Verfahren zur Herstellung von Kunststoffspritzgussteilen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Spritzgussteilen, bei welchem in eine Spritzgussform Kunststoff eingespritzt wird. Derartige Maschinen sind für kleine Spritzteile zu verhältnismässig erschwinglichen Preisen im Handel. Bei diesen Maschinen wird mit verhältnismässig hohem Druck die heisse Kunststoffmasse in die Spritzgussform eingespritzt, dort abgekühlt und dann wird das fertige Spritzgussteil aus der Form herausgenommen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass das Einspritzen des Kunststoffes in die Form innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgt, damit der Kunststoff so lange flüssig ist, bis die ganze Form mit Kunststoff gefüllt ist und das eingespritzte Rohmaterial in genügendem Masse verdichtet ist, damit Lunker und andere Fehlstellen vermieden werden.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit des Kunststoffes in der kalten oder nur mässig vorgeheizten Form ist jedoch nahezu unabhängig von der Grösse des herzustellenden Spritzgussteiles, so dass die Zeit, die zwischen dem Beginn des Einspritzens und dem Zeitpunkt verstreicht, in dem die Form vollständig gefüllt ist, bei einem grossen Spritzgussteil nicht wesentlich länger sein darf als bei einem kleinen Spritzgussteil. Dies bedeutet aber, dass bei der Herstellung eines grossen Spritzgussteiles die Geschwindigkeit und damit der Druck der Kunststoffmasse beim Einspritzen in die Form grösser sein muss als bei der Herstellung von kleinen Spritzgussteilen.
Dadurch ist es auch bedingt, dass der Preis bekannter Spritz-Maschinen bis zu einem Spritzgewicht von 200 bis 300 Gramm noch verhältnismässig erschwinglich ist, während der Preis von Spritzmaschinen, mit denen Spritzlinge mit 500 Gramm, 1 oder 2 kg hergestellt werden können, dagegen unverhältnismässig grösser ist als durch einen grösseren Vorratsbehälter oder andere massstäbliche Vergrösserungen von Bauteilen gerechtfertigt wäre.
Demgegenüber besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass die Form durch eine zusätzliche Heizung so lang auf Fliesstemperatur gehalten wird, bis der Kunststoff in der Form auf einen bestimmten Wert verdichtet ist, und dass der Spritzdruck auch während des Abkühlens der Form aufrechterhalten wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Einspritzgeschwindigkeit des Kunststoffes bei grossen Spritzgussteilen nicht grösser sein muss als bei kleinen Spritzgussteilen, so dass bei einer erfindungsgemässen Maschine zur Durchführung des erwähnten Verfahrens die Mittel zur Erzeugung eines besonders hohen Druckes und die Vorkehrungen entfallen, die bei mit hohen Drücken arbeitenden Maschinen getroffen werden müssen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Geschwindigkeit des Kunststoffes beim Einströmen in die Form nicht höher gewählt werden muss als bei der Herstellung von Spritzlingen mit kleinerem Spritzgewicht, so dass Überhitzungen des Kunststoffes beim Durchtritt durch die Spritzdüse mit Sicherheit vermieden werden können.
Da der in die Form eingespritzte Kunststoff auf Fliesstemperatur bleibt, bis der Spritzvorgang ganz abgeschlossen ist und das Kunststoffmaterial genügend verdichtet ist, besteht nicht die Gefahr, dass durch vorzeitiges und schichtweises Abkühlen des Kunststoffes Materialfehler im Spritzling entstehen.
Dadurch können auch die Herstellungskosten der Maschine wesentlich billiger gehalten werden als die Kosten bekannter Maschinen für vergleichbare grössere Spritzgewichte. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt daher darin, dass sehr grosse Spritzlinge mit einem Gewicht von 1 oder 2 kg mit Spritzmaschinen hergestellt werden können, die bisher zum Sprit zen von Spritzlingen von 50 g, 100 g oder 200 g verwendet wurden. Die auf die erfindungsgemässe Weise hergestellten Werkstücke sind homogen, es bilden sich keine Lunker, und das Werkstück weist keine Spannungen auf.
Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Maschine nach der Erfindung und Teile solcher Ausführungsbeispiele.
