DE10153706B4

DE10153706B4 - Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in ein Spritzgießwerkzeug

Info

Publication number: DE10153706B4
Application number: DE2001153706
Authority: DE
Inventors: Torsten Säring; Wolfgang Kazmirzak; Wolfgang Vanicek; Thomas Zwicker
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: DE10153706A1

Abstract

Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Spritzgießformteilen, insbesondere im Bindenahtbereich und zur Verbesserung des Fließverhaltens der Kunststoffschmelze während des Formgebungsprozesses, bei der ein aus der Ultraschallschweißtechnik bekanntes Ultraschallsystem bestehend aus Ultraschallwandler, Booster und Sonotrode technologisch angepaßt in den Spritzgießprozeß eingeordnet und konstruktiv in das Spritzgießwerkzeug integriert wird, die Sonotrode unmittelbar bis an die Werkzeugkavität ragt und die Stirnfläche der Sonotrode gleichzeitig einen Teil der Kavitätswandung bildet und der Einkoppelfläche entspricht, die Sonotrode frei schwingend gehalten wird und die Werkzeugplatte eine Ausdrehung mit zylindrischem Ansatz besitzt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ultraschallsystem am Schwingungsknoten (K) wahlweise an einem Befestigungsring (5) der Sonotrode (2) oder des Boosters (3) am Spritzgießwerkzeug mechanisch so befestigt wird, daß die Sonotrode (2) unmittelbar bis an die Werkzeugkavität (Wk) ragt,
daß die Sonotrode (2) dazu in einer temperierbaren Buchse (6), die wiederum in einer Werkzeugplatte (9) angeordnet...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Spritzgießformteilen, insbesondere im Bindenahtbereich und des Fließverhaltens der Kunststoffschmelze während des Formgebungsprozesses gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es gibt eine Vielzahl von Kunststoffteilen, die mittels Spritzgießen hergestellt werden und eine oder mehrere Bindenähte enthalten. Bindenähte sind mechanische Schwachstellen im Kunststoffteil, die oft für das Versagen der Bauteile im Einsatz verantwortlich sind. Insbesondere bei Polymeren mit mineralischen Additiven oder Glasfaserzusätzen kann die mechanische Festigkeit im Bereich der Bindenaht im Vergleich zu dem dazugehörigen Basispolymer erheblich herabgesetzt werden. Im Vergleich zum ungefüllten Basistyp des gleichen Polyamids hat man z. B. bei glasfaserverstärktem Polyamid Abminderungsfaktoren von bis zu 65% ermittelt.
Bindenähte sind insbesondere bei sehr großen Teilen mit Mehrfachanschnitten sowie bei Teilen mit komplizierter Geometrie, z.B. an Fließhindernissen wie Bohrungen und Aussparungen, unvermeidbar. Bindenähte in angußfernen Bereichen, wo die Kunststoffschmelzefronten beim Zusammenfließen bereits relativ erkaltet sind, lassen sich ebenfalls oft nicht vermeiden und stellen eine nicht unerhebliche mechanische Schwachstelle dar.
Aus der betrieblichen Praxis sind zur Beseitigung dieses Problems drei verschiedene, aber bisher unbefriedigende Lösungen bekannt:

1. Durch der Konstruktion vorangehende Simulationsberechnungen kann die Lage der Bindenähte bestimmt und durch veränderte Werkzeuggestaltung in bauteilunkritische Bereiche verschoben werden. Nachteil dieser Variante ist, daß sich die Qualität der Bindenähte an sich nicht verbessert.
2. Durch Veränderungen der Parameter beim Spritzgießprozeß selbst, insbesondere durch erhöhte Masse- und Werkzeugtemperatur, können diffusionsbegünstigende Bedingungen an der Grenzfläche der beiden Schmelzeschichten erzeugt werden, die sich in einer höheren, jedoch auch begrenzten mechanischen Festigkeit äußern. Zwei wesentliche Nachteile dieser Lösung sind höhere Zykluszeiten sowie die mögliche Gefahr der thermischen Zersetzung der Spritzgießformmasse.
3. Durch Einbringen von Additiven verschiedenster Art in Kunststoffe können die chemischen und physikalischen Bindungskräfte zwischen den Polymermolekülen wahlweise abgeschwächt oder verstärkt werden. Durch letzteres können Polymerchargen mit erhöhter Bindenahtfestigkeit im Vergleich zum Basismaterial hergestellt werden. Der Nachteil hierbei ist, daß durch Additive meist andere Kunststoffeigenschaften negativ beeinflußt werden.

