DE69131608T2

DE69131608T2 - Vorrichtung zum Formen von Polyurethanschaum

Info

Publication number: DE69131608T2
Application number: DE69131608T
Authority: DE
Inventors: Hidenobu Okano; Katsunori Watanabe
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1990-06-12
Filing date: 1991-06-04
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: EP0461522A3; JPH07102583B2; EP0678367B1; CA2044232C; EP0678367A1; DE69122804D1; DE69131608D1; CA2044232A1; US5589202A; JPH04226313A; EP0461522A2; EP0461522B1; US5464582A; DE69122804T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formen eines Polyurethanschaumes. Die Vorrichtung ist zum Reaktiv-Spritzgießen (abgekürzt RIM) von Polyurethanschäumen geeignet, beispielsweise für Lenkräder von Kraftfahrzeugen, Lenkradkissen, Instrumentenpaneele, Konsolenkastendeckel, Handschuhkastendeckel, Kopfstützen, Armstützen und Airspoiler.
Polyurethanschäume werden normalerweise hergestellt, indem ein flüssiges Polyurethanmaterial, das aus einer Polyolkomponente, einer Isocyanatkomponente und einem Blasmittel besteht, in den Formhohlraum eingespritzt, das Polyurethanmaterial expandieren gelassen, damit es fließen und den Formhohlraum füllen kann, und der Polyurethanschaum nach dem Aushärten entformt wird. Zu den bekannten Blasmitteln gehören Fluorchlorkohlenwasserstoffe (beispielsweise Freon, Marke von DuPont), Methylenchlorid und Wasser. Ein geeignetes Blasmittel wird in Abhängigkeit von der Verwendung und der Art des herzustellenden Polyurethanschaumes ausgewählt. Freon und Methylenchlorid (bei denen es sich um Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt handelt) expandieren das Polyurethanmaterial, wenn es durch die durch die Reaktion zwischen dem Polyol und den Isocyanatkomponenten erzeugte Wärme verdampft wird, während Wasser das Polyurethanmaterial expandiert, wenn es bei Reaktion mit der Isocyanatkomponente Kohlendioxidgas erzeugt.
Bislang waren Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt (wie Freon und Methylenchlorid) die einzigen Blasmittel, die zum Formen von Polyurethanschäumen, beispielsweise für Lenkräder von Kraftfahrzeugen und Lenkradkissen, verwendet werden konnten, die aus einer Oberflächenhautschicht hoher Dichte (ohne Expansion oder mit einem geringen Expansionsverhältnis) und einem inneren Kern (mit hohem Expansionsverhältnis) bestehen. Hierfür sind zwei Gründe maßgebend.
(1) Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt (wie Freon und Methylenchlorid) ermöglichen es, den Grad des Aufschäumens durch Verdampfung mit Hilfe des Temperaturgradienten und Druckgradienten im Formhohlraum zu steuern, so daß auf diese Weise die Hautschicht und der Kernteil in einfacher Weise separat hergestellt werden können. Der entstandene Polyurethanschaum besitzt somit eine gute Erscheinungsform und einen weichen Griff.
(2) Wasser als Blasmittel besitzt diverse Nachteile. Wenn es in geringen Mengen verwendet wird (beispielsweise 0,1- 1,0 Gewichtsteilen für 100 Gewichtsteile der Polyolkomponente), entwickelt es nur eine geringe Menge an Kohlendioxidgas, so daß ein Schaum mit einem Kern hoher Dichte entsteht. Hierdurch muß eine größere Menge an Polyurethanmaterial verwendet werden als erforderlich. Im Gegensatz dazu entwickelt Wasser beim Einsatz in großer Menge (beispielsweise 1,0-2,0 Gewichtsteile für 100 Gewichtsteile der Polyolkomponente) eine ausreichende Menge an Kohlendioxidgas, was zu einem Schaum führt, der einen Kern mit niedriger Dichte sowie eine stark expandierte Hautschicht besitzt, die ein schlechtes Aussehen aufweist. Darüber hinaus bildet das Kohlendioxidgas eine große Menge an Harnstoffverbindungen, die den Kern hart und spröde machen und somit bewirken, daß sich der Schaum als ganzes steif anfühlt. Das mit der steifen Konsistenz verbundene Problem kann gelöst werden, indem eine geeignete Zusammensetzung für die Polyolkomponente und die Isocyanatkomponente ausgewählt wird. Dies ist jedoch wegen der hohen Materialkosten nicht praktikabel.
Wie vorstehend erwähnt, besitzen Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt (wie beispielsweise Freon und Methylenchlorid) viele Vorteile und finden Verwendung als wesentliches Blasmittel zum Formen von Polyurethanschäumen, die aus einer Hautschicht und einem Kernteil bestehen.
Trotz ihrer Vorteile ist gegen die Verwendung von Freon und Methylenchlorid in neuerer Zeit eine weltweite Kampagne geführt worden. Es wird argumentiert, daß Freon, wenn es einmal freigegeben ist, in die Atmosphäre diffundiert und die Ozonschicht der Stratosphäre zerstört, was zu einem Anstieg der die Erdoberfläche erreichenden UV-Strahlung führt. Methylenchlorid wird als toxisch und karzinogen angesehen.
Die GB-A-2 092 509 beschreibt eine Vorrichtung zum Formen eines Polyurethanschaumes mit einer Form, die aus mindestens zwei Formteilen besteht, die geöffnet und geschlossen werden und einen Hohlraum bilden, einer die Form umgebenden Vakuumbox, einem zwischen der Form und der Vakuumbox gebildeten Raum, einer Druckentlastungseinrichtung, die mit dem Raum in Verbindung steht, einem Mechanismus zum Einspritzen eines Polyurethanmateriales in den Hohlraum und einer Vielzahl von Entlüftungslöchern zur Verbindung des Hohlraumes mit dem Raum. Viele Entlüftungslöcher sind vor gesehen und über die Oberseite der mehrteiligen Form verteilt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Vorrichtung zur Herstellung eines Polyurethanschaumes zu schaffen, bei der nicht auf Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt (wie Freon und Methylenchlorid) zurückgegriffen wird, die die vorstehend aufgezeigten Probleme bei der Verwendung als Blasmittel bereiten, und bei der ein Polyurethanschaum mit gutem Aussehen und weichem Griff so hergestellt werden kann, als ob er mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt als Blasmittel hergestellt worden wäre.
