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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kunststoff-Werkstücke und insbesondere auf Kunststoffspritzguss-Werkstücke, die aus zwei oder mehreren Materialien bestehen.
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Oftmals besteht die Anforderung, dass ein Kunststoffspritzguss-Werkstück verschiedene Eigenschaften an verschiedenen Stellen hat. So könnte eine Anforderung bei einem Gegenstand, wie beispielsweise einem Rohr oder einem vollvolumigen Teil sein, dass die Oberfläche besonders hart ist, dass jedoch im Inneren der Rohrwand bzw. im Inneren des vollvolumigen Gegenstands eine gewisse Elastizität herrscht. Andere Anforderungen könnten beispielsweise dahin gehend gehen, dass ein Gegenstand, wie beispielsweise ein rotierbarer bzw. zu rotierender Gegenstand außen eher elastisch und innen eher starr ist.
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Um eine solche Materialcharakteristik für solch einen Gegenstand zu erreichen, existiert das sogenannte Zwei- bzw. Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren. Beim Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren wird eine erste Spritzguss-Form hergestellt. Hierauf wird ein Material in diese erste Spritzguss-Form eingespritzt. Dann lässt man das Kunststoffmaterial so lange in der Spritzguss-Form, bis das Kunststoffmaterial ausgehärtet ist. Dann wird dieser „Kern” in eine zweite größere Spritzguss-Form eingebracht. Diese Kunststoffspritzguss-Form ist derart beschaffen, dass sie an den Stellen, an denen der Kern nicht die Außenoberfläche des Werkstücks darstellen soll, Platz lässt. Hierauf wird in die zweite Spritzguss-Form das zweite Kunststoffmaterial eingespritzt, das an all den Stellen, an denen die zweite Spritzguss-Form Luft gelassen hat, platziert wird und den Kern, der aus dem ersten Material besteht, damit formschlüssig umgibt.
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Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Material zwar formschlüssig stattfindet, dass also das zweite Material, das gewissermaßen eine Hülle über dem ersten Material darstellt, an seiner Innenseite die Form des ersten Materials annimmt, da es ja um dieses herumgespritzt worden ist. Allerdings verbinden sich die beiden Materialien nicht, so dass keine Kraftschlüssigkeit auftritt. Mit anderen Worten wird zwischen dem ersten Spritzguss-Material und dem zweiten Spritzguss-Material keine Verbindung eingegangen, sondern die Materialien haften lediglich aneinander aufgrund der vorhandenen Formschlüssigkeit. Sie haften jedoch nicht aneinander basierend auf einer Kraftschlüssigkeit. Das liegt daran, dass das erste Material bereits ausgehärtet war, bevor es in Kontakt mit dem zweiten Material kam. Dies ist jedoch beim Zweikomponenten-Spritzgussverfahren nicht vermeidbar, weil nach dem Spritzen des ersten Materials der Kern aus der Spritzguss-Form für das Spritzen des ersten Materials entnommen werden muss, um in die Spritzguss-Form eingebracht zu werden, die die Oberfläche des zweiten Materials definiert. Hätte man den Kern aus dem ersten Material nicht abkühlen lassen, so wäre bei der Entnahme des Kerns aus erstem Material ein Formverzug aufgetreten, der natürlich zu vermeiden ist.
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Spritzguss-Werkstücke, die mit einem solchen Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt worden sind, haben daher eine reduzierte Festigkeit, was insbesondere dann ein gravierendes Problem wird, wenn das Kunststoffspritzguss-Werkstück ein rotierender Gegenstand ist, da dann die Fliehkraft die äußere Hülle gewissermaßen von dem inneren Bereich, also dem Kern „wegreißt”. Bei rotierenden Gegenständen, wie beispielsweise Rädern, z. B. Lüftungsrädern, kann dies dazu führen, dass die Räder ab einer bestimmten Drehzahl instabil werden können, also brechen, weil der äußere Bereich aufgrund der nichtvorhandenen Kraftschlüssigkeit vom inneren Bereich nicht mehr „gehalten” wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kunststoffspritzguss-Konzept im Hinblick auf die Herstellung und im Hinblick auf Kunststoffspritzguss-Werkstücke zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kunststoffspritzguss-Werkstück nach Patentanspruch 1 oder ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks nach Patentanspruch 16 oder einer Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks nach Patentanspruch 25 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass stabile Kunststoffspritzguss-Werkstücke aus zwei Materialien dadurch erreicht werden können, dass zwischen den beiden Bereichen, die aus den verschiedenen Materialien bestehen, ein Schnittstellenbereich bzw. Übergangsbereich vorhanden ist, in dem das erste Material in das zweite Material kontinuierlich übergeht.
