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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen
mit einer Schaumstruktur aus Kunststoff im Spritzgießprozess,
die zumindest teilweise eine Schaumstruktur aufweisen und diese Schaumstruktur
durch den Zusatz von chemischen oder physikalischen Treibmitteln
vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze
in mindestens ein Formnest eines Spritzgießwerkzeuges erzeugt
wird, sowie ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von
Formeilen mit einer Schaumstruktur.
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Die
Herstellung derartiger Formteile mit einer Schaumstruktur mit einer
möglichst glatten Oberfläche und ihr Einsatz,
beispielsweise in der Automobilindustrie und in der Verpackungsindustrie,
ist bekannt. Es werden vorzugsweise einer thermoplastischen Kunststoffschmelze
chemische oder physikalische Treibmittel zur Erzeugung der Schaumstruktur zugegeben,
wobei chemische Treibmittel zum Einsatz kommen, die bei einer bestimmten
Temperatur ein Gas entwickeln, oder auch physikalische Treibmittel
in Form von Gas oder Flüssigkeit. Da die Treibmittel erst
ab einer bestimmten Temperatur reagieren und die Gase zum Ausbreiten in
der Kunststoffschmelze freien Raum benötigen, muss das
Aufschäumen gesteuert werden. Es hat sich gezeigt, dass
mit unterschiedlichen Werkzeugwandtemperaturen die Intensität
und der Schäumungsort beeinflusst werden können.
Die Zugabe eines Treibmittels zur Kunststoffschmelze in Form von
Gas findet, wie in dem Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteiles
in der
DE 100 14 156
A1 beschrieben, nicht im Werkzeug, sondern während
des Aufschmelzens des Kunstoffgranulats in der Plastifiziereinheit
einer Spritzgießmaschine und damit vor dem Einspritzvorgang
in das Spritzgießwerkzeug statt, um die für den
chemischen Umsatz der Gasbildung erforderlichen Parameter, wie Druck
und Temperatur, beispielsweise im Schneckenraum einer Spritzgießvorrichtung,
exakt einstellen zu können. Die Dicke der Außenhaut
des Kunststoffteils wird dabei im wesentlichen durch die thermischen
Verhältnisse im Kontakt mit der Werkzeuginnenwandung, dem
Start des Aufschäumens durch die Druckverhältnisse
und die Schaumstruktur durch die Volumenvergrößerung
des Hohlraumes im Spritzgießwerkzeug infolge der Auseinanderbewegung
der Werkzeughälften bestimmt. Wird ein Treibmittel dem
Kunststoff bereits vor oder im Trichter, im Schneckenzylinder, vor
der Schnecke einer Spritzgießvorrichtung oder unmittelbar
vor oder beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in das Formnest
zugegeben, kann das Treibmittel dabei im Schneckenzylinder in gelöster
Form bleiben. Die Expansion erfolgt erst beim Eintreten in das Formnest infolge
des plötzlich eintretenden Druckverlustes. Beim Einspritzen
dringt die Fließfront gegen die im Spritzgießwerkzeug
befindliche Luft oder das Gas in das Formnest ein. Da an der Fließfront
nur ein geringer Druck herrscht, kann das Treibmittel infolge des plötzlichen
Druckabfalls expandieren und dabei teilweise aus der Kunststoffschmelze
austreten. Das zwischen Formnestoberfläche und Kunststoff
vorhandene Gas wird dann dort eingeschlossen. Es bilden sich sogenannte
Silberschlieren auf der Oberfläche, die die Qualität
der Kunststoffformteile mindern, da sie nicht nur optisch sichtbar,
sondern auch mechanisch rau sind. Eine Unterdrückung dieses
unerwünschten Effektes erfolgt durch ein Einspritzen gegen
einen Gasgegendruck im Spritzgießwerkzeug, der größer
als der Schäumdruck des Treibmittels ist. Mit diesem Verfahren
lassen sich die Silberschlieren auf der Oberfläche reduzieren
oder vermeiden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass
die Spritzgießwerkzeuge abgedichtet werden müssen. Es
ist weiterhin bekannt, dass durch das Anbringen von Isolierschichten
in der Werkzeugkavität beim Einspritzen ein plötzlicher
Temperaturschock vermieden wird, problematisch ist jedoch, dass
Isolierschichten auch bei komplizierten Formteilen in dem Formnest
aufzubringen sind. Nachteilig ist dabei weiterhin, dass die Lebensdauer
dieser Isolierschichten begrenzt ist. Ein weiteres Verfahren zur
Vermeidung von Blasen und Schlieren an der Oberfläche eines geschäumten
Kunststoffformteils besteht darin, dass durch Einspritzen der Kunststoffschmelze
in ein ausreichend hoch erwärmtes Formnest erreicht wird, dass
die Blasen und Schlieren an der Oberfläche wieder verschmelzen,
es entsteht dabei eine Oberfläche ohne Silberschlieren,
wobei die Kunststoffformteile eine Schaumstruktur mit einer möglichst
glatten Oberfläche aufweisen. Nach dem Einspritzten der Kunststoffschmelze
muss das Formnest wieder gekühlt werden, um die Wärme
aus der Kunststoffschmelze abzuleiten und die Erstarrung des Kunststoffformteils
zu ermöglichen. Durch zyklisches Erwärmen und
Abkühlen des Formnestes ist bei diesem auch als Variotherm
bezeichneten Verfahren die Herstellung von Formteilen mit einer
Schaumstruktur aus Kunststoff mit glatter Oberfläche möglich.
