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Die
Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren. Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine.
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Die
Herstellung von Formteilen und Halbzeugen aus teilkristallinen thermoplastischen
Polymeren mittels diverser Urformprozesse ist bekannt. Während
dieser Urformprozesse werden die Polymere mit geeigneten Maschinen
auf Schmelztemperatur erhitzt und danach unter Formzwang abgekühlt,
wobei sie sich wieder verfestigen. Gängige Urformprozesse sind
unter anderem das Extrudieren, das Hohlkörperblasen, das
Spritzgießen etc..
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Im
schmelzförmigen Zustand liegen die Makromolekülketten
in den Polymeren völlig ungeordnet nebeneinander. Man spricht
vom so genannten amorphen Zustand. Kühlt die Schmelze langsam
ab, bilden sich zunächst feinkristalline Bereiche, die
sich schlaufenförmig zu kristallinen Blöcken zusammenfalten.
Die kristallinen Blöcke wiederum ordnen sich parallel aneinander
und bilden so helixartig geformte Lamellen. Diese Lamellen wachsen
von homogenen, meist jedoch von heterogenen Keimen ausgehend sternförmig
zu zentralsymmetrischen Sphärolithen an. Innerhalb dieser Sphärolithe
sind die Lamellen radial und die gefalteten Makromolekülketten
tangential angeordnet.
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Bei
Anwendungstemperatur liegen viele teilkristalline thermoplastische
Polymere sphärolithisch vor. Sowohl kristalline Blöcke,
als auch kristalline Lamellen und Sphärolithe bestehen
aus kristallinen und amorphen Bereichen. Stoßen zwei benachbarte Sphärolithe
während ihres Wachstums aneinander, bilden sich abgeplattete
Grenzschichten, ähnlich zweier aufeinander treffender Seifenblasen.
Die Grenzschichten weisen amorphe Strukturen auf. Während
rein amorphe Schmelzen und amorph sowie feinkristallin teilkristallin
erstarrte Kunststoffe nahezu transparent sind, sind Spärolithe
transluzent bis undurchsichtig weißlich oder opak. Die
Lamellendicken betragen meisten 20 bis 60 nm, die Sphärolithdurchmesser
zwischen 0,05 bis 1 mm.
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Der
Spärolithbildungsprozess lässt sich in Analogie
zu den anorganischen Gläsern in zwei Phasen, die Sphärolithkeimbildung
und das Spärolithwachstum einteilen. Zunächst
müssen sich, wie vorab beschrieben, in der Schmelze kristalline
Lamellen oder synonym kristalline Fibrillen gebildet haben. Diese
Lamellen sind nun in der Lage, sich an einen Keim anzulagern, der
homogen sein und aus einem kristallinen Block oder heterogen und
aus einer Verunreinigung oder einem gezielt hinzugesetztem Nukleierungsmittel
bestehen kann. Im Folgenden entsteht ein kugelförmiger
Sphärolith.
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Zunächst
kann davon ausgegangen werden, dass die Spärolithbildung
in Poymeren in der Regel von heterogenen Keimen ausgeht. Auch wenn
es sich um nicht nukleierte Polymere handelt. Betrachtet man nun
die Verläufe der Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit
und der Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit als Funktion
der Temperatur, zeigt sich, dass das Maximum der Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit
bei höheren Temperaturen auftritt als das Maximum der Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit.
Bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten unterhalb von cirka
50 K/min zeigt sich, das beide Kurvenverläufe in einem
begrenzten Temperaturbereich überlappen.
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Die
Herstellung von sphärolithfreien Formteilen oder Halbzeugen
aus teilkristallinen thermoplastischen Polymeren mittels der Spritzgießtechnik
ist bis heute nur möglich, wenn die Abkühlgeschwindigkeit weit
oberhalb der Spärolithwachstumsgeschwindigkeit liegt. Dies
ist in den meisten Fällen nicht gegeben. Zum einen verhindert
bei Formteilen mit Wanddicken größer als 2 mm
in einem Abstand von cirka 0,7 bis 1 mm von der Außenwand
die schlechte Wärmeleitung der Polymere Abkühlgeschwindigkeiten oberhalb
von cirka 50 K/min. Zum anderen erwärmen sich die Polymere
während des Formfüll- und Nachdruckvorgangs, durch
den die thermische Volumenschwindung ausgeglichen wird, durch Scherung
wieder soweit, dass ein Sphärolithwachstum erfolgt. in spritzgegossenen
Formteilen treten daher in Formteilmitte meist in der Querschnittsmitte
sphärolithische Bereich auf, die auf die gesamten Formteile
festigkeits- und zähigkeitsmindernd wirken. Dies gilt insbesondere
anschnittnah, weil hier die Scherung während des Einspritz-
und Nachdruckvorgangs am höchsten ist.