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Vorzugsweise ist dieser Übergangsbereich oder Schnittstellenbereich mindestens 0,1 oder vorzugsweise mindestens 0,2 mm breit und kann je nach Ausführungsform und verwendeten Materialien eine Breite von bis zu 5 mm bzw. vorzugsweise bis zu 2 mm einnehmen.
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Im Hinblick auf die Herstellung des Kunststoffspritzguss-Werkstücks wird zunächst eine Kunststoffspritzguss-Form bereitgestellt. Hierauf wird das erste Kunststoff-Material; das eine erste Eigenschaft hat, in die Kunststoffspritzguss-Form eingespritzt, um einen ersten Bereich des Kunststoffspritzguss-Werkstücks zu bilden. Daraufhin wird ein zweites Kunststoffspritzguss-Material mit einer zweiten Eigenschaft nach dem Einspritzen des ersten Kunststoffspritzguss-Materials in dieselbe Kunststoffspritzguss-Form eingespritzt. Dadurch wird der zweite Bereich des Kunststoffspritzguss-Werkstücks erhalten. Dann wird das Kunststoffspritzguss-Werkstück nach einem Aushärten des ersten Kunststoffspritzguss-Materials und des zweiten Kunststoffspritzguss-Materials aus der Spritzguss-Form entfernt.
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Dadurch, dass das zweite Kunststoffspritzguss-Material gewissermaßen „auf” das bereits in der Form befindliche erste Kunststoffspritzguss-Material gespritzt wird, bildet sich der Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Material, weil das erste Material noch nicht ausgehärtet ist, sondern nach wie vor flüssig ist, und zwar in dem Moment, in dem es von dem zweiten Material „getroffen” bzw. „verdrängt” wird. Es sei darauf hingewiesen, dass das Verdrängen bereits dadurch stattfindet, dass das zweite Material unmittelbar nach dem ersten Material gewissermaßen ohne Unterbrechung eingespritzt wird, dass also das erste und das zweite Material in einem durchgehenden ununterbrochenen Spritzgussvorgang eingespritzt werden
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Dadurch bildet sich der kontinuierliche Übergangsbereich zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material, in dem kontinuierliche Mischungsverhältnisse vorhanden sind, in dem also an einer bestimmten Stelle innerhalb eines Übergangsbereichs, z. B. in der Mitte des Übergangsbereichs eine Materialmischung vorhanden ist, die zu 50% aus dem ersten Material und zu 50% aus dem zweiten Material besteht. Je nachdem, in welche Richtung man den Übergangsbereich beschreitet, nimmt der Volumenanteil des ersten Materials ab und nimmt gleichermaßen der Volumenanteil des zweiten Materials zu bzw. umgekehrt, wenn man den Übergangsbereich in der anderen entgegengesetzten Richtung durchschreitet.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der erste und der zweite Bereich nicht mehr im Gegensatz zum zweiten Komponenten-Spritzgussverfahren nur formschlüssig ist, sondern auch kraftschlüssig. Die Kraftschlüssigkeit ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass sich in dem Übergangsbereich Mischungsverhältnisse der beiden Materialien ergeben, die dadurch erreicht worden sind, dass das erste Material nicht, wie im Kunststoffspritzguss-Verfahren abgekühlt worden ist, bevor es in Kontakt mit dem zweiten Material gekommen ist, sondern weil das zweite Material in seiner flüssigen bzw. viskosen Zustandsform auf das erste Material aufgetroffen ist, das ebenfalls noch in seiner flüssigen bzw. viskosen Zustandsform war.
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Bevorzugte Kunststoffspritzguss-Werkstücke umfassen Hinterschnitt-Strukturen, also Strukturen, in denen die Flussrichtung des Spritzguss-Materials zum Zeitpunkt des Spritzens zumindest eine Richtungskomponente hat, die entgegengesetzt zu einer Einspritzrichtung gerichtet ist, die sich dadurch ergibt, dass das Spritzguss-Material an dem nahen Ende des Spritzguss-Werkstücks bzw. der entsprechenden Form eingespritzt worden ist.
