DE10201796A1

DE10201796A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen

Info

Publication number: DE10201796A1
Application number: DE10201796A
Authority: DE
Inventors: Olaf Abels; Martin Rechtlen
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-31
Also published as: JP2005514242A; EP1465760A1; WO2003059597A1; US7125513B2; US20040130070A1

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen bei der Herstellung einer Kunststoffschale, insbesondere einer Lagerschale für ein Kugelgelenk, wobei verflüssigter Kunststoff zwischen eine Innenform (3) und eine Außenform (2) eingebracht wird, um darin auszuhärten, wobei der Kunststoff während des Aushärtens partiell an der Außenform (2) fixiert wird. Dieses Verfahren ist vorzugsweise in einer Vorrichtung zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen einsetzbar, die ein Gießwerkzeug aufweist, das mindestens eine Außenform (2) und eine in diese eingesetzte Innenform (3) aufnimmt, wobei zwischen die Formteile (2, 3) der zu formende, verflüssigte Kunststoff (1) einbringbar ist, wobei an der Außenform (2) Mittel zum Fixieren des flüssigen Kunststoffes (1) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden üblicherweise in Fertigungsbetrieben der Automobilzulieferindustrie, beispielsweise bei der Herstellung von Kugelgelenken eingesetzt. Kugelgelenke wie sie zum Beispiel zur Lagerung von Querlenkern in Fahrzeugen Verwendung finden, weisen mindestens ein Kugelgelenkgehäuse auf, welches eine wenigstens einteilige Kugelschale aufnimmt, in der ein Kugelzapfen drehbar und kippbar gelagert ist. Dabei muss der Kugelzapfen so in dem Gehäuse beziehungsweise in der Lagerschale untergebracht werden, dass keine Bewegung in axialer Richtung des Kugelzapfens möglich ist. Dies wird in der Praxis durch ein Übermaß des Gelenkkugeldurchmessers gegenüber der Kugelzapfenöffnung des Kugelgelenkgehäuses erreicht.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 296 17 276 U1 ist ein Kugelgelenk bekannt, welches ein mit einem Hohlraum versehenes Gehäuse aufweist, in dem eine Kugel in einer Lagerschale beweglich gelagert ist. Die Lagerschale wird aus Kunststoff erzeugt, der durch eine zum Hohlraum reichende Öffnung in das Kugelgehäuse injiziert wird.
Bei dem bekannten Verfahren tritt der Nachteil auf, dass durch Schwindung der injizierte Kunststoff und die Kugel über einen Press-/Schrumpfsitz kraftschlüssig miteinander verbunden sind, so dass die Bewegungsfreiheit des Kugelzapfens und der Kugel im Verhältnis zur Gleitschale und dem Gehäuse beeinträchtigt ist und zu hohen Reibmomenten führt. Zudem ist es durch das unkontrollierte Aufschrumpfen schwierig, Schmiermittel in die Lagerung einzubringen. Weiterhin entsteht auf der Außenseite des Schalenmaterials durch die Schwindung ein unerwünschter Spalt zum Gehäuse. Lösungen, in denen das Schwindungsverhalten durch Zugabe von Fasern oder durch thermische Behandlung gesteuert werden sollen, zeigen keinen Erfolg.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur beeinflussbaren, kontrollierten Schwindung eines verflüssigten, aushärtenden Kunststoffes zu schaffen, sodass die entstehenden Hohlräume vorhersehbar und nutzbar sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass während des Übergangs des Materials vom flüssigen in den festen Aggregatzustand, das flüssige Material partiell an einem Teil der Form fixiert wird. Dabei kann verflüssigter Kunststoff zwischen eine Innenform und eine Außenform eingebracht werden, um auszuhärten.
Diese Lösung bietet den Vorteil, dass durch die gesteuerte Schwindung ein gezielter Nutzen der durch die Schwindung unvermeidlich entstehenden Hohlräume erzielt wird, nämlich einerseits um die Reibung und damit den Verschleiß zwischen den Einzelteilen herabzusetzen und andererseits um beispielsweise Schmiermittel in die Hohlräume einbringen zu können.
Ein besonderer Vorteil ist es, dass das Material nur partiell an der Außenform fixiert wird. Hierdurch wird eine bessere Beweglichkeit der Innenform gewährleistet. Damit lässt sich das Verfahren besonders gut für die Verbindung eines Kugelzapfens mit einem Kugelgelenkgehäuse und einer zwischen diesen angeordneten Lagerschale eines Kugelgelenkes einsetzen.
Die nur partielle Fixierung des aushärtenden Kunststoffes kann aufgrund der physikalischen oder chemischen Eigenschaften definierter Bereiche der Außenform erreicht werden, das heißt, es wird nur partiell eine form- oder stoffschlüssige Verbindung mit der Außenform erzeugt oder herbeigeführt und daraus resultierend eine gesteuerte Schwindung des Kunststoffes ermöglicht.
Eine weitere Ausgestaltung dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass der Zwischenraum zwischen Innenform und Außenform mittels eines Spritzgiessverfahrens gefüllt wird. Dieses Verfahren ist besonders geeignet um Kunststoffe, welche das bevorzugte Material zur Herstellung von Lagerschalen darstellen, zu vergießen. Dadurch kann eine sehr gute Homogenität des Werkstoffes erreicht werden und es sind kurze Taktzeiten möglich, sodass sich die Herstellungszeit für eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Baugruppe entscheidend gegenüber bekannten Verfahren verkürzt.
Alternativ kann die Fixierung vorteilhafterweise mittels einer stoff- oder formschlüssigen Verbindung erreicht werden, wodurch eine flexible Ausgestaltung der Fixierungsmöglichkeiten erzielt wird und eine Einschränkung bei der Realisierung einer Fixierung auf ein Verfahren vermeidbar ist.
Bei einer stoffschlüssigen Verbindung könnte beispielsweise an eine Verklebung gedacht sein, da diese keine zeitaufwendige Formgebung erfordert, sodass sich auf einfache Weise eine Fixierung realisieren lässt.