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Nachteilig
an bekannten Spritzgießverfahren ist, dass dabei Spritzgießteile
entstehen, die aus sphärolithischem Gefüge aufgebaut
sind. Sphärolithe bestehen aus einem Keim und von dem Keim
ausgehenden Lamellen und führen zu einem transluzenten bis
undurchsichtigen opaken Spritzgießteil. Das ist bei vielen
Anwendungen unerwünscht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sphärolithanteil
zu vermindern.
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Die
Erfindung löst das Problem durch ein Spritzgießverfahren
mit den Schritten (a) Bringen von Polymermaterial auf eine Anfangstemperatur
oberhalb einer kristallinen Schmelztemperatur des Polymermaterials
und eines Polymermaterial-Drucks auf einen Anfangsdruck und (b)
schlagartiges Vermindern des Polymermaterial-Drucks auf einen Enddruck,
so dass sich das Polymermaterial auf eine Temperatur unterhalb einer
Sphärolithwachstumstemperatur des Polymermaterials abkühlt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine
Spritzgießqmaschine mit einer elektrischen Datenverarbeitungseinheit,
die ausgebildet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach
einem der vorstehenden Ansprüche. Gemäß einem
dritten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein
Spritzgießteil aus teilkristallinem thermopalstischem Polymermaterial,
das zumindest an einer Stelle eine Stärke von mehr als
3 mm hat und einen Sphärolithgehalt von weniger als 15%
besitzt.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass im Wesentlichen sphärolithfreie
amorphe und/oder feinkristallin teilkristalline Spritzgießteile
herstellbar sind. Darunter, dass die Spritzgießteile im
Wesentlichen sphärolithfrei sind, wird insbesondere verstanden, dass
ein Gewichtsanteil an sphärolithischem Gefüge kleiner
ist als 15%. Vorteilhaft ist zudem, dass das Verfahren mit bestehenden
Spritzgießmaschinen durchgeführt werden kann.
Es ist damit ausreichend, gegebenenfalls eine Spritzgießform
der Spritzgießmaschine auszutauschen und eine elek-trische
Datenverarbeitungseinheit der Spritzgießmaschine so umzuprogrammieren,
dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt
wird.
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Es
ist ein weiterer Vorteil, dass herkömmliches teilkristallines
Polymermaterial verwendet werden kann. So ist es möglich,
nicht aber notwendig, Additive zuzusetzen, die ein Nukleieren unterbinden oder
fördern. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit ein und derselben
Spritzgießmaschine eine Vielzahl von Polymermaterialien
verarbeitet werden kann, indem Prozessparameter wie Anfangstemperatur,
Anfangsdruck und Enddruck materialspezifisch bei der Spritzgießmaschine
eingestellt werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter Polymermaterial
insbesondere ein Material verstanden, das Thermoplaste umfasst oder
aus Thermoplast besteht. Das Polymermaterial kann sortenrein sein,
es kann sich aber auch um eine Mischung von verschiedenen Polymeren
handeln. Das Polymermaterial kann beispielsweise als Granulat vorliegen.
Günstig ist eine Korngröße von 0,5 bis
5 mm (Siebmaß). Insbesondere ist das Polymermaterial teilkristallin.
Bei dem Polymermaterial handelt es sich insbesondere um so genannte
teilkristalline Kunststoffe. Darunter werden Kunststoffe verstanden,
die in der Lage sind, teilkristalline Bereich zu bilden.
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Wenn
das Polymermaterial eine Mischung aus verschiedenen Polymeren ist,
wird unter der Kristallitschmelztemperatur die Kristallitschmelztemperatur
zumindest einer Komponente verstanden. Insbesondere wird in diesem
Fall unter der Kristallitschmelztemperatur die höchste
Kristallitschmelztemperatur der verwendeten Thermoplasten verstanden.
Dabei liegt die Plastifizierungstemperatur in der Regel oberhalb
der Kristallitschmelztemperatur.
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Unter
einem schlagartigen Vermindern des Polymermaterial-Drucks wird insbesondere
verstanden, dass der Polymermaterial-Druck in einer Zeitspanne vom
Anfangsdruck auf den Enddruck reduziert wird, die so kurz ist, dass
sich im Wesentlichen keine Sphärolithe bilden. Insbesondere
wird die Zeitspanne so gewählt, dass der Sphärolithanteil
im entstehenden Spritzgießteil unterhalb von 15% bleibt und
ein amorphes und/oder feinkristallin teilkristallines Gefüge
aufweist. Beispielsweise kann die Zeitspanne weniger als 1 Sekunde
betragen. In der Regel wird die Zeitspanne weniger als 50 Millisekunden betragen.
