DE102009048837A1

DE102009048837A1 - Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper

Info

Publication number: DE102009048837A1
Application number: DE200910048837
Authority: DE
Inventors: Moritz Gründler; Oliver GRÖNLUND
Original assignee: Vereinigung Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein-Westf Technischen Hochschule Aachen Ev; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein-Westf Technischen Hochschule Aachen Ev; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-14

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf Möglichkeiten zur Herstellung polymerer Hohlkörper, die durch Verdrängung eines Projektils durch ein treibendes Fluid hergestellt werden. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe des Projektils die schmelzeflüssige Seele dickwandiger Polymerbauteile verdrängt, der Hohlraum ausgeformt und durch das treibende Fluid an die Wandung des Formhohlraums gedrückt und unter Innendruck abgekühlt bzw. vernetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper unter Zuhilfenahme eines schmelzeverdrängenden Projektils und der Fluidinjektionstechnik (FIT). Die Erfindung bezieht sich dabei auf die Verbesserung der Hohlraumkontur der polymeren Hohlkörper, die mithilfe der Fluidinjektionstechnik hergestellt werden. Mit Hilfe der Erfindung kann der Hohlraum homogener und reproduzierbarer ausgebildet werden.
Die FIT ermöglicht durch die gezielte Fluidinjektion, in bestimmten, noch schmelzeförmigen Bereichen eines Spritzgussbauteils unter Verdrängung der Schmelzeseele in zunächst ungefüllte oder zusätzlich geöffnete Kavitätsbereiche Hohlräume zu erzeugen. Nach der vollständigen Füllung der Kavität wird über das Fluid ein Nachdruck aufgebracht. Als Fluide können beliebige Flüssigkeiten und Gase verwendet werden.
Die Restwanddicke sowie die Restwanddickenverteilung über dem Umfang und entlang des Hohlkörpers stellen zentrale Qualitätsmerkmale bei Kunststoffhohlkörpern dar und legen in entscheidendem Maße die Bauteileigenschaften sowie Bauteilkosten fest. Bei der konventionellen Fluidinjektionstechnik wird die Restwanddicke maßgeblich über die Fließeigenschaften des verwendeten Polymers festgelegt. Die lokale Restwanddicke variiert positionsabhängig gleichermaßen radial und axial. Eine radial unterschiedliche Restwanddickenverteilung tritt insbesondere in und nach Umlenkungen auf. Axial stellt sich bei mittels FIT hergestellten Hohlkörpern je nach verwendeter Verfahrensvariante eine charakteristische Restwanddickenverteilung über dem Fließweg ein.
Eine Beeinflussung der Restwanddickenverteilung über eine Variation der Prozessparameter ist bei der FIT nur in sehr eingeschränktem Maße möglich. Über die Fluidverzögerungszeit, den Fluidvolumenstrom bzw. den Fluiddruck sowie die Massetemperatur lassen sich die lokalen Restwanddicken geringfügig anpassen. Allerdings wird dies zumeist auf Kosten einer verringerten Prozessstabilität oder einer verlängerten Zykluszeit erkauft. In der industriellen Praxis ist somit bei Wahl der Außengeometrie und des Einsatzwerkstoffs die Restwanddickenverteilung praktisch festgelegt.
Dies führt in den meisten Fällen bei der Fluidinjektionstechnik zu einem unnötig hohen Materialeinsatz. Bei mechanisch unkritisch belasteten Bauteilen ergeben sich im gesamten Bauteil unnötig große Restwanddicken, bei mechanisch kritisch belasteten Bauteilen muss letztendlich die dünnste Restwanddicke in Umlenkungen berücksichtigt werden. Unvermeidbare Exzentrizitäten des Hohlraums führen auch hier zu unnötig hohem Materialeinsatz.
