Verfahren zur Herstellung von Gussteilen aus Polyurethan

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussteilen aus Polyurethan (PU), insbesondere zur Herstellung von Brillenkomponenten, bei dem ein Gemisch aus einer Isocyanatkomponente und einer Polyolkompo- nente in eine Gussform gegossen wird.

Polyurethane sind Kunststoffe oder Kunstharze, die aus einer Polyadditions- reaktion von Diolen oder Polyolen mit Polyisocyanaten entstehen. Je nach Herstellung bzw. abhängig von der Art der verwendeten Isocyanate und Polyole können die entstehenden Polyurethane hart und spröde, aber auch weich und elastisch sein sowie in einem breiten Spektrum dazwischen liegende Materialeigenschaften aufweisen. Insbesondere weisen einige Polyurethane hervorragende mechanische Eigenschaften auf, die sie für Einsatzgebiete geeignet machen, in denen eine hohe Verschleißfestigkeit erforderlich ist. Demzufolge wird Polyurethan beispielsweise als Material für hoch belastete Schläuche, als Schutzschicht für Rohre, Isolationsmaterial für elektrische Leitungen und stark belastete Rollelemente, etwa in Aufzugantrieben oder als Rollen für Inline-Skates verwendet. Eine weitere wichtige Anwendung ist der Einsatz von Polyurethan in Lacken, insbesondere als Grundierung. In aufgeschäumter Form werden Polyurethane in vielfältiger Weise im Bauwesen verwendet.

Eine allen Polyurethanen in mehr oder weniger hohem Maße innewohnende Eigenschaft ist ihre hohe Haftung an verschiedensten Untergründen, weshalb sie beispielsweise auch in Form von Zweikomponentenklebern einge- setzt werden.

Viele Bauteile aus Polyurethan werden im Gussverfahren hergestellt, wobei die Komponenten kurz vor dem Guss gemischt werden und dann in der

Gussform aushärten. Bisher kamen vorwiegend metallische Gussformen, z. B. Aluminium-Gussformen, zum Einsatz. Die Topfzeiten liegen dabei in der Regel zwischen wenigen Minuten und einigen zehn Minuten. Der Guss findet häufig unter Vakuumbedingungen statt, um eine Blasenbildung im Material zu verhindern. Problematisch ist beim Guss von Polyurethan in der Regel die Entformung, also das Entnehmen des ausgehärteten Gussteils aus der Gussform. Aufgrund der bereits erwähnten guten Haftungseigenschaften der Polyurethane neigen diese sehr stark dazu, an einer Gussform konventioneller Art haften zu bleiben. Bei der Herstellung von Gussteilen aus Polyurethan wird die Gussform daher in der Regel mit erheblichen Mengen eines Trennmittels benetzt, welches ein Anhaften des Polyurethans an der Gussform verhindern soll. Die Trennmittel und deren Dämpfe können dabei einerseits für die Beschäftigten unangenehm oder sogar gesundheitsgefährdend sein und können auch in größeren Mengen in die Umwelt gelangen. Insbesondere erschweren die Trennmittel die Herstellung von Gussteilen mit hoher Oberflächenqualität, insbesondere für Sichtteile, die bestimmten ästhetischen Kriterien genügen müssen oder optische Eigenschaften aufweisen sollen, da sich aufgrund des Trennmittels häufig in unvorhersagbarer Weise Schlieren im Material oder an dessen Oberfläche bilden. Die Trenn- mittel verursachen normalerweise auch eine relativ große Oberflächenrauig- keit des Gussteils, so dass das Gussteil nicht ohne zusätzliche Oberflächenbearbeitung als Brillenkomponente, insbesondere nicht als Brillenglas verwendet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Gussteilen mit extrem geringer Oberflächenrauigkeit, etwa Brillenkomponenten aus Polyurethan anzugeben, das ein erleichtertes Ablösen der Gussteile aus der Form ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest die unmittelbar mit dem Gussteil in Kontakt stehenden Oberflächen der Gussform aus einem unpolaren Thermoplasten hergestellt werden und dass als Gussteile Elemente mit optischen Sichtflächen, insbesondere Brillenkomponenten, wie Brillengläser,

Brillenfassungen oder/und Brillenbügel hergestellt werden.

Sichtflächen im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind insbsondere kratzerfreie, glatte äußere Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche der betreffen- den Elemente.

