DE102007029493A1

DE102007029493A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen geschäumter Spritzgießartikel und nach dem Verfahren hergestellte Spritzgießartikel

Info

Publication number: DE102007029493A1
Application number: DE200710029493
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Goinski
Original assignee: INCOE INTERNAT Inc; INCOE INTERNATIONAL Inc
Current assignee: Incoe Corp
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: DE102007029493B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Spritzgießartikels mit einer porösen Struktur, wobei ein gasförmiges und/oder flüssiges Treibmittel der Schmelze vor ihrem Eintritt in die Kavität des Werkzeugs beigemischt wird. Gemäß der Erfindung wird unmittelbar nach dem Einspritzvorgang, wenn die Schmelze noch nicht erstarrt ist, ein gasförmiges oder flüssiges Steuerfluid in die Kavität eingeleitet, dessen Druck während des Erstarrens des Spritzgießartikels derart gesteuert wird, daß sich im Spritzgießartikel von außen nach innen unterschiedlich große, vorzugsweise größer werdende, Poren bilden. Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann eine Düse mit Nadelverschlußventil verwendet werden, dessen Nadel mit einem Innenkanal versehen ist, über den das Steuerfluid zugeführt und abgelassen werden kann. Die Erfindung hat auch nach dem Verfahren hergestellte Spritzgießartikel zum Gegenstand (Figur 4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen eines geschäumten Spritzgießartikels und einen nach dem Verfahren hergestellten Spritzgießartikel.
Aus der DE 199 11 378 A1 ist es bekannt, beim Spritzgießen der zum Einspritzen in die Kavität bestimmten Schmelze ein Treibmittel (Schäumgas) beizumischen, um auf diese Weise einen geschäumten Spritzgießartikel herzustellen. Der so erzeugte Spritzgießartikel weist eine poröse Struktur (Gefüge) auf, was den Vorteil hat, daß bei nur geringfügig geschwächter Festigkeit das Gewicht des Spritzgießartikels bedeutend verringert werden kann. Bei dieser Art des Spritzgießens ist es auch bereits bekannt, zu Beginn des Einspritzvorganges treibmittel-freie Schmelze in die Kavität einzuspritzen (Vorfüllung) um zu erreichen, daß der Spritzgießartikel eine glatte, von Poren freie Oberfläche erhält. Es ist ferner bekannt, kurz vor dem Ende des Einspritzvorganges erneut treibmittel-freie Schmelze in die Kavität einzuspritzen, da mit auch der Anschnittbereich des Spritzgießartikels eine porenfreie Oberfläche erhält.
Es ist ferner bekannt, Spritzgießartikel zur Verminderung ihres Gewichtes aus ungeschäumtem Kunststoff herzustellen, wobei der Spritzgießartikel zur Verminderung seines Gewichtes in seinem Inneren mit einem Hohlraum versehen ist. Dies geschieht dadurch, daß unmittelbar nach dem Einspritzen des Schmelze in das Werkzeug, also vor Erstarrung der Schmelze, der Spritzgießartikel mit einem Gas oder einer Flüssigkeit solange aufgeblasen wird, bis ein Einbrechen des erstarrten Spritzgießartikels nicht mehr zu befürchten ist. Bei großflächigen Spritzgießartikeln ist jedoch die Belastbarkeit der dabei entstehenden dünnen Wandteile erheblich geringer als bei einem massivem Spritzgießartikel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Spritzgießartikeln zu entwickeln, bei denen das Verhältnis von Materialaufwand zur erreichbaren Festigkeit wesentlich geringer ist als bei den bekannten Spritzgießartikeln.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafe Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 genannt.