Die japanischen Offenlegungsschriften 63237/1980 und 63238/1980 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanschaumes, bei dem die Form über eine kleine Nut, die in der Form ausgebildet und an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, evakuiert wird. Mit diesem Verfahren soll ein einheitlicher starrer Polyurethanschaum hergestellt werden, der frei von Hohlräumen und Blasen in der Oberflächenschicht ist. Hiermit soll jedoch nicht der Einsatz von Freon (wie bei der vorliegenden Erfindung) vermieden werden. Des weiteren wird keine Substanz als Blasmittel angegeben. Es ist nur möglich zu spekulieren, daß Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, wie Freon, als Blasmittel eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die Menge des verwendeten Blasmittels (die einen wichtigen Faktor bei der vorliegenden Erfindung darstellt) nicht angegeben. Es wird auch nicht auf die Beziehung zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Blasmittel eingegangen. Mit anderen Worten, diese japanischen Veröffentlichungen offenbaren oder schlagen in keiner Weise Zielsetzung, Lösung und Wirkung der vorliegenden Erfindung vor.
Von den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, die hälftig die Vakuumbox und Form (im offenen Zustand) zeigt, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung finden;
Fig. 2 eine Schnittansicht, die hälftig die Vakuumbox und Form (im geschlossenen Zustand) der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Schnitt in Richtung der Pfeile entlang Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 eine Schnittansicht der Vakuumbox und der Form (im offenen Zustand), die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung finden:
Fig. 5 eine Draufsicht auf das untere Gehäuse der Vakuumbox und die bewegliche Hälfte der Form (im offenen Zustand), die in Fig. 4 gezeigt ist;
Fig. 6 eine Schnittansicht, die das untere Gehäuse der Vakuumbox und die bewegliche Hälfte der in Fig. 4 gezeigten Form zeigt (im geschlossenen Zustand zur Durchführung des Formvorganges);
Fig. 7 eine Schnittansicht, die das entformte Lenkrad bei geöffneter Form zeigt;
Fig. 8 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die das geformte Lenkrad zeigt; und
Fig. 9 eine Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel der modifizierten Form zeigt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorrichtung zum Formen eines Polyurethanschaumes gemäß Patentanspruch 1 erreicht.
Bei der Vorrichtung zum Formen eines Polyurethanschaumes ist die Druckabsenkeinrichtung in der Lage, den atmosphärischen Druck im Hohlraum abzusenken, und ein Entlüftungsmechanismus öffnet und schließt die endgültige Einfüllposition des Hohlraumes gegenüber der Druckabsenkeinrichtung.
Die Druckabsenkeinrichtung umfaßt eine Vakuumbox, die die Form umgibt, wobei dazwischen ein Raum angeordnet ist, und eine mit der Vakuumbox verbundene Vakuumpumpe.
Die Druckabsenkeinheit kann eine Nut aufweisen, die im Umfang des Formhohlraumes ausgebildet ist, um einen Raum auszubilden, wenn die Form geschlossen ist, sowie eine mit der Nut in Verbindung stehende Vakuumpumpe.
Der Entlüftungsmechanismus umfaßt ein Entlüftungsloch, das an der endgültigen Einfüllposition des Formhohlraumes angeordnet ist. Ein Hydraulikzylinder kann mit einem Stopfen zum Öffnen und Schließen des Entlüftungsloches versehen sein.
Die Vorrichtung umfaßt des weiteren eine Steuereinrichtung, die die endgültige Einfüllposition gegenüber der Druckabsenkeinrichtung für eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Einspritzen des Polyurethanmateriales in den Hohlraum schließt und die endgültige Einfüllposition nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer gegenüber der Druckabsenkeinheit öffnet.
Das Polyurethanmaterial erfährt eine Veränderung, die im Hohlraum von Position zu Position variiert.
Am mittleren Teil, der von der Formoberfläche entfernt ist, expandiert das Polyurethanmaterial in ausreichender Weise, um durch die Aufschäum- und Expansionswirkung durch das Wasser, die nachfolgend erläutert werden, den Kern mit niedriger Dichte auszubilden.
Zur weiteren Beschreibung des Formverfahrens und des Schaummechanismus wird auf die Veröffentlichung der Stammanmeldung, die EP-A-461 522 verwiesen.
Die Vorrichtung ist mit einer Druckabsenkeinheit zum Absenken des atmosphärischen Drucks im Hohlraum während des Formens eines Polyurethanschaumes versehen.
Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die Vakuumbox der Druckabsenkeinheit die Form umgibt, wobei dazwischen ein Freiraum angeordnet ist. Die Vakuumbox wird über eine Vakuumpumpe evakuiert, so daß Luft vom Hohlraum über den Spalt (Entlüftungssteg) zwischen den passenden Formflächen oder durch den Entlüftungsmechanismus entweicht. Die die Form umgebende Vakuumbox verhindert, daß Luft in den evakuierten Formhohlraum eindringt. Der Freiraum zwischen der Vakuumbox und der Form wirkt als Puffer für die Evakuierung.
Der Umfang des Formhohlraumes kann mit einer Nut versehen sein, die als Freiraum im geschlossenen Zustand der Form wirkt. Hierdurch wird die Vakuumbox in der Vorrichtung vermieden und somit zur Reduzierung der Größe der Formvorrichtung beigetragen. Darüber hinaus wird hierdurch auch das Volumen des Freiraumes reduziert, wodurch die für die Evakuierung erforderliche Zeit verringert wird.
Der Entlüftungsmechanismus hat eine einfache Konstruktion, die sicher funktioniert.
Die Steuereinrichtung steuert den Entlüftungsmechanismus derart, daß er die endgültige Einfüllposition gegenüber der Druckabsenkeinheit über eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Einspritzen des Polyurethanmateriales in den Hohlraum schließt. Diese Anordnung ermöglicht, daß der atmosphärische Druck im Hohlraum spontan hochgehalten werden kann, wenn das Polyurethanmaterial fließt. Die Steuereinrichtung steuert den Entlüftungsmechanismus derart, daß dieser die endgültige Einfüllposition gegenüber der Druckabsenkeinheit nach dem Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer öffnet. Durch diese Anordnung wird vom Hohlraum das Vorderende des Polyurethanmaterialflusses, der sich über die endgültige Einfüllposition hinaus erstreckt, abgeführt. Daher trägt diese Vorrichtung zur praktischen Durchführung des Formverfahrens bei.