Aus der DE 3621379 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung von Fließ- bzw. Bindenahteinkerbungen in Spritzgießteilen aus Thermoplast bekannt. Zur Beseitigung von in Bereichen der Fließ- bzw. Bindenähte befindlichen Einkerbungen der Oberfläche von Spritzgießformteilen wird vorgeschlagen, daß man die Schmelze beim Spritzgießen während der Formfüllung in den Formnestwandbereichen der vorausbestimmbaren Fließ- bzw. Bindenähte solange nahe der Erweichungs- bzw. der Kristallitschmelzetemperatur des Thermoplastes hält, bis die Formfüllung abgeschlossen ist, insbesondere derart, daß man in den Bereichen der Fließ- bzw. Bindenähte die Kontakttemperatur der Schmelze, also die Temperatur, welche die Randzonen der Schmelze bei Kontakt mit der Formnestwand aufweisen, kurzzeitig anhebt. Dadurch wird das Einfrieren der mit der Formnestwand in Berührung kommenden Randzonen der Schmelze solange verzögert, bis die Fließströme der Schmelze auch in den Bereichen der Formnestwände lückenlos zusammengepreßt und eingeebnet sind, so daß eine Entstehung von Einkerbungen der Oberfläche ausgeschlossen ist. Diese kurzzeitige Aufheizung der Schmelze kann mittels elektrischer Heizung (Heizpatronen), elektrischer HF-Wellen, Mikrowellen oder Ultraschallwellen erfolgen. Diese Prinzipien lassen sich in indirekte und direkte Erwärmungsverfahren einteilen. Indirekte Verfahren bedeuten, daß sich die Wärmequelle (z.B. Heizpatrone) in einem endlichen Abstand hinter der Werkzeugkavität befindet. Bei den direkten Verfahren ist die Wärmequelle selbst Bestandteil der Werkzeugkavität (z. B. elektrischer HF-Wellensensor, Mikrowellengeber oder Ultraschallsonotrode). Heizpatronen sind für die Temperierung von Spritzgießwerkzeugen eine weit verbreitete und einfach einzusetzende Wärmequelle. Die Anwendung und konstruktive Gestaltung der drei genannten direkten Verfahren im Werkzeug gestaltet sich dagegen viel problematischer.

In der CH 672 092 A5 werden ein Verfahren zur Verbesserung des Spritzgießens bei vergrößertem Fließweg-Wanddicken-Verhältnis und ein Spritzgießwerkzeug dazu beschrieben. Nach diesem Verfahren wird der in das Spritzgießwerkzeug eingespritzten Kunststoffschmelze im Bereich des kritischen Fließweg-Wanddicken-Verhältnisses, in dem sie nicht mehr weiter fließt, Ultraschallenergie zugeführt. Die Zufuhr der Ultraschallenergie dauert solange an bis der Einspritzvorgang beendet ist.

Am Spritzgießwerkzeug ist eine mit der Spritzgießmaschinensteuerung verbundene Ultraschalleinrichtung, bestehend aus Ultraschallgenerator und Konverter mit Sonotrode angeordnet. Die Sonotrode wird berührungslos durch eine Ausnehmung im Werkzeug bis in die Werkzeugkavität geführt, wobei die Stirnfläche der Sonotrode einen Teil der Werkzeugkavität bildet.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß der Konverter erst an seinem hinteren Ende erfaßt und damit am Spritzgießwerkzeug befestigt wird. Dadurch werden der Konverter und die Sonotrode über eine relativ große Länge frei geführt und sind mechanischen Einflüssen, wie hohen Werkzeuginnendrücken und großen Scherkräften während der Einspritzphase ausgesetzt, die zu Lageabweichungen führen können. Deshalb muß, um einen berührungslosen Durchgang der Sonotrode zur Werkzeugkavität zu gewährleisten, der Schwingspalt entsprechend groß gehalten werden. Dies wiederum kann aber zu qualitätsmindernden Merkmalen, wie zur Abbildung des Spaltes am Formteil oder zur Gratbildung am Formteil führen.

