DE102019209489B4 - Spritzgussvorrichtung, Projektilinjektionsverfahren und ein nach dem Verfahren hergestellter hohlförmiger Kunststoffgegenstand - Google Patents

Spritzgussvorrichtung, Projektilinjektionsverfahren und ein nach dem Verfahren hergestellter hohlförmiger Kunststoffgegenstand Download PDF

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Abstract

Spritzgussvorrichtung zur Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands (6), zumindest umfassend ein Formwerkzeug (1, 2) zur urformenden Formgebung des Kunststoffgegenstands (6), eine Einspritzvorrichtung (8) zum zumindest teilweisen Einleiten einer fließfähigen Polymerschmelze (4) in eine Kavität (7) innerhalb des Formwerkzeugs (1, 2), eine Fluidinjektionsvorrichtung zum Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids (5) und zum Durchtreiben eines Projektils (3) durch die in die Kavität (7) eingeleitete Polymerschmelze (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1, 2) eine Formwand (1) und einen zumindest teilweise innerhalb der Formwand (1) angeordneten Formkern (2) umfasst, wobei das Projektil (3) zumindest teilweise derart hohlförmig ausgebildet ist, dass es auf dem Formkern (2) angeordnet und entlang einer Längserstreckung (L) des Formkerns (2) auf diesem bewegbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Spritzgussvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und ein Projektilinjektionsverfahren gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Verfahrensanspruchs. Zudem betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestellten hohlförmigen Kunststoffgegenstand.
  • Aus dem Stand der Technik sind Fluidinjektionsverfahren bekannt mittels welchen sich hohle Kunststoffspritzgusswerkstücke herstellen lassen. Dabei kommen als Fluide Flüssigkeiten, Gase oder Aerosole in Betracht. Das Fluidinjektionsverfahren ist ein mehrstufiges Spritzgussverfahren, bei welchem in einem ersten Schritt die Kavität der Spritzform ganz oder teilweise mit fließfähiger Schmelze ausgefüllt wird und dann in den folgenden Schritten das Fluid injiziert wird, um das Werkstück auszuspritzen. Dabei verhält sich die Schmelze hydrophob, d. h. sie vermischt sich mit dem Fluid nicht.
  • In dem letzten Prozessschritt fließt das Fluid aus dem so geformten Werkstück heraus und hinterlässt einen gespritzten Hohlkörper, ohne dass dieser Hohlraum durch einen Spritzkern geformt wurde. Das Fluid wird benutzt, um die Schmelze vor sich herzuschieben und die gesamte Innenwand der Form zu bedecken oder um einen inneren Teil der noch flüssigen Schmelze auszutreiben, wobei der äußere Teil der Schmelze bereits an der Formwand teilerstarrt ist und die herausgedrückte Schmelze ggf. einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.
  • Der für die Materialfestigkeit der erstarrenden Schmelze erforderliche Nachdruck wird von dem Fluid direkt auf die Innenfläche des Werkstücks aufgebracht. Dabei übernimmt das Fluid gleichzeitig eine Kühlfunktion und sorgt so für eine schnelle Erstarrung der Schmelze und damit für kurze Zykluszeiten. Einfachere Anwendungen des Fluidinjektionsverfahrens treiben direkt einen bestimmten noch nicht erstarrten Anteil der Schmelze aus und erzeugen so den gewünschten Hohlraum des Werkstücks.
  • Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass Hohlkörper gespritzt werden können, ohne dass ein entsprechender die Innenform des Körpers darstellender Spritzkern benötigt wird. Dadurch sind nicht nur die Werkzeugkosten gesenkt, sondern es wird auch eine einfache Entformung ermöglicht.
  • Nachteilig ist allerdings, dass dieses Spritzgussverfahren bei Werkstücken mit großen Querschnitten nicht mehr wirtschaftlich durchzuführen ist, weil eine zu große Menge an Schmelze einzuspritzen wäre, welche anschließend größtenteils herausgedrückt würde und folglich nicht verwendet wird.
  • Aus der DE 10 2012 204 036 A1 ist ein Spritzgussverfahren bekannt, bei welchem zur Herstellung eines Strukturbauteils zunächst ein Gewebeschlauch in die Kontur eines Werkzeugs angeordnet wird. Danach wird eine Schmelze in den im Werkzeug angeordneten Gewebeschlauch injiziert und anschließend wird ein Fluid in den Gewebeschlauch eingebracht. Die Schmelze ist ein flüssiger Kunststoff. Das Fluid weist vorzugsweise eine niedrige Temperatur auf, so dass die Schmelze nach Einbringen des Fluids in den Gewebeschlauch erkaltet. Damit liegen die Fasern des Gewebeschlauchs eingebettet in der erkalteten Schmelze, wodurch ein endlosfaserverstärktes, thermoplastisches Strukturbauteil mit einem Hohlkörperprofil hergestellt ist. Dieses Verfahren ist für verstärkte Schläuche mit kleinerem Durchmesser gedacht und eignet sich nicht zur Herstellung von Hohlkörpern mit größerem Durchmesser.
  • Eine Regel besagt, dass mit dieser Variante des Spritzgussverfahrens lediglich Wanddicken größer als 20% bzw. 25% des Nenndurchmessers erzeugt werden können. Das bedeutet, dass bei einem Nenndurchmesser von bspw. 20 mm lediglich eine Mindestwanddicke von 4 mm gespritzt und nicht mehr unterschritten werden kann.
  • Um diesen Nachteil zu kompensieren, kommt nach dem Stand der Technik eine Unterkategorie des Fluidinjektionsverfahrens zum Einsatz, nämlich das Projektilinjektionsverfahren. Solch ein Verfahren ist bspw. aus der DE 10 2008 023 473 A1 bekannt.
  • Bei dem Projektilinjektionsverfahren treibt das Fluid durch seinen Injektionsdruck einen Vollkörper als Projektil durch die noch nicht vollständig erstarrte Schmelze hindurch und vor sich her (Durchtrieb). Damit wird der entstehende Hohlraum sofort ausgefüllt. Das Projektilinjektionsverfahren hat den Vorteil, dass durch die Form des Projektils eine physische und thermische Trennung der heißen Schmelze von dem kalten Fluid erfolgt, wodurch das Projektil deutlich mehr Schmelze vor sich herschieben kann, bevor das kühle Fluid die zwischen Forminnenwand und Projektil verbleibende Schmelze erstarren lässt.
  • Es besteht die Möglichkeit das Projektil durch eine nicht geradlinig gestaltete Formgebung zu treiben, wodurch auch gebogene und gewundene Werkstücke mit begrenzt variabler Außenkontur, aber konstantem Querschnitt des inneren Hohlraumes, hergestellt werden können. Damit sind Werkstücke mit deutlich kleineren Wanddicken realisierbar, z. B. ca. 3 mm bei einem Rohrdurchmesser von ca. 20 mm.
  • Zusätzlich ist durch dieses Verfahren die Oberflächengüte des Werkstücks besser zu kontrollieren und damit glatter. Bei Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs wird zudem die Ausrichtung der Fasern an der überstrichenen Innenfläche des Werkstücks homogener.
  • Üblicherweise lassen sich nach dem Projektilinjektionsverfahren Werkstücke mit einem Durchmesser von ca. 50 bis 60 mm fertigten. Allerdings lassen sich nach diesem Verfahren ebenfalls keine Werkstücke mit einem Durchmesser von bspw. 100 mm und Wanddicken von 2 mm wirtschaftlich herstellen. Trotz Einsatz eines Projektils würde zu viel Schmelze vor dem Projektil hergeschoben und verschwendet werden. Dies ist bei solch großen Durchmessern nicht zweckmäßig.
  • Ein weiteres Projektilinjektionsverfahren ist aus der DE 10 2015 225 247 A1 bekannt. Darin wird eine Spritzgießvorrichtung zur Herstellung von Rohren mit hinterschnittener Innengeometrie beschrieben. In die Kavität wird eine thermoplastische Formmasse eingeleitet. Die Spritzgießvorrichtung umfasst zudem eine Injektionsvorrichtung zur Injektion eines Fluids gegen ein durch die Kavität zu treibendem Projektil, wobei die Injektionsvorrichtung einen Projektilträger mit wenigstens einer Injektionsdüse und mit wenigstens einer Projektilaufnahme für ein Projektil als Verdrängerkörper für die Formmasse umfasst. Der Projektilträger ist an einem von der Projektilaufnahme abliegenden Ende mit einem profilierten oder gewindetragenden Prägekern versehen, welcher relativ zu dem Projektilträger zwischen einer wenigstens einen Hinterschnitt formenden oder einer gewindeformenden ersten Lage und einer entformten zweiten Lage verstellbar ist, wobei der Prägekern in der ersten Lage in die Kavität eintaucht und diese abdichtet. Mit dieser Spritzgießvorrichtung lassen sich zwar Rohre mit Verzweigungen oder Gewindeabschnitten herstellen, aber es ist eher für Rohre mit kleinerem Durchmesser geeignet.
    Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Spritzgussvorrichtung und ein Projektilinjektionsverfahren bereitzustellen, bei welchen möglichst wenig Schmelze vor dem Projektil hergeschoben werden muss und insgesamt weniger Schmelze verbraucht wird. Zudem soll ein Kunststoffgegenstand bereitgestellt werden, welcher bei einem großen Durchmesser gleichzeitig eine möglichst geringe Wanddicke aufweist und dabei die geforderten Festigkeiten erfüllt.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Gegenständen in Verbindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird eine Spritzgussvorrichtung zur Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands bereitgestellt, zumindest umfassend ein Formwerkzeug zur urformenden Formgebung des Kunststoffgegenstands, eine Einspritzvorrichtung zum zumindest teilweisen Einleiten einer fließfähigen Polymerschmelze in eine Kavität innerhalb des Formwerkzeug, eine Fluidinjektionsvorrichtung zum Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids und zum Durchtreiben eines Projektils durch die in die Kavität eingeleitete Polymerschmelze, wobei das Formwerkzeug eine Formwand und einen zumindest teilweise innerhalb der Formwand angeordneten Formkern umfasst, wobei das Projektil zumindest teilweise derart hohlförmig ausgebildet ist, dass es auf dem Formkern angeordnet und entlang einer Längserstreckung des Formkerns auf diesem bewegbar ist.
  • Durch die Verwendung des Formkerns innerhalb der Formwand stellt sich eine hohlförmige, z. B. eine hohlzylinderförmige, Kavität ein. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es bei dieser Spritzgussvorrichtung nicht notwendig die gesamte Kavität mit einer Schmelze aus Kunststoff auszufüllen, um einen hohlförmigen Kunststoffgegenstand zu erzeugen. Stattdessen wird das zu befüllende Volumen der Kavität durch den Formkern signifikant verkleinert, indem nur noch das hohlförmige Kavitätsvolumen zu befüllen ist. Dies führt insbesondere dazu, dass weniger Schmelze verwendet werden muss und das Projektil auch nur noch einen viel kleineren Teil an Schmelze zu verdrängen hat. Mittels dieser Spritzgussvorrichtung können erstmalig hohlförmige Kunststoffgegenstände mit einem viel größerem Querschnitt hergestellt werden, als es bisweilen mit einem Projektilinjektionsverfahren möglich war.
  • Um solche Kunststoffgegenstände auszuformen wird ein passendes Projektil auf den Formkern aufgeschoben. Das Projektil weist einen hohlförmigen Abschnitt auf, welcher zu den Abmaßen und der Formgebung des Formkerns passt. Einmal auf dem Formkern positioniert, kann das Projektil entlang der Längserstreckung des Formkern verschoben werden.
  • Als eine bevorzugte Querschnittsform kommt für den Formkern und das Projektil eine kreisrunde Form zur Anwendung. D. h. der Formkern ist zylindrisch ausgestaltet und das Projektil ist in entsprechender Weise hohlzylindrisch ausgeformt. Es lassen sich aber auch Vieleckformen als Querschnittsfläche für beide Teile verwenden, wobei der Formkern und das Projektil aufeinander abzustimmen sind. Durch die geometrische Wahl der Querschnittsform des Projektils gegenüber der Formwand wird zudem die Form und Gestalt des herzustellenden Kunststoffgegenstands bestimmt.
  • Ein weiter Aspekt welcher die Gestalt des Kunststoffgegenstands bestimmt, ist die Wahl der Durchmesserverhältnisse von Formkern, Projektil und Formwand. So ist der Außendurchmesser des Formkerns bedeutend kleiner gewählt als der Innendurchmesser der Formwand, um einen Hohlraum zu bilden welcher als Kavität für die Schmelze verwendet wird.
  • Der Innendurchmesser des Projektils entspricht wiederum im Wesentlichem dem Außendurchmesser des Formkerns, um auf diesem in abdichtender Weise bewegbar zu sein. Für eine ausreichende Abdichtung der Gleitfläche zwischen dem Formkern und dem Projektil, sind mehrere Dichtungsanordnungen vorgesehen. So wird an der Kopfseite des Projektils ein Abstreifring in das Projektil eingefasst, welcher federnd gegen den Formkern angepresst ist. Der Abstreifring sorgt mit einer scharfen Kante beim Durchtrieb des Projektils durch die Schmelze dafür, dass diese von dem Formkern abgezogen wird und nicht in die Gleitfläche eindringt. Zusätzlich wird an der Unterseite des Projektils ein Dichtungspaket aus mehreren Dichtungen vorgesehen, welche ein undurchdringliches Labyrinth für das Fluid darstellen.
  • Die Wahl des Außendurchmessers des Projektils gegenüber dem Innendurchmesser der Formwand bestimmt maßgeblich die spätere Wanddicke des hergestellten Kunststoffgegenstands. So lässt sich auch die Wanddicke des erzeugten Kunststoffgegenstands in seiner Längserstreckung variieren, indem bspw. die Innenwandung der Formwand in Längsrichtung einen variierenden Konturverlauf aufweist. D. h. die Formwand ist stellenweise verjüngt oder aufgeweitet.
  • In einer Ausführungsform der Spritzgussvorrichtung ist das Projektil durchgehend hohlförmig ausgebildet. Bspw. kann das Projektil eine Hohlzylinderform einnehmen. Zudem erstreckt sich der Formkern über eine gesamte Länge der Formwand und ggf. über die Formwand heraus. Das vollständig ausgehöhlte Projektil kann in einer beliebigen Position auf den Formkern aufgeschoben werden und ist entlang des Formkerns frei bewegblich. Des Weiteren kann die Formwand kurzgehalten werden, indem Längsmaße so bestimmt werden, dass das Projektil am Ende des Durchtriebs aus der Formwand herausschaut.
  • Nach einer alternativen Ausführungsform ist das Projektil hauben- oder topfförmig ausgebildet. Hierbei liegt vorzugsweise ein Ende des Formkerns innerhalb der Formwand, wobei das hauben- oder topfförmige Projektil auf diesem Ende aufgeschoben ist. Damit können in vorteilhafter Weise die Dichtigkeitsanforderungen an die Gleitfläche zwischen dem Projektil und dem Formkern reduziert werden. Konstruktionsbedingt kann kein hochkomprimiertes Fluid sich den Weg zwischen dem Projektil und dem Formkern in die Spritzkavität bahnen, da der Zugang zur Spritzkavität durch die Hauben- oder Topform verschlossen ist.
  • Bevorzugt ist bei dieser Ausführungsform ein mechanisch oder elektromagnetisch betriebenes Antriebsmittel vorgesehen, welches zusätzlich zur Fluidinjektionsvorrichtung für ein Durchtreiben des hauben- oder topfförmigen Projektils durch die in die Kavität eingeleitete Polymerschmelze sorgt.
  • Durch ein unterstützendes Antriebsmittel wird die Antriebskraft auf das Projektil unabhängig von dem zur Verfügung stehenden Fluiddruck und der Angriffsfläche des Projektils steuerbar. Diese Option kann beispielhaft dafür verwendet werden um in kritischen Spritzzuständen die Durchtriebsgeschwindigkeit zu senken, die Durchtriebsgeschwindigkeit zu erhöhen oder die Durchtriebsgeschwindigkeit gleichmäßig zu halten. Insbesondere ist eine gleichmäßige Durchtriebsgeschwindigkeit vorteilhaft um eine variable Konturgestaltung der Außenform des Werkstücks zu realisieren, welche durch den Durchtriebswiderstand variiert werden kann. Zusätzlich kann das Projektil auch abgebremst werden, wenn z. B. durch das für eine ausreichende Kühlung erforderliche Wasservolumen eine viel zu hohe Antriebskraft erzeugt werden würde.
  • Als Antriebsmittel kommen bspw. Linearantriebe wie hydraulische Zylinder, Spindelantriebe oder Linearmotoren zum Einsatz, aber auch Hebelmechanismen sind möglich. Dabei wird das Projektil an seiner Kopfseite eingefasst. D. h. das Antriebsmittel ist der Fluidinjektionsvorrichtung gegenüberliegend angeordnet und greift an der offenen Seite der Formwand mittels entsprechender an dem Projektil an. Um die Durchtriebsgeschwindigkeit des Projektils zielgerecht zu steuern und auch die Position des Projektils zuverlässig zu bestimmen, wird eine Steuereinrichtung mit geeigneter Wegsensorik verwendet. Durch die Wegsensorik lässt sich die Position des Projektils auf der Längsachse des Formkerns genaustens ermitteln. Die Steuereinrichtung ermöglicht es die Antriebsregelung des Antriebsmittel mit der Fluidinjektionsvorrichtung zu verschalten, um das Projektil anhand der Prozessanforderungen entlang des Formkerns zu bewegen bzw. durch die Schmelze zu treiben.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Projektil an seiner Außenwandung ein Abstreifmittel. Bevorzugt ist das Abstreifmittel an einem Endbereich des Projektils vorgesehen, welcher dem Fluid zugewandt ist.