BEISPIELE

Beispiel 1

Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das das Formen eines Lenkradkissens betrifft, wird in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben, die die bei diesem Beispiel verwendete Formvorrichtung zeigen. Die Formvorrichtung besteht aus einer Form 1 (aus zwei Teilformen), einer Vakuumbox 11, die die Form 1 umgibt, wobei zwischen der Vakuumbox und der Form ein Raum K gebildet wird, einem Mechanismus 21, der an der Vakuumbox 11 befestigt ist und das Polyurethanmaterial in den Hohlraum 4 der Form 1 einspritzt, und einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) zum Evakuieren der Vakuumbox 11. Jedes Teil wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
Die Form 1 besitzt ein Entlüftungsloch 5 in der endgültigen Füllposition L des Polyurethanmateriales im Hohlraum 4. Genauer gesagt, die Form 1 besteht aus zwei Teilformen, d. h. einer stationären Form 2 und einer beweglichen Form 3. Die Teilformen bilden im geschlossenen Zustand den Hohlraum 4. Sie besitzen Nuten auf ihren Paßformflächen 2a und 3a, die im geschlossenen Zustand einen Einspritzstutzen 6, einen Einspritzkanal 7 und einen Einspritzspalt 8 bilden, durch die das Polyurethanmaterial fließt. Wenn die Teilformen geschlossen sind, bilden die Formpaßflächen 2a und 3a Luftabführstege mit einem Spalt von 0,03-0,06 mm (der durch die beschränkte Bearbeitungsgenauigkeit unvermeidbar ist) entlang dem gesamten Umfang des Hohlraumes 4. Die Luftabführstege ermöglichen eine Entgasung (später erwähnt).
Das Entlüftungsloch 5 besitzt einen Durchmesser von 1- 10 mm, Mit einem kleineren Durchmesser als 1 mm ermöglicht das Entlüftungsloch 5 keine vollständige Entgasung (da die endgültige Füllposition des Polyurethanmateriales schwankt).
Mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm hinterläßt das Entlüftungsloch 5 eine unschöne Markierung nach dem Entformen. Bei der Form 1 kann es sich um eine billige Aluminiumform oder um eine elektrogeformte Form handeln, da sie keinen hohen Druck aushalten muß (der Schaumbildungsdruck beträgt üblicherweise 50-500 kPa).
Die Vakuumbox 11 ist groß genug, um die Form 1 zu umschließen und den Raum K zwischen der Form 1 und der Vakuumbox 11 zu bilden. Genauer gesagt, die Vakuumbox 11 besteht aus einem oberen Gehäuse 12, an dem die stationäre Form 2 befestigt ist, und einem unteren Gehäuse 13, an dem die bewegliche Form 3 fixiert ist. Am Umfang des unteren Gehäuses 13 ist ein Dichtungselement (O-Ring) 14 angeordnet, um das dichte Schließen der Vakuumbox 11 zu erleichtern. Das untere Gehäuse 13 ist mit einer Ansaugöffnung 16 versehen, die über einen Ansaugschlauch 15 mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Das obere Gehäuse 12 ist mit einem Luftzylinder 19 zur vertikalen Betätigung eines Stopfens 18, der das Entlüftungsloch 5 öffnet und schließt, versehen (dies ist jedoch nicht zwingend).
Der Einspritzmechanismus 21 besteht aus einem Mischkopf 22 und einer Einspritzdüse 23. Die Einspritzdüse 23 ist über O-Ringe 24 an den Einspritzstutzen 6 der Form 1 angeschlossen. Der Mischkopf 22 ist an einen Polyoltank und einen Isocyanattank (beide nicht gezeigt) über Hochdruckpumpen und Umwälzrohre angeschlossen, so daß die Polyolkomponente und die Isocyanatkomponente zum Zeitpunkt des Einspritzens heftig vermischt und in ihre entsprechenden Tanks zurückgeführt werden, wenn keine Einspritzung durchgeführt wird. Das bei diesem Beispiel verwendete Polyurethanmaterial besteht aus 100 Gewichtsteilen der Polyolkomponente. 0,1-0,6 Gewichtsteilen Wasser und einer Isocyanatkomponente in einer Menge, die einem Index von 110 entspricht.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung (bestehend aus der Form 1 und der Vakuumbox 11) wird in der nachfolgend beschriebenen Weise zur Durchführung des Aufschäumungsvorganges verwendet.
(1) Zuerst wird die Form 1 geschlossen, indem die stationäre Formhälfte 2 und die bewegliche Formhälfte 3 aneinander gepaßt werden. Vor oder nach dem vollständigen Schließen der Form (wodurch der Hohlraum 4 gebildet wird) wird die Vakuumbox 11 dicht geschlossen und evakuiert, bis der Druck innerhalb und außerhalb des Hohlraumes 4 auf ein gewünschtes Niveau abfällt. Wenn die Vakuumbox 11 evakuiert ist, wird die darin befindliche Form 1 vollständig geschlossen. In dem Fall, in dem die Form 1 vollständig geschlossen wird, bevor die Vakuumbox 11 geschlossen wird, wird der Hohlraum 4 der Form 1 über den Spalt zwischen den Formpaßflächen 2a und 3a evakuiert, wenn die Vakuumbox 11 evakuiert wird.
Das Schließen der Vakuumbox 11 kann erreicht werden, indem das untere Gehäuse 13 der Vakuumbox 11 mit Hilfe des Kolbens eines Hydraulikzylinders (nicht gezeigt) angehoben wird, bis es mit dem oberen Gehäuse 12 in Kontakt tritt. Ein dichtes Schließen wird durch das Dichtungselement 14 sichergestellt, das am Umfang des unteren Gehäuses 13 angebracht ist. Es ist möglich, die Vakuumbox 11 und die Form 1 gleichzeitig oder getrennt voneinander zu schließen (und zu öffnen). Eine einzige Hydraulikeinheit genügt für den erstgenannten Fall (was wirtschaftlich ist). Für den zuletzt genannten Fall sind jedoch zwei Hydraulikeinheiten erforderlich.