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Wenn
das Polymermaterial mehr als eine Art an thermoplastischem Kunststoff
umfasst, wird unter der Sphärolithwachstumstemperatur insbesondere die
höchste der Sphärolithwachstumstemperaturen der
einzelnen Komponenten verstanden.
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Die
Kristallitschmelztemperatur und Sphärolithwachstumstemperatur
können von der Abkühlgeschwindigkeit abhängen,
mit der sich das Probematerial abkühlt. Die Anfangstemperatur,
der Anfangsdruck und der Enddruck werden daher beispielsweise dadurch
ermittelt, dass diese drei Prozessparameter im Rahmen von Voruntersuchungen
variiert werden und bei so gefertigten Spritzgießteilen
der Sphärolithanteil ermittelt wird. Unterschreitet der Sphärolithanteil
eine vorgegebene Schwelle, beispielsweise 15 Gew.-% und bildet sich
ein amorphes und/oder feinkirstallin teilkristallines Gefüge,
so handelt es sich um ein hinreichend schnelles und damit schlagartiges
Vermindern des Polymermaterial-Drucks.
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Da
es sich um ein Spritzgießverfahren handelt, umfasst es
insbesondere die Schritte eines Einspritzens des Polymermaterials
in eine Spritzgießform oder durch ein Strangprofil. Sofern
eine Spritzgießform verwendet wird, umfasst das Spritzgießver fahren
auch den Schritt eines Entformens des Spritzgießteils an
aus der Spritzgießform.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Spritzgießverfahrens
die Schritte eines Bringens des Polymermaterials auf oder über
eine Plastifizierungstemperatur, so dass das Polymermaterial plastifiziert,
eines Einbringens des plastifizierten Polymermaterials in eine Kavität
und eines Komprimierens des plastifizierten Polymermaterials in
der Kavität auf den Anfangsdruck. Dabei führt
das Komprimieren des plastifizierten Polymermaterials zu einer Temperaturerhöhung
des Polymermaterials. Die entstehende Wärme kann vorteilhafterweise
durch Kühlen der Kavität abgeführt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Kavität in
der vorliegenden Beschreibung jeglichen Hohlraum bezeichnet, also
auch den Formhohlraum. Die Kavität kann aber auch ein anderer
umschlossener Raum sein, der so ausgebildet ist, dass das Polymermaterial
prozesssicher in diesen ein- und ausgebracht werden kann.
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Besonders
bevorzugt umfasst das Spritzgießverfahren daher den Schritt
eines Abkühlens des Polymermaterials auf die Anfangstemperatur nach/oder
während des Komprimierens. Wenn das Spritzgießverfahren
ein Strangsspritzgießverfahren ist, bei dem kontinuierlich
Polymermaterial zu einem Strangprofil verarbeitet wird, wird das
Abkühlen bevorzugt in Form eines Durchlauf-Verfahrens durchgeführt,
bei dem das unter dem Anfangsdruck stehende Polymermaterial an einer
Kühleinrichtung vorbeigeführt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist die Kavität eine
Spritzgießform und das schlagartige Vermindern des Polymermaterial-Drucks
umfasst ein Öffnen eines Formhohlraums der Spritzgießform
in einer Trennfläche des Formhohlraums. In anderen Worten
kann die Spritzgießform aus zwei oder mehr Teilen bestehen,
wobei das schlagartige Vermindern des Polymermaterial-Drucks dadurch geschieht,
dass zwei oder mehr dieser Teile relativ zueinander so bewegt werden,
dass sich der Formhohlraum vergrößert. Dadurch
fällt der Polymermaterial-Druck schlagartig ab und die
Temperatur des Polymermaterials sinkt ebenso schlagartig unter die Sphäro lithwachstumstemperatur.
Vorteilhaft hieran ist, dass der Polymermaterial-Druck besonders schnell
abgesenkt werden kann.
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Gefertigte
Spritzgießteile haben eine besonders hohe Formtreue, wenn
nach dem Öffnen des Formhohlraums der Formhohlraum sukzessive
geschlossen wird, so dass das Schließen des Formhohlraums
ein Schwinden des Spritzießteils ausgleicht. Beim Abkühlen
des entstehenden Spritzgießteils zieht sich das Polymermaterial
zusammen. Durch das Nachführen des Formhohlraums, beispielsweise
durch Aufeinanderzu-Bewegen der beiden zunächst voneinander
weg bewegten Teile der Spritzgießform wird dieses Schwinden
ausgeglichen.
