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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Spritzgießen eines
farbig ausgebildeten Kunststoffteils, mit einem Spritzaggregat, das
einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist, wobei über den
Eintrittsbereich dem Spritzaggregat ein Kunststoff zugeführt wird,
der innerhalb des Spritzaggregates plastifiziert wird und über den Austrittsbereich
als geschmolzener Kunststoff in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeuges
eingebracht wird, wobei zusätzlich
ein flüssiges
Farbelement in die Kavität
zugeführt
wird.
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Es
sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zum Spritzgießen bekannt.
In der
DE 24 61 925
A1 werden lackierte Kunststoffteile hergestellt, indem
zunächst
das eigentliche Spritzgießteil aus
Kunststoffmaterial gespritzt wird. Dann wird anschließend die
eine Seite des Formkörpers
mit Lack beschichtet.
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Dazu
wird das Werkzeug um einen gewissen Betrag geöffnet und über eine Lack-Einspritzvorrichtung
flüssiger
Lack in die Kavität
eingespritzt. Durch das Schließen
des Spritzgießwerkzeuges
verteilt sich der Lack auf dieser Seite des Formkörpers. Dieselbe
Prozedur wird auf der anderen Seite des Formkörpers wiederholt.
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Ein
weiteres Verfahren für
die Herstellung eines farbig ausgebildeten Kunststoffteils ist in
der
DE 36 42 138 A1 beschrieben.
Dort wird vor der Einbringung des Kunststoffmaterials in das Spritzgießwerkzeug
die Kavität
mit Lack besprüht.
Zu diesem Zweck ist unter anderen vorgesehen, dass in das Werkzeug integrierte
Sprühköpfe den
Lack vor der Kunststoffeinspritzung einbringen.
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In
der
DE 43 40 990 A1 ist
ein Herstellungsverfahren für
ein aus zwei unterschiedlichen Schichten bestehenden Kunststoffteil
beschrieben. Die äußere Schicht
des Kunststoffteils ist dabei Lack, der im flüssigen Zustand aufgebracht
wird. Hierzu wird der Lack in Form von Granulat in eine Kunststoff-
und Plastifiziereinheit gegeben. Unter Einwirkung der Knetbewegung
einer Extruderschnecke und der Wärmeenergie
aus Heizelementen, die um den Extruderschneckenzylinder angeordnet
sind, wird das Lackgranulat plastifiziert und verflüssigt. Der
Lack kann auch direkt in flüssiger
Form vorliegen. Er gelangt über
eine Einspritzdüse
in die Kavität
eines Spritzgießwerkzeuges
zusammen mit der plastifizierten Kunststoffschmelze. Durch eine
entsprechend ausgebildete Düse
wird dabei erreicht, dass der Lack die Kunststoffschmelze umhüllt und
sich in dieser Form auch in der Kavität des Werkzeugs anordnet. Möglich ist
auch, dass zunächst
eine oder mehrere Schichten aus Lack in die Kavität des Werkzeuges
eingespritzt werden und danach der Kunststoff im flüssigen Zustand
in die Kavität
gelangt. Die Formteile erhalten somit einen zwei- oder mehrschichtigen
Aufbau, wobei die Lackschichten das Kunststoffmaterial des Kunststoffteils
vollständig
umgeben.
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Die
bekannten Verfahren und Vorrichtungen weisen unter anderem den Nachteil
auf, dass sie aufwendig sind, etwaige Kratzer oder kleinere Beschädigungen
an der Oberfläche
des farbig ausgebildeten Kunststoffteils schnell erkannt werden.
Ferner hat sich leider herausgestellt, dass sich auf der Oberfläche der
Kunststoffteile Schlieren, das heißt farbliche Fehlstellen, bilden
können,
wodurch das optische Erscheinungsbild beeinträchtigt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Spritzgießen eines
farbig ausgebildeten Kunststoffteils zu schaffen, wobei die oben
genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere ein Kunststoffteil
noch einfacher und kostengünstiger
hergestellt werden kann, bei dem der apparative Aufwand möglichst
klein bleibt, wobei ein wohlgefälliges
Aussehen des Kunststoffteils sichergestellt wird.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
In den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Weitergestaltungen des Verfahrens beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird das
flüssige
Farbelement ausschließlich
vor dem Einspritzen in die Kavität
dem Kunststoff, welches durch eine Vielzahl an Kunststoffgranulaten
gebildet ist, zugeführt,
wobei der plastifizierte Kunststoff und das flüssige Farbelement derart innerhalb
des Spritzaggregates vermischt werden, dass sich eine homogenisierte
Vergussmasse bildet, die durch den Austrittsbereich in die Kavität eingespritzt
wird, wodurch ein gleichmäßig durchgefärbtes Kunststoffteil
hergestellt wird. Innerhalb des Spritzaggregates wird die Vergussmasse
derart vermischt, dass beim Eintritt in die Kavität die Vergussmasse
einen hohen Grad an Homogenisierung aufweist. Die entstehenden Kunststoffteile weisen
ein wohlgefälliges
Aussehen auf, wobei etwaige Beschädigungen, wie Kratzer etc.
