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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Spritzgusswerkzeug zum Herstellen eines Bauteilverbunds.
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In modernen Fahrzeuginterieurs finden sich Lichtfenster mit dekorativen oder informativen Funktionen. Lichtfenster bestehen aus einem Träger, der an bestimmten Stellen Materiallücken aufweist, sodass der Träger an diesen Stellen für Licht durchlässig ist. Diese Stellen haben eine bestimmte Form, sodass die Lichtfenster klar konturiert sind.
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Übliche Träger werden im Spritzgussverfahren aus einem Kunststoff wie Polypropylen gefertigt. Dabei wird eine transparente Folie in das Werkzeug eingelegt, hinter bzw. an die der Kunststoff gespritzt wird. Das Werkzeug ist so geformt, dass bestimmte Stellen frei bleiben, die anschließend die Lichtfenster bilden.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass aufgrund des Bimetall-Effekts, der die Verformung eines Kompositbauteils mit Werkstoffen verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten beschreibt, beim Materialschwund des Trägermaterials ein Verlust der Maßhaltigkeit auftreten kann. Das heißt, das unterschiedliche Verhalten von Folie und Träger kann zu einer unerwünschten Deformation des fertigen Bauteilverbunds führen. Die lokale Verformung kann ferner dadurch begünstigt werden, dass am Träger häufig Rippen ausgestaltet werden, welche im Vergleich zu anderen Bauteilabschnitten besonders viel Material aufweisen und dadurch zu einem entsprechend ungleichmäßigen Schwundverhalten führen. Im Resultat entstehen sichtbare Einfallstellen auf der Oberfläche des fertigen Bauteilverbunds, insbesondere im Bereich der Folie. Das Fertigen eines gattungsgemäßen Bauteilverbundes mit einem reinen Spritzgussverfahren ist demnach problembehaftet.
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Dieser Problematik wurde nun versucht, mit der Verwendung eines schäumenden Trägermaterials Rechnung zu tragen. Allerdings resultierten daraus neue Schwierigkeiten. Das sich ausdehnende Trägermaterial folgt nicht exakt der sich öffnenden Kavität des Spritzgusswerkzeugs und kann deshalb die vorgegebene Kontur nicht exakt abbilden. Das heißt, das sich ausdehnende Trägermaterial kann aufgrund seines geringen Aufschäumdrucks beispielsweise nicht in spitze Winkel des Spritzgusswerkzeugs vordringen. Konturen mit solchen Winkeln können deshalb nicht exakt abgebildet werden. Das Trägermaterial kann in diesem Fall einen Radius annehmen, der sich dem gewünschten Winkel nur annähert. Darüber hinaus kann es aufgrund einer Haftwirkung des aufschäumenden Trägermaterials an der Folie im Bereich der Radien weiterhin zu einer Verformung der Folie kommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfache Weise einen Bauteilverbund mit einer lichtdurchlässigen Folie und einem die Folie haltenden Festkörper ohne unerwünschte Materialverformungen zu schaffen.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und das Spritzgusswerkzeug gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen einer lichtdurchlässigen Folie mit einer Folienaußenseite und einer Folieninnenseite,
- - Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs mit einem Einspritzkörper und einem Formkörper, wobei der Einspritzkörper und der Formkörper relativ zueinander bewegbar sind,
- - Positionieren des Einspritzkörpers in einer Einspritzposition beabstandet von der Folieninnenseite,
- - Positionieren des Formkörpers an der Folieninnenseite,
- - Spritzgießen eines schäumenden Trägermaterials an die Folieninnenseite zum Bilden eines stoffschlüssig mit der Folieninnenseite verbundenen Trägers, und
- - nach dem Spritzgießen, Bewegen des Einspritzkörpers aus der Einspritzposition weg von der Folieninnenseite in eine Endformposition, wobei der Formkörper zum Bilden wenigstens einer Materiallücke im Trägermaterial an der Folieninnenseite positioniert bleibt.
