DE10219020A1

DE10219020A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit Füllstoffen hochgefüllten Kunststoffteilen

Info

Publication number: DE10219020A1
Application number: DE2002119020
Authority: DE
Inventors: Timo Guenzel; Matthias Sieverding
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: Krauss Maffei GmbH
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Werkzeug zum Herstellen von mit Füllstoffen hochgefüllten Kunststoffteilen, bei dem bzw. bei der eine mit Zusatzstoffen niedrig gefüllte Kunststoffschmelze hergestellt und in eine Kavität eines Werkzeugs eingespritzt wird. DOLLAR A Um einerseits mit niedrig gefüllten Schmelzen arbeiten, jedoch hochgefüllte Kunststoffteile herstellen zu können, wird vorgeschlagen, den Füllungsgrad der Kunststoffschmelze in der Kavität durch Ausdrücken von Kunststoff aus der Kavität nach dem Beginn der Einspritzung zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Füllstoffen hochgefüllten Kunststoffteilen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 10. Überdies betrifft der Erfindung ein Werkzeug für eine solche Vorrichtung.
Es ist verstärkt eine Anforderung am Markt festzustellen, mit verschiedensten Füllstoffen hochgefüllte Kunststoffteile herzustellen. Als Kunststoffe werden beispielsweise thermoplastische Kunststoffe wie Polyethylen oder Polypropylen verwendet. Als Ausgangsmaterial dienen beispielsweise Pellets oder pulverförmige Stoffe, die während des Herstellungsvorgangs mit Füllstoffen wie Glasfaser, Holz, Stahl oder anderen Materialen versetzt werden. Diese plastifizierte Kunststoffmasse wird nachfolgend als "gefüllte Kunststoffschmelze" bezeichnet.

Üblicherweise werden als Vorrichtungen zum Herstellen von stückgutartigen Kuststoffteilen Spritzgießmaschinen mit einer Plastifiziereinheit und einer Schließeinheit verwendet. Die Schließeinheit weist beispielsweise zwei Formaufspannplatten auf, die relativ zueinander verfahren werden können, wodurch ein an den Formaufspannplatten befestigtes Werkzeug geöffnet oder zur Ausbildung einer Kavität geschlossen werden kann. Die Anwendungsgebiete für die vorliegende Erfindung ist der Automobilbereich, der Hausgerätebereich sowie der Bau- und Transportbereich.

Problematisch bei Kunststoffschmelzen mit einem hohen Füllungsgrad von Füllstoffen ist deren schlechtes Verarbeitungs- und Fließverhalten. Insbesondere ist bei der Herstellung von solchen hochgefüllten Kunststoffteilen allgemein davon auszugehen, dass mit steigendem Füllstoffanteil auch die Fließfähigkeit der Schmelze abnimmt. Im Ergebnis ist das Einbringen von Kunststoffschmelze mit hohem Füllstoffanteil in die Formkavität problematisch. Desweiteren bereitet das Einbetten des Füllstoffes bei hohen Anteilen in dem verbleibenden Restkunststoff Probleme. Beispielsweise ist dies bei Einschneckengeometrien, wie sie bei Spritzgießmaschinen vielfach eingesetzt werden, überhaupt nicht und bei Zweischneckengeometrien nur bedingt möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Werkzeug anzugeben, mit der die oben genannten Probleme gelöst werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zunächst eine Kunststoffschmelze mit einem geringeren Füllstoffanteil hergestellt und in die Kavität eines Werkzeugs eingespritzt wird. Durch Ausdrücken allein des Kunststoffes jedoch im wesentlichen nicht der Füllstoffe aus der Kavität wird dann der Füllungsanteil der Kunststoffschmelze in der Kavität erhöht. Mit anderen Worten wird einer Kavität mehr Kunststoffschmelze zugeführt, als dies zur Herstellung des jeweiligen Produktes notwendig ist. Anschließend wird ein Teil des Kunststoffes, jedoch nicht der Füllstoffe, aus der Kavität ausgeführt oder verdrängt, so erhöht man den Füllungsgrad in der Kavität. Die verfahrensmäßigen Merkmale sind in Anspruch 1, die vorrichtungsmäßigen Merkmale in Anspruch 10 angegeben. Überdies sind in Anspruch 16 die Merkmale für ein Werkzeug gemäß der Erfindung dargestellt.