Problematisch ist hierbei der erhebliche Zeitverlust durch die Erwärmung
und Abkühlung des Formnestes sowie der hohe Energieverbrauch
für das zyklische Erwärmen und Kühlen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung von geschäumten Kunststoff-Formteilen
unter Anwendung physikalischer Treibmittel im Spritzgießprozess
und einer Vorrichtung, die zwischen einem Plastifizierzylinder und
einer Verschlussdüse einer Spritzgießmaschine
angeordnet ist, wobei dem Plastifizierzylinder ein statischer Mischer
nachgeordnet ist, ist aus der
DE 101 50 329 C2 bekannt. Aus der
DE 100 32 747 C2 ist
weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen geschäumter
Bauteile bekannt, bei dem ein erstes plastifiziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial
und ein Treibmittelgemisch zu einer Materialmischung vermischt werden,
die Materialmischung aufgeschäumt wird und die Vorrichtung
zwei Extruder zum jeweiligen Aufbreiten der ersten und zweiten Schmelze
und eine Einrichtung zum Mischen und Homogenisieren der Schmelzen
unmittelbar vor einer Abgabeöffnung enthält.
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Ein
ebenso bekanntes Verfahren, Formteile mit einer Schaumstruktur aus
Kunststoff mit glatten Oberflächen zu erzeugen, ist die
Verwendung des Mehrkomponentenspritzgießens. Es werden
Kunststoffformteile mit einer nicht geschäumten Außenschicht
in Verbindung mit einer geschäumten Kernschicht hergestellt.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch der hohe maschinenseitige
Aufwand und die aufwendige Verfahrenstechnik.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, die zumindest teilweise
oder insgesamt eine Schaumstruktur aufweisen, aus vorzugsweise thermoplastischem
Kunststoff im Spritzgießprozess sowie ein Spritzgießwerkzeug
zur Herstellung dieser Formteile zu schaffen, mit denen sowohl durch
ein gezieltes Erwärmen eines Formnestes eines Spritzgießwerkzeuges
als auch durch eine gleichmäßige Abkühlung
glatte Oberflächen mit einer hohen Oberflächenqualität
bei kurzen Herstellungszeiten und geringem Energieverbrauch herstellbar
sind.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein
Verfahren vor, bei dem vor oder während des Einspritzens
einer treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze in ein Formnest eines
Spritzgießwerkzeuges durch eine kurzzeitige induktive Erwärmung
mit geringer Eindringtiefe einzelner geometrischer Bereiche oder
einer gesamten Oberfläche des Formnestes und unter Aufrechterhaltung
der Temperatur während des Füllvorgangs des Formnestes
eine gesteuerte oder geregelte und gerichtete Erwärmung
des Formnestes erhalten wird, die ausreichend ist, dass Silberschlieren
vermieden werden, wobei die Temperatur des Formnestes während
des Füllvorgangs gehalten wird, und dass nach Ausbildung
der gewünschten schlierenfreien Oberfläche des
Formteils mit einer Schaumstruktur die Wärmezufuhr beendet und
nach Beendigung des Füllvorganges durch eine Kühlung
der Kunststoffschmelze in den erwärmten geometrischen Bereichen
oder der gesamten Oberfläche des Formnestes das Formteil
mit einer Schaumstruktur aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen
wird. Durch diese induktive Erwärmung ist es möglich,
einzelne Bereiche oder auch die gesamte Oberfläche des
Formnestes in sehr kurzer Zeit zu erwärmen. Durch die gezielte
Eindringtiefe der induktiven Strahlung wird sichergestellt, dass
die formgebenden Flächen schnell erwärmt werden
und damit die für die Einspritzung der treibmittelhaltigen
Kunststoffschmelze gewünschte hohe Temperatur der Formnestoberfläche
erreicht wird. Da nur eine geringe Eindringtiefe der Wärme
durch die induktive Erwärmung vorgenommen wird, kann unmittelbar
nach Beendigung des Füllvorganges bereits der Kühlprozess
beginnen.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
weiterhin darin, dass beim Einspritzen der treibmittelhaltige Kunststoffschmelze
in das ausreichend entlüftete Spritzgießwerkzeug
durch das induktive Erwärmen der Formnestoberfläche
auf eine ausreichend hohe Temperatur und dadurch, dass die notwendige
Temperatur der Formnestoberfläche über einen bestimmten
Zeitraum konstant gehalten wird, das Gas zwischen der Formnestoberfläche
und Kunststoffschmelze in Lösung bleibt, so dass die Formnestkontur
die Kunststoffoberfläche exakt abbildet. Die Temperatur
der Formnestoberfläche spielt dabei eine bedeutende Rolle.
