folgenden Bei
spiele und Ausführungsformen sind zur Veranschaulichung und
nicht zur Begrenzung des Umfangs der Erfindung zu sehen.
Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein Formwerkzeug und eine Va
kuumkammer (in ihren offenen Positionen) zur Verwendung für
ein RIM einer ISF-Ummantelung für ein Lenkrad gemäß der vor
liegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Draufsicht von oben, die die bewegliche Hälfte
des Formwerkzeugs und das untere Gehäuse der Vakuumkammer
zeigt;
Fig. 3 ist eine Prinzipskizze, die eine Einspritzvorrichtung
zeigt;
Fig. 4 ist ein Querschnitt, der das Formwerkzeug und die Vaku
umkammer, wenn für das RIM geschlossen, zeigt;
Fig. 5 ist eine Seiten-Rißansicht von Fig. 4, die ein Kon
trollfenster zeigt;
Fig. 6 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht von
Fig. 4, die das Kontrollfenster zeigt;
Fig. 7 ist ein Querschnitt des Formwerkzeugs und der Vakuum
kammer, wenn geöffnet, und einer von der Form gelösten ISF-Um
mantelung;
Fig. 8 ist ein teilweise vergrößerter Querschnitt der ISF-Um
mantelung, wie in Fig. 7 gezeigt;
Fig. 9 ist ein Querschnitt, der ein Formwerkzeug und eine Va
kuumkammer (in ihren offenen Positionen) zur Verwendung für
ein RIM einer ISF-Prallplatte für ein Lenkrad gemäß der vor
liegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10 ist ein Querschnitt, der das Formwerkzeug und die Va
kuumkammer, wenn für das RIM geschlossen, zeigt;
Fig. 11 ist ein Querschnitt, aufgenommen entlang der Linie
XI-XI von Fig. 10;
Fig. 12 ist ein teilweise vergrößerter Querschnitt einer form
geschäumten ISF-Prallplatte; und
Fig. 13 ist ein Querschnitt, der ein weiteres Beispiel des
Formwerkzeugs zeigt.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der
Herstellung einer ISF-Ummantelung für ein Lenkrad wird unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschrieben. Wie in den
Fig. 1 bis 3 gezeigt, wird gemäß dieser Ausführungsform
eine Vorrichtung verwendet, die aus einem Formwerkzeug (1)
(zusammengesetzt aus 2 mehrteiligen Werkzeugen), einer Vakuum
kammer (11), die in dem Formwerkzeug (1) angeordnet ist, einer
Vakuumpumpe (20), um die Vakuumkammer (11) zu evakuieren und
einer Einspritzvorrichtung (21), die an der Vakuumkammer (11)
befestigt ist und die zum Einspritzen von Polyurethan-Material
in die Formhöhlung (4) des Formwerkzeugs (1) vorgesehen ist,
aufgebaut ist. Ein Kern (42) eines Lenkrads (41), verwendet
gemäß dieser Ausführungsform, ist aus einem Ring, Speichen und
einer Nabe im Zentrum des Kerns zusammengesetzt. Eine ISF-Um
mantelung (43) wird um den gesamten Ring und einen Teil der
Speichen gebildet.
Das Formwerkzeug (1) ist aus einer oberen festen Hälfte (2)
und einer unteren beweglichen Hälfte (3) aufgebaut. Die zwei
Hälften haben Einkerbungen (4a), die einander gegenüber stehen
und eine kreisförmige Formhöhlung (4) bilden, wenn sie ge
schlossen sind. Im Zentrum des Querschnitts der Formhöhlung
(4) befindet sich der Kern (42) (umfassend den gesamten Ring
und einen Teil der Speiche). Die Oberfläche (2a) der PL
(Gratlinie) der festen Hälfte (2) und die Oberfläche (3a) der
PL der beweglichen Hälfte (3) sind vertieft, wobei sich ein
Angußkanal (6), ein Angußverteiler (7) und ein Anschnitt (8),
durch die das Polyurethan-Material in die Formhöhlung (4) ein
gespritzt wird, bilden. Der Anschnitt (8) öffnet sich auf dem
äußeren Rand der Einkerbung (4a) (an der linken Seite in Fig.