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Alternativ
oder additiv ist die Kavität ein Vorratsraum jenseits der
Spritzgießform und das Bringen des Polymermaterial auf
die Anfangstemperatur und den Anfangsdruck umfasst ein Einspritzen
des Polymermaterials mit dem Anfangsdruck und der Anfangstemperatur
in die Spritzgießform, so dass sich der Polymermaterial-Druck
beim Einspritzen auf den Enddruck vermindert und sich das Polymermaterial auf
die Temperatur unterhalb der Sphärolithwachstumstemperatur
abkühlt. Das Abkühlen des Polymermaterials beruht
dabei, wie im Rahmen des gesamten Verfahrens, überwiegend
auf dem Druckabfall und nicht wie bei Verfahren nach dem Stand der Technik
auf Wärmeleitung in der Spritzgießform.
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Bevorzugt
ist das Polymermaterial unnukleiert, so dass das Wachstum von Sphärolithen
gehemmt ist.
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Die
Differenz zwischen Anfangsdruck und Enddruck kann besonders klein
gewählt werden, wenn die Anfangstemperatur weniger als
30 K, insbesondere weniger als 20 K, oberhalb der Kristallitschmelztemperatur
des Polymermaterials liegt.
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Eine
besonders hohe Prozesssicherheit des Verfahrens und eine besonders
geringe Konzentration an Sphärolithen ergibt sich, wenn
der Anfangsdruck oberhalb von 1000 bar (100 MPa), insbesondere oberhalb
von 1500 bar (150 MPa), liegt. Die Spritzgießform kann
besonders leicht ausgebildet werden, wenn der Anfangsdruck unterhalb
von 3000 bar (300 MPa) liegt.
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Ein
besonders homogenes Gefüge ergibt sich für das
Spritzgießteil, wenn das schlagartige Vermindern so schnell
durchgeführt wird, dass das Spritzgießteil quasiadiabat
abkühlt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Temperaturabsenkung
in einem Inneren des Spritzgießteils zu weit überwiegendem Anteil,
beispielsweise mehr als 90%, auf die Verminderung des Polymermaterial-Drucks
zurückzuführen ist und nicht etwa beispielsweise
auf Wärmeleitung in umliegende Bereiche oder den Rand des
Spritzgießteils.
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Die
Bildung von Sphärolithen lässt sich besonders
wirkungsvoll unterdrücken, wenn das schlagartige Vermindern
so schnell durchgeführt wird, dass sich das Polymermaterial
in einem Innern des entstehenden Spritzgießteils mit einer
Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 150 K/min abkühlt,
beispielsweise mit mehr als 200 K/min.
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Eine
erfindungsgemäße Spritzgießmaschine umfasst
bevorzugt eine Spritzgießform, deren Formhohlraum einstellbar
veränderbar ist. In anderen Worten besitzt die Spritzgießmaschine
eine Formraumvolumeneinstellvorrichtung zum Verändern des Formhohlraums.
Diese Formraumvolumeneinstellvorrichtung kann beispielsweise kraft-
oder weggesteuert sein.
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Erfindungsgemäß ist
ein Spritzgießteil aus teilkristallinem thermoplastischem
Polymermaterial, das eine Materialdicke (d) aufweist, wobei das
Polymermaterial eine sphärolithkritische Dicke dSW aufweist, die derjenigen Dicke einer ebenen
Platte des Polymermaterials entspricht, bei der ein Abkühlen der
Spritzgießform unter konstantem Druck von einer Anfangstemperatur
TAnfang, die 10 K über der Kristallitschmelztemperatur
TS des Polymermaterials liegt, auf eine
Endtemperatur TEnde, die 100 K unter Kristallitschmelztemperatur
TS des Polymermaterials liegt, zu einer
Platte mit höchstens 15 Gew.-% Sphärolithgehalt
führt, wobei die Materialdicke an zumindest einer Stelle
größer ist als die sphärolithkritische
Dicke dSW.
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Bei
bekannten Spritzgießverfahren verhindert die schlechte
Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffmaterials in
einem Abstand jenseits der Hälfte der sphärolithkritischen
Di cke dSW von der Spritzgießformwand
Abkühlgeschwindigkeiten oberhalb von 50 K/min, so dass
sich dort Sphärolithe bilden.
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Die
sphärolithkritische Dicke dSW ist
ein Materialparameter und wird, wie oben ausgeführt, insbesondere
durch das folgende Verfahren ermittelt: Es wird eine Spritzgießform
bereitgestellt, deren Formvolumen ein Quader ist, dessen Länge
gleich seiner Breite ist und dessen Dicke mehr als das Zehnfache der
Länge beträgt. In diese Spritzgießform
wird das Kunststoffmaterial eingespritzt, so dass es eine Temperatur
von 10 K über der Kristallitschmelztemperatur TS des Kunststoffmaterials hat. Danach wird
die Spritzgießform schlagartig so abgekühlt, dass
sie eine Temperatur von 100 K unterhalb der Kristallitschmelztemperatur
TS des Kunststoffmaterials hat. Anschließend
wird der Sphärolithgehalt in Gewichtsanteilen der entstandenen
Platte ermittelt. Das erfolgt beispielsweise durch Flächenmessung
an Schliffen oder anhand der Trübung analog der für
Flüssigkeiten geltenden ISO 7027.