Der Anmelderin sind aus der betrieblichen Praxis und aus der Fachliteratur keine weiteren Lösungen zur Einkopplung von Ultraschall in ein Spritzgießwerkzeug bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur direkten, lokalen Einkopplung von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges zur kurzzeitigen, partiellen Aufheizung der Schmelze zu schaffen, wodurch beim Spritzgießen der Formteile die Bindenahtfestigkeit erhöht und an die Festigkeit des vergleichbaren kompakten Materials angenähert werden kann, die Fließfähigkeit der Schmelze in einzelnen, kritischen Werkzeugbereichen, wie im Angußbereich oder in den Fließkanälen und damit das Einspritzverhalten verbessert werden kann, ein verbessertes Abformverhalten von Mikrostrukturen und damit eine höhere Präzision und Genauigkeit der Mikrostrukturen erzielt werden kann und wonach durch Erwärmung lokaler Bereiche der Kavität durch Ultraschall auf die variotherme Temperierung der Kavität verzichtet werden kann, so daß kürzere Zykluszeiten erreicht werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ultraschallenergie durch ein aus der Ultraschallschweißtechnik bekanntes Ultraschallschweißsystem, bestehend aus Ultraschallwandler, Booster und Sonotrode direkt an der kritischen Stelle der Kavität, wie Bindenahtbereich, Anguß- und Fließkanalbereich oder einem Bereich mit Mikrostrukturen während des Formgebungsprozesses eingeleitet und eine definierte Zeit aufrechterhalten. Das Ultraschallsystem ist dabei so am bzw. im Spritzgießwerkzeug angeordnet, daß die Sonotrode frei schwingend bis an die Kavität des Spritzgießwerkzeuges ragt, wobei die Stirnfläche der Sonotrode gleichzeitig einen Teil der Kavitätswandung bildet. Der zeitliche Verlauf der Ultraschalleinkopplung, wie der Start und die Dauer des Ultraschallimpulses, wird über einen Ultraschallgenerator geregelt, der mit der Steuerung der Spritzgießmaschine mittels einer elektronischen Schaltung verbunden ist. Die eingekoppelte Ultraschallenergie wird über eine externe Steuerung der Amplitude in Abhängigkeit vom Kunststofftyp und vom Werkzeuginnendruck ermittelt und optimal eingestellt. Der Ultraschalleintrag in die Kavität beginnt kurz vor dem Eintreffen des Schmelzestroms im Bereich der Einkoppelfläche und dauert je nach Formteilgestalt und -größe bis zu 5 Sekunden.

Für das zusammenhängende Verständnis des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung seien der Aufbau und die Funktion des an sich bekannten Ultraschallsystems in 1 dargestellt.

Ein solches Ultraschallsystem besteht aus den Komponenten Ultraschallwandler 1 und Sonotrode 2. Zusätzlich kann als dritte Komponente ein Booster 3 zur Verstärkung der Ultraschallamplitude zwischen Wandler 1 und Sonotrode 2 eingefügt werden. Für die Übertragung der Ultraschallschwingung vom Wandler 1 zur Einkoppelfläche 4 sind Resonanzbedingungen notwendig, die über die Geometrien des Boosters 3 und der Sonotrode 2 festgelegt werden. Die Resonanzlänge I_R von Booster 3 und Sonotrode 2 entspricht in etwa der halben Wellenlänge der verwendeten Ultraschallfrequenz. So sind für 20 kHz-Systeme Basis-Resonanzlängen I_R von ca. 140 mm notwendig. Für höherfrequente Systeme, z.B. 40 kHz, beträgt die Basis-Resonanzlänge I_R ca. 70 mm. Durch die Wahl der Ultraschallfrequenz wird die Größenordnung der Komponenten festgelegt. Die Resonanzlänge I_R wird weiterhin von der Systemtemperatur und der gewählten geometrischen Form der Komponenten – in prozentualen Grenzen – beeinflußt.

