DE102005017882B4 - Möglichkeiten zur Beeinflussung der Oberfläche polymerer Hohlkörper - Google Patents

Abstract

Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist:
1) Untervolumetrische oder volumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges
2) Injektion einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser in die Formmasse
3) Ausbildung eines mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch die Flüssigkeit in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume, ohne dass die Flüssigkeit verdampft.
4) Verfestigung der Formasse
5) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch öffnen des Formwerkzeuges
dadurch gekennzeichnet, dass
a) eine Zugabe einer oder mehrerer oberflächenaktiver Substanzen in die zu injizierende Flüssigkeit in einer Konzentration vorzugsweise von 0,5-5 Gew.-%, erfolgt, um die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Polymer zu beeinflussen.

Description

• Das Anwendungsgebiet betrifft ein Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 sowie ein hohles Kunststoffbauteil.
• Die Erfindung bezieht sich dabei auf die Verbesserung der fluidseitigen Oberfläche polymerer Hohlkörper, die mithilfe der Wasserinjektionstechnik hergestellt werden. Dabei wird entweder das Polymer oder die Flüssigkeit oder beide durch Zugabe oberflächenaktiver Substanzen modifiziert.
• Die Wasserinjektionstechnik (WIT) ermöglicht, durch die gezielte Wasserinjektion, in bestimmten, noch schmelzeförmigen Bereichen eines Spritzgussbauteils unter Verdrängung der Schmelzeseele in zunächst ungefüllte oder zusätzlich geöffnete Kavitätsbereiche Hohlräume zu erzeugen. Die Prozessparameter sind dabei so zu wählen, dass das Wasser während des gesamten Formteilbildungsprozesses nicht verdampft. Nach der vollständigen Füllung der Kavität wird über das Wasser Nachdruck aufgebracht. Anstatt des Wassers können auch beliebige andere Flüssigkeiten verwendet werden. Im Gegensatz zu US 424 751 5 A ist es bei diesem Verfahren Ziel einen durchgängigen Hohlraums herzustellen.
• Bei der Wasserinjektionstechnik werden diverse Defekte an den hergestellten Bauteilen beobachtet. Diese Fehler sind einerseits zum Teil identisch bzw. vergleichbar mit den bekannten Defekten bei Bauteilen, welche mit der Gasinjektionstechnik (GIT) hergestellt werden. Andererseits werden gewisse GIT-typische Defekte (beispielsweise lokale Blasenbildung oder Schaumbildung in der fluidseitigen Randschicht oder ein Aufblähen/Aufplatzen der Bauteile nach der Entformung etc.) bei der WIT gar nicht oder nur in Ausnahmefällen beobachtet. Exemplarisch seien folgende WIT-typische Defekte genannt: Hohlräume/Wassereinschlüsse, Doppelwandigkeit, Lunker und Auffächerungen, Hohlraumexzentrizität und Glasfaserauswaschungen.
• Im Gegensatz zu GIT-Bauteilen befinden sich in WIT-Formteilen häufig kleinere lokale Lunker bzw. Vakuolen innerhalb der Restwand. Derartige Defekte werden insbesondere bei Bauteilen aus teilkristallinen Polymeren festgestellt. Auf Grund der starken Abkühlung durch das injizierte Wasser bildet sich bei der WIT an der Grenzfläche zwischen Polymerschmelze und Wasser schlagartig eine dünne erstarrte Randschicht aus.
• Die Entstehung größerer Hohlräume mit Abmessungen bis zu mehreren Millimetern lässt sich nur unter Berücksichtigung des Ausbreitungsmechanismus der Fluidfront bei der Wasserinjektionstechnik erklären. Bei diesem Ausbreitungsmechanismus handelt es sich bei geeigneten Verfahrensbedingungen um einem ständigen Prozess aus sich aufbrauchender und neu bildender Schmelzemembran vor der Wasserfront.
• Bei nicht geeigneten Prozessbedingungen ist die Membran nicht mehr in der Lage die Schmelze ideal zu verdrängen. Dies führt zumindest zu Dickstellen in den Restwanddicken bzw. zu lokalen Einschnürungen oder aber sogar zum Aufreißen der Membran und demzufolge zu Wassereinschlüssen in der Restwand. Diese Erkenntnisse werden durch Beobachtungen an verzweigten Bauteilen untermauert. Hier muss sich die Membran im Bereich der Verzweigung nämlich aufteilen. Als Folge ergeben sich in diesem kritischen Bereich häufig besonders viele Wassereinschlüsse.
• Gelegentlich werden so genannte Auffächerungen in WIT-Bauteilen beobachtet. Hierbei handelt es sich um eine Ausbildung mehrerer paralleler und von der Gestalt her nicht definierter Kanäle im Formteilinneren. Diese Kanäle sind voneinander ganz oder teilweise durch dazwischenstehende Schmelzestege oder -häutchen abgetrennt. Dieses Phänomen kann auf Verdüsungseffekte des Wasserstrahls in der Polymerschmelze zurückgeführt werden, sodass keine stetige Membranbildung erfolgen kann.
• Bei der Verarbeitung von glasfaserverstärkten Werkstoffen zeigen sich gelegentlich Glasfaserauswaschungen, die auf der Hohlrauminnenseite als regelrechte Glasfaserbüschel lokal in Erscheinung treten. Offensichtlich ist dieser Defekt jedoch ausgeprägt materialspezifisch, da derartige Auswaschungen nicht bei allen Werkstoffen gleichermaßen zu beobachten sind. Die Einbettung der GF in die Polymermatrix spielt in diesem Zusammenhang sicherlich eine Schlüsselrolle.
