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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus Kunststoff sowie ein Projektil zur Verwendung in diesem Verfahren.
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Es sind mehrere Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus Kunststoff bekannt. Die Fluid-Injektionstechnik (FIT) ermöglicht das Herstellen von Hohlkörpern dadurch, dass zunächst eine Kunststoffschmelze in die Kavität eines Werkzeuges eingebracht wird. Anschließend wird durch Injektion eines Fluids die noch flüssige Kunststoffseele verdrängt und dadurch ein Hohlraum geschaffen. In diesem Herstellungsverfahren wird die Restwanddicke maßgeblich durch die Fließeigenschaften des eingesetzten Polymers bestimmt. Besonders in und nach Umlenkungen in der Geometrie des zu fertigenden Hohlkörpers treten allerdings Schwankungen in der Restwanddicke auf. Bei der Auslegung von Bauteilen muss deswegen die dünnste Restwanddicke in Umlenkungen berücksichtigt werden, und sichergestellt sein, dass auch mit dieser Restwanddicke das Bauteil in gefordertem Maße belastbar ist. Aus diesem Grunde kommt es bei der Verwendung der FIT oftmals zu unnötig hohem Materialeinsatz.
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Ein Verfahren, das einen Hohlkörper unabhängig von den rheologischen Eigenschaften des eingesetzten Kunststoffes herstellt ist aus der
DE 10 2009 048 837 A1 bekannt. Hier werden Hohlkörper in einer Projektil-Injektionstechnik (PIT) gefertigt. Dabei wird zunächst ein Projektil in ein Formwerkzeug eingelegt und anschließend eine fließfähige Formmasse, bevorzugt Kunststoff, in das Formwerkzeug injiziert. In einem nächsten Schritt wird ein Fluid in die fließfähige Formmasse eingebracht. Das Projektil wird durch das Fluid vorangetrieben und verdrängt einen Teil der fließfähigen Formmasse derart, dass ein Hohlraum geschaffen wird.
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Nach der Verfestigung der Formmasse wird das Fluid abgelassen und der Hohlkörper aus dem Werkzeug entnommen.
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Durch die Projektil-Injektionstechnik können Hohlkörper mit einem günstigeren Verhältnis von Innendurchmesser zu Wandstärke und Ausdurchmesser realisiert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass auch weiterhin unterschiedliche Wanddicken erzeugt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hohlkörper mit optimalem Werkstoffeinsatz und gleichbleibenden Bauteileigenschaften prozesssicher herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen Hohlkörper her, indem zunächst ein Projektil auf einen Fluidinjektor in einer Kavität eines mehrteiligen Werkzeuges aufgesetzt wird.
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Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und ein fließfähiger Kunststoff in die Kavität des Werkzeuges injiziert. Es folgt das Ausbilden eines mit Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb des Kunststoffes. Das Projektil wird dazu durch ein Fluid, was zuvor über einen Fluidinjektor eingebracht wurde, durch den fließfähigen Kunststoff getrieben. Als Resultat der Verdrängung des fließfähigen Kunststoffes durch das Projektil wird ein Hohlraum geschaffen. Dieser Hohlraum ist zunächst mit Fluid gefüllt. Anschließend verfestigt sich der Kunststoff und das Fluid wird aus der Kavität abgeleitet. Abschließend erfolgt die Entformung des Hohlkörpers aus der Kavität durch Öffnen des Werkzeuges. Das Projektil weist dabei mindestens ein Abstandsmittel auf, wodurch das Projektil in einem im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand zu einer Werkzeugwandung geführt wird.
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Die bei der Projektil-Injektionstechnik auftretenden unterschiedlichen Wandstärken sind vor allem darauf zurück zu führen, dass sich das Projektil den Weg des geringsten Widerstandes durch die flüssige Schmelze sucht. Aufgrund rheologischer und geometrischer Verhältnisse zentriert sich das Projektil auf seinem Weg durch die Schmelze nicht. Besonders im Bereich von Umlenkungen kommt es dadurch zu unterschiedlichen Wandstärken. Dies hat zur Folge, dass das Hohlkörperbauteil unterschiedliche Steifigkeiten aufweist. Zudem erhöht sich die Zykluszeit, da dickwandige Bereiche vor der Entnahme aus dem Werkzeug länger gekühlt werden müssen. Durch die Abstandsmittel des Projektils wird sichergestellt, dass sich das Projektil immer mittig durch den Hohlraum bewegt, sodass umlaufend konstante Wanddicken erzeugt werden können. Die konstante Wanddicke wird vor allem auch im Bereich von Umlenkungen beibehalten, sodass das Hohlkörperbauteil eine konstante Steifigkeit aufweist.
