Verfahren zur Herstellung von verstärkten bzw. versteiften Kunststoff-Formteilen im Spritzgussverfahren
Das Prinzip der Verstärkung von Kunststoff Formteilen durch Einlagerung von Geweben, Fasermatten und dergleichen ist bekannt. Es war bisher jedoch nicht möglich, derartige Formteile, insbesondere solche von grosser Oberfläche, im Spritzgussverfahren herzustellen. Bei den heute für thermoplastische Kunststoffe üblichen Spritzgussverfahren wird der geschmolzene Kunststoff mit sehr hohen Geschwindigkeiten, das heisst mit sehr hohen Drükken, in eine kalte oder mässig warme Form eingespritzt, um zu verhindern, dass während des Füllvorganges der Form eine Verfestigung des Kunststoffes durch seine vorzeitige Abkühlung eintritt.
Infolge dieser hohen Einspritzgeschwindigkeit ist es nicht möglich, den Kunststoff selbst mit ausreichenden Fasermengen zu füllen oder Gewebe und dergleichen vor dem Füllvorgang in die Form einzulegen.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet die Herstellung von Kunststoff-Formteilen von einer beliebig grossen Oberfläche im Spritzgussverfahren, die durch Einlagerung von Fasermatten, z. B. von Geweben, Filzen oder dergleichen, verstärkt bzw. versteift sind. Die Steifigkeit des Formkörpers kann noch dadurch verbessert werden, dass man auf diesem gleichzeitig auch ein Waben- oder Rippensystem herstellt.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff in zähflüssigem Zustand unter Druck von einem Punkt, der sich an der Berührungslinie der beiden Formhälften befindet, mit einer so geringen Fliessgeschwindigkeit eingespritzt wird, dass sich die Fasermatten in der Fliessrichtung des Kunststoffes nicht verschieben, dass der Kunststoff während des Füllvorganges der Form seine Temperatur nicht ändert, dass der Kunststoff die Fasermatten während des Füllvorganges gegen eine oder beide Formwandungen drückt, ohne in die Fasermatten einzudringen, und dass nach völliger Füllung der Form ein höherer Druck als während des Füllvorganges auf den noch flüssigen Kunststoff ausge übt wird, und dass schliesslich der Kunststoff durch Temperaturänderung verfestigt wird.
Im einzelnen soll das Verfahren der vorliegenden Erfindung an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung erläutert werden:
Zwei formbare Glasgewebe 1 und 1' (Fig. 1) werden in einem Rahmen 2 und 2' befestigt. Die Form 3 und 3' befindet sich auf einer Temperatur von etwa 1300 C. Mit Hilfe der Rahmen 2 und 2' werden die Glasgewebe 1 und 1' zwischen die beiden Formhälften 3 und 3'gebracht. Die Form wird so- dann geschlossen (Fig. 2), wobei die Gewebebahnen 1 und 1' durch die Auflageränder der Form eingespannt werden.
Das flüssige Polyesterharz, das seinen Härter und Härtebeschleuniger bereits enthält, und das eine Temperatur von etwa 20-22"C besitzt, wird nach Entfernung der Rahmen 2 und 2' zwischen die formbaren Gewebebahnen 1 und 1' durch die Düse 4 und 4' so langsam eingespritzt, dass sich die Gewebebahnen 1 und 1' in der Fliessrichtung des Kunstharzes nicht verschieben. Infolge des geringen, in der Form auftretenden Druckes und der relativ hohen Viskosität des Kunstharzes dringt dieses während des Füllvorganges nicht in die Gewebebahnen 1 und 1' ein, sondern schiebt sich zwischen diesen hindurch, indem es sie gegen die Formwandungen drückt.
Sobald auf diese Weise eine vollkommene Füllung des Zwischenraumes zwischen den Gewebebahnen erreicht ist, bildet sich in der Form ein Gegendruck aus, so dass der Einspritzdruck innerhalb der Form zur Wirkung kommt. Unter der Wirkung dieses Druckes wird nunmehr das noch immer flüssige Kunstharz in die Gewebebahnen hineingedrückt, die Fasern werden gegenseitig verklebt und das Kunstharz kommt mit der heissen Formwandung in Berührung. Dadurch erwärmt sich das Kunstharz auf die Temperatur der Formwandung, und die Härtung des Formteiles wird eingeleitet (Fig. 3).