Ist die Temperatur zu niedrig, bleiben die Silberschlieren sichtbar,
ist die Temperatur dagegen zu hoch, kommt es zumindest zeitweise
zu einem Gleiten des Kunststoffes an der Formnestoberfläche.
Ferner spielt nicht nur die Höhe der Temperatur eine Rolle,
sondern die Temperatur muss auch über einen bestimmten
Zeitraum konstant bleiben. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist vorgesehen, dass nach Ausbildung der gewünschten glatten,
schlierenfreien Oberfläche des Kunststoffformteils die
Wärmezufuhr beendet und das Formnest gekühlt wird,
wobei während der gesteuerten oder geregelten und gerichteten
Erwärmung des Formnestes die Werkzeugkühlung weiter
aktiv ist.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft vorgesehen, dass zur Ausbildung der Schaumstruktur
während des Aufschäumens das Spritzgießwerkzeug
während der Erwärmung zumindest partiell in seinem
Volumen verändert, beispielsweise vergrößert
wird, indem während des Aufschäumens der Kunststoffschmelze durch
Auseinanderfahren der Werkzeughälften des Spritzgießwerkzeuges
das dem sich bildenden Schaum zur Verfügung stehende Volumen
vergrößert wird. Eine ebenso bevorzugte Weiterbildung wird
darin gesehen, dass vor oder während des Einspritzen der
Kunststoffschmelze in das Formnest des Spritzgießwerkzeuges
zumindest partiell insbesondere ein Fluid als physikalisches Treibmittel
in die Kunststoffschmelze eingespritzt wird. Alternativ ist zur
Erzielung einer glatten Oberfläche eines Formteils mit
einer Schaumstruktur vorgesehen, dass mittels eines weiteren eingespritzten
Kunststoffes in das Formnest ein Formteil mit einem geschäumten
Kern und einer kompakten glatten Außenhaut erhalten wird.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Spritzgießwerkzeug vorgeschlagen, bei dem vor
oder während des Einspritzens der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze
in das Formnest zur kurzzeitigen gerichteten direkten Erwärmung
einzelner geometrischer Bereiche oder der gesamten Oberfläche
eines Formnestes des Spritzgießwerkzeuges ein oder mehrere
integrierte oder externe Induktoren vorgesehen sind. Die Induktoren können
dabei entweder in einer oder in beiden Werkzeughälften
des Spritzgießwerkzeuges integriert werden oder als externe
Induktoren die Erwärmung einer Formnestoberfläche
bei geöffnetem Spritzgießwerkzeug von außen
durchführen.
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In
vorteilhafter Weise kann das Erwärmen gezielter Bereiche
der Formnestoberfläche bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug durch
intern angeordnete Induktoren erfolgen, so dass noch während oder
nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeuges die
Wärme in entsprechende Bereiche eingebracht werden kann,
so dass für die Oberflächenentwicklung der Formteile
mit einer Schaumstruktur die Wärmeeinwirkung auch während
und nach der Einspritzung der Kunststoffschmelze aufrecht erhalten
wird. Alternativ ist vorgesehen, dass die Erwärmung der Formnestoberfläche
bei geöffnetem Werkzeug beispielsweise durch im Bereich
der Werkzeugwandungen angeordnete Induktoren erfolgt. Der Einsatz
von externen Induktoren hat den Vorteil, dass keine Modifikationen
am Spritzgießwerkzeug erforderlich sind. Ein großer
Vorteil der Nutzung von Induktoren zur Erwärmung der Formnestoberfläche
besteht darin, dass die Erwärmung sehr schnell erfolgt,
die Eindringtiefe der Wärme einstellbar ist und auch geringe Eindringtiefen
realisierbar sind. Es sind auch keramische Heizelemente bekannt,
die schnell hohe Wärme einbringen können. Diese
Elemente sind jedoch hart und können nur durch Schleifen
bearbeitet werden. Komplizierte Geometrien können nicht
nachgebildet werden. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Wärmeabfuhr
durch eine dynamische Kühlung erfolgt, z. B. eine Impulskühlung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines geschlossenen Spritzgießwerkzeuges
mit internen Induktoren;
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2 eine
Prinzipskizze eines geöffneten Spritzgießwerkzeuges
mit externen Induktoren.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines geschlossenen Spritzgießwerkzeuges
mit den Werkzeughälften 1, 2. Beim erfindungsgemäßen
Verfahren wird das Treibmittel in bekannter Weise einer Kunststoffschmelze 8 vor
oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze 8 aus
einem Plastifizieraggregat 9 in ein Formnest 3 zugegeben.
