DE19735031A1

DE19735031A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen

Info

Publication number: DE19735031A1
Application number: DE1997135031
Authority: DE
Inventors: Juergen Ehritt; Michael Dr Gosdin; Helmut Dipl Ing Eckardt
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Battenfeld GmbH
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: DE19735031C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material, das die Schritte aufweist:

- Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eines Formwerkzeugs entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit durch eine Kunststoffeinspritzdüse bis ins Formwerkzeug erstreckt;
- Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung der Kavität aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements, so daß sich ein Fluidpolster zwischen Wandung der Kavität und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
- Erhärtenlassen des so hergestellten Formteils;
- Entlastung der Kavität vom Druck des Druckfluids; und
- Entformen des Formteils.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 90/06220 bekannt. Dort wird zunächst eine für die Ausbildung des Formteils ausreichende Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht. Da der Kunststoff während des Abkühlprozesses einer Schrumpfung unterliegt, kann es ohne besondere Vorkehrungen zu Einfallstellen kommen. Diese werden gemäß dieser Veröffentlichung dadurch vermieden, daß Druckgas als Polster zwischen Kavitätsoberfläche und Kunststoffschmelze gebracht wird. Natürlich muß sichergestellt werden, daß dieses Gaspolster gezielt aufgebaut und - nach der Erhärtung der Schmelze - wieder abgebaut werden kann. Zu diesem Zweck sind zwei Lösungsmöglichkeiten beschrieben:

Zum einen sind Ventile vorgesehen, die über einen entsprechenden Ventilsitz eine Gasabdichtung ermöglichen. Durch die Betätigung (axiale Verstellung) des Ventilschaftes kann das Ventil wahlweise auf "offen" oder "zu" gestellt werden, womit in Kombination mit einer entsprechenden Gasregelung das gewünschte Gaspolster auf- und abgebaut werden kann.

Alternativ ist vorgesehen, daß poröses Sintermetall zum Einsatz kommt. An der Übergangsstelle im Werkzeug, an der das Gaspolster erzeugt werden soll, ist ein poröses Metallelement vorgesehen, durch das Druckgas hindurchströmen kann; dies gilt jedoch nicht für die Kunststoffschmelze, wodurch eine gezielte Begasung ohne Rückströmen von Schmelze erreicht werden kann.

Ein weiteres Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 93/01039 bekannt. Hier geht es speziell um das Problem, wie erreicht werden kann, daß sich das zwischen Kavitätsoberfläche und Kunststoffschmelze eingebrachte Gaspolster nicht unerwünscht ausbreitet und an Stellen zur Wirkung kommt, wo dies nicht erwünscht ist. Lösungsgemäß wird dort vorgeschlagen, eine Aufrauhung der Kavitätsoberfläche an den Stellen vorzusehen, wo sich das Gaspolster aufbauen soll. Die Oberflächen-Stellen, die an das Gaspolster angrenzen jedoch selber nicht mehr durch dieses beaufschlagt werden sollen, sind glatt ausgeführt. Es wird also durch Aufrauhung der Oberfläche der Bereich definiert, in dem sich das Gaspolster ausbilden und wirken soll.

Die Lehre, die diese Dokumente vermitteln, hilft jedoch bei der Produktion bestimmter Kunststoff-Formteile zunächst nicht weiter: Bei einer Vielzahl von Teilen ergibt sich aufgrund der Teile-Geometrie, daß der Formhohlraum nicht von einer Seite aus vollständig mit Schmelze gefüllt werden kann. Vielmehr muß die Schmelze über mehrere (mindestens zwei) Teilbereiche des Formteils zugeführt werden. An bestimmten Stellen kommt es dann zu einem Schmelzezusammentreffen; dort liegt eine Bindenaht vor, die eine Schwachstelle in der Stabilität des Formteils darstellt.

Diese Schwachstelle kann dadurch kritisch werden, daß aufgrund der Rheologie und aufgrund des Temperaturganges im Werkzeug gerade an dieser entferntesten Stelle ein Materialschluß durch ungünstige Wärmeverhältnisse erschwert wird. Da - beispielsweise bei der Verarbeitung von Thermoplast - die Nahtstelle am (von der Kunststoffeinspritzdüse gesehen) entferntesten Punkt entsteht, ist dort auch in der Regel die Temperatur bereits am niedrigsten, so daß ein sicheres Verbinden der Teil-Schmelze erschwert ist. Bindenähte bereiten grundsätzlich Probleme, da sie jeweils zwei Fließfronten gegeneinander bringen. Daher sind nur geringe Festigkeiten in den Bindenähten zu erwarten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die es ermöglichen, bei kritischen Formteilen (in obigem Sinnei eine einwandfreie Verbindung der Schmelzen beim Zusammentreffen an der Nahtstelle zu bewerkstelligen, so daß keine Festigkeitsnachteile sowie keine negativen Auswirkungen betreffend das optische Erscheinungsbild des Formteils zu befürchten sind. Es soll also auch erreicht werden, einen Fertigungsablauf zu erzielen, bei dem nur möglichst geringe Markierungen am fertigen Formteil infolge der Anwendung des gattungsgemäßen Verfahrens auftreten.

