DE102020111667A1 - Production of multi-layer functional bodies - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines mehrlagigen Funktionskörpers (10) mit einem Basiskörper (11) aus einem thermoplastischen Basismaterial (M1), z.B. einem Polyolefin, PP oder PE, und einer Funktionslage (12) aus einem Funktionsmaterial (M2), z.B. einem Polyurethan, offenbart. Das Basismaterial (M1) wird an einer Verbindungsfläche (13) aktiviert, z.B. durch Ionisation mit einem Ozon-Plasma. Das Funktionsmaterial (M2) wird an der aktivierten Verbindungsfläche (13) mit dem Basismaterial (M1) in Verbindung gebracht und bildet eine anhaftende Funktionslage (12). Die Aktivierung des Basismaterials (M1) kann insbesondere im Anschluss an eine Extrusion des Basismaterials (M1) erfolgen, während sich der extrudierte Strang (14) in einem thermoplastisch verformbaren Zustand befindet. A method and a device for producing a multi-layer functional body (10) with a base body (11) made of a thermoplastic base material (M1), e.g. a polyolefin, PP or PE, and a functional layer (12) made of a functional material (M2), for example a polyurethane. The base material (M1) is activated on a connection surface (13), for example by ionization with an ozone plasma. The functional material (M2) is brought into connection with the base material (M1) at the activated connection surface (13) and forms an adhesive functional layer (12). The base material (M1) can be activated in particular following an extrusion of the base material (M1), while the extruded strand (14) is in a thermoplastically deformable state.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kunststofftechnik. Die Offenbarung betrifft insbesondere die Fertigung mehrlagiger Funktionskunststoffe mit einem Basiskörper aus einem thermoplastischen Basismaterial und einer zusätzlichen Funktionslage aus einem Funktionsmaterial.The invention lies in the field of plastics technology. The disclosure relates in particular to the production of multi-layer functional plastics with a base body made of a thermoplastic base material and an additional functional layer made of a functional material.
Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet Funktionsbeschichtungen auf thermoplastische Kunststoffe während des Fertigungsprozesses aufzubringen. Eine besonders interessante Anwendung der Erfindung liegt in der Beschichtung eines blasgeformten Polyethylen- (PE) oder Polypropylen-Kunststoff-Teils (PP) mit einer Polyurethan-Funktionslage (PUR). Mit einer solchen PUR-Funktionslage können beispielsweise hochglänzende Oberflächen (in „Klavierlack“-Optik) auf thermoplastischen Kunststoffen erzeugt werden. Die Erfindung ist auch auf eine Vielzahl anderer Materialkombinationen und Fertigungstechniken anwendbar. Die Erfindung kann insbesondere auch zur (kleberfreien) Verbindung zweier Materialien verwendet werden, die unter Normalbedingungen keine haftende Verbindung eingehen.The invention is particularly suitable for applying functional coatings to thermoplastics during the manufacturing process. A particularly interesting application of the invention is the coating of a blow-molded polyethylene (PE) or polypropylene plastic part (PP) with a polyurethane functional layer (PUR). With such a PUR functional layer, for example, high-gloss surfaces (with a “piano lacquer” look) can be produced on thermoplastics. The invention is also applicable to a variety of other material combinations and manufacturing techniques. The invention can in particular also be used for the (glue-free) connection of two materials which do not form an adhesive connection under normal conditions.
Thermoplastische Kunststoff-Teile, insbesondere Polyolefine, z.B. PE oder PP, werden in der Praxis in unterschiedlichsten Bereich eingesetzt, beispielsweise im Automobil-, Elektronik-, Textil-, Verpackungs- oder Möbelindustrie. Das Kunststoff-Teil kann unterschiedlichen mechanischen, chemischen, optischen, haptischen oder anderen Anforderungen unterliegen. Der Fertigung eines Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoff hat den Vorteil, dass thermoplastische Kunststoff-Fertigungsverfahren vielfältige Bauteilgeometrien zu interessanten Material- und Fertigungskosten ermöglichen, z.B. durch Extrusion, Spritzgießen oder Spritzblasformen.Thermoplastic plastic parts, especially polyolefins, e.g. PE or PP, are used in practice in a wide variety of areas, for example in the automotive, electronics, textile, packaging or furniture industries. The plastic part can be subject to different mechanical, chemical, optical, haptic or other requirements. Manufacturing a component from a thermoplastic has the advantage that thermoplastic manufacturing processes enable diverse component geometries at interesting material and manufacturing costs, e.g. through extrusion, injection molding or injection blow molding.
Das thermoplastische Basismaterial kann in manchen Fällen jedoch nicht alle Anforderungen an das Bauteil erfüllen. Insbesondere Oberflächeneigenschaften können bei bestimmten Materialien und/oder Fertigungsverfahren eingeschränkt sein. Andererseits kann das Basismaterial als Substrat, Träger oder anderweitigem Funktionsabschnitt gut geeignet sein. Interessant sind daher mehrlagige Bauteile, bei denen auf zumindest einem Teil des Basismaterials eine zusätzliche Funktionslage (z.B. wegen ihrer besonderen Oberflächeneigenschaften oder anderer Funktionen) aufgetragen wird.In some cases, however, the thermoplastic base material cannot meet all the requirements placed on the component. In particular, surface properties can be restricted in certain materials and / or manufacturing processes. On the other hand, the base material can be well suited as a substrate, carrier or other functional section. Multi-layer components are therefore of interest in which an additional functional layer is applied to at least part of the base material (e.g. because of their special surface properties or other functions).