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Die Anstandsmittel gleiten durch die spätere Außenwandung des Bauteils hindurch, deswegen ist es wichtig, dass die Schmelze kurz nach dem Hindurchgleiten des Abstandsmittels noch so fließfähig ist, dass sie sich hinter dem Abstandsmittel wieder zu einer geschlossene Oberfläche schließt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die Abstandsmittel während der Ausbildung des Hohlraumes im Wesentlichen dauerhaften Kontakt zur Werkzeugwandung.
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Durch den dauerhaften Kontakt wird sichergestellt, dass das Projektil mittig zentriert durch die Kavität geführt wird und das spätere Hohlkörperbauteil konstante Wanddicken aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbleibt das Projektil nach der Entformung im Hohlkörperbauteil. Diese Variante eignet sich besonders für Bauteile die aus Gewichtsgründen hohl ausgebildet sein sollen. Ebenso denkbar ist es, dass das Projektil nach der Entformung vom Hohlkörperbauteil abtrennt wird. In diesem Fall ragt der durch das Projektil geformte Hohlraum über das eigentliche Bauteil hinaus. Der hinausragende Bereich wird nach Fertigstellung des Hohlkörperbauteils entweder maschinell oder von Hand abgetrennt. Diese Variante eignet sich besonders für Bauteile mit funktionellen Hohlräumen, in denen beispielsweise Flüssigkeiten geführt werden sollen.
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Weiterhin bevorzugt ist, dass eine Temperierungsvorrichtung in der Werkzeugwandung eingebracht ist. Die Temperierungsvorrichtung sorgt dafür, dass der Kunststoff sich nicht zu schnell verfestigt. Da die Abstandsmittel durch die spätere Außenwandung des Hohlkörperbauteils hindurchgleiten, ist es wesentlich, dass sich der Kunststoff hinter den Abstandsmitteln wieder zu einer geschlossenen Oberfläche schließt. Ist der Kunststoff bereits zu stark verfestigt, könnten sich Bindenähte im Hohlkörperbauteil bilden, die Einfluss auf die Dichtigkeit und Festigkeit des Hohlkörperbauteils nehmen. Durch die Temperierungsvorrichtung kann die Verfestigung des Kunststoffs beeinflussen und damit sicherstellen, dass ein optimaler Abkühlungsvorgang erreicht wird.
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Weiterhin wird die gestellte Aufgabe durch ein Projektil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Das Projektil zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus Kunststoff in einer Projektil-Injektionstechnik weist mindestens ein, insbesondere mehrere radial nach außen weisende Abstandsmittel auf. Die Abstandmittel sorgen wie bereits erläutert für eine konstante Zentrierung des Projektils während der Hohlraumbildung.
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Vorzugsweise entspricht die maximale radiale Ausdehnung eines Abstandsmittels der Wandstärke des Hohlkörpers. Die Wandstärke wird durch die radiale Ausdehnung der Abstandsmittel festgelegt, da der gesamte Bereich in dem das Projektil Kunststoff verdrängt im späteren Bauteil einen Hohlraum ausbildet.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind mindestens 2 und maximal 6 Abstandsmittel gleichmäßig über den Umfang des Projektils angeordnet. Zwei Abstandsmittel sind mindestens notwendig, um das Projektil mittig zu zentrieren. Die Abstandsmittel sind dann bevorzugt gegenüberliegend voneinander angeordnet. Eine gute Zentrierung ist bei 3 bis 4 Abstandsmitteln gegeben. Zu viele Abstandsmittel sollten nicht am Projektil angeordnet sein, da sich sonst der Fließwiderstand des Projektils zu sehr erhöht.
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Das Projektil ist vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast hergestellt. es eigenen sich grundsätzlich alle Kunststoffarten, insbesondere kostengünstige Thermoplaste wie PE, PP, ABS, PS, und PVC, aber auch eine Herstellung aus anderen Kunststoffarten wie Duromere oder andere Materialien.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Schmelzpunkt des Projektils oberhalb des Schmelzpunktes des fließfähigen Kunststoffes liegt. So wird sichergestellt, dass sich das Projektil während der Hohlraumbildung nicht verflüssigt.
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Vorteilhafter Weise weist das Projektil einseitig eine an den Fluidinjektor angepasste Geometrie auf und andersseitig, in dem Bereich mit der das Projektil den fließfähigen Kunststoff durchtreibt, eine dreidimensionale Geometrie, insbesondere Paraboloid, Kugel, Zylinder, Kegel, Quader oder Mischungen daraus. Die an den Fluidinjektor angepasste Geometrie stellt sicher, dass das Projektil sicher auf den Fluidinjektor aufgesteckt werden kann und von Beginn an sauber zentriert im Werkzeug läuft. Die dreidimensionale Geometrie stellt sicher, dass das Projektil den flüssigen Kunststoff während der Hohlraumbildung gut verdrängt, aber auch keinen zu großen Fließwiderstand aufbaut.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist.
