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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der
DE 10 2004 053 782 A1 der Anmelderin bekannt ist.
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Beim Umspritzen eines Einlegteils, z.B. eines aus Metall bestehenden elektrisch leitfähigen Anschlusspins mit einer thermoplastischen Formmasse verringert sich mit dem Abkühlen der Kunststoffmasse gleichzeitig ihr Volumen. Diese Volumenabnahme führt im Übergangsbereich zum Einlegeteil zu einem ca. 5µm bis 30µm großen Spalt. Soll ein derartig mit einer Formmasse umspritztes Einlegeteil gegenüber Flüssigkeiten oder Gasen dicht sein, so müssen über das reine Umspritzen hinaus zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. Hierzu schlägt die eingangs genannte Schrift vor, das Einlegeteil zumindest bereichsweise mit einer volumenkompressiblen Zwischenschicht zu versehen, welche wiederum zumindest bereichsweise von der Formmasse umhüllt bzw. umspritzt wird. Bei der volumenkompressiblen Zwischenschicht handelt es sich um eine elastische, mikroporöse und geschlossenzellige Zwischenschicht, die durch ihre Mikroporosität eine im Vergleich zum kompakten Zwischenschichtmaterial erhöhte Volumenkompressibilität aufweist und durch die geschlossenzellige Struktur dennoch eine Abdichtung gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Abdichtung des Übergangsbereichs zwischen dem Einlegeteil und der Formmasse auch mit kompakten, d.h. nicht geschlossenzellig-porösen Zwischenschichten ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Typische erfindungsgemäße Anwendungen sind die Herstellung von gas- und/oder flüssigkeitsdichten Durchführungen in Thermoplast-Verbundbauteilen, die durch Umspritzen von in einem Spritzgießwerkzeug eingelegten Einlegeteilen hergestellt werden. Anwendungsfälle sind beispielsweise Stecker (Umspritzen von metallischen Steckerpins mit Thermoplasten) oder umspritzte Metallbuchsen (als Lager- oder Anschraubbuchsen). Bei den Einlegeteilen handelt es sich zumeist um metallische Bauteile, jedoch sind prinzipiell alle Werkstoffe, wie beispielsweise Duroplaste, Gläser, Keramiken usw. möglich.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass kompakte elastische Zwischenschichten wenig volumenkompressibel sind. Sie werden gemäß dem Stand der Technik zwischen dem Einlegeteil und der Umspritzung bzw. der Formmasse bei allseitiger Umspritzung durch die Formasse unter dem Einfluss des Spritzdrucks zunächst zwar geringfügig komprimiert, ihre Kompressibilität ist jedoch zu gering ist, um das Wegschwinden der Formmasse und die thermische Kontraktion der Zwischenschicht beim Abkühlen des (Verbund-)Bauteils zu kompensieren.
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Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei der die Zwischenschicht während oder nach dem Umhüllen mit der Formmasse durch Abkühlen und/oder Erwärmen und/oder durch äußere Krafteinwirkung und/oder durch Zugabe eines Quellmediums behandelt wird, so dass nach dem Umhüllen mit der Formmasse sich das Volumen der Zwischenschicht in Richtung des Einlegeteils und/oder Formmasse vergrößert. Es ist somit im Gegensatz zum Stand der Technik, die von einer elastischen und stark volumenkompressiblen, geschlossenporigen Zwischenschicht ausgeht zumindest noch ein zusätzlicher Behandlungs- bzw. Prozessschritt der Zwischenschicht notwendig, um die gewünschte Dichtheit des Bauteils im Übergangsbereich von dem Einlegeteil zur Formmasse zu gewährleisten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich prozesstechnisch relativ einfach realisieren lässt, wird vorgeschlagen, dass das Einlegeteil zusammen mit der Zwischenschicht herabgekühlt wird, dass das Einlegeteil und die Zwischenschicht im gekühlten Zustand zumindest bereichsweise in ein Werkzeug zum Umhüllen des Einlegeteils und der Zwischenschicht (Spritzgießwerkzeug) mit der Formmasse angeordnet werden, und dass die noch im gekühlten Zustand befindliche Kombination von Einlegteil und Zwischenschicht von der Formmasse im Spritzgießverfahren umhüllt wird. Dieser Variante liegt die Erkenntnis zugrunde, dass elastische Beschichtungen in Form der Zwischenschichten in der Regel wesentlich höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten als steife Einlegeteile und als Formmasse dienende Thermoplaste aufweisen. Kühlt man das Einlegeteil zusammen mit der Zwischenschicht auf kryogene, d.h. sehr tiefe Temperaturen von beispielsweise weniger als –100°C ab, und umspritzt es unmittelbar nach dem Einlegen in das heiße Spritzgießwerkzeug, so erwärmt es sich hauptsächlich erst nach dem Umspritzen auf die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs. Bedingt durch die relativ schlechte Wärmeleitung der Zwischenschicht findet die Erwärmung größtenteils erst nach dem Erstarren der Formmasse statt. Die mit der Erwärmung verbundene Volumenzunahme der Zwischenschicht kompensiert das Wegschwinden der Formmasse vom Einlegeteil und vermeidet dadurch eine Spaltbildung. Das soweit beschriebene Verfahren eignet sich auch bei allseitiger Umspritzung der Zwischenschicht (ausgenommen der Kontaktfläche zum Einlegeteil) und bei kraftschlüssig mit dem Einlegeteil verbundenen Zwischenschichten.