  • Beim Einspritzen der Schmelze von der Seite mit einer oder mehreren Einspritzvorrichtungen entsteht beim Zusammenfließen der Fließfronten zwangsläufig eine nachteilige Bindenaht. Um die entstehende Bindenaht der eingespritzten Schmelze zu verwischen, wird das Abstreifmittel an dem Projektil vorgeschlagen. Dieses Abstreifmittel stellt eine Abstreifkante an dem Projektil dar, wodurch ein Abstreifeffekt entsteht. Ist das Projektil an seiner Kopfseite, d. h. der Schmelze zugewandten Seite, mit einem kleineren Querschnitt ausgestaltet als an seiner Unterseite, welche dem Fluid zugewandt ist, dann wird die Schmelze beim Durchtreiben des Projektils durch das Abstreifmittel geschert und weiter komprimiert. Dadurch wird das Material der Grenzschichten an der sich ausbildenden Bindenaht durchmischt, wobei die Grenzschichten durch Materialhomogenisierung verwischt werden. Zusätzlich wird das Material insgesamt durch den Aufbau eines hydrostatischen Druckes verfestigt, welcher als Reaktion auf den Widerstand gegen die Durchmischung entsteht.
  • Bei der Verwendung des Abstreifmittels an dem Projektil bietet es sich an, dass die Kavität vorzugweise im Wesentlichen durch das Projektil und die Formwand begrenzt ist. Hierbei wird die Polymerschmelze lediglich in den Hohlraum zwischen dem Projektil und der Formwand eingeleitet. Das Projektil befindet sich in einer Position auf dem Formkern, in welcher sich das Projektil unterhalb einer Düse der Einspritzvorrichtung befindet. Zudem wird die Innenwandung der Formwand an einer der Fluidinjektionsvorrichtung gegenüberliegenden Seite derart verjüngt ausgeführt, dass die Kavität an dieser Stelle abgeschlossen ist. Beim Durchtreiben des Projektils mittels Fluiddruck durch die Schmelze verdrängt das Abstreifmittel die noch flüssige Schmelze, wodurch an der Innenwand der Formwand der herzustellende Kunststoffgegenstand erstarrt. Die Wanddicke des Kunststoffgegenstands wird bei dieser Ausführungsform durch den Abstand des Abstreifmittels zur Innenwand der Formwand bestimmt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an dem Formkern und an dem Projektil ineinandergreifende Führungsmittel vorgesehen. Bevorzugt umfassen die Führungsmittel eine Nut und ein in die Nut eingreifendes Führungsprofil, wobei vorzugweise das Führungsprofil an dem Formkern vorgesehen ist und die Nut in das Projektil eingebracht ist. Mittels solch einer Führungseinrichtung wird das Projektil in Längsrichtung beim Durchtreiben durch die Schmelze entlang des Formkerns geführt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform verläuft das Führungsprofil spiralförmig um den Formkern herum. Durch das spiralförmige Führungsprofil wird eine Verdrehung auf das Projektil bewirkt. Diese Zwangsrotation des Projektils sorgt für ein weiteres vorteilhaftes Verwischen der Bindenaht und für eine Homogenisierung der Werkstofffeistigkeit. Bei Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs hat eine in Umfangsrichtung orientierte Scherung der Schmelze zudem den Vorteil, dass die Fasern in der flüssigen Schmelze mehr in Umfangsrichtung als in Längsrichtung ausgerichtet werden. Dies erhöht die Werkstückfestigkeit in Umfangsrichtung signifikant. Solch ein hergestellter Kunststoffgegenstand ist besonders für eine nach Außen gerichtete Belastung ausgelegt.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird in den Formkern eine spiralförmig verlaufende Nut eingebracht und an der Innenseite des Projektils ist ein Führungsprofil vorgesehen.
  • Es versteht sich für beide Ausführungsformen, dass eine Vielzahl an ineinandergreifender Führungspaare aus Führungsprofil und Nut verwendet werden können. Die Führungsprofile und Nuten können dabei gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Formwand mit einer oder mehreren ringförmig, d. h. in Umfangsrichtung, verlaufenden Nuten ausgestaltet. In diese Nuten fließt beim Einleiten die Polymerschmelze hinein und erstarrt anschließend zu einer geometrischen Erhebung an der Außenseite des erzeugten Kunststoffgegenstands. Durch diese Formgebung wird dafür gesorgt, dass der gefertigte hohlförmige Kunststoffgegenstand an seiner Außenwandung eine oder mehrere ringförmig umlaufende Rippen aufweist, welche für eine örtliche Versteifung des Werkstücks und damit für eine Festigkeitssteigerung sorgen.
  • Die beschriebene Spritzgussvorrichtung ermöglicht also die Umsetzung einer von der Innenkontur des Werkstücks abweichenden Außenkontur, sodass eine variable Konturgestaltung der Außenform vorgenommen werden kann. So lassen sich variable Wanddicken realisieren und an der Außenwandung können Befestigungsmöglichkeiten für Clips, Schrauben, Schellen, Halterungen oder Sensoren vorgesehen werden.
  • Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt ist ein Projektilinjektionsverfahren zur Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands mittels einer Spritzgussvorrichtung, welche zumindest ein Formwerkzeug zur urformenden Formgebung des Kunststoffgegenstands, eine Einspritzvorrichtung zum teilweisen Einleiten einer fließfähigen Polymerschmelze in eine Kavität innerhalb des Formwerkzeugs, eine Fluidinjektionsvorrichtung zum Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids und zum Durchtreiben eines Projektils durch die in die Kavität eingeleitete Polymerschmelze umfasst, mit zumindest folgenden Schritten:
    1. a) Positionieren des zumindest teilweise hohlförmig ausgebildeten Projektils auf einem Formkern, welcher als Teil des Formwerkzeugs zumindest teilweise innerhalb einer Formwand des Formwerkzeugs angeordnet ist,
    2. b) zumindest teilweises Einleiten der fließfähigen Polymerschmelze in die Kavität,
    3. c) Einleiten des unter Druck stehenden Fluids und Durchtreiben des Projektils entlang einer Längserstreckung des Formkerns durch die Polymerschmelze,
    4. d) Verdrängen der Polymerschmelze durch das Projektil und darauffolgendes Erstarren der Polymerschmelze zu dem Kunststoffgegenstand,
    5. e) Öffnen der Formwand und Entnahme des Kunststoffgegenstands.
  • Ein wesentliches Ziel des erfindungsgemäßen Projektilinjektionsverfahrens ist gerade und möglichst dünnwandige Kunststoffgegenstände mit großen Querschnitten herzustellen. Durch dieses Verfahren werden jene bei bekannten Verfahren limitierenden Dimensionen dergestalt eliminiert, dass die bei großen Werkstückdimensionen erforderlichen großen Volumina und Flächen durch den Formkern ausgefüllt werden und die den eigentlichen Spritzprozess bestimmenden Dimensionen nach außen verschoben sind. D. h. die prozessbestimmenden spezifischen Kraft- und Flächenverhältnisse zwischen Fluidfläche, Schmelzvolumen usw. bleiben erhalten, sodass hier auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann.
  • Dieses Projektilinjektionsverfahren ermöglicht es längliche, dünnwandige hülsen-/hohlförmige Kunststoffgegenstände mit großen Durchmessern wirtschaftlich zu spritzen. Die Verwendung des Formkerns, auf welchem das Projektil entlang der Längserstreckung des Formkerns durch die Schmelze verschoben wird, ermöglicht einen erheblichen Kostenvorteil, da der Materialeinsatz maßgeblich reduziert ist und somit auch die Zykluszeiten verkürzt sind. Folglich lassen sich hohlförmige Kunststoffgegenstände kostengünstiger herstellen.
  • Die Werkstückdimensionen liegen bspw. bei einer Länge von 100 mm, einer Wanddicke von ca. 1,5 bis 3 mm und einem Durchmesser größer als 50 mm. Diese Kunststoffgegenstände weisen zudem ein großes Querschnitts-Wanddicken-Verhältnis auf, wobei der Durchmesser bei ca. dem zwanzigfachen der Wanddicke liegt.