Das Schweißen von Kunststoffteilen beruht auf einem Erwärmungsprozeß, d.h. lokales Aufschmelzen der zu schweißenden Kunststoffteile durch Ultraschallabsorption im Kunststoff. Der Ultraschall wird hierbei an der Einkoppelfläche 4 in den Kunststoff übertragen. Parallel dazu wird auf die zu fügenden Kunststoffteile eine äußere Kraft F_F ausgeübt, welche die molekularen Diffusionsprozesse der Kunststoffmasse der beiden Fügeteile ineinander für die Ausbildung einer mechanisch festen Verbindung begünstigt. Diese Kraft F_F wird dadurch aufgebracht, daß das Ultraschallsystem in der Ebene der Schwingungsknoten K von Sonotrode 2 oder Booster 3 mechanisch geklemmt wird, z.B. am Befestigungsring 5 der Sonotrode und der Kunststoff Ku durch seinen Schmelzedruck auf die Einkoppelfläche 4 drückt. Die Einkoppelfläche 4 liegt in der Ebene der Schwingungsamplitude A. Da die eingekoppelte Leistung in Abhängigkeit vom Betrag der Amplitude eine quadratische Funktionalität besitzt, kann in der Ebene A der Einkoppelfläche 4 die maximal mögliche Systemleistung in den Kunststoff eingebracht werden. In der Schweißpraxis sind möglichst hohe Leistungen gefordert, die sich physikalisch bedingt mit niedrigeren Ultraschallfrequenzen realisieren lassen. Aufgrund des physikalischen Wirkprinzips der Ultraschallerzeugung sinkt mit steigender Frequenz die maximal erzeugbare Leistung, z.B. erreicht man für 20 kHz-Systeme maximal 4000 W, für 40 kHz-Systeme maximal 700 W.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in ein Spritzgießwerkzeug besteht aus dem an sich bekannten Ultraschallsystem, welches technologisch angepaßt in den Spritzgießprozeß eingeordnet und konstruktiv in eine Werkzeugplatte des Spritzgießwerkzeuges integriert wird, aus einer temperierbaren Buchse, einem vorderen und einem hinteren Distanzring sowie aus einem Klemmring. Das Ultraschallsystem wird am Schwingungsknoten, wahlweise an einem Befestigungsring der Sonotrode oder des Boosters am Spritzgießwerkzeug mechanisch so befestigt, daß die Sonotrode unmittelbar bis an die Kavität ragt und die Stirnfläche der Sonotrode gleichzeitig einen Teil der Kavitätswandung bildet. Dazu wird die Sonotrode in einer temperierbaren Buchse, die wiederum in einer konturnahen Werkzeugplatte angeordnet und befestigt ist, frei schwingend gehalten. Die Buchse besitzt eine trichterförmige Ausdrehung mit zylindrischem Ansatz, in die die Sonotrode am Befestigungsring zwischen einem vorderen und einem hinterem Distanzring am Schwingungsknoten eingespannt ist. Diese Halterung der Sonotrode wird am hinteren Distanzring durch einen aufgesetzten Klemmring fixiert.

Die Sonotrode kann dabei zur Verbesserung der Bindenahtfestigkeit im Bereich der durch Simulation vorherbestimmten Bindenaht oder -nähte, zur Verbesserung der Fließfähigkeit der Schmelze in einzelnen kritischen Bereichen des Angusses oder der Fließkanäle oder zur Erhöhung der Abformgenauigkeit und zur Verbesserung des Abformverhaltens von Mikrostrukturen im Bereich von Mikrostrukturen in der Kavität, angeordnet sein.

