DE19750523A1

DE19750523A1 - Verfahren zur Herstellung verrippter Bauteile nach der Gasinjektionstechnik

Info

Publication number: DE19750523A1
Application number: DE1997150523
Authority: DE
Inventors: Andre Dipl Ing Brunswick; Peter Niemann
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: DE19750523B4

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Gasinjektionstechnik - im folgenden GIT genannt - ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens. Hierbei wird das Spritzgießwerkzeug zum Teil oder vollständig mit einer Polymerschmelze gefüllt. Danach wird ein Inertgas injiziert um den noch schmelzeflüssigen Kern auszublasen. Auf diese Weise entsteht ein Hohlkörper. Es existieren zahlreiche Verfahrensvarianten und Vorrichtungen für die GIT /1-16/.

Ein wachsendes Anwendungsgebiet der Gasinjektionstechnik ist die Herstellung flächiger Bauteile mit integrierten Rippen, Gasführungskanälen und verdickten Bereichen (alle im folgenden als Rippen bezeichnet). Die Rippen werden dabei als Schmelze- und Gasführungskanäle verwendet, d. h. man erhält durch die Rippen während der Schmelzeinjektion ein Angußsystem entlang eines Formteils. Somit wird der benötigte Einspritz- und Nachdruck wesentlich reduziert. Der Verzug dieser Formteile wird dadurch reduziert, daß nach der Gasinjektion in die Rippen der Gasdruck konstant in allen Hohlräumen wirkt und es dadurch zu einer gleichmäßigeren Druckverteilung in der Schmelze kommt. Dies vermeidet Schwindungsunterschiede im Formteil, wie sie beim konventionellen Spritzgießen entstehen, da hier der Druck in der Schmelze von Fließweganfang bis Fließwegende linear abfällt. Durch eine gleichmäßige und verringerte Schwindung kann somit Verzug vermieden oder minimiert werden. Im folgenden werden die überlicherweise eingesetzten Varianten kurz beschrieben.

Aufblas- oder Short-Shot Verfahren

Diese Grundvariante der Gasinjektionstechnik beginnt mit dem Einspritzen der Schmelze in die Kavität. Wenn die Kavität zwischen 50% und 95% gefüllt ist, beginnt die Gasinjektionsphase. Das Gas füllt die Kavität, indem es die Schmelzefront weiter nach vorne treibt. Nach der vollständigen Füllung der Kavität wird noch so lange ein Gasnachdruck ausgeübt, bis das Formteil dimensionsstabil ist. Dieser Nachdruck gleicht die Volumenschwindung des Kunststoffes aus, wobei bei teilkristallinen Kunststoffen am Ende der Gasblase eine sogenannte "Schwindungslanze" entsteht. Nach dem Erstarren der Schmelze wird der Gasdruck abgebaut.

Full-Shot Verfahren

Bei diesem Verfahren, welches für verrippte Bauteile (1) Anwendung findet, wird das Formteil in einem Schuß vollständig volumetrisch mit Kunststoffschmelze (2) gefüllt und somit eine sehr gute Oberflächenqualität ermöglicht. Anschließend folgt eine Schmelzenachdruckphase und danach die Gasinjektion. Das Fortschreiten des Gases in den Rippen (3) wird im wesentlichen durch die Volumenschwindung der Kunststoffschmelze bestimmt, d. h. das Gas kompensiert diese Schwindung. Auf diese Weise entstehen meist Schwindungslanzen (4b) am Fließwegende der Gaskanäle (4a). Bleiben die Enden der Rippen kompakt, so kann es zu Einfallstellen (6) auf der Rippenunterseite kommen (siehe Fig. 1).

Ausblas- oder Overspill-Verfahren

Zunächst wird die Hauptkavität (7) volumetrisch mit Schmelze gefüllt. So werden Umschaltmarkierungen auf der Oberfläche vermieden. Nach einer Schmelze nachdruckphase zur Kompensation der Schwindung in dünnwandigen Formteilbereichen erfolgt die Gasinjektion. Gleichzeitig zum Start der Gasinjektion werden entweder im Werkzeug eine oder mehrere Nebenkavitäten (9) durch Schieber (10) geöffnet, welche nicht zur Bauteilformenden Hauptkavität gehören und in die die überschüssige Schmelze abfließen kann (Fig. 2b). Die Schmelze kann auch in den Schneckenvorraum zurückgedrängt (Masserückdrückverfahren) werden. Zusätzlich existieren weitere Verfahrensvarianten bei denen der Überlauf (8) von Haupt- zu Nebenkavität nicht verschließbar ist (Fig. 2a) oder das Volumen der Nebenkavität durch einen Kolben (11) veränderbar ist (Fig. 2c).