Fig. 1 zeigt schematisch die Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Spritzgussform.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht- einer zweiten Ausfüh rungsform der Maschine.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Spritzgussform, bei der die Verdichtung durch eine an der Form vorgesehene Vorrichtung erfolgt.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist mit 1 ein Behälter bezeichnet, der den spritzfähigen Kunststoff aufnimmt und aus dem mittels einer Kolbenspritzpresse mit einer Schneckenpresse oder mit anderen Mitteln der zweckmässig vorplastifizierte, auf Fliesstemperatur erwärmte Kunststoff in eine Verteilerleitung 2 eingedrückt wird, von der mehrere Metallschläuche 3 abzweigen, die an ihren Enden Absperrventile 4 besitzen und an Zuleitungsstutzen von Formen 5 befestigt werden können. Während man bisher zum Spritzen von Werkstücken mit hohem Spritzgewicht fast ausschliesslich Kolbenspritzpressen verwenden musste, ist es bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens möglich, hierzu eine kleine Schneckenpresse zu verwenden.
Die Formen 5 sind auf einem Teller 6 befestigt, der auf einer mit geringer Geschwindigkeit angetriebenen Welle 7 befestigt ist und der von einem Ofen 8 umgeben ist. Die Formen 5 und der Ofen 8 sind relativ zueinander bewegt, so dass die Formen eine Heizzone und anschliessend eine Kühlzone durchlaufen.
Die Anordnung kann so getroffen sein, dass mehrere Formen auf einem die verschiedenen Temperaturzonen durchlaufenden Beförderungsmittel angeordnet sind, wobei mindestens vom Beginn der Heizzone bis zum Ende der Kühlzone die Formen mit einem der spritzfähigen Kunststoff ausstossenden Behälter verbunden sind. Es kann aber auch zweckmässig sein, die Formen ortsfest anzuordnen und einen beweglichen Ofen langsam über die hintereinander aufgereihten Formen zu bewegen, wobei die Formen wiederum mit dem den spritzfähigen Kunststoff ausstossenden Behälter der Maschine durch einzelne Kanäle oder Schläuche verbunden sind, wobei die den einzelnen Formen zugeordneten Einspritzventile durch eine selbsttätige, vorzugsweise von der Ofenbewegung angetriebene Steuervorrichtung selbsttätig geöffnet und geschlossen werden.
Dabei können die Formen in einer geraden Reihe hintereinander oder aber in einem Kreis hintereinander angeordnet sein.
Wenn die Formen mit Hilfe eines Beförderungsmittels durch einen feststehenden Ofen hindurchbewegt werden sollen, so ist eine Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft, bei der die Formen auf einem Teller angeordnet sind, der um eine feste Achse drehbar ist und die Formen langsam durch die verschiedenen Temperaturzonen des Ofens hindurchführt. Auch hier kann die Verbindung zwischen den Formen und dem den spritzfähigen Kunststoff abgebenden Behälter der Maschine durch Metallschläuche oder Kanäle hergestellt sein.
Der Ofen 8 bedeckt jedoch den Teller 6 im wesentlichen nur an seiner Oberseite und lässt auch einen Sektor 6' des Tellers frei, innerhalb dem auf den Teller 6 die Formen 5 aufgesetzt werden können und von ihm heruntergenommen werden oder aber die Formen geöffnet werden können und der Spritzling herausgenommen werden kann. An der Innenseite des Ofens 8 sind elektrische Heizstäbe angeordnet, die die Formen 5 auf die Fliesstemperatur des Kunststoffes erhitzen. An die Beschickungszone des Ofens 8, die durch den freigelassenen Sektor 6' gebildet wird, schliesst sich eine Vorheizzone 9 des Ofens 8 und hieran eine Heizzone 10 an. Der Ofen weist auch noch eine Kühlzone 11 auf, in der die Formen 5 wieder abgekühlt werden.
Die auf dem Teller 6 befestigten Formen 5 weisen je einen vorzugsweise durch Aussparungen in dem Teller 6 nach unten hindurchragenden Anschlussstutzen auf, an den je ein den Kunststoff zuführender Schlauch angeschlossen werden kann. Der Ofen 8 weist unterhalb des Tellers 6 die entsprechenden Aussparungen auf, so dass die Anschlüsse zugänglich sind und die Schläuche bei der Bewegung des Tellers 6 um die Achse 7 unbehindert von der Ofenwandung mitwandern können.
Die zum Spritzen vorbereitete Form wird in dem Sektor 6' auf den Teller 6 aufgesetzt und tritt dann im Zuge des langsamen Umlaufes des Tellers 6 in die Vorheizzone 9 ein. Einer der Schläuche 3 kann entweder schon im Bereich der Beschickungszone, also im Bereich des Sektors 6' an die Form 5 angeschlossen werden oder aber erst in oder am Ende der Vorheizzone 9. Beim Eintritt in die eigentliche Heizzone
10 wird das den Eintritt des Kunststoffes in die Form 5 verhindernde Absperrventil 4 an dem Schlauch 3 entweder von Hand oder durch eine automatischeVorrichtung geöffnet, beispielsweise durch einen Hebel, der durch eine Kurvenscheibe beim Eintritt der Form in die Heizzone 10 betätigt wird.