• Diesen Bauteildefekten kann heute nur durch die Auswahl geeigneter Kunststoffmaterialien und/oder Prozessparameter entgegengewirkt werden. Die Auswahl eines geeigneten Materials erfordert umfangreiche Voruntersuchungen sowie aufwändige und daher teure Materialmodifikationen. Darüber hinaus ist der Anwender in seiner Materialauswahl durch die Begrenzung auf WIT-geeigneter Typen eingeschränkt, sodass häufig kein optimal auf die Anwendung abgestimmtes Material verwendet werden kann.
• Die Erfindung hat die Aufgabe, charakteristische Bauteildefekte, wie sie bei der Wasserinjektionstechnik typischerweise auftreten, durch die Zugabe oberflächenaktiver Substanzen entweder zu dem Polymer selber oder in das Wasser oder aber in beide zu vermeiden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass nun eine sehr viel größere Gruppe an Polymeren verwendet werden kann, ohne dass eine Auswahl durch langwierige Vorversuche und/oder eine Modifikation in einem zusätzlichen Compoundierschritt erforderlich ist. Die oberflächenaktive Substanz kann dem Wasser, dem Polymer oder aber beiden einfach zudosiert werden. Durch diese Zugabe werden sowohl die beschriebenen Oberflächendefekte verringert als auch die fluidseitigen Oberflächenqualitäten im Sinne von Rautiefen und Glanz verbessert. Darüber hinaus wird das Prozessfenster, in dem die guten Bauteilqualitäten erzielbar sind, vergrößert.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einigen Ausführungswegen darstellender Zeichnung erläutert.
• Die Figur zeigt eine Spritzgießmaschine (1) mit Anlage zur Flüssigkeitsinjektion (2). Erfindungsgemäß kann die oberflächenaktive Substanz oder die Substanzen über einen Dosierer dem im Trichter (9) befindlichen Granulat beigegeben werden. Dabei handelt es sich um die bevorzugte aber nicht einzige Möglichkeit zur Modifikation des Polymers. Erfindungsgemäß kann darüber hinaus die oberflächenaktive Substanz oder die Substanzen auch dem im Wassertank (3) der WIT-Anlage (2) gespeichertem Wasser zugegeben werden. Die Zugabe kann prinzipiell an jeder beliebigen Stelle des gesamten Anlagensystems erfolgen. Grundsätzlich ist es auch möglich, die oberflächenaktive Substanz oder Substanzen an mehreren Stellen des gesamten Anlagensystems in das Wasser, zu dem Polymer oder beiden gleichzeitig oder sequenziell beizugeben. Diese Modifikation oder Modifikationen sind für alle denkbaren Verfahrensvarianten der Wasserinjektion möglich. Die Ausführungsbeispiele sind für die Injektion von Wasser dargestellt, sind jedoch für die Injektion jeder anderen Flüssigkeit denkbar.
• Generell kann der schmelzeförmige Kern, bestehend aus modifiziertem oder unmodifiziertem Polymer, durch das modifizierte oder unmodifizierte Wasser in noch ungefüllte bzw. kurz zuvor geschaffene Formhohlräume oder zurück ins Spritzgießaggregat verdrängt werden. Die Prozessparameter werden dabei so eingestellt, dass das modifizierte oder unmodifizierte Wasser während des gesamten Formteilbildungsprozesses, d.h. während der Schmelzeverdrängung und der Wassernachdruckphase nicht verdampft. Die WIT kann dabei nach einer der bekannten Verfahrensvarianten, wie sie beispielsweise in DE 101 144 18 A1 beschrieben sind, betrieben werden. Allen Verfahrensvarianten ist gemein, dass das injizierte Wasser jeweils die Funktion des Nachdrucks übernimmt.
• Short-Shot-Verfahren (Aufblasverfahren)
• Kennzeichnend für das Short-Shot-Verfahren ist eine untervolumetrische Kavitätsvorfüllung mit modifizierter oder unmodifizierter Polymerschmelze (vorzugsweise 50-95 %). Die volumetrische Ausformung der Kavität erfolgt erst durch die an die Teilfüllung mit Schmelze anschließende Injektion von modifiziertem oder unmodifiziertem Wasser, bei der die schmelzeflüssige Seele zum Fließwegende verdrängt und dabei sukzessive aufgebraucht wird.
• Full-Shot-Verfahren (Ausblasverfahren)
• Charakteristisch für die Full-Shot-Verfahren ist zunächst eine volumetrische Füllung der Werkzeugkavität mit modifizierter oder unmodifizierter Polymerschmelze. Bezüglich der Platzierung der Injektoren und der anschließenden Injektion von modifiziertem oder unmodifiziertem Wasser ergeben sich die kennzeichnenden Unterschiede zwischen Nebenkavitäten- und Masserückdrückverfahren.
• Kernzugverfahren
• Beim Kernzugverfahren erfolgt die Injektion von modifiziertem oder unmodifiziertem Wasser gegen einen beweglichen Kern, der während der Wasserinjektion aus der Kavität gezogen wird und so zusätzliches Verdrängungsvolumen in der Hauptkavität freigibt.
• Spül-/Durchflussverfahren
• Zur Steigerung der Kühlwirkung bieten sich insbesondere bei großvolumigen Bauteilen und längeren Kühlzeiten bzw. hohen Spülwasservolumenströmen so genannte Spül- bzw. Durchflussverfahren an. Hier wird nach der Injektion von modifiziertem oder unmodifiziertem Wasser ein Durchbruch im Formteil erzeugt. Zu diesem Zweck wird mindestens ein zweiter, stechender Werkzeuginjektor benötigt, so dass über die beiden Öffnungen der Spülkreislauf aufgebaut werden kann und der entstandene Hohlkörper anschließend kontinuierlich mit Wasser durchströmt wird. Das verwendete Wasser zum Spülen kann, muss aber nicht wie oben beschrieben modifiziert sein.

