DE102014208836A1

DE102014208836A1 - Sandwichbauteil aus überspritztem Partikelschaum und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014208836A1
Application number: DE102014208836.4A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schwarz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffbauteil (20) mit mindestens – einer ersten Komponente (21), die aus geschäumten Partikelschaum ausgebildet ist und – einer zweiten Komponente (22), die aus Schaumspritzgussmaterial ausgebildet ist, wobei – die zweite Komponente (22) eine sichtbare Oberfläche des Kunststoffbauteils (20) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kunststoffbauteil mit mindestens einer ersten Komponente, die aus geschäumtem Partikelschaum ausgebildet ist und einer zweiten Komponente, die aus Schaumspritzgussmaterial ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffbauteils.
Es ist ein wesentliches Bestreben im heutigen Automobilbau, die Emissionen der Fahrzeuge zu reduzieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Reduzierung des Gesamtgewichts des Fahrzeuges, da somit der Energiebedarf zur Fortbewegung des Fahrzeugs und damit auch die Emissionen reduziert werden können. In jüngster Zeit wird versucht, die metallischen Bauteile des Fahrzeugs, durch leichtere Bauteile aus Kunststoff zu ersetzen, im Sinne einer Materialsubstitution. Dabei sind Sandwich Strukturen bekannt, die üblicherweise für großflächige Bauteile verwendet werden. Darüber hinaus sind physikalische Schaumverfahren bekannt, mit denen leichte und verzugsarme Spritzgussbauteile mit stark unterschiedlichen Wanddicken hergestellt werden können. Aus der WO 02/26482 A1 ist es bekannt, faserverstärkte Schaumspritzgussteile in der Weise herzustellen, dass ein mit Verstärkungsfasern vorvermischtes Kunststoffgranulat in einem Extruder plastifiziert, mit einem physikalischen Treibmittel versetzt und dann unter Druck in die Formkavität eines Spritzgießwerkzeuges eingebracht wird, wobei die Spritzgussmasse mit Ausnahme filmartig dünner Randzonen, die im Wesentlichen lagenfrei bleiben, ausgast und sich zu einer faserverstärkten Schaumstruktur verfestigt.
Weiterhin ist es auch bekannt, Schaumstoffe aus Partikelschaum herzustellen, wobei die einzelnen Partikel versintert werden, so dass sie ein zusammenhängendes Schaumbauteil bilden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Kunststoffbauteil anzugeben, das zur Verwendung als Außenhautbauteil sowie als Interieur-Bauteil im Kraftfahrzeugbau geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, mit dem auf besonders einfache Weise derartige Bauteile herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Kunststoffbauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 6 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Kunststoffbauteil vor, mit mindestens einer ersten Komponente, die aus geschäumtem Partikelschaum ausgebildet ist und einer zweiten Komponente, die aus Schaumspritzgussmaterial ausgebildet ist, wobei die zweite Komponente eine sichtbare Oberfläche des Kunststoffbauteils bildet. Ein solches Kunststoffbauteil weist eine zweischichtige Sandwich-Verbundbauweise auf, die besonders resistent gegenüber Verzugserscheinungen ist. Aufgrund der Ausbildung der ersten Komponente aus Partikelschaum kann das Gesamtgewicht des Kunststoffbauteils reduziert werden. Durch die Verwendung eines Schaumspritzgussmaterials, zur Ausbildung der zweiten Komponente kann eine besonders hohe Oberflächengüte realisiert werden, so dass das Kunststoffbauteil auch in sichtbaren Bereichen des Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Insbesondere Rippen, die sich auf der Innenseite des Bauteils befinden, zeichnen sich nicht auf der sichtbaren Oberfläche ab. Somit eignet sich das Bauteil zur Verwendung als Aussenhautbauteil, sowie auch zur Verwendung als Interieurbauteil.