2). Bei Einspritzen in die Formhöhlung (4) durch den Anschnitt
(8) fließt das Polyurethan-Material M in zwei Richtungen in
die Formhöhlung (4), und die zwei Ströme treffen sich an der
Position L (an der rechten Seite in Fig. 2), wo die Füllung
der Formhöhlung beendet ist.
Ein Loch zur Be- und Entlüftung (5) ist an der End-Befüllungs
position L in der festen Hälfte (2) gebildet. Das Loch zur Be- und
Entlüftung (5) hat gewöhnlich einen Durchmesser von 1 bis
10 mm. Bei einem Durchmesser kleiner als 1 mm führt das Loch
zur Be- und Entlüftung (5), wenn die End-Befüllungsposition L
des Polyurethan-Materials schwankt, Be- und Entlüftung nicht
nach Wunsch aus. Bei einem Durchmesser größer als 10 mm hin
terläßt das Loch zur Be- und Entlüftung (5) einen bemerkbaren
Lüftungs-Abdruck, was das geformte Produkt schlecht aussehen
läßt. Das Loch zur Be- und Entlüftung (5) gemäß dieser Ausfüh
rungsform ist ein gerades Loch zur Be- und Entlüftung, 15 mm
lang und mit 3 mm Durchmesser. Wenn das Formwerkzeug geschlos
sen ist, gibt es einen Abstand von ungefähr 0,03 bis 0,06 mm
(aufgrund der Begrenzung der Bearbeitungsgenauigkeit) zwischen
den PL-Oberflächen (2a) und (3a) über den gesamten Rand der
Formhöhlung (4). Dieser Abstand wirkt als ein Lüftungssteg zum
Be- und Entlüften, näher nachstehend beschrieben.
Innerhalb jeder Einkerbung (4a) der festen Hälfte (2) und der
beweglichen Hälfte (3) sind zusammenpassende Teile (31), um
die zwei Hälften auszurichten, und eine Einbuchtung (32) und
ein Sockel (33), um die Nabe des Kerns (42) in Position zu
halten. Der Sockel (33) ist mit einem Auswerferbolzen (34)
versehen, um das formgeschäumte Lenkrad (41) zu lösen.
Das Formwerkzeug (1) kann aus Aluminium oder wegen der Wirt
schaftlichkeit durch Elektroformung nach bekannten Verfahren
hergestellt sein, vorausgesetzt, daß das Formwerkzeug einem
Schäumdruck von ungefähr 50 bis 500 kPa standhalten wird.
Die Vakuumkammer (11) ist aus einem oberen Gehäuse (12), an
das die feste Hälfte (2) befestigt ist, und einem unteren Ge
häuse, an das die bewegliche Hälfte (3) befestigt ist, aufge
baut. Eine Einbaukerbe, gebildet in der zusammenpassenden
Oberfläche des oberen Gehäuses (12), ist mit einem abdichten
den O-Ring (14) ausgestattet, der die verschlossene Vakuumkam
mer (11) luftdicht macht. Das untere Gehäuse (13) ist mit ei
ner Saugöffnung (16) versehen, die mit einer Vakuumpumpe (20)
durch einen Saugschlauch (15) und ein Dosierventil (17), wie
in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, verbunden ist. Die Vakuumkam
mer (11) ist so aufgebaut, daß sie das Formwerkzeug (1) auf
nehmen kann, das in der Vakuumkammer einen Raum K bildet. Der
Raum K hat ein größeres Volumen als die Formhöhlung (4).
Das untere Gehäuse (13) der Vakuumkammer (11) ist mit einem
Kontrollfenster (51) ausgestattet, das die Umgebung des Lochs
zur Be- und Entlüftung (5) von der Außenseite des unteren Ge
häuses (13) sichtbar macht, wie in den Fig. 5 und 6 ge
zeigt. Das Kontrollfenster (51) ist aus einer in dem unteren
Gehäuse (13) gebildeten Öffnung (52), einer transparenten
Platte (54) aus Glas oder Kunststoff, die gegen die Innenseite
des unteren Gehäuses (13) gepreßt wird, wobei sich ein Dich
tungsring zwischen der transparenten Platte und der Innenseite
des unteren Gehäuses befindet, so daß die Öffnung (52) von der
Innenseite geschlossen wird, und einem Gestell (56) aufgebaut,
das an das untere Gehäuse (13) durch Bolzen (55) befestigt
ist, so daß es den Rand der transparenten Platte (54) drückt.