Die Herstellung eines solchen mehrlagigen Funktionskörpers bringt in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe verschiedene technische und wirtschaftliche Herausforderungen mit sich. Zum einen sind bestimmte Werkstoffkombinationen nicht ohne weiteres miteinander verbindbar. Darüber hinaus soll der Herstellungsprozess möglichst effizient und kostengünstig industriell umsetzbar sein. Auch die Eigenschaften des zusammengefügten Funktionskörpers und der Oberflächen müssen den Anforderungen des Einsatzzweckes genügen.The production of such a multi-layer functional body brings with it various technical and economic challenges, depending on the materials used. On the one hand, certain material combinations cannot easily be connected to one another. In addition, the manufacturing process should be able to be implemented industrially as efficiently and inexpensively as possible. The properties of the assembled functional body and the surfaces must also meet the requirements of the intended use.
Beispielsweise lassen sich blasgeformte PE- oder PP-Bauteile günstig herstellen. Die Werkstoffe bilden jedoch keine für alle Einsatzzwecke ausreichend ästhetisch ansprechende Oberfläche. Insbesondere beim Urformen in einer Blas- oder Gußform bilden bestimmte Kunststoffe keine glatte Oberfläche. Kunstharze, beispielsweise Polyurethane (PUR), können hingegen glänzende Gussflächen bilden. Als Basismaterial kann der thermoplastische Kunststoff gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften wie bspw. die Zähigkeit oder Temperaturbeständigkeit des Funktionskörpers positiv beeinflussen. Insbesondere die Formgebung des Funktionskörpers kann durch das Basismaterial bzw. den damit geformten Basiskörper vereinfacht werden.For example, blow-molded PE or PP components can be manufactured inexpensively. However, the materials do not form a sufficiently aesthetically pleasing surface for all purposes. Certain plastics do not form a smooth surface, particularly when they are molded in a blow mold or casting mold. Synthetic resins such as polyurethane (PUR), on the other hand, can form shiny cast surfaces. As a base material, the thermoplastic can at the same time have a positive effect on the mechanical properties such as the toughness or temperature resistance of the functional body. In particular, the shaping of the functional body can be simplified by the base material or the base body formed therewith.
Eine Herausforderung besteht darin, dass bestimmte Kombinationen von Werkstoffen, bspw. PE und PUR, unter Normalbedingungen keine dauerhafte Verbindung eingehen. Außerdem sind die möglichen Verarbeitungsverfahren oder Verarbeitungsbedingungen der jeweiligen Werkstoffe zu berücksichtigen.One challenge is that certain combinations of materials, e.g. PE and PUR, do not form a permanent bond under normal conditions. In addition, the possible processing methods or processing conditions of the respective materials must be taken into account.
Häufig werden urgeformte Kunststoff-Basiskörper in einem nachgelagerten Prozessschritt lackiert oder mit anderen Bauteilen verklebt, um einen mehrlagigen Funktionskörper zu bilden. Solche zusätzlichen Prozessschritte können sich jedoch nachteilig auf Zykluszeiten, Kosten, Automatisierbarkeit und/oder Bauteileigenschaften auswirken.Primarily formed plastic base bodies are often painted in a subsequent process step or glued to other components in order to form a multi-layer functional body. Such additional process steps can, however, have a disadvantageous effect on cycle times, costs, automatability and / or component properties.
Aus der Klebetechnik sind Oberflächenbehandlungen bekannt, mit denen sich Bauteile mit eigentlich inkompatiblen Werkstoffen durch zusätzliche Klebstoffe fügen lassen. Der Einsatz eines zusätzlichen Klebstoffs kann aber aus verschiedenen Gründen unerwünscht sein. Nachgelagerte Prozessschritte (z.B. mittels Kleben oder Beschichtung) verlängern außerdem die Zykluszeiten bis zum fertigen Funktionskörper. Notwendige Wartezeiten (z.B. zur Abkühlung des Basiskörpers) zwischen den Prozessschritten können die Zykluszeiten des Produktionsprozesses außerdem negativ beeinflussen.Surface treatments are known from adhesive technology with which components with actually incompatible materials can be joined using additional adhesives. The use of an additional adhesive can, however, be undesirable for various reasons. Downstream process steps (e.g. by means of gluing or coating) also extend the cycle times until the finished functional body. Necessary waiting times (e.g. for the base body to cool down) between the process steps can also have a negative impact on the cycle times of the production process.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Technik zur Herstellung eines mehrlagigen Funktionskörpers aufzuzeigen.The object of the invention is to show an improved technique for producing a multi-layer functional body.
Die Offenbarung umfasst ein Herstellungsverfahren, eine Fertigungsanlage und einen mehrlagigen Funktionskörper.The disclosure includes a manufacturing method, a manufacturing plant and a multi-layer functional body.
Ein besonderer Aspekt der Offenbarung ist die Aktivierung einer Oberfläche des Basismaterials, um eine dauerhafte Verbindung zwischen einem Basismaterial und einem Funktionsmaterial herzustellen. Das Funktionsmaterial haftet durch die Aktivierung einer Verbindungsfläche am Basismaterial. Die Aktivierung kann sowohl am formlosen Basismaterial, einem vorgeformten Vorformling (Zwischenprodukt) oder dem endgeformten Basiskörper erfolgen.A special aspect of the disclosure is the activation of a surface of the base material, to create a permanent connection between a base material and a functional material. The functional material adheres to the base material through the activation of a connection surface. The activation can take place on the shapeless base material, a preformed preform (intermediate product) or the final shaped base body.