Die Erfindung hat auch einen geschäumten Spritzgießartikel zum Gegenstand, der ein sehr günstiges (kleines) Verhältnis vom Materialaufwand zur Festigkeit aufweist. Dieser Spritzgießartikel gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 9 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieses Spritzgießartikels sind in den Ansprüchen 9 bis 14 genannt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 15 und 16 gekennzeichnet.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Porengröße und damit die Materialdichte des Spritzgießartikels von seiner Oberfläche in Richtung nach innen so gesteuert wird, daß bei gegebener Materialeinsparung eine möglichst hohe Festigkeit des Spritzgießartikels erreicht wird, beziehungsweise bei gegebener Festigkeit der Spritzgießartikel möglichst wenig Material enthält. In der Regel nimmt dabei die Porengröße von der Oberfläche des Spritzgießartikels in Richtung nach innen zu. Der Aufbau der Struktur des Spritzgießartikels gemäß der Erfindung ist mit dem Aufbau der Struktur eines Knochens vergleichbar, so daß bei der Erfindung von "bionischem Spritzgießen" gesprochen werden kann.
Die Bildung unterschiedlich großer Poren wird erreicht durch ein Steuerfluid (Gas oder Flüssigkeit), das unmittelbar nach dem Einspritzen über eine besondere Zuführung in das Innere des gespritzten und noch nicht erstarrten Spritzgießartikel gepreßt wird. Je großer der Druck dieses Steuerfluids ist, umso kleiner bleiben die Poren beim Erstarrungsvorgang, der von der Oberfläche des gespritzten Artikels aus nach innen fortschreitet. Während dieses fortschreitenden Erstarrungsvorganges wird gemäß der Erfindung der Druck des Steuerfluids kontinuierlich oder stufenweise verändert, und zwar in der Regel herabgesetzt, so daß die Poren dank der Volumenänderung des in ihnen enthaltenen Treibmittels ihre Größe verändern und diese Größe im Augenblick des Erstarrens der sie umgebenden Schmelze beibehalten.
Die zum Inneren der Wand des Spritzgießartikels größer werdenden Poren können beispielsweise eine Größe von 1/20 bis 1/4 der Wanddicke erreichen, vorzugsweise von 1/14 bis 1/6 und insbesondere von 1/12 bis 1/8 der Wanddicke. Unter "Wanddicke" wird hierbei bei einem massiven Spritzgießartikel die Dicke des Spritzgießartikel verstanden und bei einem Spritzgießartikel mit einem Hohlraum die Dicke der den Hohlraum umgebenden Wand.
Als Treibmittel kommen physikalisch und/oder chemisch wirkende Treibmittel in Betracht. Bei den physikalisch wirkenden Treibmitteln handelt es sich um ein gasförmiges und/oder bei Zugabe zur Schmelze noch flüssiges Schäumfluid, welches in seinem gasförmigen Aggregatzustand die Poren erzeugt und ausfüllt. Ein chemisch wirkendes Treibmittel, das im festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Zustand der Schmelze beigegeben wird, ist ein solches, welches aufgrund einer chemischen Reaktion Schäumgas bildet, welches die Poren erzeugt und ausfüllt, ähnlich wie Backpulver beim Backvorgang.
Will man einen Spritzgießartikel herstellen, bei dem das geschäumte Material den Spritzgießartikel vollständig ausfüllt, so muß das Steuerfluid vor dem endgültigen Erstarren der gesamten Schmelze aus dem Inneren des Spritzgießartikels abgelassen werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen Spritzgießartikel mit einem inneren Hohlraum herzustellen. In diesem Falle verbleibt eine gewisse Menge des Steuerfluids mit einem der gewünschten Porengröße angepaßten Druck bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze im Spritzgießartikel und wird erst danach abgelassen, so daß der Hohlraum bestehen bleibt.
Nach dem Ablassen des Steuerfluids kann eine geringe treibmittel-freie oder Treibmittel enthaltende Schmelzenmenge nachgespritzt werden, um die Zu- beziehungsweise Ablaßöffnung für des Steuerfluid am Spritzgießartikel zu verschließen.