Zwar ist es allgemein bekannt, Kunststoff in sogenannte Nebenkavitäten auszudrücken. So ist beispielswiese aus der DE 39 13 109 C3 ein Verfahren zum Spritzgießen fluidgekühlter Kunststoffkörper zusammen mit einer entsprechenden Vorrichtung bekannt. Demgemäß ist mindestens eine außerhalb eines Formhohlraums angeordnete und mit diesem verbundene, formbare Nebenkavität vorgesehen, in die Kunststoffschmelze austreibbar ist. Das Austreiben der Kunststoffschmelze geschieht jedoch durch das Einbringen eines Gases in den Formhohlraum. Allgemein werden mich solchen Verfahren und Vorrichtungen Kunststoffteile mit Hohlräumen geschaffen. Diese Hohlräume werden durch das Einbringen von gasförmigen Stoffen oder Flüssigkeiten in eine zumindest teilweise befüllte Kavitäten realisiert. Ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Anreicherung des Füllungsgrades einer mit Füllstoffen versehenen Kunststoffschmelze in der Kavität ist jedoch nicht bekannt.

Die Anreicherung der Füllstoffe in der Kavität bzw. des Ausbringen oder Ausdrücken von Kunststoffschmelze - im wesentlichen ohne die Füllstoffe - aus der Kavität kann auf verschiedene Arten erreicht werden. In jedem Fall müssen in dem Werkzeug Überlauf- Öffnungen vorgesehen sein, die derart gestaltet oder gestaltbar sind, dass zwar der - i. a. thermoplastische - Kunststoff selbst aber nicht die Füllstoffe aus der Schmelze die Kavität verlassen können.

Verfahrensmäßig kann man die Füllstoff-Anreicherung beispielsweise dadurch erreichen, dass ein oder mehrere Überläufe oder aber zusätzlich oder allein ein Schneckenvorraum vorgesehen sind, in die das Ausdrücken des Kunststoffes aus der Kavität erfolgt. Vorzugweise sind die Strömungs-Querschnitte der Überlauf-Öffnungen an die Fließfähigkeit der mit den Füllstoffen gefüllten Schmelze bzw. des Kunststoffes und evtl. auch an die Geometrie der Kavität angepasst oder anpaßbar.

Gemäß einer ersten Verfahrensweise, kann die Kavität eines zumindest im wesentlichen vollständig geschlossenen Werkzeugs mit Schmelze vollständig befüllt werden. Nach dem vollständigen Befüllen erfolgt ein weiteres Befüllen, wobei der Kunststoff ohne die Füllstoffe aus der Kavität ausgedrückt wird. Durch diese Maßnahme erhöht sich der Anteil der Füllstoffe in der Kavität. Die Zuführ von mit Füllstoffen befüllter Kunststoffschmelze kann solange fortgesetzt werden, bis der Anteil der Füllstoffe in der Schmelze die gewünschte Höhe erreicht.

Alternativ kann die Schmelze auch in eine sich vergrößernde Kavität eingespritzt werden. Nach oder während des Einspritzens kann die Größe der Kavität auf die für das Werkstück vorgesehene Geometrie verkleinert werden. Durch die Kavitätsverkleinerung erfolgt ebenfalls ein Ausdrücken des Kunststoffs ohne die Füllstoffe. Gleichfalls kann in eine bereits vergrößerte Kavität eingespritzt werden, die dann ebenfalls geschlossen wird. Eine andere alternative Verfahrensweise ist dadurch gegeben, dass die Kavität durch Einbringen von Elementen, wie Kernen, Backen oder Stiften verkleinert wird. Auch dadurch kann das Ausdrücken von Kunststoffschmelze initiiert werden.