Hierauf tritt Kunststoff in die Form 5 ein und bleibt in fliessendem Zustand, bis die Form 5 in die Kühlzone 11 eintritt.
Während der ganzen Zeit steht der Kunststoff in der gefüllten Form 5 unter einem bestimmten Druck, der von dem Druck in dem Behälter 1 abhängig ist.
Am Ende der Kühlzone 11 wird der Schlauch 3 von dem Einlassstutzen der Form 5 abgenommen, nachdem vorher das Absperrventil 4 entweder selbsttätig oder von Hand geschlossen wurde. Die Form 5 kann dann im Sektor 6' geöffnet werden und der Spritzling herausgenommen oder aber kann die Form 5 als Ganzes von dem Teller 6 abgenommen werden und eine neue Form 5 auf den Teller 6 eingesetzt werden.
Da bei dem beschriebenen Verfahren mit nur geringem Druck gearbeitet wird, so können die Formen, die zum Spritzen verwendet werden, auch wesentlich einfacher gebaut werden, insbesondere müssen sie nicht mehr aus dem Vollen gearbeitet werden. Beispielsweise können als Spritzgussformen galvanisch hergestellte Formen verwendet werden, die man bisher nur als Einsätze beim Spritzpressen oder aber als Formen beim Giessen verwendet hat. Derartige Formen können ohne Hintergüsse verwendet werden.
Die Formen, die bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden können, brauchen nicht mehr unbedingt aus hochwertigem Stahl zu sein, sondern können beispielsweise auch aus Aluminium oder einem anderen geeigneten, jedoch verhältnismässig weichen Material bestehen. Unter Umständen kann auch Blech verwendet werden.
Da bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Form so lang auf Fliesstemperatur gehalten werden soll, bis die Form ganz mit Kunststoff gefüllt ist und der Kunststoff auf einen bestimmten Wert verdichtet ist, dann jedoch die Form in der üblichen Weise gekühlt werden soll, ist es zweckmässig, wenn die Form eine gleichmässige Wandstärke aufweist. Die Formen können zur Aufheizung und zur Kühlung in Medien entsprechender Temperatur eingetaucht werden.
Wenn an der Form selbst Vorrichtungen zum Aufheizen und Kühlen vorgesehen sind, so ist es zweckmässig, wenn die Dicke der Wand zwischen der Heizfläche und der Forminnenfläche überall etwa gleichmässig ist. Die Form kann Hohlräume aufweisen, wobei in diese Hohlräume zwischen der inneren und der äusseren Wand abwechslungsweise ein Heizmittel und, beim Abkühlen, ein Kühlmittel eingeführt werden kann.
Es ist zwar bereits bekannt, Formen mit einer Heizvorrichtung zu versehen. Bei bekannten Maschinen und Verfahren wurden jedoch Formen verwendet, die sehr umfangreich waren und sehr grosse Massen hatten. Man konnte sie daher nicht auf Fliesstemperatur erwärmen, weil beim darauffolgenden Abkühlen wegen dieser grossen Massen diese Formen nicht gleichmässig abkühlten und daher erhebliche Spannungen in der Form und auch im Werkstück auftraten. Man hat daher diese bekannten Formen auf etwa die Hälfte der Fliesstemperatur, im allgemeinen zwischen 50 und 800 erwärmt. Man musste daher, wie in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt, den Einspritzdruck sehr hoch wählen, um einigermassen einwandfreie Spritzwerkstücke zu erhalten.
Dies wiederum führte dazu, dass diese Formen sehr schwer und sehr stark gebaut werden mussten und ein grosses Gewicht und viel Material hatten. Mit den bekannten Formen, die sehr grosse Massen hatten, konnte daher das erfindungsgemässe Verfahren nicht durchgeführt werden. Auch war bei diesen bekannten Spritzformen nicht das Merkmal verwirklicht, dass die Wand zwischen der Heizfläche und der Forminnenfläche gleichmässig dick ist.