Dann wird die Vakuumpumpe (nicht gezeigt) in Bewegung gesetzt, um die Vakuumbox 11 über die Ansaugöffnung 16 zu evakuieren. Wenn die Vakuumbox 11 evakuiert wird, wird auch der Hohlraum 4 evakuiert, da er über den Einspritzstutzen 6, das Entlüftungsloch 5 und den Spalt zwischen den Formpaßflächen 2a und 3a mit der Vakuumbox 11 in Verbindung steht. Die Evakuierung wird durchgeführt, bis ein Unterdruck von etwa 10 mmHg (absolut) erzielt ist.
(2) Wenn die Vakuumbox 11 unter einem reduzierten Druck gehalten wird, wird ein Polyurethanmaterial M durch den Mischkopf 11 und die Einspritzdüse 23 in den Hohlraum 4 der geschlossenen Form 1 eingespritzt. Diese Einspritzung wird durchgeführt, während die Formtemperatur der Form 1 niedriger als üblich oder die Viskosität des Polyurethanmateriales M höher als üblich gehalten wird, so daß keine Aufschäumung auf der Oberfläche des Polyurethanmateriales M unmittelbar nach dessen Einspritzung in den Hohlraum 4 stattfindet (dies unterscheidet das Formverfahren der vorliegenden Erfindung von einem gewöhnlichen Formverfahren, bei dem ein nicht aufschäumbares thermoplastisches Harz in einen evakuierten Hohlraum oder ein aufschäumbares Material in einen Hohlraum unter Normaldruck eingespritzt wird).
Sobald das Polyurethanmaterial M in den Hohlraum 4 eingespritzt wird, finden Reaktionen zwischen der Polyolkomponente und der Isocyanatkomponente statt, wodurch die Temperatur in der Mitte des Polyurethanmateriales M aufgrund der Reaktionswärme erhöht wird. Des weiteren finden Reaktionen zwischen dem Wasser und der Isocyanatkomponente statt, wodurch Kohlendioxidgas entwickelt wird. Die Menge des Kohlendioxidgases ist nicht so groß, da die Wassermenge auf 0,1-0,6 Gewichtsteile beschränkt ist. Das Kohlendioxidgas expandiert jedoch aufgrund des Gesetzes von Boyle-Charles stark, da der Hohlraum 4 unter reduziertem Druck steht. Dies führt zu einem stark expandierten Kernteil im Polyurethanmaterial M. Dieser Kernteil ist weder hart noch steif, da er nur eine geringe Zahl von Harnstoffbindungen proportional zur begrenzten Wassermenge besitzt. Das auf diese Weise erhaltene Lenkradkissen besitzt somit den gleichen weichen Griff wie ein herkömmliches Kissen, das mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, wie Freon, hergestellt wird.
Auf der Oberfläche des Polyurethanmateriales M findet kaum eine Reaktion der Isocyanatkomponente mit Wasser statt. Sehr wenig Kohlendioxidgas wird erzeugt, da die Reaktionswärme der Polyolkomponente und Isocyanatkomponente zur Form entweicht. Folglich bildet der Oberflächenteil des Polyurethanmateriales die Hautschicht, die nahezu unsichtbare kleine Aufschäumungen besitzt. Daher besitzt das auf diese Weise erhaltene Lenkradkissen das gleiche gute Aussehen wie ein herkömmliches Kissen, das mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, wie beispielsweise Freon, erzeugt wird.
Durch das Evakuieren des Hohlraumes 4 wird ein zusätzlicher Effekt erzeugt, gemäß dem das Polyurethanmaterial M den Hohlraum 4 selbst dann vollständig füllen kann, wenn der Hohlraum 4 eine Hinterschneidung oder Abzweigung besitzt, da im Hohlraum 4 keine Luft vorhanden ist, die das freie Fließen des Polyurethanmateriales behindert. Eine geringe Menge an überschüssigem Gas, das vom Polyurethanmaterial erzeugt wurde, entweicht kontinuierlich durch den Spalt zwischen den Formpaßflächen 2a und 3a, wenn das Polyurethanmaterial in den Hohlraum fließt. Hierdurch wird es nicht erforderlich, das Polyurethanmaterial in einem großen Überschuß zur theoretischen Menge einzuspritzen, um ein unvollständiges Belüften und eine unvollständige Füllung der Form zu verhindern, Es ist lediglich erforderlich, das Polyurethanmaterial M in einer geringfügig größeren Menge als die theoretische Menge, berechnet aus einem beabsichtigten Expansionsverhältnis, einzuspritzen. Nur ein sehr kleiner Teil des Materiales fließt während des Formvorganges aus der Form 1 heraus. Hierdurch werden Materialverluste reduziert und Entgratungsvorgänge vermieden, wodurch eine erhöhte Produktivität erreicht wird.
Es ist wünschenswert (jedoch nicht zwingend), das Entlüftungsloch 5 der Form 1 über den Stopfen 18 geschlossen zu halten, bis das Polyurethanmaterial den Hohlraum 4 gerade füllt. Hierdurch wird verhindert, daß das Polyurethanmaterial aus dem Entlüftungsloch 5 entweicht, und es wird zu einer gleichmäßigen Expansion (und somit zur Erzeugung eines Schaumes gleichmäßiger Qualität) beigetragen. Unmittelbar vor dem vollständigen Füllen des Hohlraumes mit dem Polyurethanmaterial (das normalerweise etwa 10-20 sec nach dem Einspritzen des Materiales in den Hohlraum dauert) wird der Luftzylinder 19 betätigt, um den Stopfen 18 anzuheben und die Entlüftungslöcher 5 zum Entgasen des Polyurethanmateriales M in dessen endgültiger Fließposition zu öffnen.
(3) Nach dem Aushärten des Polyurethanmateriales werden die Form 1 und die Vakuumbox 11 geöffnet, und das Lenkradkissen wird entformt, so daß ein Zyklus des Formvorganges beendet ist.

