DE102006044971A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoffformteilen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen, das die Schritte aufweist: a) Herstellen von Schmelze durch Plastifizierung von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke, bestehend aus mindestens einer Schubschnecke (1) in einem Schneckenzylinder (2), b) Injektion eines Fluids an einer Stelle (4) im Schneckenzylinder (2), an dem Schmelze vorliegt, c) Homogenisierung der so hergestellten fluidbeladenen Schmelze, d) Einspritzen der homogenisierten fluidbeladenen Schmelze in die Kavität (7) eines Spritzgießwerkzeuges (8) mittels der Schubschnecke (1). Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die in die Schmelze injizierte Stoffmenge in [mol] an Fluid in Abhängigkeit vom an der Fluidinjektionsstelle (4) vorbeiströmenden Schmelzevolumen geregelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine diesbezügliche Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen, das die Schritte aufweist: a) Herstellen von Schmelze durch Plastifizierung von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke bestehend aus mindestens einer Schubschnecke in einem Schneckenzylinder, b) Injektion eines Fluids an einer Stelle im Schneckenzylinder, an dem Schmelze vorliegt, c) Homogenisierung der so hergestellten fluidbeladenen Schmelze, d) Einspritzen der homogenisierten fluidbeladenen Schmelze in die Kavität eines Spritzgießwerkzeuges mittels der Schubschnecke.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von geschäumten Formteilen im Spritzgießprozess ist das so genannte Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG), bei dem chemische Treibmittel dem Kunststoffgranulat vor Eintritt in die Plastifiziereinheit beigemischt werden. Mit dem TSG-Verfahren hergestellte Formteile haben eine kompakte Außenhaut und einen geschäumten Kern.
  • Des Weiteren sind so genannte physikalische Schäumverfahren aus der Literatur bekannt. Dabei werden Gase wie Stickstoff oder Kohlendioxid als physikalische Treibmittel eingesetzt und vor der Zudosierung in den Schneckenzylinder in einen überkritischen Zustand versetzt. Eines dieser Verfahren ist das MuCell-Verfahren, das die Prozessschritte Aufschmelzen des Kunststoffs mittels Plastifizierschnecke, Zudosierung des in den superkritischen Zustand versetzten Gases über Injektoren in den Zylinder, Verteilung und Lösung des Gases in der Polymerschmelze, Bildung fein dispergierter Nukleirungskeime durch den Druckabfall beim beginnenden Werkzeugfüllvorgang, Zellbildung durch Ausfall von gelösten Gas aus der Schmelze während des Werkzeugfüllvorganges sowie Zellwachstum durch den wirkenden Gasdruck in der Abkühlphase umfasst.
  • Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird während des Einspritzens der Schmelze mittels eines speziellen gasdurchlässigen Einsatzes das Gas zugeführt.
  • Bei den bekannten physikalischen Schäumverfahren wird der Druck in der Gaszuführung geregelt. Das hat folgende Nachteile:
    • • Ändert sich die Temperatur des Gases, was aufgrund einer Kompressionserwärmung zu erwarten ist, so verändert sich damit auch die tatsächlich eingebrachte Gasmenge. Die Folge ist eine ungleichmäßige Gaskonzentration entlang des Dosierweges.
    • • Der Zustand der Schmelze (Druck, Temperatur) und damit die maximale Löslichkeit eines bestimmten Gases in der Schmelze findet keine Berücksichtigung.
    • • Bei der Übertragung auf andere Schneckendurchmesser ist der Gasdruck entsprechend zu ändern.
  • Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten physikalischen Schaumverfahren ist, dass die so hergestellten Formteile stets Störungen an der Oberfläche aufweisen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die physikalische Direktbegasung so weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile nicht auftreten, wobei Parameter wie ungleichmäßige Gaskonzentration, Löslichkeit eines bestimmten Gases in der Schmelze oder der Schneckendurchmesser berücksichtigt und/oder Teile mit einer glatten, geschlossenen Oberfläche erzeugt werden können. Weiterhin besteht die Aufgabe darin Vorrichtungen anzubieten, mit denen die weiterentwickelten Verfahren durchgeführt werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgaben wird durch die Ansprüche 1 und 13, sowie den Ansprüchen 11 und 12 bestimmt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen dargelegt.
  • Das Verfahren wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben.
