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Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen
mittels Spritzgießmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Spritzgießmaschinen,
insbesondere Schnecken-Spritzgießmaschinen, unter der Einwirkung mehrerer Drücke
und Einspritzgeschwindigkeiten.
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Bei der Lösung der Aufgabe, hochfeste Spritzlinge, beispielsweise
Fittingteile für Druckrohrleitungen, herzustellen, wurde, wie allgemein bekannt
ist, ursprünglich davon ausgegangen, daß, speziell bei der Verarbeitung von weichmacherfreiem
Polyvinylchlorid, ein Druck von etwa 2500 kglcm2 und mehr die höchsten Festigkeitswerte
erbringt. Es ist nun im Gegensatz dazu beim Verarbeiten solcher Kunststoffe mit
Spritzgießmaschinen, insbesondere Schnecken-Spritzgießmaschinen, festgestellt worden,
daß immer dann, wenn hohe Drücke in dem Spritzling wirksam werden, zwar ein sehr
harter, aber glasspröder Fitting entsteht, der sehr niedrige Kerbschlagwerte und
entsprechend niedrige und stark schwankende Berstdruckfestigkeitswerte aufweist.
Diese Feststellung wurde beispielsweise in Regel an den auf dem deutschen Markt
befindlichen weichmacherfreien Polyvinylchloridtypen gemacht.
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Um hochwertige Spritzlinge mit guter Oberflächenbeschaffenheit herstellen
zu können, ist bereits ein Spritzgußverfahren vorgeschlagen worden, nach dem auf
die unter hohem Druck in den Formhohlraum eingespritzte plastische Masse während
des Erstarrungsvorganges zusätzlich ein zweiter Druck einwirkt, der bei allseitig
geschlossener Form von einem beweglichen Teil derselben entgegen der Einspritzrichtung
aufgebracht wird.
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Um bei der Herstellung von Spritzlingen Sprödigkeit, poröse oder
schadhafte Stellen und Stellen von Festigkeitsunterschieden zu vermeiden, wurde
ein weiteres Verfahren entwickelt, bei dem eine größere als für das fertige Formteil
erforderliche Menge heißen plastifizierten Kunststoffes bei erst teilweise geschlossener
Form in den Formhohlraum gespritzt wird. Nach Beendigung des Formfüllvorganges wird
die Form dann völlig geschlossen. Dabei wird unter Einwirkung des Formschließdruckes,
der den Spritzdruck überwindet, der Masseüberschuß durch die Formteilungsfuge oder
besondere Öffnungen der Form wieder aus der Form herausgequetscht oder auch in den
Spritzzylinder zurückgepreßt, worauf der gespritzte Gegenstand in der üblichen Weise
in der Form abgekühlt wird.
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In einem ähnlichen bekannten Verfahren wird der plastifizierte Kunststoff
in einer zur Herstellung des fertigen Gegenstandes ausreichenden Menge in die noch
nicht geschlossene Form eingespritzt, und erst dann wird die Form vollständig geschlossen.
Dadurch soll ein Spritzling gefertigt werden, der nahezu frei von inneren Spannungen
ist, keine Fehler aufweist und eine saubere, glatte Oberfläche hat.
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Nach einem weiteren bekannten Verfahren zum Herstellen von Gegenständen
verschiedener physikalischer Eigenschaften oder Färbung werden die thermoplastischen
Kunststoffe unter Zu- bzw. Abnahme von entsprechenden Weichmachermengen mittels
einer geringen Anzahl von Fördervorrichtungen einer beliebig großen Anzahl von Mischvorrichtungen
zugeführt, die die Kunststoffe innig vermischen und an das Mundstück weiterleiten,
wo sie anschließend verformt werden. Dieses Verfahren soll die Herstellung von Gegenständen
in verschiedener Färbung garantieren, wobei die Gegenstände entweder biegsam, nachgiebig
oder steif sein können.
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Außerdem lassen sich durch dieses Verfahren Gegenstände herstellen,
die z. B. durchaus biegsame und nachgiebige Stellen aufweisen, wobei die Biegsamkeit
und Nachgiebigkeit an den anschließenden Stellen bis zur vollständigen Steifigkeit,
oder umgekehrt, allmählich abnimmt.
