Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Mehrkomponenten-Kunststoffteilen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Mehrkomponenten-Kunststoffteilen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 bzw. 16.

Bekannt ist es, ein Formteil, insbesondere ein Kunststoffformteil, mittels eines Polyurethan-Materials zu beschichten. Dabei wird auch bereits ein Verfahren angewandt, gemäß dem das Formteil in eine vergrößerte Kavität eingelegt wird, so dass zwischen der Kavitätswand und dem eingelegten Formteil ein freier Raum gebildet ist. In diesen Raum wird ein Polyurethan-Material zur Beschichtung des eingelegten Kunststoffteils eingefüllt. Nach dem Vernetzen und Aushärten des Polyurethan- Materials kann das die vergrößerte Kavität bildende Formwerkzeug geöffnet und das beschichtete Produkt entnommen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein integriertes System anzugeben, mit dem ein Thermoplast-Formkörper mit zumindest zwei unterschiedlichen Polyurethan-Materialien überzogen werden kann.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch die in den Ansprüchen 1 und 9 definierten Merkmale und verfahrensmäßig durch die im Anspruch 16 definierten Merkmale gelöst.

Vorrichtungsmäßig werden dabei zwei Alternativkonzepte verfolgt. Gemäß einer ersten Alternative werden einer Schließeinheit zumindest zwei Polyurethan-Einheiten zugeordnet, die jeweils in eigene, separate Formkavitäten, die von der Schließeinheit gebildet werden, das durch sie zur Verfügung gestellt reaktive Material einfüllen können. Gemäß der anderen Alternative wird von der Schließeinheit eine Formkavität gebildet, in die in verschiedene Teilkavitäten Polyurethan-Material mit unterschiedlichen Materialeigenschaften eingefüllt werden kann. Die hierfür notwendige Ausgestaltung wird nachfolgend noch genauer beschrieben.

Zwei Polyurethan-Einheiten können dabei vollständig getrennt ausgebildet sein oder verschiedene Anlagenteile gemeinsam verwenden. So ist es möglich, zwei Mischköpfe mittels einer Umschalteinheit über eine einzige Dosiermaschine zu versorgen. Dabei kann beispielsweise eine Komponente „Inline" begast werden, um einen Schaumeffekt zu erreichen. Die „Inline-Begasung" kann mittels eines CO2 Gases durchgeführt werden. So ist es beispielsweise möglich, bei einem Türinnenmodul für ein Kraftfahrzeug den unteren Bereich dünnwandig und kompakt mit einer ersten Farbe auszubilden und den oberen Brüstungsbereich geschäumt und weich mit einer anderen Farbe zu gestalten. Wird dazu nur eine PUR-Einheit benutzt, kann das Treibmittel für jeden Schuss separat zugeführt werden.

Ein besonderer Vorteil ist dadurch gegeben, wenn der Schließeinheit auch gleich eine Plastifizier- und Einspritzeinrichtung zugeordnet ist, die in ein zugeordnetes Formwerkzeug die Thermoplastschmelze einbringen kann. In diesem Fall kann in einem ersten Zyklusschritt der Thermoplast-Formkörper gebildet werden, der in den nachfolgenden Schritten dann mit zumindest zwei Polyurethan-Materialien mit verschiedenen Materialeigenschaften überzogen wird. Natürlich ist es auch möglich, eine System zu bilden, in dem zwei oder mehrere Plastifizier- und Einspritzeinrichtungen verwendet sind.

Eine Schließeinheit, die sich für dieses Verfahren in besonderer Weise eignet, ist mit einer drehbaren Wendeplatte ausgestattet, wobei die Wendeplatte mit zumindest zwei Aufspannplatten zusammenwirkt. Zwischen den Aufspannplatten und der zwischengeschalteten Wendeplatte sind jeweils Formwerkzeuge angeordnet. Natürlich können auch drei, vier oder mehr Aufspannplatten um die Wendeplatte herum angeordnet sein. Dazu muss die Wendeplatte natürlich mit entsprechend vielen Flächen zur Aufnahme der jeweiligen Formwerkzeugteile versehen sein.