Die Lösung der Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kunststoffschmelze in einen ersten (10) und in mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2) geleitet wird, wobei die Schmelzen aus beiden Abschnitten (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammen treffen,
- daß das Druckfluid über einen Werkzeugabschnitt (13) in die Kavität (2) eingebracht wird, der aus mikroporösem Metall besteht, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- daß in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) Tempe rierelemente (14) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunst stoffschmelze zu beeinflussen.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird zuverlässig verhindert, daß an der Zusammenfließstelle der Teil-Schmelzeströme eine Bindenaht entsteht, die nicht den Anforderungen an Festigkeit und optische Erscheinung genügt: Durch die Temperierung dieser Stelle wird gewährleistet, daß der zu verarbeitende Kunststoff stets noch eine Konsistenz aufweist, in der sicherer Stoffschluß möglich ist. Durch das Vorsehen einer Gasinjektion über die Werkzeugwand mittels porösem Material ist des weiteren sichergestellt, daß sich keine Einfallstellen an der Formteiloberfläche ergeben, wenn schließlich die Erhärtung des Kunststoffs stattfindet (ausgenommen davon ist freilich die Stelle, an der das Gaspolster aufgebaut wird). D. h. durch das gezielte Aufbringen des Gasdrucks im Bereich der Bindenaht werden nicht nur Einfallstellen vermieden, sondern auch die Oberfläche und die Oberflächen abzeichnung auf der Sichtseite des Teils werden deutlich verbessert.

Die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) kann in Abhängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Abhängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstrichenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnecke (5) gesteuert oder geregelt werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt wird.

Abhängig davon, ob Thermoplaste einerseits oder Duroplaste oder Elastomere andererseits verarbeitet werden, sind verschiedene Temperierungen des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall angedacht: Der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) kann für eine gewisse Zeit beheizt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern. Entsprechend kann der Bereich für eine gewisse Zeit gekühlt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren eine vorzeitige Erstarrung der Schmelze zu verhindern. Andererseits kann der Bereich für eine gewisse Zeit gekühlt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen bzw. der Bereich kann für eine gewisse Zeit beheizt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren ein Erstarren der Schmelze zu bewerkstelligen.

Gemäß einer Verfahrensvariation ist vorgesehen, daß zusätzlich zu der Eingabe von Druckfluid zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze Druckfluid durch mindestens ein weiteres Fluideinspritz element ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2), eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunststoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt, und mindestens ein Fluideinspritzelement (7) auf, das Druckfluid, insbesondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet. Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung gekennzeichnet durch

- einen ersten (10) und mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2), in den die Kunststoffschmelze eingeleitet wird, wobei die beiden Abschnitte (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- einen Werkzeugabschnitt (13) aus mikroporösem Metall, der mit einem Fluideinspritzelement (7) in Verbindung steht und über den ein Fluid zwischen Kavitätswand und Kunststoffschmelze eingeleitet werden kann, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- Temperierelemente (14), die in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

Fortbildungsgemäß sind die Temperierelemente Heizelemente oder Kühlelemente.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darge stellt:

Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Spritzgießvorrich tung,

Fig. 2 zeigt schematisch einen vergrößerten Schnitt durch die Vorrichtung.

In Fig. 1 ist - schematisch dargestellt - eine Spritzgießvorrichtung zu sehen. Das Spritzgießwerkzeug 1 weist eine Kavität 2 auf, die die Geometrie des zu fertigenden Formteils 6 definiert. Die Kavität 2 wird mit Schmelze versorgt, die in einer Kunststoffplastifizier- und -einspritz einheit (bestehend aus Schnecke 5 und Schneckenzylinder 4) hergestellt wird; die Schmelze wird über eine Kunststoffeinspritzdüse 3 ins Werkzeug 1 injiziert.

Wie der Fig. 1 sofort entnommen werden kann, fließt die Schmelze- von der Kunststoffeinspritzdüse 3 kommend - auf zwei unterschiedlichen Wegen durch die Kavität: Sie fließt im vorliegenden Falle symmetrisch in einen ersten Abschnitt 10 und in einen zweiten Abschnitt 11 der Kavität 2. An der Stelle 12 treffen beide Teil-Schmelzeflüsse zusammen. Erfindungsgemäß ist genau an dieser Zusammentreffstelle 12 ein Fluideinspritzelement 7 vorhanden, das einen Werkzeugabschnitt aus porösem Metall 13 mit Druckfluid, im vorliegenden Falle mit Stickstoffgas (N₂), versorgt.

Weiterhin sind im Bereich der Zusammentreffstelle der Teilschmelzen 12 verschiedene Temperierelemente 14 angeordnet. Soll eine thermo plastische Schmelze verarbeitet werden, werden die Temperierelemente 14 für eine Erwärmung der Bindenahtstelle 12 sorgen. Damit kann das Kunststoffmaterial dort nicht zu schnell "einfrieren", so daß ein einwandfreier Stoffschluß gewährleistet ist.