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In einer alternativen Ausgestaltung des allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Zwischenschicht in Richtung parallel zu einer Grenzfläche mit dem Einlegeteil elastisch gedehnt wird, wobei die elastische Querkontraktion in Richtung auf der der Formmasse zugewandten Seite zu einer Verringerung der Schichtdicke der Zwischenschicht führt.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass das soweit beschriebene Verfahren ein Dehnen der Zwischenschicht durch eine mechanische Verbindung mit einem Hilfselement oder durch pneumatische Mittel vor dem Aufbringen der Formmasse auf die Zwischenschicht im Spritzgießverfahren erfolgt, und dass nach dem Umhüllen der Zwischenschicht mit der Formmasse die Wirkverbindung mit dem Hilfselement oder den pneumatischen Mitteln aufgehoben wird.
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In konkreter Ausgestaltung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht entweder außerhalb des Spritzgießwerkzeugs auf dem Einlegeteil axial elastisch gedehnt und in diesem Zustand auf dem Einlegeteil beispielsweise durch radial wirkende Klemmen fixiert wird, oder aber dass die Zwischenschicht vor dem Umspritzen mit der Formmasse innerhalb des Spritzgießwerkzeugs durch eine geeignete Vorrichtung axial elastisch gedehnt wird. Alternativ kann durch eine geeignete Ausführung der Enden der Zwischenschicht, z.B. als Kolben mit Dichtlippe, die am geschlossenen Spritzgießwerkzeug anliegen, die Axialdehnung durch den Innendruck beim Spritzen erfolgen. Durch die mit der axialen Dehnung der Zwischenschicht verbundene Querkontraktion verringert sich die Wandstärke der Zwischenschicht. Das Umspritzen erfolgt im vorgedehnten Zustand der Zwischenschicht. Beim Erstarren der Umspritzung bzw. der Formmasse bildet sich, wie bei einer nicht vorgedehnten Zwischenschicht, ein Spalt zwischen der Zwischenschicht und der Formmasse aus. Dieser Spalt schließt sich jedoch nach der Wegnahme der axialen Vordehnung, da die Zwischenschicht ohne die axiale Vorspannung bestrebt ist, ihre ursprüngliche Länge und Dicke wieder einzunehmen.
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Eine Weiterbildung bzw. Ausgestaltung des soweit beschriebenen Verfahrens sieht vor, dass das elastische Dehnen der Zwischenschicht durch das Einbringen der Formmasse in ein Spritzgießwerkzeug durch Verdrängung von Material der Zwischenschicht in einen in dem Spritzgießwerkzeug ausgebildeten Freiraum erzeugt wird. Hierbei wird die Erkenntnis zunutze gemacht, dass sich unter dem Einfluss des Spritzdrucks beim Einbringen der Formmasse in das Spritzgießwerkzeug sich der Durchmesser der Zwischenschicht, wenn die Zwischenschicht nicht allseitig umspritzt wird, nicht verringert, sondern sich axial längt. Dieses axiale Längen wird durch einen im Spritzgießwerkzeug ausgebildeten Freiraum ermöglicht, in den das Material der Zwischenschicht elastisch ausweichen kann. Radial liegt das Spritzgießwerkzeug nach dem Schließen an der Zwischenschicht an oder übt zur Abdichtung des Expansionsraumes gegen die Schmelze der Formmasse eine geringe radiale Kompression auf die Zwischenschicht aus. Unter dem Einfluss des Spritz- und Nachdrucks der Formmasse wird die elastische Zwischenschicht radial komprimiert und weicht dabei axial in den Freiraum des Spritzgießwerkzeugs aus. Wenn das Thermoplastmaterial (Formmasse) beim Erstarren von der Zwischenschicht wegschwindet kehrt sich der Vorgang wieder um: Das elastische Material der Zwischenschicht zieht sich axial aus dem Freiraum zurück und vergrößert wieder seinen Durchmesser, so dass das Wegschwinden der Formmasse dadurch kompensiert wird, und sich kein Spalt zwischen der Zwischenschicht und der Formmasse ausbildet.