Bevorzugt erfolgt die Aktivierung durch Ionisation einer Oberfläche des Basismaterials. Die aktivierte Verbindungsfläche kann die gesamte Oberfläche oder eine oder mehrere Teilflächen des Basismaterials umfassen. Die Aktivierung kann sowohl direkt als auch indirekt erfolgen. Es stehen unterschiedliche Aktivierungsverfahren zur Verfügung. Bevorzugt wird das Basismaterial bestrahlt und/oder mit einem strahlenden Medium umspült. Eine besonders geeignete Methode ist die Aktivierung der Oberfläche mit einem ionisierten Gas, insbesondere einem Plasma. Besonders vorteilhaft ist die Behandlung mit ionisiertem Ozon oder Argon.Activation is preferably carried out by ionizing a surface of the base material. The activated connection surface can comprise the entire surface or one or more partial surfaces of the base material. Activation can be done either directly or indirectly. Different activation methods are available. The base material is preferably irradiated and / or washed with a radiating medium. A particularly suitable method is the activation of the surface with an ionized gas, in particular a plasma. Treatment with ionized ozone or argon is particularly advantageous.
Bei der Aktivierung wird bevorzugt ein hochreaktiver Bereich an einer Materialoberfläche erzeugt. Bevorzugt wird die Materialoberfläche des Basismaterials durch Bestrahlung angeregt. Insbesondere durch die Bildung und/oder Zufuhr freier Radikale an einer Oberfläche kann die Bindungsfähigkeit des Materials verändert werden. Beim Kontakt mit dem Funktionsmaterial entsteht eine dauerhafte Verbindung durch Vernetzung der beiden Werkstoffe. Die Funktionslage haftet ohne Zugabe einer zusätzlichen Klebeschicht. Die Aktivierung der Oberfläche hat den besonderen Vorteil, dass keine zusätzlichen Materialrückstände, beispielsweise Kleber, am Funktionsbauteil verbleiben. Außerdem ist die Aktivierung besonders effizient in den Herstellungsprozess integrierbar.During activation, a highly reactive area is preferably generated on a material surface. The material surface of the base material is preferably excited by irradiation. In particular, the formation and / or supply of free radicals on a surface can change the binding capacity of the material. When it comes into contact with the functional material, a permanent bond is created through the cross-linking of the two materials. The functional layer adheres without the addition of an additional adhesive layer. The activation of the surface has the particular advantage that no additional material residues, such as glue, remain on the functional component. In addition, the activation can be integrated particularly efficiently into the manufacturing process.
Entgegen einer in Fachkreisen bislang gängigen Auffassung kann die Oberfläche eines heißen thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere PE oder PP, im plastisch verformbaren Zustand aktiviert werden, sodass eine dauerhafte Verbindung mit einem Funktionsmaterial, insbesondere einem Kunstharz z.B. einem Polyurethan, geschaffen werden kann.Contrary to what has been common opinion among experts, the surface of a hot thermoplastic, in particular PE or PP, can be activated in a plastically deformable state, so that a permanent connection with a functional material, in particular a synthetic resin e.g. a polyurethane, can be created.
Die Aktivierung der Oberfläche, insbesondere durch direkt oder indirekte Ionisation, erzeugt eine chemische Kompatibilität zwischen den Werkstoffen, die unter Normalbedingungen nicht zu erwarten ist. In Versuchen hat sich die Ionisation durch Bestrahlen mit einem Plasma als besonders vorteilhaft herausgestellt. Das Plasma kann insbesondere mit einer Düse auf die gesamte oder eine Teiloberfläche des Basismaterials gelenkt werden. Auch andere Aktivierungsmittel und -verfahren sind möglich. Je nach Material bzw. Materialkombination können insbesondere die Aktivierungsparameter angepasst werden. Die Aktivierungsparameter können insbesondere die Aktivierungszeit, die Aktivierungsintensität, ein Aktivierungsmedium und Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, etc.) umfassen.The activation of the surface, in particular through direct or indirect ionization, creates a chemical compatibility between the materials that is not to be expected under normal conditions. In experiments, ionization by irradiation with a plasma has proven to be particularly advantageous. The plasma can in particular be directed with a nozzle onto the entire or part of the surface of the base material. Other activation agents and methods are also possible. In particular, the activation parameters can be adapted depending on the material or material combination. The activation parameters can in particular include the activation time, the activation intensity, an activation medium and ambient conditions (temperature, humidity, etc.).
Die Aktivierung des Basismaterials zur Herstellung einer dauerhaften Bindung zu einem Funktionsmaterial hat in Versuchen eine unerwartete technische Wirkung gezeigt und trägt besonders zur erfinderischen Tätigkeit dieser Offenbarung bei.The activation of the base material to produce a permanent bond to a functional material has shown an unexpected technical effect in experiments and particularly contributes to the inventive step of this disclosure.