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Unter
dem Merkmal, dass die Materialdicke an zumindest einer Stelle größer
ist als die sphärolithkritische Dicke dSW ist
zu verstehen, dass das erfindungsgemäße Spritzgießteil
an zumindest einer Stelle dicker ist als die sphärolithkritische
Dicke. Hierunter wiederum ist insbesondere zu verstehen, dass an
zumindest einer Stelle eine gedachte Kugel mit einem Durchmesser
vom Spritzgießteil vollständig umgeben ist, der
größer ist als die sphärolithkritische
Dicke.
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Die
sphärolithkritische Dicke dSW liegt
bei PET bei cirka 2,5 mm und bei Polyacetal (POM) bei cirka 1,5
mm.
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Darunter,
dass die Materialdicke überwiegend größer
ist als die sphärolithkritische Dicke dSW, ist
zu verstehen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist,
dass die Materialdicke des Spritzgießteils überall
größer ist als die sphärolithkritische
Dicke. Es ist insbesondere ausreichend, dass die Materialdicke über
eine Außenfläche des Spritzgießteils,
die sich über mehr als 50% der Gesamt-Außenfläche
erstreckt, größer ist als die sphärolithkritische
Dicke.
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Besonders
bevorzugt hat das gesamte Spritzgießteil einen Sphärolithgehalt
von weniger als 15 Gew.-%. Günstig ist es, wenn das Spritzgießteil durchsichtig
ist, also insbesondere nicht opak. Beispielsweise beträgt
die Transmission bei Licht von 500 nm mehr als 90%.
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Besonders
bevorzugt ist das Spritzgießteil ein Vorformling, insbesondere
ein PET-Flaschenvorformling. Derartige Flaschenvorformlinge sind
ausgebildet, um durch einen Umformvorgang unterhalb der Kristallitschmelztemperatur
in eine Flasche umgeformt zu werden. Das Umformen kann beispielsweise ein
Tiefziehen, Blasformen oder Streckblasformen sein. Die Erfindung
bezieht sich also insbesondere auch auf ein Verfahren zum Herstellen
von Hohlkörpern, insbesondere Flaschen, insbesondere PET-Flaschen,
mit den Schritten eines Herstellens eines Vorformlings in Form eines
erfindungsgemäßen Spritzgießteils und
eines nachfolgenden Umformens zu einem Hohlkörper, insbesondere
einer Flasche, beispielsweise einer Getränkeflasche.
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Unter
dem Merkmal, dass das erfindungsgemäße Spritzgießteil
an zumindest einer Stelle eine Stärke von mehr als 3 mm
hat, ist zu verstehen, dass an zumindest einer Stelle eine gedachte
Kugel mit Durchmesser 3 mm vom Spritzgießteil vollständig umgeben
ist. Der Mittelpunkt dieser Kugel gehört zum Inneren des
Spritzgießteils.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spritzgießmaschine
zum Durchführen eines erfindungsgemäßen
Spritzgießverfahrens,
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2a ein
schematisches Diagramm, das die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit
und die Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit bei gegebener
Abkühlgeschwindigkeit normiert gegen die Temperatur aufträgt,
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2b ein
schematisches Diagramm, das die bevorzugte Gefügeform eines.
Spritzgießteils in Abhängigkeit von der Temperatur
zeigt, und
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3 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Spritzgießmaschine
zum Durchführen einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Spritzgießverfahrens.
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1 zeigt
eine Spritzgießmaschine 10, die eine Plastifiziereinheit 12 und
eine Spritzgießform 14 umfasst. Die Plastifiziereinheit 12 ist
im vorliegenden Fall eine Einschneckenplastifiziereinheit mit einer nicht
eingezeichneten Rückstromsperre, die ausgebildet ist, um
Polymermaterial 16 in Form eines schematisch eingezeichneten
Granulats mittels einer Heizung 18 zu erwärmen
und mittels einer Extruderschnecke 20 zu komprimieren.
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Das
Polymermaterial 16 hat abströmseitig hinter der
Extruderschnecke 20 einen Polymermaterial-Druck p und eine
Temperatur T und wird durch ein Ventil 24 am Verlassen
der Plastifiziereinheit 12 gehindert. Über einen
Temperaturmesser 26 wird die Temperatur T des Polymermaterials
gemessen. Zum Messen des Polymermaterial-Drucks besitzt die Spritzgießmaschine
beispielsweise eine nicht eingezeichnete Drehmomentmessvorrichtung
zum Messen des Drehmoments M ⇀, das an der Extruderschnecke 20 anliegt.