Der Einsatz eines Projektils zur Schmelzeverdrängung eröffnet das Potenzial, die Restwanddicken unabhängig von den rheologischen Eigenschaften des Materials einzustellen und somit im Vergleich zur konventionellen Fluidinjektionstechnik zu reduzieren. Falls die mechanischen Anforderungen an das Bauteil dies zulassen, kann hierdurch sowohl eine signifikante Reduzierung des Materialverbrauchs als auch der Zykluszeit bei der Herstellung von Kunststoffhohlkörpern erzielt werden. Der verfahrensabhängige charakteristische Restwanddickenverlauf über der Fließweglänge kann mithilfe der PIT vergleichmäßigt werden, was bei der Einhaltung einer Mindestwanddicke im Formteil zu einer weiteren Reduzierung des Materialverbrauchs führen kann.
Eine weitere, maßgebliche Einschränkung der Fluidinjektionstechnik stellt die fehlende Eignung vieler Kunststoffe für die Fluidinjektionstechnik dar. Die Hohlraumausbildung hängt stark von den rheologischen Eigenschaften der Polymere ab. Bei der PIT wird ein grundsätzlich anderer Mechanismus zur Hohlraumausbildung genutzt. Die schmelzeflüssige Seele wird durch ein starres Projektil verdrängt und das Fluid kommt erst nach der Restwanddickenausbildung mit der Polymerschmelze in Kontakt. Somit kann möglicherweise für einige Anwendungen auf teure, gesondert für die FIT entwickelte Compounds verzichtet werden Stattdessen können günstigere Standardprodukte der gleichen Werkstofftype zum Einsatz kommen.
Bei der Fluidinjektionstechnik werden diverse Defekte an den hergestellten Bauteilen beobachtet. Exemplarisch seien folgende FIT-typische Defekte genannt: Doppelwandbildung, Lunker und Auffächerungen, Hohlraumexzentrizität und Glasfaserauswaschungen.
Bei einem Teil der Defekte handelt es sich um eine Ausbildung mehrerer paralleler und von der Gestalt her nicht definierter Kanäle im Formteilinneren. Diese Kanäle sind voneinander ganz oder teilweise durch dazwischenstehende Schmelzestege oder -häutchen abgetrennt. Dieses Phänomen kann auf Verdüsungseffekte des Fluidstrahls in der Polymerschmelze zurückgeführt werden, sodass keine stetige Hohlraumausbildung erfolgen kann.
Diesen Bauteildefekten kann heute nur durch die Auswahl geeigneter Kunststoffmaterialien und/oder Prozessparameter entgegengewirkt werden. Die Auswahl eines geeigneten Materials erfordert umfangreiche Voruntersuchungen sowie aufwändige und daher teure Materialmodifikationen. Darüber hinaus ist der Anwender in seiner Materialauswahl durch die Begrenzung auf FIT-geeignete Typen eingeschränkt, sodass häufig kein optimal auf die Anwendung abgestimmtes Material verwendet werden kann.
Neben der Möglichkeit, bei bestehenden FIT-Produkten die Kosten zu senken, besitzt die PIT darüber hinaus das Potenzial das bisherige Anwendungsspektrum der FIT zu erweitern. So ist es bei der PIT denkbar, für die FIT ungünstige Fließkanalquerschnitte mit scharfen Kanten, beispielsweise quadratische Querschnitte, oder aber extreme Breiten/Höhen-Verhältnisse gleichmäßig ohne Masseanhäufungen in der Restwand auszuhöhlen. Darüber hinaus wäre es ggf. möglich, die für die FIT realisierbaren Durchmesser auf über 60 mm zu steigern und dort bei bestimmten Anwendungen mit dem Extrusionsblasformen zu konkurrieren.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Hohlraumausbildung bei der Herstellung polymerer Hohlkörper reproduzierbar und prozesssicher durchzuführen und die Entstehung charakteristischer Bauteildefekte, wie sie bei der konventionellen Fluidinjektionstechnik typischerweise auftreten, zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 3 gelöst.