DE60025973T2

DE60025973T2 - Formteil sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60025973T2
Application number: DE2000625973
Authority: DE
Inventors: Thomas M. Fort Mill Ellison; Stephen P. Tynesboro McCarthy; Arthur K. Detroit Delusky; Qing Lowell Guan
Original assignee: University of Massachusetts Boston; University of Massachusetts Amherst
Current assignee: University of Massachusetts Boston; University of Massachusetts Amherst
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 2000-05-20
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2020-05-21
Also published as: ES2258425T3; CA2308992C; US20030003828A1; KR100372558B1; KR20010049411A; DE60025973D1; JP3745587B2; JP2000355077A; EP1055512B1; BR0007320A; ATE317762T1; EP1055512A2; EP1055512A3; CA2308992A1; EP1055512B9

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen farbigen geformten Kunststoffgegenstand und einen Prozess zu seiner Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gemäß der US-Patentschrift 5 401 457 wird ein Verfahren zum Formen eines mit einer Farbschicht versehenen Gegenstandes bereitgestellt. Nach der Vorgehensweise der Patentschrift '457 wird ein Film oder eine Folie (nachstehend einheitlich als Folie bezeichnet) im Wesentlichen flach über einem Formwerkzeughohlraum angeordnet und durch eine Kernhälfte sowie durch geschmolzenen Kunststoff verformt, der durch einen Eingusskanal eintritt. Die Vorgehensweise gemäß der Patentschrift '457 ist jedoch insbesondere bei großflächigen Formteilen und extrem unterschiedlichen Krümmungen schwer zu beherrschen. Die Schwierigkeiten nehmen noch zu, wenn der Kunststoff unter Druck bei so hohen Temperaturen geformt wird, dass sich die Folienstärke stark verringert, wie es bei herkömmlichen Spritzgießverfahren der Fall ist.
Gemäß der US-Patentschrift 6 132 669 wird ein mit einer Farbschicht versehener Gegenstand hergestellt, indem geschmolzener Kunststoff auf eine Folie aufgetragen und der Verbund aus Folie und geschmolzenem Kunststoff in einem Formwerkzeughohlraum verformt wird. Diese Vorgehensweise und der sich daraus ergebende Gegenstand zeigen, dass sich ein mit einer Farbschicht versehener Gegenstand erfolgreich und in wirtschaftlicher Weise bilden lässt. Es wäre jedoch besonders wünschenswert, den sich ergebenden Gegenstand noch weiter zu verbessern, insbesondere was die Qualitätsminderung der Folie und das Dünnerwerden der Farbschicht nach dem Formen anbelangt.
In der US-Patentschrift 5 238 725 wird beschrieben, dass mit einem thermoplastischen Kunststoff belegte Kernstrukturen als Zwischenprodukte verwendet werden können, um in einem Schritt und innerhalb von Minuten ein Endprodukt zu bilden, das Zierelemente aufweist. Die zum Einsatz kommenden geschichteten Tafeln sind mit einem Wabenkern und thermoplastischen Außenlagen hergestellt, und zwar ohne Verwendung von Lösungsmitteln oder zusätzlichen Klebstoffen, um die Außenlagen und das Kernmaterial miteinander zu verbinden. Zur Herstellung eines Verbunds mit einem Wabenkern, der eine Randbearbeitung in Form einer Schaumstoffeinfassung hat, werden die am Rand bearbeiteten, faserverstärkten Kernaußenlagen aus thermoplastischem Kunststoff mit dem Kern verbunden und an eine der Außenlagen wird eine Zierfolie geklebt. Der Verbund wird mittels einer Vorrichtung hergestellt, die eine Wärmequelle hohen Energiebedarfs mit oberen und unteren Heizflächen sowie eine Presse mit oberen und unteren Heizplatten beinhaltet. Der Formvorgang beginnt mit dem Einlegen der Tafel in den Ofen; dann folgt das Erwärmen und Pressen des Verbunds. Es sind Wärmequellen hohen Energiebedarfs notwendig.
Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Schichtstoff aus Kunststoff und Folie (Laminat) bereitzustellen, der einfach und schnell erhalten werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen wie oben erwähnten verbesserten Schichtstoff bereitzustellen, der die Folie ohne Verlust von deren Eigenschaften verstärkt, und ohne die leichte und einfache Herstellung des sich zuletzt ergebenden Gegenstands aufs Spiel zu setzen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nachstehend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht wird, werden die vorgenannten Aufgaben ohne weiteres gelöst und Vorteile erzielt.
Durch Formen eines Kunststoffgegenstandes aus einem verstärkten Verbundschichtstoff behält die farbige Zierschicht eine einheitliche Farbe im geformten Gegenstand bei.
Gemäß dieser Erfindung wird ein farbiger geformter Gegenstand bereitgestellt, umfassend
eine Kunststoffschicht (34, 40);
eine äußere Folienschicht (10, 44) über der Kunststoffschicht, die einen Verbundschichtstoff mit dieser bildet, wobei die äußere Folienschicht (10, 44) eine Innenfläche (18), die an die Kunststoffschicht (34, 40) angrenzt und mit dieser verbunden ist, und eine Außenfläche (20), die gegenüber der Innenfläche (18) angeordnet ist, aufweist;
ein Verstärkungsmaterial (16, 42), das aus der aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffasern, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus bestehenden Gruppe gewählt ist, und das an die Innenfläche (18) der äußeren Folienschicht (10) geklebt ist, wobei das Verstärkungsmaterial (16, 42) mindestens teilweise in die Innenfläche (18) der äußeren Folienschicht (10, 44) eingebettet ist, und wobei das Verstärkungsmaterial (16, 42) und/oder die Kunststoffschicht (34, 40) Verstärkungsfasern beinhalten/beinhaltet, die lange Fasern mit einer Länge von mindestens ungefähr 30 mm aufweisen; und
eine farbige Zierschicht (10', 44') mit einheitlicher Farbe an der Außenfläche (20) der äußeren Folienschicht (10, 44).