Dieser Thermoplast kann insbesondere Polypropylen oder Polyethylen sein, wobei Polypropylen bevorzugt wird. Versuche des Anmelders haben ergeben, dass ausgehärtete Polyurethan-Gussteile an Polypropylen- oder PoIy- ethylen-Gussformen kaum oder gar nicht anhaften und somit leicht aus der Gussform entnehmbar sind. Es kann dabei davon ausgegangen werden, dass diese Erkenntnis auch auf andere unpolare thermoplastische Materialien übertragen werden kann. Es wird somit erfindungsgemäß eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erleichterte Entformung bei der Her- Stellung von Gussteilen aus Polyurethan ermöglicht. Die Gussteile können so ohne Weiteres mit glatten Oberflächen und in großen Bereichen im Wesentlichen schlierenfrei hergestellt werden, so dass sie sogar als optische Komponenten, wie Linsen oder Brillengläser ausgebildet werden können.

Die aus dem Thermoplasten bestehenden Teile der Gussform können in üblicher und einfacher Weise in einem Spritzgussverfahren bzw. Spritzprägeverfahren hergestellt werden. Dazu ist es allerdings erforderlich, zunächst eine Spritzgussform zur Herstellung der Gussform herzustellen. Dies ist zwar in der Regel sehr teuer, kann aber bei einer Herstellung in entsprechend hoher Stückzahl durchaus wirtschaftlich sein. Alternativ wäre es natürlich auch denkbar, eine Gussform aus einer vorgefertigten Grundform durch andere Bearbeitungstechniken, wie etwa Fräsen, Schleifen etc., herzustellen. Zur weiteren Verbesserung der Oberflächenqualität können die mit dem Gussteil in Kontakt stehenden Oberflächen der Gussform nach deren Her- Stellung poliert werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens finden Guss und Entformung der Gussteile aus PoIy-

urethan vollkommen ohne Einsatz von Trennmitteln statt. Diese Möglichkeit wird durch die erfindungsgemäße Herstellung der mit dem Gussteil in Kontakt stehenden Oberflächen der Gussform aus einem unpolaren Thermoplasten, wie etwa Polypropylen oder Polyethylen, überhaupt erst ermöglicht. Auf diese Weise können eventuelle Gesundheitsbeeinträchtigungen oder Umweltbelastungen verringert werden und es kann die Oberflächenqualität der Gussteile wesentlich verbessert werden, was ein besonders erfreuliches und überraschendes Ergebnis war.

Zur Erzielung einer bestmöglichen Qualität und Homogenität der Gussteile kann der Guss insbesondere unter Vakuumbedingungen stattfinden.

Es kann vorgesehen sein, dass jeweils nach dem Guss einer bestimmten Anzahl von Gussteilen die aus dem Thermoplasten bestehenden Teile der Gussform ersetzt werden. Es ist zu erwarten, dass eine erfindungsgemäße Gussform aus einem Thermoplasten nicht dauerhaft stabil ist, da sie insbesondere beim Entformen einem Verschleiß unterliegen kann oder in ihrer Qualität durch die ggf. erforderliche Wärme beim Guss nach und nach beeinträchtigt wird. Zur Erzielung einer kontinuierlich hohen Qualität der Guss- teile kann es daher sinnvoll sein, nach einer bestimmten Anzahl von Gussteilen, die etwa in Versuchen ermittelt werden kann, die thermoplastischen Teile der Gussform auszutauschen. Es wird seitens des Anmelders damit gerechnet, dass sich mit einer Gussform etwa 10 bis 50 Gussteile, z.B. Brillenkomponenten, in weitgehend gleich bleibender Qualität herstellen lassen, bevor es ratsam erscheint, die Gussform auszutauschen. Alternativ könnte natürlich auch eine regelmäßige Inspektion visueller oder sonstiger Art der Gussform im Produktionsprozess vorgesehen werden und ein Austausch je nach Bedarf stattfinden. Es wird zwar somit insbesondere in einer Massenfertigung von Gussteilen ggf. eine relativ große Anzahl von Gussformen ver- braucht; diese können allerdings wie oben beschrieben in einem Spritzgussverfahren sehr kostengünstig hergestellt werden.