  • Vor dem Beginn des Plastifizierens steht die Schnecke (1) in einer vorderen Position im Plastifizierzylinder (2). Vor der Schneckenspitze (3) befindet sich lediglich ein so genanntes Restmassepolster vom vorherigen Einspritz- und Nachdruckvorgang. Beginnt sich nun die Plastifizierschnecke zu drehen, so wird Kunststoff plastifiziert und in den Eingasungsbereich (4) gefördert (1). Es baut sich vor der Schneckenspitze (3) ein Druck, der so genannte Staudruck auf, der die axial bewegliche Schnecke nach hinten drückt. Im Bereich der Eingasung werden die Schmelzetemperatur und der Schmelzedruck mit geeigneten Messaufnehmern (5) gemessen oder aus der Zylindertemperatur bzw. dem Staudruck abgeleitet. Gegebenenfalls wird die Schmelzetemperatur durch am Zylinder angeordnete Heiz- bzw. Kühlelemente in einen für die Verarbeitung günstigen Bereich gebracht. Ziel ist es das injizierte physikalische Treibmittel in der Schmelze in Lösung zu halten. Die maximale Löslichkeit (cm3 Treibmittel bei Normaldruck/cm3 Schmelze) ist von der Schmelzetemperatur und vom Schmelzedruck abhängig. Bei entsprechenden Bedingungen ist auch eine Übersättigung mit Gas möglich.
  • Erfindungsgemäß wird bei dem vorgestellten Verfahren die injizierte Stoffmenge (in mol) in Abhängigkeit von der Schneckenstellung und damit in Abhängigkeit vom plastifizierten Kunststoffvolumen geregelt (2). Innerhalb gewisser Grenzen lässt sich bei einigen Gasen die Stoffmenge n mittels der „Idealen Gasgleichung" berechnen: p·V = n·R·T [1]
  • Darin sind p der Druck, V das Volumen und T die Temperatur des Gases. R ist die universelle Gaskonstante (R = 8,314 Jmol–1K–1). Verhält sich das injizierte Gas nicht wie ein „ideales Gas", so kann der Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Temperatur mit der van der Waals-Gleichung beschrieben werden:
    Figure 00040001
  • Darin sind a und b Konstanten, welche für eine Vielzahl von Gasen in Tabellen zu finden sind.
  • Um eine definierte Stoffmenge Fluid während des Dosierens in die Schmelze zu injizieren sind mehrere Injektionsvorrichtungen (6) möglich:
    • • Vor dem Beginn des Dosierens wird in einem Speicherzylinder eine Fluidmenge vorgelegt. Während des Dosierens werden dann der Druck, die Temperatur und das Volumen im Speicherzylinder bestimmt. Ein Kolben drückt das Fluid über einen Einspeisebaustein in den Plastifizierzylinder. Aus der Veränderung des Volumens im Speicherzylinder und aus Fluiddruck und -temperatur wird die injizierte Stoffmenge nach Gleichung [1] oder [2] bestimmt.
    • • Das Fluid wird mittels einer Volumendosiervorrichtung (bspw. Zahnradpumpe, Mehrfach-Dosierpumpen mit einstellbarem Hub) in den Schneckenzylinder über einen Einspeisebaustein gefördert. Die Fluidtemperatur und der Fluiddruck werden in der Nähe des Einspeisebausteins gemessen, und die Volumendosierung wird so vorgenommen, dass die injizierte Stoffmenge nach Gleichung [1] oder [2] entsprechend geregelt wird.
  • Die Stoffmenge an Gas, n, ist also über folgende Gleichung mit dem Dosierweg s, der mit dem Fachmann bekannten Mitteln an der Plastifizierschnecke gemessen wird, ermittelbar:
    Figure 00050001
  • Darin ist D der Schneckendurchmesser, Smax die unter den gegebenen Bedingungen maximal mögliche Löslichkeit des Gases in der Kunststoffschmelze und GSchäum der gewünschte, gegebenenfalls an der Maschinensteuerung einstellbare, Verschäumungsgrad. GSchäum liegt zwischen 0 und 1, wobei GSchäum = 0 keine Verschäumung und GSchäum = 1 maximal mögliche Verschäumung bedeuten. Der Verschäumungsgrad kann auch über dem Dosierweg variiert werden, mit dem Ziel eine bestimmte Schaumstruktur im Formteil zu erreichen.
  • Vorteilhafterweise ist die Plastifizierschnecke (1) eine Mehrzonen-Schnecke. Einzugs-, Kompressions- und Meteringszone dienen dazu, den Kunststoff in eine homogene Schmelze überzuführen. Eine darauffolgende Staustufe, hinter welcher dann eine Dekompression und die Gasinjektion erfolgen, soll verhindern, dass Gas in die vorgeschalteten Schneckenzonen zurückströmt. Anschließend an die Staustufe wird die gasbeladene Schmelze in geeigneten Mischelementen durchmischt und homogenisiert. An der Schneckenspitze (3) befindet sich eine Rückstromsperre, welche während des Einspritzens ein Zurückströmen von Schmelze in die Schneckengänge verhindert. Das vorgestellte Schäumverfahren ist nicht nur für thermoplastische Kunststoffe anwendbar, sondern auch für das so genannte Pulverspritzgießen. Dabei wird Metall- oder Kunststoffpulver durch das Vermischen mit einer polymeren Binderkomponente fließfähig gemacht. Beim Schäumen wird dann das Fluid in diese polymere Binderkomponente eingebracht. Nach dem Spritzgießen wird das Formteil durch geeignete Maßnahmen entbindert und anschließend gesintert. Das Ergebnis ist ein geschäumtes Metall- oder Keramikteil.