Gemäß dieser Erfindung wird auch ein Prozess zum Herstellen eines farbigen geformten Kunststoffgegenstandes mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
Bereitstellen eines Verbundschichtstoffes, der Folgendes aufweist: eine äußere Folienschicht (10) mit einer Innenfläche (18) und einer Außenfläche (20), die gegenüber der Innenfläche (18) angeordnet ist, ein Verstärkungsmaterial (16), das aus der aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffasern, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus bestehenden Gruppe gewählt ist, und das an die Innenfläche (18) geklebt ist, wobei das Verstärkungsmaterial (16) mindestens teilweise in die äußere Folienschicht (10) eingebettet ist, und eine farbige Zierschicht (10') an der Außenfläche (20);
Anordnen des Verbundschichtstoffes über einem Formwerkzeug (12), das einen Hohlraum (30) und eine Formwerkzeugoberfläche, welche den Hohlraum (30) bildet, aufweist, wobei die farbige Schicht (10') zum Hohlraum (30) gerichtet ist;
Bereitstellen von Verstärkungsfasern, die lange Fasern mit einer Länge von mindestens ungefähr 30 mm aufweisen, im Kunststoffmaterial für die Kunststoffschicht (34, 40) und/oder im Verstärkungsmaterial (16, 42); Auftragen heißen Kunststoffmaterials auf dem Verstärkungsmaterial (16) zum Bilden einer Kunststoffschicht (34, 40);
Drücken des heißen Kunststoffmaterials und des Verbundschichtstoffes in den Formwerkzeughohlraum (30) und gegen die Formwerkzeugoberfläche, wodurch ausreichend hohe Drücke für eine Formübereinstimmung aller Schichten (34, 16, 10, 10') bereitgestellt werden, und wodurch gleichzeitig die Bildung der farbigen Schicht (10'), der äußeren Folienschicht (10), der Verstärkungsschicht (16) und der Kunststoffschicht (34, 40) erfolgt.
In der bevorzugten Ausführungsform hat die farbige Schicht eine Dicke von unter 0,254 mm (0,01 Zoll) und wünschenswerterweise von 0,0254 mm bis 0,1524 mm (0,001 bis 0,006 Zoll). Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der sich ergebende geformte Gegenstand nach dem Formen eine Farbänderung von weniger als 2 McAdam-Einheiten aufweist (McAdam ist ein Farbunterschieds-Maßeinheitssystem, mit dem ein Abstand in verschiedenen Farbräumen bestimmt wird, insbesondere im Hinblick auf die dünne farbige Schicht und den Formvorgang).
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der geformte Kunststoffgegenstand: einen Verbundschichtstoff mit einer äußeren Folienschicht, die eine Innenfläche und eine gegenüber der Innenfläche angeordnete Außenfläche aufweist; eine innere Kunststoffschicht, die mit der Innenfläche verbunden ist, und eine farbige Zierschicht an der Außenfläche; ein erstes Verstärkungsmaterial, das mit der inneren Kunststoffschicht verbunden ist und aus der aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffasern, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus bestehenden Gruppe gewählt ist; und ein zweites Verstärkungsmaterial, das mit der Innenfläche der äußeren Folienschicht verbunden ist, zwischen dem ersten Verstärkungsmaterial und der äußeren Folienschicht, und das verhindert, dass das erste Verstärkungsmaterial durch die farbige Schicht hindurch zu sehen ist.
Ein bevorzugter Prozess der vorliegenden Erfindung umfasst: Bereitstellen eines Verbundschichtstoffes, aufweisend eine äußere Folienschicht mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, die gegenüber der Innenfläche angeordnet ist, eine innere Kunststoffschicht, die mit der Innenfläche verbunden ist, und eine farbige Zierschicht an der Außenfläche; Verstärken des Verbundschichtstoffs mit einem ersten Verstärkungsmaterial, das an die innere Kunststoffschicht geklebt ist und aus der aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffasern, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus bestehenden Gruppe gewählt ist; weiteres Verstärken des Verbundschichtstoffes mit einem zweiten Verstärkungsmaterial, das mit der Innenfläche der äußeren Folienschicht verbunden ist, zwischen dem ersten Verstärkungsmaterial und der äußeren Folienschicht, und das verhindert, dass das erste Verstärkungsmaterial durch die farbige Schicht zu sehen ist; und Formen eines Kunststoffgegenstandes aus dem verstärkten Verbundschichtstoff, wobei die farbige Zierschicht eine einheitliche Farbe im geformten Gegenstand beibehält.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den folgenden veranschaulichenden Zeichnungen:
1 ist eine schematische Teilansicht, die eine Ausführungsform zur Herstellung des geformten Gegenstandes nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Teilschnittansicht, die den in 1 hergestellten Gegenstand zeigt; und
3 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform von 1 wird eine Folie oder ein Zuschnitt 10 über einem Formwerkzeug 12 durch einen Spannrahmen 14 gehalten, wobei Verstärkungsmaterial 16 an die Innenseite 18 der Folie 10 geklebt oder zumindest teilweise darin eingebettet ist. Die Außenseite 20 der Folie 10 ist der Innenseite gegenüber angeordnet und bildet in der Ausführungsform von 1 die äußere Oberfläche der Folie bzw. des Zuschnitts 10. An der Außenseite oder Außenfläche 20 der Folie 10 ist eine farbige Zierschicht 10' vorgesehen. Eine Platte 22 ist mit einem Formdorn 24 gezeigt, der wünschenswerterweise ein massiver Metalldorn ist, aber zum Beispiel auch ein Dorn aus Elastomermaterial sein kann, und der Luftschlitze 26 und eine daran angeschlossene Drucksteuerungseinrichtung 28 enthalten kann. Das Formwerkzeug 12 enthält einen Formwerkzeughohlraum 30, der dem in 2 gezeigten geformten Gegenstand 32 die Form gibt. Natürlich kann der Formwerkzeughohlraum jede gewünschte Form haben. Falls gewünscht, könnte man der Formwerkzeugoberfläche zusätzlich eine Textur verleihen, um so am Endprodukt eine gewünschte texturierte Endoberfläche zu erzielen. Zur Bildung der in 1 gezeigten geschichteten Struktur wird mittels irgendeinem gewünschten Mittel wie z.B. einem Extruder Heißkunststoff 34 eingespritzt oder auf den aus Folie 10 und Verstärkungsmaterial 16 bestehenden Verbund aufgetragen. Wie in der Ausführungsform von 1 gezeigt ist, treffen die optional verwendeten Schlitze 26 auf eine Verteilernut 36, die an eine Fluiddruckquelle angeschlossen ist.