Als Sonotrodenwerkstoff kommen Titan oder gehärteter Stahl zum Einsatz. Das in der Schweißtechnik wegen seiner hervorragenden Ultraschallübertragungseigenschaften üblicherweise verwendete Aluminium kann aufgrund seiner zu geringen mechanischen Festigkeit und schlechteren abrasiven Eigenschaften im Spritzgießwerkzeug nicht eingesetzt werden. Die Schwingungseigenschaften des Ultraschallsystems bzw. seiner Komponenten sind geometrie- und temperaturabhängig. Für eine festgelegte Sonotrodengeometrie muß die Resonanzlänge für die bei der Spritzgießfertigung notwendige Werkzeugtemperatur, die wiederum abhängig vom zu verarbeitenden Kunststofftyp ist, bestimmt werden.

Die notwendige Krafteinkopplung für das Verschweißen wird, im Unterschied zum klassischen Ultraschallschweißprozeß, im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Schmelzedruck auf die Sonotrode realisiert. Die Stirnfläche der Sonotrode, die der Einkoppelfläche des Ultraschalls entspricht, muß an die Form der Werkzeugkavität angepaßt sein und wird bereits bei der Werkzeugherstellung gefertigt.

Die Ultraschallenergie wird kunststofftypabhängig und formteilspezifisch geregelt. Die Ultraschallbeaufschlagung z.B. des Bindenahtbereiches beginnt kurz vor Eintreffen der Schmelzeströme im Bereich der Einkoppelfläche und dauert je nach Formteilgestaltung und -größe praktischerweise 1 bis 5 Sekunden. Der Betrag der eingekoppelten Ultraschallenergie wird über die Wahl der Amplitudenhöhe, der Ultraschalleinwirkdauer und des Startzeitpunktes des Ultraschallimpulses kunststoffspezifisch reproduzierbar mittels einer elektronischen Schaltung, welche die Verbindung zwischen Ultraschallgenerator und Spritzgießmaschine realisiert, geregelt.

Der Wirkmechanismus zur Erreichung einer erhöhten Bindenahtfestigkeit ist folgender: Durch die Ultraschalleinkopplung in die Kunststoffschmelze im Werkzeug wird ein Energieeintrag realisiert, der eine lokale Erwärmung und eine mechanische Durchmischung der Kunststoffschmelze im Bindenahtbereich hervorruft. Die lokale Erwärmung konnte mit einer Infrarot-Kamera nachgewiesen werden. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Eigenbeweglichkeit der Makromeleküle. Somit können die Moleküle der beiden bindenahtbildenden Fließfronten sich besser durchmischen (Interdiffusion). Begünstigt wird dieser Prozeß durch einen hohen Spritzdruck, der in Analogie zum notwendigen Fügedruck beim klassischen Schweißverfahren einem hohen Schmelzedruck entspricht.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin:

1. daß durch die Ultraschallbeaufschlagung der Kunststoffschmelze im Bindenahtbereich die mechanische Festigkeit des Kunststoffteils wesentlich erhöht werden kann,
2. daß durch die Ultraschallbeaufschlagung es möglich ist, mit niedrigeren Masse- und Werkzeugtemperaturen zu arbeiten; dies kann kürzere Zykluszeiten bewirken sowie eine schonendere Materialverarbeitung darstellen,
3. daß in Abhängigkeit vom Kunststofftyp, von den Verarbeitungsbedingungen, insbesondere von der Massetemperatur und vom Werkzeuginnendruck und dem verwendeten Ultraschallsystem (z. B. 20, 40 oder 70 kHz), die eingekoppelte Leistung über die Ultraschalldauer und die Ultraschallamplitude über einen großen Bereich stufenlos eingestellt und die Viskosität und damit die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze während der Verarbeitung in einem breiten Bereich variiert werden kann,
4. daß diese Vorrichtung gezielt zur Verbesserung des Fließverhaltens an lokalen Stellen im Werkzeug eingesetzt werden kann (z.B. Anguß),
5. daß diese Vorrichtung insbesondere bei Anwendung im Mikrospritzguß kritische Fließstellen (z.B. kleinste Kanäle, Mikrostrukturen) überwinden hilft,
6. daß durch diese Vorrichtung verlängerte Fließwege (z. B. beim Dünnwandspritzguß) möglich sind,
7. daß dieses Verfahren und diese Vorrichtung insbesondere bei bindenahtkritischen Polymeren (z. B. bei glasfaserverstärktem Polyamid) mechanisch stabilere Eigenschaftsbilder bedingt durch die Herabsetzung von strukturellen Anisotropien hervorbringt,
8. daß diese Vorrichtung auch für die Verbesserung von Verbundfestigkeiten im Mehrkomponentenspritzguß bei schlecht haftenden Verbindungspartnern einsetzbar sind,
9. daß diese Vorrichtung gegebenenfalls auf das Variothermprinzip der Werkzeugtemperierung verzichtet werden kann und somit wesentlich kürzere Zykluszeiten erreichbar sind und
10. daß diese Vorrichtung prinzipiell für alle Kunststofftypen, die mit der Spritzgießtechnologie verarbeitet werden, anwendbar sind.