Weiterhin kann die erste Komponente aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus expandiertem Polypropylen (EPP) und/oder expandiertem Polystyrol (EPS) ausgebildet sein. Diese Materialien eignen sich besonders gut zur Verwendung in Fahrzeugbauteilen, da sie hohe schallisolierende sowie vibrationsisolierende Eigenschaften aufweisen. Folglich kann das Geräuschniveau im Fahrgastraum wesentlich reduziert werden. Darüber hinaus haben diese Materialien auch gute wärmedämmende Eigenschaften. Diese können nicht nur zur Wärmeisolation des Kraftfahrzeuginnenraums, d. h. der Fahrgastzelle, sondern auch zur Wärmeisolation des Motorraums beitragen.
Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Komponente aus einem physikalisch geschäumten Schaumspritzgussmaterial ausgebildet sein. Dank der geschäumten zweiten Komponente ergibt sich eine Oberfläche des Kunststoffbauteils, die eben ist und damit qualitativ hohe Ansprüche an Oberflächengüte erfüllt. Die darunter liegende Schaumstruktur der ersten Komponente oder darunterliegende in die zweite Komponente integrierte Rippen zeichnen sich nicht auf der Oberfläche des Kunststoffbauteils ab. Nicht zuletzt trägt die zweite Komponente aus Schaumspritzgussmaterial zur Gewichtsreduzierung des gesamten Kunststoffbauteils bei.
Weiterhin kann die zweite Komponente aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonat und/oder Polyphthamlamid ausgebildet sein.
Zusätzlich kann auf eine Oberfläche der zweiten Komponente, die der ersten Komponente abgewandt ist, eine Lackschicht, insbesondere als Flüssiglack oder als Lackfolie aufgebracht werden. Wie bereits oben beschrieben, weist die sichtbare Oberfläche der zweiten Komponente eine ausreichende Oberflächengüte aus, um eine Class-A-Oberflächengüte zu bilden. Solche Oberflächengüten sind im Automobilbau übliche Kriterien, um als Außenhautbauteil oder als Sichtteil im Interieur zu fungieren. Bei der Verwendung als Interieurbauteil, kann auf der sichtbaren Oberfläche auch eine Narbung aufgebracht sein. Um jedoch die Anzahl der Farbgebungsvarianten zu erhöhen, kann diese Oberfläche mit einer zusätzlichen, farbigen Lackschicht versehen sein. Die Lackschicht kann wie üblich durch Farbauftrag eines flüssigen Lacks im Sprühverfahren erfolgen. Alternativ dazu kann auch eine gefärbte Folie auf die Oberfläche aufgebracht, Insbesondere geklebt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines im Vorhergehenden beschriebenen Kunststoffbauteils mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, mit den Schritten:

– Erzeugen der ersten Komponente durch Aufschäumen von Partikelschaum,
– Herstellen der zweiten Komponente durch Schaumspritzgießen einer Kunststoffschmelze auf mindestens einen Abschnitt der ersten Komponente. Dadurch kann auf besonders einfache Weise sowohl flächige, als auch komplex geformte Sandwich-Bauteile hergestellt werden, die zu sehr geringem Bauteilverzug neigen.

Zum Ausschäumen des Partikelschaums der ersten Komponente kann der Partikelschaum mit Energie, insbesondere mit Temperatur z. B. in Form von Wasserdampf beaufschlagt werden.
Weiterhin kann der Partikelschaum mit heißem Dampf beaufschlagt werden, um die einzelnen Partikel miteinander zu versintern, zur Ausbildung eines zusammenhängenden Schaumbauteils.
Weiterhin kann die Kunststoffschmelze zur Herstellung der zweiten Komponente mit einer Temperatur eingespritzt werden, die im Bereich der Schmelztemperatur des ausgeschäumten Partikelschaums liegt. Vorteilhafterweise entsteht hierdurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Komponente, d. h. der Schaumstruktur und der zweiten Komponente, d. h. der Spritzgusskomponente. Eine spätere Montage der beiden Einzelteile entfällt.
Die Verwendung eines Schaumspritzgussverfahrens zur Herstellung der zweiten Komponente hat den Vorteil, dass die Kunststoffschmelze beim physikalischen Schäumen mit einem ein deutlich geringerer Einspritz-/Fülldruck zur Füllung der Kavität eingespritzt wird, im Vergleich zu einer zweiten Komponente, die im Kompaktspritzguss hergestellt wäre. Somit kann die erste Komponente, d. h. der Schaumkern auch großflächig von der Kunststoffschmelze überströmt werden, ohne Schaden zu nehmen, da der auf den vorab hergestellten Schaumkern wirkende Druck bei der Herstellung der zweiten Komponente niedriger ist Folglich können auch großflächiger Schaumkerne überspritz werden.
