DE102014223161A1

DE102014223161A1 - Werkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils

Info

Publication number: DE102014223161A1
Application number: DE102014223161.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Hansmann
Original assignee: HOCHSCHULE WISMAR
Current assignee: HOCHSCHULE WISMAR
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-05-19
Also published as: WO2016075042A1

Abstract

Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils, wobei das Werkzeug einen Werkzeughohlraum umfasst, in den eine Kunststoffschmelze einbringbar ist, wobei zumindest auf einem Teil einer Oberfläche des Werkzeughohlraums eine thermisch isolierende Beschichtung angeordnet ist, wobei die Beschichtung als glasartige Beschichtung ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 7.
Mikroschaumspritzguss weist eine Reihe von bekannten technologischen und anwenderspezifischen Vorteilen auf, Beispiele waren unter anderem eine mögliche Gewichtsreduzierung der Bauteile, ein geringer Einspritzdruckbedarf und eine niedrige Verarbeitungstemperatur. Beim Mikroschaumspritzguss kommen chemische Treibmittel und/oder physikalische Schäumungsverfahren zum Einsatz.
Das Verfahren des physikalischen Schäumens beruht darauf, dass ein geeignetes Gas, in der Regel Stickstoff, oder in manchen Fällen auch Kohlenstoffdioxid, im sogenannten überkritischen Zustand innerhalb eines Plastifizieraggregates unter hohem Druck mittels einer Injektordüse in die Kunststoffschmelze eingebracht wird, sich dort vollständig in der Kunststoffschmelze löst und erst infolge des Druckabfalls beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in einen Werkzeughohlraum wieder aus der Lösung austritt und kleine Gasblasen bildet.
Der Prozess der Gasblasenbildung und die daraus resultierende Schaumstruktur im Spritzgussteil sind von vielen Faktoren, wie der Schmelztemperatur, der Werkzeugtemperatur, dem Staudruck oder der Fließkanalgeometrie abhängig. Insbesondere die Gasart, der Beladungsgrad der Schmelze mit Gas sowie Art und Zusammensetzung der Kunststoffschmelze (Polymertyp, Additive) bestimmen den Prozess der Schaumbildung. Angestrebt wird hierbei eine möglichst feinzellige Schaumstruktur, weshalb der Prozess unter der Bezeichnung „Mikroschaumspritzguss“ bekannt ist. Ein bekanntes Mikroschaumspritzgussverfahren ist das sog. „Mucell“-Verfahren der Firma Trexel.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch einen Nachteil auf, der sich insbesondere optisch im Aussehen der Bauteiloberfläche negativ bemerkbar macht: Nach diesem Verfahren hergestellte Spritzgussteile wiesen häufig Oberflächenfehler auf, die als „Gasschlieren“ bezeichnet werden.
In der Druckschrift DE 10 2006 013 368 A1 ist ein Spritzgießwerkzeug offenbart, bei der die Kontakttemperatur zwischen der Kunststoffschmelze und einer Oberfläche des Werkzeughohlraums erhöht werden kann. Es wird hierzu der Werkzeughohlraum durch einen keramischen Werkzeugeinsatz oder durch eine keramische Schicht ausgekleidet. Die isolierende Wirkung der keramischen Schicht bewirkt eine Erhöhung der Kontakttemperatur, was zu einer verbesserten Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze führt.
Ferner ist es aus der Druckschrift DE 10 2011 087 888 A1 bekannt, die Oberfläche des Hohlraums eines Werkzeugs zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils thermisch isolierend zu beschichten, wobei Keramik- oder Polymerbeschichtungen als thermisch isolierende Schichten vorgeschlagen werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils bereitzustellen, bei denen die Ausbildung von Gasschlieren reduziert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils vorgeschlagen, wobei das Werkzeug einen Werkzeughohlraum umfasst, in den eine Kunststoffschmelze einbringbar ist, wobei zumindest auf einem Teil einer Oberfläche des Werkzeughohlraums eine thermisch isolierende Beschichtung angeordnet ist, wobei die Beschichtung als glasartige Beschichtung ausgeführt ist. Durch die erfindungsgemäße Beschichtung kann die im Verfahren auftretende Kontakttemperatur zwischen Kunststoffschmelze und Werkzeugwand angehoben werden. Die erhöhte Temperatur führt dazu, dass die Kunststoffschmelze an der Werkzeugwand nicht schlagartig erkaltet, wie dies in einem nicht erfindungsgemäßen Werkzeug ohne glasartige Beschichtung der Fall wäre. Vielmehr bleibt die Kunststoffschmelze, nachdem sie in den Werkzeughohlraum eingespritzt wurde, auch an den Wandbereichen des Werkzeughohlraums noch eine gewisse Zeit ausreichend fließfähig, um die Oberflächenstrukturen, die sich als Gasschlieren bemerkbar machen, wieder einzuebnen, so dass sich die Kunststoffschmelze vor der Erstarrung vollständig an die Werkzeugwand bzw. an die Beschichtung der Werkzeugwand anlegt.
Eine glasartige Beschichtung im Sinne der Erfindung ist eine Beschichtung aus einem Glas, insbesondere einem Silikatglas oder einer Emailschicht. Vorzugsweise kann diese glasartige Schicht auch nichtmetallische Füllstoffe, wie z.B. keramische Phasen, enthalten. Vorteilhaft ist der Hauptbestandteil der glasartigen Beschichtung Glas oder Email; vorzugsweise besteht die glasartige Beschichtung damit zu wenigstens 50 Gew.-% aus Glas oder Email. Der Vorteil einer glasartigen Beschichtung im Sinne der Erfindung gegenüber einer rein keramischen Beschichten besteht insbesondere darin, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der glasartigen Beschichtung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten eines mit der glasartigen Beschichtung überzogenen Grundmaterials des Werkzeugs angepasst werden kann. Vorzugsweise besteht das Grundmaterial des Werkzeugs aus Stahl. Durch die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten werden thermische Spannungen reduziert, so dass die Gefahr des Abplatzens unter thermischer bzw. mechanischer Belastung, wie sie im Spritzgussprozess auftritt, verringert wird. Glasartige Beschichtungen weisen darüber hinaus den Vorteil auf, dass ihre Wärmeleitfähigkeit im Allgemeinen geringer ist als die der rein keramischen Schichten. Hierdurch bedingt kann der durch die glasartige Beschichtung erzielte Effekt der Reduzierung der Kontakttemperatur gegenüber einer keramischen Beschichtung weiter verbessert werden.