Insbesondere können auch die ersetzten Teile einem Recycling zugeführt

werden, um das Material der Gussformen zurückzugewinnen. Dabei kann in bevorzugter Weise ein geschlossener Kreislauf gebildet werden, indem die ersetzten Teile als Ausgangsmaterial für die Herstellung neuer Teile eingesetzt werden oder einem solchen Ausgangsmaterial beigemischt werden. Es 5 könnte so in einer Fertigungsstätte beispielsweise ein weitgehend automatisierter Prozess installiert werden, in dem kontinuierlich neue Gussformen in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden, zum Guss der letztlich herzustellenden PU-Gussteile verwendet werden und danach wieder eingeschmolzen werden, wobei das Material zur Herstellung neuer Gussformen iö verwendet wird. Ein derartiger Kreislaufprozess wird insbesondere durch die vorgesehene Herstellung der Gussform aus einem thermoplastischen Werkstoff ermöglicht. Es könnte beispielsweise auch in einem Produktionsprozess vorgesehen sein, dass eine einzige Spritzgussmaschine zur Herstellung der Gussformen eine Mehrzahl von Gussstationen für die Herstellung von Guss- i5 teilen mit Gussformen versorgt. Damit kann eine parallele Produktion großer Stückzahlen von PU-Gussteilen ermöglicht werden. Es könnte dabei natürlich auch vorgesehen sein, jeweils eine bestimmte Anzahl einer ersten Gussform im Spritzgussverfahren herzustellen und in ein Vorratslager einer Gussstation für die Herstellung von PU-Gussteilen einzuführen und dann weitere

20 bestimmte Anzahlen in einer zweiten, dritten, etc. Gussform in der Spritzgussmaschine herzustellen und weiteren Gussstationen für die Herstellung anderer PU-Gussteile zuzuführen.

Vorzugsweise werden komplette Formschalenhälften, also z. B. Unterschale 25 und Oberschale, sowie etwaige Einlegeteile aus Polypropylen oder Polyethy- len zur Realisierung der Gussform hergestellt.

Das zur Herstellung der Gussteile verwendete Polyurethan kann insbesondere ein Polyurethan-Gießharz sein. Dabei können in bevorzugter Weise die 0 verwendeten Isocyanat- und Polyolkomponenten so gewählt werden, dass sich nach dem Guss ein hartelastisches oder zähelastisches Polyurethan ergibt. Dies ist insbesondere für eine Vielzahl der eingangs genannten Anwendungsmöglichkeiten vorteilhaft. Als Polyurethan kann dabei ein alipha-

tisches PTMEG-Ether-Prepolymer verwendet werden, welches eine Shore- D-Härte von 55 bis 60 aufweist. Ebenso könnte ein Polyurethan verwendet werden, in dem die Isocyanatkomponente ein aliphatisches Isocyanat-termi- niertes (rMDI)-Polyester-Prepolymer ist und die Polyolkomponente ein PoIy- ester ist. Diese und eine Vielzahl weiterer Polyurethane können mit den jeweils gewünschten Materialeigenschaften von verschiedenen Herstellern bezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit besonderen Vorteilen zur Her- Stellung von Gussteilen, die technische Gleit- oder Sichtflächen umfassen, angewendet werden. Wie oben ausgeführt, bietet Polyurethan sehr gute Materialeigenschaften, insbesondere auch für den Einsatz in belastbaren Bauteilen mit glatten Oberflächen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beim Guss derartiger Teile eine gleichbleibend hohe Oberflächenqua- lität gewährleistet werden, was die Einsatzmöglichkeiten für technische Gleitoder Sichtflächen verbessert. Diese Teile können beispielsweise Gehäuseteile mit Sichtflächen, Zier- oder Schutzelemente an Behältnissen, Kraftfahrzeugen oder Gebäuden sein.

In besonders bevorzugter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Massenherstellung von zumindest teilweise transparenten oder transluzen- ten Gussteilen, z.B. optischen Elementen, angewendet werden. Dabei kann die Transparenz der Gussteile beispielsweise wellenlängenabhängig sein. Die Gussteile können optische Oberflächen aufweisen. Ein wichtiger Anwen- dungsfall ist die Serienproduktion von Brillengläsern, insbesondere Brillengläsern für Sonnenbrillen. Es liegt auf der Hand, dass für derartige Gussteile eine hohe Oberflächenqualität und auch eine möglichst homogene Materialverteilung im Inneren des Gussteils wünschenswert oder sogar unabdingbar ist. Insbesondere die hohe Oberflächenqualität kann beispielsweise durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf den Einsatz eines Trennmittels erzielt werden. So können Brillenglasoberflächen kratzerfrei und mit extrem geringer Rauigkeit, wie sie einer Politur gleichkommt, an Polyurethan-Brillengläsern realisiert werden.