  • Als Material für den hohlförmigen Kunststoffgegenstand wird ein hochgefüllter kurz- oder langfaserverstärkter Thermoplast verwendet. Diese Materialauswahl ermöglicht die Herstellung von Werkstücken mit höherer Festigkeit als bei Verwendung von nichtverstärktem Material. Die Verwendung von Materialien dieser Klasse ist vorteilhaft, da bei der Herstellung von rohrartigen Werkstücken nach dem Stand der Technik mit kleinen Durchmessern und relativ breiten Wanddicken, meist keine Notwendigkeit der Suche nach höherfesten Thermoplasten bestand. Durch große Krümmungen (bzw. kleine Krümmungsradien) der Querschnitte und die sich prozessbedingt einstellende Wanddicke waren in der Vergangenheit ungefüllte oder niedriggefüllte Thermoplaste völlig ausreichend, um die Anforderungen an die Werkstückfestigkeit zu erfüllen.
  • Erst durch die Herstellung von Werkstücken mit großen Querschnittsdimensionen nach Art der Erfindung und der Darstellung großer Querschnitte bei dünnen Wanddicken, gelangt die Materialauswahl in den Fokus. So ist die Verwendung von Glas- oder Karbonfasern besonders erfolgversprechend. Diese Materialauswahl ermöglicht die Herstellung von Werkstücken mit einer noch höheren Festigkeit als bei der Verwendung von Natur- oder anderen Fasern, was insbesondere bei innendruckbelasteten dünnwandigen Werkstücken von Vorteil ist.
  • Zur Entformung des erstarrten Kunststoffgegenstands bietet es sich an, die Bestandteile des Formwerkzeugs geteilt auszuführen. Dabei ist die Formwand entlang einer Trennebene in zwei Halbschalen unterteilt, welche zur Entnahme des Kunststoffgegenstands in entgegengesetzter Richtung ausgefahren werden. Diese Ausführung ermöglicht die einfache Entnahme des fertig gespritzten Werkstücks von dem Formkern.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Projektil durchgehend hohlförmig ausgebildet und es wird in einem Mittenbereich auf dem Formkern positioniert. Das Projektil lässt sich so beliebig auf dem Formkern positionieren und es ist in Längsrichtung frei beweglich. So kann die Position des Projektils je nach Anforderung angepasst werden, ohne Veränderungen an der Spritzgussvorrichtung vornehmen zu müssen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Projektil hauben- oder topfförmig ausgebildet und es wird auf ein Ende des Formkerns positioniert. Das hauben- oder topfförmige Projektil, welches auf das Ende des Formkerns positioniert wird, eliminiert die Dichtigkeitsanforderungen, welche ansonsten für das durchgehend hohlförmige Projektil gelten. Denn durch die Haubenform des Projektils kann bei Fluidinjektion kein unter Druck stehendes Fluid in die Kavität gelangen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Projektil an seiner Außenwandung ein Abstreifmittel und die Kavität wird im Wesentlichen durch das Projektil und die Formwand begrenzt. Eine Art des Projektilinjektionsverfahren sieht vor an dem Projektil ein Abstreifmittel auszuformen, welches die Schmelze beim Durchtreiben schert und komprimiert. Hierbei bietet es sich an die Kavität zwischen dem Projektil und der Formwand zu bilden. Die in den Hohlraum zwischen dem Projektil und der Formwand eingeleitete Schmelze verteilt sich um das Projektil herum und wird beim anschließenden Durchtreiben verdrängt, wodurch der Kunststoffgegenstand geformt wird.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an dem Formkern und an dem Projektil ineinandergreifende Führungsmittel vorgesehen, wobei die Führungsmittel zumindest eine Nut und ein in die Nut eingreifendes Führungsprofil umfassen, wobei das Führungsprofil spiralförmig um den Formkern verläuft, wodurch das Projektil beim Durchtreiben verdreht wird.
  • Eine Verdrehung des Projektils bewirkt eine Ausrichtung der im Material enthaltenen Fasern in Umfangsrichtung. Dies ist beispielsgemäß bei langfaserverstärkten Thermoplasten besonders effektiv, da die Festigkeit des herzustellenden Kunststoffgegenstands, insbesondere bei einer Belastung von innen heraus, gesteigert wird.
  • Durch die bevorzugten Ausführungsformen kann der durch das beschriebene Projektilinjektionsverfahren erzeugte Kunststoffgegenstand variabel (in Geometrie, Materialauswahl und erzeugter Funktionalität), kostengünstig und schnell in der Verfahrensdurchführung erzeugt werden.
  • Die Erfindung stellt daher zudem einen hohlförmigen Kunststoffgegenstand bereit, welcher durch das erfindungsgemäße Projektilinjektionsverfahren hergestellt ist.
  • Bevorzugt weist ein nach dem Verfahren hergestellter Kunststoffgegenstand bei der Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs eine Ausrichtung der Fasern auf, welche nicht in Längsrichtung des Kunststoffgegenstands ausgerichtet sind. In der Regel weisen gespritzte hohlförmige Kunststoffgegenstände eine Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung auf. Solche Kunststoffgegenstände haben allerdings eine sehre geringe Belastungsgrenze bei radial nach Außen wirkenden Kräften. Bei der Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands nach dem erfindungsgemäßen Projektilinjektionsverfahren verteilen sich die Faser dagegen ungleichmäßig, sodass die nachteilige Längsausrichtung vermieden wird.
  • Zusätzlich ist auch die auf das Projektil eingebrachte Verdrehung von Vorteil, weil dadurch die Fasern in Umfangsrichtung ausgerichtet werden. Ein hohlförmiger Kunststoffgegenstand dessen Fasern quer zur Längsachse ausgerichtet sind, weist eine hohe Ausdehnungsfestigkeit auf.
  • Der nach dem Verfahren hergestellte Kunststoffgegenstand weist auch keine Bindenaht auf. Eine Bindenaht ist grundsätzlich eine potentielle Schwachstelle in dem Werkstück. Die Fließfronten treffen beim Einspritzen senkrecht aufeinander und verschweißen. Je geringer der Druck und die Temperatur sind, umso geringer ist die Festigkeit der Bindenaht. Solch eine nachteilige Bindenaht wird allerdings durch das erfindungsgemäße Projektilinjektionsverfahren vermieden. Insbesondere das Abstreifmittel sorgt für ein vorteilhaftes Verwischen der Schmelze an den Fließfronten, wodurch die Bindenaht vermischt und homogenisiert wird. Der so hergestellte Kunststoffgegenstand erfüllt höchste Festigkeitsanforderungen und das Potential der Materialfestigkeit der eingesetzten Kunststoffe wird bestmöglich ausgeschöpft.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kunststoffgegenstand in seiner Längserstreckung eine variierende Wanddicke auf. So kann der Kunststoffgegenstand materialsparend an unterschiedliche Belastungsbereiche angepasst werden. Bevorzugt umfasst der Kunststoffgegenstand einen ersten und einen zweiten Endbereich, wobei die Wanddicke in dem zweiten Endbereich kleiner ist als die Wanddicke in dem ersten Endbereich. In hochbelasteten Bereichen weist der Kunststoffgegenstand eine breite Wanddicke auf, während die Wanddicke in niedrigbelasteten Bereichen dünner ausgestaltet ist.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem Kunststoffgegenstand ein Mittel zur Festigkeitssteigerung vorgesehen. Dieses Mittel stellt eine umlaufende und hervorstehende Rippe dar, welcher zu einer gebietsweisen Materialsteigerung und damit auch Festigkeitssteigerung in einem druckbeanspruchten Bereich des Kunststoffgegenstands führt. Solch eine Rippe lässt sich als Negativ in Form einer umlaufenden Nut in der Formwand der Spritzgussvorrichtung erzeugen.
  • Die geometrischen Abmaße des Kunststoffgegenstands sind vorzugweise dergestalt, dass der Durchmesser zwischen 110 und 150 mm und die Wanddicke zwischen 1,5 und 3 mm liegt.
  • Als eine weitere bevorzugte Ausführungsform stellt der Kunststoffgegenstand eine Außenführung für eine Luftfeder eines Kraftfahrzeuges dar. Vorzugsweise ist hierbei die Innenwandung der Außenführung zylindrisch ausgeführt. D. h. über die gesamte Länge weist die Außenführung einen gleichbleibenden Innendurchmesser auf. Weiterhin ist vorzugweise die Außenwandung der Außenführung konisch ausgestaltet. D. h. über die gesamte Länge weist die Außenführung einen variierenden Außendurchmesser auf. Bspw. ist der Außendurchmesser der Außenführung in einem oberen Bereich größer als der Außendurchmesser der Außenführung in einem unteren Bereich.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren.