nicht auffallen, da das Kunststoffteil in seinem Querschnitt durchgefärbt ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung weist die Kavität
eine polierte Oberfläche auf,
wodurch ein farbiges, durchgefärbtes
Kunststoffteil durch das Spritzgießverfahren erzielbar ist, dessen
Oberfläche
zusätzlich
hochglänzend
ist. Der Betrachter hat den Eindruck, dass das hergestellte Kunststoffteil
aufgrund seines äußeren Erscheinungsbildes
lackiert worden sei. Vorzugsweise wird die Oberfläche der
Kavität
in mehreren Arbeitsschritten poliert und weist im Endzustand eine
Oberflächenrauigkeit
auf, die nahezu gegen Null geht. Besonders vorteilhaft ist, dass
das flüssige
Farbelement ausschließlich
vor dem Einspritzvorgang in die Kavität dem Kunststoff bzw. den Kunststoffgranulaten
zugeführt
wird. Innerhalb des Spritzaggregates erfolgt die Durchmischung des
plastifizierten Kunststoffes und des flüssigen Farbelementes, wobei
die sich bildende Vergussmasse einen hohen Homogenisierungsgrad
erreicht, bevor sie durch den Austrittsbereich in die Kavität eingespritzt
wird. Somit wird ein gleichmäßig durchgefärbtes Spritzgussteil
erzielt, dessen Oberflächenqualität die eines
lackierten Kunststoffteils übertrifft.
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Vorteilhafterweise
sind die Kunststoffgranulate, die in das Spritzaggregat eingeführt werden, transparent
oder teiltransparent, wodurch überraschenderweise
in Kombination mit dem flüssigen Farbelement
ein Kunststoffteil mit einer hohen Farbbrillianz erzielt werden
kann. Das flüssige
Farbelement kann beispielsweise mit den Kunststoffgranulaten zuvor
vermischt werden, wobei anschließend diese gemeinsam in das
Spritzaggregat durch den Eintrittsbereich eingebracht werden. Eine
endgültige zufriedenstellende
Vermischung erfolgt dann innerhalb des Spritzaggregates. Ebenfalls
vorteilhaft ist, wenn das flüssige
Farbelement direkt in das Spritzaggregat geleitet wird, in dem die
Kunststoffgranulate plastifiziert werden.
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Als
Kunststoffmaterial für
das Kunststoffteil sind alle Kunststoffe zu verwenden, die spritzgießbar sind.
Vorzugsweise finden Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS),
Polymethylmethacrylate (PMMA) oder Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA) als
Kunststoffgranulate Verwendung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das flüssige
Farbelement am Eintrittsbereich des Spritzaggregates dem Kunststoff
zugeführt.
Hierdurch wird eine zufriedenstellende Durchmischung der Vergussmasse
innerhalb des Spritzgussaggregates gewährleistet, bevor die gleichverteilte
Vergussmasse über
den Austrittsbereich in die Kavität des Spritzgießwerkzeuges
gespritzt wird. Vorteilhafterweise wird das Spritzaggregat beheizt, wobei
der Eintrittsbereich eine Temperatur zwischen 20°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 30°C und 70°C und besonders
bevorzugt zwischen 40°C
und 60°C
aufweist. Am Eintrittsbereich kann ein Fülltrichter angeordnet sein,
in den das Kunststoffgranulat in das Spritzaggregat zugeführt wird.
Durch die entsprechende Temperierung des Eintrittsbereiches kann
eine gute Rieselfähigkeit
des Kunststoffgranulates erzielt werden. Das flüssige Farbelement kann ebenfalls über den
Fülltrichter
in das Spritzaggregat angebracht werden. Hierbei ist es denkbar über einen
flexiblen Schlauch das Farbelement dem Kunststoff, der sich innerhalb
des Spritzaggregates befindet, zuzugeben.