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Abströmseitig
hinter dem Ventil 24 ist die Spritzgießform 14 angeordnet,
die eine erste Werkzeughälfte 28 und eine zweite
Werkzeughälfte 30 umfasst. Die beiden Werkzeughälften 28, 30 sind durch
eine Schließvorrichtung 32 miteinander verbunden,
mittels der die Werkzeughälften 28, 30 weg- oder
kraftgesteuert aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind.
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Über
eine elektrische Datenverarbeitungseinheit 34 wird die
Spritzgießmaschine 10 gesteuert. So steht die
Datenverarbeitungseinheit 34 in Verbindung mit dem Temperaturmesser 26 und
einem Motor zum Antreiben der Extruderschnecke 20 sowie
mit dem Ventil 24 und Schließvorrichtung 32.
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Zum
Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst Polymermaterial 16 in Form eines
pulverförmigen teilkistallinen, nicht nukleierten Polymers,
das vorzugsweise eine Korngröße von 0,5 bis 5
mm aufweist, der Plastifiziereinheit 12 zugeführt.
Die Plastifiziereinheit 12 wird so betrieben, dass das
Polymermaterial 16 an der Schneckenspitzer aufgeschmolzen
ist und eine Anfangstemperatur TAnfang hat,
wenn es die Extruderschnecke 20 verlässt, die
20 K bis 30 K oberhalb einer Kristallitschmelztemperatur TS des Polymermaterials 16 liegt.
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Das
Ventil 24 ist geöffnet, so dass plastifiziertes
Polymermaterial 36 in die Kavität 22 in
Form eines Formhohlraums 38 der Spritzgießform
eingespritzt wird. Dort wird das plastifizierte Polymermaterial 36,
das auch als Schmelze bezeichnet werden kann, auf einen Anfangsdruck
pAnfang von 2000 bar (200 MPa) verdichtet.
Dabei erwärmt sich die Schmelze in Folge der Druckerhöhung
kurzfristig quasi-adiabat auf eine Temperatur T von cirka 100 K oberhalb
der Kristallitschmelztemperatur TS. Im Formhohlraum 38 wird
die Schmelze mit einer Temperiereinheit 37, die ein Themometer 39 besitzt,
auf die Anfangstemperatur TAnfang von 5
K bis 15 K oberhalb der Kristallitschmelztemperatur TS abgekühlt.
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Danach
wird der Formhohlraum 38 mittels Ventils 24, das
ein Nadel- oder Schieberventil sein kann, geschlossen. Nachfolgend
wird der Formhohlraum 38 schlagartig dadurch vergrößert,
dass die beiden Werkzeughälften 28, 30 in
ihrer Trennfläche 40 mittels einer Druckeinstellvorrichtung 32,
die eine Schließvorrichtung zum Abschließen des
Formhohlraums 38 umfasst, auseinander bewegt werden. Das geschieht
so, dass das plastifiziertes Polymermaterial 36 bzw. die
Schmelze den Formhohlraum 38 nicht verlassen kann. Durch
die Volumenvergrößerung sinkt der Polymermaterial-Druck
p schlagartig vom Anfangsdruck pAnfang auf
einen Enddruck pEnde ab, der beispielsweise
zwischen 50 und 500 bar (5 bis 50 MPa) liegen kann. Durch die Druckverminderung sinkt
die Temperatur T schlagartig von der Anfangstemperatur TAnfang auf eine Endtemperatur TEnde,
die unterhalb einer Sphärolithwachstumstemperatur TSW liegt. Nachfolgend wird das entstehende
Spritzgießteil beispielsweise dadurch abgekühlt,
dass die Spritzgießform 14 mittels einer Wasserkühlung
gekühlt wird. Die Wärme des entstehenden Spritzgießteils
wird dann durch Wärmeleitung durch die Spritzgießform 14 und
in das Wasser abgeführt, bis das Spritzgießteil
eine Entformungstemperatur TEntformen unterschreitet
und aus der Spritzgießform 14 ausgestoßen
wird.
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Anhand
der 2a und 2b wird
im Folgenden erläutert, aufgrund welcher Mechanismen sich
durch das beschriebene Verfahren ein im Wesentlichen sphärolithfreies
Gefüge ausbildet.