Beispiel 2

Das zweite Beispiel der vorliegenden Erfindung, das das Formen eines Lenkrades betrifft, wird in Verbindung mit den Fig. 4 bis 8 beschrieben, die die bei diesem Beispiel verwendete Formvorrichtung zeigen. Die Formvorrichtung besitzt viele Teile, die der des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen. Sie besteht grundlegend aus einer Form 1, einer Vakuumbox 11, einem Materialeinspritzmechanismus 21 und einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt). Die Teile, die auch beim ersten Ausführungsbeispiel vorhanden sind, sind in den Fig. 4 bis 7 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Auf eine Beschreibung dieser Teile wird mit Ausnahme der nachfolgenden ergänzenden Beschreibung verzichtet.
Die Form 1 dient dazu, eine Abdeckung 43 auf dem Ring des Lenkrades 41 zu bilden. Sie besteht aus einer oberen stationären Form 2 und einer unteren beweglichen Form 3. Die Formen besitzen eine Nut 4a, so daß sie einen kreisförmigen Hohlraum 4 bilden, wenn sie geschlossen sind. In der Mitte des Querschnittes des Hohlraumes wird der Ring des Lenkradkernes 42 angeordnet. An diese Nut 4a ist eine Einspritzöffnung 8 (auf der linken Seite der Fig. 4 gezeigt) angeschlossen. Das Polyurethanmaterial M wird durch die Einspritzöffnung 8 in den Hohlraum 4 eingespritzt. Im Hohlraum 4 unterteilt sich das Polyurethanmaterial M in zwei Ströme, die nach dem Füllen des Hohlraumes 4 sich in der endgültigen Füllposition L (auf der rechten Seite der Fig. 6) treffen. An der Stelle L der endgültigen Füllug befindet sich ein Entlüftungsmechanismus, der aus einem Entlüftungsloch 5 (das zu dem Raum K in der Vakuumbox 11 führt) und einem Luftzylinder 19 besteht, der mit einem Stopfen 18 zum Öffnen und Schließen des Entlüftungslochs 5 versehen ist. Die Kolbenstange des Luftzylinders 19 erstreckt sich durch eine Platte 20, die verhindert, daß der überschüssige Teil 46 des Polyurethanmateriales M (später erwähnt) nach oben abgeblasen wird. Der Entlüftungsmechanismus ist mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) versehen, die das Entlüftungsloch 5 über eine vorgegebene Zeitdauer, in der das Polyurethanmaterial M, das in den Hohlraum 4 eingespritzt wird, den Hohlraum 4 auffüllt, geschlossen hält und nach dem Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer das Entlüftungsloch 5 öffnet.
Innerhalb der Nut 4a der stationären Form 2 und der beweglichen Form 3 befinden sich Fittingeinheiten 31 zur Positionierung der Formen 2 und 3 (wenn sie geschlossen sind), ein Loch 32 und ein Gestell 33, das das runde Teil des Lenkradkernes 42 hält. Das Gestell 33 besitzt einen Aussstoßstift 34 zum Entformen des Lenkrades 41 nach dem Formen. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel besitzen die Formen 2 und 3 Formpaßflächen 2a und 3a, die im geschlossenen Zustand einen Spalt von 0,03-0,06 mm bilden.
Die stationäre Form 2 und das obere Gehäuse 12 sind einstückig ausgebildet. Dies trifft auch auf die bewegliche Form 3 und das untere Gehäuse 13 zu. Das untere Gehäuse 13 ist an einem Hydraulikzylinderkolben (nicht gezeigt) befestigt, so daß es beim Öffnen und Schließen der Form auf- und abbewegt wird. In der angehobenen Position steht der Umfang des unteren Gehäuses 13 mit dem Umfang des oberen Gehäuses 12 in Kontakt. Der Einspritzmechanismus 21 ist mit Hilfe eines Dichtungselementes 24 (O-Ringe), das ein Lecken von Luft durch den Spalt zwischen dem unteren Gehäuse 13 und der Einspritzdüse 23 verhindert, wenn die Vakuumbox 11 evakuiert wird, an eine Einspritzdüse 23 (die sich durch das untere Gehäuse 13 erstreckt und die bewegliche Form 3 erreicht) angeschlossen.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel besteht das bei diesem Beispiel verwendete Polyurethanmaterial aus 100 Gewichtsteilen Polyolkomponente. 0,1-0,6 Gewichtsteilen Wasser und einer Isocyanatkomponente in einer Menge, die einem Index von 110 entspricht.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung wird zur Durchführung des Schaumbildungsvorganges in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet.
(1) Wenn die stationäre Form 2 und die bewegliche Form 3 in der in Fig. 4 gezeigten Weise geöffnet sind, wird der Lenkradkern 42 in die bewegliche Form 3 eingesetzt, wie in Fig. 5 gezeigt.