Die Vorrichtung können wirtschaftlich sinnvoll bei neu zu konstruierenden Spritzgießwerkzeugen für technisch hochwertige Teile eingesetzt werden. Es ist zu beachten, daß bei der Anordnung des Ultraschallsystems im Spritzgießwerkzeug die Lage der Temperierkanäle, des Auswerferpaketes und der dazugehörigen Prozeßmeßtechnik wie Druck und Temperatur berücksichtigt werden muß. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt
1: Schematischer Aufbau eines an sich bekannten Ultraschallsystems für das Kunststoffschweißen
2: Prinzipielle Befestigung der Sonotrode mittels temperierbarer Buchse in einem Spritzgießwerkzeug am Beispiel einer Zusammenfließstelle eines beidseitig angespritzten asymmetrischen Steges einer Präzisions-Gitterblende
3: Frontansicht der temperierbaren Buchse mit Kavität und eingebauter Sonotrode (im Bereich der Bindenaht)
Es wird eine Präzisions-Gitterblende aus Polyamid 6 (30% Glasfasergehalt), bestehend aus mehreren Stegen, durch Spritzgießen hergestellt. Aufgrund der Fließweglänge besitzt das Formteil einen Stangenanguß mit einem Mehrfach-Angußverteiler. Die zwei zeitlich parallel fließenden Schmelzeströme Q treffen sich in der vorher durch Simulation bestimmten Bindenaht Bn. In diesem Bereich befindet sich an einer Seite der Kavität die Einkoppelfläche 4 der Sonotrode 2. Die Einkoppelfläche 4 befindet sich für eine maximale Leistungsübertragung in der Ebene der Ultraschallamplitude A. Der umlaufende Spalt zwischen Buchse 6 und Sonotrode 2 muß so gewählt werden, daß er einerseits ein ungehindertes longitudinales Schwingen der Sonotrode nicht behindert und andererseits die Dichtheit besonders gegenüber niedrigviskosen Schmelzen so gewährleistet wird, daß der Hohlraum H nicht mit Schmelze gefüllt wird. Transversale Schwingungen in Raumrichtung des Spaltes s sind vernachlässigbar klein. Ein zu kleines Spaltmaß s begünstigt das unerwünschte Reiben zwischen Sonotrode 2 und Buchse 6. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Spalt 10 μm. Befestigt wird die Sonotrode 2 am Befestigungsring 5 zwischen dem vorderen Distanzring 7 und dem hinteren Distanzring 7' sowie mit dem verschraubbaren Klemmring 8. Der Befestigungsring 5 muß sich in der Ebene des Schwingungsknotens K befinden. Die Mindestdicke des Befestigungsringes 5, damit dieser bei mechanischer Belastung nicht abgeschert wird, richtet sich nach der aufzunehmenden Kraft F_S des Schmelzedruckes auf die Sonotrode 2. Der Befestigungsring 5 darf andererseits nicht zu dick sein, weil er sonst die Ultraschallschwingungen zu stark dämpft und somit den Wirkungsgrad wesentlich herabsetzt. Die Lage des Befestigungsringes 5 hängt stark von der Sonotrodenform und -länge I_R ab und muß für jeden Anwendungsfall neu bestimmt werden. Die Sonotrodenlänge I_R ist resonanzbedingt sowohl frequenz- als auch temperaturabhängig Dabei entspricht die Sonotrodentemperatur der Werkzeugtemperatur für den zu verarbeitenden Kunststoff. Für das nachfolgende, erfindungsgemäße Beispiel wurde ein 40 kHz-Ultraschallsystem verwendet. Die Gesamtlänge des in das Spritzgießwerkzeug zu integrierenden 40 kHz-Ultraschallsystems, bestehend aus Sonotrode 2, Booster 3 und Wandler 1 beträgt für dieses Beispiel 240 mm. Die Maße der Distanzringe 7 und 7' ergeben sich aus den so bestimmten geometrischen Maßen der Sonotrode 2. Die Buchse 6 wird mit der Werkzeugplatte 9 über Zentrierstifte und Schrauben verbunden. Die Buchse 6 selbst ist für dieses Beispiel temperierbar ausgelegt. Das Teilsystem Sonotrode 2 – Buchse 6 kann somit vorteilhaft außerhalb des Spritzgießwerkzeugs zusammengebaut und justiert werden.
Die Form des Steges St ist auch in geometrisch komplizierterer Ausführung denkbar, z.B. in eine Raumrichtung x leicht gekrümmt. In diesem Fall könnten Sonotrode 2 und Buchse 6 ebenfalls durch gleichzeitige Bearbeitung (Fräsen, Bohren, Erodieren oder Polieren) mit der Werkzeugkavität Wk problemlos angepaßt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können z.B. Teile aus Polyamid 6 (30% Glasfasergehalt) hergestellt werden, die im Bereich der Bindenaht eine um 30% erhöhte Zugfestigkeit und eine um 15% erhöhte Biegefestigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgießverfahren besitzen.