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Materialien mit niedrigem Elastizitätsmodul nehmen meist wesentlich stärker flüssige Medien auf und vergrößern dabei ihr Volumen stärker als Materialien mit höherem Elastizitätsmodul. Dieses Verhalten kann mit Blick auf die Zwischenschicht dadurch genutzt werden, dass der als Elastomer ausgebildeten Zwischenschicht ein polymerisierbares, niedermolekulares Quellmedium zugegeben wird. Dieses Quellmedium bewirkt, dass der schwindungsbedingte Spalt zu der umspritzten Formmasse nachträglich kompensiert werden kann. Durch die Quellung relaxieren jedoch die Spannungen in der Zwischenschicht wesentlich rascher als ohne Quellung, so dass eine Abdichtung durch Quellen der Zwischenschicht meist nur temporär ist. Um diesen Nachteil zu beseitigen bzw. die Relaxation zu vermeiden, wird als Quellmedium die angesprochene polymerisierbare, niedermolekulare Verbindung gewählt, die nach dem Quellen der Zwischenschicht in dieser polymerisiert. Insbesondere kommen als Quellmedium Kieselsäureester oder Acrylate in Frage. So quellen Kieselsäureester Elastomere auf und polymerisieren an feuchter Luft zu hochdisperser Kieselsäure. Auch die angesprochenen Acrylate führen zu einer Quellung von Elastomeren und können im Elastomer polymerisiert werden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Einlegeteil vor dem Umhüllen mit der Formmasse im Spritzgießverfahren mit einem axial gereckten, elastischen Hohlprofil umhüllt wird, und dass das Hohlprofil nach dem Umhüllen mit der Formmasse erwärmt wird. Insbesondere kommt als Hohlprofil ein Schrumpfschlauch zur Anwendung. Erwärmt man nach dem Umspritzen den Verbund aus Einlegeteil und Hohlprofil, so schrumpft das Hohlprofil axial, dehnt sich dabei radial aus und schließt somit den Spalt zwischen der Zwischenschicht und dem Einlegeteil.
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Ein wiederum alternatives erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, dass das Material der Zwischenschicht gereckte textile Fasern enthält, und dass das Bauteil nach dem Umhüllen mit der Formmasse erwärmt wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die textilen Fasern in der Zwischenschicht in einer senkrecht zur Zwischenschicht bzw. zum Spalt zwischen dem Einlegeteil und der Formmasse verlaufenden Richtung orientiert sind. Erwärmt man nach dem Umspritzen mit der Formmasse den gesamten Verbund, so schrumpfen die textilen Fasern. Dabei wirken die Fasern in der elastischen Zwischenschicht wie Zuganker und kontrahieren diese in axialer Richtung. Mit der axialen Kontraktion ist eine Zunahme des Durchmessers der Zwischenschicht und damit eine Kompensation des Spalts zwischen der Zwischenschicht und der Formmasse verbunden.
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Grundsätzlich kann es zur Verbesserung der Haftung der Zwischenschicht an dem Einlegeteil vorgesehen sein, dass das Einlegeteil vor dem Aufbringen der Zwischenschicht mit einer hafterhöhenden Schicht, insbesondere einer Kleberschicht, versehen wird. Gedacht ist hierbei an einen viskosen Kleber. Dadurch ist vor dem Aushärten des Klebers noch eine gute Verschiebbarkeit der Zwischenschicht auf dem Einlegeteil gewährleistet. Nach erfolgter Umspritzung mit der Formmasse wird der Kleber bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur ausgehärtet und verbindet damit das Einlegeteil mit der Formmasse (Umspritzung) kraftschlüssig und dicht.