Kernzugverfahren

Bei diesem Verfahren, welches hauptsächlich für stabförmige Bauteile oder Bauteile mit verdickten Bereichen (5) eingesetzt wird, wird die Kavität zunächst teilweise oder vollständig volumetrisch gefüllt und das Formteil mit Schmelzenachdruck beaufschlagt. Vor oder während der Gaseinleitung wird ein Kern (12) hydraulisch zurückgezogen und dabei die Schmelze gegen den Kern aufgeblasen (Fig. 2d, 4a).

Nachteile des Standes der Technik

Bei verrippten Bauteilen müssen die Rippen so ausgelegt werden, daß möglichst auf ihrer gesamten Länge durch die Gasinjektion ein Gaskanal entsteht. Kann das Gas aufgrund ungünstiger Formteilauslegung nicht vollständig in den Rippen fortschreiten, so bleiben die Rippen an ihren Enden entweder kompakt oder es entstehen durch die Volumenschwindung des Kunststoffes am Ende der Gaskanäle nur sogenannte Schwindungslanzen. In diesen Endbereichen entstehen auf der gegenüberliegenden Seite der Rippen oder Gaskanäle Einfallstellen (6), s. Fig. 1. Dies ist ein großer Nachteil, der allerdings häufig auftritt, da die Auslegung solcher Teile sehr komplex ist. Die Rippen sind während der Füllphase auch Schmelzeführungskanäle in denen die Schmelze voreilt, so daß bei der anschließenden Gasinjektion die Rippenenden kompakt vorliegen können. Dieser Effekt kann oft nicht vermieden werden.

Werden die Gaskanäle benutzt um Medien (Flüssigkeiten oder Gase) zu leiten, ist es ebenfalls von großer Bedeutung, daß diese Gaskanäle auf ihrer gesamten Länge hohl sind. Bei anderen Bauteilen werden Verdickungen als Gaskanäle ausgeführt, um Einfallstellen zu vermeiden. Auch hier ergeben sich Nachteile, wenn am Fließwegende diese Bereiche kompakt sind oder nur eine Schwindungslanze entsteht.

In den obengenannten Fällen ist es möglich, die Rippen oder Gasführungskanäle durch verschiedene Ausblasverfahren auf ihrer gesamten Länge auszublasen. Dazu werden Nebenkavitäten verwendet, die vom Formteil abgetrennt werden müssen. Der größte Nachteil ergibt sich daraus, daß die Nebenkavitäten nicht an beliebigen Stellen innerhalb des Formteils angebracht werden können, d. h. sie werden im Randbereich des Formteils, abgetrennt von der Hauptkavität, angeordnet. Aus diesem Grund müssen die Rippen vorzugsweise bis an den Formteilrand gelegt werden, um ein Eindringen des Gases in die dünnwandigen Bereiche des Formteils beim Ausblasen zu vermeiden, s. Fig. 4a und 4b.

Ein weiterer Nachteil ist der Nachbearbeitungsaufwand für die Trennstelle von Haupt- und Nebenkavität. Beim Abtrennen der Nebenkavität kann es auch dazu kommen, daß eine Öffnung zum Gasführungskanal freigelegt wird, die nachher verschlossen werden muß. Dies ist dann der Fall, wenn verhindert werden soll, daß entweder Fremdmedien in das Formteil eindringen (z. B. bei nachträglicher Oberflächenbeschichtung) oder ausdringen (z. B. bei der Verwendung der Gasführungskanäle als Medienleitung) können.