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Besonders vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Konzept für Kunststoffspritzguss-Werkstücke, bei denen solche Hinterschnitt-Strukturen spitz zulaufen. Aufgrund des seriellen Einspritzens von unterschiedlichen Materialien in ein und dieselbe Form werden Spitzenbereiche typischerweise vollständig aus dem ersten Material gebildet und das zweite Material bildet einen nach und nach größer werdenden „Kern” innerhalb des ersten Materials erst weiter ab von den Spitzenbereichen. Damit können bestimmte Bereiche eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks gezielt aus dem ersten Material gefertigt werden, das dann die Eigenschaften hat, die für diese Spitzenbereiche optimal ist, wie beispielsweise eine hohe Elastizität, während die Kernbereiche in Hinterschnitt-Strukturen oder in Stammstrukturen aus dem zweiten Material gebildet werden, das eine hohe Härte, bzw. Festigkeit hat, dafür jedoch nicht so elastisch ist. Solche Verhältnisse sind besonders bei rotierenden Rädern günstig, wie sie beispielsweise Lüftungsräder sind oder auch beliebige andere Räder, die dazu verwendet werden, um Fluide, wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase zu bewegen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf den beiliegenden Seiten detailliert erläutert:
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1a ein Kunststoffspritzguss-Werkstück gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b einen vergrößerten Ausschnitt des Kunststoffspritzguss-Werkstücks von 1a, in dem der Schnittstellenbereich bzw. Übergangsbereich vorhanden ist, wobei ferner Materialmischungsverhältnisse in dem Schnittübergangsbereich dargestellt sind;
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2a eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellung eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks;
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2b eine beispielhafte Steuertabelle zum Steuern der Dosierer von 2a;
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3a ein Kunststoffspritzguss-Werkstück in Form eines Rads mit Hinterschnitt-Strukturen, die beispielsweise Schaufeln darstellen können;
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3b eine Darstellung der Flussrichtungen des Kunststoffspritzguss-Materials in der Stammstruktur und in der Hinterschnitt-Struktur; und
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4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellung ein Kunststoffspritzguss-Werkstücks.
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1a zeigt ein Kunststoffspritzguss-Werkstück 10 mit einem ersten Bereich 12, der von links unten nach rechts oben schraffiert ist und aus einem ersten Kunststoff-Material mit einer ersten Eigenschaft besteht. Dieses Kunststoff-Material könnte beispielsweise PEEK ohne eingelegte Fasern sein (PEEK = Polyether-Ether-Ketone).
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Das Kunststoffspritzguss-Werkstück umfasst ferner einen zweiten Bereich, der von links oben nach rechts unten schraffiert ist und bei 14 dargestellt ist. Der zweite Bereich 14 besteht aus einem zweiten Kunststoff-Material mit einer zweiten Eigenschaft, wobei sich die zweite Eigenschaft von der ersten Eigenschaft unterscheidet. Das zweite Kunststoff-Material könnte beispielsweise PEEK mit eingelegten Glasfasern oder Kohlestoff-Fasern oder anderen Fasern sein. Alternativ könnte das erste Material auch PEEK mit einem ersten Faseranteil sein, und könnte das zweite Material PEEK mit einem anderen, sich vom ersten Material unterscheidenden Faseranteil sein. Es sei darauf hingewiesen, dass auch beliebige andere Kunststoffspritzgussmaterialien als erstes Material, zweites Material, bzw. n-tes Material verwendet werden können, wie z. B. beliebige thermoplastische Materialien.