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Unter Verwendung des Formkörpers wird die Folie während des erweiterten Spritzgussverfahrens in der gewünschten Position gehalten. Außerdem wird der Formkörper als Platzhalter zum Herstellen der gewünschten Materiallücke im Träger verwendet. In Kombination mit dem schäumenden Trägermaterial und dem sich relativ zum Formkörper bewegenden Einspritzkörper kann nun ein spannungsfreies Herstellen des Bauteilverbunds, auch im Bereich der Materiallücken, realisiert werden. Insbesondere kann gewährleistet werden, dass das Trägermaterial bis in die Ecken des Spritzgusswerkzeugs vordringen kann, ohne anschließend eine unerwünschte Verformung in diesem Bereich, beispielsweise eine Wölbung und/oder eine Einfallstelle der Folie, befürchten zu müssen.
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Der Schaumdruck des schäumenden Trägermaterials stellt zusätzlichen Nachdruck während der gesamten Kühlzeit für den Bauteilverbund sicher. Dadurch können die sonst aufgrund von thermischer Ausdehnung und/oder Schrumpfung auftretenden Spannungen deutlich reduziert werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren können Materiallücken für Lichtfenster mit relativ komplexen Konturen hergestellt werden. Durch Verwendung des schäumenden Trägermaterials kann ein Bauteilverbund hergestellt werden, der im Vergleich zu einem Bauteilverbund aus konventionellem Vollmaterial ein relativ geringes Gewicht aufweist. Die finale lokale Dichte des Trägermaterials kann durch die Form und die Bewegung des Formkörpers gesteuert werden. Das heißt, in relevanten Bereichen kann mittels des Formkörpers dafür gesorgt werden, dass der Kunststoff lokal kompakt bleibt, wodurch das Entstehen von Einfallstellen verhindert wird. Der Formkörper kann dafür so geformt sein und/oder bewegt werden, dass in den Bereichen an und/oder nahe der transparenten Folie kein oder nur wenig Raum zum Schäumen des Trägermaterials gelassen wird. Zum Verändern des Abstands zwischen dem Formkörper und der Folieninnenseite, um die Dichte des Trägermaterials während des Schäumens des Trägermaterials auf den gewünschten bzw. einen vordefinierten Wert einzustellen, kann der Formköper durch ein Verstellmittel verstellt werden. Insbesondere kann der Formkörper mittels einer Hydraulik hydraulisch verstellt werden. Der Formkörper kann hierbei relativ zum Einspritzkörper bewegt werden.
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Als schäumendes Trägermaterial kann insbesondere ein Integralschaum verwendet werden. Unter der Folie kann eine flexible und elastisch verformbare Flächenstruktur verstanden werden. Der Einspritzkörper führt vorzugsweise eine Linearbewegung durch, wenn er von der Einspritzposition in die Endformposition bewegt wird. Der Formkörper kann als Konstrukt aus mehreren Formkörperelementen verstanden werden. Die Formkörperelemente können voneinander beabstandet und/oder relativ zueinander bewegbar konfiguriert sein und zum Herstellen des Bauteilverbunds entsprechend bewegt werden. Unter dem Spritzgusswerkzeug kann ein Werkzeug zum Durchführen eines Spritzgussverfahrens oder eines Verfahrens, dass einen Spritzgussprozess aufweist, verstanden werden. Das heißt, das Spritzgießen ist vorliegend nicht auf ein reines Spritzgussverfahren beschränkt zu betrachten. Bevorzugt wird das Verfahren als Spritzguss-Integralschaum-Verfahren durchgeführt. Damit lassen sich auch besonders komplexe Kavitäten zuverlässig mit dem Trägermaterial ausfüllen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Einspritzkörper bei einem Verfahren in eine Endformposition bewegt wird, in welcher der Einspritzkörper in einem Bereich zwischen 50% und 150% weiter von der Folieninnenseite entfernt ist als in der Einspritzposition. Mit anderen Worten, der Einspritzkörper kann zunächst auf einen Bruchteil von beispielsweise 50% der geplanten Endwandstärke des Trägers an die Folieninnenseite bewegt werden und nach dem Einspritzen des Kunststoffs in Form des schäumenden Trägermaterials in die Endformposition auseinandergefahren werden. Die Entfernung des Einspritzkörpers zur Folieninnenseite in der Endformposition kann also der Endwandstärke oder zumindest im Wesentlichen der Endwandstärke des Trägers an der entsprechenden Stelle des Trägers entsprechen. Mit dieser Vorgehensweise kann der Bauteilverbund besonders zuverlässig mit der gewünschten Formgebung, insbesondere ohne unerwünschte Wellen oder Wölbungen, hergestellt werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der Formkörper