Ein Nachteil des Kernrückzug-Verfahrens ist, daß es nur die Herstellung weniger, gerader oder leicht gekrümmter Bauteilverdickungen (5) mit einfachen Querschnitts geometrien in einem Bauteil erlaubt, s. Fig. 4b. Es ist nicht möglich, eine große Anzahl von kompliziert angeordneten Bauteilverdickungen auf diese Weise herzustellen. Durch den werkzeugtechnischen Aufwand, können nur wenige dieser Bauteilverdickungen in einem Bauteil realisiert werden, die zusätzlich nicht beliebig innerhalb des Formteils angeordnet werden können.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, die Gasausbreitung in komplex verrippten Bauteilen in den einzelnen Rippen unabhängig voneinander zu kontrollieren. Eine wichtige Teilaufgabe ist es, daß durch die Erfindung auch die Gasausbreitung von Rippen innerhalb des Formteils kontrolliert werden kann, da dies bei den bekannten Verfahren nicht oder bei Anwendung von Nebenkavitäten nur durch einen hohen werkzeugtechnischen Aufwand möglich ist, wobei sich dieser Aufwand zusätzlich durch die Abtrennung der Nebenkavitäten erhöht. Eine weitere Aufgabe ist, daß die ausgeblasene Schmelze ohne Bildung von Einfallstellen entweder zu einem zum Formteil gehörenden Bereich oder integriertem Funktionsteil ausgeformt wird. Eine weitere Aufgabe ist es, eine werkzeugtechnisch einfache Lösung zu realisieren.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren erlaubt die gezielte Steuerung der Gasausbreitung in verrippten oder mit sonstigen Gasführungskanälen versehenen Bauteilen. Es ergeben sich folgende Vorteile in Gegensatz zum Stand der Technik:

- beliebige und komplexe Rippenanordnungen und -verläufe sind realisierbar (s. Fig. 5b),
- die Gasausbreitung von einzelnen Rippen innerhalb des Formteils ist kontrollierbar, d. h. Rippen müssen nicht wie beim Nebenkavitätenverfahren an den Rand des Formteils gelegt werden (s. Fig. 4c, 4d und 5b),
- es entsteht kein Aufwand durch die Nachbearbeitung der Trennstelle einer Nebenkavität,
- die ausgeblasene Schmelze wird als fest verbundener Bestandteil des Formteils und innerhalb des Formteils ausgeformt (s. Fig. 3, 4c und 4d),
- das Gas kann in die gesamte Länge der Rippen eindringen und bildet nahezu konstante Gaskanalquerschnitte aus,
- es werden Einfallstellen auf der Sichtseite eines Formteiles am Ende der Rippen oder Gasführungskanäle vollständig vermieden,
- die werkzeugtechnische Realisierung ist kostengünstig, da für die Entformung dieser Bauteile grundsätzlich benötigte Auswerfer zur Ausformung der ausgeblasenen Schmelze verwendet werden,
- die Gasinjektion in das Rippensystem kann zentral erfolgen, da die Ausbreitung des Gases in jeder Rippe unabhängig gesteuert werden kann, d. h. auf die Verwendung von Werkzeugdüsen kann je nach Bauteilgeometrie verzichtet werden.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für mit Gaskanälen oder Rippen versehenen Bauteilen wie Stoßfänger, Armaturentafeln und -träger, Türinnenmodule, Heckklappen, Hardtops, Schalthebel, Mittelkonsolen, Staubsaugergehäuse, Monitor- und Fernsehergehäuse sowie Kopierertüren, etc.

Ausführungsbeispiele des Verfahrens für Verrippungen sind in den Zeichnungen für eine verrippte Platte dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Zu Beginn wurden auftretende Probleme und eine mögliche Lösung nach dem Stand der Technik (Nebenkavitätenverfahren) beschreiben (s. Fig. 1, 2 und 4). Es folgen Ausführungsbeispiele für eine verrippte Platte. Es zeigen

Fig. 3: Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4: Beispiele für die Ausformung der ausgeblasenen Schmelze
c) Aufgespritzte Verdickung
d) Aufgespritzte Verlängerung einer Rippe,

Fig. 5: Anwendung der Erfindung für eine verrippte Platte
a) Problemstellung
b) Erfindungsgemäßes Verfahren.

Es können alle Varianten des Spritzgießverfahrens und der Gasinjektionstechnik für beliebige Bauteilgeometrien (Platten, Gehäuse, etc.) eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Endbereich einer Rippe und den dünnwandigen Bereich der Grundplatte. Zuerst erfolgt die Füllung des Spritzgießwerkzeuges mit Schmelze, die Schmelzenachdruckphase und danach die Gasinjektion in die Rippen. Zur Zeit der Gasinjektion sind die Randbereiche (14) des Formteils aufgrund der Abkühlung schon erstarrt. Durch die Gasinjektion (18) wird die noch schmelzeflüssige Seele (13) innerhalb der Rippen verdrängt.