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An der Schnittstelle zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich existiert ein Übergangsbereich, der in 1b mit 16 dargestellt ist, und der eine Breite B aufweist. In dem Übergangsbereich 16 geht das erste Kunststoffmaterial in das zweite Kunststoffmaterial kontinuierlich über. Im Gegensatz zu einem Zweikomponenten-Spritzgussverfahren, bei dem kein Übergangsbereich existiert, sondern an der Schnittstelle zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material ein abrupter Übergang vom ersten Material in das zweite Material stattfindet, existiert bei der vorliegenden Erfindung ein kontinuierlicher Übergang, der sich dadurch auszeichnet, dass die Volumenanteile der Materialien über der Breite x für das erste Material von 100% auf 0% abnehmen und für das zweite Material von 0% auf 100% zunehmen, wie es in 1b rechts gezeigt ist. Damit existiert in dem Übergangsbereich auch ein Bereich, z. B. bei B/2, der mit 18 bezeichnet ist und z. B. der Mittelbereich des Übergangsbereichs 16 sein kann, an dem die Volumenanteile des ersten und des zweiten Materials zu 50% jeweils existieren. Durch diesen kontinuierlichen Übergangsbereich, der sich durch Mischmaterialien zwischen dem ersten und dem zweiten Material auszeichnet, wird neben der Formschlüssigkeit auch eine nahezu 100%ige Kraftschlüssigkeit erreicht, was sich in der Anwendung insbesondere bei rotierenden Gegenständen dadurch bemerkbar macht, dass eine Festigkeit von nahezu 100% vorhanden ist, also eine Festigkeit, die in die Bereiche kommt, die erreicht werden würden, wenn das gesamte Kunststoffspritzguss-Werkstück aus ein und denselben Materialien in einer einzigen Spritzguss-Form gespritzt worden wäre. Allerdings haben nunmehr gezielte Bereiche des Spritzguss-Werkstücks Eigenschaften, die durch die Materialwahl einstellbar sind und den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden können. Insbesondere bei Rädern, wie beispielsweise Lüftungsrädern oder anderen Rädern, die zum Transport von Fluiden, wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Gasen dienen, können nunmehr Fliehkräfte aus dem äußeren Bereich, der zum Beispiel elastischer als der innere Bereich sein sollte, den Spritzguss-Werkstücken nichts mehr anhaben.
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Die in 1b gezeigte Breite B des Übergangsbereichs 16 kann auf verschiedene Art und Weise gemessen werden. Handelt es sich beim Spritzguss-Werkstück um ein rotationssymmetrisches Werkstück, so wird die Breite B radial von der Rotationssymmetrieachse des Werkstücks nach außen gemessen. Ist das Kunststoff-Spritzguss-Werkstück eher punktsymmetrisch, so wird die Breite vom Mittelpunkt des Werkstücks nach außen gemessen. Ist das Kunststoff-Spritzguss-Werkstück rechteckig bzw. rechtwinklig symmetrisch, so hat es ebenfalls eine Symmetrieachse bzw. sogar einen Mittelpunkt, wie beispielsweise ein Quadrat oder ein Quader, von dem die Breite zu einer Seite des Werkstücks gemessen wird, und zwar, wie üblich in der Technik, in der Richtung des kürzesten Abstands vom Mittelpunkt bzw. einer Symmetrieachse zu der entsprechenden Seite. Entsprechend kann die Breite des Übergangsbereichs bei beliebig geformten Kunststoffspritzguss-Werkstücken immer dahin gehend sinnvoll gemessen werden, dass der Übergangsbereich bzw. die Schnittstelle zwischen dem ersten Bereich und dem ersten Material und dem zweiten Bereich mit dem zweiten Material auf kürzestem Weg bzw. in senkrechter Richtung durchschritten wird. Auch zu beliebig geformten Schnittstellen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich kann eine senkrechte Richtung auf einem Oberflächenelement, das die Schnittstelle darstellt, konstruiert werden, wobei diese senkrechte Richtung dann die Richtung darstellt, in der die Breite des Schnittstellenbereichs bzw. Übergangsbereichs gemessen werden kann.
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Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel, welches einen Querschnitt durch ein z. B. rundes oder eckiges Werkstück darstellt, hüllt der erste Bereich aus dem ersten Material, der zuerst eingespritzt wird, den zweiten Bereich, der nach dem Spritzen des ersten Bereichs in dieselbe Form eingespritzt wird, in der sich bereits das erste Material befindet, ein.
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Nachfolgend wird anhand der 3a und 3b ein Kunststoffspritzguss-Werkstück gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, das ebenso wie das Spritzguss-Werkstück in 1a den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 sowie den Übergangsbereich 16 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 aufweist. Darüber hinaus umfasst das Kunststoffspritzguss-Werkstück in 3a einen dritten Bereich 20, der nach dem Spritzen des zweiten Bereichs 14 ebenfalls in derselben Spritzguss-Form erzeugt worden ist. Damit bildet sich ein weiterer Übergangsbereich 21 zwischen dem dritten Bereich 20 und dem zweiten Bereich 14 in ähnlicher Form und mit ähnlichen Eigenschaften, wie sie anhand von 1b für den ersten Übergangsbereich 16 beschrieben worden sind. Darüber hinaus umfasst das Spritzguss-Werkstück in 3a eine spezielle Formgebung mit einer Stammstruktur 24 und mehreren Hinterschnitt-Strukturen 26, wobei 3a wieder einen Querschnitt durch ein Spritzguss-Werkstück darstellt. Insbesondere sind die beiden Hinterschnitt-Strukturen, z. B. umlaufende Schaufeln eines Rads zum Transport von Fluiden.