Ein besonderer Vorteil ist dann gegeben, wenn gegenüber dem Formwerkzeug für die Plastifizier- und Einspritzeinheit ein weiteres Formwerkzeug angeordnet ist, so dass die Schließeinheit nach Art eines Sandwichverfahrens beide Formwerkzeuge verschließen kann.

Ist die Wendeplatte würfelförmig ausgebildet, so können auf allen vier Seiten baugleiche Formwerkzeughälften angeordnet sein, von denen zumindest zwei mit an den Aufspannplatten angeordneten Formhälften zusammenwirken. In diesem Fall würde sich die vergrößerte Kavität oder würden sich die vergrößerten Kavitäten jeweils bei einem nachfolgenden Umsetzschritt durch Schließen mit einer anderen Formwerkzeughälfte an einer Aufspannplatte ergeben.

Alternativ zum Umsetzen des - eventuell bereits teilweise beschichteten - Thermoplast- Formkörpers kann dieser in eine vergrößerte Kavität eingebracht werden, die entweder wenigstens zwei Teilkavitäten aufweist, die voneinander getrennt sind oder bei der verschiedene Teilkavitäten durch Herausziehen eines Einschubes oder eines Kernzuges nacheinander bildbar sind. Auch bei dieser Vorgehensweise kann vorteilhafterweise die Plastifizier- und Einspritzeinheit bereits in das System integriert sein. überdies ist es auch hierbei möglich, eine Wendeplatten-Schließeinheit zu verwenden.

Wird eine Trenneinrichtung zur Abtrennung von verschiedenen Teilkavitäten vorgesehen, so kann diese vorzugsweise zurückziehbar ausgebildet sein. Das Zurückziehen kann eventuell auch bei bereits geschlossenem Formwerkzeug erfolgen. Gerade in letzterem Fall ist es möglich, eine Teilkavität vollständig zu füllen, so dass nach dem öffnen des Formwerkzeugs kein freier Raum mehr übrig bleibt, in dem die Trenneinrichtung aufgenommen war. Von besonderem Vorteil bei der Verwendung von mehreren Teilkavitäten ist die Verwendung einer Polyurethan-Einheit, die zumindest zwei Polyurethan-Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften nacheinander austragen kann. Dazu sind Umschaltmechanismen notwendig, die beispielsweise unterschiedliche Materialzusätze (z.B. unterschiedliche Farbe und /oder eine Begasung der Komponenten wie z.B. CO ₂ ) je nach gewähltem Einschuss zur Verfügung stellen. Wird mit nur einer einzigen Polyurethan-Einheit das entsprechende Material in eine Kavität oder in Teilkavitäten eingebracht, so sind Einrichtungen zur änderung der Strömungsrichtung sinnvoll. Zum einen kann es sich dabei um ein Kanalsystem in dem Formwerkzeug handeln, welches von seiner Strömungsrichtung bezüglich der verschiedenen Teilkavitäten umschaltbar ist. Zum anderen kann die eine Polyurethan- Einheit an verschiedenen Angussstellen angesetzt werden.

Ist zusätzlich zu der vorgenannten Umschaltmöglichkeit auch eine Trenneinrichtung vorgesehen, so kann vorzugsweise auch die Trenneinrichtung so ausgebildet sein, dass mit ihr die schaltbaren Strömungswege in die verschiedenen Kavitätsräume realisierbar sind.

Natürlich ist es auch möglich, die Schließeinheit mit einem Drehtisch, einem Schiebetisch oder einer Indexplattenanordnung auszustatten. Die einzelnen Komponenten sind an sich bekannt und müssen vorliegend nicht näher erläutert werden.

Weitere Vorteile, auch verfahrensmäßiger Art, sind in den Unteransprüchen definiert.

Die vorliegende Erfindung wird anhand zweier Ausführungsformen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Figur 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems, Figur 2 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems und Figur 3 eine vergrößerte Detailquerschnittsdarstellung eines Formwerkzeugs mit umschaltbarem Strömungsweg.