Vorrichtungsmäßig sind insbesondere die Querschnitte der Öffnungen (Überlauföffnungen) derart auszubilden, dass bei Befüllung der Kavität mit gefüllten Schmelze zwar Kunststoff, jedoch im wesentlichen nicht die Füllstoffe aus der Kavität austreten können. Dazu ist es möglich, Ventileinrichtungen zum Öffnen und Schließen der Überlauföffnungen vorzusehen. Die Öffnungen können jedoch auch so dimensioniert und positioniert werden, dass es nicht notwendig ist, die Überläufe aktiv zu öffnen. Durch den entstehenden Druck in der Formkavität würde bei dieser Vorgehensweise ein selbstständiges Öffnen der statisch wirkenden Überläufe möglich sein.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einfacher Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein geschlossenes Werkzeug in Schnittansicht mit verbundener Einspritzeinrichtung, bei der mit Füllstoffen befrachtete Schmelze zum Teil in das Werkzeug eingebracht ist,
Fig. 2 eine Ansicht wie Fig. 1 mit vollständig gefüllter Kavität,
Fig. 3 eine Ansicht wie Fig. 1, jedoch mit in Überläufe gedrückter Kunststoffmasse,
Fig. 4a bis 4c ein Verfahren bei einem geschlossenes Werkzeug ähnlich wie in Fig. 1 bis Fig. 3, jedoch mit geringfügig anders angeordneter Nebenkavität
Fig. 5a bis 5c ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren bei einem Werkzeug, welches ein Spritzprägen erlaubt, und
Fig. 6a bis 6c ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren bei einem Werkzeug, bei dem die Schmelze in den Schneckenvorraum zurückgedrückt wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Erfindung gemäß den Fig. 1 bis 3 wurde nicht eine gesamte Spritzgießmaschine dargestellt, sondern lediglich ein zur Bildung einer Kavität verwendetes Werkzeug 10.
Es ist allgemein bekannt, dass die beiden Werkzeughälften 12 und 14 eines solchen Werkzeugs 10 üblicherweise an zwei Formaufspannplatten einer Spritzgießmaschine (vgl. Fig. 4a bis 6c) befestigt sind, die wiederum Teil einer Schließeinheit sind. Eine entsprechende Spritzgießvorrichtung weist zudem eine Plastifizier- und Einspritzeinheit auf, die vorliegend auch nicht näher dargestellt ist.
In den Fig. 1 bis 3 ist lediglich die Spitze einer Einspitzeinheit 30 dargestellt. Diese Spitze 30 umfasst eine Einspritzdüse 32 mit einem Schneckenvorraum 36 und einer Plastifizierschnecke 34, von der vorliegend ebenfalls lediglich die Spitze dargestellt ist.
Das Werkzeug 10 umfasst die zwei Werkzeughälften 12 und 14, wobei die Werkzeughälfte 14 einen Einspritzkanal 20 und die Werkzeughälfte 12 zwei Überlauf- Volumen 18 aufweisen, die mit der Kavität 16 des Werkzeugs über Kanäle verbunden sind. Die Kanäle münden über Überlauf-Öffnungen in die von dem Werkzeug 10 gebildete Kavität 16.
Bei der vorliegenden beanspruchten Vorrichtung und dem vorliegend erläuterten Verfahren wird in der nicht näher dargestellten Plastifizier- und Einspritzeinrichtung eine Kunststoffschmelze hergestellt, die mit Füllstoffen mit niedrigem Füllungsgrad befrachtet ist. Als Füllstoffe eignen sich beispielsweise Glasfaser, Holz, Stahl. Natürlich sind auch andere Füllstoffe möglich.
Die - eine an sich geringe Füllstoffkonzentration aufweisende - gefüllte Kunststoffschmelze ist gut fließfähig, lässt sich leicht verarbeiten und in die Kavität 16 einbringen.
In Fig. 1 ist ein Verfahrenszeitpunkt dargestellt, in dem die beiden Werkzeughälften 12 und 14 geschlossen sind und die Kavität 16 zum Teil mit Kunststoffschmelze gefüllt ist. Bis zu dem Zeitpunkt an dem die Kavität vollständig mit Schmelze gefüllt ist (Fig. 2), weist die Kunststoffschmelze in der Kavität den gleichen Füllungsgrad mit Füllstoffen auf, wie die in der Plastifiziereinrichtung hergestellte Schmelze.
In Fig. 3 ist ein Verfahrensschritt dargestellt, bei dem durch fortwährendes Einbringen von gefüllter Kunststoffschmelze in die Kavität 16 ein Ausdrücken von Kunststoff ohne die Füllstoffe in die Überlauf-Volumen 18 erreicht wird. Die Querschnittsöffnungen zu den Überlauf-Volumen 18 haben einen definierten Querschnitt dergestalt, damit nur der Kunststoff selbst aus der Kavität entweichen kann. Die Füllstoffe verbleiben jedoch im wesentlichen in der Kavität.