(2) Die stationäre Form 2 und die bewegliche Form 3 werden dann zur Ausbildung des Hohlraumes 4 geschlossen. Zur gleichen Zeit wird das untere Gehäuse 13 angehoben, bis sein Umfang mit dem Umfang des oberen Gehäuses 12 in Kontakt tritt, so daß die Vakuumbox 11 abgedichtet ist. Das Schließen der Formen und der Vakuumbox wird durch Anheben des unteren Gehäuses 13 der Vakuumbox 11 über einen Hydraulikzylinderkolben (nicht gezeigt) erreicht, bis das untere Gehäuse 13 mit dem oberen Gehäuse 12 in Kontakt tritt.
(3) Dann wird die Vakuumpumpe (nicht gezeigt) in Bewegung gesetzt, um den Raum K in der Vakuumbox 11 über die Saugöffnung 16 zu evakuieren, bis der atmosphärische Druck darin auf unter 500 mmHg, vorzugsweise unter 300 mmHg, reduziert ist. Wenn die Vakuumbox 11 evakuiert wird, wird auch der Hohlraum 4 der Form 1 über den Spalt zwischen den Formpaßflächen 2a und 3a (und auch über das Entlüftungsloch 5, wenn es offen ist) evakuiert. Folglich werden der Raum K in der Vakuumbox 11 und der Hohlraum 4 auf ein entsprechendes Niveau evakuiert.
(4) Bei geschlossenem Entlüftungsloch 5 (wie in Fig. 6 gezeigt) wird das Polyurethanmaterial M durch den Mischkopf 22 und die Einspritzdüse 23 in den Hohlraum 4 der geschlossenen Form 1 gespritzt. Das Volumen des einzuspritzenden Polyurethanmateriales M beträgt normalerweise 1/4 bis 1/2 des Volumens des Hohlraumes. Der Einspritzvorgang dauert 2- 4 sec. Es ist wünschenswert (nicht nicht zwingend), daß das Polyurethanmaterial M vor dem Einspritzen in den Hohlraum 4 eine Belüftung erfährt, so daß es eine große Zahl von kleinen Luftblasen enthält, die zu einer großen Expansion beitragen, wie vorstehend in der Funktionsbeschreibung erläutert.
Im in den Hohlraum 4 eingespritzten Zustand expandiert das Polyurethanmaterial M in seinem mittleren Teil durch chemisches Aufschäumen in der gleichen Weise wie bei dem ersten Beispiel, wie in Fig. 13 gezeigt. Diese Expansion ist für den Kern 44 verantwortlich, der den gleichen weichen Griff besitzt wie ein Kern, der mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, wie Freon, in herkömmlicher Weise erhalten wird. Darüber hinaus ist es möglich, daß die Temperatur am mittleren Teil des Polyurethanmateriales M höher ist als der Siedepunkt von Wasser, wenn der Druck im Hohlraum 4 extrem niedrig oder die Einspritztemperatur des Polyurethanmateriales M erhöht wird, da die Erniedrigung des Siedepunktes von Wasser im evakuierten Hohlraum stattfindet, wie vorstehend bei der Funktionsbeschreibung erläutert. In diesem Fall vergrößert Wasserdampf die Expansion des Kernteiles 44 durch chemisches Aufschäumen.
Der äußere Teil des Polyurethanmateriales M bildet die geringfügig expandierte Hautschicht 45 gemäß Fig. 8 in der gleichen Weise wie beim ersten Beispiel. Die Hautschicht 45 besitzt nahezu unsichtbare kleine Aufschäumungen. Daher hat die auf diese Weise geformte Lenkradabdeckung 43 das gleiche gute Aussehen wie eine in herkömmlicher Weise mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, wie Freon, hergestellte Abdeckung.
Das Polyurethanmaterial M erhöht somit sein Volumen und fließt im Hohlraum 4, wenn es die Lenkradabdeckung 43 bildet, die aus einem stark expandierten Kern 44 und der geringfügig expandierten Hautschicht 45 besteht, bis das Material die endgültige Füllposition L erreicht, wie in Fig. 6 gezeigt. Üblicherweise dauert das Fließen 8-20 sec von der Einspritzung bis zur vollständigen Füllung. Während dieser Fließzeit wird das Entlüftungsloch 5 vom Stopfen 18 geschlossen gehalten. Wenn das Polyurethanmaterial M im Hohlraum 4 fließt, dichtet es allmählich den Spalt zwischen den Formpaßflächen 2a und 3a ab. Daher erhöht sich der Druck im Hohlraum 4 spontan mit dem Fluß des Polyurethanmateriales M. Hierdurch wird die Entwicklung von Kohlendioxidgas aufgrund einer unbegrenzten Expansion, die zur Bildung von groben Zellen führt, verhindert. Folglich besitzt der Kern 44 über seinen Umfang ein gleichmäßiges Expansionsverhältnis. Dies führt zu einer gleichmäßigen Qualität.