Claims

Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Spritzgießformteilen, insbesondere im Bindenahtbereich und zur Verbesserung des Fließverhaltens der Kunststoffschmelze während des Formgebungsprozesses, bei der ein aus der Ultraschallschweißtechnik bekanntes Ultraschallsystem bestehend aus Ultraschallwandler, Booster und Sonotrode technologisch angepaßt in den Spritzgießprozeß eingeordnet und konstruktiv in das Spritzgießwerkzeug integriert wird, die Sonotrode unmittelbar bis an die Werkzeugkavität ragt und die Stirnfläche der Sonotrode gleichzeitig einen Teil der Kavitätswandung bildet und der Einkoppelfläche entspricht, die Sonotrode frei schwingend gehalten wird und die Werkzeugplatte eine Ausdrehung mit zylindrischem Ansatz besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallsystem am Schwingungsknoten (K) wahlweise an einem Befestigungsring (5) der Sonotrode (2) oder des Boosters (3) am Spritzgießwerkzeug mechanisch so befestigt wird, daß die Sonotrode (2) unmittelbar bis an die Werkzeugkavität (Wk) ragt, daß die Sonotrode (2) dazu in einer temperierbaren Buchse (6), die wiederum in einer Werkzeugplatte (9) angeordnet und befestigt ist, frei schwingend gehalten wird, daß die Buchse (6) eine trichterförmige Ausdrehung mit zylindrischem Ansatz besitzt, in die die Sonotrode (2) am Befestigungsring (5) zwischen einem vorderen Distanzring (7) und einem hinteren Distanzring (7') am Schwingungsknoten (K) eingespannt ist und daß die Halterung der Sonotrode (2) am hinteren Distanzring (7') durch einen aufgesetzten Klemmring (8) fixiert wird.
Vorrichtung zum Einkoppeln von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) aus Titan besteht.
Vorrichtung zum Einkoppeln von Ultraschall in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Sonotrode (2), die der Einkoppelfläche (4) entspricht, an die Form der Werkzeugkavität (Wk) angepaßt ist und bereits bei der Werkzeugkavitätherstellung mit gefertigt wird.