In Figur 1 ist schematischer Draufsicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems dargestellt. Dabei ist zentral eine Schließeinheit 10 vorgesehen, von der vorliegend jedoch nur Aufspannplatten 12, 14 und 16 sowie eine um eine vertikale Achse drehbare Wendeplatte 18 dargestellt sind. Nicht dargestellt sind zugkraftübertragende Elemente wie Holme oder Antriebe zum öffnen und Schließen der Schließeinheit sowie zur Aufbringung eines Schließdrucks. Diese Konstruktionselemente sind aus dem Stand der Technik jedoch vielfach bekannt und können für die vorliegende Erfindung vorausgesetzt werden.

Die Wendeplatte 18 ist vorliegend translatorisch fest und nur drehbar ausgebildet. Die Aufspannplatten 12, 14 und 16 dagegen sind jeweils in der Richtung der Wendeplatte 18 und in die entgegengesetzte Richtung verschiebbar ausgebildet.

- A -

Zwischen jeder Formaufspannplatte 12, 14 und 16 und der Wendeplatte 18 ist ein Formwerkzeug 20, 22 und 24 angeordnet. Jedes dieser Formwerkzeuge besteht aus zwei Formwerkzeughälften 20', 20" und 22', 22" und 24', 24", von denen die Formwerkzeughälften 20', 22' und 24' an der Wendeplatte und die Formwerkzeughälften 20", 22" und 24" an den Aufspannplatten 12, 14 und 16 befestigt sind. Die Werkzeugformhälften 20', 22', 24' und 25' sind identisch ausgebildet. Jeweils in Zusammenwirkung der an der Wendeplatte 18 angeordneten Formwerkzeughälften mit den Formwerkzeughälften an den Aufspannplatten 12, 14 und 16 ergeben sich entsprechende Kavitätsräume, die nachfolgend noch erläutert werden.

In der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist der Aufspannplatte 12 eine Plastifizier- und Einspritzeinheit 26 zugeordnet (nur sehr schematisch dargestellt), in die über einen Einfülltrichter 30 ein Thermoplast-Ausgangsmaterial eingeführt wird. Mittels eines Antriebs 28 wird die Plastifizier- und Einspritzeinrichtung 26 angetrieben, dadurch das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und in an sich bekannter Weise in die Kavität des Formwerkzeugs 20 eingespritzt. Dabei ist in Figur 1 die Plastifizier- und Einspritzeinheit 26 im zurückverfahrenen Zustand dargestellt. Beim Einspritzen wird die Plastifizier- und Einspritzeinrichtung 26 nach vorne verfahren, so dass deren Einspritzdüse am Angusskanal des Formwerkzeugs 20 zum Einbringen der Schmelze anschließt.

Der Aufspannplatte 16 ist eine erste Polyurethan-Einheit 32 zugeordnet, die einen Mischkopf 34 mit einem Auslassrohr umfasst. Der Mischkopf 34 kann, wie durch den Doppelpfeil angezeigt ist, in Richtung der Aufspannplatte 16 und entgegengesetzt von ihr bewegt werden. Dadurch ist der Mischkopf mit seinem Auslassrohr an einen Angussbereich des Formwerkzeugs 24 ankoppelbar.

Der Mischkopf 34 ist über Komponentenzuführleitungen 46 und 48 mit zwei Behältern 38 und 40 verbunden, in denen die beiden Polyurethan-Komponenten Isocyanat und Polyol enthalten sind. Diese beiden Komponenten werden mittels Pumpen unter Hochdruck dem Mischkopf 34 zugeführt. Zudem ist der Mischkopf 34 über eine Zuführleitung 52 mit einem Farbbehälter 50 verbunden, aus dem ein erstes Farbmaterial dem Mischkopf 34 zugeführt wird. Die Polyurethan-Komponenten sowie das Farbmaterial werden im Mischkopf miteinander vermischt und über das Auslassrohr

ausgetragen. Die einzelnen Dosiersysteme und Polyurethan-Teileinheiten sind in Fig. 1 jeweils nur sehr schematisch dargestellt. In der Praxis sind diese Systeme etwas komplexer ausgeführt, was dem Fachmann aber aufgrund des vielfältigen Standes der Technik ausreichend bekannt ist.