Eine hohe Festigkeit bei geringem Materialaufwand läßt sich in bestimmten Fällen auch erreichen, wenn die Porengröße von außen nach innen zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt. Dies kann insbesondere bei Spritzgießartikeln mit einem inneren Hohlraum von Vorteil sein.
In an sich bekannter Weise kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auch für eine porenfreie Oberfläche des geschäumten Spritzgießartikels gesorgt werden, indem zu Beginn des Einspritzvorganges zunächst treibmittel-freie Schmelze in die Kavität eingespritzt wird, die dann die Außenschicht des Spritzgießartikels bildet.
Entsprechend kann verfahren werden, wenn die den inneren Hohlraum umhüllende Wandfläche des Spritzgießartikels porenfrei sein soll. In diesem Falle wird in der Endphase des Einspritzvorgangs treibmittel-freie Schmelze eingespritzt. Eine porenfreie glatte Oberfläche des inneren Hohlraums ist bespielsweise von Interesse, wenn dieser Hohlraum als Leitungskanal für eine Flüssigkeit dienen soll. Das Säubern und das Trockenlegen dieses Kanals wird dank der porenfreien inneren Oberfläche wesentlich erleichtert. Schließlich kann auf gleiche Weise auch der Kern eines hohlraum-freien geschäumten Spritzgießartikels aus treibmittel-freier Schmelze hergestellt werden.
Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann eine Spritzgießanlage mit Nadelverschlußventilen dienen, bei der die Ventilnadeln mit einem inneren Ka nal versehen sind, über den das Steuerfluid zugeführt beziehungsweise abgelassen werden kann. Die geschäumte Schmelze kann in an sich bekannter Weise derart gewonnen werden, daß an einer geeigneten Stelle des die Schmelze zum Werkzeug leitenden Heißkanal ein Injektor angeschlossen ist, über den ein physikalisch wirkendes Treibmittel – je nach Temperatur und Art (zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid) – in flüssigem oder gasförmigem Zustand der Schmelze beigegeben wird, wobei in Strömungsrichtung hinter der Injektorstelle noch eine besondere Mischzone zur Schaumerzeugung angeordnet sein kann. Entsprechend kann ein chemisch wirkendes Treibmittel zugeführt werden. Es ist auch möglich, die Injektion des Treibmittels vor der Maschinendüse oder über einen Kaltkanal durchzuführen. Durch die Steuerung des Fluidinjektors kann die Menge (Dichte) der Gasblasen im Spritzgießartikel beeinflußt werden. Die Größe der Gasblasen bleibt hierbei aber im wesentlichen unverändert, wenn man davon absieht, daß bei vielen Gasblasen durch Vereinigung zweier oder mehrerer Gasblasen auch etwas größere Gasblasen entstehen können. Die Größe der Gasblasen und damit der Poren wird vielmehr durch die erfindungsgemäße Steuerung des Steuerfluid-Druckes erreicht.
Es ist auch möglich, in an sich bekannter Weise das Treibmittel über einen weiteren Zugang zur Kavität gleichzeitig mit dem Einspritzen ungeschäumter Schmelze in die Kavität einzuspritzen. Durch die dabei beim Einspritzvorgang auftretende Verwirbelung bildet sich auch in diesem Falle eine geschäumte Schmelze.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele verschiedener Querschnitte durch Spritzgießartikel, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden,
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Der in 1 gezeigte Querschnitt ist dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Poren 2, 3 von der äußeren Oberfläche des Spritzgießartikels nach innen hin zunimmt. Im äußeren Bereich erkennt man die kleineren Poren 2 und im inneren Bereich die größeren Poren 3. Das zunächst im Innern des noch nicht erstarrten Spritzgießartikels vorhanden gewesene Steuerfluid wurde kurz vor der endgültigen Erstarrung abgelassen.