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Bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Einlegeteil, Zwischenschicht und Formmasse führen Temperaturänderungen zu Änderungen des Spannungszustandes des Bauteils. Dadurch können sich bei ursprünglich dichten Bauteilen bei Temperaturwechseln Spalte zwischen dem Einlegeteil und der Formmasse bzw. zwischen der Zwischenschicht und der Formmasse ausbilden. Für den Fall, dass das Einlegeteil einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Formmasse, und die elastische Zwischenschicht einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Formmasse, lässt sich im Falle von zylindrischen Einlegeteilen mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt die Dicke der Zwischenschicht derart auslegen, dass der Spannungszustand des Bauteils bei Temperaturänderungen weitgehend konstant bleibt. Derartige Bauteile überstehen die maximale Anzahl an Temperaturwechseln ohne Verlust der Dichtheit. Bei zylindrischen Einlegeteilen mit anderen Querschnittsformen, z.B. rechteckförmigen Querschnittsformen, kann die Dicke der Zwischenschicht bzw. deren Querschnittsform lediglich so ausgelegt werden, dass die Spannungsänderungen beim Durchlaufen eines vorgegeben Temperaturbereichs minimal wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 ein Spritzgießwerkzeug zum Herstellen eines Verbundbauteils während der Herstellung des Verbundbauteils in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
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2 ein gegenüber 1 abgewandeltes Spritzgießwerkzeug, ebenfalls während der Herstellung eines Verbundbauteils in vereinfachter Darstellung,
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3 das mittels des Spritzgießwerkzeugs gemäß der 2 hergestellte Verbundbauteil im Schnitt und
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4 ein gegenüber der 1 abgewandeltes Spritzgießwerkzeug, ebenfalls in einer Schnittdarstellung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine Vorrichtung 100 in Form eines Spritzgießwerkzeugs dargestellt, das dazu dient, ein Verbundbauteil 1 herzustellen. Das Verbundbauteil 1 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem aus Metall bestehenden, länglichen bzw. stiftförmigen Einlegeteil 2, das beispielsweise der elektrischen Kontaktierung an einem elektronischen Gerät o.ä. dient. Das Einlegeteil 2 ist auf einem Teilbereich seiner axialen Länge, bezogen auf eine Längsachse 3 des Verbundbauteils 1, von einer elastischen, kompakten und daher gering volumenkompressiblen Zwischenschicht 4, z.B. aus einem Kautschukelastomer bestehend, umgeben. Optional kann es vorgesehen sein, dass zwischen der Oberfläche des Einlegeteils 2 und der Zwischenschicht 4 eine Kleberschicht 5 angeordnet ist. Weiterhin ist das Verbundbauteil 1 bereichsweise von einer aus thermoplastischem Material bestehenden Formmasse 6 umgeben, die mittels der Vorrichtung 100 im Spritzgießverfahren an die Zwischenschicht 4 bzw. das Einlegeteil 2 angespritzt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Formmasse 6 in Bezug auf die Längsachse 3 des Einlegeteils 2 eine größere axiale Erstreckung auf als die Zwischenschicht 4, so dass die Zwischenschicht 4 nicht nur an ihrem Umfang, sondern zusätzlich in axialer Richtung betrachtet beidseitig von der Formmasse 6 umgeben ist.
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Die Vorrichtung 100 bzw. das Spitzgießwerkzeug weist beispielhaft zwei Werkzeughälften 101, 102 auf, die aus der in der 1 dargestellten Schließstellung in Richtung der Pfeile 103, 104 in eine voneinander beabstandete Position gebracht werden können, wobei die Öffnungsrichtung der beiden Werkzeughälften 101, 102 senkrecht zur Längsachse 3 des Einlegeteils 1 ausgerichtet ist. Die beiden Werkzeughälften 101, 102 weisen jeweils eine Kavität 105 auf, die dazu dient, die äußere Form der Formmasse 6 zu definieren. Jede der Kavitäten 105 ist darüber hinaus über einen Kanal 106 mit einer nicht dargestellten Einrichtung gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, den verflüssigten Kunststoff der Formmasse 6 unter Druck in die Kavitäten 105 einzuspritzen. Weiterhin ist in der 1 der Fall dargestellt, dass in der Zwischenschicht 6 textile Fasern 8 angeordnet sind, die als längliche Fasern 8 ausgebildet sind, wobei sie sich zumindest näherungsweise parallel zur Längsachse 3 des Einlegeteils 2 bzw. in Längsrichtung des Zwischenraums zwischen dem Einlegeteil 2 und der Zwischenschicht 4 erstrecken.