Sobald die beiden Teilschmelzen über die beiden Abschnitte 10 und 11 an der Zusammentreffstelle 12 angelangt sind, wird über das Fluideinspritzelement 7 und den Werkzeugabschnitt aus porösem Metall 13 zwischen der Wandung 9 der Kavität 2 und dem noch flüssigen Kunststoff ein Fluidpolster 8 aufgebaut.

Die Verhältnisse sind detailliert in Fig. 2 dargestellt. Das Fluidpolster 8 bewerkstelligt, daß erstarrungsbedingte Kontraktionen des Kunststoffs keine Einfallstellen an der Formteiloberfläche verursachen, sondern daß das Fluidpolster diese Kontraktionen ausgleicht. Die Oberflächenqualität ist daher auch im Bereich der Bindenaht 12 - abgesehen von der Stelle des Polsters 8 - erstklassig.

Der Bereich aus porösem Metall 13 kann z. B. aus Sintermetall bestehen, wie er im Kunststoff-Werkzeugbau üblicherweise zu Entlüftungszwecken eingesetzt wird.

Additiv zu der erläuterten Vorgehensweise - dies ist jedoch im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt - kann an weiteren Stellen des Formteils Gas injiziert werden ("Gasinnendruckverfahren"), um innere Hohlstellen im Formteil 6 zu schaffen.

Die Größe des Sintermetalleinsatzes 13 ist von den aktuellen Bedürfnissen abhängig. Generell ist er so groß auszubilden, wie es der Größe des Fluidpolsters 8 entspricht. Gegebenenfalls kann der Bereich um den Einsatz 13 herum (oder der Bereich 13 selber) zwecks definierter Ausbildung des Fluidpolsters aufgerauht werden, wie es die WO 93/01039 lehrt. Als Werkzeugabschnitte 13 kommen vorzugsweise - wie erläutert - poröse Metalle, insbesondere Sintermetalle, zum Einsatz. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, beliebige gasdurchlässige und wärme- und druckbeständige Materialien dort einzusetzen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lehre ist vor allem bei der Verarbeitung von Duroplasten und Elastomeren vorteilhaft: Es besteht bei der Verarbeitung dieser Materialien üblicherweise die Gefahr des Materialeintritts in kleinste Spalte. Dadurch tritt das Problem des Spritzgrates im Bereich der Trennebene des Werkzeugs immer wieder auf. Deshalb bietet sich gerade der poröse Stahl für die Herstellung von Formteilen aus diesen Kunststoffen an, da kein Kunststoff in dieses Metall eindringen kann.

Bezugszeichenliste

4

Formwerkzeug

2

Kavität des Formwerkzeugs

3

Kunststoffeinspritzdüse

4

Schneckenzylinder

5

Schnecke

4

,

5

Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit

6

Formteil

7

Fluideinspritzelement

8

Fluidpolster

9

Wandung der Kavität

2

10

erster Abschnitt der Kavität

11

zweiter Abschnitt der Kavität

12

Zusammentreffstelle der Teil-Schmelzen

13

Werkzeugabschnitt aus porösem Metall

14

Temperierelemente

Claims

1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material, das die Schritte aufweist:

a) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt;
b) Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements (7), so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
c) Erhärtenlassen des so hergestellten Formteils (6);
d) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
e) Entformen des Formteils (6);
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Kunststoffschmelze in einen ersten (10) und in mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2) geleitet wird, wobei die Schmelzen aus beiden Abschnitten (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- - daß das Druckfluid über einen Werkzeugabschnitt (13) in die Kavität (2) eingebracht wird, der aus mikroporösem Metall besteht, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- - daß in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) Temperierelemente (14) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) in Abhängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Abhängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstrichenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnecke (5) gesteuert oder geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit beheizt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit gekühlt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren eine vorzeitige Erstarrung der Schmelze verhindern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit gekühlt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit beheizt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren ein Erstarren der Schmelze zu bewerkstelligen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfluid nach Verfahrensschritt b) gemäß Anspruch 1 zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze und zusätzlich durch mindestens ein weiteres Fluideinspritzelement ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, die aufweist:

- ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2);
- eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunststoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt; und
- mindestens ein Fluideinspritzelement (7), das Druckfluid, insbesondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet,
gekennzeichnet durch
- einen ersten (10) und mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2), in den die Kunststoffschmelze eingeleitet wird, wobei die beiden Abschnitte (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- einen Werkzeugabschnitt (13) aus mikroporösem Metall, der mit einem Fluideinspritzelement (7) in Verbindung steht und über den ein Fluid zwischen Kavitätswand und Kunststoffschmelze eingeleitet werden kann wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- Temperierelemente (14), die in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierelemente Heizelemente sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierelemente Kühlelemente sind.