Als Treibmittel kommen chemische und oder physikalische Treibmittel
zum Einsatz. Das Formnest 3 wird dabei zyklisch erwärmt
und abgekühlt. Die Erwärmung einer Formnestoberfläche 4, 5 geschieht
dabei durch induktive Erwärmung mittels der in den Werkzeughälften 1, 2 integrierten
Induktoren 6. Durch die induktive Erwärmung ist
es möglich, einzelne Bereiche oder auch die gesamte Oberfläche 4, 5 des
Formnestes 3 in sehr kurzer Zeit zu erwärmen.
Durch die gezielte Eindringtiefe der induktiven Strahlung wird sichergestellt,
dass die Formnestoberfläche 4, 5 schnell
erwärmt werden kann und damit die für die Einspritzung
der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze 8 gewünschte
hohe Oberflächentemperatur erreicht wird. Da eine geringe
Eindringtiefe der Wärme durch diese Erwärmungsmethode
realisierbar ist, kann unmittelbar nach Beendigung des Füllvorganges
bereits der Kühlprozess beginnen.
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Die
Erwärmung der Formnestoberfläche 4, 5 erfolgt
im Ausführungsbeispiel entsprechend 2 bei geöffnetem
Spritzgießwerkzeug vor oder während der Einspritzung
der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze 8 aus dem Plastifizieraggregat 9 durch im
Bereich der Werkzeugwandungen angeordnete externen Induktoren 7.
Der Einsatz von externen Induktoren 7 hat den Vorteil,
dass keine Modifikationen am Spritzgießwerkzeug erforderlich
sind. Die treibmittelhaltige Kunststoffschmelze 8 wird
in bekannter Weise in das ausreichend entlüftete Spritzgießwerkzeug
eingespritzt. Beim Einspritzen der treibmittelhaltige Kunststoffschmelze 8 wird
durch die induktive Erwärmung der Formnestoberfläche 4, 5 auf
eine ausreichend hohe Temperatur und Halten der Temperatur der Formnestoberfläche 4, 5 das
Gas zwischen der Formnestoberfläche 4, 5 und
der Kunststoffschmelze in Lösung gehalten und damit kann
die Formnestkontur die Kunststoffoberfläche exakt abbilden.
Die Temperatur der Formnestoberfläche 4, 5 spielt
dabei eine bedeutende Rolle. Ist die Temperatur zu niedrig, bleiben
die Silberschlieren sichtbar, ist die Temperatur dagegen zu hoch,
kommt es zumindest zeitweise zu einem Gleiten des Kunststoffes an der
Formnestoberfläche 4, 5. Ferner spielt
nicht nur die Höhe der Temperatur eine Rolle, sondern die Temperatur
muss auch über einen bestimmten Zeitraum konstant bleiben.
Nach Ausbilden der gewünschten schlierenfreien Oberfläche
des Formteils mit der Schaumstruktur wird die Wärmezufuhr
beendet und das Formnest 3 gekühlt.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele,
sondern ist in der Anordnung der im Spritzgießwerkzeug
integrierten Induktoren oder externer Induktoren und der Steuerung
oder Regelung der Erwärmung der Formnestoberfläche
variabel.
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- 1
- Werkzeughälfte
- 2
- Werkzeughälfte
- 3
- Formnest
- 4
- Formnestoberfläche
- 5
- Formnestoberfläche
- 6
- integrierter
Induktor
- 7
- externer
Induktor
- 8
- treibmittelhaltige
Kunststoffschmelze
- 9
- Plastifizieraggregat
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10014156
A1 [0002]
- - DE 10150329 C2 [0003]
- - DE 10032747 C2 [0003]