Die Aktivierung des Basismaterials oberhalb einer Grenztemperatur oder in einem bestimmten Temperaturbereich des Basismaterials ist besonders interessant für die Herstellung mehrlagiger Funktionskörper. Die Grenztemperatur und/oder das bevorzugte Temperaturintervall des Basiskörpers kann je nach Material unterschiedliche Werte bzw. Bereiche aufweisen. Eine besonders interessante Anwendung liegt in der Aktivierung eines warmen, thermoplastisch verformbaren Kunststoffs, insbesondere direkt nach der Urformung (z.B. Extrusion). Das bevorzugte Temperaturintervall des Basismaterials kann insbesondere durch die Grenztemperaturen eines bestimmten Aggregatszustands oder Materialgefüges gegeben sein. In Versuchen hat sich eine Aktivierung des Basismaterials bei einer Temperatur oberhalb von 50 Grad Celsius als interessant herausgestellt. Die Aktivierung kann - entgegen bisheriger Vermutungen - insbesondere bei über 80 Grad, beispielsweise im Bereich zwischen 80 bis 130 Grad Celsius erfolgen. Es können bei bestimmten Materialien auch noch höhere Prozesstemperaturen, z.B im Bereich um 220 Grad Celsius, gewählt werden.The activation of the base material above a limit temperature or in a certain temperature range of the base material is particularly interesting for the production of multi-layer functional bodies. The limit temperature and / or the preferred temperature interval of the base body can have different values or ranges depending on the material. A particularly interesting application is the activation of a warm, thermoplastically deformable plastic, especially directly after the primary shaping (e.g. extrusion). The preferred temperature range of the base material can in particular be given by the limit temperatures of a certain state of aggregation or material structure. In tests, activation of the base material at a temperature above 50 degrees Celsius has proven to be of interest. The activation can - contrary to previous assumptions - take place in particular at over 80 degrees, for example in the range between 80 and 130 degrees Celsius. With certain materials, even higher process temperatures, e.g. in the range of around 220 degrees Celsius, can be selected.
Der im thermoplastischen Zustand aktivierte Kunststoff kann insbesondere während des anschließenden Weiterverarbeitungsprozesses mit einem Funktionsmaterial in Kontakt gebracht und gemeinsam weiterverarbeitet werden. Die Aktivierung und/oder Verbindung der Materialien kann „in process“, d.h. während der Verarbeitung des Werkstoffs erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Aktivierung und Verbindung der Werkstoffe während eines Ur- und/oder Umformverfahrens. Auf diese Weise können besonders effiziente Fertigungsprozesse zur Herstellung des Funktionskörpers erreicht werden. Die Offenbarung umfasst insbesondere ein prozessintegriertes Fügeverfahren.The plastic activated in the thermoplastic state can, in particular, be brought into contact with a functional material during the subsequent processing process and processed further together. The activation and / or connection of the materials can take place "in process", i.e. during the processing of the material. The activation and connection of the materials during an original and / or forming process is particularly advantageous. In this way, particularly efficient manufacturing processes for manufacturing the functional body can be achieved. The disclosure includes in particular a process-integrated joining method.
Besonders vorteilhaft ist die Aktivierung des Basismaterials und/oder die Bildung des mehrlagigen Funktionskörpers bevor das Basismaterial aus dem thermoplastischen Zustand abgekühlt ist. Besonders im Gegensatz zu bekannten Lackierungs-, Beschichtungs- oder Klebeverfahren können durch das hier offenbarte Verfahren Vorteile bei der Prozesseffizienz und den Bauteileigenschaften erreicht werden.The activation of the base material and / or the formation of the multi-layer functional body before the base material has cooled from the thermoplastic state is particularly advantageous. In contrast to known painting, coating or gluing processes, the process disclosed here can achieve advantages in terms of process efficiency and component properties.
Die Aktivierung kann alternativ oder zusätzlich auch zu anderen Temperatur- und/oder Umgebungsbedingungen erfolgen. Beispielsweise kann die Aktivierung auch in einem kälteren Temperaturbereich, insbesondere durch vorherige Kühlung, erfolgen. Auch eine Aktivierung bei Unter- oder Überdruck ist möglich und kann für die Verarbeitung bestimmter Materiale interessant sein.The activation can take place as an alternative or in addition to other temperature and / or ambient conditions. For example, activation can also take place in a colder temperature range, in particular by prior cooling. Activation under negative or overpressure is also possible and can be of interest for processing certain materials.
Der mehrlagige Funktionskörper umfasst bevorzugt zumindest ein Basismaterial und ein Funktionsmaterial. Das Basismaterial besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere einem Polyolefin. Das Basismaterial, insbesondere ein Trägermaterial, kann insbesondere aus einem oder einer Kombination der folgenden Werkstoffe bzw. Werkstoffgruppen bestehen oder diesen umfassen: Acrylnitrilbutadienstryol (ABS), Polyamid (PA), Polyacrylnitril (PAN), Polybutylenterephtalat (PBTP), Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polyethylentherephtalat (PETP), Polyimid (PI), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), Polyphenylenoxid (PPO), Polystyrol (PS), Polysulfan (PSU), Polyurethan (PUR), Polyvinylchlorid (PVC), Styrolacrylnitril (SAN), Styrolbutadien (SB), Polytheretherketon (PEEK), Polythermid (PEI), Polyetherketen (PEK), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphenylsulfon (PPSU), Polyesterelastomer (TEEE).The multi-layer functional body preferably comprises at least one base material and one functional material. The base material preferably consists of a thermoplastic plastic, in particular a polyolefin. The base material, in particular a carrier material, can in particular consist of one or a combination of the following materials or material groups or comprise these: acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyamide (PA), polyacrylonitrile (PAN), polybutylene terephthalate (PBTP), polycarbonate (PC), Polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PETP), polyimide (PI), polymethyl methacrylate (PMMA), polyoxymethylene (POM), polypropylene (PP), polyphenylene oxide (PPO), polystyrene (PS), polysulfane (PSU), polyurethane (PUR), Polyvinyl chloride (PVC), styrene acrylonitrile (SAN), styrene butadiene (SB), polytheretherketone (PEEK), polythermide (PEI), polyetherketene (PEK), polyphthalamide (PPA), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenyl sulfone (PPSU), polyester elastomer (TEEE).