  • Es zeigen
    • 1 a, b eine Spritzgussvorrichtung nach dem Projektilinjektionsverfahren gemäß dem Stand der Technik,
    • 2 eine Spritzgussvorrichtung gemäß dem Stand der Technik für gebogene rohrförmige Werkstücke,
    • 3 a, b eine beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung mit Formkern und hohlförmigem Projektil,
    • 4 a, b eine Draufsicht auf die beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung mit einer Einspritzvorrichtung,
    • 5 a, b eine Detailansicht auf eine entstehende Bindenaht und Darstellung der erstarrten Schmelze nach dem Durchtrieb des Projektils,
    • 6 a, b eine weitere beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung mit einem Abstreifmittel am Projektil,
    • 7 a, b Detailansichten des Projektils,
    • 8 eine weitere beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung, wobei der Formkern und das Projektil Führungsmittel aufweisen,
    • 9 die Prozessschritte eines ersten beispielsgemäßen Projektilinjektionsverfahrens mit durchgehendem Kern,
    • 10 die Prozessschritte eines zweiten beispielsgemäßen Projektilinjektionsverfahrens mit haubenförmigen Projektil, und
    • 11 eine Außenführung für eine Luftfeder als ein Kunststoffgegenstand.
  • Die 1 soll ein Projektilinjektionsverfahren gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen. Die Spritzgussvorrichtung für dieses bekannte Verfahren umfasst eine Schließeinheit, welche aus dem Formwerkzeug selbst besteht, und welches durch eine Formtrennebene in zwei Hälften trennbar ist. Durch eine Formwand 51 wird folglich die Form und Oberflächenstruktur eines zu erzeugenden Werkstücks 56 dargestellt. Dabei umschließt Formwand 51 einen Hohlraum, auch Kavität genannt, in welchen eine fließfähige Schmelze 54 durch eine Spritzeinheit eingeleitet wird.
  • Anschließend wird ein Projektil 53 mit konvex geformter Kopfseite durch Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids 55 durch flüssige Schmelze 54 getrieben. Die Formgebung des Projektils 53 gegenüber Formwand 51 bestimmt die Wanddicke des zu erzeugenden hohlförmigen Werkstücks 56. Dafür ist der Außendurchmesser des Projektils 56 geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Formwand 51, sodass nach dem Durchtrieb des Projektils 53 die Schmelze 54 an der Innenwand der Formwand 51 erstarrt und dadurch das hohlförmige Werkstück 56 erzeugt ist.
  • In der 2 wird dieses bekannte Projektilinjektionsverfahren zur Herstellung gebogener Rohre aufgezeigt. Formwand 51 ist derart geschwungen ausgeführt, sodass das zu erzeugende Werkstück 56 diese Form annimmt. Hierfür wird in einer Kavität 52 erhitztes Gießmaterial im fließfähigen Zustand als Schmelze 54 einleitet und anschließend wird mittels Fluid 55 das Projektil 53 durch die Schmelze 54 hindurch getrieben. Hierbei wird die überschüssige Schmelze 54 aus dem Formwerkzeug hinausgeschoben. Zurück bleibt das an Formwand 51 aus dem Gießmaterial erstarrte rohrförmige Werkstück 56 in gebogener Form.
  • Die 3 a und b stellen eine beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung dar, wobei der Fokus auf der Schließeinheit bzw. dem Formwerkzeug liegt.
  • Die 3a zeigt eine in zwei Hälften trennbare Formwand 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist Formwand 1 hohlzylindrisch gestaltet. Andere Querschnittformen einer hohlförmgen Formwand, bspw. Vieleckformen, sind ebenfalls vorstellbar.
  • Im Inneren der hohlförmigen Formwand 1 ist zentrisch ein Formkern 2 angeordnet. Formkern 2 erstreckt sich in Längsrichtung L entlang der Formwand 1. Es ist ebenfalls möglich Formkern 2 exzentrisch zur Formwand 1 zu positionieren, um ein hohlförmiges Werkstück 6 mit in Umfangsrichtung unterschiedlicher Wanddicke zu erzeugen. Die Querschnittsform des Formkerns 2 ist an Formwand 1 angepasst und daher ebenfalls zylindrisch ausgestaltet. Auch für Formkern 2 sind verschiedenste Querschnittsformen, wie Vieleckformen, vorstellbar.
  • Um eine Kavität zu bilden, ist der Außendurchmesser des Formkerns 2 wesentlich kleiner als der Innendurchmesser der Formwand 1. Folglich ist der Hohlraum zwischen Formwand 1 und Formkern 2 mit erhitztem Gießmaterial als Polymerschmelze 4 befüllbar.
  • Ein weiterer Aspekt der beispielsgemäßen Spritzgussvorrichtung ist ein hohlförmiges Projektil 3, welches in abdichtender Weise auf Formkern 2 angeordnet ist. Projektil 3 ist durch ein unter Druck stehendes Fluid 5 antreibbar und daher in Längsrichtung L auf Formkern 2 beweglich. Als Fluid 5 können Flüssigkeiten, Gase und Aerosole verwendet werden.
  • Um das hohlförmige Werkstück 6 herzustellen, weist Projektil 3 einen Außendurchmesser auf, welcher geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Formwand 1. Beim Durchtrieb des Projektils 3 entlang des Formkerns 2 wird Polymerschmelze 4 verdrängt und zwischen Projektil 3 und Formwand 1 verdichtet, sodass nach dem Durchtrieb des Projektils 3 das Werkstück 6 an der Innenseite der Formwand 1 erstarrt. Für einen besseren Durchtrieb ist die Kopfseite, d. h. die zur Polymerschmelze 4 gerichtete Seite des Projektils 3, abgerundet ausgeführt.
  • Die Gestalt von Formwand 1, Formkern 2 und Projektil 3 bestimmt die fertige Form des Werkstücks 6. So lässt sich also durch die Durchmesserwahl von Formwand 1 und Projektil 3 die Wanddicke des Werkstücks 6 festlegen.
  • Die 3b zeigt Projektil 3 nochmals in der Draufsicht. Es ist beispielsgemäß mit einer ringförmigen Gestalt ausgeführt, wobei an seiner planen Unterseite das Fluid 5 angreift. Zudem befindet sich Projektil 3 auf dem zentrierten Formkern 2, wobei Projektil 3 und Formkern 2 sich innerhalb der Formwand 1 befinden.
  • Aufgrund des geringfügigen Durchmesserunterschieds von Formwand 1 zu Projektil 3, wird beim Durchtreiben des Projektils 3 entlang des Formkerns 2 durch die Schmelze das hohlförmige/hülsenförmige Werkstück 6 ausgeformt.
  • Die 4 a und b zeigen die beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung mit einer Einspritzvorrichtung 8 in der Draufsicht. In beiden Abbildungen ist Einspritzvorrichtung 8 seitlich an Formwand 1 angeordnet. Das Ausgangsmaterial wird in Einspritzvorrichtung 8 plastifiziert und mittels Schneckenantrieb durch eine verschließbare Düse in die Kavität des Formwerkzeugs eingeleitet. Mehrere Einspritzvorrichtungen sind ebenfalls vorstellbar.
  • In der 4a ist die Spritzgussvorrichtung vor dem Durchtrieb des Projektils 3 auf dem Formkern 2 durch Polymerschmelze 4 dargestellt und in der 4b ist die erstarrte Schmelze als hohlförmiges Werkstück 6 nach dem Durchtrieb des Projektils 3 zu erkennen.
  • Der 5a ist zu entnehmen, dass sich beim Einspritzen der Polymerschmelze 4 zwei Fließfronten ausbilden, welche an einem Spalt 10 zusammenlaufen. Sobald die Fließfronten aufeinandertreffen wird eine potentiell nachteilige Bindenaht erzeugt. In der 5b ist die Bindenaht nach dem Überfahren des Projektils 3 homogenisiert worden.
  • Mit den 6 a und b soll veranschaulicht werden, wie solch eine Bindenaht in vorteilhafter Weise verwischt werden kann. In der 6a ist dargestellt, wie Polymerschmelze 4 in eine Kavität 7 zwischen Formwand 1 und Projektil 3 einfließt, wobei sich Projektil 3 in einer Position auf Formkern 2 befindet, in welcher der Einspritzpunkt der Einspritzvorrichtung 8 noch nicht vollständig vom Projektil 3 überfahren ist.
  • Die eingeführte Polymerschmelze 4 verteilt sich ringförmig um Projektil 3 herum und verläuft mit zwei Fließfronten auf der anderen Seite des Einspritzpunktes zusammen. Hierbei entsteht allerdings die nachteilige Bindenaht. Um diese Bindenaht der eingespritzten Polymerschmelze 4 zu verwischen, ist beispielsgemäß ein Abstreifmittel 9 am Projektil 3 vorgesehen. Dieses Abstreifmittel 9 wird vorzugweise an der Außenwandung des Projektils 3 ausgeformt und befindet sich im unteren Bereich des Projektils 3, welche dem Fluid 5 zugewandt ist. Abstreifmittel 9 stellt folglich eine umlaufende Kante oder eine geometrische Erhebung des Projektils 3 dar, welche dessen Außendurchmesser partiell vergrößert.