Im Betrieb tritt der Dorn 24 in den Spannrahmen 14 ein. In die optional verwendeten Schlitze 26 wird Druckluft eingeblasen, wobei sich die Schlitze zu Durchgängen auf weiten. Dadurch werden der aufgetragene Kunststoff 34 und der Verbund aus farbiger Schicht 10', Folie 10 und Verstärkungsmaterial mit Druck beaufschlagt. Auch im Formwerkzeughohlraum kann Druck aufgebaut sein, z.B. durch Luftschlitze (nicht gezeigt) in dem Formwerkzeug 12, um die über dem Formwerkzeug befindlichen Schichten vor dem Formen zu unterstützen, wobei dieser Druck parallel zur Formung der Schichten im Formwerkzeughohlraum gesteuert abgebaut werden sollte. Dies ergibt eine Formung der Schichten durch Blasformen zu dem in 2 gezeigten geformten Gegenstand. Gleichzeitig bewegt sich der Dorn 24 in Richtung des Pfeils 38 nach unten in den Formwerkzeughohlraum 30. Wenn der Kunststoff und die Folie die Formwerkzeugoberfläche erreichen, fährt der Dorn noch weiter und legt sich an die von der Folie 10 und den Verstärkungsmaterialschichten abgewandte Fläche des Kunststoffs an, und ein immer noch wirkender Druck von der Platte führt zur Formung des gewünschten, sich zuletzt ergebenden Gegenstandes, wie er in 2 gezeigt ist. Der Dorn und das Formwerkzeug werden vorzugsweise gekühlt. Wenn ein Massivdorn verwendet wird, sollte er in seiner Formgebung der gewünschten Gestalt des sich zuletzt ergebenden Gegenstandes entsprechen. Falls gewünscht, kann der Verbund aus farbiger Schicht, Folie und Verstärkungsmaterial zuerst an die Form des Formwerkzeughohlraums 30 angepasst werden, und dann kann der Dorn 24 in das Formwerkzeug 12 eingesetzt und Kunststoffmaterial 34 auf Folie und Verstärkungsmaterial aufgespritzt werden, um den sich zuletzt ergebenden Gegenstand zu bilden.
Der sich ergebende geformte Gegenstand 32 enthält die äußere Folienschicht 10, die äußere farbige Schicht 10', die innere Verstärkungsschicht 16, die an die äußere Folienschicht geklebt und/oder zumindest teilweise in diese eingebettet ist, und die innere Kunststoffschicht 34. Der sich ergebende geformte Gegenstand 32 hat die gewünschte Form, die durch die Gestalt des Formwerkzeughohlraums bestimmt ist. Vorteilhafterweise ist die farbige Schicht trotz der Tatsache, dass ein Formvorgang stattgefunden hat, zudem durch eine einheitliche Farbe gekennzeichnet, und die Bildung eines mit einer Farbschicht versehenen Gegenstandes erfolgt einfach und schnell.
Der Zuschnitt oder die Folie 10 besteht aus Kunststoff, und für den Zuschnitt 10 oder das geschmolzene Kunststoffmaterial 34 kann jeder gewünschte Kunststoff verwendet werden wie zum Beispiel Polyolefin, Polyurethan, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polycarbonat, Polyester usw. sowie auch wünschenswerte Mischungen der vorgenannten Materialien. Die farbige Schicht kann schon auf der Folie oder dem Zuschnitt aufgetragen sein oder wie zuvor erwähnt in Form einer separaten Schicht als farbige Kunststoffschicht vorliegen. Die Schichten 10 und 34 können aus demselben Material bestehen oder auch aus verschiedenen Werkstoffen. Wenn dieselben Materialien verwendet werden, kann man z.B. durch Öffnungen im Verstärkungsmaterial eine Schmelzverbindung zwischen diesen erhalten. Werden verschiedene Materialien verwendet, kann man eine mechanische Verbindung mit den Fasern des Verstärkungsmaterials erreichen oder man setzt eine Klebeverbindung ein. Die Schichten können von einer Bahn abgeschnitten oder daraus ausgestanzt werden, und ein Vorrat mit der Größe und Form, dass sie über den Formwerkzeughohlraum bzw. in diesen hinein passen, wird nach Bedarf neben dem Formwerkzeug zum Transport zu diesem vorgehalten, wobei die Folie mit der farbigen Schicht überzogen ist. Die Farbtiefe der farbigen Schicht kann verändert werden, um dem Dünnerwerden während der Verarbeitung wenigstens teilweise Rechnung zu tragen und die Farbtiefe zumindest teilweise an den Grad der Verformung anzupassen, die ein beliebiger Abschnitt erfährt. Um wenigstens teilweise eine gleichmäßige Färbung des geformten Endprodukts zu erhalten, können z.B. auf ausgewählte Stellen des Zuschnitts oder der Folie dickere farbige Schichten aufgetragen werden, und zwar an solchen Stellen, die bei der Verarbeitung eine stärkere Verformung erfahren. Dies ist jedoch schwer zu erreichen und möglicherweise nicht zu hundert Prozent erfolgreich. Mit der vorliegenden Erfindung jedoch wird das Dünnerwerden der farbigen Schicht wirksam verringert. Der Zuschnitt oder die Folie kann beispielsweise mit einer dünnen farbigen Schicht im Tiefdruck bedruckt werden.