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Zur Herstellung des Verbundbauteils 1 wird in einem nicht dargestellten ersten Schritt die Zwischenschicht 4, ggf. unter Zwischenlage der Kleberschicht 5, auf das Einlegeteil 2 aufgebracht. Anschließend wird das Einlegeteil 2 zusammen mit der Zwischenschicht 4 stark herabgekühlt, so dass dessen Volumen (gegenüber Raumtemperatur) verringert wird. Im noch gekühlten Zustand des Einlegeteils 2 und der Zwischenschicht 4 wird das Einlegeteil 2 zusammen mit der Zwischenschicht 4 in die Vorrichtung 100 eingebracht. Anschließend erfolgt bei geschlossenen Werkzeughälften 101, 102 das Anspritzen der Formmasse 6 an die Zwischenschicht 4 bzw. das Einlegeteil 2. Nach dem Erstarren der Formmasse 6 werden die Werkzeughälften 101, 102 in Richtung der Pfeile 103, 104 in Ihre Öffnungsstellung bewegt, um das Verbundbauteil 1 aus der Vorrichtung 10 zu entnehmen. Aufgrund der Erwärmung der Zwischenschicht 4 und des Einlegteils 2 beim Anspritzen der Formmasse 6 nehmen diese gegenüber ihrem abgekühlten Zustand anschließend ein größeres Volumen ein, wobei zwischen dem Einlegeteil 2 und der Formmasse 6 eine besonders wirksame Abdichtung erzielt wird.
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Die in der 2 dargestellte Vorrichtung 100a unterscheidet sich von der Vorrichtung 100 durch zwei schematisch dargestellte Einrichtungen 110, 111, die dazu ausgebildet sind, die Zwischenschicht 4a in einer in Richtung der Längsachse 3 verlaufenden Richtung axial zu längen. Dabei tritt die Zwischenschicht 4a bei geschlossenen Werkzeughälften 101, 102 aus diesen bereichsweise hinaus. Das axiale Längen der Zwischenschicht 4 bewirkt, dass die Schichtdicke S der Zwischenschicht 4a gegenüber einem Zustand, bei der die Zwischenschicht 4a axial nicht gelängt ist, verringert ist.
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In der 3 ist das Verbundbauteil 1a dargestellt, nachdem dieses durch die Vorrichtung 100a hergestellt und aus dieser entnommen wurde. Insbesondere ist erkennbar, dass gegenüber der gestrichelt dargestellten Kontur der Zwischenschicht 4a während des Anspritzens der Formmasse 6 die Zwischenschicht 4a, nachdem die Einrichtungen 110, 111 nicht mehr in Wirkverbindung mit der Zwischenschicht 4a angeordnet sind, wieder eine axial verkürzte Länge einnehmen, derart, dass die Zwischenschicht 4a im Überdeckungsbereich mit der Formmasse 6 ihre radiale Ausdehnung zu vergrößern versucht, d.h. ggf. vorhandene Spalte zwischen der Formmasse 6 und der Zwischenschicht 4a durch die Volumenvergrößerung ausgefüllt werden.
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Zuletzt ist in der 4 eine Vorrichtung 100b dargestellt, die sich von der Vorrichtung 100 gemäß der 1 dadurch unterscheidet, dass die Kavitäten 105 in axialer Richtung betrachtet an ihren axialen Endbereichen jeweils ein Freiraum 115 vorgesehen ist. In diese Freiraum 115 kann das elastische Material der Zwischenschicht 4b beim Anspritzen der Formmasse 6 aufgrund des Einspritzdrucks der Formmasse 6 ausweichen, wie die in der 4 dargestellt ist. Nach dem Ausbilden des Verbundbauteils 1b und Entnahme des Verbundbauteils 1b aus der Vorrichtung 100b versucht das Material der Zwischenschicht 4b axial wieder an seine ursprüngliche Position zu gelangen, wodurch die Abdichtung zum Einlegeteil 1b bzw. zur Formmasse 6 hin erfolgt.
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Das soweit beschriebene Verfahren bzw. die Vorrichtung 100, 100a, 100b können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004053782 A1 [0001]