(5) Wenn das Polyurethanmaterial M die endgültige Füllposition im Hohlraum 4 erreicht hat, wird das Entlüftungsloch 5 durch den vorstehend erwähnten Steuermechanismus automatisch geöffnet, so daß das Vorderende des Polyurethanmateriales M durch das Entlüftungsloch 5 vom Hohlraum 4 abgegeben wird (der abgegebene Teil 46 ist in Fig. 7 darge stellt, die den nachfolgenden Schritt zeigt). Üblicherweise neigt das Vorderende des Polyurethanmateriales M dazu, Gas anzusammeln, das feine Löcher. Hohlräume und Durchschüsse verursacht. Dieses Problem wird bei diesem Beispiel vollständig gelöst, da das Vorderende abgegeben wird.
(6) Wenn das Polyurethanmaterial M im Hohlraum 4 ausgehärtet ist, werden die stationäre Form 2 und die bewegliche Form 3 der Form 1 geöffnet. Gleichzeitig werden das obere Gehäuse 12 und das untere Gehäuse 13 voneinander getrennt, um die Vakuumbox 11 zu öffnen, wie in Fig. 7 gezeigt. Das Aushärten dauert normalerweise 100-180 sec. Bei diesem Beispiel wird das geformte Lenkrad 41 vom Ausstoßstift 34 entformt, der mit der beweglichen Form 3 verriegelt ist. Ein Zyklus des Formvorganges wird beendet, indem der abgegebene Teil 46 des Polyurethanmateriales M entfernt wird.
Mit dem Formen der Lenkradabdeckung 43 sind zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Problemen, die auf die Verwendung von Freon zurückzuführen sind, die folgenden Probleme (a) und (b) verbunden, die charakteristisch für das Lenkrad sind. Diese Probleme werden jedoch gelöst, wenn das Formen gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. Hieraus folgt, daß das Verfahren dieses Beispiels zum Formen der Lenkradabdeckung geeignet ist.
(a) Da die Abdeckung 43 des Lenkrades 41 um den Kern 42 herum geformt wird, erfährt das in den Hohlraum 4 eingespritzte Polyurethanmaterial M Turbulenzen durch den Kern 42. Diese Turbulenzen schließen Luft ein, die feine Löcher, Hohlräume und Durchschüsse verursacht. Gemäß der herkömmlichen Technologie ist es erforderlich, die Einspritzöffnung 8 an einer Stelle anzuordnen, an der die Möglichkeit des Auftretens von Turbulenzen am geringsten ist.
Diese Stellen sind beschränkt. Falls Turbulenzen auftreten, ist eine Abhilfe hierfür erforderlich. In diesem Beispiel treten Turbulenzen weniger auf, da das Polyurethanmaterial M eine geringere Menge an Blasmittel enthält und der Druck im Hohlraum 4 ansteigt, wenn das Polyurethanmaterial 4 im Hohlraum 4 fließt. Dies ermöglicht eine große Auswahl in bezug auf die Stellen der Einspritzöffnung und reduziert die Menge des Polyurethanmateriales, das mit dem Vorderende abgegeben wird.
(b) Beim Formen der Abdeckung 43 des Lenkrades 41 fließt das in den Hohlraum 4 eingespritzte Polyurethanmaterial M in zwei Richtungen. Beide Ströme treffen an der endgültigen Füllposition L zusammen, wie vorstehend erwähnt. Der Zusammenfluß neigt dazu, eine Schweißlinie zu bilden und Gas anzusammeln, das feine Löcher, Hohlräume und Durchschüsse verursacht. Diese Probleme werden bei diesem Beispiel vollständig gelöst, da der Hohlraum 4 evakuiert und das Vorderende des Stromes (Zusammenfluß) abgeführt wird.
Die Eignung des Formverfahrens und der Formvorrichtung ist in Beispiel 3 der EP-A-461 522 beschrieben, welche Veröffentlichung hiermit durch Bezugnahme eingearbeitet wird. Dabei wurden Polyurethanmaterialien unterschiedlicher Formulierungen in bezug auf das Fließen im Hohlraum 4 bei unterschiedlichen Drücken unter speziellen Bedingungen getestet.
Obwohl vorstehend bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, sind für den Fachmann Änderungen derselben, die im Rahmen der Erfindung liegen, welche in den nachfolgenden Ansprüchen wiedergegeben sind, ersichtlich. Diese werden nachfolgend beschrieben:
(1) Obwohl bei der beschriebenen Vorrichtung eine Form 1 und Vakuumbox 11 Verwendung finden, die voneinander getrennt sind, ist eine Modifikation möglich, bei der eine Form mit doppelwandiger Struktur Verwendung findet, wobei die Außenwand als Vakuumbox 11 funktioniert und die beiden Wände den Hohlraum bilden.
(2) Der Hohlraum 4 kann mit einer großen Nut 9 entlang seinem ganzen Umfang oder einem Teil davon versehen sein, über die der Hohlraum 4 evakuiert wird (siehe Fig. 9). Diese Nut 9 wirkt als Raum K. Die Nut 9 kann entweder in der stationären Form 2 oder in der beweglichen Form 3 aber auch in beiden ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Umfang der Nut mit einem Dichtungselement 10 versehen sein, um den Hohlraum gegenüber der Atmosphäre zu isolieren.
(3) Die Form kann aus Keramik. Kunststoff oder einem anderen Material bestehen, das den Schaumbildungsdruck aushält.