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Mit diesen bekannten Verfahren ist es beim Verarbeiten eines beliebigen
Materialtyps auf Spritzgießmaschinen jedoch nicht möglich, den Verarbeitungsprozeß
innerhalb eines Arbeitszyklus - ohne zusätzliche Substanzen in das zu verarbeitende
Material einzuführen - so zu beeinflussen, daß Spritzlinge hergestellt werden können,
die je nach Wunsch durchgehend ein sprödes oder durchgehend ein zähes Verhalten
zeigen oder örtlich einen zähen Schweißnaht-
bereich und einen spröden
Angußbereich oder eine spröde Fließnaht und einen zähen Anguß aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es nun beispielsweise bei
Verwendung von Schnecken-Spritzgießmaschinen, unter gleichzeitiger Vermeidung der
vorbeschriebenen Nachteile Spritzlinge mit durchgehend sprödem oder durchgehend
zähem Verhalten oder örtlich zähem Schweißnahtbereich und sprödem Angußbereich oder
spröder Fließnaht und zähem Anguß dadurch herzustellen, daß der äußere Formfülldruck
mittels an sich bekannter Druck- und Einspritzgeschwindigkeitssteuervorrichtungen
derart bemessen und gesteuert wird, daß zuerst mit hohem äußerem Druck und hoher
Geschwindigkeit eingespritzt wird und daß dann kurz vor vollendeter Formfüllung
der äußere Formfülldruck stufenweise oder stufenlos in Anpassung an die Viskosität
der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse entweder zur Erzielung eines ganz
oder teilweise zähen oder weichen Formteiles um so mehr auf einen niedrigen inneren
Druck reduziert wird, je geringer die Viskosität ist, und/oder, umgekehrt, zur Erzielung
eines ganz oder teilweise spröden oder harten Formteiles auf einen um so höheren
Druck gesteuert wird, je höher die Viskosität der Schmelze ist.
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Die Erfindung beruht auf der durch eingehende Untersuchungen bei
der Herstellung von Fittingteilen aus thermoplastischen Massen gewonnenen Erkenntnis,
daß ein Spritzling eine um so höhere Kerbschlagzähigkeit und ein um so größeres
Dehnvermögen erhält, je niedriger der im Augenblick der Erstarrung auf ihn wirkende
Druck ist. Diese Steigerung des Dehnvermögens geht einerher mit einem so bedeutenden
Festigkeitszuwachs, daß im Dauerbetrieb eine Festigkeit bis zum eineinhalbfachen
Wert der bekannten Grundmaterialfestigkeit von vergleichbaren homogenen Rohrkörpern
erreicht wird.
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In mehreren Versuchsreihen auf der gleichen Maschine, aber mit unterschiedlichen
Plastifizierzylindern, und auf zwei anderen Maschinentypen konnte eindeutig gefunden
und nachgewiesen werden, daß die an sich im Material vorhandene Zähigkeit bei der
Plastifizierung nur dann erhalten bleibt, wenn die Erstarrung bei Drücken erfolgt,
die im Bereich von etwa 20 bis 800 kg/cm2 liegen. Je dünnflüssiger dabei die Masse
ist, desto niedriger muß der Erstarrungsdruck gewählt werden, damit keine innere
Kompression im Material erstarrt, die das Material versprödet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur Spritzlinge
hergestellt werden, die je nach Wunsch ein durchgehend sprödes oder ein durchgehend
zähes Verhalten zeigen oder örtlich je nach der Drucksteuerung einen zähen Schweißnahtbereich
und einen spröden Angußbereich oder eine spröde Fließnaht und einen zähen Anguß
aufweisen, sondern es können auch beispielsweise beim seitlichen Anspritzen von
muffenartigen Körpern durch eine entsprechende Drucksteuerung eine zähe Schweißnaht
und ein zäher Anguß erzeugt werden, wobei zwischen beide Zonen durch eine zeitabhängige
Drucksteuerung eine Sprödzone wählbarre Größe eingeschoben werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus
thermoplastischen Kunststoffen sei nachfolgend noch näher erläutert: Die in an sich
bekannter Weise erzeugte Schmelze wird bei Anwendung geeigneter Angüsse unter einem
Druck eingespritzt, Einspritz- oder Fülldruck (ein
rein hydrodynamischer Vorgang),
der durch Überwindung der Fließwiderstände in der Form zur raschen Formfüllung führt,
wobei im allgemeinen hoher Druck zur schnellsten Formfüllung angewandt wird. Während
des Erstarrungsvorganges wird die Masse dann unter einen Druck gesetzt, Nachdruck
oder Strukturdruck (ein quasi statischer Vorgang), der dem gewünschten Festigkeitsverhalten
des Formkörpers entspricht. Durch die Wahl des Zeitpunktes für die Druckumsteuerung
und der Höhe dieses Nachdruckes kann hierbei festgelegt werden, ob der Formkörper
ein durchgehend zähes oder ein durchgehend sprödes oder in einzelnen Zonen ein zähes,
in anderen Zonen ein sprödes Verhalten bekommt.