Es ist erwünscht, eine Abdichtung (57) zwischen das Gestell
(56) und die transparente Platte (54) zu legen und zwischen
das Gestell (56) und das untere Gehäuse (13).
Die feste Hälfte (2) und das obere Gehäuse (12) sind ein
stückig aufgebaut, und die bewegliche Hälfte (3) und das un
tere Gehäuse sind auch einstückig aufgebaut. Das untere Ge
häuse (13) ist mit der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders
(nicht gezeigt) verbunden, so daß es gehoben und gesenkt wird,
wenn das Formwerkzeug geschlossen und geöffnet wird. Zur Zeit
der Formschließung wird das untere Gehäuse (13) gehoben, bis
sein Rand den Rand des oberen Gehäuses (12) berührt.
Die Einspritzvorrichtung (21), wie in Fig. 3 gezeigt, ist aus
einem Lagerbehälter (25) für eine Polyolmischung, einem Lager
behälter (26) für einen Isocyanat-Bestandteil, einem Mischkopf
(22) und zwei Leitungen (29), die jeweils den Lagerbehälter
und den Kopf durch eine Hochdruckpumpe (27) und Filter (28)
verbinden, aufgebaut. Dieser Aufbau läßt das Mischen und den
Kreislauf der Polyolmischung und des Isocyanat-Bestandteils
zu. Der Mischkopf (22), wie in Fig. 1 gezeigt, ist mit einer
Spritzdüse (23) ausgestattet, die mit dem Angußkanal (6) des
Formwerkzeugs (1) durch O-Ringe (24) verbunden werden kann.
Ein gemäß dieser Ausführungsform verwendetes Polyurethan-Mate
rial besteht im wesentlichen aus einem Polyol-Bestandteil und
einem Isocyanat-Bestandteil, bei Abwesenheit von Freon, und
enthält einen Katalysator, um ein gutes Gleichgewicht zwischen
Schäumen und Härten des Materials zu erzielen, und nicht mehr
als 3,0 Gewichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Be
standteil.
Der Verfahrensablauf gemäß dieser Ausführungsform wird nach
stehend beschrieben.
Zuerst wird bei offenem Formwerkzeug (1), wie in Fig. 1 ge
zeigt, der Kern (42) in die bewegliche Hälfte (3), wie in
Fig. 2 gezeigt, eingebaut. Das Formwerkzeug (1) wird unter Bil
dung der Formhöhlung (4) geschlossen, und fast gleichzeitig
wird die Vakuumkammer (11) luftdicht verschlossen, wie in
Fig. 4 gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird das untere
Gehäuse (13) durch die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders
(nicht gezeigt) gehoben, bis die Dichtung (14) das obere Ge
häuse (12) berührt, so daß die Vakuumkammer (11) luftdicht
verschlossen wird, und gleichzeitig werden die feste Hälfte
(2) und die bewegliche Hälfte (3) geschlossen. Übrigens ist es
möglich, das Formwerkzeug (1) und die Vakuumkammer (11) unab
hängig unter Verwendung separater Hydraulikzylinder zu schlie
ßen und zu öffnen, so daß es auch möglich ist, das Formwerk
zeug (1) und die Vakuumkammer (11) gleichzeitig oder getrennt
zu schließen und zu öffnen.
Dann wird die Vakuumpumpe (20) in Gang gesetzt, um den Raum K
in der Vakuumkammer (11) auf 700 Torr oder niedriger durch die
Saugöffnung (16) zu evakuieren. Während dieses Schritts steht
die Formhöhlung (4) durch den Angußkanal (6), den Abstand zwi
schen den PL-Oberflächen (2a) und (3a) und das Loch zur Be- und
Entlüftung (5) in Verbindung mit dem Raum K in der Vakuum
kammer (11). Daher wird auch die Formhöhlung (4) auf fast den
selben Vakuumgrad wie in dem Raum K evakuiert. Während die
Evakuation fortgesetzt wird, wird das Polyurethan-Material M
für das RIM in die Formhöhlung (4) durch die Spritzdüse (23),
wie in Fig. 4 gezeigt, eingespritzt. Das Einspritzvolumen be
trägt gewöhnlich 1/4 bis 3/4 des Volumens der Formhöhlung (4).