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Darüber hinaus sind in 3a ein fernes Ende 30 und ein nahes Ende 31 dargestellt, wobei an dem nahen Ende das erste Kunststoff-Material und das zweite Kunststoff-Material eingespritzt worden sind, und wobei eine Dicke des ersten Bereichs 12 an dem fernen Ende größer als eine Dicke des ersten Bereichs in der Nähe des nahen Endes ist. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass das erste Kunststoff-Material durch das unmittelbar darauffolgende Einspritzen des zweiten Kunststoff-Materials in einem Spritzgussdurchgang verdrängt wird und daher an allen Stellen die Oberfläche der Spritzguss-Form „benetzt” und somit mit einer bestimmten Dicke vorhanden ist. Diese Dicke nimmt jedoch mit zunehmendem Abstand vom nahen Ende zu, wobei 3a in dieser Hinsicht nicht maßstabsgetreu ist, sondern lediglich als Skizze aufzufassen ist. Auf jeden Fall dient dieser Effekt, also die Verdrängung des ersten Spritzgussmaterials durch das zweiten Spritzguss-Material dazu, dass sich an den Hinterschnitt-Strukturen 26 beispielsweise Spitzenbereiche 33 ausbilden, die vollständig, also durchgehend über das Volumen betrachtet aus dem ersten Material gebildet sind, wobei dann in an den Spitzen anschließenden Bereichen der zweite Bereich erst anfangt und mit zunehmendem Abstand von dem Spitzenbereich immer dicker wird, wie es z. B. auch bei dem angrenzenden Bereich 34 gezeigt ist.
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Das Kunststoffspritzguss-Werkstück in 3b umfasst also eine Hinterschnitt-Struktur, die eine Spitze des Kunststoffspritzguss-Werkstücks darstellt, wobei der Spitzenbereich 33, der die Spitze aufweist, vollständig aus dem ersten Kunststoff-Material besteht und wobei in dem an den Spitzenbereich angrenzenden Bereich 34 das zweite Kunststoff-Material vorhanden ist, das von dem ersten Kunststoff-Material umgeben ist und in einer von der Spitze weg gerichteten Richtung kontinuierlich dicker wird.
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Wie es bereits dargelegt worden ist, umfasst das Spritzguss-Werkstück in 3a eine Hinterschnitt-Struktur 26, die an einer Stammstruktur 24 angeordnet ist, wobei die Hinterschnitt-Struktur eine Richtung aufweist, die bezüglich einer Richtung der Stammstruktur einen spitzen Winkel hat und zumindest eine zur Richtung der Stammstruktur entgegengesetzte Richtungskomponente aufweist. Diese Situation ist in 3b näher dargestellt. So ist die Spritzgussrichtung, also die Richtung, in der sich das Spritzguss-Material dann, wenn es in die Form eingespeist wird, in Darstellungsrichtung von unten nach oben gerichtet, wie es bei 40 dargestellt ist. Das Material fließt dann während des Spritzgießens in die Hinterschnitt-Struktur mit einer Hauptflussrichtung ein, die in 3b bei 42 angezeigt ist. Zerlegt man die Flussrichtung 42 im Hinterschnitt in die beiden Richtungskomponenten, also in eine zur Hauptflussrichtung 40 parallele Komponente und in eine dazu orthogonale Komponente, so ergibt sich eine Richtungskomponente 44, die im Hinterschnitt auftritt und entgegengesetzt zur Hauptflussrichtung 40 gerichtet ist. Gerade hier zeigt sich die besondere Stärke des erfindungsgemäßen Konzepts, weil auch Hinterschnitte aus zwei Materialien hergestellt werden können, wobei das erste Kunststoff-Material, das den ersten Bereich 12 bildet, die Spitzenbereiche sogar vollständig ausfüllt, aber das zweite Material dennoch in die Hinterschnitt-Strukturen 26 hineinfließt, um dort zumindest den Kernbereich der Hinterschnitt-Struktur zu verstärken. Gerade bei rotierenden Gegenständen ist dies und insbesondere auch durch die erfindungsgemäß erreichte Kraftschlüssigkeit von großem Vorteil, da dann die Kräfte nicht mehr zur Zerstörung insbesondere der ansonsten eher empfindlicheren Hinterschnitt-Strukturen führen können.