Brillengläser, insbesondere für Sonnenbrillen, werden heutzutage in der Regel aus Gründen des Gewichts nicht mehr aus dem Material Glas, sondern aus amorphen Kunststoffen hergestellt. Ein weit verbreitetes Material dieser Art ist unter dem Namen CR 39 bekannt und wird seit vielen Jahrzehnten zur Herstellung von Brillengläsern eingesetzt. Dieses Material ist sehr preisgünstig in der Herstellung und weist gute optische Qualitäten auf. Allerdings ist es nicht bruchfest und neigt beim Bruch zum Splittern, wodurch sich beispielsweise eine Gefährdung eines Brillenträgers ergeben kann und was einen Einsatz beispielsweise im Sport, etwa als Skibrille, oder in Arbeitsschutzbrillen unmöglich macht. Für solche Anwendungen wird daher in der Regel ein Polycarbonat-Werkstoff eingesetzt, der allerdings teurer ist und zwar unzerbrechlich ist, aber bei zu starker Verformung oder Belastung einen sog. Weißbruch erleidet, d. h. geknickt wird und nicht mehr in die ursprüngliche Form zurückkehren kann.

Demgegenüber kann beispielsweise ein Brillenglas aus Polyurethan bei entsprechender Werkstoffwahl, insbesondere also wenn es hartelastisch oder zähelastisch ist, nahezu beliebig belastet, gebogen etc. werden, ohne zu brechen oder zu splittern und kehrt stets wieder in seine Ausgangsform zurück. Polyurethan ist also aufgrund seiner Materialeigenschaften grundsätzlich in hohem Maße geeignet für derartige Anwendungen.

Demgemäß betrifft ein wichtiger Aspekt der Erfindung ein optisches Durch- Sichtelement aus Polyurethan, wobei das Polyurethan ein Polyurethan-Gießharz sein kann und vorzugsweise hartelastisch oder zähelastisch ist. Ein solches Durchsichtelement aus Polyurethan weist wie beschrieben ausgezeichnete optische und mechanische Eigenschaften auf, ist also insbesondere schlag- und bruchfest, splittert nicht und kehrt nach Verformung oder Belas- tung wieder in seine Ausgangsform zurück. Ein derartiges Durchsichtelement könnte also in bevorzugter Weise in einer Sonnen- oder Schutzbrille, als Helmvisier, Oberfläche für widerstandsfähige Bildschirme o. ä. eingesetzt werden. Ebenso könnte es beispielsweise in Kraftfahrzeugen als Abdeckung

für Beleuchtungseinrichtungen, Armaturenabdeckung oder anstelle des Scheibenglases eingesetzt werden. Insbesondere könnte beim Einsatz als Scheibe, sei es als Windschutz-, Seiten- oder Heckscheibe in einem Kraftfahrzeug eine Gewichtsersparnis bei gleichzeitig hohem Sicherheitsniveau erzielt werden. Neben einer Vielzahl von weiteren denkbaren Anwendungsmöglichkeiten kann beispielsweise insbesondere auch ein Einsatz als bruch- oder ggf. sogar schusssichere Schaufensterscheibe vorgesehen werden.

Aufgrund der oben genannten Problematik der Beeinträchtigung der Ober- flächengüte eines konventionellen PU-Gussteils durch das in der Regel verwendete Trennmittel konnte dieser optische Elemente mit hochwertigen Oberflächen betreffende Anwendungsbereich, obwohl an sich wünschenswert, bisher für Polyurethan-Gussteile nicht erschlossen werden. Dies wird durch das erfindungsgemäß angegebene Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Gussteilen ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Brille mit Brillenkomponenten aus Polyurethan, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise sind alle Brillenkomponenten, nämlich Brillengläser, Fas- sung, Rahmen und Bügel in der Weise hergestellt worden.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Gießanlage gemäß Anspruch 14 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand einer Figur beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm, welches den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Gussteilen aus Polyurethan darstellt. Zunächst wird in Schritt 100 eine Spritzgussform für die Gussform hergestellt. Dies geschieht in bekannter Weise, wobei die Spritzgussform in der Regel aus Edelstahl gefertigt ist. Mit dieser Spritzgussform wird dann in Schritt 101 in einer herkömmlichen Spritzgussmaschine die eigentliche