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass nun eine sehr viel größere Gruppe an Polymeren verwendet werden kann, ohne dass eine Auswahl durch langwierige Vorversuche und/oder eine Modifikation in einem zusätzlichen Compoundierschritt erforderlich ist. Das Prozessfenster, in dem gute Bauteilqualitäten erzielbar sind, wird vergrößert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle denkbaren Verfahrensvarianten der konventionellen Fluidinjektionstechnik möglich. Generell kann der schmelzeförmige Polymerkern durch das Projektil in noch ungefüllte bzw. kurz zuvor geschaffene Formhohlräume oder zurück ins Spritzgießaggregat verdrängt werden. Allen Verfahrensvarianten ist gemein, dass das injizierte Fluid jeweils die Funktion des Nachdrucks übernimmt.
• Short-Shot-Verfahren (Aufblasverfahren)
Kennzeichnend für das Short-Shot-Verfahren ist eine untervolumetrische Kavitätsvorfüllung mit Polymerschmelze (vorzugsweise 50–95%). Die volumetrische Ausformung der Kavität erfolgt erst durch die sich an die Teilfüllung mit Schmelze anschließende Injektion von Fluid, bei der die schmelzeflüssige Seele durch das Projektil zum Fließwegende verdrängt und dabei sukzessive aufgebraucht wird.
• Full-Shot-Verfahren (Ausblasverfahren)
Charakteristisch für die Full-Shot-Verfahren ist zunächst eine volumetrische Füllung der Werkzeugkavität mit Polymerschmelze. Bezüglich der Platzierung der Injektoren und Projektile und der anschließenden Injektion von Fluid ergeben sich die kennzeichnenden Unterschiede zwischen Nebenkavitäten- und Masserückdrückverfahren.
• Kernzugverfahren
Beim Kernzugverfahren erfolgt die Injektion des Fluids und das Vorantreiben des Projektils gegen einen beweglichen Kern, der während der Fluidinjektion aus der Kavität gezogen wird und so zusätzliches Verdrängungsvolumen in der Hauptkavität freigibt.
Zur Steigerung der Kühlwirkung bieten sich für alle Verfahrensvarianten insbesondere bei großvolumigen Bauteilen und längeren Kühlzeiten bzw. hohen Spülwasservolumenströmen so genannte Spül- bzw. Durchflussverfahren an. Hier wird nach der Injektion des Fluids, vorzugsweise einer kühlenden Flüssigkeit, ein Durchbruch im Formteil erzeugt. Zu diesem Zweck wird mindestens ein zweiter Werkzeuginjektor benötigt, sodass über die beiden Öffnungen der Spülkreislauf aufgebaut werden kann und der entstandene Hohlkörper anschließend kontinuierlich mit Fluid durchströmt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt 1 den Verfahrensablauf der Projektilinjektionstechnik für das Aufblasverfahren, nachdem das Projektil (3) bereits auf dem Fluidinjektor (4) im Formhohlraum (2) platziert und das Werkzeug (1) geschlossen wurde. Die fließfähige Formmasse (5) wird mit einem Einspritzaggregat (7) in den Formhohlraum (2) des geschlossenen Werkzeugs (1) untervolumetrisch injiziert. Dabei wird das Projektil von der fließfähigen Formmasse umflossen. Anschließend wird ein Fluid (6) injiziert, welches einen Druck aufbaut, der das Projektil durch die fließfähige Formmasse treibt und einen der Projektilgeometrie entsprechenden Hohlraum ausformt. Anschließend wird über das Fluid ein Nachdruck aufgebracht, der das Formteil an die Wandung des Formhohlraums drückt. Nach dem Erstarren der Formmasse wird der Fluiddruck abgelassen und das Fluid aus dem Bauteil entfernt. Das Projektil verbleibt im Bauteil.
Bezugszeichenliste

