DE102008033571B4

DE102008033571B4 - Spritzgießverfahren und Spritzgießteil

Info

Publication number: DE102008033571B4
Application number: DE200810033571
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Lutterbeck Joachim; Max Peter Josef Lutterbeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: DE102008033571A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spritzgießverfahren, mit den Schritten Einstellen von Polymermaterial (16) auf eine Anfangstemperatur (TAnfang) oberhalb einer Kristallitschmelztemperatur (TS) des Polymermaterials (16) und eines Polymermaterial-Drucks (p) auf einen Anfangsdruck (pAnfang), und schlagartiges Vermindern des Polymermaterial-Drucks (p) auf einen Enddruck (pEnde), so dass sich das Polymermaterial (16) auf eine Temperatur unterhalb einer Sphärolithwachstumstemperatur (TSW) des Polymermaterials (16) abkühlt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren und ein Spritzgießteil nach den Patentansprüchen 1 und 13.
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..
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Aus der DE 10 2005 037 116 B3 ist ein Spritzgießverfahren bekannt, bei dem zunächst ein Polymer in eine Form gespritzt wird. Nachfolgend wird der Druck in der Form so weit erhöht, dass das Polymer erstarrt. Es wird dann die Temperatur gesenkt, so dass das Polymer fest bleibt und das entstandene Spritzgussteil wird entformt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sichergestellt werden muss, dass die beim Erhöhen des Drucks entstehende Wärme sicher abgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sphärolithanteil zu vermindern.
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.
Gemäß einem zweiten 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wenn das Polymermaterial mehr als eine Art an thermoplastischem Kunststoff umfasst, wird unter der Sphärolithwachstumstemperatur insbesondere die höchste der Sphärolithwachstumstemperaturen der einzelnen Komponenten verstanden.
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.
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 Spritzgießverfahren auch den Schritt eines Entformens des Spritzgießteils an aus der Spritzgießform.
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.
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.
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 Sphärolithwachstumstemperatur. Vorteilhaft hieran ist, dass der Polymermaterial-Druck besonders schnell abgesenkt werden kann.
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 Aufeinander-zu-Bewegen der beiden zunächst voneinander wog bewegten Teile der Spritzgießform wird dieses Schwinden ausgeglichen.
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.
Bevorzugt ist das Polymermaterial unnukleiert, so dass das Wachstum von Sphärolithen gehemmt ist.
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.
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.
Ein besonders homogenes Gefüge ergibt sich für das Spritzgießteil, wenn das schlagartige Vermindern so schnell durchgeführt wird, dass das Spritzgießteil quasi-adiabat 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.
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.
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.
Erfindungsgemäß ist ein Spritzgießteil aus teilkristallinem thermoplastischem Polymermaterial, das eine Materialdicke (d) aufweist, wobei das Polymermaterial eine sphärolithkritische Dicke d_SW aufweist, die derjenigen Dicke einer ebenen Platte des Polymermaterials entspricht, bei der ein Abkühlen der Spritzgießform unter konstantem Druck von einer Anfangstemperatur T_Anfang, die 10 K über der Kristallitschmelztemperatur T_S des Polymermaterials liegt, auf eine Endtemperatur T_Ende, die 100 K unter Kristallitschmelztemperatur T_S 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 d_SW.
Bei bekannten Spritzgießverfahren verhindert die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffmaterials in einem Abstand jenseits der Hälfte der sphärolithkritischen Dicke d_SW von der Spritzgießformwand Abkühlgeschwindigkeiten oberhalb von 50 K/min, so dass sich dort Sphärolithe bilden.
Die sphärolithkritische Dicke d_SW 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 T_S des Kunststoffmaterials hat. Danach wird die Spritzgießform schlagartig so abgekühlt, dass sie eine Temperatur von 100 K unterhalb der Kristallitschmelztemperatur T_S 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.
Unter dem Merkmal, dass die Materialdicke an zumindest einer Stelle größer ist als die sphärolithkritische Dicke d_SW 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.
Die sphärolithkritische Dicke d_SW liegt bei PET bei cirka 2,5 mm und bei Polyacetal (POM) bei cirka 1,5 mm.
Darunter, dass die Materialdicke überwiegend größer ist als die sphärolithkritische Dicke d_SW, 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.
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%.
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.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Ansicht einer Spritzgießmaschine zum Durchführen eines Spritzgießverfahrens,