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Weiterhin
kann vorteilhaft sein, das flüssige Farbelement
tröpfchenweise
dem Kunststoff zuzuführen.
Das Farbelement kann hierbei ein Konzentrat sein, welches dem Kunststoff
innerhalb des Spritzaggregates zugesetzt wird. Vorteilhafterweise
wird kontinuierlich das flüssige
Farbelement dem Kunststoff beigemengt. In einer bevorzugten Ausführungsalternative
weist das flüssige
Farbelement im plastifizierten Kunststoff einen Volumenanteil auf,
der geringer ist 5%, vorzugsweise geringer ist als 2%, mehr bevorzugt
geringer ist als 1% und besonders bevorzugt geringer ist als 0,5%.
Der genannte Volumenanteil reicht vollkommen aus, das Kunststoffteil
mit der entsprechenden Farbe herzustellen.
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Zweckmäßigerweise
weist die Vergussmasse, dass heißt der plastifizierte Kunststoff
mit dem flüssigen
Farbelement, innerhalb der Kavität
einen Druck von 300 bar bis 700 bar auf. Hierbei wird die im Spritzaggregat
gleichmäßig verteilte
Vergussmasse mit einem Druck von ca. 400 bar bis 2000 bar in die Kavität eingespritzt.
Unter dem hohen Druck erfolgt eine sehr gleichmäßige Vernetzung der Farbelemente,
so dass die Oberfläche
des fertigen Kunststoffteils eine gleichmäßige Farbverteilung erhält. Etwaige Kratzer
oder Beschädigungen
an der Oberfläche
des Kunststoffteils werden weitestgehend vom Betrachter nicht wahrgenommen,
da das Kunststoffteil durchgängig
entlang seines Querschnittes durchgefärbt ist.
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Um
eine entsprechende Qualität
des Kunststoffteiles zu erreichen, verbleibt die homogenisierte Vergussmasse
innerhalb der Kavität
maximal 20 bis 70 Sekunden bis das Spritzgießwerkzeug geöffnet wird
und das fertige, farbig hochglänzend
ausgebildete Kunststoffteil entnommen werden kann. In einer möglichen
Alternative kann es vorteilhaft sein, die Kavität zu beheizen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Spritzaggregat einen Schneckenzylinder auf,
in dem eine Schnecke drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist,
wobei eine Homogenisierung des flüssigen Farbstoffes innerhalb
des Kunststoff im wesentlichen durch die rotierende Schnecke bewirkt
wird. Der Innendurchmesser des Schneckenzylinders ist gleich dem
Außendurchmesser
der Schnecke. Während
des Verfahrens rieselt das Kunststoffgranulat in den Zylinder, wobei
gleichzeitig das flüssige
Farbelement beigemengt wird. Die Schnecke wird von einem Antrieb
gedreht, wobei gleichzeitig die Schnecke für eine gute Durchmischung des
plastifizierten Kunststoffes mit dem flüssigen Farbelement sorgt. Zudem
transportiert die rotierende Schnecke die Vergussmasse in Richtung Austrittsbereich.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich bei den Kunststoffgranulaten um Thermoplaste, die
innerhalb des Spritzaggregates erwärmt werden. Die Erwärmung kann
beispielsweise mittels elektrischer Heizbänder erfolgen, die außerhalb
des Spritzgießaggregates
angeordnet sind. Durch diese Wärmezufuhr und
durch die spezielle Geometrie der Schnecke wird das Kunststoffgranulat
nicht nur befördert,
sondern auch geschert, dabei schmilzt das Kunststoffgranulat, plastifiziert
und homogenisiert. Während
die Schnecke rotiert, wird gleichzeitig die Vergussmasse komprimiert,
welches eine gute Durchmischung des flüssigen Farbelementes mit dem
plastifizierten Kunststoff begünstigt.
Die Schnecke kann in einer möglichen
Alternative mit zusätzlichen
Rippen ausgeführt
sein, die den Homogenisierungsgrad verbessern. Weitere Schneckengeometrien
zur Erhöhung der
Durchmischung sind selbstverständlich
denkbar.