So wird also gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verstärkungsmaterial 16 an die Innenfläche der Folie oder Zuschnitts geklebt und/oder zumindest teilweise darin eingebettet, um das Dünnerwerden der farbigen Schicht zu beseitigen oder erheblich zu vermindern. Das Verstärkungsmaterial ist wünschenswerterweise ein synthetisches oder natürliches Gewebematerial. Man könnte aber auch ohne weiteres eine Glasfaser- oder Gazematte, ein Glasfasermaterial mit regellos eingebrachten Fasern oder Metall oder zusätzlichen Kunststoff verwenden. Das Metall sollte ein Metallgitter bzw. eines sein, das sich unter Druck ausdehnen oder formen lässt. Der Kunststoff sollte so gewählt sein, dass er bei der während des Formens herrschenden Temperatur eine so hohe Zugfestigkeit hat, dass die Verformungskräfte verteilt werden können. Die Glasfaser- oder Gazematte ist wünschenswerterweise gewirkt. Dadurch wird die Folie wirksam verstärkt, ohne dabei die Farbtöne der mit der farbigen Schicht versehenen Folie zu verfälschen und den Formvorgang zu stören. Das Verstärkungsmaterial dient zur Verteilung der Dehnungskräfte, die durch die Anlage an den am meisten vorstehenden Bereichen des Formwerkzeugkerns entstehen. Somit wird nicht nur der unmittelbare Kontaktbereich, sondern die Gesamtheit aus Folie 10 und farbiger Schicht 10' gedehnt. Dementsprechend bleibt nach Formung des Bauteils die Stärke der Folie und der farbigen Schicht relativ unverändert erhalten.
Der Zuschnitt und die farbige Schicht können auf das Formwerkzeug mit einer Robotervorrichtung aufgelegt werden oder ablösbar an einem Trägerfolienstreifen befestigt sein. Der Trägerfolienstreifen kann mit Mitteln wie z.B. Randperforationen versehen sein, um die Position der farbigen Zuschnitte relativ zu der Formwerkzeughälfte, auf die sie aufzulegen sind, festzulegen. Der Träger mit den daran befestigten Zuschnitten kann von einer Rolle abgezogen werden. Liegt der Zuschnitt auf dem Formwerkzeug, wird der Rand des Zuschnitts durch die Form über Kanäle angesaugt, wobei die Saugwirkung so groß ist, dass sich der Zuschnitt vom Trägerstreifen löst. Es können natürlich ohne weiteres auch andere Beförderungsmittel verwendet werden.
Natürlich können beliebige andere zweckmäßige oder wünschenswerte Kunststoffabgabemittel oder Formverfahrensweisen wie zum Beispiel alternative Formpressverfahren, das Spritzgießen oder Spritzblasformen verwendet werden, wobei die Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten bleiben.
In entsprechender Weise können mehrere Kunststoffschichten auf den Verbund aus Folie und Verstärkungsmaterial aufgetragen werden. Als Alternative könnte ein Polymer in einem festgelegten Muster aufgebracht werden, und dann könnten ein zweites oder eine Vielzahl zweiter Polymere in einem festgelegten Muster aufgelegt werden. Dies könnte man mit einem oder mehreren Extrudern bewerkstelligen, die z.B. voneinander getrennte Kanäle versorgen, um so ein vorbestimmtes Muster mehrerer Kunststoffe aufzubringen. Als weitere Alternative könnte man nacheinander Polymere verschiedener Eigenschaften zuführen, um dem fertigen Produkt technisch gewollte Eigenschaften zu verleihen.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Gleichmäßigkeit der Erwärmung der farbigen Folie bzw. des Zuschnitts, ohne auf externe Mittel zurückgreifen zu müssen, und in der Garantie, dass der Formvorgang von farbiger Folie oder Zuschnitt, des Verstärkungsmaterials und der Stützlage in einem Durchgang stattfindet, gefolgt von der Beaufschlagung mit ausreichend hohen Formdrücken, um eine Formübereinstimmung an allen Schichten zu erzielen. Dadurch wird die feine Oberfläche der Folie bewahrt, und visuell wahrnehmbare Schadstellen sowie das Ausdünnen der Farbe werden vermieden. Bei dieser Vorgehensweise braucht man auch viel geringere Spanndrücke als bei herkömmlichen Verfahrensweisen.
Während die vorhergehende Vorgehensweise in erster Linie auf die Anwendung an Außenflächen von Fahrzeugen abzielt, wäre festzuhalten, dass es viele andere Arten von Bauteilen gibt, die aus dem vorliegenden Verfahren des Pressformens mit einer gefärbten Oberfläche und einem genau geformten Gegenstand Nutzen ziehen würden, insbesondere bei großen Haushaltsgeräten und Teilen für die Bautechnik. Mit der vorgenannten Verfahrensweise erzielt man ein verbessertes Endprodukt, insbesondere bei großen plattenartigen und dicken Teilen, und das Ausdünnen der Farbe sowie die Qualitätsverschlechterung der Folienbeschichtung sind beseitigt oder vermindert. Die vorliegende Erfindung ist bei jeder Kunststofffolie von Nutzen, da mit ihr eine örtliche Verschlechterung der Qualität oder ein Dünnerwerden der Kunststofffolie vermieden wird.