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Die Umsteuerung des Druckes auf niedrige Werte kurz vor Beendigung
der Formfüllung führt dabei zu durchgehend zähem Verhalten formgerechter und lunkerfreier
Formkörper. Dieser Prozeß kann noch eine Verfeinerung dadurch erhalten, daß während
der restlichen Formfüllung unter Strukturdruck mit der hohen Einspritzgeschwindigkeit
der Fülldruckphase gearbeitet wird, die axiale Geschwindigkeitsbeaufschlagung des
Kolbens bzw. der Schnecke also erst nach voller Füllung reduziert wird. Eine in
diesem Augenblick steuerbar einsetzende zweite Druckregelung läßt die Strukturbeeinflussung
ebenfalls noch feiner beherrschen. Die Drucksenkung kann auch stufenlos erfolgen,
wenn sie nur dem genannten Verformungs- und Strukturprozeß angeglichen ist.
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Der große technische Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, daß es erstmals durch seine Anwendung bei der Verarbeitung von weichmacherfreiem
Polyvinylchlorid ohne Elastomerbeigabe möglich wurde, streng wiederholbar, je nach
Wahl zähe Teile mit bis eineinhalbfacher bekannter Grundmaterialfestigkeit oder
spröde Teile mit niedrigen Festigkeitswerten (bis etwa 30 °/o der bekannten Grundmaterialfestigkeit)
zu erzeugen. Seither ist es kein Risiko mehr, technisch hochbelastete Teile aus
weichmacherfreiem Polyvinylchlorid, z. B. Rohrverbindungen, herzustellen. Die teueren
Beimengungen von Elastomeren können eingespart werden. Gewöhnliches weichmacherfreies
Polyvinylchlorid ist damit ein hochwertiger Spritzgußwerkstoff geworden.
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Die Spritzgußmaschinen können bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bis zur vierfachen bisherigen Leistung eingesetzt werden und größte Formkörper
höchster Qualität erzeugen, da die Spritzdrücke teilweise bis auf ein Zehntel absinken.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist dafür zu sorgen, daß die
Form rasch gefüllt wird und der Spritzling in allen Bereichen unter so niedrigem
Nachdruck erstarrt, daß keine Schwindungslunker entstehen, aber auch möglichst wenig
oder keine Massenkompression einfriert, die ein sprödes Verhalten erzeugt. Das bedeutet,
es dürfen keine Druckspitzen in der Masse auftreten, und die Abkühlungsfront in
dem Spritzling sollte sich in möglichst idealer Weise vom entferntesten Punkt in
Richtung auf den Anguß bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, den Druck während
der Abkühlung im Spritzling zu steuern und die Formkörper ganz oder teilweise zäh
zu erzeugen.
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Als weiterer technischer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich, daß die erforderlichen Formzuhaltekräfte der Maschine wesentlich kleiner
sind und deshalb entsprechend größere Formteile auf der gleichen Maschine hergestellt
werden
können. Außerdem können die verwendeten Stahlformen mit wesentlich
dünneren Wandstärken gebaut werden, da keine Drücke in der Größenordnung eines Einspritzdruckes
bis etwa 2500 kg/cm2 auftreten. Während man bisher zur Erhöhung des Druckes die
Plastifizierleistung der Maschinen auf den halben Wert und weniger verringern mußte,
kann man bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Plastifiziermengen
und Drücken arbeiten, wie sie bisher nur bei dem leicht plastifizierbaren und fließenden
Polyäthylen erreichbar waren.