Der Aufspannplatte 14 ist eine zweite Polyurethan-Einheit 32' zugeordnet, die ebenfalls einen Mischkopf umfasst, welcher wiederum, entsprechend dem Doppelpfeil, in Richtung der Aufspannplatte 14 und in entgegengesetzter Richtung davon verfahrbar ist. Der Antrieb hierfür - wie auch die Mimik ist wiederum nicht dargestellt. Auch der Mischkopf 36 kann mit seinem Auslassrohr an einem Anguss des Formwerkzeugs 22 ankoppeln, um so das Polyurethan-Gemisch in die Formkavität des Formwerkzeugs 22 überführen zu können.

Der Mischkopf 36 ist über die Komponentenzuführleitungen 42 und 44 wiederum mit den Behältern 38 und 40 gekoppelt und bezieht von diesen über die Pumpen die Komponenten Isocyanat und Polyol. Natürlich könnten auch separate Behälter vorgesehen sein. Wiederum über eine Zuführleitung 56 ist der Mischkopf 36 mit einem Behälter 54 für eine zweite Farbkomponente verbunden.

Beim Betrieb des in Figur 1 nur systematisch dargestellten Systems wird wie folgt vorgegangen:

Zunächst wird in einem ersten Zyklusschritt mittels der Plastifizier- und Einspritzeinheit 26 eine Kunststoffschmelze erzeugt und in die Kavität des Werkzeugs 20 eingespritzt. Nach dem Aushärten des Thermoplast-Materials wird die Aufspannplatte 12 von der Wendeplatte 12 wegverfahren, und nach dem öffnen der übrigen Aufspannplatten 14 und 16 kann die Wendeplatte um 90° gegen den Uhrzeigersinn (Figur 1 ) gedreht werden. Dabei wird das im vorherigen Schritt hergestellte Thermoplast-Produkt in der Formwerkzeughälfte 20' gehalten und entsprechend mitgeführt.

Nunmehr werden die Aufspannplatten 12, 14 und 16 wieder geschlossen und verriegelt, wobei sich aufgrund einer entsprechenden Ausformung im Formwerkzeug 22 eine vergrößerte Kavität ausbildet. Dadurch ist zwischen der Kavitätswand der

Formwerkzeughälfte 22" und dem Produkt ein Freiraum gebildet, in welchen nunmehr mittels des herangefahrenen Mischkopfes 36 ein Polyurethan-Material eingespritzt wird.

Nach einem zumindest teilweise Aushärten (Vernetzen) des Polyurethan-Materials wird der Mischkopf 36 und auch die Aufspannplatte 14 - wie auch die übrigen Aufspannplatten 12 und 16 - wieder in eine entgegengesetzte Richtung zur Wendeplatte 18 zurückverfahren, so dass sich die Wendeplatte 18 frei um 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen kann. Nach einem nochmaligen Schließen der Aufspannplatten 12, 14 und 16 ist im Formwerkzeug 24 bei entsprechender Ausbildung der Formwerkzeughälfte 24" eine wiederum vergrößerte Kavität gebildet, in die nach dem Heranfahren des Mischkopfes 34 ein weiteres Polyurethan-Material mit einer anderen Materialeigenschaft, z. B. einer anderen Farbe, eingespritzt werden kann.

Je nach Ausgestaltung der verschiedenen Kavitäten in den Formwerkzeugen 22 und 24 kann so ein mit verschiedenen Polyurethan-Materialien beschichtetes Thermoplastteil hergestellt werden. Wird nach dem öffnen der Aufspannplatten 12, 14 und 16 die Wendeplatte 18 nochmals um 90° gedreht, so kann an der in Figur 1 unteren Bildposition das fertig hergestellte Produkt entnommen werden.