Als weitere Alternative kann für den geschmolzenen Kunststoff eine Coextrusion zum Einsatz kommen. Kunststoff kann in zusammengehörigen Lagen von einer Ziehdüse oder auch in mehreren Durchgängen mit zwei Köpfen extrudiert werden, um verschiedenartige Polymere und/oder Verbindungen und/oder Füllstoffe aufzubringen.
Als noch weitere Alternative können eine Vielzahl von Folienarten verwendet werden, z.B. eine leitende Folie (zum Schutz gegen elektromagnetische bzw. hochfrequente Störungen), eine Folie mit der Fähigkeit zur Absorption von UV- und/oder Infrarotstrahlung oder jede gewünschte und zweckmäßige Folie, die zur Erzielung ganz bestimmter Ergebnisse eine gewünschte Palette an Eigenschaften hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Oberflächeneindruck der geformten Folie somit dadurch verbessert, dass an der Innenfläche der Folie eine Verstärkung vorgesehen wird, um ein gleichmäßiges Dünnerwerden der Folie zu erzielen. Darüber hinaus kann durch die vorliegende Erfindung die Festigkeit des geformten Teils und seine Schlagzähigkeit verbessert werden.
Zur Bildung eines verstärkten Flächenkörpers wird das Verstärkungsmaterial an die Innenfläche der Kunststofffolie, bei der es sich um eine thermoplastische Folie handeln kann, geklebt oder zumindest teilweise darin eingebettet. Dann kann auf die Außenfläche des verstärkten Flächenkörpers ein farbloser Überzug (z.B. ein Kunststoffüberzug) aufgebracht werden. Der farblose Überzug könnte leicht getönt oder durchscheinend sein, um dem Endprodukt irgendeinen gewünschten Effekt zu verleihen. Das sich ergebende Produkt ist in 3 gezeigt, wobei sich die gespritzte oder aufgetragene Kunststoffschicht 40 an der Innenseite befindet, gefolgt von dem Verstärkungsmaterial 42, an das sich wiederum die Folie 44 und die farbige Schicht 44' anschließen; über der Folie 44 liegt schließlich ein farbloser äußerer Überzug 46. Indem zunächst das Verstärkungsmaterial zumindest teilweise in den thermoplastischen Folienflächenkörper eingebracht wird, sind eine innige Durchdringung und Verbindung von Verstärkungsmaterial und Folie gewährleistet. Danach muss beim Formvorgang nur noch der verstärkte Folienflächenkörper mit dem Formkunststoff verbunden werden. Auf die farbige Schicht können eine Grundierung und ein farbloser äußerer Überzug aufgebracht werden, und zwar nacheinander in einem Prozessschritt oder getrennt voneinander in mehreren Prozessschritten. Bei Verwendung einer Gazematte trägt der äußere Überzug dazu bei, dass sich die Fasern nicht so sehr bis zur Außenseite des beschichteten Gegenstands erstrecken. Alternativ kann die Folie zwischen dem Verstärkungsmaterial und der farblosen Außenschicht auch extrudiert werden.
Die Füllgrade des Verstärkungsmaterials in Form von langen Verstärkungsfasern wie Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern mit Faserlängen von mindestens 30 mm und möglicherweise auch mindestens 100 mm, lassen sich dort erhöhen, wo es am geformten Teil erwünscht ist. Zusätzlich kann ein Verstärkungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung in Form von Fasern, insbesondere in Form der zuvor erwähnten Langfasern, wirkungsvoll auch in die Kunststoffschicht 34 mit aufgenommen werden. Das sich ergebende Teil lässt sich wünschenswerterweise so auslegen, dass es steife Oberflächenbereiche mit hohem Elastizitätsmodul und einen Innenbereich hoher Schlagzähigkeit hat.
Der sich ergebende geformte Gegenstand mit einem farblosen äußeren Überzug kann durch Wärmeformung behandelt werden, um so starre Belagteile von hervorragender Maßstabilität zu fertigen.
Eine weitere Verbesserung erhält man durch die Anwendung einer zielgerichteten Verstärkung. Bei einer zielgerichteten Verstärkung wird das Verstärkungsmaterial so eingelegt, dass es mit der Topographie des zu formenden Flächenkörpers übereinstimmt. Je höher der Umformgrad beim Tiefziehen oder die Dehnung des Flächenkörpers ist, desto stärker oder dichter ist die Verstärkung.
Dies ist in 4 gezeigt, in welcher der gemäß der Ausführungsform von 1 erhaltene geformte Gegenstand 32 gezeigt ist, der eine Folie 10, eine außenseitige farbige Schicht 10', ein Verstärkungsmaterial 16 und einen Kunststoff 34 enthält. Das Verstärkungsmaterial 16 enthält jedoch einen verhältnismäßig dickeren Bereich 16' an einem tiefgezogenen Bereich mit höherem Umformgrad, und einen verhältnismäßig dünneren Bereich 16'' an einem tiefgezogenen Bereich mit nicht so starkem Umformgrad. Eine zielgerichtete Verstärkung kann durch beliebige Mittel erreicht werden, mit denen sich die Dehnung des Folienobermaterials an tiefgezogenen Bereichen mit stärkerem Umformgrad beschränken lässt, wobei das Obermaterial bei Formtemperatur dazu gebracht wird, sich an tiefgezogenen Bereichen mit geringerem Umformgrad stärker zu dehnen. Repräsentative Beispiele für Verstärkungsmaterialien sind: gewebte, gelegte, gewirkte oder vliesartige Fasermaterialien wie Glasfasern, synthetische Polymerfasern oder Naturfasern. Alternativ kann das Verstärkungsmaterial in Form einer kompatiblen (bindungsfähigen) Polymerfolie vorliegen, die unter den Formbedingungen in Bezug auf Temperatur und Druck einen größeren Dehnungswiderstand als das Folienobermaterial hat. Das Verstärkungsmaterial kann durch beliebige Mittel vorab auf das Folienobermaterial aufgebracht werden, z.B. mittels Klebstoff, durch elektrostatische Anhaftung oder mittels Wärme und Druck, um es ausgerichtet an seinem Platz zu halten, bis das Formen stattfindet. Alternativ kann das Verstärkungsmaterial per Hand oder über mechanische Einrichtungen eingelegt werden, wenn das Folienobermaterial am Formwerkzeughohlraum befestigt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung lässt sich wünschenswerterweise als Verstärkungsmaterial eine Fasermatte verwenden, die aus Geweben oder Vliesmaterialien oder Filamentsträngen bestehen kann, bei denen es sich um Glas-, Kunststoff-, Kohlenstoff- oder Metallfasern handeln könnte, welche mit Blick auf die Kosten und Leistungseigenschaften ausgewählt sind.