Es wird dann so lange die mit einem niedrigen Füllungsgrad an Füllstoffen befrachtete Schmelze mit Druck in die Formkavität eingebracht, bis der für das Endprodukt notwendige Füllstoffanteil der Kavität erreicht ist. Der Kunststoff wird durch den Schmelzedruck bzw. den entstehenden Werkzeuginnendruck aus der Formkavität in die Überlauf-Volumen ausgeschleust.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind keine Schließvorrichtungen oder Ventilvorrichtungen bei den entsprechenden Überlauföffnungen 19 angeordnet. Natürlich ist es aber auch möglich, entsprechende Ventilvorrichtungen anzubringen und zu einem bestimmten Verfahrenszeitpunkt zu öffnen. Es ist auch möglich, den Strömungs- Querschnitt der Öffnungen, durch den der Kunststoff austritt, variabel zu gestalten, um so das Ausbringen des Kunststoffes in die Überlauf-Volumen steuern zu können.
In den Fig. 4a bis 4c ist ein gleiches Verfahren wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Lediglich die beiden Werkzeughälften 12' und 14' sind etwas anders ausgebildet, indem nämlich die Nebenkavität durch eine Ausnehmung in der Werkzeughälfte 14' einerseits und der Werkzeughälfte 12' andererseits (bei geschlossenem Werkzeug) gebildet wird. Ebenfalls ist die Überlauföffnung 19' in gleicher Weise durch eine Ausnehmung in der Werkzeughälfte 14' gebildet. Die übrigen Teile entsprechen den in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Teilen und sind auch entsprechend beziffert. Durch die Ausgestaltung der Überlauföffnung 19' wie auch der Nebenkavität 18' sowie der freien Zugänglichkeit dieser Bereiche nach dem Öffnen des Werkzeugs kann der darin aufgenommene Kunststoff leicht entfernt werden.
Bei einer weiteren Verfahrens- und Werkzeugvariante, wie in den Fig. 5a bis 5c dargestellt, kann die zunächst mit einem niedrigen Füllstoffanteil befrachtete Schmelze in eine vergrößerte oder sich vergrößernde Formkavität 16" eingebracht werden. Um den für das Endprodukt notwendigen Füllstoffanteil zu erreichen, wird die vergrößerte Formkavität auf die für das Endprodukt notwendige Geometrie verkleinert. Diese Vorgehensweise wird üblicherweise mit dem Ausdruck "Spritzprägen" bezeichnet. Der Kunststoff wird bei dieser Verfahrensweise über ein oder mehrere Überläufe mit einem definierten Querschnitt aus der Kavität ausgetragen und in eine Nebenkavität abgeführt (vgl. Fig. 5c).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist aus den Fig. 6a bis 6c ersichtlich. Gemäß diesen Figuren wird die mit einem geringen Füllstoffanteil versehene Schmelze in eine vergrößerte Formkavität 16''' eingeführt. Nach dem vollständigen Füllen der vergrößerten Kavität 16''' kann die Kavität durch Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften verkleinert und auf die für das Endprodukt notwendige Geometrie gebracht werden. Bei diesem Vorgang wird der Kunststoff (im wesentlichen ohne die Füllstoffe) in den Schneckenvorraum 36 zurückgedrückt. Dazu müsste an der Einspritzdüse der Plastifizier- und Einspritzvorrichtung ein definierter Querschnitt geöffnet sein, wodurch der Kunststoff in den Schneckenvorraum 36 entweichen könnte. Auch mit dieser Verfahrensweise läßt sich der Füllstoffanteil in der Kavität erhöhen.
Eine Verkleinerung der Kavität kann ebenfalls durch Einfahren von Kernen, Backen, Stiften oder ähnlichen Elementen in die Kavität erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung gibt eine einfache und kostengünstige Weise an, zum einen eine gut verarbeitbare und fließfähige Kunststoffschmelze mit niedrigem Füllungsanteil herzustellen und in eine Kavität einzuspritzen. Durch das Ausbringen von Kunststoff aus der Schmelze, wobei jedoch konstruktionsbedingt die Füllstoffe in der Kavität verbleiben, ist es dann möglich, ein Produkt mit einem hohen Füllstoffanteil herzustellen. Der Füllstoffanteil kann dabei bis zu 95% und darüber erreichen. Bezugszeichenliste 10 Werkzeug
12 Werkzeughälfte
14 Werkzeughälfte
16 Kavität
18 Überlauf-Volumen
19 Überlauf-Öffnung
20 Einspritz-Kanal
30 Einspritzdüse
32 Düsenspitze
34 Schneckenspitze
36 Schneckenvorraum
40 mit Füllstoffen angereichgerte Schmelze