Zusätzlich kann das Bauteil auf einer Oberfläche der zweiten Komponente lackiert werden, mit einem Flüssiglack oder durch Aufbringen einer Lackfolie.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils;
2 den Verfahrensschritt zur Herstellung einer ersten Komponente; und
3 den Verfahrensschritt zur Herstellung der zweiten Komponente.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kunststoffbauteils 20, mit einer ersten Komponente 21 aus geschäumtem Partikelschaum. Diese bildet die Grundstruktur des Bauteils 20 und ist formgebend für die sichtbare Oberfläche 20a des Bauteils 20. Oberhalb dieses Partikelschaums bzw. der Schaumstruktur 21 ist eine zweite Komponente 22 aus Schaumspritzgussmaterial gebildet, welche die Form des darunter liegenden Schaumkerns 21 übernimmt. Die zweite Komponente 22 weist eine obere Seite 20a und eine dieser gegenüberliegenden zweiten Seite auf. Die zweite, Seite ist der ersten Komponente 21 zugewendet. Die Oberfläche 20a der zweiten Komponente 22 bildet eine sichtbare Seite des Bauteils 20.
Mit Bezug zur 2, soll nun der Herstellprozess der ersten Komponente 21 erläutert werden. Hierzu wird ein Spritzgusswerkzeug 10 mit einer oberen Werkzeughälfte 11 und einer unteren Werkzeughälfte 12 verwendet. Die beiden Werkzeughälften 11, 12 sind zueinander verschiebbar bzw. verfahrbar angeordnet. In einer geschlossenen Position des Werkzeugs 10, schließen die Werkzeughälften 11, 12, wie in 2 gezeigt, eine Kavität zwischeneinender ein. Über eine Zuführleitung 12a, die sich hier beispielhaft in der unteren Werkzeughälfte 12 befindet, wird expandierbarer Partikelschaum, bspw. aus EPP- oder EPS-Kügelchen in die Kavität eingefüllt. Über nicht dargestellte Düsen/Zuleitungen wird Heißdampf in die Kavität eingebracht. Diese Heißdampfdüsen befinden sich auf einer Seite der Werkzeugkavität, die von dem Schaumkern d. h. der ersten Komponente 21 abgedeckt wird. Würden die Düsen auf der Seite der Werkzeugkavität liegen, in die die zweite Komponente 22 eingebracht wird, bestünde die Gefahr, dass sich die Dampfdüsen an der Oberfläche der zweiten Komponente 22 abzeichnen. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass Schmelze bei der Erzeugung der zweiten Komponente in die Heißdampfkanäle gelangt und diese verstopft. Aufgrund der Dampftemperaturen, die im Bereich von 130 bis 170°C liegen, schmelzen die Partikelkügelchen an ihrer Oberfläche miteinander an. Somit können sie sich untereinander stoffschlüssig zu einem zusammenhängenden Schaumstoff verbinden. Nachdem eine vorbestimmte Zeit abgewartet wurde, bis der Schaumkern 21 ausreichend abgekühlt ist und somit die erste Komponente 21 fertiggestellt wurde, werden die beiden Werkzeughälften 11, 12 um einen vorbestimmten Hubweg auseinander gefahren. Dadurch ergibt sich eine neue Kavität, zwischen dem oberen Werkzeug 11 und dem unteren Werkzeug 12, indem die erste Komponente 21 angeordnet ist. Für die Zuführleitungen 11a wird schäumbares Spritzgussmaterial in die neue Kavität eingefüllt. Die Schmelze des Spritzgussmaterials hat dabei eine Temperatur, die im Bereich der Schmelztemperatur des Schaumkerns liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass an der Oberfläche des Schaumkerns 21 das Material des Schaumkerns d. h. der bereits expandierten PS-/PP-Kügelchen aufschmilzt und sich somit stoffschlüssig mit der darunterliegenden ersten Komponente 21 verbindet.