Wie vorstehend angegeben wurde, kann das Verstärkungsmaterial (als Fasern) auch auf den aufgetragenen Kunststoff aufgebracht werden. Eine Verstärkung in einer Richtung ist möglich, indem man bei Überfahren des Formwerkzeugs durch die Ziehdüse auf den aufgetragenen Kunststoff Filamente ausbringt. Alternativ kann per Hand oder mit einer Robotereinrichtung eine Verstärkung an der Oberseite des aufgetragenen Kunststoffs unmittelbar vor dem Schließen der Einspannung angeordnet werden. Darüber hinaus kann die Matte der Form des Formwerkzeugkerns vorab angepasst werden und dann vor dem Schließen des Formwerkzeugs an diesem angeordnet und gehalten werden. Eine Vorformung ist bei Tiefziehteilen mit starkem Umformgrad oder scharfen Konturen vorteilhaft, durch die an einer flachen Verstärkungslage Falten entstehen können. Diese Ausführungsform ist in 5 gezeigt, in der sich über dem wie in 3 gezeigten aufgetragenen Kunststoff 40 zusätzliches Verstärkungsmaterial 48 befindet.
In einer weiteren in 6 gezeigten Ausführungsform kann ein Verstärkungsmaterial in Form einer Fasermatte 48 auf dem aufgetragenen Kunststoff 40 angeordnet werden und ein zweiter Kunststoffauftrag 50 vorgenommen werden, der das Verstärkungsmaterial einschließt, bevor das Formwerkzeug geschlossen wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine der beschriebenen Matten vor dem Auftragen des Kunststoffs an der Folie angeordnet werden, dann wird der Kunststoff aufgetragen, und es kann eine zweite Matte derselben oder auch einer anderen Art auf dem Heißkunststoff angeordnet werden und die Einspannung erfolgen. Das Ergebnis ist ein "I-Träger"-Effekt, an dem sich die Verstärkung an zwei Seiten des Formkunststoffs konzentriert.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verstärkung in der farbigen Schicht dazu dient, beim Schließen des Formwerkzeugs ein von der Hitze und dem Druck herrührendes örtliches Dünnerwerden der Folie zu vermindern. Durch die Verstärkung wird die Folie von angrenzenden Bereichen in den Bereich größter Beanspruchung gezogen, womit die Belastung von einem größeren Bereich aufgenommen wird und sich das Dünnerwerden in dem betrachteten begrenzten Bereich abschwächt.
So stellt/stellen z.B. die Verstärkungsschicht/en ein Maß für die strukturelle Verbesserung (Schlagzähigkeit oder Biegefestigkeit) am Gesamtformteil dar. Insbesondere bei faserartigen Folienverstärkungen wie Naturfasern, Kunststofffasern oder dgl. bietet/bieten die Verstärkungsschicht/en darüber hinaus eine mechanische Bindung für das Formen oder aufgetragene Kunststoffe wie z.B. solche, die aus anderem Material als die Trägerfolie bestehen.
Eine bevorzugte Folienverstärkung ist eine vliesartige Gazematte oder Matte, die Olefinfasern enthält, insbesondere in derselben Zusammensetzung wie die Folienschicht, und zumindest eine Faser hoher Schmelztemperatur, die aus hochschmelzenden Polymerfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Metallfasern ausgewählt ist oder eine Mischung aus diesen darstellt. Die Olefinfasern werden mit der Trägerfolie und auch dem Formkunststoff schmelzverbunden, was über den ganzen geformten Gegenstand hinweg eine intakte Bindung gewährleistet. Nach Erweichen der Olefinfasern bieten die hochtemperaturfesten Fasern die Festigkeit, so dass Dehnkräfte seitlich auf angrenzende, weniger unter Belastung stehende Bereiche der Folie verteilt werden. Die hochtemperaturfesten Fasern stellen auch ein Maß für die Festigkeit und Schlagzähigkeit des geformten Gegenstandes dar. Beispiele für Polymerfasern mit hoher Schmelztemperatur sind Polyethylenterephtalat (PET), Kevlar und Flüssigkristallpolymere. Die in der Matte vorhandenen Fasern sollten im Querschnitt dünn sein, damit sie sich nicht so stark an der Oberfläche abzeichnen, und sie sollten wünschenswerterweise gleichmäßig in der Matte verteilt sein. In bestimmten Bereichen kann die Matter dicker sein, um in Deckung mit Bereichen am geformten Gegenstand zu gelangen, an denen ein hoher Umformgrad beim Tiefziehen besteht. Die vliesartige Gazematte oder Matte kann auch nur Fasern hoher Schmelztemperatur enthalten. In diesem Fall geht die Gazematte eine mechanische Bindung mit der Trägerfolie und dem Formkunststoff ein oder wird durch den die Gazematte durchdringenden Formkunststoff mechanisch zwischen der Trägerfolie und dem Formkunststoff eingeschlossen und mit der Trägerfolie verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wie in 5 und 6 gezeigt zwei (2) Verstärkungsschichten vorgesehen, wobei das äußerste Verstärkungsmaterial 42 verhindert, dass das innerste Verstärkungsmaterial 48 durch die farbige Schicht hindurch zu sehen ist. Das äußerste Verstärkungsmaterial 42 sollte zwischen dem innersten Verstärkungsmaterial 48 und der äußeren Folienschicht 44 liegen.