Das Basismaterial bildet vorzugsweise einen Basiskörper, der durch thermoplastisches Ur- und/oder Umformen gebildet wird. Besonders vorteilhaft ist die Fertigung durch Extrusion, Spritzgießen und/oder Blasformen. Der Basiskörper kann in einem oder mehreren Fertigungsschritten geformt werden.The base material preferably forms a base body which is formed by thermoplastic original and / or reshaping. Production by extrusion, injection molding and / or blow molding is particularly advantageous. The base body can be shaped in one or more manufacturing steps.
Das Funktionsmaterial, insbesondere als Funktionsoberfläche oder als Funktionsbeschichtung, kann einen thermo- und/oder duroplastischen Kunststoff oder ein Kunstharz, insbesondere Polyurethane, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Funktionsmaterial einen Schaumstoff oder ein Elastomer umfassen. Besonders vorteilhaft sind Harze mit geeigneter Viskosität zur Applikation in einem Form- oder Gusswerkzeug.The functional material, in particular as a functional surface or as a functional coating, can comprise a thermoplastic and / or thermosetting plastic or a synthetic resin, in particular polyurethane. Alternatively or additionally, the functional material can comprise a foam or an elastomer. Resins with a suitable viscosity for application in a mold or casting tool are particularly advantageous.
Sowohl das Basismaterial als auch das Funktionsmaterial können ein oder mehrere Additive umfassen. Insbesondere können Farbstoffe, Härter, Weichmacher oder ähnliche chemische oder mechanische Funktionsstoffe eingesetzt werden.Both the base material and the functional material can comprise one or more additives. In particular, dyes, hardeners, plasticizers or similar chemical or mechanical functional substances can be used.
Der Basiskörper wird bevorzugt in einem urformenden Verfahren, z.B. Extrusion oder Spritzgießen, aus einem Basismaterial geformt. Der Basiskörper kann in ein oder mehreren Schritten (z.B. Blasformen) geformt werden. Bevorzugt wird aus dem Basismaterial zuerst ein Vorformling, z.B. ein Strang, ein Schlauch, eine Matte oder eine Folie, geformt. Der Vorformling kann insbesondere zusammen mit dem Funktionsmaterial in einem weiteren Schritt in die Form des Funktionskörpers gebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Funktionsmaterial auch nach einem formgebenden Verarbeitungsschritt appliziert, d.h. auf das Basismaterial aufgetragen oder anderweitig mit ihm in Kontakt gebracht werden. Die Applikation des Funktionsmaterials während eines formgebendes Fertigungsschrittes, z.B. einem Blasform-Prozess, ist besonders vorteilhaft, da hierbei besondere Bauteilgeometrien, kurze Zykluszeiten und eine gute Materialverteilung erreicht werden kann. Die Aktivierung des Materials kann insbesondere in Fertigungsprozesse integriert oder zwischen Fertigungsschritte zwischengeschaltet werden.The base body is preferably formed from a base material in a primary molding process, for example extrusion or injection molding. The base body can be molded in one or more steps (e.g. blow molding). Preferably, a preform, for example a strand, a tube, a mat or a film, is first formed from the base material. The preform can in particular be brought into the shape of the functional body together with the functional material in a further step. Alternatively or additionally, the functional material can also be applied after a shaping processing step, i.e. applied to the base material or otherwise brought into contact with it. The application of the functional material during a shaping production step, e.g. a blow molding process, is particularly advantageous, as special component geometries, short cycle times and good material distribution can be achieved. The activation of the material can in particular be integrated into manufacturing processes or inserted between manufacturing steps.
Das Basismaterial wird auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Vorformlings oder des Basiskörpers aktiviert (z.B. durch Ionisierung mit einem Ozon-Plasma). Anschließend wird das Basismaterial an einer aktivierten Oberfläche mit dem Funktionsmaterial in Verbindung gebracht. Je nach Fertigungsverfahren kann das Funktionsmaterial direkt und/oder indirekt auf das Basismaterial appliziert werden. Umgekehrt kann auch das Basismaterial auf das Funktionsmaterial appliziert werden.The base material is activated on at least part of the surface of the preform or the base body (e.g. by ionization with an ozone plasma). The base material is then brought into contact with the functional material on an activated surface. Depending on the manufacturing process, the functional material can be applied directly and / or indirectly to the base material. Conversely, the base material can also be applied to the functional material.
Bevorzugt erfolgt die Aktivierung einer Oberfläche des Basismaterials und/oder des Funktionsmaterials bevor die Materialien in Kontakt gebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktivierung auch erfolgen während und/oder nachdem die Materialien in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise durch eine andauernde oder zusätzliche Bestrahlung.A surface of the base material and / or the functional material is preferably activated before the materials are brought into contact. Alternatively or additionally, the activation can also take place during and / or after the materials are brought into contact. For example, through continuous or additional radiation.
Die Zeit zwischen der Aktivierung der Oberfläche des Basismaterials und der Verbindung mit dem Funktionsmaterial liegt bevorzugt unterhalb einer maximalen Wartezeit. Die maximale Wartezeit hängt unter anderem von der Aktivierungsmethode, den Materialien und/oder den Umgebungsbedingungen ab. In bestimmten Ausführungsformen wird das Basismaterial unmittelbar vor dem Kontakt mit dem Funktionsmaterial aktiviert. Die Aktivierungswirkung, insbesondere durch Ionisation mit einem Plasma, hält über eine gewisse Zeit an. Zwischen Aktivierung und Verbindung der Werkstoffe könne wenige Sekunden oder bis zu 60 oder 120 Sekunden liegen. Es können auch Wartezeiten oder Verarbeitungsschritte zwischen Aktivierung und Zusammenfügung der Lagen geschaltet werden.The time between the activation of the surface of the base material and the connection with the functional material is preferably below a maximum waiting time. The maximum waiting time depends, among other things, on the activation method, the materials and / or the ambient conditions. In certain embodiments, the base material is activated immediately before contact with the functional material. The activation effect, in particular through ionization with a plasma, lasts for a certain time. There can be a few seconds or up to 60 or 120 seconds between activation and connection of the materials. Waiting times or processing steps can also be switched between activation and joining of the layers.