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Kunststoffspritzguss-Werkstück als rotierbares Rad ausgebildet, das eine Mehrzahl von Schaufeln, wie die Hinterschnitt-Strukturen 26 an der Stammstruktur 24 aufweist, wobei eine Oberfläche der Stammstruktur und eine Oberfläche der Schaufeln durchgehend aus dem Kunststoff-Material gebildet sind und damit den ersten Bereich bilden, und wobei der zweite Bereich innerhalb des ersten Bereichs sowohl in der Stammstruktur als auch in den Schaufeln gebildet ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Spritzguss-Werkstück, wie es in 3a dargestellt ist, einen dritten Bereich, nämlich den Bereich 20 aus dem dritten Kunststoff-Material, da es eine dritte Eigenschaft hat, die sich zumindest von der zweiten Eigenschaft, also der Eigenschaft des zweiten Bereichs 14 unterscheidet, die sich jedoch zusätzlich auch noch von der Eigenschaft des ersten Materials unterscheidet, jedoch nicht muss. So könnte es durchaus eine Anforderung sein, ein Kunststoffspritzguss-Werkstück herzustellen, das z. B. eine elastische äußere Oberfläche benötigt, die einen sehr harten nicht-elastischen Bereich überdeckt, der wiederum von einem elastischen Kern ausgefüllt ist.
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Der Übergangsbereich ist, wie es anhand von 1b bereits dargestellt worden ist, vorzugsweise zumindest 0,1 oder 0,2 mm groß und vorzugsweise kleiner als 5 mm oder 2 mm, wobei je nach Ausführungsform bzw. je nach verwendeten Materialien die Übergangsbereiche auch vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm liegen.
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Wie es bereits dargestellt worden ist, sind das erste Kunststoff-Material und das zweite Kunststoff-Material Materialien, die aus ein und demselben Grundmaterial bzw. Matrix-Material bestehen, wie beispielsweise PEEK, wobei die beiden Materialien sich dadurch unterscheiden, dass das eine Material mehr oder weniger an eingelegten Fasern bzw. anderen eingelegten Stoffen als das andere Material hat, so dass sich aufgrund der eingelegten Stoffe, wie beispielsweise der Fasern eine bestimmte Eigenschaft des jeweiligen Materials im Vergleich zu einem Material mit einem anderen Anteil an Fasern bzw. keinen Fasern verändert.
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Alternativ können jedoch auch zwei unterschiedliche Basismaterialien verwendet werden, da aufgrund des erfindungsgemäßen Konzepts ein Übergangsbereich erreicht wird, in dem sich die beiden Materialien mischen, indem also Volumenbereiche vorhanden sind, in dem die beiden Materialien mit zu 100% unterschiedlichen Menge vorhanden sind, wodurch die erfindungsgemäße Kraftschlüssigkeit erreicht wird. Werden jedoch Materialien aus demselben Grundmaterial mit einem unterschiedlichen Anteil von Fasern nacheinander in dieselbe Form eingespritzt, so wird sich der Übergangsbereich dadurch auszeichnen, dass die Anzahl von Fasern pro Volumeneinheit des Materials mit der geringeren Anzahl von Fasern an der Grenze des Übergangsbereichs 16 kontinuierlich zunimmt und dann an der anderen Grenze des Übergangsbereichs 16 einen Wert erreicht, der durch das zweite Kunststoff-Material gegeben ist. Die Eigenschaften umfassen eine oder mehrere der nachfolgend genannten Eigenschaften, die die Elastizität, die Temperaturstabilität, die Härte, die Steifigkeit, die Zugfestigkeit oder die Schlagfestigkeit umfassen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks, mit folgenden Schritten:
Ein erster Schritt 400 umfasst das Bereitstellen einer Spritzguss-Form, und zwar einer Spizguss-Form, die die äußere Dimension des Kunststoffspritzguss-Werkstücks aus zwei oder mehreren kraftschlüssigen Materialien definiert. Dagegen ist die erste Spritzguss-Form beim Zweikomponenten-Spritzgussverfahren nicht die Spritzgussform, die die Außenform des Spritzguss-Werkstücks definiert, sondern die Form, die die Form des inneren Kerns aus dem einen Material definiert. In einem Schritt 420 wird dann das erste Kunststoff-Material mit der ersten Eigenschaft in die Kunststoffspritzguss-Form, die im Schritt 400 bereitgestellt worden ist, eingespritzt, um den ersten Bereich 12 des Kunststoffspritzguss-Werkstücks zu bilden. Dann wird in einem Schritt 440 das zweite Kunststoff-Material mit der zweiten Eigenschaft nach dem Einspritzen des ersten Kunststoff-Materials im Schritt 420 in dieselbe Kunststoffspritzguss-Form, die im Schritt 400 bereitgestellt worden ist, eingespritzt, wobei dieses Einspritzen zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem das erste Kunststoff-Material noch viskos ist und durch das zweite Kunststoff-Material verdrängt wird und insbesondere mit dem zweiten Material den Übergangsbereich bildet. Das Einspritzen des zweiten Materials findet vorzugsweise unmittelbar nach dem Einspritzen des ersten Materials in einem ununterbrochenen Durchgang statt. Alternativ kann das zweite Material jedoch gewissermaßen mit einer Pause eingespritzt werden, bevor das erste Material um 30° oder 50° oder auf seine Erstarrungstemperatur abgekühlt ist, wie es jedoch beim Zweikomponenten-Spritzgussverfahren der Fall ist, wo das erste Material sogar deutlich unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt wird.
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Das Einspritzen des zweiten Kunststoff-Materials im Schritt 440 bildet somit den Übergangsbereich 16 und den zweiten Bereich 14 des Kunststoffspritzguss-Werkstücks aus. Erst nach dem Einspritzen des zweiten Kunststoff-Materials und ggf. noch weiteren Materialien, wie es anhand von 3a dargestellt worden ist, wird das Kunststoffspritzguss-Werkstück nach einem Aushärten des ersten Kunststoff-Materials und des zweiten Kunststoff-Materials aus der Spritzguss-Form, die im Schritt 400 bereitgestellt worden ist, entfernt, wie es bei 460 in 4 dargestellt ist.
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2a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst eine Spritzguss-Zuführvorrichtung 50 zum Einspritzen eines ersten Kunststoff-Spritzguss-Materials mit einer ersten Eigenschaft in eine Kunststoffspritzguss-Form 58, um einen ersten Bereich des Kunststoffspritzguss-Werkstücks zu bilden, und zum Einspritzen eines zweiten Kunststoff-Materials mit einer zweiten Eigenschaft nach dem Einspritzen des ersten Kunststoff-Materials in dieselbe Kunststoffspritzguss-Form 58, um einen zweiten Bereich des Kunststoffspritzguss-Werkstücks zu bilden, wobei sich die zweite Eigenschaft von der ersten Eigenschaft unterscheidet. Ferner ist einer Kunststoff-Material-Steuerungseinrichtung 60a, 60b, 60c, 62 zum gesteuerten Dosieren des ersten Kunststoff-Materials und des zweiten Kunststoff-Material Kunststoff-Materials in eine Zuführeinrichtung 54, die mit einer Spritzgussdüse 56 verbindbar ist, vorgesehen.
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Insbesondere hat die Spritzguss-Fördereinrichtung einen Einfüllbereich 52, der als Trichter schematisch gezeichnet ist, und der ausgebildet ist, um Kunststoffspritzguss-Granulat aufzunehmen. Das Spritzguss-Material wandert von dem Trichter in eine Förderstrecke 54, wobei hierbei z. B. Schnecken-Fördereinrichtungen oder ähnliche Fördereinrichtungen verwendet werden können. Während des Förderns vom Einfüllbereich 52 zur Spritzdüse 56, die mit der Spritzform 58 gekoppelt ist, wird das Kunststoff-Granulat einer Behandlung mit Temperatur und Druck ausgesetzt, um flüssig zu werden.