2a ein schematisches Diagramm, das die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit und die Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit bei gegebener Abkühlgeschwindigkeit normiert gegen die Temperatur aufträgt,
2b ein schematisches Diagramm, das die bevorzugte Gefügeform eines Spritzgießteils in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, und
3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Spritzgießmaschine zum Durchführen eines Spritzgießverfahrens.
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.
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.
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.
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.
Zum Durchführen eines 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 Schneckenspitze aufgeschmolzen ist und eine Anfangstemperatur T_Anfang hat, wenn es die Extruderschnecke 20 verlässt, die 20 K bis 30 K oberhalb einer Kristallitschmelztemperatur T_S des Polymermaterials 16 liegt.
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 p_Anfang 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 T_S. Im Formhohlraum 38 wird die Schmelze mit einer Temperiereinheit 37, die ein Themometer 39 besitzt, auf die Anfangstemperatur T_Anfang von 5 K bis 15 K oberhalb der Kristallitschmelztemperatur T_S abgekühlt.
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 p_Anfang auf einen Enddruck p_Ende 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 T_Anfang auf eine Endtemperatur T_Ende, die unterhalb einer Sphärolithwachstumstemperatur T_SW 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 T_Entformen unterschreitet und aus der Spritzgießform 14 ausgestoßen wird.
Anhand der 2a und 2b wird im Folgenden erläutert, aufgrund welcher Mechanismen sich durch das beschriebene Verfahren ein im Wesentlichen sphärolithfreies Gefüge ausbildet.
2a zeigt eine erste Kurve 42, die die Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit v_KW, die auf die maximale Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit v_KW,max normiert wurde, gegen die Temperatur T aufgetragen ist. 2a zeigt zudem eine Kurve 44, die die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit v_SW, die auf die maximale Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit v_SW,max normiert ist, ebenfalls gegen Temperatur T aufträgt. Die Kurve 42 hat ihr Maximum in der Sphärolithwachstumstemperatur T_KW, wohingegen die Kurve 44 ihr Maximum in der Sphärolithwachstumstemperatur T_SW hat. Die Kurven gemäß 2a sind bei einer Abkühlgeschwindigkeit T . von cirka 50 K/min aufgenommen. Die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit v_SW liegt bei Polyethylen bei cirka 5000 μm/min, bei PET bei 10 μm/min und bei Polyacetal bei cirka 400 μm/min.
Beim Einspritzen des plastifiziertes Polymermaterials bzw. der Schmelze in den Formhohlraum 38 (1) hat die Schmelze die Anfangstemperatur T_Anfang, 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 P_Anfang auf den Enddruck p_Ende sinkt die Temperatur T des Polymermaterials schlagartig auf die Endtemperatur T_Ende, die kleiner ist als die Sphärolithwachstumstemperatur. Insbesondere ist der Druckabfall so gewählt, dass die Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit v_SW nur noch einen Bruchteil ihres Maximalwerts hat, beispielsweise weniger als 1/3 oder sogar weniger als 4/10. Die Endtemperatur kann oberhalb oder unterhalb der Sphärolithkeimbildungstemperatur T_KB liegen.
Bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten T . wandern die beiden Kurven 42 und 44 auseinander. Je höher also die Abkühlgeschwindigkeit T . ist, desto weniger Sphärolithe entstehen.
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.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer 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 T_Anfang zu bringen.
Ein 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 T_S gebracht wird. Danach wird die Schmelze in den Vorratsraum 46 gedruckt, und dort mit einer Druckerhöhungsvorrichtung, insbesondere der Extruderschnecke 20, auf den Anfangsdruck p_Anfang 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 T_S liegt, insbesondere 5 bis 15 K oberhalb der Kristallitschmelztemperatur T_S.
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 p_Anfang auf den Enddruck p_Ende von 60 bis 500 bar reduziert.
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 T_Ende sinkt. Das entstehende Spritzgießteil wird anschließend wie oben beschrieben auf Entformungstemperatur herabgekühlt und entformt.
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 Messetemperatur 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.
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.
Nach dem Einspritzvorgang wurde die Dicke des Formteilhohlraums während der Abkühlung des Formteils um cirka 0,3 mm verkleinert.
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 treten Brüche auf.
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.
Bezugszeichenliste