Zum physikalischen Ausschäumen der schäumbaren Kunststoffschmelze, die die zweite Komponente 22 ausbildet, wird die obere Werkzeughälfte 11 um eine weitere Hubbewegung von der unteren Werkzeughälfte 12 entfernt. Die Summe der ersten Hubbewegung und der zweiten Hubbewegung ist in 3 als Gesamthub h eingezeichnet. Aufgrund der zweiten Hubbewegung schäumt das Material aus, so dass die zweite Komponente 22 ausgebildet wird. Nachdem der Schäumprozess beendet ist, kann das Kunststoffbauteil 20 aus dem Werkzeug 10 entfernt werden. Eventuelle Angüsse oder Endbeschnitte können abschließend durchgeführt werden.
Die Herstellung der zweiten Komponente 22 in Schaumspritzguss bietet gegenüber dem Kompaktspritzguss wesentliche Vorteile. Beim Schaumspritzgießen treten geringere Spritzdrücke auf, so dass ein Überspritzen von darunterliegenden Schaumstoffen sehr gut möglich ist. Insbesondere zum Um- oder Überspritzen von großen oder großflächigen Bauteilen ist das Schaumspritzgießen geeignet. Weiterhin kann dadurch eine ebene Schaumspritzgussoberfläche hergestellt werden, die außenhautfähig ist. Die Oberfläche der Schaumstruktur ist aufgrund ihrer zerfurchten Optik nicht als Oberfläche für Außenhautbauteile oder Innenraumbauteile im Kraftfahrzeugbereich geeignet.
Kern der Erfindung ist folglich die Herstellung von Sandwich-Bauteilen mit einem Schaumkern, der aus Partikelschaum mittels Aufschäumen erzeugt wurde und die anschließende Um-/Überspritzung mit einem physikalisch geschäumten Thermoplatz im Spritzgussverfahren. Das so erzeugte Bauteil 20 weist einen Schaumkern 21 mit einer Deckschicht 22 auf. Da physikalisch geschäumte Bauteile generell deutlich weniger Verzug aufweisen, eignet sich das Schaumspritzgussverfahren besonders gut für die Herstellung von zweischichtigen Sandwichbauteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/26482 A1 [0002]

Claims

Kunststoffbauteil (20) mit mindestens – einer ersten Komponente (21), die aus geschäumten Partikelschaum ausgebildet ist und – einer zweiten Komponente (22), die aus Schaumspritzgussmaterial ausgebildet ist, wobei die zweite Komponente (22) eine sichtbare Oberfläche des Kunststoffbauteils (20) bildet.
Kunststoffbauteil (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (21) aus einem thermoplastischem Kunststoff, insbesondere aus expandiertem Polypropylen (EPP) und/oder expandiertem Polystyrol (EPS) ausgebildet ist.
Kunststoffbauteil (20) nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente aus einem physikalisch geschäumten Schaumspritzgussmaterial ausgebildet ist.
Kunststoffbauteil (20) nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere insbesondere Polypropylen, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonat und/oder Polyphthamlamid ausgebildet sein.
Kunststoffbauteil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Oberfläche (20a) der zweiten Komponente (22) ein Lackschicht, insbesondere als Flüssiglack oder als Lackfolie aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils (20) mit einer ersten Komponente (21) und einer zweiten Komponente (22) mit den Schritten: – Erzeugen der ersten Komponente (21) durch Aufschäumen von Partikelschaum, – Herstellen der zweiten Komponente (22) durch Schaumspritzgießen einer Kunststoffschmelze auf mindestens einen Abschnitt der ersten Komponente (21).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausschämen des Partikelschaums der ersten Komponente (21) der Partikelschaum mit Energie, insbesondere Temperatur beispielsweise mit heißem Dampf, beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der zweiten Komponente (22) ein physikalisch schäumbares Schaumspritzgussmaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschmelze zur Herstellung der zweiten Komponente (22) mit einer Temperatur eingespritzt wird, die im Bereich der Schmelztemperatur des ausgeschäumten Partikelschaums liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche der zweiten Komponente (22) lackiert wird.