Es ist zu beachten, daß die 1 bis 4 sehr vereinfacht und nur symbolisch die Größe und Verteilung der Poren wiedergeben. Vor allem wird die Verteilung nicht so gleichmäßig sein wie in den Figuren dargestellt. Verteilung und Größe der Poren hängen ab von der von außen nach innen fortschreitenden Erstarrungfront und der Größe des Drucks des druckgesteuerten Steuerfluids. Je nachdem, ob der Druck des Steuerfluids kontinuierlich oder stufenweise verändert (herabgesetzt) wird, verläuft die Änderung der Porengröße nach innen hin im wesentlichen kontinuierlich oder stufenförmig.
In allen 1 bis 4 ist die äußere Schicht des Spritzgießartikels porenfrei, was, wie oben erläutert, durch anfängliches Einspritzen ungeschäumter Schmelze erreicht wurde.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem gemäß 1 dadurch, daß der Spritzgießartikel einen inneren Hohlraum 5 aufweist. Dies wurde dadurch erreicht, daß eine Restmenge des Steuerfluids erst abgelassen wurde, nachdem die gesamte Schmelze des Spritzgießartikels hinreichend erstarrt war.
Der Querschnitt des Spritzgießartikels gemäß 3 unterscheidet sich von dem gemäß 2 dadurch, daß die den Hohlraum 5 umgebende Wand 6 ebenfalls porenfrei ausgebildet ist, was in der oben erläuterten Weise erreicht wird und dem oben erläuterten Zweck dient.
Der Querschnitt des Spritzgießartikels gemäß 4 unterscheidet sich von dem gemäß 3 dadurch, daß die Porengröße von der Oberfläche des Spritzgießartikels aus gesehen zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt, was durch eine entsprechende Drucksteuerung (groß-klein-groß) des Steuerfluids erreicht wurde.
Bei allen vier gezeigten Ausführungsbeispielen wird bei einem relativ geringen Materialaufwand eine hohe Festigkeit des Spritzgießartikels erreicht.
Der Spritzgießartikel gemäß 1 weist dank seiner relativ hohen Materialdichte im Außenbereich eine im Verhältnis zum Materialaufwand relativ hohe Festigkeit auf. Der Aufbau ist mit einem Doppel-T-Träger vergleichbar, wobei die Außenbereiche mit den kleinen Poren 2 den Flanschen des Doppel-T-Träger und der Innenbereich mit den großen Poren 3 dem Verbindungssteg des Doppel-T-Träger entspricht. Gleiches gilt für die Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 3.
Der Spritzgießartikel gemäß 4 hat eine relativ hohe Materialdichte im Außenbereich und im Innenbereich um den Hohlraum 7 herum. Hier ist der Aufbau der Gesamtwand um den Hohlraum 7 herum mit einem Doppel-T-Träger vergleichbar, wo bei die Bereiche mit den kleinen Poren 2 und 7 den Flanschen des Doppel-T-Träger und der Bereich mit den großen Poren 3 dem Verbindungssteg des Doppel-T-Trägers entsprechen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Mit 10 ist ein Abschnitt eines Heißkanal-Verteilers bezeichnet, durch dessen Schmelzekanal 11 die Schmelze zu der Düse 12 geleitet wird, durch deren Schmelzekanal 13 sie über die Düsenspitze 14 in die Kavität des nicht dargestellten Werkzeugs gespritzt wird. Zur Steuerung des Schmelzeflusses ist die Düse mit einer axial verschiebbaren Ventilnadel 15 versehen.
Zum Aufschäumen der Schmelze wird dieser an der Stelle a ein Treibmittel zugegeben, welches von einem Anschluß 16 für Treibmittel geliefert wird. In einer in die Düse 12 integrierten Mischkammer 17 wird für eine gute Durchmischung von Schmelze und Treibmittel (Schäumgas) gesorgt.