Alle oben genannten Verfahrensschritte können zyklusgleich durchgeführt werden; dies bedeutet, dass in den Kavitäten der Formwerkzeuge 20, 22 und 24 jeweils zeitgleich entsprechende Materialien eingebracht werden können und in den Kavitäten zumindest teilweise aushärten, so dass die Wendeplatte 18 nach dem öffnen der Aufspannplatten 12, 14 und 16 weiter verdreht werden kann.

Natürlich sind auch weitere Vorrichtungen dem in Figur 1 dargestellten System zufügbar. So können den beiden Formwerkzeugen 22 und 24 Einsprühvorrichtungen für das Einbringen eines Trennmittels auf die Kavitätsoberfläche der Formwerkzeughälften 22" und 24" zugeordnet sein. Weiter ist es möglich eine Entnahmerobotik oder eine Robotik zum Einlegen eines Teiles vorzusehen.

In Figur 2 ist eine gegenüber der Abbildung in Figur 1 etwas geänderte Ausführungsform eines vorliegenden erfindungsgemäßen Systems dargestellt. Nunmehr ist nämlich gegenüber Figur 1 die Aufspannplatte 14 wie auch die zweite

Polyurethan-Einheit 32' weggelassen. Dafür ist der Mischkopf 34' in abgeänderter Form vorgesehen. Der Mischkopf 34' ist nämlich nunmehr zur Umschaltung der Zufuhr eines Zusatz- oder Zuschlagstoffes ausgebildet, welcher den Polyurethan-Komponenten Polyol und Isocyanat beigegeben werden kann.

So ist der Mischkopf 34' über die Zufuhrleitung 56' mit einem Behälter 54' verbunden, aus dem die zweite Farbe dem Mischkopf 34' zugeführt werden kann. Je nach Einschuss mischt der Mischkopf 34' den beiden Reaktionskomponenten Polyol und Isocyanat nunmehr entweder die erste Farbkomponente oder die zweite Farbkomponente bei und spritzt diese unterschiedliche Mischung in Teilkavitäten der vergrößerten Kavität im Formwerkzeug 24 ein.

Dazu ist es natürlich erforderlich, dass das einzufüllende Material in einer gewünschten Weise in eine vorbestimmte Teilkavität eingeführt werden kann. Eine Ausführungsform, mit der dies beispielsweise möglich ist, ist in Figur 3 dargestellt. In Figur 3 ist eine schematische Detailschnittansicht eines Formwerkzeugs dargestellt, wie es als Formwerkzeug 24 in Figur 2 verbaut werden kann. Dieses Formwerkzeug in Figur 3 umfasst eine erste Formwerkzeughälfte 60' und eine zweite Formwerkzeughälfte 60". Die erste Formwerkzeughälfte 60' kann dabei an der Wendeplatte befestigt sein. Die zweite Werkzeugplatte 60" kann an der beweglichen Aufspannplatte 16 befestigt sein.

Zwischen den beiden Formwerkzeughälften 60' und 60" ist eine Kavität ausgebildet, in der bereits ein Thermoplast-Formkörper 68 angeordnet ist. Zwischen dem Thermoplast- Körper 68 und der Kavitätswand der Formwerkzeughälfte 60" ist in einer vergrößerten Kavität ein Hohlraum mit zwei Teilkavitäten 66' und 66" ausgebildet. Die beiden Teilkavitäten 66' und 66" sind über ein Trennlineal 70 abgetrennt, so dass sie keine Verbindung zueinander aufweisen. Das Trennlineal 70 ist fest an der Formwerkzeughälfte 60" und erstreckt sich bei geschlossenem Formwerkzeug in dichtender Weise bis zum Thermoplast-Formteil 68.