die Folie während des Spritzgießens zum Halten der Folie in einer vordefinierten Position druckbeaufschlagt. Auch damit kann auf einfache Weise die gewünschte Form des Trägers und/oder des Bauteilverbunds hergestellt werden. Auf ein separates Haltemittel und/oder ein zusätzliches Haltemittel kann verzichtet werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es außerdem möglich, dass das schäumende Trägermaterial ein Mittel zum Freisetzen von Kohlendioxid und Wasser aufweist. Ein solches Mittel kann als Treibmittel verstanden werden. Ein Treibmittel dieses Typs kann carbonathaltige und säurehaltige Zusammensetzungen umfassen. Die Verwendung einer entsprechenden Carbonat/Säure-Kombination kann zu vorteilhaften Schaumeigenschaften führen. Bevorzugte Mittel können ferner Zitronen- oder Weinsäure, insbesondere in Kombination mit einem Metallcarbonat, umfassen. Darüber hinaus können chemische Treibmittel zur Freisetzung von N2, CO, oder CO2 verwendet werden. Das Verfahren ist jedoch nicht auf chemische Treibmittel beschränkt. Grundsätzlich können auch physikalische Treibmittel, die beispielsweise bei thermoplastischen Fertigungsverfahren genutzt werden, verwendet werden.
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Ferner ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Folienaußenseite eine Kaschierschicht aufgetragen wird. Mittels der Kaschierschicht können mögliche Unebenheiten auf der Folienaußenseite kaschiert werden. Die Kaschierschicht wird so dünn aufgetragen, dass ein Leuchtmittel an der Folieninnenseite weiterhin durch die Kaschierschicht leuchten und von einer Person erkannt werden kann. Das heißt, die Kaschierschicht bedeckt insbesondere, vorzugsweise vollständig, den Bereich der Folienaußenseite, auf deren gegenüberliegender Folieninnenseite die wenigstens eine Materiallücke ausgestaltet ist. Die Kaschierschicht wird deshalb bevorzugt als durchleuchtbare Kaschierschicht aufgetragen. Als Leuchtmittel zum Durchleuchten der Kaschierschicht kann beispielsweise eine LED verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Spritzgusswerkzeug zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen. Das Spritzgusswerkzeug weist einen Einspritzkörper und einen Formkörper auf, wobei der Einspritzkörper und der Formkörper relativ zueinander bewegbar sind, und der Formkörper konfiguriert ist, die Folie in einer vordefinierten Position zu halten und dazu entsprechend mit Druck zu beaufschlagen, während sich der Einspritzkörper von der Einspritzposition in die Endposition bewegt. Damit bringt das erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
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Bei einem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug kann es von Vorteil sein, wenn wenigstens ein Teil des Formkörpers stiftförmig ausgestaltet ist. Das heißt, der Formkörper kann einen oder mehrere stiftförmige oder plattenförmige Formkörperelemente aufweisen, deren Länge um ein Vielfaches größer als eine Breite und/oder eine Höhe des Formkörperelements ist. Mit einer solchen Form lässt sich das vorstehend beschriebene Verfahren besonders leicht und zuverlässig durchführen.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug in einem ersten Betriebszustand,
- 2 ein erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug in einem zweiten Betriebszustand,
- 3 eine Vorderansicht eines Bauteilverbunds, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herstellt wurde,
- 4 eine Seitenansicht eines Bauteilverbunds, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herstellt wurde, und
- 5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Spritzgusswerkzeug 20 zum Durchführen eines Spritzguss-Integralschaum-Verfahrens, das sich in einem ersten Betriebszustand befindet. Das Spritzgusswerkzeug 20 weist einen Einspritzkörper 21 und einen Formkörper 22 auf, wobei der Einspritzkörper 21 und der Formkörper 22 zum Durchführen des Verfahrens relativ zueinander bewegbar sind. In dem gezeigten Spritzgusswerkzeug 20 ist eine lichtdurchlässige bzw. eine für Lichtstrahlen eines Leuchtmittels durchlässige Folie 10 positioniert. Die Folie 10 weist eine Folienaußenseite 11 und eine Folieninnenseite 12 auf. 1 zeigt den Einspritzkörper 21 in einer Einspritzposition P1, in welcher bereits schäumendes Trägermaterial 30 in eine Kavität zwischen der Folie 10 und dem Einspritzkörper 21 gespritzt wurde. Der Formkörper 22 weist zwei voneinander getrennt positionierte und jeweils relativ zum Einspritzkörper 21 bewegbare, plattenförmige Formkörperelemente auf.