  • In der 6b ist der Zustand nach dem Überfahren des Einspritzpunktes dargestellt, wobei die Düse der Einspritzvorrichtung 8 verschlossen ist. Das Fluid 5 hat das Projektil 3 mit seinem Abstreifmittel 9 am Einspritzpunkt vorbei durch die Schmelze getrieben, wobei an Formwand 1 das Werkstück 6 erstarrt ist. Der Abstand des Abstreifmittels 9 zur Innenwandung der Formwand 1 bestimmt demnach die Wanddicke des herzustellenden Werkstücks. Beim Durchtrieb des Projektils 3 führt das Abstreifmittel 9 zu einer weiteren Verdichtung der Polymerschmelze 4, indem der Spalt zwischen Formwand 1 und Projektil 3 weiter verkleinert ist.
  • In der 7a ist das Abstreifmittel 9 nochmals näher dargestellt. Für die Bewegung des Projektils 3 durch Polymerschmelze 4 wird eine Antriebskraft benötigt, um den Widerstand der Polymerschmelze 4 gegen den Durchtrieb des Projektils 3 zu überwinden. Diese Antriebskraft ist mit dem Pfeil 13 veranschaulicht. Je größer die Antriebskraft 13 ist, die zur Verfügung gestellt wird, umso schneller findet in vorteilhafter Weise die Durchtriebsbewegung statt. Dementgegen wirkt eine Widerstandskraft aus der zu verdichtenden Polymerschmelze 4 heraus. Diese Widerstandskraft ist mit dem Pfeil 12 veranschaulicht. Folglich wirkt sich eine Senkung der Widerstandskraft 12 positiv auf die Durchtriebsbewegung aus. Für einen schnellen Durchtrieb des Projektils 3 durch Polymerschmelze 4 gilt es das Verhältnis von Antriebskraft 13 zu Widerstandskraft 12 zu erhöhen.
  • Einen Beitrag auf dieses Verhältnis stellt die Rheologie der Polymerschmelze 4 dar. Diese wird nach dem Stand der Technik über die Materialviskosität durch Polymerauswahl und Temperaturbedingungen gesteuert. Die geometrischen Besonderheiten der beispielsgemäßen Vorrichtung ermöglichen es in besonders vorteilhafterweise Weise eine große Antriebskraft zu erzeugen und die Widerstandskraft zu minimieren. Um bei rheologisch gegebenem spezifischem Materialwiderstand die zu überwindende Widerstandskraft zu senken, ist es erforderlich die auf Polymerschmelze 4 wirksame Ringfläche des Projektils 3 zu verkleinern, an welcher sich der durch Widerstand aufbauende hydrostatische Druck in der Polymerschmelze 4 etabliert. Daher ist es unter anderem vorteilhaft die Kopfseite abgerundet darzustellen.
  • Durch die beispielsgemäße Verwendung eines Abstreifmittels 9 am Projektil 3 kann die wirksame Fläche weiter gesenkt werden, an welcher der Druck des rheologischen Widerstandes der Polymerschmelze 4 wirkt. Diese Fläche kann sehr klein gehalten werden, indem die Geometrie des Abstreifmittels 9 immer sparsamer ausbildet ist. Der Außendurchmesser des Projektils 3, angegeben mit dem Radius Rp, nähert sich immer mehr dem finalen Innendurchmesser des zu erzeugenden Werkstücks 6 an, welches mit Radius Rw bezeichnet ist.
  • Bei einem kreisförmigen Projektil 3 vergrößert sich also der Außendurchmesser des Projektils 3 im Bereich des Abstreifmittel 9 hin zur Innenwandung der Formwand 1. Durch diese beispielsgemäße geometrische Ausgestaltung vergrößert sich zudem die Angriffsfläche für das Fluid 5 an der Unterseite des Projektils 3, was für einen höheren Antrieb sorgt. Denn die Größe der Antriebskraft 13 ergibt sich als Produkt aus dem Fluiddruck und der Angriffsfläche des Fluids 5. Maschinenbedingt kann der Fluiddruck bzw. der verfügbare Fluidstrom bei einem gewünschten Fluiddruck begrenzt sein. Darum geht es beispielsgemäß darum, die Angriffsfläche des Fluiddruckes zu vergrößern, ohne dadurch anderweitige Nachteile hinnehmen zu müssen. Dies ist verfahrensbedingt durch die Wahl des Durchmessers des Formkerns 2 möglich, welcher durch den Radius RK symbolisiert ist. Je kleiner der Durchmesser des Formkerns 2 relativ zum erzeugenden Innendurchmesser des Werkstücks 6 ist, umso größer wird die Angriffsfläche des Fluiddrucks.
  • Mit der 7b wird die Abdichtung des Projektils 3 auf Formkern 2 im Detail veranschaulicht. Damit entlang der Gleitfläche zwischen Formkern 2 und Projektil 3 kein Fluid 5 seinen Weg in Polymerschmelze 4 finden kann, sind Abdichtungsmaßnahmen getroffen worden.
  • An der Kopfseite des Projektils 3 ist eine erste Dichtungsanordnung 15 vorgesehen. Diese umfasst zumindest einen Abstreifring mit konturierter Außenkontur. Mittels einer scharfen Kante der Außenkontur des Abstreifrings wird dafür gesorgt, dass Polymerschmelze 4 vom Formkern 2 abgezogen wird. Der Abstreifring wird zudem federnd ausgeführt, sodass dieser gegen Formkern 2 angepresst wird.
  • An der Unterseite des Projektils 3 muss die Gleitfläche gegen das Fluid 5 abgedichtet werden. Hierfür ist eine zweite Dichtungsanordnung 16 vorgesehen. Hierfür ist ein Dichtpaket aus mehreren Dichtungen vorgesehen, welche ebenfalls federnd eingefasst sind und ein undurchdringliches Dichtungslabyrinth darstellen.
  • Für eine hochgradige Abdichtung des Projektils 3 auf Formkern 2 ist eine hohe Oberflächengüte des Formkerns 2 von Vorteil. So ist Formkern 2 bspw. aus einer chromhaltigen Stahllegierung gefertigt, wobei seine Oberfläche anschließend sehr glattgeschliffen wird. Auch die Oberflächengüte des Projektils 3 ist für die Abdichtung wichtig. So spielt die Oberflächengüte der Nutaufnahmen für die Abstreifringe bzw. Dichtungen eine große Rolle, sodass Projektil 3 aus einem Stahl, aus Bronze oder aus Keramik mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Die federnden Abstreifringe bzw. Dichtungen sind vorzugweise aus gesintertem und geschliffenem Stahl hergestellt. Die Dichtungen der zweiten Dichtungsanordnung 16 können auch aus Silikonkautschuk bestehen.
  • Die 8 ist die Draufsicht auf eine weitere beispielsgemäße Spritzgussvorrichtung, wobei Formkern 2 eine Vielzahl an Führungsmittel aufweist. Je ein Paar Führungsmittel umfassen ein Führungsprofil 11, welches in eine Nut eingreift. Führungsprofile 11 sind in Längsrichtung verlaufende Erhebungen am Formkern 2, welche zumindest eine Längsführung des Projektils 3 bewirken. Dafür sind in Projektil 3 entsprechende Nuten eingelassen.
  • Vorzugsweise sind Führungsprofile 11 gewunden ausgeführt, d. h. sie verlaufen spiralförmig um Formkern 2 herum, sodass auf Projektil 3 eine Verdrehung 14 bewirkt wird. Beim axialen Durchtrieb des Projektils 3 entlang des Formkerns 2 erfährt Projektil 3 eine Verdrehbewegung aufgrund der spiralförmigen Ausgestaltung der Führungsprofile 11. D. h. Projektil 3 wird in Umfangsrichtung verdreht. Diese Verdrehung bewirkt eine vorteilhafte Scherung auf die noch flüssige Polymerschmelze 4 und führt zu einer weiteren Homogenisierung. Insbesondere werden bei faserverstärkten Kunststoffen deren Fasern in Umfangsrichtung verdreht und ausgerichtet.
  • In der 9 werden die Prozessschritte eines ersten beispielsgemäßen Projektilinjektionsverfahrens aufgezeigt.