Die Einspritzdauer beträgt 2 bis 4 Sekunden. Der Raum K, der
mit der Formhöhlung (4) durch den Abstand zwischen den PL-
Oberflächen (2a) und (3a) in Verbindung steht, wirkt als ein
Speicher. Daher verhindert der Raum K, daß der Druck in der
Formhöhlung (4) steigt, wenn das Polyurethan-Material M
schäumt.
Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der Formhöhlung und dem
Kern (42) entfernt ist, bildet das eingespritzte Polyurethan-
Material M aufgrund des vorstehend beschriebenen Schäum-Vor
gangs eine Kernzone (45) mit einem hohen Schäumungsgrad und
niedriger Dichte (wie in Fig. 8 gezeigt). Das Polyurethan-Ma
terial M nahe der Wandoberfläche der Formhöhlung bildet durch
das vorstehend beschriebene Entgasen eine feste, einstückig
ausgebildete Haut (44) mit einem niedrigen Schäumungsgrad, so
daß praktisch keine Blase übrigbleibt (wie in Fig. 8 ge
zeigt). Das Polyurethan-Material M nahe dem Kern (42) bildet
durch das vorstehend beschriebene Entgasen auch eine feste
Klebstoffschicht (47) mit einem niedrigen Schäumungsgrad (wie
in Fig. 8 gezeigt). Gewöhnlich ist die Klebstoffschicht (47)
geringfügig dünner als die Haut (44).
Wenn das Polyurethan-Material M in die Formhöhlung fließt,
verschließt es den Abstand zwischen den PL-Oberflächen (2a)
und (3a). Die Reaktionsgeschwindigkeit des Polyurethan-Mate
rials M wird so gesteuert, daß, sobald das vordere Ende des
fließenden Polyurethan-Materials M die End-Befüllungsposition
L erreicht und geringfügig von dem Loch zur Be- und Entlüftung
(5) ausbläst, es unter Verschließen des Lochs zur Be- und Ent
lüftung (5) aushärtet.
Gemäß dieser Ausführungsform kann man durch das Kontrollfen
ster (51) von der Außenseite der Vakuumkammer (11) beobachten,
was in der Umgebung des Lochs zur Be- und Entlüftung (5) ge
schieht, wie in Fig. 5 gezeigt. Das heißt, man kann sehen,
wie das Polyurethan-Material M von dem Loch zur Be- und Ent
lüftung (5) ausbläst oder schäumt, während die Vakuumkammer
(11) geschlossen gehalten wird.
Ein zusätzlicher Effekt beim Evakuieren der Formhöhlung (4)
ist, daß das Polyurethan-Material M Hinterschneidungen und
Verzweigungen in der Formhöhlung (4) vollständig ausfüllt.
Ferner werden in dem Polyurethan-Material absorbierte Gase
entgast, wobei sie durch das Loch zur Be- und Entlüftung (5)
und den Abstand zwischen den PL-Oberflächen (2a) und (3a) ent
laden werden. Daher ist eine Überdosierung des Polyurethan-Ma
terials, im Gegensatz zu Verfahren unter Verwendung von Freon
als Treibmittel, nicht unbedingt erforderlich, wodurch Materi
alverluste verringert werden.
Wenn das Polyurethan-Material M in der Formhöhlung gehärtet
ist, wird das Formwerkzeug (1) geöffnet und gleichzeitig wird
die Vakuumkammer (11) geöffnet, wie in Fig. 7 gezeigt. Der
Formöffnungs-Vorgang ist mit dem Auswerferbolzen (34) verkup
pelt, der das fertiggestellte Lenkrad (41) mit der ISF-Umman
telung (43) automatisch freisetzt.