Für das äußerste Verstärkungsmaterial ist ein Schaumkunststoff wie z.B. ein Olefinschaum oder Polyurethan-Schaumkunststoff oder auch ein geschlossenzelliger Polypropylenschaum besonders vorteilhaft. Natürlich können für das äußerste Verstärkungsmaterial auch andere Materialien verwendet werden, um zu verhindern, dass das innerste Verstärkungsmaterial durch die farbige Schicht hindurch zu sehen ist, wie zum Beispiel Metallfolien- oder Kunststofffolienschichten.
Wenn als Schicht 42 ein Olefinschaum verwendet wird, der mit einer gleichartigen Olefinträgerfolie als Schicht 44 verbunden werden soll, kann das äußerste Verstärkungsmaterial als Verstärkungsmaterial 42 in 5 und 6 wünschenswerterweise z.B. ein geschäumtes Polymer sein, das entweder aufgeklebt oder schmelzverbunden wird. Die Schaumschicht verstärkt den Gegenstand und isoliert die Trägerfolie. So behält die Trägerfolie eine höhere Festigkeit bei und kann einem örtlichen Dünnerwerden widerstehen. Die Schaumschicht polstert die Struktur auch ab und passt sich der Kunststoffschicht 40 an, so dass ein Durchzeichnen der innersten Verstärkungsschicht 48 vermindert oder gänzlich beseitigt ist. Dies stellt dann einen besonderen Vorteil dar, wenn die innerste Verstärkungsschicht 48 eine Faserschicht ist. Die bevorzugte äußerste Verstärkungsschicht ist eine dünne geschlossenzellige Olefinschaumlage, die mit der Trägerfolie schmelzverbunden wird.
Gewebte Stoffe oder eine wie nachstehend erläuterte gewebte Glasfaserstoffmatte sind als Verstärkungsmaterial besonders bevorzugt. Die beim Weben verwendeten Fäden haben natürlich einen größeren Durchmesser als die Einzelfasern, die zur Herstellung einer Matte mit regellos eingebrachten Fasern verwendet wird. Jedoch kann besonders bei einer starken Dehnung der Trägerfolie das gewebte Fadenmuster an der Oberfläche des geformten Teils sichtbar werden. Dies ist natürlich nicht wünschenswert. Deshalb ist es besonders von Vorteil, die gewebten Stoffe als innerste Verstärkungsschicht 48 zusammen mit einem abdeckenden Verstärkungsmaterial in Form eines geschlossenzelligen Olefinschaums als äußerste Verstärkungsschicht 42 zu verwenden, so dass das Fadenmuster an der Oberfläche des geformten Teils nicht zu sehen ist.
Als weitere Alternative könnte die äußerste Verstärkungsschicht, die die einzige Verstärkungsschicht sein kann, durch Coextrusion mit einer äußeren Folienschicht 10 oder 44 hergestellt werden, so dass die äußere Folie 10 oder 44 eine einteilige verstärkte Folie ist. Als noch weitere Alternative muss die farbige Schicht 10' oder 44' nicht unbedingt eine separat definierte Schicht sein, sondern könnte mit der äußeren Folie 10 oder 44 vermischt werden, so dass die Farbe die äußerste Oberfläche des geformten Gegenstandes bildet, wahlweise noch von einem farblosen Überzug bedeckt. Natürlich kann in den Fällen, wo nur ein einziges Verstärkungsmaterial verwendet wird, dieses gegebenenfalls auch ein Schaumkunststoff sein.

Claims

Farbiger geformter Gegenstand, umfassend eine Kunststoffschicht (34, 40); eine äußere Filmschicht (10, 44) über der Kunststoffschicht, die einen Verbundschichtstoff mit dieser bildet, wobei die äußere Filmschicht (10, 44) eine Innenfläche (18), die an die Kunststoffschicht (34, 40) angrenzt und mit dieser verbunden ist, und eine Außenfläche (20), die gegenüber der Innenfläche (18) angeordnet ist, aufweist; ein Verstärkungsmaterial (16, 42), das aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffaser, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus gewählt ist, und das an die Innenfläche (18) der äußeren Filmschicht (10) geklebt ist, wobei das Verstärkungsmaterial (16, 42) mindestens teilweise in die Innenfläche (18) der äußeren Filmschicht (10, 44) eingebettet ist, und wobei das Verstärkungsmaterial (16, 42) und/oder die Kunststoffschicht (34, 40) Verstärkungsfasern, die lange Fasern mit einer Länge von mindestens ungefähr 30 mm umfassen/umfasst; und eine farbige Zierschicht (10', 44') mit einheitlicher Farbe an der Außenfläche (20) der äußeren Filmschicht (10, 44).
Gegenstand gemäß Anspruch 1, wobei die äußere Filmschicht (10, 44) aus Kunststoff besteht.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der geformte Gegenstand einen farblosen äußersten Überzug (46) über der farbigen Schicht (10', 44') aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der geformte Gegenstand (32) zusätzliches Verstärkungsmaterial (48) auf der Kunststoffschicht (34, 40) an der Seite, die gegenüber der Filmschicht (10, 44) angeordnet ist, aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 4, wobei der geformte Gegenstand (32) eine zusätzliche Kunststoffschicht (50) über dem zusätzlichen Verstärkungsmaterial (48) aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1, umfassend: ein erstes, innerstes Verstärkungsmaterial (48), das mit der Kunststoffschicht (40) verbunden ist; und ein zweites, äußerstes Verstärkungsmaterial (42), das mit der Innenfläche der äußeren Filmschicht (44) verbunden ist, zwischen dem ersten Verstärkungsmaterial (48) und der äußeren Filmschicht (44), vorzugsweise ein Schaumkunststoff, eine Metallfolien- oder Kunststofffolienschicht, und das verhindert, dass das erste Verstärkungsmaterial (48) durch die farbige Schicht (44') zu sehen ist.