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2a zeigt
eine erste Kurve 42, die die Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit
vKW, die auf die maximale Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit
vKW,max normiert wurde, gegen die Temperatur
T aufgetragen ist. 2a zeigt zudem eine Kurve 44, die
die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit vSW,
die auf die maximale Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit
vSW,max normiert ist, ebenfalls gegen Temperatur
T aufträgt. Die Kurve 42 hat ihr Maximum in der
Sphärolithwachstumstemperatur TKW,
wohingegen die Kurve 44 ihr Maximum in der Sphärolithwachstumstemperatur
TSW hat. Die Kurven gemäß 2a sind bei
einer Abkühlgeschwindigkeit Ṫ von cirka 50 K/min aufgenommen.
Die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit vSW liegt
bei Polyethylen bei cirka 5000 μm/min, bei PET bei 10 μm/min
und bei Polyacetal bei cirka 400 μm/min.
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Beim
Einspritzen des plastifiziertes Polymermaterials bzw. der Schmelze
in den Formhohlraum 38 (1) hat die
Schmelze die Anfangstemperatur TAnfang,
die schematisch in 2a eingezeichnet ist. In diesem
Zustand ist das Polymermaterial flüssig und es findet weder
eine Sphärolithkeimbildung noch ein Sphärolithwachstum
statt. Durch das schlagartige Absenken des Polymermaterial-Drucks
p vom Anfangsdruck PAnfang auf den Enddruck
pEnde sinkt die Temperatur T des Polymermaterials
schlagartig auf die Endtemperatur TEnde,
die kleiner ist als die Sphärolithwachstumstemperatur.
Insbesondere ist der Druckabfall so gewählt, dass die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit
vSW nur noch einen Bruchteil ihres Maximalwerts
hat, beispielsweise weniger als 1/3 oder sogar weniger als 1/10.
Die Endtemperatur kann oberhalb oder unterhalb der Sphärolithkeimbildungstemperatur
TKB liegen.
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Bei
hohen Abkühlgeschwindigkeiten Ṫ wandern die beiden
Kurven 42 und 44 auseinander. Je höher
also die Abkühlgeschwindigkeit Ṫ ist, desto weniger
Sphärolithe entstehen.
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2b zeigt
die Kristallstruktur von themoplastischen Polymeren. Es ist zu erkennen,
dass bei tiefen Temperaturen T überwiegend Sphärolithe
vorliegen, bei hohen Temperaturen T jedoch überwiegend
amorphes Material. Durch ein schlagartiges Abkühlen wird
ein amorpher oder feinkristallin teilkristalliner Zustand erreicht.
Sowohl der amorphe als auch der feinkirstallin teilkristalline Zustand
sind für Spritzgießteile häufig besonders
vorteilhaft. Diese schlagartige Abkühlung wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren durch das schlagartiges
Vermindern des Polymermaterial-Drucks p erreicht.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines einer erfindungsgemäßen
Spritzgießmaschine 10. Zusätzlich zu
den Komponenten gemäß der Spritzgießmaschine
nach 1 umfasst diese Spritzgießmaschine eine
Kavität 22 in Form eines Vorratsraums 46,
der von einer Temperiervorrichtung 37 umgeben ist. Die
Temperiervorrichtung 37 umfasst Kühlschlangen 48 und
ist ausgebildet, um plastifiziertes Polymermaterial 36 im
Vorratsraum 46 auf die Anfangstemperatur TAnfang zu
bringen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren wird dadurch durchgeführt,
dass zunächst mit der Extruderschnecke 20 Polymermaterial 16 mit
einer Korngröße von 0,5 bis 5 mm auf eine Temperatur
von 20 bis 30 K oberhalb der Kristallitschmelztemperatur TS gebracht wird. Danach wird die Schmelze
in den Vorratsraum 42 gedrückt, und dort mit einer
Druckerhöhungsvorrichtung, insbesondere der Extruderschnecke 20,
auf den Anfangsdruck pAnfang von 1500 bis 3000
bar gebracht. Die entstehende Wärme wird von der Temperiervorrichtung 48 abgeführt,
bis die Schmelze eine Temperatur T hat, die kurz oberhalb der Kristallitschmelztemperatur
TS liegt, insbesondere 5 bis 15 K oberhalb
der Kristallitschmelztemperatur T.
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Ist
dieser Zustand erreicht, wird das Ventil 24 geöffnet,
so dass die Schmelze schlagartig in den Formenhohlraum 38 einströmt,
wobei sich der Polymermaterial-Druck p von dem Anfangs pAnfang auf den Enddruck pEnde von
50 bis 500 bar reduziert.
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Das
Ventil 24 ist so aufgebaut, dass eine durch Scherung auftretende
Temperaturerhöhung so gering ist, dass beim Einströmen
des Polymermatrials 16 in die Spritzgießform die
Temperatur auf die Endtemperatur TEnde sinkt.
Das entstehende Spritzgießteil wird anschließend
wie oben beschrieben auf Entformungstemperatur herabgekühlt
und entformt.