Wirkungen der Erfindung

Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion werden durch die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen erzielt.
Der Einsatz von Lösungsmitteln mit niedrigem Siedepunkt, wie Freon und Methylenchlorid, die Probleme aufwerfen, wenn sie als Blasmittel eingesetzt werden, wird vermieden.
Trotzdem wird die Herstellung eines Polyurethanschaumes ermöglicht, der das gleiche gute Aussehen und den gleichen weichen Griff besitzt, wie ein solcher, der mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt hergestellt wird.
Der erhaltene Polyurethanschaum hat einen höheren Aufschäumungsgrad als dies bei dem ersten Formverfahren der Fall ist.
Es wird ein Polyurethanschaum erhalten, bei dem der Kernteil eine gleichmäßige Aufschäumung aufweist und somit eine gleichmäßige Qualität besitzt. Dieser Polyurethanschaum ist frei von feinen Löchern, Hohlräumen und Durchschüssen.
Der erhaltene Polyurethanschaum hat einen hohen Aufschäumungsgrad. Dieser Polyurethanschaum ist frei von feinen Löchern, Hohlräumen und Durchschüssen wie beim dritten Formverfahren.
Die Formvorrichtung ermöglicht eine einfache Reduzierung des Hohlraumdrucks und hält den evakuierten Hohlraum gegenüber der Atmosphäre isoliert. Die Vorrichtung sorgt für einen Freiraum zwischen der Form und der Vakuumbox, der als Puffer für die Evakuierung dient.
Die Formvorrichtung kann einfach und klein gebaut werden. Sie ermöglicht eine Reduzierung der Zeit für die Evakuierung.
Die Formvorrichtung stellt einen Entlüftungsmechanismus zur Verfügung, der einfach ist und trotzdem sicher arbeitet.

Claims

1. Vorrichtung zum Formen eines Polyurethanschaumes mit

einer Form (1) aus mindestens zwei Teilformen (2, 3),

die geöffnet und geschlossen werden:

einem in der Form (1) ausgebildeten Hohlraum (4);

einer die Form umgebenden Vakuumbox (11);

einem zwischen der Form und der Vakuumbox benachbart zu den Paßformflächen der Teilformen ausgebildeten Raum (K);

einer Druckabsenkeinrichtung, die mit dem Raum in Verbindung steht;

einem Mechanismus (21) zum Einspritzen eines Polyurethanmateriales in den Hohlraum;

einem an einer endgültigen Füllposition des Hohlraumes ausgebildeten Entlüftungsloch (5), das mit dem Raum in Verbindung steht;

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Entlüftung am Umfang des Hohlraumes über die Paßformflächen (2a, 3a) der Teilformen (2, 3) ausgebildet wird, wenn die Teilformen geschlossen sind, wobei der Raum mit dem Hohlraum über die Entlüftung in Verbindung steht, wenn die Teilformen geschlossen sind:

und Einrichtungen (18, 19) zum wahlweisen Öffnen und Schließen des Entlüftungsloches (5) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vakuumbox (11) aus mindestens zwei Teilboxen (12, 13) besteht, die gleichzeitig mit den Teilformen (2, 3) geöffnet und geschlossen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Entlüftung von Entlüftungsstegen gebildet wird, die zwischen sich einen Abstand von 0,03-0,06 mm besitzen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Entlüftungsloch (5) einen Durchmesser von 1-10 mm besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen (18. 19) zum wahlweisen Öffnen und Schließen des Entlüftungslochs (5) so steuerbar sind, daß sie das Entlüftungsloch über eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Einspritzen des Polyurethanmateriales in den Hohlraum (4) schließen und nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer öffnen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Hohlraum im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Entlüftung im wesentlichen um den gesamten Umfang des Hohlraumes (4) ausgebildet ist.