Gemäß dem Verfahren und dem Material dieser Ausführungsform
können die folgenden Effekte, die für das Formschäumen der
ISF-Ummantelung (43) für das Lenkrad (41) besonders geeignet
sind, erhalten werden. Das Polyurethan-Material M wird auf
grund des langen Rings des Kerns (42) einer Turbulenz unter
worfen, und Turbulenz verursacht normalerweise Defekte wie na
delfeine Löcher, Lunker und ungenügende Werkzeugfüllung. Gemäß
dieser Ausführungsform jedoch ist das Polyurethan-Material M
weniger anfällig für Turbulenzen, da die Formhöhlung (4) eva
kuiert wird. Dies erlaubt einem, die Position des Anschnitts
(8) freier auszuwählen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der
Anschnitt (8) auf dem äußeren Rand des Rings, und es gibt nur
ein Loch zur Be- und Entlüftung (5). Das eingespritzte Poly
urethan-Material M fließt normalerweise in zwei Richtungen,
und die zwei Ströme treffen sich an der End-Befüllungsposition
L, wie vorstehend beschrieben. Der Strom in dieser Weise er
zeugte gewöhnlich eine Schweißmarkierung an dem Treffpunkt und
schloß Gase ein, was zu Defekten wie nadelfeinen Löchern, Lun
kern und ungenügender Werkzeugfüllung führte. Gemäß dieser
Ausführungsform wird dieses Problem jedoch gelöst, da die
Formhöhlung evakuiert wird und das Polyurethan-Material am
Treffpunkt durch das Loch zur Be- und Entlüftung (5) ausbläst.
Gemäß dieser Ausführungsform klebt die ISF-Ummantelung (43)
fest an dem Ring des Kerns (42), da die feste Klebstoffschicht
(47), die sehr wenige winzige Blasen enthält, auf der Oberflä
che des Kerns (42) gebildet wird.
Jedes Polyurethan-Material von den in der folgenden Tabel
le 1 gezeigten Zusammensetzungen wurde für jedes der Bei
spiele 1 bis 3, die innerhalb des Rahmens des Verfahrens fal
len, das die vorliegende Erfindung ausführt, hergestellt und
verwendet, wobei die Vorteile dieser Verfahren gegenüber dem
Vergleichsbeispiel 1, das nicht innerhalb des Rahmens
des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt, festgestellt wurden.
Das verwendete Polyetherpolyol war eine Mischung, die aus
gleichen Anteilen eines bifunktionellen Polyetherpolyols mit
einem Molekulargewicht von 4000 und eines trifunktionellen
Polyetherpolyols mit einem Molekulargewicht von 6000 bestand.
Triethylendiamin war ein Katalysator, der herkömmlicherweise
verwendet wurde, um sowohl Schäumen als auch Härten zu för
dern, und er wurde gewöhnlich in der Menge von 0,5 bis 1,0 Ge
wichtsteilen auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils
hinzugefügt.
Zusätzlich zu dem Triethylendiamin wurde DBU in Beispiel 1 als
ein Katalysator, um die Aushärtung des Polyurethan-Materials
zu verzögern, verwendet; ein Phenolsalz von DBU in Beispiel 2;
und ein Formiat von DBU in Beispiel 3. Kein Katalysator zur
Verzögerung seiner Aushärtung wurde in Vergleichsbeispiel 1
verwendet.
In jedem Beispiel oder Vergleichsbeispiel wurde die Formhöh
lung (4) auf den in der Tabelle 1 angezeigten
Vakuumgrad evakuiert, und jedes Polyurethan-Material wurde un
ter Schäumen und dadurch Bildung der ISF-Ummantelung (43) für
das Lenkrad in die Formhöhlung (4) eingespritzt.
Zusammensetzung des Polyurethan-Materials und
Vakuumgrad der Formhöhlung
Die Dichte der Kernzone (45) von jeder formgeschäumten ISF-Um
mantelung (43) wurde untersucht. In jedem der Beispiele 1 bis
3 zeigte die Kernzone (45) niedrige Dichte mit einem hohen
Schäumungsgrad, d. h. 0,5 g/cm³, 0,3 g/cm³ bzw. 0,2 g/cm³,
während sie in Vergleichsbeispiel 1 eine Dichte von 0,7 g/cm³
hatte, wie in Tabelle 1 gezeigt.
Jeder der einstückig ausgebildeten Hautbereiche (44), wie ge
mäß den Beispielen 1 bis 3 geformt, hatte sehr wenige winzige
Blasen auf seiner Oberfläche und hatte eine Oberflächener
scheinung und Griffigkeit, die so gut sind wie oder besser als
bei einem Produkt sind, das unter Verwendung von Freon als ei
nem Treibmittel hergestellt worden ist.