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Im
Folgenden wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel beschrieben:
Es wurde ein nicht nukleiertes Polyoxymethylyen (POM) Homopolymerisat Granlutat
mit einer Melt flow Rate (190°C, 2,16 Kg) von 14 g/10 min
nach ISO 1133 mit einer Einschneckenplastifiziereinheit
mit einem Schneckendurchmesser von 30 mm und einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis
von 22 auf eine Massetemperatur von 215°C aufgeschmolzen.
Danach wurde die Schmelze in einem der Pastifiziereinheit nachgeschalteten
Vorratsraum mit einem Volumen von ca. 30 cm3 gedrückt
und dort auf einen Druck von ca. 2800 bar komprimiert.
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Anschließend
erfolgte eine Abkühlung bei einer Wandtemperatur des Vorratsraums
von ca. 200 °C innerhalb von ca. 250 s. Danach wurde ein
Schiebeventil, welches zwischen dem Vorratsraum und dem Formhohlraum
angeordnet war, schlagartig geöffnet und die Schmelze in
einen plattenförmigen Hohlraum mit einer Länge
von ca. 50 mm, einer Breite von cirka 30 mm und einer Dicke von
cirka 2,5 mm eingespritzt.
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Nach
dem Einspritzvorgang wurde die Dicke des Formteilhohlraums während
der Abkühlung des Formteils um cirka 0,3 mm verkleinert.
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Es
entstanden so Formteile ohne Einfallstellen und einem transluzenten
Charakter. Unter polarisiertem Durchlicht zeigte sich in Querschnitten
durch die Dicke der Proben ein neben einer cirka 0,1 mm dicken amorphen
Randschicht sphärolithfreies, feinkristallines Gefüge.
Die Festigkeiten ausgeschnittener Probekörper lagen in
Anlehnung an SIO 527-1-2 bei cirka 100 bis 120 MPa und die Bruchdehnung
bei cirka 60 bis 80%. Weder bei der Schlagzähigkeits- noch
der Kerbschlagzähigkeitsprüfung in Anlehnung an ISO
179/1eU traten Brüche auf.
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Im
Vergleich dazu zeigten durch das konventionelle Spritzgießen
hergestellte Formteile derselben Geometrie aus denselben Polymeren
unter polarisiertem Durchlicht eine cirka 0,1 mm dicke amorphe Randschicht,
danach ein cirka 0,3 bis 0,4 mm dickes sphärolithfreies,
feinkristallines Gefüge und in der Mitte eine sphärolithische
Struktur mit Sphärolithen mit Durchmessern von cirka 0,15
bis 0,25 mm. Die Festigkeiten ausgeschnittener Probekörper
lagen in Anlehnung an ISO 527-1/-2 bei cirka 60
bis 75 MPa und die Bruchdehnung bei cirka 40 bis 50%. Die Schlagzähigkeiten
in Anlehnung an ISO 179/1eU cirka 300 bis 350 kJ/m2 und die Kerbschlagzähigkeit in Anlehnung
an ISO 179/1eA cirka 8 bis 10 kJ/m2.
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- 10
- Spritzgießmaschine
- 12
- Plastifiziereinheit
- 14
- Spritzgießform
- 16
- Polymermaterial
- 18
- Heizung
- 20
- Extruderschnecke
- 22
- Kavität
- 24
- Ventil
- 26
- Temperaturmesser
- 28
- erste
Werkzeughälfte
- 30
- zweite
Werkzeughälfte
- 32
- Druckeinstellvorrichtung
- 34
- Datenverarbeitungseinheit
- 36
- plastifiziertes
Polymermaterial
- 37
- Temperiereinheit
- 38
- Formhohlraum
- 39
- Thermometer
- 40
- Trennfläche
- 42
- Kurve
- 44
- Kurve
- 46
- Vorratsraum
- 48
- Kühlschlangen
- d
- Materialdicke
- p
- Polymermaterial-Druck
- T
- Temperatur
- TS
- Kristallitschmelztemperatur
- TAnfang
- Anfangstemperatur
- TEnde
- Endtemperatur
- TSW
- Sphärolithwachstumstemperatur
- TEntform
- Entformungstemperatur
- Ṫ
- Abkühlgeschwindigkeit
- TKB
- Sphärolithkeimbildungstemperatur
- M
- Drehmoment
- pAnfang
- Anfangsdruck
- pEnde
- Enddruck
- vKB
- Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit
- vSW
- Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 7027 [0033]
- - ISO 1133 [0061]
- - ISO 179/1eU [0064]
- - ISO 527-1/-2 [0065]
- - ISO 179/1eU [0065]
- - ISO 179/1eA [0065]