1: Spritzgießwerkzeug
2: Formhohlraum
3: Projektil
4: Injektor zur Fluidinjektion
5: Fließfähige Formmasse
6: Fluid
7: Einspritzaggregat zur Injektion der fließfähigen Formmasse

Claims

Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist: a) Untervolumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges b) Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse c) Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das Fluid in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume. d) Verfestigung der Formasse e) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum durch Verdrängung eines Projektils, vorangetrieben durch den Fluiddruck, geschaffen wird.
Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist: a) Volumetrische oder untervolumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges b) Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse c) Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das Fluid in Richtung zusätzlich geschaffener Formhohlräume. d) Verfestigung der Formasse e) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum durch Verdrängung eines Projektils, vorangetrieben durch den Fluiddruck, geschaffen wird.
Spritzgießverfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper, welches folgende Schritte aufweist: a) Untervolumetrische oder volumetrische Injektion einer fließfähigen Formmasse in den Formhohlraum eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges b) Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse c) Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das Fluid zurück in das Einspritzaggregat. d) Verfestigung der Formasse e) Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum durch Verdrängung eines Projektils, vorangetrieben durch den Fluiddruck, geschaffen wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaffung zusätzlicher Hohlräume stetig erfolgt, wie durch das Kernzugverfahren.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaffung zusätzlicher Hohlräume unstetig durch Freigabe eines weiteren Formhohlraums erfolgt, wie durch das Nebenkavitätenverfahren.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil nach Entformung des Hohlkörpers im Formteil verbleibt.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil nach Entformung des Hohlkörpers im Formteil verbleibt und in einem weiteren Bearbeitungsschritt, wie Trennen, das Projektil sowie der umgebende Bauteilabschnitt entfernt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 2, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil in den zusätzlich freigegebenen Formhohlraum verdrängt wird, der mit dem Projektil in einem weiteren Bearbeitungsschritt vom Bauteil entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige Formmasse aus mehreren, vorzugsweise zwei, Komponenten besteht, die sequenziell durch ein Angusssytem in den Formhohlraum injiziert werden, sodass sich die Komponenten ineinander wie beim Sandwichspritzgießen ausbreiten und durch die Verdrängung des Projektils durch das injizierte Fluid ein mehrschichtiger Hohlkörper entsteht.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige Formmasse aus mehreren, vorzugsweise zwei, Komponenten besteht, die durch mehrere Angusssysteme in den Formhohlraum injiziert werden, sodass die Komponenten nebeneinander wie bei der Biinjketionstechnik vorliegen und durch die Verdrängung des Projektils durch das injizierte Fluid ein sequenziell aufgebauter Hohlkörper entsteht.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum eine oder mehrere Gabelungen aufweist und der Hohlraum entlang eines Fließpfads durch die Verdrängung des Projektils durch das injizierte Fluid erzeugt wird, während die übrigen Hohlräume durch die Verdrängung der fließfähigen Formmasse direkt durch das injizierte Fluid wie bei der konventionellen Fluidinjektionstechnik erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass als fließfähige Formmasse gefüllte oder ungefüllte Thermoplastschmelzen eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass als fließfähige Formmasse verstärkte oder unverstärkte vernetzende Formmassen, wie Elastomere oder Duroplaste, eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide zur Verdrängung des Projektils in Reinform wie Stickstoff oder Wasser oder als Mischungen unterschiedlicher Fluide eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der treibende Druck zur Verdrängung der Projektile durch das Verdampfen der Fluide verstärkt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil eine dreidimensionale Geometrie wie Kugel, Zylinder, Kegel, Paraboloid, Quader oder Mischungen daraus, aufweist, oder eine dreidimensionale Geometrie, die keine Symmetrieebenen oder -achsen aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Projektile aus organischen oder anorganischen Materialien wie Kunststoffen, Keramiken oder Metallen bestehen.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil während der Hohlraumausbildung abschmilzt und eine zusätzliche Materialschicht an der Hohlraumoberfläche erzeugt.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil vor der Injektion der fließfähigen Formmasse im Formhohlraum platziert und von der fließfähigen Formmasse umflossen wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil prozessintegriert durch Verfestigung der fließfähigen Formmasse erzeugt wird, beispielsweise durch gezielte Temperierung im Formhohlraum und lokales Erstarren, und bei der Fluidinjektion definiert abreißt und den Hohlraum ausformt.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 16 sowie 18, 19 und 20 dadurch gekennzeichnet, dass durch die verdrängte Formmasse in die zusätzlich geschaffenen Hohlräume ein oder mehrere neue Projektile ausgeformt werden, die in den darauf folgenden Zyklen eingesetzt werden können.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil prozessintegriert aus der fließfähigen Formmasse des Hohlkörpers oder einer anderen fließfähigen Formmasse in einem zusätzlich vorhandenen Formhohlraum hergestellt und durch Umsetzen in den Formhohlraum zur Herstellung des Hohlkörpers eingebracht wird, beispielsweise mit Hilfe eines Drehtellerwerkzeugs.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz mehrerer geeigneter parallel angeordneter Projektile der Hohlraum mehrkanalig hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz eines geeignet aufgebauten Projektils Hohlräume mit sequentiell unterschiedlichen Hohlraumdurchmessern erzeugt werden.