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In
einer weiteren Alternative kann das Spritzaggregat auch als Kolbenspritzeinheit
ausgeführt sein,
bei der die Vergussmasse durch einen innerhalb des Zylinders hin
und her beweglichen Kolben zum Austrittsbereich gefördert und
in die Kavität
des Spritzgießwerkzeuges
gespritzt wird. Bei der Kolbenspritzeinheit erfolgt eine Erwärmung der
Kunststoffgranulate fast ausschließlich durch Wärmeleitung
im vorgeheizten Zylinder, wobei bei einem Spritzaggregat mit Schnecke
ein erheblicher Anteil an Wärmeenergie
durch die Schneckenrotation als Friktionswärme in die Vergussmasse eingeleitet
wird. Dieses führt zu
einer zufriedenstellenden Temperaturhomogenisierung der Vergussmasse.
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Zur
Verbesserung der Festigkeit des Kunststoffteils kann es von Vorteil
sein, dem Kunststoff einen gewissen Anteil an Glasfasern und/oder
Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern beizumengen. Ferner kann
es sinnvoll sein, Lichtschutzmittel dem Kunststoff sowie dem flüssigen Farbelement
zuzuführen,
um eine gewisse Farbbeständigkeit
während der
Lebensdauer des Kunststoffteils zu gewährleisten. Hierdurch wird sichergestellt,
dass sich der Farbton des Kunststoffteils mit der Zeit nicht wesentlich ändert. Es
hat sich gezeigt, derartige Lichtschutzmittel zuzugeben, die mittel- und langfristig
die UV-Beständigkeit
verbessern. Es empfiehlt sich Zugabe von Lichtschutzmitteln von
weniger als 5%, vorzugsweise von weniger als 3% und besonders bevorzugt von
weniger als 1%, wobei die Prozentangaben auf Volumenanteile bezogen
sind. Beispielsweise können
Benztriazole als geeignete Lichtschutzmittel in Frage kommen.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Spritzgießen eines
farbigen ausgebildeten Kunststoffteils, mit den Merkmalen des Anspruches
16, wobei in den abhängigen
Ansprüchen vorteilhafte
Ausführungsformen
beschrieben sind.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung ein Spritzaggregat auf, das mit einem Eintrittsbereich und
einem Austrittsbereich ausgebildet ist, wobei über den Eintrittsbereich dem
Spritzaggregat ein Kunststoff zuführbar ist, der innerhalb des
Spritzaggregates plastifizierbar ist und über den Austrittsbereich als
geschmolzener Kunststoff in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeuges
einbringbar ist, und einen Zugang aufweist, der dem Austrittsbereich
abgewandt ist und mit dem zusätzlich
ein flüssiges
Farbelement in das Spritzaggregat zuführbar ist, wobei das flüssige Farbeelement
dem Kunststoff, welches durch eine Vielzahl an Kunststoffgranulaten
gebildet ist, vor dem Einspritzen in die Kavität einbringbar ist, wodurch
ein durchgefärbtes
Kunststoffteil herstellbar ist.
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Vorteilhafterweise
weist die Kavität
eine polierte Oberfläche
auf, wodurch ein durchgefärbtes und
hochglänzendes
Kunststoffteil herstellbar ist. Zweckmäßigerweise weist die Oberfläche der
Kavität eine
nahezu geschlossenporige Oberfläche
auf, so dass eine hochglänzende
Oberfläche
des Kunststoffteils entsteht. In einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Oberfläche
der Kavität
eine Spiegelfläche
aus Stahl.
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Mit
dem genannten Verfahren sowie der genannten Vorrichtung können Kunststoffteile,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug hergestellt werden, die ein wohlgefälliges Aussehen
haben, und gleichzeitig etwaige Kratzer und kleinere Beschädigungen
an der Oberfläche
dieser Kunststoffteile optisch kaum auffallen, da das Kunststoffteil
in seinem Querschnitt durchgefärbt
ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die
in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale
jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Spritzgießen eines
Kunststoffteils und
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2 eine
Vorrichtung gemäß 1 in
einem anderen Prozesszustand.