Mit der hier offenbarten Technik lassen sich insbesondere besonders kurze Zykluszeiten für die Fertigung mehrlagiger Funktionskörper erreichen. Die Aktivierung des Basismaterials ermöglicht eine besonders schnelle Verbindung zwischen dem Basiskörper und der Funktionslage. Je nach verwendeter Fertigungstechnik zum Ur- bzw. Umformen der Bauteile können Zykluszeiten zwischen 20 und 60 Sekunden erreicht werden. Im Vergleich zu Lackierungen können die fertigen Funktionskörper wesentlich schneller gefertigt werden.With the technology disclosed here, particularly short cycle times for the production of multi-layer functional bodies can be achieved. The activation of the base material enables a particularly fast connection between the base body and the functional layer. Depending on the manufacturing technology used for the original or reshaping of the Components can achieve cycle times between 20 and 60 seconds. Compared to painting, the finished functional bodies can be manufactured much faster.
Die Verbindung zwischen Basismaterial und Funktionsmaterial ist durch die Aktivierung der Oberfläche besonders fest und langlebig. Die Verbindung zwischen Basiskörper und Funktionslage ist insbesondere frei von Verbindungsmitteln, insbesondere Klebstoff oder mechanischen Verbinder wie Schrauben oder Nieten. Besonders die Haftfestigkeit der Funktionslage erweist sich als besonders gut.The connection between the base material and the functional material is particularly strong and durable thanks to the activation of the surface. The connection between the base body and the functional layer is in particular free of connecting means, in particular adhesive or mechanical connectors such as screws or rivets. The adhesive strength of the functional layer in particular proves to be particularly good.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein Vorformling extrudiert, mit einem Aktivierungsmedium an seiner Oberfläche aktiviert und anschließend in ein Formwerkzeug eingelegt, das zuvor mit dem Funktionsmaterial behandelt wurde. Durch Aufblasen des Vorformlings wird das Basismaterial flächig mit dem Funktionsmaterial in Verbindung gebracht.In a particularly advantageous embodiment, a preform is extruded, activated with an activation medium on its surface and then placed in a molding tool that has previously been treated with the functional material. By inflating the preform, the base material is brought into contact with the functional material over a large area.
Das Basismaterial kann zuerst mit dem Funktionsmaterial verbunden und gemeinsam in ein oder mehreren urformenden und/oder umformenden Verfahren geformt werden. Das Basismaterial kann auch zuerst in eine Zwischenform oder Endform gebracht und anschließend mit dem Funktionsmaterial verbunden werden.The base material can first be connected to the functional material and shaped together in one or more primary shaping and / or reshaping processes. The base material can also first be brought into an intermediate shape or final shape and then connected to the functional material.
Der Begriff Funktionslage im Sinne dieser Offenbarung kann sowohl eine dünne Beschichtung als auch einen ganzen Funktionsabschnitt eines zusammengefügten Körpers (z.B. eine Schuhsohle) beschreiben.The term functional layer in the sense of this disclosure can describe both a thin coating and an entire functional section of an assembled body (e.g. a shoe sole).
Denkbar sind bspw. Bauteile, die ein zähes Basismaterial und eine harte oder optisch ansprechende Oberfläche aufweisen sollen, beispielsweise Sichtflächen im Cockpit eines Fahrzeugs. Mehrlagige Kunststoff-Teile können z.B. auch Schuhe sein, bei denen die Sohle aus einem besonders abriebfesten Funktionsmaterial besteht und der Oberschuh andere ästhetische oder Komfort-Eigenschaften erfüllen muss.For example, components that should have a tough base material and a hard or visually appealing surface, for example visible surfaces in the cockpit of a vehicle, are conceivable. Multi-layer plastic parts can also be shoes, for example, in which the sole consists of a particularly abrasion-resistant functional material and the upper shoe has to meet other aesthetic or comfort properties.