Erfindungsgemäß wird im Bereich der Rippe durch Zurückziehen einer Vorrichtung (15) oberhalb des dünnwandigen, vorzugsweise größtenteils erstarrten Bereiches (16a) ein Freiraum (16b) geschaffen, in den die Schmelze, nach Durchbrechen der eingefrorenen Randschicht, ausgeblasen werden kann. Die ausgeblasene Schmelze (17) geht dabei eine feste Verbindung mit dem dünnwandigen, erstarrten Bereich der Grundplatte ein. Da der dünnwandige Bereich schon hinreichend erstarrt ist, können so Verdickungen oder Rippenverlängerungen durch das Ausblasen aufgespritzt werden, ohne das Einfallstellen auf der Unterseite der Platte entstehen. Falls Einfallstellen auf der Oberseite der aufgespritzten Verdickungen oder Rippenverlägerungen entstehen, können diese durch Vorfahren der Vorrichtung (externe Nachdruckaufbringung) vermieden werden. Die durch dieses Verfahren hergestellten durchgängigen Gaskanäle (19) weisen über die gesamte Länge einen nahezu konstanten Querschnitt auf.

Aus Kostengründen sollten Auswerferstifte als Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die Ausformung der ausgeblasenen Schmelze zur verdickten Bereichen c) und Rippenverlängerungen d) durch entsprechend angepaßte Auswerferendstücke.

Fig. 5a zeigt die Aufsicht auf eine konventionell durch Gasinjektionstechnik hergestellte verrippte Platte (22). Dargestellt ist die Verrippung des Bauteils, wobei zu erkennen ist, daß einige Rippen (3) keine durchgehenden Gaskanäle (19) durch die zentrale Gasinjektion aufweisen.

Fig. 5b zeigt die Anwendung der Erfindung für das verrippte Bauteil aus Fig. 5b. Die Gasinjektion erfolgt, wenn die Randschichten der dünnwandigen Bereiche hinreichend erstarrt sind. Zum kontrollierten Ausblasen der Schmelze aus den Rippen werden die Auswerfer, die an den Endbereichen der kritischen Rippen positioniert sind, zurückgezogen. Auf diese Weise entsteht in den zuvor nicht vollständig ausgeblasenen Rippen ein kompletter Gaskanal mit nahezu konstantem Querschnitt. Die ausgeblasene Schmelze wird dabei zu einem zum Bauteil gehörenden Bereich (verlängerte Rippe, Verdickung oder andere Funktionsteile) ausgeformt.

Die so verlängerte Rippe oder die Bauteilverdickung kann konisch ausgelegt werden, so daß eine Beschleunigung der Gasblase gegen Fließwegende vermieden wird. Das heißt, obwohl die zu verdrängende Schmelzemenge abnimmt und somit die Gasblasengeschwindigkeit zunehmen kann, kommt es durch diese Konizität zu einem steigenden Druckbedarf zur Füllung des Hohlraumes und dadurch zu einer gleichmäßigeren Gasblasengeschwindigkeit. Durch die Vermeidung der Gasblasenbeschleunigung werden Verwirbelungen auf der Gaskanaloberfläche vermieden wodurch eine sehr gute Gaskanaloberfläche entsteht, die besonders geeignet ist, wenn flüssige oder gasförmige Medien durch die Gaskanäle geleitet werden sollen.