Vorteilhaft weist die thermisch isolierende Beschichtung eine geringere thermische Leitfähigkeit auf als das von ihr beschichtete Material des Werkzeugs. Das beschichtete Material kann beispielsweise der Stahl der Werkzeughohlraumwände sein, die den Werkzeughohlraum umgeben. Neben der Vermeidung von Gasschlieren können dadurch auch weitere ungewünschte Oberflächenstrukturen, die sich beim Zusammenfließen zweier Schmelzfronten ausbilden können, reduziert bzw. vermieden werden. Beispielsweise können die ungewünschten Oberflächenstrukturen, die infolge von unterschiedlichen Orientierungen von partikelförmigen, insbesondere faserförmigen oder plättchenförmigen Additiven entstehen können, reduziert bzw. vermieden werden.
Die Verringerung der Erstarrungsgeschwindigkeit der Kunststoffschmelze an der Werkzeugwand führt infolge der Erhöhung der Kontakttemperatur dazu, dass die wandnah besonders hohen Molekülorientierungen aufgrund geringerer Abkühlgeschwindigkeit länger Zeit haben zu relaxieren, so dass sich Effekte, die auf dieser Molekülorientierung beruhen, wie zum Beispiel Orientierungseigenspannungen und verminderter Kristallisationsgrad, weniger stark im Spritzgussteil bemerkbar machen.
Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich zwischen 10 und 500 μm auf, weiter vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich zwischen 50 und 250 μm. Diese vergleichsweise dünnen Beschichtungen beeinflussen die Geometrie der hergestellten Spritzgussteile kaum und können dennoch die gewünschten Verbesserungen der Oberflächenqualität der hergestellten Bauteile ermöglichen.
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung ist bevorzugt kleiner als 5 W/(m∙K). Weiter vorzugsweise kann die spezifische Wärmeleitfähigkeit kleiner als 2 W/(m∙K) sein, insbesondere vorzugsweise kleiner als 1,6 W/(m∙K). Diese im Vergleich zu dem Werkzeugmaterial – in der Regel Stahl – vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft zur Realisierung einer erhöhten Temperatur der Kunststoffschmelze im Kontaktbereich zwischen der Kunststoffschmelze und den Werkzeughohlraumwänden.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung als Plasmaspritzschicht, Flammspritzschicht, Emailschicht oder glasartig eingebrannte Schlickerschicht ausgeführt ist. Durch diese Ausführung der Beschichtung kann die glasartige Beschichtung mit der notwendigen Dünne erreicht werden. Ferner ist so eine effizientere Beschichtung des Werkzeugs möglich, so dass eine kostengünstigere Werkzeugherstellung ermöglicht wird. Im Falle einer glasartig eingebrannten Schlickerschicht wird die glasartige Schlickermasse zunächst auf dem Grundmaterial des Werkzeugs aufgetragen und anschließend in einem Ofen bei hoher Temperatur eingebrannt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Temperiereinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Teils der Oberfläche des Werkzeughohlraums vorgesehen ist. Über die Temperiereinrichtung kann die Oberflächentemperatur des Werkzeughohlraums je nach Verfahrensschritt des Spritzverfahrens vorteilhaft eingestellt werden. So kann beispielsweise die Temperatur bei einem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum von der Temperatur nach dem Einbringen abweichen. Durch diese Temperaturregelung bzw. Temperatursteuerung kann die Oberflächenqualität des Spritzgussteils weiter verbessert werden. Insbesondere durch die Kombination der Temperiereinrichtung mit einer glasartigen Beschichtung, die thermisch isolierend wirkt, kann eine energiesparende Erhöhung der Oberflächentemperatur des Werkzeughohlraums erreicht werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils in einem Werkzeug vorgeschlagen, wobei eine Kunststoffschmelze in einen Werkzeughohlraum des Werkzeugs eingebracht wird, wobei auf zumindest einem Teil einer Oberfläche des Werkzeughohlraums eine thermisch isolierende Beschichtung vorgesehen ist, wobei die thermisch isolierende Beschichtung als glasartige Beschichtung ausgeführt ist. Durch das Verfahren wird die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze in einer Randschicht der Werkzeugoberfläche erhöht, so dass sich Mikroschaumspritzgussteile fertigen lassen, die weniger oder keine Gasschlieren auf ihrer Oberfläche aufweisen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Werkzeugtemperatur vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum erhöht wird. Vorzugsweise erfolgt die Erhöhung der Werkzeugtemperatur unmittelbar vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze, wobei die Temperaturerhöhung wenigstens bis zum vollständigen Befüllen des Werkzeughohlraums mit der Kunststoffschmelze aufrechterhalten wird. Vorzugsweise wird dabei die Temperatur des Werkzeugs im Bereich der Oberfläche des Werkzeuginnenraums erhöht, um das Verhalten der Kunststoffschmelze im Randbereich zu der Werkzeugoberfläche zu kontrollieren. Durch die Erhöhung der Temperatur vorzugsweise unmittelbar vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum wird sichergestellt, dass die Kunststoffschmelze ausreichend fließfähig bleibt, so dass Oberflächenfehler, wie z.B. Bindenähte, Zusammenfließnähte und Gasschlieren, eingeebnet werden können.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Werkzeugtemperatur nach dem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum verringert wird. Vorzugsweise erfolgt die Temperaturverringerung auch hier im Bereich der Oberfläche des Werkzeuginnenraums. Das Absenken der Temperatur bewirkt ein schnelleres Abkühlen der Kunststoffschmelze bei einer hohen Oberflächenqualität. Des Weiteren kann damit die Prozesszeit reduziert werden.
Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise die Kunststoffschmelze durch chemische und/oder physikalische Aufschäummittel aufgeschäumt. Aufschäummittel können beispielsweise chemische Treibstoffe umfassen, die in der Kunststoffschmelze aufschäumen. Physikalische Aufschäummittel umfassen beispielsweise Vorrichtungen, durch die ein geeignetes Gas, beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff, vorzugsweise im überkritischen Zustand unter hohem Druck in die Kunststoffschmelze eingebracht wird, woraufhin das Gas aufgrund des Druckabfalls beim Einspritzen in den Werkzeughohlraum aufschäumt.
Das Verfahren wird bevorzugt unter Einsatz eines zuvor beschriebenen Werkzeugs durchgeführt, um die gewünschten gasschlierenfreien Bauteiloberflächen zu realisieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen beschrieben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils modifiziert. Ein übliches Werkzeug mit einem Werkzeughohlraum, in den im Zuge der Herstellung eine Kunststoffschmelze eingespritzt wird, beispielsweise ein Werkzeug zur Durchführung des sogenannten „Mucell“-Verfahrens, wird durch eine glasartige Beschichtung modifiziert, um das Auftreten von Gasschlieren auf den hergestellten Bauteilen zu vermeiden.
Die Entstehung der Gasschlieren ist dadurch zu erklären, dass die Gasblasen in der Kunststoffschmelze, die direkt an der Werkzeugwand aus der Schmelze heraustreten bzw. solche, die infolge der Quellströmung mit der Schmelze an die Werkzeugwand gespült werden, infolge der an der Werkzeugwand anliegenden Drücke in Fließrichtung zwischen Polymerschmelze und Werkzeugwand „ausgedrückt“ werden, wobei sie eine sichtbare Spur auf der Bauteiloberfläche hinterlassen, bei denen es sich um die sogenannten „Gasschlieren“ handelt.
Die glasartige Beschichtung wird vorzugsweise durch eine Emaillierung auf die Oberfläche des Werkzeughohlraums aufgebracht. Weiter vorzugsweise besteht auch die Möglichkeit einer Beschichtung mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen. Auf diese Weise werden die Oberflächen des Werkzeughohlraums mit der glasartigen Beschichtung ausgekleidet.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der glasartigen Beschichtung zwischen 10 und 500 µm, weiter vorzugsweise zwischen 50 und 250 µm. Bevorzugt ist die Dicke der Beschichtung konstant, wobei in einer alternativen Ausführungsform eine Beschichtung des Werkzeughohlraums mit variabler Beschichtungsdicke möglich ist.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die spezifische Wärmeleitfähigkeit der glasartigen Beschichtung vorzugsweise kleiner als 5 W/(m·K) ist, weiter vorzugsweise kleiner als 2 W/(m·K) und insbesondere vorzugsweise kleiner als 1,6 W/(m·K). Wenn im Zuge des Herstellungsverfahrens die Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum eingebracht wird, stellt die glasartige Beschichtung somit eine wärmeisolierende Schicht dar, was zur Folge hat, dass die Kunststoffschmelze im Kontaktbereich zum Werkzeug, also an der Oberfläche des Werkzeughohlraums, weniger stark abkühlt.
Infolge der erhöhten Kontakttemperatur erfolgt die Erstarrung der Kunststoffschmelze in der Randschicht langsamer als bei direktem Kontakt zwischen der Kunststoffschmelze und dem Stahl der Oberfläche des Werkzeughohlraums. Hierdurch bedingt werden auftretende Gasblasen bzw. entstehende Schlierenstruktur an der Oberfläche des Spritzgussteils nicht eingefroren. Die Fließfähigkeit der Randschicht reicht aus, diese Oberflächeneffekte wieder auszuheilen, so dass eine Abformung der Oberfläche störungsfrei erfolgt.
Somit bilden sich aufgrund der höheren Temperatur weniger oder gar keine Gasschlieren auf der Oberfläche des Spritzgussteils aus.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Werkzeug aus dem ersten Ausführungsbeispiel um eine Temperiereinrichtung erweitert. Die Temperiereinrichtung ist so angeordnet, dass sie geeignet ist, die Oberfläche des Werkzeughohlraums wenigstens teilweise zu erwärmen oder abzukühlen. Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung hierzu wärmeleitend mit der Oberfläche des Werkzeughohlraums verbunden. Vorzugsweise umfasst die Temperiereinrichtung eine Steuer- oder Regeleinrichtung, damit je nach Verfahrensschritt an der Oberfläche des Werkzeughohlraums eine vordefinierte Temperatur eingestellt werden kann.
Vorzugsweise wird bei der Verwendung des Werkzeugs nach dem zweiten Ausführungsbeispiel die Temperatur der Oberfläche des Werkzeughohlraums unmittelbar vor dem Einfüllen der Kunststoffschmelze bis zum Abschließen des Einfüllvorgangs erhöht. Anschließend folgt ein Absenken der Oberflächentemperatur des Werkzeughohlraums. Durch diese prozessabhängige Temperaturanpassung wird im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualität erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013368 A1 [0006]
DE 102011087888 A1 [0007]