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
T_S: Kristallitschmelztemperatur
T_Anfang: Anfangstemperatur
T_Ende: Endtemperatur
T_SW: Sphärolithwachstumstemperatur
T_Entform: Entformungstemperatur
T .: Abkühlgeschwindigkeit
T_KB: Sphärolithkeimbildungstemperatur
M: Drehmoment
p_Anfang: Anfangsdruck
p_Ende: Enddruck
v_KB: Sphärolithkeimbildungsgeschwindigkeit
v_SW: Sphärolithwachstumsgeschwindigkeit

Claims

Spritzgießverfahren, mit den Schritten (a) Einstellen von Polymermaterial (16) auf eine Anfangstemperatur (T_Anfang) oberhalb einer Kristallitschmelztemperatur (T_S) des Polymermaterials (16) und eines Polymermaterial-Drucks (p) auf einen Anfangsdruck (p_Anfang), und (b) schlagartiges Vermindern des Polymermaterial-Drucks (p) auf einen Enddruck (p_Ende), so dass sich das Polymermaterial (16) auf eine Temperatur unterhalb einer Sphärolithwachstumstemperatur (T_SW) des Polymermaterials (16) abkühlt.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) die folgenden Schritte umfasst: (a2) Einstellen des Polymermaterials (16) auf eine Plastifiziertemperatur, so dass das Polymermaterial (16) plastifiziert, (a3) Einbringen des plastifizierten Polymermaterials (16) in eine Kavität (22) und (a4) Komprimieren des plastifizierten Polymermaterials (36) in der Kavität (22) auf den Anfangsdruck (p_Anfang).
Spritzgießverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) den folgenden zusätzlichen Schritt umfasst: (a5) nach dem Komprimieren und/oder während des Komprimierens Abkühlen des Polymermaterials (16) auf die Anfangstemperatur (T_Anfang).
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsdruck (p_Anfang), der Enddruck (p_Ende) und die Anfangstemperatur (T_Anfang) so gewählt sind, dass das Spritzgießteil einen Sphärolithanteil von unter 15% aufweist.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass – die Kavität (22) eine Spritzgießform (14) ist und – das schlagartige Vermindern des Polymermaterial-Drucks (p) ein Öffnen eines Formhohlraums (38) der Spitzgussform (14) in einer Trennfläche (40) des Formhohlraums (38) umfasst.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt: – nach dem Öffnen des Formhohlraums (38) sukzessives Schließen des Formhohlraums (38), so dass ein Schwinden des Spritzgießteils ausgeglichen wird.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (22) ein Vorratsraum (46) vor der Spritzgießform (14) ist und Schritt (a) die folgenden Schritte umfasst: – Sammeln des Polymermaterials (16) im Vorratsraum (46) mit einem Anfangsdruck (p_Anfang) und einer Anfangstemperatur (T_Anfang); – Einspritzen des Polymermaterials (16) mit Anfangsdruck und Anfangstemperatur (T_Anfang) vom Vorratsraum (46) in die Spritzgießform (14), so dass sich der Polymermaterial-Druck (p) auf den Enddruck (p_Ende) vermindert und sich das Polymermaterial (16) auf die Temperatur unterhalb der Sphärolithwachstumstemperatur (T_SW) abkühlt.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (16) unnukleiert ist.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstemperatur (T_Anfang) weniger als 30 K, insbesondere weniger als 20 K, oberhalb der Kristallitschmelztemperatur (T_S) des Polymermaterials (16) liegt.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsdruck (p_Anfang) oberhalb von 1000 bar, insbesondere oberhalb von 1500 bar, liegt.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schlagartige Vermindern so schnell durchgeführt wird, dass das Spritzgießteil quasi-adiabat abkühlt.
Spritzgießverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schlagartige Vermindern so schnell durchgeführt wird, dass sich das Polymermaterial (16) in einem Inneren des entstehenden Spritzgießteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 150 K/min abkühlt.
Spritzgießteil aus teilkristallinem thermoplastischem Polymermaterial (16), hergestellt mit dem Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Spritzgießteil eine Materialdicke (d) aufweist, – das Polymermaterial eine sphärolithkritische Dicke (d_SW) aufweist, die derjenigen Dicke einer ebenen Platte des Polymermaterials entspricht, bei der ein Abkühlen der Spritzgießform (14) unter konstantem Druck (p) von einer Anfangstemperatur (T_Anfang), die 10 K über der Kristallitschmelztemperatur (T_S) des Polymermaterials (16) liegt, auf eine Endtemperatur (T_Ende), die 100 K unter Kristallitschmelztemperatur (T_S) des Polymermaterials (16) liegt, zu einer Platte mit höchstens 15 Gew.-% Sphärolithgehalt führt, – wobei die Materialdicke (d) an zumindest einer Stelle, insbesondere überwiegend, größer ist als die sphärolithkritische Dicke (d_SW).
Spritzgießteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Sphärolithgehalt von weniger als 15 Gew.-% aufweist.
Spritzgießteil nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine mittlere Materialdicke von mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 3 mm, hat.
Spritzgießteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es durchsichtig ist.
Spritzgießteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Vorformling, insbesondere ein PET-Flaschenvorformling ist.
Spritzgießteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil eines Fahrzeugs, Teil eines elektrischen Bauteils oder ein Verpackungsteil ist.