  • So zeigt der Prozessschritt a) die zugrundeliegende Spritzgussvorrichtung in der Ausgangslage. Innerhalb einer Formwand 1 ist ein durchgehender Formkern 2 vorgesehen. Auf Formkern 2 ist ein Projektil 3 angeordnet ist. Seitlich der Formwand 1 ist eine verschließbare Einspritzvorrichtung 8 angeordnet. Zwischen Projektil 3 und Formwand 1 ist eine Kavität 7 ausgebildet. An der Unterseite des Projektils 3 greift ein Fluid 5 an, welches mittels einer nicht gezeigten Fluidinjektionsvorrichtung unter Druck gestellt wird, um das Projektil 3 anzutreiben.
  • Während des Prozessschritts b) wird mittels Einspritzvorrichtung 8 fließfähige Polymerschmelze 4 in Kavität 7 eingeleitet.
  • Anschließend wird im Prozessschritt c) die Düse der Einspritzvorrichtung 8 verschlossen und das Projektil 3 mittels Fluiddruck 5 in Längsrichtung auf Formkern 2 bewegt. Beim Durchtrieb des Projektils 3 erstarrt Polymerschmelze 4 an der Innenseite der Formwand 1 zu einem hohlförmigen Werkstück 6.
  • In dem Prozessschritt d) wurde Projektil 3 in einen extra vorgesehenen Freiraum, welcher zwischen Formwand 1 und Formkern 2 hinter der Kavität vorliegt, durchgetrieben. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur des Projektils 3 sehr gut zu kontrollieren ist. Zudem wird Projektil 3 in seiner Durchtriebsbewegung geradlinig geführt und die Endlage lässt sich fein einstellen. Es kann auch eine Formwand 1 verwendet werden, bei welcher Projektil 3 zum Ende der Durchtriebsbewegung aus der Formwand 1 herausschaut. Dies spart Material für die Formwand 1 ein und senkt damit die Werkzeugkosten. Im gleichen Prozessschritt wird auch Fluid 5 abgelassen.
  • Mit dem letzten Prozessschritt e) erfolgt die Entnahme des Werkstücks 6. Hierzu wird Formwand 1 in zwei Hälften entlang einer Trennebene geöffnet. Projektil 3 und Werkstück 6 können vom Formkern 2 abgezogen werden. Abschließend erfolgt eine Nachbearbeitung des mittels Projektilinjektionsverfahren hergestellten Ku nststoffgegenstands.
  • Die 10 veranschaulicht ein zweites beispielsgemäßes Projektilinjektionsverfahren, wobei die Spritzgussvorrichtung in einer abgewandelten Form ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem durchgehenden Formkern, auf welchem ein ringförmiges Projektil verschiebbar ist, liegt in dieser Ausführungsform ein haubenförmiges Projektil 3 vor. D. h. Projektil 3 hat eine geschlossene Kopfseite, sodass dieses auf ein Ende des Formkerns 2 übergestülpt ist.
  • Im Schritt a) ist die Ausgangslage dieser Spritzgussvorrichtung gezeigt. Innerhalb einer Formwand 1 ist zumindest teilweise ein Formkern 2 angeordnet, welcher sich nicht über die gesamte Länge der Formwand 1 erstreckt. D. h. ein Ende des Formkerns 2 befindet sich innerhalb der Formwand 1. Auf dieses Ende des Formkerns 2 wird haubenförmiges Projektil 3 aufgesetzt bzw. aufgeschoben. An der Unterseite des Projektils 3 liegt ein Fluid 5 an, welches mittels einer nicht gezeigten Fluidinjektionsvorrichtung unter Druck gesetzt wird. Projektil 3 und Formwand 1 sind in einem gewissen Abstand zueinander ausgebildet, sodass dazwischen eine Kavität 7 vorliegt. Eine Einspritzvorrichtung 8 ist seitlich von Formwand angeordnet, um fließfähige Schmelze in Kavität 7 einzuleiten.
  • Eine Polymerschmelze 4 wird sogleich im Schritt b) mittels geöffneter Einspritzvorrichtung 8 in Kavität 7 eingespritzt. Hierbei füllt Polymerschmelze 4 zumindest teilweise Kavität 7 aus.
  • In dem Schritt c) ist Einspritzvorrichtung 8 verschlossen und Fluiddruck 5 wirkt auf die Unterseite des Projektils 3, sodass Projektil 3 entlang des Formkerns 2 getrieben wird. Hierbei erstarrt Polymerschmelze 4 an der Forminnenwand zu einem hohlförmigen Werkstück 6.
  • Der Prozessschritt d) zeigt Projektil 3 in seiner Endlage in Formwand 1, wobei bereits Fluid 5 abgelassen wird.
  • Abschließend erfolgt im Schritt e) die Entnahme des Werkstücks 6. Formwand 1 wird in zwei Hälften aufgetrennt, Projektil 3 kann entnommen werden und Werkstück 6 wird vom Formkern 2 abgezogen. Es erfolgt die Nachbearbeitung des Werkstücks 6 zu dem herzustellenden Kunststoffgegenstand.
  • Der 11 zeigt einen hülsenförmigen Kunststoffgegenstand in Form einer Außenführung 21 für eine Luftfeder eines Kraftfahrzeugs. Außenführung 21 ist an einem Rollbalg 23 mittels eines Spannrings 25 befestigt, welcher innenseitig des Rollbalgs 23 positioniert ist und gegen welchen Außenführung 21 verpresst wird, sodass Außenführung 21 am Rollbalg 23 in einer starren Position befestigt ist.
  • Rollbalg 23 ist an einem Anschlussteil (bspw. ein Abrollkolben) 22 mittels eines Klemmrings befestigt und rollt unter Ausbildung einer Rollfalte 24 an diesem ab. Rollfalte 24 liegt zugleich an der Innenseite der Außenführung 21 an.
  • Aufgrund dessen, dass Rollbalg 23 unter Innendruck steht, wird Außenführung 21 benötigt, um Rollbalg 23 zu bändigen und ein Aufblähen zu unterbinden. Daher stellt Außenführung 21 eine Ausdehnungsbegrenzung für Rollbalg 23 dar. In Sinne einer leichten und materialsparenden Ausführung ist es sinnvoll die Wanddicke d der Außenführung so dünn wie möglich zu halten. Allerdings sind die örtlichen Belastungen auf die Außenführung 21 unterschiedlich. Grundsätzlich lässt sich die Belastung auf eine Außenführung 21 in vier örtliche Bereiche unterteilen:
    • Der Austritt des Rollbalgs 23 stellt einen ersten Bereich dar. Damit ist der Übergangsbereich umschrieben, an welchem Rollbalg 23 die Außenführung 21 in der Nähe des Spannrings 25 verlässt und eine Kardanikfalte ausbildet.
  • Als ein zweiter Bereich wird der obere Endbereich der Außenführung 21 angesehen, welcher zugleich den Befestigungsbereich der Außenführung 21 am Rollbalg 23 mittels Spannring 25 darstellt.
  • Unterhalb des zweiten Bereichs liegt ein dritter Bereich vor. Dieser kennzeichnet sich dadurch, dass der Ablösepunkt der Rollfalte 24 in Normalniveaulage innerhalb dieses Bereiches liegt. Der dritte Bereich definiert sich durch den höchsten Ablösepunkt der Rollfalte 24 im eingefederten Zustand und durch den tiefsten Ablösepunkt der Rollfalte 24 im ausgefederten Zustand.
  • Abschließend wird als ein vierter Bereich der untere Endbereich der Außenführung 21 verstanden, welcher dem Anschlussteil 22 zugewandt ist. Dieser vierte Bereich gilt als unbelasteter Zustand, da Rollfalte 24 in keinem Einfederungszustand an diesem anliegt.
  • Es ist erkannt worden, dass Außenführung 21 über ihre gesamte Länge unterschiedlichen Drücken ausgesetzt ist und damit bereichsweise unterschiedliche Festigkeitsanforderungen erfüllen muss. So tritt direkt am Austritt des Rollbalgs 23 aus Außenführung 21 im ersten Bereich die höchste Belastung auf. Bei Normalniveaulage sind die Belastungen in dem zweiten und dritten Bereich aufgrund des Innendrucks im Arbeitsraum der Luftfeder annährend gleich. Die Belastung auf den vierten Bereich ist vernachlässigbar, da dieser vom Rollbalg 23 nicht überrollt wird.
  • Aufgrund dieser Erkenntnisse wird eine beispielgemäße Wanddickenreduktion von Außenführung 21 über ihre axiale Länge vorgeschlagen.
  • Da in dem zweiten Bereich die höchste Belastung auftritt, wird die erforderliche Wanddicke d in diesem Bereich auf 100% gesetzt. Eine Wanddicke d von 100% erfüllt die notwendigen Festigkeitsanforderungen der Außenführung 21, um dem Innendruck des Arbeitsraums der Luftfeder standzuhalten. Nachfolgend kann die Wanddicke d im dritten Bereich mit 67% beginnen und weiter auf 35% ausgedünnt werden. Die Wanddicke d im vierten Bereich unterliegt den minimal herstellbaren Dicken des Projektilinjektionsverfahrens.