Claims

Werkzeug zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils, wobei das Werkzeug einen Werkzeughohlraum umfasst, in den eine Kunststoffschmelze einbringbar ist, wobei zumindest auf einem Teil einer Oberfläche des Werkzeughohlraums eine thermisch isolierende Beschichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als glasartige Beschichtung ausgeführt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das von ihr beschichtete Material des Werkzeugs.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich zwischen 10 und 500 μm aufweist.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung kleiner als 5 W/(m∙K) ist.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Plasmaspritzschicht, Flammspritzschicht, Emailschicht oder glasartig eingebrannte Schlickerschicht ausgeführt ist.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperiereinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Teils der Oberfläche des Werkzeughohlraums vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaumspritzgussteils in einem Werkzeug, wobei eine Kunststoffschmelze in einen Werkzeughohlraum des Werkzeugs eingebracht wird, wobei auf zumindest einem Teil einer Oberfläche des Werkzeughohlraums eine thermisch isolierende Beschichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierende Beschichtung als glasartige Beschichtung ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugtemperatur vor dem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugtemperatur nach dem Einbringen der Kunststoffschmelze in den Werkzeughohlraum verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschmelze durch chemische und/oder physikalische Aufschäummittel aufgeschäumt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Einsatz eines Werkzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.