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2 zeigt das Spritzgusswerkzeug 20 in einem zweiten Betriebszustand, in welchem sich der Einspritzkörper 21 in einer Endformposition P2 befindet bzw. von der Einspritzposition P1 in einer Bewegungsrichtung R1 von der Folie 10 weg in die Endformposition P2 bewegt wurde. In dem in 2 gezeigten Betriebszustand schäumt das Trägermaterial 30 in Richtung des Einspritzkörpers 21, dessen Position sich nicht mehr verändert. Die Position des Formkörpers 22 bzw. der Formkörperelemente an der Folie 10 bleibt unverändert, sodass der Formkörper 22 die Folie 10 während des Aufschäumens des Trägermaterials in der gewünschten Position hält und einen Platzhalter für die gewünschten und in 4 gezeigten Materiallücken 40 bildet.
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3 zeigt eine Vorderansicht eines Bauteilverbunds 100, der durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt wurde. Der Bauteilverbund 100 wurde als Interieurbauteil für ein Kraftfahrzeug hergestellt. In 4 ist eine seitliche Schnittansicht des hergestellten Bauteilverbunds 100 dargestellt. Auf den gezeigten Bauteilverbund 100 wurde noch eine Kaschierschicht 50 aufgetragen, welche den Träger 31 sowie die Folie 10 bzw. die Folienaußenseite 11 bedeckt, wobei eine Lichtdurchlässigkeit für ein Leuchtmittel (nicht dargestellt) in den Materiallücken 40 weiterhin gewährleistet wird.
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Mit Bezug auf die 1, 2 und 5 wird anschließend ein Spritzguss-Integralschaum-Verfahren zum Herstellen des in den 3 und 4 gezeigten Bauteilverbunds 100 erläutert. In einem ersten Schritt S1 werden die lichtdurchlässige Folie 10 und das Spritzgusswerkzeug 20 mit dem verstellbaren Einspritzkörper 21 und dem verstellbaren Formkörper 22 bereitgestellt und die Folie 10 im Spritzgusswerkzeug 20 positioniert. In einem zweiten Schritt S2 wird der Einspritzkörper 21 in einer Einspritzposition P1 beabstandet von der Folieninnenseite 12 positioniert, während der Formkörper 22 an die Folieninnenseite 12 gedrückt wird. In einem dritten Schritt S3 wird nun schäumendes Trägermaterial 30 an die Folieninnenseite 11 gespritzt bzw. gegeben, um einen Träger 31 herzustellen, der stoffschlüssig mit der Folieninnenseite 12 verbunden ist. Das Trägermaterial 30 weist ein Treibmittel zum Freisetzen von Kohlendioxid und Wasser auf. Anschließend wird, in einem vierten Schritt S4, der Einspritzkörper 21 aus der Einspritzposition P1 in der Bewegungsrichtung R1 weg von der Folieninnenseite 12 in die Endformposition P2 bewegt, während der Formkörper 22 zum Bilden der wenigstens einen Materiallücke 40 im Trägermaterial 30 an der Folieninnenseite 12 positioniert bleibt. Hierbei wird der Einspritzkörper 21 in eine Endformposition P2 bewegt, in welcher der Einspritzkörper 21 doppelt so weit von der Folieninnenseite 12 entfernt ist als in der Einspritzposition P1. In einem fünften Schritt S5 werden die Folienaußenseite 11 und der Träger 31 bzw. eine Außenseite des Trägers 31 um die Folienaußenseite 11 herum mit einer Kaschierschicht 50 kaschiert.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Folie
- 11
- Folienaußenseite
- 12
- Folieninnenseite
- 20
- Spritzgusswerkzeug
- 21
- Einspritzkörper
- 22
- Formkörper
- 30
- Trägermaterial
- 31
- Träger
- 40
- Materiallücke
- 50
- Kaschierschicht
- P1
- Einspritzposition
- P2
- Endformposition
- R1
- Bewegungsrichtung
- 100
- Bauteilverbund