Darüber hinaus ist es wie eingangs bereits angedeutet, vorteilhaft, die bei der Erstarrung des Materials entstehenden Hohlräume derart zu nutzen, dass nach dem Erstarren Schmiermittel in diese Hohlräume eingebracht wird.
Es ist aus Kostengründen von besonderem Vorteil, wenn das zuvor beschriebene Verfahren mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen durchgeführt wird. Diese kann ein Gießwerkzeug aufweisen, das mindestens eine Außenform und eine in diese eingesetzte Innenform aufnimmt, wobei zwischen die Formteile der zu formende, verflüssigte Kunststoff einbringbar ist. An der Außenform sind bei einer erfindungsgemäßen Lösung Mittel zum Fixieren des flüssigen Kunststoffes ausgebildet.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Mittel zur Fixierung des Kunststoffes Profile sind, die beispielsweise als T-Nuten ausgeführt sein können, in welche das zu formende flüssige Material fließt. Hierbei wird durch den Erstarrungsübergang eine sichere Fixierung sowie eine gute Steuerung des Schrumpfungsverhaltens bei einfacher und kostengünstiger Umformung des inneren Formteils erzielt.
Die Mittel zur Fixierung des Kunststoffes können jedoch ebenso Formzonen sein, welche partiell einen Haftgrund mit hoher Adhäsionsfähigkeit bezüglich des zu formenden Kunststoffes und haftgrundfreie Bereiche aufweisen, die bezüglich des zu formenden Kunststoffes über eine geringe Adhäsionsfähigkeit verfügen.
Weiterhin sind als Mittel zur Fixierung des Kunststoffes Formzonen geeignet, die partiell ein Bindemittel wie Klebstoff sowie bindemittelfreie Bereiche aufweisen.
Insbesondere von Vorteil ist es, wenn die Innenform die Kugel eines Kugelzapfens ist, da das Material so direkt auf das für den Einsatzzweck vorgesehene Bauteil abgestimmt ist und der Umweg über ein separates Formteil sowie die Montage des geformten Teils mit dem Kugelzapfen eingespart werden kann.
So lässt sich erfindungsgemäß eine optimale Kraft- beziehungsweise Spannungsverteilung innerhalb des Kunststoffmaterials erreichen. Zudem lässt sich die Anzahl der Hohlräume zur Schmierung optimieren. Weiterhin ist eine gezielte Steuerung des Schrumpfungsverhaltens des erstarrenden Kunststoffes möglich.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Momentaufnahme eines Kugelgelenks,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer späteren Momentaufnahme eines Kugelgelenks,
Fig. 3 ausschnittsweise eine vergrößerte Ansicht der Fig. 2 und
Fig. 4 eine weitere Schnittansicht eines Kugelgelenkes.
Die Fig. 1 und 2 stellen die bei dem Verfahren auftretenden Zustände des injizierten Kunststoffs 1 vor und nach dem Erstarren dar. In Fig. 1 ist eine Außenform 2 mit einer Innenform 3 - der Kugel des Kugelzapfens - im Schnitt dargestellt, zwischen denen sich der injizierte, flüssige Kunststoff 1 - vorzugsweise das Schalenmaterial - befindet. Die Außenform 2 weist dabei Bereiche auf, welche günstige Haftungsbedingungen für den injizierten Kunststoff 1 aufweisen. Diese Bereiche 4a, 4b, 4c sind in Fig. 2 deutlich erkennbar.
In Fig. 2 ist der injizierte Kunststoff 1 bereits erstarrt und aufgrund der Materialeigenschaften bereichsweise eine Schwindung eingetreten. Aufgrund der speziell präparierten Bereiche 4a, 4b, 4c der Außenform 2 ist an diesen Stellen eine Haftung zwischen Außenform 2 und injiziertem Kunststoff 1 realisiert worden. Zwangsläufig ergeben sich aus der Haftung zwischen injiziertem Kunststoff 1 und Außenform 2 Hohlräume 5, 6 zwischen der Innenform 3, dem Kugelzapfen, und dem injiziertem Kunststoff 1 und zwischen Außenform 2 und injiziertem Kunststoff 1. In Fig. 2 sind drei präparierte Bereiche 4a, 4b, 4c zur Fixierung des injizierten Kunststoffs 1 an der Außenform 2 zu erkennen. Diese Bereiche befinden sich in 12-Uhr Position 4a, in 8-Uhr Position 4b und in 4-Uhr Position 4c, sind also um 120° zueinander versetzt angeordnet.
Fig. 3 stellt den 12-Uhr Bereich 4a vergrößert dar. Aufgrund der gesteuerten Fixierung des injizierten Kunststoffs 1 sind die auftretenden Verformungen infolge des Schwindungsverhaltens des injizierten Kunststoffs 1 und der damit verbundenen Spannungen 7 qualitativ und auch quantitativ vorhersagbar. In dem Bereich, in dem der injizierte Kunststoff 1 aufgrund der Schwindung an der Innenform 3 haftet, entstehen Druckspannungen 7a zwischen Innenform 3 und injiziertem Kunststoff 1, welche durch entsprechende Pfeile dargestellt sind. Die in dem injizierten Kunststoff 1 entstehenden Zugspannung 7b zwischen dem Fixierungsbereich an Außenform 2 und dem Press- /Schrumpfsitz der Innenform 3 sind ebenfalls dargestellt. Ebenso deutlich ist hier der Bereich der Fixierung sowie der Hohlraum 5 zwischen injiziertem Kunststoff 1 und Innenform 3 und der Hohlraum 6 zwischen injiziertem Kunststoff 1 und Außenform 2 zu sehen.
Die Fig. 4 veranschaulicht darüber hinaus eine Schnittdarstellung, in der in die Außenform 2 T-förmige Nuten 4a, 4b, 4c eingebracht sind, in die der verflüssigte Kunststoff während des Spritzgießens einfließt. Da diese Bereiche infolge ihres verglichen mit der Lagerschale geringeren Volumens schneller erkalten und damit aushärten, ergibt sich eine Fixierung des aushärtenden Kunststoffes 1 in diesen Bereichen, die somit gezielt und gesteuert erfolgt, während zwischen diesen Fixierungen 4a, 4b, 4c Hohlräume 5, 6 entstehen. Bezugszeichenliste 1 Material (injiziert)
2 Außenform
3 Innenform
4 Fixierungen
4a Fixierung in 12-Uhr Position
4b Fixierung in 8-Uhr Position
4c Fixierung in 4-Uhr Position
5 Hohlraum zwischen Innenform und Material
6 Hohlraum zwischen Material und Außenform
7 Spannungen
7a Druckspannung
7b Zugspannung