LITERATUR

/1/ Steinbichler, G. u. a.: Verfahren zum Spritzgießen von hohlen Kunststoffspritzlingen, Offenlegungsschrift Nr. DE 40 33 298 A1,
Deutsches Patentamt München, 1991;
/2/ N.N.: Vorrichtung zum Spritzgießen von Hohlräumen enthaltenden Gegenständen aus Kunststoff,
Offenlegungsschrift Nr. DE 39 36 289 A1,
Deutsches Patentamt München, 1991;
/3/ Feldmann, L.; Klamm, M.: Begasungsdüse für das Direktbegasen von Kunststoff-Schmelzen nach dem Gasinnendruckverfahren,
Offenlegungsschrift Nr. DE 38 41 880 A1,
Deutsches Patentamt München, 1990;
/4/ Ziegler, H.-P.: Vorrichtung zum Einbringen eines Gases in den Hohlraum einer Spritzgießform zu Herstellung hohler Kunststoffkörper,
Offenlegungsschrift Nr. DE 39 42 957 A1,
Deutsches Patentamt München, 1991;
/5/ Gellert, J. U. u. a.: Spritzgießsystem mit Gasströmung durch den Nadelventil-Anschnitt, Offenlegungsschrift Nr. DE 40 04 225 A1,
Deutsches Patentamt München, 1990;
/6/ Yamazaki, K. u. a.: Method of injection moulding and method thereby Publication No. 0 289 230 A2,
European Patentoffice, 1988;
/7/ Jaroschek, Ch.: Verfahren zum Spritzgießen fluidgefüllter Kunststoffkörper und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Patentschrift DE 39 13 109 C2, Deutsches Patenamt, 1991;
/8/ Katoaka, H.: Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, Offenlegungsschrift Nr. 28 00 482,
Deutsches Patentamt München, 1978;
/9/ Herzog, K.; Klotz, B.: Gasverschlußventil und Verfahren zum Steuern einer mit einem solchen Gasverschlußventil versehenen Kunststoffverarbeitungs anlage,
European Patent No. 0 390 068 B1,
European Patent Office, 1992;
/10/ Shigeno, K.: Hohlkörper-Spritzgießverfahren, Offenlegungsschrift Nr. DE 42 26 390 A1,
Deutsches Patenamt München, 1993;
/11/ Neueder, L.: Spritzgießverfahren und Einrichtung zur Herstellung hohler Kunststoffgegenstände,
Patentschrift DE 39 27 122 C2,
Deutsches Patentamt München, 1993;
/12/ Hendry, J. W.: Method and apparatus for injection molding plastic article with gas-assistance,
International Patent Application No. WO 91/13740,
World Intelectual Property Organization, 1991;
/13/ Strunk, H.; Göhr, K.: Verfahren zum Herstellen von hohlgespritzen Formkörpern aus Kunststoff und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
European Patent No. 0 400 308 B1,
European Patentoffice, 1993;
/14/ Utescheny, R. G.: Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen eines hohlen Kunststoffkörpers,
European Patent Application No. 0 545 028 A1,
European Patent Office, 1993;
/15/ Hendry, J. W.: Spritzgußverfahren und -vorrichtung und ein danach hergestellter Kunststoffgegenstand mit einer hohlen Rippe,
Offenlegungsschrift Nr. DE 43 00 397 A1, Deutsches Patentamt München, 1993;
/16/ Ziegler, H. P.: Vorrichtung zum Einbringen eines dosierten Gasvolumens in einen mit einer Kunststoffschmelze gefüllten Formhohlraum einer Spritzform,
Patentschrift DE 39 42 957 C2,
Deutsches Patentamt München, 1994.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung verrippter Bauteile nach der Gasinjektionstechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasausbreitung in beliebig in einem Bauteil angeordneten Rippen, Gasführungskanälen oder verdickten Bereichen eines Bauteiles - im folgenden als Rippen (3) bezeichnet - für jede Rippe einzeln oder für eine Gruppe von Rippen gesteuert wird, indem die schmelzeförmigen Seelen (13) der Rippen durch die Gasinjektion unter Vermeidung von Nebenkavitäten auf einen an die Rippe angrenzenden, vorzugsweise größtenteils erstarrten und dünn wandigen Formteilbereich (16a) herausgedrückt werden, wobei die benötigten Freiräume (16b) oberhalb der dünnwandigen Bereiche des Bauteils durch Verfahren von Vorrichtungen (15) geschaffen werden und diese durch die auszublasende Schmelze gefüllt werden und daß auf diese Weise eine feste Verbindung der ausgeblasenen Schmelze (17) mit dem dünnwandigen Bereich und somit ein Bestandteil des Bauteils entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (15) zur Schaffung der Freiräume durch im Werkzeug verwendete Auswerfer realisiert werden, welche im Bereich der Rippen positioniert sind und deren Auswerferendbereiche derart gestaltet sind, daß die ausgeblasene Schmelze zu Funktionsteilen des Bauteiles wie Verdickungen (20) oder Rippenverlängerungen (21) geformt wird.