Bezug wird nun auf die Fig. 9 bis 12 genommen, die eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, die
zum Formschäumen einer ISF-Prallplatte für ein Lenkrad verwen
det wird. Die gemäß dieser Ausführungsform verwendete Form
schäumvorrichtung unterscheidet sich von der für die erste
Ausführungsform verwendeten Vorrichtung insofern, als daß eine
Formhöhlung (4) zum Formschäumen einer ISF-Prallplatte zwi
schen einer Einbuchtung in einer beweglichen Hälfte (3) und
einem Vorsprung auf einer festen Hälfte (2) definiert ist, und
daß ein unteres Gehäuse (13) mit einer Abdichtung (14) verse
hen ist, die daran angepaßt ist, seinen oberen Teil zu berüh
ren. In jeder anderen Hinsicht sind die zwei Vorrichtungen im
Aufbau im wesentlichen identisch und ähnliche Bezugszeichen
sind daher zur Bezeichnung ähnlicher Teile durch alle Zeich
nungen, die die zwei Vorrichtungen zeigen, hindurch verwendet,
so daß keine wiederholte Beschreibung vorgesehen ist.
Das Polyurethan-Material M ist dasselbe wie gemäß der ersten
Ausführungsform.
Das Polyurethan-Material M wird für das RIM in die auf
933 hPa oder niedriger evakuierte Formhöhlung (4)
eingespritzt. Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der
Formhöhlung entfernt liegt, bildet das eingespritzte
Polyurethan-Material M eine Kernzone (38) mit einem
herausragend hohen Schäumungsgrad (wie in Fig. 12 gezeigt),
während das Polyurethan-Material M nahe der Wandoberfläche
eine feste, einstückig ausgebildete Haut (39) mit einem
niedrigen Schäumungsgrad bildet, so daß praktisch keine Blasen
übrig bleiben (wie in Fig. 12 gezeigt). So hat eine so
formgeschäumte ISF-Prallplatte (37) eine überlegene
Erscheinung und bessere physikalische Eigenschaften.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden dieselben Vorteile
wie gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
bereitgestellt.
Es ist verständlich, daß verschiedene Veränderungen und Modi
fikationen bei der Erfindung gemacht werden können.
Obwohl die Vorrichtung gemäß der Ausfüh
rungsformen aus dem Formwerkzeug (1) und der Vakuumkammer
(11), die voneinander getrennt sind, aufgebaut ist, kann das
Formwerkzeug von einer Doppel-Wandstruktur sein, wobei die äu
ßere Wand als die Vakuumkammer (11) wirkt, so daß der Raum in
dem Formwerkzeug einstückig mit dem Formwerkzeug gebildet ist.
Es ist möglich, eine Einkerbung (9) überall oder in Teilen des
Rands der Formhöhlung (4) des Formwerkzeugs (1) zu bilden, wie
in Fig. 13 gezeigt, so daß die Formhöhlung (4) durch diese
Einkerbung (9) evakuiert wird. In diesem Fall wirkt die Ein
kerbung (9) als der Raum. Diese Einkerbung (9) kann entweder
in der festen Hälfte (2), der beweglichen Hälfte (3) oder in
beiden gebildet sein. Es ist erwünscht, daß die Einkerbung (9)
durch eine Abdichtung (10) von der Atmosphäre isoliert ist.
Obwohl das in den vorstehend erwähnten Ausführungsformen ver
wendete Formwerkzeug ein Loch zur Be- und Entlüftung (5) hat,
ist es möglich, das Formwerkzeug durch eines von einem anderen
Typ mit einem porösen Kern anstelle des Lochs zur Be- und Ent
lüftung zu ersetzen, wobei der poröse Kern mit der Formhöhlung
abschließt und an einer Stelle positioniert ist, die das ein
gespritzte Polyurethan-Material am Ende erreicht. Der poröse
Kern läßt zu, daß das eingespritzte Polyurethan-Material ent
gast wird, bevor der Formschäum-Vorgang beendet ist. Das Form
werkzeug ist nicht auf das aus Metall beschränkt; sondern es
kann durch ein keramisches Formwerkzeug oder Harz-Formwerkzeug
ersetzt werden, das dem Schäumdruck standhält.