Besonders vorteilhaft ist die hier offenbarte Technik für die Herstellung von Bauteilen für den Innenraum von Fahrzeugen. Sichtflächen mit besonderen mechanischen und/oder ästhetischen Anforderungen lassen sich durch die Aktivierung des Basismaterials auf einem thermoplastischen Basiskörper herstellen.The technology disclosed here is particularly advantageous for the production of components for the interior of vehicles. Visible surfaces with special mechanical and / or aesthetic requirements can be produced by activating the base material on a thermoplastic base body.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.Further advantageous features and embodiments are described below with reference to the drawings.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
-
1 : einen Ablauf einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mehrlagigen Funktionskörpers (10 ) sowie eine Vorrichtung mit einem Extruder (20 ) zur Bildung eines Stranges (14 ) aus einem Basismaterial (M1 ), einer Aktivierungsvorrichtung (30 ) zur Aktivierung einer Oberfläche des Basismaterials (M1 ) in einem Aktivierungsbereich (35 ), einer Handhabungsvorrichtung (40 ) zur Abtrennung und Handhabung eines Vorformlings (15 ); -
2 : eine Applikation eines Funktionsmaterials (M2 ) auf eine Hälfte eines Formwerkzeugs (54 ) mit einer Applikationsvorrichtung (50 ); -
3 : das Einlegen eines aktivierten Vorformlings (15 ) in ein Formwerkzeug (54 ), in das bereits das Funktionsmaterial (M2 ) appliziert wurde; -
4 : einen Blasform-Prozess zur Umformung des Vorformlings in einen Basiskörpers mit einer Funktionslage aus dem Funktionsmaterial; -
5 : verschiedene Varianten zur (indirekten) Applikation eines Funktionsmaterials auf oder in ein Werkzeug durch Gießen, Aufspritzen und Einspritzen; -
6 : eine Vorbehandlung (z.B. zur Kühlung) eines extrudierten Stranges in einem Vorbehandlungsbereich (65 ) mit einer Vorbehandlungsvorrichtung (60 ) sowie eine Aktivierung mehrerer Oberflächen (13' ,13' und13" ) mit unterschiedlicher Intensität und Kontur; -
7 : eine weitere Ausführungsform des offenbarten Verfahrens mit direkter Applikation des Funktionsmaterials (M2 ) auf einen extrudierten Strang (14 ) sowie eine Handhabungsvorrichtung (40 ) mit einer Einführungsvorrichtung (42 ) zur Einführung des Vorformlings (15 ) in ein Werkzeug (53 ) und/oder Streckung (S) des Vorformlings (15 ); -
8 : Beispiel eines Funktionskörpers (10 ) mit einer einseitigen Funktionslage (12 ) (z.B. einer Beschichtung) auf einem flachen Basiskörper (11 ); -
9 : Beispiel eines komplexeren Funktionskörper (10 ) in Form eines Schuhs mit einem Oberschuh (11' ) und einer Sohle (12 ), die an einer profilierten, aktivierten Verbindungsfläche (13 ) verbunden sind.
-
1 : a sequence of a possible embodiment of a method for producing a multi-layer functional body (10 ) as well as a device with an extruder (20th ) to form a strand (14th ) from a base material (M1 ), an activation device (30th ) to activate a surface of the base material (M1 ) in an activation area (35 ), a handling device (40 ) for separating and handling a preform (15th ); -
2 : an application of a functional material (M2 ) on one half of a forming tool (54 ) with an application device (50 ); -
3 : inserting an activated preform (15th ) into a molding tool (54 ), in which the functional material (M2 ) was applied; -
4th : a blow molding process for reshaping the preform into a base body with a functional layer made of the functional material; -
5 : different variants for the (indirect) application of a functional material on or in a tool by pouring, spraying and injecting; -
6th : a pretreatment (e.g. for cooling) an extruded strand in a pretreatment area (65 ) with a pre-treatment device (60 ) as well as an activation of several surfaces (13 ' ,13 ' and13 " ) with different intensity and contour; -
7th : Another embodiment of the disclosed method with direct application of the functional material (M2 ) onto an extruded strand (14th ) as well as a handling device (40 ) with an insertion device (42 ) to introduce the preform (15th ) into a tool (53 ) and / or stretching (S) of the preform (15th ); -
8th : Example of a functional body (10 ) with a one-sided functional layer (12th ) (e.g. a coating) on a flat base body (11 ); -
9 : Example of a more complex functional body (10 ) in the form of a shoe with an upper shoe (11 ' ) and a sole (12th ), which are attached to a profiled, activated connection surface (13th ) are connected.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die anhand der Zeichnungen erläuterten Merkmale können einzeln oder in Kombination in verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Die Offenbarung ist nicht auf die dargestellten Kombinationen beschränkt. Zur Erleichterung der Darstellung sind in manchen Abbildungen mehrere eigenständige Aspekte der Offenbarung kombiniert, die auch unabhängig voneinander eingesetzt werden können.The features explained with reference to the drawings can be used individually or in combination in different embodiments can be used. The disclosure is not limited to the combinations shown. To facilitate the presentation, several independent aspects of the disclosure are combined in some figures, which can also be used independently of one another.
Der geformte Strang (
Der Strang (
Die Offenbarung umfasst insbesondere eine Aktivierungsvorrichtung (
Die Aktivierungsvorrichtung (
Die Düse der Aktivierungsvorrichtung (
Die aktivierte Oberfläche kann ganz oder teilweise als Verbindungsfläche mit einem Funktionsmaterial (
In einer wie in
Das Basismaterial (
Das Funktionsmaterial (
Die abgebildeten Größenverhältnisse der Bestandteile des Funktionskörpers, z.B. des Strangs (
Die
Das Funktionsmaterial (
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst die folgenden Schritte:
- ■ Urformen eines Stranges (
14 ) aus dem Basismaterial (M1 ); - ■ Aktivieren der Oberfläche des Basismaterials;
- ■ Abtrennen eines Vorformlings (
15 ) aus dem Strang (14 ); - ■ Öffnen eines Formwerkzeugs (
54 ); - ■ Applikation des Funktionsmaterials (
M2 ) in ein Formwerkzeug (54 ); - ■ Einbringen (z.B. Einlegen) des Vorformlings (
15 ) in das Formwerkzeug mit dem Funktionsmaterial (M2 ); - ■ Schließen der Werkzeughälften (
54 ) - ■ Formen (z.B. durch Aufblasen) des Vorformlings mit dem Formwerkzeug (
54 ); - ■ Bilden einer Funktionslage (
12 ) auf dem Basiskörper (11 ); - ■ Öffnen des Werkzeugs;
- ■ Entnahme des Funktionskörpers (
10 ).