1

Spritzgießmaschine

2

Anlage zur Flüssigkeitsinjektion

3

Vorratstank der Anlage zur Flüssigkeitsinjektion

4

Leitungssystem

5

Leitungsabschnitt von der Anlage zur Flüssigkeitsinjektion zum Injektor

6

Injektor zur Flüssigkeitsinjektion

7

Reservoir

8

Wassernetz

9

Trichter

10

Plastifizier-/Einspritzaggregat

11

Düse zur Injektion oberflächenaktiver Substanzen im Plastifizier-/Einspritzaggregat

12

Spritzgießwerkzeug

13

Düse zur Injektion oberflächenaktiver Substanzen zwischen Plastifizier-/Einspritzaggregat und Spritzgießwerkzeug

14

Düse zur Injektion oberflächenaktiver Substanzen im Anguss-/Heißkanalsystem

Claims (12)

1. Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist: 1) Untervolumetrische oder volumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges 2) Injektion einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser in die Formmasse 3) Ausbildung eines mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch die Flüssigkeit in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume, ohne dass die Flüssigkeit verdampft. 4) Verfestigung der Formasse 5) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch öffnen des Formwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Zugabe einer oder mehrerer oberflächenaktiver Substanzen in die zu injizierende Flüssigkeit in einer Konzentration vorzugsweise von 0,5-5 Gew.-%, erfolgt, um die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Polymer zu beeinflussen.
2. Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist: 1) Untervolumetrische oder volumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges 2) Injektion einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser in die Formmasse 3) Ausbildung eines mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch die Flüssigkeit in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume, ohne dass die Flüssigkeit verdampft. 4) Verfestigung der Formasse 5) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch öffnen des Formwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Zugabe einer oder mehrerer oberflächenaktiver Substanzen zum Polymer vorzugsweise in einem Bereich von 0,5-5 Gew.-%, erfolgt, um die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Polymer zu beeinflussen.
3. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen in der Anlage zur Flüssigkeitsinjektion (2) vorzugsweise in den Tank (3) erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen in einer beliebigen Stelle des Leitungssystems (4) vorzugsweise der Leitung (5) von der Anlage zur Flüssigkeitsinjektion (2) zum Injektor (6) erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder Substanzen in einem beliebigen, der Anlage zur Flüssigkeitsinjektion vorgeschaltetem Reservoir (7) erfolgt.
6. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen im Wassernetz (8) erfolgt.
7. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen in einem der Verarbeitung vorgeschaltetem Prozessschritt, vorzugsweise Compoundierung erfolgt.
8. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen an einer oder mehreren beliebigen Stellen der Materialzuführung der Spritzgießmaschine, vorzugsweise im Trichter (9) erfolgt.
9. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen an einer oder mehreren beliebigen Stellen im Plastifizier-/Einspritzaggregat (10) über eine Vorrichtung vorzugsweise bestehend aus Düsen oder Injektoren (11) erfolgt.
10. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen in einer oder mehrerer zwischen Plastifizier-/Einspritzaggregat (10) und Spritzgießwerkzeug (12) zwischengeschalteter Injektionsdüsen (13) erfolgt.
11. Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beigabe der festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen in einer oder mehrer beliebiger Stellen im Spritzgießwerkzeug (11), vorzugsweise über eine oder mehrere Düsen (14) im Anguss-/Heißkanalsystem erfolgt.
12. Hohles Kunststoffbauteil das nach einem der vorstehenden Ansprüche gefertigt wird.