Gussform aus Polyethylen oder Polypropylen gespritzt. Insbesondere Polypropylen hat sich für den Einsatz als Gussform zur Herstellung von optischen Durchsichtselementen und Brillenkomponenten, wie Gläser, Rahmen und Bügel, in Versuchen des Anmelders gut bewährt. Optional kann nach 5 dem Spritzgussvorgang die hergestellte Gussform noch poliert werden, insbesondere in Bereichen, in denen das spätere Gussteil eine besonders hohe Oberflächenqualität aufweisen soll. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere poliertes Polypropylen eine sehr geringe Haftung gegenüber Polyurethan aufweist, so dass ein so behandeltes Material bevorzugt als Guss- lo form zur Herstellung von PU-Gussteilen eingesetzt werden kann. Die im Spritzgussverfahren hergestellte Gussform wird dann in eine Gussanlage herkömmlicher oder modifizierter Art eingelegt, in der beispielsweise der spätere Guss unter Vakuumbedingungen stattfinden kann. Dies ist deshalb vorteilhaft, da so etwa eine Blasenbildung im Gussmaterial verringert oder i5 ganz vermieden werden kann, die ansonsten wiederum die Oberflächenqualität oder Homogenität des Gussmaterials beeinträchtigen kann. Die Gussanlage umfasst in bekannter Weise Zuführungen für die verwendeten Isocya- nat- und Polyolkomponenten, einen Mischer für die Komponenten und ggf. einen Zwischenspeicher für die Mischung. Je nach verwendetem Material

20 kann es weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest die Gussmaterial führenden Teile der Anlage auf eine für die Verarbeitung günstige Temperatur gebracht und dort gehalten werden. Mit der so eingerichteten Anlage wird nun in Schritt 102 ein PU-Gussteil gegossen und nach dem Aushärten in Schritt 103 aus der Gussform entnommen. Wie vorher eingehend beschrie-

25 ben, weisen das Material der Gussform und das Gussmaterial eine geringe gegenseitige Haftung auf, so dass eine Entnahme leicht und in der Regel ohne jeglichen Werkzeugeinsatz möglich ist. Nach der Entnahme des Gussteils kann die Gussform erforderlichenfalls gereinigt werden, um etwa zurückgebliebenes überschüssiges Gussmaterial zu entfernen. In Schritt 104 o findet die Entscheidung statt, ob die Gussform weiter verwendet werden kann oder ob sie zu ersetzen ist. Es ist damit zu rechnen, dass aufgrund der thermischen Belastung beim Gießen oder einer eventuellen mechanischen Belastung beim Entformen die Gussform materialbedingt nicht dauerhaft

eingesetzt werden kann, um eine gleichbleibend hohe Qualität der Gussteile zu gewährleisten. Die Entscheidung, ob die Gussform auszutauschen ist oder weiterverwendet werden kann, kann beispielsweise aufgrund einer etwa visuellen Inspektion der Gussform stattfinden. Es kann auch einfach 5 vorgesehen sein, grundsätzlich nach einer bestimmten Anzahl von Gussteilen die Gussform auszutauschen. Selbst wenn die Gussform zum Austauschzeitpunkt durchaus noch brauchbar sein sollte, kann dies bei den herstellungsbedingt geringen Kosten für die Gussform so vorgesehen werden. Die Anzahl von Gusszyklen, nach der eine Gussform ausgetauscht lo werden sollte, kann beispielsweise vorab in Versuchen ermittelt werden.

Seitens des Anmelders wird mit einer Standzeit der Gussform von ca. 10 bis 50 Gussteilen gerechnet. Wenn in Schritt 104 festgestellt wird, dass die Gussform weiterverwendet werden kann, kehrt das Verfahren zu Schritt 102 zurück, und das nächste Gussteil kann gegossen werden. Wird die Entschei- i5 düng getroffen, dass die Gussform nicht weiterverwendet werden kann, wird die Gussform in Schritt 105 aus der Anlage entnommen und ausgesondert oder einem Recycling zugeführt. Der Prozess kehrt nun nach Schritt 101 zurück, wonach eine neue Gussform gespritzt wird und in die Anlage eingesetzt wird. Natürlich muss nicht unbedingt genau zu dieser Zeit eine neue

20 Gussform gespritzt werden, sondern es kann auch mit der Spritzgussmaschine eine gewisse Anzahl von Gussformen vorab gespritzt werden und in einem Vorratspuffer an der Gussanlage zur Verfügung gestellt werden, so dass stets eine neue Gussform bereitsteht, wenn eine verbrauchte auszusondern ist. Es kann dann ggf. vorgesehen sein, abhängig vom Füllstand 5 des Vorratspuffers für die Gussformen wiederum die Spritzgussmaschine in Betrieb zu nehmen, um neue Gussformen zur Auffüllung des Vorratspuffers zu spritzen. In bevorzugter Weise können die ausgesonderten Spritzgussformen einem Recycling zugeführt werden, d. h. eingeschmolzen werden und der Spritzgussmaschine zur Herstellung neuer Gussformen wieder zu- o geführt werden, wobei auch lediglich eine Beimischung des recycelten Materials zu frischem Material vorgesehen werden kann.