- ■ archetypes of a strand (
14th ) from the base material (M1 ); - ■ Activation of the surface of the base material;
- ■ Cutting off a preform (
15th ) from the strand (14th ); - ■ Open a forming tool (
54 ); - ■ Application of the functional material (
M2 ) into a molding tool (54 ); - ■ Bringing in (e.g. inserting) the preform (
15th ) into the mold with the functional material (M2 ); - ■ Closing the mold halves (
54 ) - ■ Shaping (e.g. by inflating) the preform with the molding tool (
54 ); - ■ Formation of a functional situation (
12th ) on the base body (11 ); - ■ opening the tool;
- ■ Removal of the functional body (
10 ).
Die Schritte können auch in abgeänderter Reihenfolge durchgeführt werden. Durch das gleichzeitige Formen und Auftragen des Funktionsmaterials kann eine besonders gute Oberflächenqualität und Verteilung der Funktionslage (
Die Bildung der Funktionslage (
Ein besonders vorteilhafter Aspekt dieser Offenbarung besteht in der gleichzeitigen Verbindung der Materialien und der Formung des Basiskörpers (
In
Das Funktionsmaterial (
Die Eigenschaften des Funktionsmaterials (
Die Offenbarung ist allerdings nicht auf die Gleichzeitigkeit der Formung des Basiskörpers und/oder der Funktionslage und/oder der Verbindung der Materialien an einer aktivierten Oberfläche beschränkt. Ein oder mehrere Schritte können auch vor- oder nachgelagert erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgen die genannten Schritte während das Basismaterial noch von der Extrusion plastisch verformbar ist.However, the disclosure is not limited to the simultaneity of the shaping of the base body and / or the functional layer and / or the connection of the materials on an activated surface. One or more steps can also be carried out upstream or downstream. The steps mentioned are advantageously carried out while the base material is still plastically deformable by the extrusion.
In weiteren Ausführungsformen kann die Bildung des Basiskörpers und/oder der Funktionslage (zumindest teilweise) auch in einem separaten Schritt erfolgen. Weiter unten wird eine solche Verbindung an einem oder mehreren bereits geformten Teilen am Beispiel eines Schuhs erläutert.In further embodiments, the formation of the base body and / or the functional layer can (at least partially) also take place in a separate step. Such a connection on one or more already formed parts is explained below using the example of a shoe.
Alternativ oder zusätzlich kann der Aktivierungsbereich besonders ausgebildet werden. Die Aktivierungsvorrichtung (
Der Strang (
Beispielsweise kann die Strahlungsintensität in einem vorbestimmten Profil ausgerichtet sein. Die Aktivierungsvorrichtung kann insbesondere steuerbar ausgebildet sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die Aktivierungsvorrichtung auch bewegbar sein, insbesondere um eine profilierte Oberfläche (
Vorteilhafterweise ist die aktivierte Oberfläche bzw. Verbindungsfläche derart ausgebildet, dass die haftende Verbindung zwischen Basismaterial und Funktionsmaterial gewährleistet ist und gleichzeitig das Material nicht unnötig behandelt wird.The activated surface or connection surface is advantageously designed in such a way that the adhesive connection between the base material and the functional material is ensured and, at the same time, the material is not treated unnecessarily.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Anlage eine Überwachungsvorrichtung (
Bei einer direkten Applikation wird das Funktionsmaterial (
Es kann alternativ oder zusätzlich auch zuerst ein Vorformling (
Die Applikationsvorrichtung kann beispielsweise ein oder mehrere Auftragungsvorrichtungen (
Die Applikationsvorrichtung kann auch ein Tauchbecken und eine Handhabungsvorrichtung umfassen.The application device can also comprise a plunge pool and a handling device.
Beim Einführen des Vorformlings (
Der Vorformling (
Die
In einer häufigen Ausführungsform, wie in
Es kann insbesondere die gesamte (Außen-)Oberfläche des Basismaterials (
Der Basiskörpers (
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- FunktionskörperFunctional body
- 1111
- BasiskörperBase body
- 11'11 '
- vorgeformter Strang, Oberschuhpreformed strand, upper shoe
- 1212th
- FunktionslageFunctional situation
- 1313th
- aktivierte Verbindungsflächeactivated connection surface
- 13', 13''13 ', 13' '
- (profilierte) aktvierte Verbindungsfläche(profiled) activated connection surface
- 1414th
- Strangstrand
- 1515th
- VorformlingPreform
- 2020th
- ExtruderExtruder
- 2121
- ExtrusionsdüseExtrusion nozzle
- 3030th
- Aktivierungsvorrichtung / IonisatorActivation device / ionizer
- 3131
- Düsejet
- 3232
- lonisierungsmedium / Strahlungionization medium / radiation
- 3535
- AktivierungsbereichActivation area
- 4040
- Handhabungsvorrichtung / RoboterHandling device / robot
- 4141
- GreifarmGripper arm
- 4242
- EinführungsvorrichtungIntroducer
- 5050
- ApplikationsvorrichtungApplication device
- 5151
- AuftragungsvorrichtungApplication device
- 5252
- UmformvorrichtungForming device
- 5353
- Werkzeugtool
- 5454
- FormwerkzeugForming tool
- 5555
- ApplikationsbereichApplication area
- 5656
- Kanalchannel
- 6060
- Vorbehandlungsvorrichtung, KühlungPre-treatment device, cooling
- 6565
- VorbehandlungsbereichPre-treatment area
- 7070
- ÜberwachungsvorrichtungMonitoring device
- FF.
- FörderrichtungConveying direction
- M1M1
- BasismaterialBase material
- M2M2
- FunktionsmaterialFunctional material
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Family Applications (1)
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2020
- 2020-04-29 DE DE102020111667.5A patent/DE102020111667A1/en not_active Withdrawn
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