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Das folgende Beispiel zeigt, auf welche Weise das erfindungsgemäße
Verfahren ausgeübt und die vorerwähnten technischen Vorteile erzielt werden können.
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Mit der Plastifiziervorrichtung einer Spritzgießmaschine wird weichmacherfreies
Polyvinylchlorid plastifiziert, wobei die Temperatur und die Plastifizierwirkung
so gesteuert werden, daß eine möglichst hohe Dünnflüssigkeit der plastischen Masse,
etwa 2 bis 30 C unterhalb einer erkennbaren Verbrennung, erreicht wird. Dann spritzt
man möglichst rasch in eine Form, die die Voraussetzungen einer inneren Drucksteuerung
nach obiger Beschreibung erfüllt.
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Zunächst füllt man die Form nur teilweise und prüft an der Oberfläche
der Fließfront die Qualität der Schmelze. Werden die Oberflächen auch bei raschem
Füllen rauh, so ist die Temperatur der Masse in der Form zu niedrig. Man verbessert
die Temperaturführung der Masse bis zum Eintritt in die Form so
lange, bis deutlich
glänzende Fließfronten beobachtet werden. Dann spritzt man mehr und mehr Kunststoff
in die Form, bis etwa 80 bis 902°/o der Form gefüllt sind. Man bestimmt den zu dieser
teilweisen Füllung notwendigen axialen Kolben- oder Schneckenweg und/oder die erforderliche
Einspritzzeit und erhöht erneut die einzuspritzende Menge, jedoch derart, daß bei
Erreichen von 90 bis 950/0 Füllung, je nach Art der Form, mit den an sich bekannten
Vorrichtungen der Einspritzdruck auf einen niedrigen Wert weg-und/oder zeitabhängig
heruntergeschaltet wird. Ein Teil der restlichen Füllung erfolgt zweckmäßig mit
großer Einspritzgeschwindigkeit, jedoch bereits bei ermäßigtem Druck. Der letzte
Rest der Formfüllung kann dann mit niedriger Geschwindigkeit und, wenn einstellbar,
noch niedrigerem Druck erfolgen.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt zum Vergleich die beispielsweise in
einer Versuchsserie mit einem l"-Muffenstück aus Hart-Polyvinylchlorid gefundenen
Berstdruck- und Berstdruckvergleichsfestigkeitswerte einerseits bei einer Herstellung
nach den bisher bekannten Verfahren (Zeilen 1, 2 und 3) und andererseits bei einer
Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Zeile 4).
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Ein Vergleich der hydraulischen Berstdruckwerte p und der Berstdruckvergleichsfestigkeitswerte
ov der Zeilen 1, 2 und 3 einerseits und der Zeile 4 andererseits zeigt, daß bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wesentliche Steigerung der Mittelwerte
des Berstdruckes p und der Berstdruckvergleichsfestigkeit nV erreicht wird.
| Berstdruck- Bruchverhalten |
| Zeile Art der Anguß Einspritt- Nachdruck Hydraulischer vergleichs- |
| Spritzgießmaschine form druck Berstdruck p festigkeit o v unter
Quetschprobe |
| kgiom2 kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 Berstdruck im Schraubstock |
| 1 Kolbenmaschine punkt- 2500 2500 140 bis 220 420 bis 660 glasspröde
spröder Bruch |
| förmig |
| 2 Schnecken- punkt- 1800 1800 90 bis 180 270 bis 540 glasspröde
spröder Bruch |
| Spritzgieß- förmig |
| maschine |
| 3 Schnecken- Stangen- 1800 1800 130 bis 180 330 bis 540 glasspröde
spröder Bruch |
| Spritzgieß- anguß |
| maschine |
| 4 Schnecken- Stangen- 400 200 200 bis 220, 620 bis 680, zähfließend
kann mehrfach |
| Spritzgieß- anguß im Mittel 211 im Mittel 643 ohne Bruch |
| maschine 1 gequetscht |
| werden |