  • Somit können metallischen Bauteilen, welche eine Schaumstruktur aufweisen, hergestellt werden.
  • Die plastifizierte Schmelze sollte dabei weiterbildungsgemäß einen hohen Volumenanteil an Keramikpulver enthalten und die gespritzten Formteile einem nachgeschalteten Entbinder- und Sintervorgang unterzogen werden.
  • Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die Fluidinjektion nicht wandbündig erfolgt, da hier die Schmelzegeschwindigkeit üblicherweise Null oder zumindest sehr klein ist, sondern der Fluidinjektor in den Schmelzestrom hineinragt. Dadurch wird ein besserer Abtransport der fluidbeladenen Schmelze erreicht.
  • Nach dem Aufdosieren erfolgt das Einspritzen der fluidbeladenen Schmelze in eine Kavität (7) eines Spritzgießwerkzeuges (8) (3).
  • Das zu injizierende Fluid wird entweder aus einem Vorratsspeicher (9) oder aus einer Fluidleitung entnommen.
  • Glatte Oberflächen werden mit dem nun vorgestellten Verfahren erreicht, welches mit dem oben beschriebenen Verfahren durchaus kombiniert werden kann.
  • Zu diesem Zweck wird das Injizieren von Fluid so geregelt, dass nach dem Dosieren in einem Schmelzespeicher (10) in der Düse des Plastifizierzylinders, bzw. im Schneckenvorraum (17), Schmelze mit keiner oder nur wenig Fluidbeladung gelangt (4). Beim nächsten Einspritzvorgang wird dann zuerst dieses nicht-fluidbeladene Schmelzevolumen (11) in die Kavität eingespritzt und bildet eine kompakte Außenhaut (12).
  • Im weiteren Einspritzvorgang wird dann die fluidbeladene Schmelze eingespritzt, welche die Kernkomponente (13) bildet (5). Die Plastifizierschnecke (1) weist zu diesem Zweck im vorderen Bereich nur Mischelemente auf, welche eine radiale Mischwirkung, aber keine Längsmischwirkung bewirken. Vorzugsweise wird im Schmelzespeicher (10) die Temperatur so geregelt, dass das darin gesammelte Schmelzevolumen eine entsprechende Viskosität aufweist, so dass kein Durchbrechen der Kernkomponente beim Einspritzen auftritt. Des Weiteren kann der Schmelzespeicher (10) geeignete Entgasungstellen aufweisen, um eventuell vorhandenes Restfluid im diesem Schmelzevolumen (11) zu entfernen. Der Schmelzespeicher (10) ist durch nur durch eine oder mehrere kleine Öffnungen mit dem eigentlichen Plastifizierzylinder (2) verbunden, damit verhindert wird, dass durch Diffusionsvorgänge Fluid in den Schmelzespeicher gelangt.
  • Alternativ dazu wird der Schmelzespeicher (10) mit einer beheizten Schmelzeleitung (16) verbunden (6). Zu Beginn des Dosierens fördert die Schnecke nicht-fluidbeladene Schmelze in den Schmelzespeicher (10). Dazu sind die Ventile (14) und (15) geöffnet. Nachdem der Schmelzespeicher voll ist, werden die Ventile (14) und (15) geschlossen, so dass Schmelze zur Schneckenspitze gefördert wird und dabei an der Eingasungstelle (4) vorbeiströmt und dort mit Fluid beladen wird (7).
  • Bei den beschriebenen Vorrichtungen kann die Fluidinjektionsstelle in den Schmelzestrom hineinragen.