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In
den 1 und 2 wird eine Spritzgießvorrichtung
zum Spritzgießen
eines Kunststoffteils 1 dargestellt. Hierbei weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Spritzaggregat 10 auf, das mit einem Schneckenzylinder 13 ausgebildet
ist, in dem eine Schnecke 14 drehbar und axial verschiebbar
positioniert ist. Das Spritzaggregat 10 ist ferner mit
einem Eintrittsbereich 11 sowie einem Austrittsbereich 12 ausgeführt, wobei
am Eintrittbereich 11 ein Fülltrichter 16 angeordnet
ist. Innerhalb des Fülltrichters 16 ragt
ein Zugang 7, der als Leitung ausgeführt ist, hinein, der am Eintrittsbereich 11 mündet. Durch
den Trichter 16 wird Kunststoffgranulat 2 dem
Spritzaggregat 10, insbesondere in den Schneckenzylinder 13 zugeführt, wobei
gleichzeitig ein flüssiges
Farbelement 5 durch die Leitung 7 dem Kunststoff 2 zugeführt wird.
Die Schnecke 14 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb
in Rotation gesetzt, wodurch die Kunststoffgranulate 2,
die transparent oder teiltransparent sein können, mit dem flüssigen Farbelement 5 sich vermischen
und in Richtung Austrittsbereich 12, der düsenartig
ausgeführt
ist, befördert
werden. Hierdurch erfolgt eine Kompression der Vergussmasse 6,
wobei gleichzeitig eine gute Durchmischung der Farbelemente 5 mit
dem Kunststoff 2 erzielt wird. Wie in den Figuren zu erkennen
ist, sind Heizelemente 15 am Spritzaggregat 10 angeordnet, die
ein Aufschmelzen der Kunststoffgranulate 2 bewirken. Die
Heizelemente 15 können
beispielsweise als induktive Heizelemente ausgeführt sein. Durch die Rotation
der Schnecke 14 wird die plastifizierte Kunststoffschmelze
mit dem sich vermischenden flüssigen
Farbelement 5 weiter homogenisiert.
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Während des
Spritzgießverfahrens
wird kontinuierlich das flüssige
Farbelement 5 dem Kunststoff 2 zugeführt. Hierbei
folgt eine Beimischung des flüssigen
Farbelementes 5 tröpfchenweise.
Der Volumenanteil des flüssigen
Farbelementes 5 im plastifizierten Kunststoff 2 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
geringer als 1%.
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Zum
Einspritzen der homogenisierten Vergussmasse 6 wird die
Schnecke 14 translatorisch in Richtung des Austrittsbereiches 12 bewegt,
welches in 2 dargestellt ist. Gleichzeitig
wird ein definierter Volumenstrom in eine Kavität 3 eines am Spritzaggregat 10 angeordneten
Spritzgießwerkzeuges 4 unter
einem hohen Druck gespritzt. Da die Kavität 3 eine hochpolierte
Oberfläche
aufweist, wird nicht nur ein gleichmäßig durchgefärbtes Kunststoffteil 1 erzeugt,
sondern ein Kunststoffteil 1 mit einer hochglänzenden
Oberfläche.
Die Oberfläche
der Kavität 3 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer Spiegelfläche
aus Stahl hergestellt. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich die
Oberfläche
andersartig auszugestalten, um eine entsprechende Oberfläche für das Kunststoffteil 1 zu
erhalten.
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Als
Kunststoffgranulate 2 können
dabei verschiedene Arten zum Einsatz kommen, wie beispielsweise
mit Treibmittel versetzte Kunststoffe, dass heißt geschäumte Kunststoffe, verstärkte Kunststoffe (zum
Beispiel mit Glasfasern) oder gefüllte Kunststoffe (mineralische
Kunststoffe oder mit Abschirmfasern versetzte). Die gut homogenisierte
Vergussmasse 6 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in der Kavität
mit einem Druck von ca. 300 bar bis 700 bar gehalten. Nach maximal
20 bis 70 Sekunden wird das Spritzgießwerkzeug 4 geöffnet und
das fertig, farbig ausgebildete Kunststoffteil 1 kann der Kavität 3,
die ebenfalls beheizt wird, welches nicht exemplarisch dargestellt
ist, entnommen werden.
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- 1
- Kunststoffteil
- 2
- Kunststoff,
Kunststoffgranulat
- 3
- Kavität
- 4
- Spritzgießwerkzeug
- 5
- flüssiges Farbelement
- 6
- Vergussmasse
- 7
- Zugang,
Leitung
- 10
- Spritzaggregat
- 11
- Eintrittsbereich
- 12
- Austrittsbereich
- 13
- Schneckenzylinder
- 14
- Schnecke
- 15
- Heizelemente
- 16
- Fülltrichter