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Um das erste Material einzufüllen, ist eine weitere Dosiereinrichtung 60a vorhanden. Darüber hinaus ist eine Dosiereinrichtung 60b vorhanden, um ein zweites Material einzufüllen. Ferner ist eine weitere Dosiereinrichtung 60c vorhanden, um ein n-tes Material einzufüllen, wobei n gleich drei oder größer ist, je nachdem, wie viele verschiedene Materialien in ein und dieselbe Spritzform 58 eingespritzt werden sollen. Die Dosiereinrichtung in 60a–60c werden vorzugsweise von einer Dosiersteuerung 62 gesteuert, die ausgebildet ist, um zu bestimmten Zeitpunkten Ti die einzelnen Dosiereinrichtungen 60a–60c selektiv auf- bzw. zuzumachen. Eine beispielhafte Steuerung, die von der Dosiersteuerung 62 in 2a ausgeführt werden kann, ist anhand der Steuertabelle 64 in 2b gezeigt. So wird davon ausgegangen, dass die Dosiereinrichtung 60a, die auch mit D1 bezeichnet ist, das erste Material umfasst, die Dosiereinrichtung D2, die mit 60b bezeichnet ist, das zweite Material umfasst und die Dosiereinrichtung 60c, die mit Dn bezeichnet ist, das dritte Material umfasst, das in dem Kunststoffspritzguss-Werkstück von 3a vorhanden ist. Zu einem ersten Zeitpunkt wäre dann nur die Dosiereinrichtung D1 auf und die beiden anderen Dosiereinrichtungen wären geschlossen. Zu einem späteren Zeitpunkt, an dem die Dosierung des ersten Materials geschlossen ist, ist dann lediglich die zweite Dosiereinrichtung D2 auf. Schließlich ist dann, wenn die Dosierung des zweiten Materials ebenfalls zu Ende ist, lediglich die dritte Dosiereinrichtung auf. Die Dosiereinrichtungen D1, D2, D3 sind somit zu im wesentlichen nicht-überlappenden Zeitperioden geöffnet, so dass sich in der Zuführeinrichtung 54 eine Schichtung aus dem ersten Material 66a, dem zweiten Material 66b und dem dritten Material 66c ergibt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass bei der Temperatur- und Druckbehandlung in der Zuführeinrichtung 54 in Zuführrichtung, wie sie in 2a eingezeichnet ist, die Material-„Schichtung”, wie sie im Einfüllbereich 52 eingebracht worden ist, im Wesentlichen hält. Damit findet ein unmittelbar aneinander anschließendes Einspritzen der unterschiedlichen Materialien in ein und dieselbe Spritzgussform statt, womit die Werkstücke erzeugt werden können, die nicht nur eine Formschlüssigkeit, sondern auch eine Kraftschlüssigkeit zwischen den unterschiedlichen Materialien haben, und dies nicht nur in den eher einfach zu spritzenden Stammstrukturen, sondern auch in nahezu beliebig geformten Hinterschnitt-Strukturen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Spritzguss-Fördereinrichtungen auch alternativ zu dem in 2a gezeigten schematischen Beispiel aufgebaut sein können. So können auch z. B. mehrere Trichter 52 seriell zueinander angeordnet sein, sofern dann, vor dem Spritzen in die Spritzform, also in einen Bereich vor der Düse 56 die „Materialschlange” aus unterschiedlichen Materialien stattfindet, die in der Verarbeitung in der Zuführeinrichtung 54 nicht miteinander vermischt worden sind, sondern relativ gut abgegrenzt zum Einspritzen vorwärts transportiert werden.
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Die Dosiersteuerung 62 ist insbesondere ausgebildet, um die Ventile bzw. die Schieber der einzelnen Dosiereinrichtungen 60a–60c lediglich so lange zu öffnen, dass, zumindest bezüglich des ersten Materials nur so viel erstes Material in die Zuführeinrichtung 54 gerät, dass nur ein Teil des Gesamtvolumens der Spritzguss-Form ausgefüllt wird. Die Menge des zweiten Materials, das durch die Dosiereinrichtung 60b gesteuert wird, ist dann so groß, dass das gesamte Volumen der Spritzform 58 ausgefüllt wird, wenn nur zeit Materialien gespritzt werden, oder ist lediglich so groß, dass auch noch ein Volumen an einem dritten Material der Spritzform 58 „Platz hat”.
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Obgleich vorstehend Aspekte der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf das Kunststoffspritzguss-Werkstück dargelegt worden sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Aspekte gleichermaßen auch eine Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen bzw. der Vorrichtung zum Herstellen des Kunststoffspritzguss-Werkstücks darstellen. Dasselbe gilt auch umgekehrt. Daher sind auch Darlegungen in Verbindung mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststoffspritzguss-Werkstücks als Erläuterungen des Kunststoffspritzguss-Werkstücks an sich anzusehen.