Geformter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei das zweite Verstärkungsmaterial (42) ein geschäumter Kunststoff, vorzugsweise ein geschlossenzelliges Olefin, ist, der vorzugsweise mit der äußeren Filmschicht (44) schmelzverbunden ist.
Geformter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei die farbige Schicht (44') eine von der äußeren Filmschicht (44) getrennte und mit dieser verbundene Schicht ist.
Geformter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei die äußere Filmschicht (44) und die farbige Schicht (44') miteinander vermischt sind.
Geformter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei das erste Verstärkungsmaterial ein gewebter Stoff ist und/oder das zweite Verstärkungsmaterial Olefinfasern und mindestens eine hochschmelzende Faser, die einen höheren Schmelzpunkt als die Olefinfasern aufweist, enthält.
Geformter Gegenstand nach Anspruch 1, umfassend ein Verstärkungsmaterial (16), das einen Bereich (16'), der tiefer gezogen ist, und einen relativ dazu dünneren Bereich (16''), der eher mäßig gezogen ist, aufweist, wodurch es einen Bereich (16') bereitstellt, in dem der geformte Gegenstand mehr Oberflächendehnung aufweist als im Bereich (16''), in dem der geformte Gegenstand weniger Oberflächendehnung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines farbigen geformten Kunststoffgegenstandes mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Verbundschichtstoffes, aufweisend eine äußere Filmschicht (10) mit einer Innenfläche (18) und einer Außenfläche (20), die gegenüber der Innenfläche (18) angeordnet ist, ein Verstärkungsmaterial (16), das aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff, Kohlenstofffaser, Glasfaserstoff, Gewebe oder Mischungen daraus gewählt ist, und das an die Innenfläche (18) geklebt ist, wobei das Verstärkungsmaterial (16) mindestens teilweise in die äußere Filmschicht (10) eingebettet ist, und eine farbige Zierschicht (10') an der Außenfläche (20); Anordnen des Verbundschichtstoffes über einem Formwerkzeug (12), das eine Vertiefung (30) und eine Formwerkzeugoberfläche, welche die Vertiefung (30) bildet, aufweist, wobei die farbige Schicht (10') zur Vertiefung (30) gerichtet ist; Bereitstellen von Verstärkungsfasern, die lange Fasern mit einer Länge von mindestens ungefähr 30 mm aufweisen, im Kunststoffmaterial für die Kunststoffschicht (34, 40) und/oder im Verstärkungsmaterial (16, 42); Auftragen heißen Kunststoffmaterials auf dem Verstärkungsmaterial (16) zum Bilden einer Kunststoffschicht (34, 40); Drücken des heißen Kunststoffmaterials und des Verbundschichtstoffes in die Formwerkzeugvertiefung (30) und gegen die Formwerkzeugoberfläche, wodurch ausreichend hohe Drücke für eine Formübereinstimmung aller Schichten (34, 16, 10, 10') bereitgestellt werden, und wodurch gleichzeitig die Bildung der farbigen Schicht (10'), der äußeren Filmschicht (10), der Verstärkungsschicht (16) und der Kunststoffschicht (34, 40) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend den Schritt des Bereitstellens zusätzlichen Verstärkungsmaterials (42) auf der Kunststoffschicht (34, 40) an der Seite, die gegenüber der äußeren Filmschicht (10) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend den Schritt des Bereitstellens einer zusätzlichen Kunststoffschicht (44) über dem zusätzlichen Verstärkungsmaterial (42).
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Verstärken des Verbundschichtstoffes mit einem ersten, innersten Verstärkungsmaterial (48), das mit der inneren Kunststoffschicht (40) verbunden ist; und weiteres Verstärken des Verbundschichtstoffes mit einem zweiten, äußersten Verstärkungsmaterial (42), vorzugsweise einem Schaumkunststoff, einer Metallfolien- oder Kunststofffolienschicht, das mit der Innenfläche (18) der äußeren Filmschicht (10) verbunden ist, zwischen dem ersten Verstärkungsmaterial (48) und der äußeren Filmschicht (10), und das verhindert, dass das erste Verstärkungsmaterial (48) durch die farbige Schicht (44') zu sehen ist.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend das Bereitstellen eines nicht gewebten zweiten Verstärkungsmaterials (48), das aus mindestens einer Olefinfaser und mindestens einer hochschmelzenden Faser, die einen höheren Schmelzpunkt als die Olefinfaser aufweist, besteht.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend das Bereitstellen eines geschäumten Kunststoffs als das zweite Verstärkungsmaterial (48).
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend das Schmelzverbinden des zweiten Verstärkungsmaterials (48) mit der äußeren Filmschicht (10).
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend das Koextrudieren des zweiten Verstärkungsmaterials (48) und der äußeren Filmschicht (10).
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend ein Verstärkungsmaterial (16), das einen Bereich (16'), der tiefer gezogen ist, und einen relativ dazu dünneren Bereich (16''), der eher mäßig gezogen ist, aufweist, wodurch es einen Bereich (16') bereitstellt, in dem der geformte Gegenstand mehr Oberflächendehnung aufweist als im Bereich (16''), in dem der geformte Gegenstand während der Bewegung in die Vertiefung (30) weniger Oberflächendehnung aufweist.