    • 1
    Schubschnecke
    2
    Schneckenzylinder
    3
    Schneckenspitze
    4
    Eingasungstelle
    5
    Messaufnehmer
    6
    Injektionsvorrichtungen
    7
    Kavität
    8
    Spritzgießwerkzeug
    9
    Vorratsspeicher
    10
    Schmelzespeicher
    11
    Schmelzevolumen
    12
    Außenhaut
    13
    Kernkomponente
    14
    Ventil
    15
    Ventil
    16
    Schmelzeleitung
    17
    Schneckenvorraum

Claims (14)

  1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen, das die Schritte aufweist: a) Herstellen von Schmelze durch Plastifizierung von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke bestehend aus mindestens einer Schubschnecke (1) in einem Schneckenzylinder (2), b) Injektion eines Fluids an einer Stelle (4) im Schneckenzylinder (2), an dem Schmelze vorliegt, c) Homogenisierung der so hergestellten fluidbeladenen Schmelze, d) Einspritzen der homogenisierten fluidbeladenen Schmelze in die Kavität (7) eines Spritzgießwerkzeuges (8) mittels der Schubschnecke (1), dadurch gekennzeichnet, dass die in die Schmelze injizierte Stoffmenge in [mol] an Fluid in Abhängigkeit vom an der Fluidinjektionsstelle (4) vorbeiströmenden Schmelzevolumen geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbeiströmende Schmelzevolumen aus der Änderung der Schneckenposition während des Dosierens ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid über eine Fluidleitung zugeführt wird, in dieser der Druck und die Temperatur gemessen werden, wobei mittels der für das jeweilige Fluid gültigen Zustandsgleichung das zu injizierende Fluidvolumen berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und der Druck der Kunststoffschmelze nahe der Fluidinjektionsstelle (4) ermittelt und daraus die für einen gewünschten Schäumgrad notwendige Stoffmenge an Fluid berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der injizierte Stoffstrom in [mol Fluid/cm3 Kunststoffschmelze] über dem Dosierweg ungleich ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plastifizierte Schmelze einen hohen Volumenanteil an Metallpulver oder Keramikpulver enthält und die gespritzten Formteile einem nachgeschalteten Entbinder- und Sintervorgang unterzogen werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) zunächst nicht-fluidbeladene Schmelze in einen Schmelzespeicher (10) vor dem Schneckenzylinder (2) gefördert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzespeicher (10) mit nicht-fluidbeladener Schmelze gefüllt wird, indem die Fluidinjektion nicht über den gesamten Dosierweg erfolgt, so dass sich im Schneckenvorraum (17) Bereiche mit fluidbeladener Schmelze und Bereiche mit nicht-fluidbeladener Schmelze bilden, wobei nach dem Einspritzvorgang die nicht-fluidbeladene Schmelze in den Schmelzespeicher (10) zu liegen kommt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzespeicher (10) über mindestens eine vor der Fluidinjektionsstelle (4) angeordnete Schmelzeleitung (16) gerillt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze im Schmelzespeicher (10) vorhandenes Restfluid entzogen wird.
  11. Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die aufweist: einen Schneckenzylinder (2) mit einer Schubschnecke (1) mindestens eine Fluidinjektionsstelle (4), ein Dosiergerät, mit welchem die Stoffmenge in mol eines Fluids an der Fluidinjektionsstelle (4) in die Kunststoffschmelze einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Dosiergerät mit Aufnehmern für Druck und/oder Temperatur der Kunststoffschmelze in Verbindung steht.
  12. Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10, die aufweist: einen Schneckenzylinder (2) mit einer Schubschnecke (1) mindestens eine Fluidinjektionsstelle (4), einen Schmelzespeicher (10), eine am Schmelzespeicher (10) angeordneten Schmelzeleitung (16), wobei in der Schmelzeleitung (16) Ventile (15, 14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzeleitung (16) derart am Schneckenzylinder (2) angeordnet ist, dass nicht-fluidbeladene Schmelze in den Schmelzespeicher (10) bringbar ist.
  13. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen, das die Schritte aufweist: a) Herstellen von Schmelze durch Plastifizierung von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke bestehend aus mindestens einer Schubschnecke (1) in einem Schneckenzylinder (2), b) Injektion eines Fluids an einer Stelle (4) im Schneckenzylinder (2), an dem Schmelze vorliegt, c) Homogenisierung der so hergestellten fluidbeladenen Schmelze, d) Einspritzen der homogenisierten fluidbeladenen Schmelze in die Kavität (7) eines Spritzgießwerkzeuges (8) mittels der Schubschnecke (1), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nicht-fluidbeladene Schmelze in einen Schmelzespeicher (10) gefördert wird, und erst nachdem der Schmelzespeicher (10) gefüllt ist, die Schmelze gemäß Schritt b) mit Fluid beladen wird, und anschließend beide Schmelzen in die Kavität (7) eingespritzt werden, wobei die nicht-fluidbeladene Schmelze eine Außenhaut (12) und die fluidbeladene Schmelze die Kernkomponente (13) bildet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über Ventile (14, 15) das Zurückströmen der Schmelze aus dem Schmelzespeicher (10) während des Einspritzen der Schmelze in die Kavität (7) verhindert wird.
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