Der Kunststoff kann entweder durch Abkühlung, wenn es sich um einen Thermoplasten handelt, oder durch Erwärmen, wenn es sich um ein heiss härtbares Giessharz, z. B. vom Typ der Polyesterharze, handelt, verfestigt werden. Diese Abkühlung oder Erwärmung des Kunststoffes wird im allgemeinen dadurch erreicht, dass man die Temperatur der Form ändert. Bei Formen mit kleiner Oberfläche kann die Temperatur der Form bei der Füllung jedoch auch von der Temperatur des eingespritzten Kunststoffes verschieden sein: Durch die Isolierwirkung der Gewebe, Fasermatten und dergleichen behält der flüssige Kunststoff während des Füllvorganges zunächst seine Temperatur - unabhängig von der Temperatur der Formwandung - bei.
Sobald der Kunststoff nach der Füllung des Zwischenraumes zwischen den Gewebebahnen durch diese hindurchdringt und mit den Formwandungen in direkte Berührung kommt, wird diese Isolierwirkung aufgehoben und der Kunststoff nimmt nun die Temperatur der Formwandung an.
Soll der Formteil gleichzeitig auch durch ein Rippen- oder Wabensystem verstärkt werden, so verwendet man eine Form, die an den Stellen der Rippen entsprechende Rillen besitzt. Diese Rillen erleichtern im übrigen auch eine gleichmässige Verteilung des Kunststoffes über die gesamte Fläche des Formteiles während des Füllvorganges der Form.
Die Verfestigung des Kunststoffes wird in diesem Fall zuerst von der glatten Seite des Formteiles her eingeleitet, durch Abkühlen oder durch Erwärmen der mit dieser in Berührung stehenden Formhälfte.
Wenn sich auf der glatten Seite des Formteiles eine so dicke, feste Kunststoffschicht gebildet hat, dass keine Verformung infolge des Materialschwundes bei der Verfestigung mehr auftreten kann, wird die Verfestigung des Kunststoffes von der Rippenseite des Formteiles her durch Abkühlen oder Erwärmen der zweiten Formhälfte eingeleitet. Es ist zweckmässig, während des Verfestigungsvorganges Kunststoff in die Form nachzudrücken.
Sobald der Formteil eine ausreichende Formstabilität hat, wird ausgeformt und der Härtungsvorgang eventuell im Wärmeschrank zu Ende geführt. Die aus dem Formteil vorstehenden Gewebeteile werden schliesslich abgeschnitten. Fig. 4 stellt einen Teil des Formteiles dar. In seinen Aussenzonen 7 und 7' ist der Kunststoff durch Glasfasergewebe verstärkt; die Mittelzone besteht dagegen aus reinem Kunstharz.
Um wirtschaftlich arbeiten zu können, wird zweckmässig eine Form mit möglichst geringer Wärmekapazität verwendet, die einen sehr schnellen Temperaturwechsel an ihren Formschalen zulässt. Die das Heiz- oder Kühlmittel führenden Kanäle sollen möglichst gleichmässig und in geringem und annähernd konstantem Abstand vom Kunststoff über die gesamte Formoberfläche verteilt sein. Eine Form, die diesen Anforderungen entspricht, ist im Schweizer Patent Nr. 333185 beschrieben.
Das vorliegende Verfahren gestattet die serienmässige Herstellung von dünnwandigen Kunststoff Formteilen, insbesondere von solchen mit grossen Oberflächen, die durch Gewebeeinlagen, Fasermatten und dergleichen und eventuell auch gleichzeitig durch Rippen- und Wabensysteme verstärkt bzw. versteift sind, in einem Niederdruck-Spritzgussverfahren. Derartige Formteile haben ein besonderes Interesse als Bauelement für Autokarosserien, für Flugzeuge, für Dachdeckungen, für den Wohnungsbau, für Möbel usw.
Process for the production of reinforced or stiffened plastic molded parts by injection molding
The principle of reinforcing molded plastic parts by incorporating fabrics, fiber mats and the like is known. Up to now, however, it has not been possible to manufacture such molded parts, in particular those with a large surface area, by injection molding. In the injection molding processes commonly used today for thermoplastics, the molten plastic is injected into a cold or moderately warm mold at very high speeds, i.e. at very high pressures, in order to prevent the plastic from solidifying due to its premature solidification during the mold filling process Cooling occurs.
As a result of this high injection speed, it is not possible to fill the plastic itself with sufficient amounts of fiber or to insert tissue and the like into the mold before the filling process.