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen bei der Herstellung einer Kunststoffschale, insbesondere einer Lagerschale für ein Kugelgelenk, wobei verflüssigter Kunststoff zwischen eine Innenform (3) und eine Außenform (2) eingebracht wird, um darin auszuhärten, wobei der Kunststoff während des Aushärtens partiell an der Außenform (2) fixiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Fixierung des aushärtenden Kunststoffes (1) aufgrund der physikalischen oder chemischen Eigenschaften definierter Bereiche der Außenform (2) erreicht wird, wodurch partiell eine form- oder stoffschlüssige Verbindung mit der Außenform (2) und daraus resultierend eine gesteuerte Schwindung des Kunststoffes (1) ermöglicht wird, so dass die Innenform (3) in dem Kunststoff (1) beweglich gelagert ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (5, 6) zwischen Innenform (3) und Außenform (2) mittels eines Spritzgiessverfahrens gefüllt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des Kunststoffes (1) durch eine Verklebung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die bei der Erstarrung des Kunststoffes (1) in der Form entstandenen Hohlräume (5, 6) ein Schmiermittel eingebracht ist.

6. Vorrichtung zur Steuerung des Schrumpfungsverhaltens während des Urformens von Kunststoffen zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, aufweisend ein Gießwerkzeug, das mindestens eine Außenform (2) und eine in diese eingesetzte Innenform (3) aufnimmt, wobei zwischen die Formteile (2, 3) der zu formende, verflüssigte Kunststoff (1) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenform (2) Mittel zum Fixieren des flüssigen Kunststoffes (1) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fixierung des Kunststoffes (1) T-Nuten sind, in welche der flüssige Kunststoff (1) fließt und dadurch nach seiner Erstarrung an der Außenform (2) fixiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fixierung des Kunststoffes (1) Formzonen sind, welche partiell einen Haftgrund mit hoher Adhäsionsfähigkeit bezüglich des zu formenden Kunststoffes (1) und haftgrundfreie Bereiche aufweisen, die bezüglich des zu formenden Kunststoffes (1) über eine geringe Adhäsionsfähigkeit verfügen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fixierung des Kunststoffes (1) Formzonen sind, welche partiell ein Bindemittel wie Klebstoff sowie bindemittelfreie Bereiche aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenform (3) die Kugel eines Kugelzapfens ist.