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von mit Füllstoffen hochgefüllten Kunststoffteilen bei dem

- eine die Füllstoffe aufweisende Kunststoffschmelze hergestellt und

- die gefüllte Kunststoffschmelze in eine Kavität eines Werkzeugs eingespritzt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der Füllungsgrad der Kunststoffschmelze in der Kavität durch Ausdrücken von Kunststoff aus der Kavität nach dem Beginn der Einspritzung erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausdrücken des Kunststoffes in einen oder mehrere Überläufe oder in einen Schneckenvorraum einer Einspritzeinrichtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte und Positionierungen der Ausdrücköffnungen aus der Kavität der Fließfähigkeit der gefüllten Schmelze oder des Kunststoffes und/oder der Geometrie der Kavität angepasst werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Ausdrücköffnungen verändert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Werkzeug vor dem Einspritzvorgang vollständig geschlossen wird,

- dass die Kavität mit der mit den Füllstoffen gefüllten Schmelze befüllt wird und

- dass nach dem zumindest im wesentlichen vollständigen Füllen der Kavität weiter gefüllte Schmelze unter Ausdrücken von Kunststoff in die Kavität eingebracht wird, bis ein gewünschter Füllungsgrad der Schmelze in der Kavität erreicht ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug geschlossen wird,

- dass das Werkzeug zumindest zum Teil geschlossen wird,

- dass die gefüllte Schmelze in eine sich vergrößernde Kavität eingebracht wird und

- dass die Kavität auf die für das Werkstück vorgesehene Geometrie unter Ausdrücken von Kunststoff verkleinert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Werkzeug derart positioniert wird, dass eine gegenüber dem herzustellenden Werkstück vergrößerte Kavität entsteht,

- dass die gefüllte Schmelze in die vergrößerte Kavität eingebracht wird und

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleinerung der Kavität durch Einbringen von Elementen in die Kavität erreicht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überläufe aktiv geöffnet werden.

10. Vorrichtung zum Herstellen von mit Füllstoffen hochgefüllten Kunststoffteilen umfassend

- eine Plastifizier- und Einspritzeinrichtung zum Herstellen der mit den Füllstoffen gefüllten Schmelze und

- eine Schließeinheit mit einem Werkzeug zur Ausbildung einer Kavität,

dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeug eine oder mehrere Überlauföffnungen jeweils mit einem bestimmten Querschnitt vorgesehen und den Öffnungen jeweils Überlaufvolumen zugeordnet sind, wobei die Querschnitte der Öffnungen derart ausgebildet oder ausbildbar sind, dass bei Befüllung der von dem Werkzeug gebildeten Kavität mit der gefüllten Schmelze zwar Kunststoff jedoch im wesentlichen nicht die Füllstoffe durch die Überlauföffnungen aus der Kavität austreten können.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Überlauföffnungen Ventileinrichtungen zum Öffnen und Schließen der Überlauföffnungen vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Überlauföffnung eine Einrichtung zum Verändern der Strömungs-Querschnittsfläche der jeweiligen Öffnungen vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, in dem Werkzeug Elemente, insbesondere Kerne, Backen, Stifte oder dergleichen, zum Verkleinern der Kavität vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Einspritzdüse der Plasifizier- und Einspritzeinrichtung eine Überlauföffnung mit definierbarem Querschnitt zum Zurückführen der Schmelze in einen Schneckenvorraum ausbildbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte und Positionierung der Überlauf-Öffnungen in der Kavität auf die Geometrie der Kavität derart abgestimmt ist, derart, dass ein selbständiges Öffnen der statisch wirksamen Überläufe erzielt ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizier- und Einspritzeinrichtung eine Einschnecken- Plastifiziereinheit, eine Doppelschnecken-Plastifiziereinheit und/oder eine Kolbeneinspritzeinheit aufweist.

17. Werkzeug für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Überlauföffnungen vorgesehen sind, deren Querschnitte derart ausgebildet oder ausbildbar sind, dass bei Befüllung der mit dem Werkzeug gebildeten Kavität mit der gefüllten Schmelze zwar der Kunststoff jedoch im wesentlichen nicht die Füllstoffe aus der Kavität austreten können.