In der Formwerkzeughälfte 60" ist ein Kanalsystem ausgebildet, wobei sich - ausgehend vom Anguss 62 - ein Hauptkanal bis zu einer Abzweigung erstreckt und von dort in zwei Teilkanäle 62' und 62" aufspaltet. Diese Teilkanäle münden wiederum in die Teilkavitäten 66' und 66". Am Abzweigungspunkt ist eine Umschalteinrichtung in

Form einer Klappe 64 dargestellt, die mit einem Umschaltmechanismus in eine gewünschte Position 64', 64" geschaltet werden kann. Die Schaltung ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Je nach Schaltstellung ist der Strömungsweg entweder von dem Anguss 62 zur Teilkavität 66' oder vom Anguss 62 zur Teilkavität 66" realisiert. In Kombination mit dem Mischkopf 34' kann nunmehr je nach Betrieb des Mischkopfes zunächst ein erstes Polyurethan-Material mit einer ersten Materialeigenschaft in die Teilkavität 66' eingefüllt werden. Danach wird die Umlenkklappe umgeschaltet und ein Polyurethan-Material mit einer zweiten Materialeigenschaft in die zweite Teilkavität eingefüllt. Nach dem zumindest teilweise Vernetzen und Aushärten der Polyurethan- Materialien kann das Werkzeug 60' geöffnet und das gefertigte Teil entnommen werden.

Natürlich sind auch eine Vielzahl anderer Maßnahmen zur Füllung verschiedener Teilkavitäten bekannt. So ist es möglich, getrennte Strömungskanäle in verschiedene Teilkavitäten vorzusehen, wobei dann der Mischkopf von einem zum anderen Anguss umgesetzt werden muss. Auch ist es möglich, mit Kernzügen oder Schiebern zu arbeiten, die nach dem Füllen einer Teilkavität unter Ausbildung einer weiteren Teilkavität zurückgezogen werden, wobei dann in einem nachfolgenden Schritt ein weiteres Polyurethan-Material mit einer anderen Materialeigenschaft in die neugeschaffene Teilkavität eingefüllt wird.

Hinsichtlich der Materialeigenschaft können die Zugabestoffe so verändert werden, dass sich die Haptik, beispielsweise die Weichheit bzw. Härte des Materials ändert, auch können verschiedene Strukturen auf diese Art und Weise geschaffen werden. Natürlich ist es auch möglich, nicht nur zwei, sondern mehrere separate Polyurethan- Einheiten oder Polyurethan-Einheiten (Mischköpfe) mit mehreren Umschalt- und Variationsmöglichkeiten einzusetzen, um eine noch größere Kombination von Materialien zur Verfügung stellen zu können.

Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine vielseitige Beschichtung eines Thermoplast-Materials oder allgemein eines Einlegers mit zumindest zwei oder mehreren Polyurethan-Materialien, die verschiedene Materialeigenschaften aufweisen.

Bezugszeichenliste

Schließeinheit Erste Aufspannplatte Zweite Aufspann platte Dritte Aufspannplatte Drehbare Wendeplatte Erstes Formwerkzeug ', 20" Formwerkzeughälften des ersten Formwerkzeugs Zweites Formwerkzeug , 22" Formwerkzeughälften des zweiten Formwerkzeugs Drittes Formwerkzeug ', 24" Formwerkzeughälften des dritten Formwerkzeugs ' Formwerkzeughälfte Plastifizier- und Einspritzeinheit Antrieb Trichter , 32', 32" Polyurethan-Einheit (PUR-Einheit) , 34' Erster Mischkopf Zweiter Mischkopf Polyol-Behälter Isocyanat-Behälter Isocyanat Zufuhrleitung zum zweiten Mischkopf Polyol Zufuhrleitung zum zweiten Mischkopf Isocyanat Zufuhrleitung zum ersten Mischkopf Polyol Zufuhrleitung zum ersten Mischkopf Behälter mit erster Farbe Farbleitung zum ersten Mischkopf , 54' Behälter mit zweiter Farbe , 56' Farbleitung zum zweiten/ersten Mischkopf Detailausschnitt eines Formwerkzeugs ', 60" Formwerkzeughälften mit Formhohlraum PUR-Zufuhrkanal ', 62" PUR-Teilkanal

, 64' Schaltbare Umlenkklappe ' , 66 Formhohlraum

Thermoplast-Produkt

Metalllineal