  • Daher eignet sich die vorgeschlagene Spritzgussvorrichtung mit dem verknüpften Projektilinjektionsverfahren in hervorragender Weise Werkstücke aus Kunststoff zu produzieren, welche einen großen Durchmesser aufweisen (bspw. 110 bis 150 mm) und dabei eine sehr geringe Wanddicke d (bspw. 1,5 bis 3 mm) besitzen. Zugleich lassen sich bei diesen Kunststoffgegenständen die Wanddicke d entlang ihrer Längserstreckung variieren. Dies lässt sich durch die Formgebung der Formwand verwirklichen.
  • Folglich variiert über die Längserstreckung der Außenführung 21 deren Wanddicke d und kann zu einer Materialeinsparung von 13% gegenüber rein zylindrischen Außenführungen führen. Wie es der Figur also zu entnehmen ist, verjüngt sich Außenführung 21 nach unten hin, sodass eine Material- und Gewichtseinsparung erzielt wird.
  • Zusätzlich ist Außenführung 21 mit Mitteln zur Festigkeitssteigerung 26 versehen worden. Außenführung 21 weist an deren Außenwandung mehrere ringförmig umlaufende Rippen 26 auf. Diese führen zu einer örtlichen Versteifung bzw. Festigkeitssteigerung, bei gleichzeitiger Wanddickenreduzierung. Vorzugweise werden eine oder mehrere Rippen 26 in dem zweiten und dritten Bereich der Außenführung 21 ausgebildet. Erzeugt werden Rippen 26 durch eine entsprechende Nut in der Formwand beim Spritzen der Außenführung 21.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Formwand
    2
    Formkern
    3
    Projektil
    4
    Polymerschmelze
    5
    Fluid
    6
    Werkstück
    7
    Kavität
    8
    Einspritzvorrichtung
    9
    Abstreifmittel
    10
    Spalt
    11
    Führungsprofil
    12
    Widerstandskraft
    13
    Antriebskraft
    14
    Verdrehung
    15
    erste Dichtanordnung
    16
    zweite Dichtanordnung
    21
    Außenführung
    22
    Anschlussteil
    23
    Rollbalg
    24
    Rollfalte
    25
    Klemmring
    26
    Mittel zur Festigkeitssteigerung
    51
    Formwand
    52
    Kavität
    53
    Projektil
    54
    Schmelze
    55
    Fluid
    56
    Werkstück
    d
    Wanddicke+
    L
    Längsachse Formkern
    RK
    Radius Formkern
    RP
    Radius Projektil
    Rw
    Radius Werkstück

Claims (26)

  1. Spritzgussvorrichtung zur Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands (6), zumindest umfassend ein Formwerkzeug (1, 2) zur urformenden Formgebung des Kunststoffgegenstands (6), eine Einspritzvorrichtung (8) zum zumindest teilweisen Einleiten einer fließfähigen Polymerschmelze (4) in eine Kavität (7) innerhalb des Formwerkzeugs (1, 2), eine Fluidinjektionsvorrichtung zum Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids (5) und zum Durchtreiben eines Projektils (3) durch die in die Kavität (7) eingeleitete Polymerschmelze (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1, 2) eine Formwand (1) und einen zumindest teilweise innerhalb der Formwand (1) angeordneten Formkern (2) umfasst, wobei das Projektil (3) zumindest teilweise derart hohlförmig ausgebildet ist, dass es auf dem Formkern (2) angeordnet und entlang einer Längserstreckung (L) des Formkerns (2) auf diesem bewegbar ist.
  2. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) durchgehend hohlförmig ausgebildet ist.
  3. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (2) sich über eine gesamte Länge der Formwand (1) erstreckt.
  4. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) hauben- oder topfförmig ausgebildet ist.
  5. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Formkerns (2) innerhalb der Formwand (1) liegt, wobei das hauben- oder topfförmige Projektil (3) auf diesem Ende aufgeschoben ist.
  6. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisch oder elektromagnetisch betriebenes Antriebsmittel vorgesehen ist, welches zusätzlich zur Fluidinjektionsvorrichtung für ein Durchtreiben des hauben- oder topfförmigen Projektils (3) durch die in die Kavität (7) eingeleitete Polymerschmelze (4) sorgt.
  7. Spritzgussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) an seiner Außenwandung ein Abstreifmittel (9) umfasst.
  8. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifmittel (9) an einem Endbereich des Projektils (3) vorgesehen ist, welcher dem Fluid (5) zugewandt ist.
  9. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (7) durch das Projektil (3) und die Formwand (1) begrenzt ist.
  10. Spritzgussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formkern (2) und an dem Projektil (3) ineinandergreifende Führungsmittel (11) vorgesehen sind.
  11. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel zumindest eine Nut und ein in die Nut eingreifendes Führungsprofil (11) umfassen, wobei insbesondere das Führungsprofil (11) an dem Formkern (2) vorgesehen ist und die Nut in das Projektil (3) eingebracht ist.
  12. Spritzgussvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsprofil (11) spiralförmig um den Formkern (2) herum verläuft.
  13. Spritzgussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass innenseitig der Formwand (1) eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut eingebracht ist.
  14. Projektilinjektionsverfahren zur Herstellung eines hohlförmigen Kunststoffgegenstands (6) mittels einer Spritzgussvorrichtung, welche zumindest ein Formwerkzeug (1, 2) zur urformenden Formgebung des Kunststoffgegenstands (6), eine Einspritzvorrichtung (8) zum teilweisen Einleiten einer fließfähigen Polymerschmelze (4) in eine Kavität (7) innerhalb des Formwerkzeugs (1, 2), eine Fluidinjektionsvorrichtung zum Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids (5) und zum Durchtreiben eines Projektils (3) durch die in die Kavität (7) eingeleitete Polymerschmelze (4) umfasst, zumindest gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Positionieren des zumindest teilweise hohlförmig ausgebildeten Projektils (3) auf einem Formkern (2), welcher als Teil des Formwerkzeugs (1, 2) zumindest teilweise innerhalb einer Formwand (1) des Formwerkzeugs (1, 2) angeordnet ist, b) zumindest teilweises Einleiten der fließfähigen Polymerschmelze (4) in die Kavität (7), c) Einleiten des unter Druck stehenden Fluids (5) und Durchtreiben des Projektils (3) entlang einer Längserstreckung (L) des Formkerns (2) durch die Polymerschmelze (4), d) Verdrängen der Polymerschmelze (4) durch das Projektil (3) und darauffolgendes Erstarren der Polymerschmelze (4) zu dem Kunststoffgegenstand (6), e) Öffnen der Formwand (1) und Entnahme des Kunststoffgegenstands (6).
  15. Projektilinjektionsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) durchgehend hohlförmig ausgebildet ist und in einem Mittenbereich auf dem Formkern (2) positioniert wird.
  16. Projektilinjektionsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) hauben- oder topfförmig ausgebildet ist und auf einem Ende des Formkerns (2) positioniert wird.
  17. Projektilinjektionsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (3) an seiner Außenwandung ein Abstreifmittel (9) umfasst und die Kavität (7) durch das Projektil (3) und die Formwand (1) begrenzt wird.
  18. Projektilinjektionsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formkern (2) und an dem Projektil (3) ineinandergreifende Führungsmittel (11) vorgesehen sind, wobei die Führungsmittel zumindest eine Nut und ein in die Nut eingreifendes Führungsprofil (11) umfassen, wobei das Führungsprofil (11) spiralförmig um den Formkern (2) verläuft, wodurch das Projektil (3) beim Durchtreiben verdreht wird.
  19. Hohlförmiger Kunststoffgegenstand (6, 21), hergestellt durch ein Projektilinjektionsverfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18.
  20. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs, die Fasern nicht in Längsrichtung des Kunststoffgegenstands (6, 21) ausgerichtet sind.
  21. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass dieser keine Bindenaht aufweist
  22. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in seiner Längserstreckung eine variierende Wanddicke (d) aufweist.
  23. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen ersten und einen zweiten Endbereich umfasst, wobei die Wanddicke (d) in dem zweiten Endbereich kleiner ist als die Wanddicke (d) in dem ersten Endbereich.
  24. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass an diesem zumindest ein Mittel zur Festigkeitssteigerung (26) vorgesehen ist.
  25. Kunststoffgegenstand (6, 21) nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Durchmesser zwischen 110 und 150 mm und eine Wanddicke (d) zwischen 1,5 und 3 mm aufweist.
  26. Kunststoffgegenstand nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Außenführung (21) für eine Luftfeder eines Kraftfahrzeuges ist.
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