The inventive method allows the production of plastic molded parts of any large surface area in the injection molding process, which by incorporating fiber mats, z. B. of fabrics, felts or the like, are reinforced or stiffened. The rigidity of the shaped body can be further improved by also producing a honeycomb or rib system on it at the same time.
The method according to the present invention is characterized in that the plastic in a viscous state is injected under pressure from a point at the contact line of the two mold halves at such a low flow rate that the fiber mats are not in the flow direction of the plastic move so that the plastic does not change its temperature during the filling process of the mold, that the plastic presses the fiber mats against one or both mold walls during the filling process without penetrating the fiber mats, and that after the mold is completely filled, a higher pressure than during the filling process is exercised on the still liquid plastic, and that finally the plastic is solidified by a change in temperature.
The method of the present invention is to be explained in detail using an exemplary embodiment in conjunction with the accompanying drawing:
Two formable glass fabrics 1 and 1 '(Fig. 1) are fastened in a frame 2 and 2'. The mold 3 and 3 'is at a temperature of about 1300 C. With the aid of the frames 2 and 2', the glass fabrics 1 and 1 'are brought between the two mold halves 3 and 3'. The mold is then closed (FIG. 2), the fabric webs 1 and 1 'being clamped in by the support edges of the mold.
The liquid polyester resin, which already contains its hardener and hardening accelerator, and which has a temperature of about 20-22 "C, becomes like this after removal of the frames 2 and 2 'between the formable fabric webs 1 and 1' through the nozzle 4 and 4 ' injected slowly so that the fabric webs 1 and 1 'do not shift in the flow direction of the synthetic resin. Due to the low pressure occurring in the mold and the relatively high viscosity of the synthetic resin, it does not penetrate into the fabric webs 1 and 1' during the filling process, but pushes through between these by pressing them against the mold walls.
As soon as the space between the fabric webs is completely filled in this way, a counterpressure is created in the mold so that the injection pressure takes effect within the mold. Under the effect of this pressure, the still liquid synthetic resin is now pressed into the fabric, the fibers are mutually glued and the synthetic resin comes into contact with the hot mold wall. As a result, the synthetic resin is heated to the temperature of the mold wall, and the hardening of the molded part is initiated (Fig. 3).
The plastic can either by cooling, if it is a thermoplastic, or by heating, if it is a hot-curable casting resin, e.g. B. of the type of polyester resins, are solidified. This cooling or heating of the plastic is generally achieved by changing the temperature of the mold. In the case of molds with a small surface area, the temperature of the mold during filling can also differ from the temperature of the injected plastic: Due to the insulating effect of the fabrics, fiber mats and the like, the liquid plastic initially maintains its temperature during the filling process - regardless of the temperature of the mold wall - at.
As soon as the plastic, after filling the space between the fabric webs, penetrates through them and comes into direct contact with the mold walls, this insulating effect is canceled and the plastic now takes on the temperature of the mold wall.
If the molded part is to be reinforced by a rib or honeycomb system at the same time, a shape is used which has corresponding grooves at the points of the ribs. These grooves also facilitate a uniform distribution of the plastic over the entire surface of the molded part during the filling process of the mold.
In this case, the solidification of the plastic is first initiated from the smooth side of the molded part, by cooling or by heating the mold half in contact with it.
If such a thick, solid layer of plastic has formed on the smooth side of the molded part that no more deformation can occur as a result of material shrinkage during solidification, the solidification of the plastic is initiated from the rib side of the molded part by cooling or heating the second mold half. It is advisable to push plastic into the mold during the solidification process.
As soon as the molded part has sufficient dimensional stability, it is removed from the mold and the curing process may be completed in the heating cabinet. The fabric parts protruding from the molded part are finally cut off. 4 shows part of the molded part. In its outer zones 7 and 7 ', the plastic is reinforced by glass fiber fabric; the middle zone, however, consists of pure synthetic resin.
In order to be able to work economically, a mold with the lowest possible heat capacity is expediently used, which allows a very rapid temperature change on its shell molds. The channels carrying the heating or cooling agent should be distributed as evenly as possible and at a small and approximately constant distance from the plastic over the entire surface of the mold. A shape that meets these requirements is described in Swiss Patent No. 333185.
The present method allows the series production of thin-walled plastic molded parts, in particular those with large surfaces, which are reinforced or stiffened by fabric inlays, fiber mats and the like and possibly also at the same time by rib and honeycomb systems, in a low-pressure injection molding process. Such molded parts are of particular interest as a component for car bodies, for airplanes, for roofing, for housing, for furniture, etc.