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Dabei zeigt:
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1: den Verfahrensablauf der Projektil-Injektionstechnik;
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2: ein Hohlkörperbauteil hergestellt nach dem Stand der Technik;
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3: ein erfindungsgemäßes Projektil.
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1 zeigt den Verfahrensablauf der Projektil-Injektionstechnik. In Schritt I ist ein bereits geschlossenes, aus einer ersten Werkzeughälfte 1a und einer zweiten Werkzeughälfte 1b bestehendes Spritzgießwerkzeug 1 dargestellt. Die beiden Werkzeughälften bilden eine Kavität 2. Auf einen Injektor 4 ist ein Projektil 3 aufgesteckt. Im Schritt II wird über ein Einspritzaggregat 7 fließfähiger Kunststoff 5 in die Kavität 2 eingebracht. Die Injizierung des fließfähigen Kunststoffes 5 erfolgt bevorzugt untervolumetrisch. Das Projektil 3 wird vom fließfähigen Kunststoff 5 umflossen. Die Kavität 2 wird nicht vollständig mit fleißfähigem Kunststoff gefüllt. In Schritt III wird ein Fluid 6, bevorzugt Wasser oder Gas, über den Injektor 4 eingebracht. Das Fluid 6 baut Druck auf, der das Projektil 3 durch den fließfähigen Kunststoff (Schmelze) 6 treibt.
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Dadurch wird der Kunststoff verdrängt und ein Hohlraum ausgeformt. Der Durchmesser des Hohlraums und die ausgebildete Wanddicke des späteren Hohlkörperbauteils ist durch die Auswahl des Projektils 3 beeinflussbar. In Schritt IV wird zunächst ein Nachdruck über das Fluid eingebracht, der den Hohlkörper an die Wandung der Kavität 2 drückt. Nach Erstarren des Kunststoffes wird das Fluid 6 abgelassen und so aus dem Hohlkörper entfernt. Die beiden Werkzeughälften 1a und 1b werden geöffnet und das Hohlkörperbauteil 9 entnommen.
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2 zeigt ein nach dem Projektil-Injektionstechnik Verfahren hergestelltes Hohlkörperbauteil.
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Es kann sich beispielsweise um Spritzgussteile die Kanäle für Flüssigkeits- oder Gastransport enthalten handeln, wie etwa Benzin-, Kühlmittel-, Bremsflüssigkeits- oder Waschwasserleitungen. Wie in der 2 zu erkennen ist, weist das Bauteil gerade in Biegungen Bereiche unterschiedlicher Wandstärke auf. Der Bereich großer Wandstärke 10 und der Bereich geringer Wandstärke 11 entstehen, weil das Projektil 3 auf seinem Weg durch den flüssigen Kunststoff immer den Weg mit dem geringsten Widerstand wählt und dabei gerade in Biegungen nicht genau zentriert ist.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Projektil 3 mit gleichmäßig über den Umfang angebrachten Abstandsmittel 8. Die Abstandsmittel 8 haben bevorzugt dauerhaften Kontakt zur Werkzeugwandung und sorgen so dafür, dass das Projektil 3 zentriert durch die Kavität 2 geführt wird. Daraus ergeben sich auch in Biegungen gleichmäßige Wandstärken, was zu einer gleichmäßigen Steifigkeit des Hohlkörperbauteils (9) führt.
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Nicht dargestellt ist die eingebrachte Temperierung der Werkzeugwandung. Sie ist wichtig, um die Schmelze kontrolliert abkühlen zu lassen. Kühlt die Schmelze zu schnell aus, führt dies zu einer schnellen Verfestigung. Da die Abstandsmittel (8) durch die spätere Wandung des Bauteils hindurchgleiten, ist es wichtig, dass sich die Schmelze nicht zu schnell abkühlt. Bei einer bereits zu sehr erkalteten Schmelze besteht die Gefahr, dass sich die Schmelze hinter den Abstandsmitteln (8) nicht mehr zu einer geschlossenen Oberfläche schließt und Bindenähte entstehen, die einen negativen Einfluss auf die Dichtigkeit und Steifigkeit des Bauteils (9) haben könnten. Um dieses Problem zu vermeiden, kann eine Temperierung in der Werkzeugwandung vorgesehen sein. Sie ermöglicht das kontrollierte Abkühlen der Schmelze.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgießwerkzeug
- 1a
- erste Werkzeughälfte
- 1b
- zweite Werkzeughälfte
- 2
- Kavität
- 3
- Projektil
- 4
- Injektor
- 5
- Fließfähiger Kunststoff
- 6
- Fluid
- 7
- Einspritzaggregat
- 8
- Abstandsmittel
- 9
- Hohlkörperbauteil
- 10
- Bereich großer Wandstärke
- 11
- Bereich geringer Wandstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048837 A1 [0003]