Die Form kann auf die verschiedenste Art und Weise erwärmt werden, beispielsweise in einem Ofen mit Hilfe einer Flamme, durch Strahlung, durch Heissluft, durch Eintauchen in eine Heizflüssigkeit oder dgl., sie kann auch wie oben erwähnt, selbst eine Heizung aufweisen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Spritzgussform, die bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden kann. Die Spritzgussform 12 ist vorzugsweise galvanisch nach einem der bekannten Verfahren hergestellt. Die Wandstärke zwischen der Aussenfläche 13 und der Innenfläche 14 der Form ist im wesentlichen überall gleich. Dagegen kann die Wandstärke des Spritzlings sehr verschieden sein. Die Form 12 ist in einen Kasten 15 eingesetzt und dort mit Hilfe von Stegen 16 gehalten. In den Kasten 15 münden Anschlussstutzen 17 und 18, durch die zunächst eine Heizflüssigkeit zu- bzw. abgeführt wird und hierauf eine Kühlflüssigkeit zu- bzw. abgeführt wird. Von der Aussenseite des Kastens 15 führt ein Einspritzkanal 19 in den Hohlraum 20 der Form. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient die Form zum Spritzen einer Tasse.
Die Form ist in geeigneten Ebenen geteilt, dass der spritzgepresste Gegenstand bequem herausgenommen werden kann. Während durch den Innenraum zwischen der Aussenfläche 13 der Form 12 und der Innenfläche des Kastens 15 ein Heizmedium hindurchgeführt wird, das die Form auf Fliesstemperatur des verwendeten Kunststoffes hält, wird der Kunststoff durch den Einspritzkanal 19 in den Innenraum 20 der Form 12 eingespritzt. Wenn das eingespritzte Material in dem Hohlraum 20 auf einen bestimmten Wert verdichtet ist, so wird durch den Innenraum des Kastens 15 ein Kühlmedium hindurchgeführt, das die Form abkühlt. Das äussere Ende des Einspritzkanales 19 steht so lang in Verbindung mit der Einspritzdüse der Spritzmaschine, bis sich die Form so weit abgekühlt hat, dass der Kunststoff in dem Hohlraum 20 nicht mehr plastisch ist.
Bis zu diesem Zeitpunkt wirkt der Spritzdruck über den Einspritzkanal 19 auf das in dem Hohlraum 20 eingespritzte Material.
Nach dem Erstarren des Kunststoffes wird die Form auseinandergenommen und der gespritzte Gegenstand herausgenommen.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 die Formen nicht durch einen Ofen hindurchgeführt werden, sondern entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 ausgebildet sein können. Die Formen können auf einem Drehteller 21 befestigt sein. Die Anschlussstutzen 17 und 18 dieser Formen sind mit Schläuchen 23 und 24 verbunden, die an durch die Welle 22 des Drehtellers 21 hindurch verlaufende Leitungen angeschlossen sind.
Diese Leitungen wiederum stehen über Leitungen 25 und 26 mit einem Schaltkasten 27 in Verbindung, der Zu und Abläufe für eine Heizflüssigkeit und Zu und Abläufe für eine Kühlflüssigkeit aufweist. In diesem Schaltkasten 27 befindet sich ein Umschaltventil, das dann die Zufuhr der Heizflüssigkeit zu einer der Leitungen 25 bzw. 26 abschaltet und in diese Leitung eine Kühlflüssigkeit zuführt, wenn der Druck des Kunststoffes an der Einspritzdüse 32 einen bestimmten Wert erreicht hat. Zu diesem Zweck ist der Schaltkasten 27 über eine Leitung 28 mit einem in die Spritzmaschine 29 eingebauten Druckgeber verbunden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist als Spritzmaschine eine von einem Motor 30 angetriebene Schneckenpresse verwendet, der Kunststoff wird durch einen Trichter 31 in die Maschine eingeführt.
Sobald der Kunststoff in der Form erstarrt ist, wird der Drehteller 21 so weit gedreht, dass die äussere öffnung des Einspritzkanals 19 an der Einspritzdüse 32 der Spritzmaschine 29 steht. Die soeben mit Kunststoff gefüllte Form wird dann geöffnet und für einen neuen Arbeitsgang vorbereitet. Der besseren Erläuterung halber sind nur zwei Leitungen 25, 26 gezeichnet, die von dem Schaltkasten 27 zu dem Drehtisch 21 führen. Selbstverständlich können auch mehrere derartige Leitungen zu dem Drehteller 21 führen, beispielsweise ein Leitungspaar für jede auf dem Drehtisch angeordnete Form.