Erfindungsgemäß ist die Ventilnadel mit einem Innenkanal 18 versehen, über den von einem Steuergas-Anschluß 19 unmittelbar im Anschluß an das Einspritzen der Schmelze ein Steuergas in die Kavität gepreßt wird, dessen Druckhöhe während der Erstarrungsphase der Schmelze erfindungsgemäß steuerbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19911378 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Spritzgießartikel mit einer porösen Struktur, wobei ein Treibmittel entweder der Schmelze vor ihrem Eintritt in die Kavität des Werkzeugs beigemischt wird oder während des Einspritzvorganges gleichzeitig in die Kavität gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Einspritzvorgang, wenn die Schmelze noch nicht erstarrt ist, ein gasförmiges oder flüssiges Steuerfluid in die Kavität eingeleitet wird, dessen Druck während des Erstarrens des Spritzgießartikels derart gesteuert wird, daß sich im Spritzgießartikel von Außen nach Innen unterschiedlich große Poren bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Steuerfluids zunächst hoch ist, daß im Verlauf des Erstarrens der Druck des Steuerfluids durch kontinuierliches und/oder stufenweises Ablassen von Steuerfluid vermindert wird und daß vor dem vollständigen Erstarren des Spritzgießartikel das Steuerfluid vollends abgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Steuerfluids zunächst hoch ist, daß im Verlauf des Erstarrens der Druck des Steuerfluids durch kontinuierliches und/oder stufenweises Ablassen des Steuerfluids vermindert wird und daß erst nach dem vollständigen Erstarren des Spritzgießartikel das restliche Steuerfluid abgelassen wird, so daß im Innern des Spritzgießartikels ein Hohlraum verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Steuerfluids, nachdem er bereits vermindert wurde, mindestens einmal zwischenzeitlich wieder erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zu Beginn des Einspritzvorganges zur Bildung einer porenfreien Außenhaut des Spritzgießartikels kurzzeitig treibmittel-freie Schmelze eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der letzten Phase des Einspritzvorgangs treibmittel-freie Schmelze eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein physikalisch wirkendes gasförmiges und/oder flüssiges Schäumfluid und/oder ein chemisch reagierendes festes oder flüssiges Treibmittel verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Steuerfluids während des Erstarrens des Spritzgießartikels so gesteuert wird, daß die zum Inneren der Wand des Spritzgießartikels größer werdenden Poren beispielsweise eine Größe von 1/20 bis 1/4 der Wanddicke, vorzugsweise von 1/14 bis 1/6 und insbesondere von 1/12 bis 1/8 der Wanddicke erreichen.
Spritzgießartikel, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzgießartikel (1) eine poröse Struktur hat, wobei die Größe der Poren (2, 3, 7) eine Funktion ihrer Entfernung von der Oberfläche des Spritzgießartikels ist.
Spritzgießartikel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzgießartikel (1) im Innern einen Hohlraum (5) hat.
Spritzgießartikel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Poren 2, 3, 7 von Außen nach Innen mindestens einmal zunächst zunimmt (3) und dann wieder abnimmt (7) (4).
Spritzgießartikel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht an seiner Oberfläche und/oder sein Kern porenfrei sind/ist.
Spritzgießartikel nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht an der den inneren Hohlraum (5) umgebenden Wand porenfrei ist (3 und 4).
Spritzgießartikel nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Inneren der Wand des Spritzgießartikels größer werdenden Poren beispielsweise eine Größe von 1/20 bis 1/4 der Wanddicke, vorzugsweise von 1/14 bis 1/6 und insbesondere von 1/12 bis 1/8 der Wanddicke erreichen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (15) einer Heißkanaldüse (12) mit Nadelverschluß mit einem Innenkanal (18) versehen ist, durch den das Steuerfluid (19) zugeführt beziehungsweise abgelassen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißkanal (11), über den die Schmelze zum Werkzeug geleitet wird, in an sich bekannter Weise an einen steuerbaren Injektor (16) für ein Treibmittel angeschlossen ist und daß sich in Strömungsrichtung hinter der Anschlußstelle (a) eine Mischzone (17) zur besseren Vermischung von Schmelze und Treibmittel befinden kann.