Wird die Form ohne Ofen erwärmt, so kann die Form an dem Spritzmundstück der Spritzmaschine nach dem Verdichten so lang stehen bleiben, bis das Material nicht mehr flüssig ist. In anderen Fällen können an der Form Vorkehrungen vorgesehen sein, die die Einspritzöffnung nach dem Verdichten verschliessen. Schliesslich kann auch das Verdichten des Kunststoffes in der Form durch eine besondere, an der Form vorgesehene Vorrichtung vorgenommen werden, so dass die Form bereits während des Verdichtens von dem Spritzmundstück abgenommen werden kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Form einen kleinen zusätzlichen Hohlraum aufweisen, der beim Einführen des plastischen oder flüssigen Kunststoffes mit gefüllt wird.
In diesen Hohlraum ragt ein Kolben hinein, der durch irgendeine Antriebsvorrichtung, also einen von Hand betätigbaren Hebel, eine Druckfeder, eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung oder dgl. angetrieben werden kann. Dieser Kolben drückt dann das Material aus diesem kleinen Hohlraum in den Innenraum der Form und verdichtet damit das dort befindliche Material. Da die Form auf Fliesstemperatur gehalten wird, kann die Verdichtung auch noch einige Zeit nach dem Einführen des Kunststoffes in die Form vorgenommen werden.
Es kann manchmal zweckmässig sein, wenn man die Form nicht so lang an der Einspritzdüse 32 stehen lässt, bis der Kunststoff in der Form erstarrt ist.
In diesem Falle ist es zweckmässig, den Einspritzkanal 19 durch eine besondere Vorrichtung zu verschliessen. Bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Form kann eine derartige Ver schlussvorrichtung für den Einspritzkanal 19 mit einer Vorrichtung kombiniert sein, die den in den Hohlraum 20 eingespritzten Kunststoff noch zusätzlich verdichtet. Dann kann die Form schon etwas früher von der Spritzdüse 19 abgenommen werden.
Fig. 4 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel einer Form. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Form ausser dem Hohlraum 20, der dem herzustellenden Werkstück entspricht, noch einen zusätzlichen Hohlraum 33 auf, dessen vorderes Ende in den Hohlraum 20 mündet und in dessen hinteres Ende der Einspritzkanal 19 mündet. In diesem Hohlraum 33 ist ein Verdrängerkolben 34 vorgesehen, der durch eine Druckfeder 35 nach innen gedrückt wird. Der Kolben 34 weist eine Schulter 36 auf, an der das hakenartig abgebogene Ende 37 eines um eine Achse 38 schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebels 39 angreift. Wird der Hebel 39 verschwenkt, so gibt er die Schulter 36 frei, und der Kolben 34 wird durch die Feder 35 in die Form eingedrückt.
Dabei verschliesst er das innere Ende des Einspritzkanales 19 und drückt den in dem Hohlraum 33 befindlichen Kunststoff noch in den Hohlraum 20 ein, wodurch das dort befindliche Material noch zusätzlich verdichtet wird.
Der Vorteil derartiger Maschinen liegt darin, dass mit diesen Maschinen und mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens Spritzlinge mit nahezu beliebig hohem Spritzgewicht hergestellt werden können, dass sehr verschiedenartige Spritzlinge unmittelbar hintereinander hergestellt werden können, dass stets mehrere Formen gleichzeitig in den einzelnen Temperaturzonen des Ofens angeordnet sein können und daher die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Maschine ausserordentlich gross ist. Da zum Einspritzen und Verdichten des Kunststoffes in der Form nur noch ein geringer Druck erforderlich ist, weil der Kunststoff während dieser Arbeitsphase noch auf Fliesstemperatur erhitzt ist und bleibt, können die Formen wesentlich schwächer gebaut sein und mit Verstärkungsmaterial hintergossen sein. Derartige Formen lassen sich jedoch verhältnismässig billig herstellen.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässen Maschinen zur Durchführung des Verfahrens sind zur Verarbeitung von allen spritzfähigen Kunststoffen geeignet, insbesondere zur Verarbeitung von Thermoplasten, wie beispielsweise PVC, Polyäthylen, Polystyrol oder Polyamiden. Die Leistung einer derartigen Maschine kann von 10 bis 500 kg Spritzgewicht pro Stunde betragen. Da der Arbeitsablauf kontinuierlich ist, sind auch schädliche Erschütterungen vermieden.
Die Aufheizung der Formen in einem Ofen kann direkt, also durch Strahlung, oder indirekt, also durch einen Zwischenträger, wie Dampf, Heisswasser, Luft oder dgl. erfolgen. Es kann eine elektrische Heizung (Widerstands-, Hochfrequenz-oder Infrarotheizung) oder aber eine Ö1- oder Gasheizung vorgesehen sein.