DE19750523B4 - Verfahren zur Herstellung verrippter Bauteile nach der Gasinjektionstechnik - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung verrippter Bauteile mit der Gasinjektionstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasausbreitung in beliebig in einem Bauteil angeordeneten Rippen, Gasführungskanälen oder verdickten Bereichen – 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 dünnwandigen Formteilbereich (16a) herausgedrückt werden, wobei die hierzu benötigten Freiräume (16b) durch Bewegen von Teilen der Spritzgießform (15) geschaffen werden und diese Freiräume durch die ausgeblasene 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.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• 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 [ EP 0 289 230 A2 , DE 39 13 109 C2 ; WO 91/13740 A1].
• 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 zuerst 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 üblicherweise 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 solange 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 (4b). Bleiben die Enden der Rippen kompakt, so kann es zu Einfallstellen (6) auf der Rippenunterseite kommen (siehe 1).
• Ausblas- oder Overspill-Verfahren
• Zunächst wird die Hauptkavität (7) volumetrisch mit Schmelze gefüllt. So werden Umschaltmarkierungen auf der Oberfläche vermieden. Nach einer Schmelzenachdruckphase 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 (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 (2a) oder das Volumen der Nebenkavität durch einen Kolben (11) veränderbar ist (2c).
• Kernzugverfahren
• Bei diesem Verfahren, welches hauptsächlich für stabförmige Bauteile 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 (2d).
• 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 and 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. 1. Dies ist ein großer Nachteil, der allerdings häufig auftritt, da die Auslegung solcher Teile sehr komplex ist und oft dieser Effekt nicht vermieden werden kann.
• Werden die Gaskanäle benutzt um Medien 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 oben genannten 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 beliebiger Stelle im Bereich der 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 Bauteils beim Ausblasen zu vermeiden, s. 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 dann der Fall, wenn verhindert werden soll, dass entweder Fremdmedium in das Formteil eindringen (z.B. bei nachträglicher Oberflächenbeschichtung) oder ausdringen (z.B. bei der Verwendung der Gasführungskanäle als Medienleitung) kann.
• Ein Nachteil des Kernrückzug-Verfahrens ist, dass es nur die Herstellung weniger, gerader oder leicht gekrümmter Bauteilverdickungen mit einfachen Querschnittsgeometrien in einem Bauteil erlaubt, s. 4b. Es ist nicht möglich, eine große Anzahl von kompliziert angeordnet 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 ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, die Gasausbreitung in komplex verrippten Bauteilen zu kontrollieren, wobei 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. Auch soll die ausgeblasene Schmelze ohne Bildung von Einfallstellen entweder zu einem zum Formteil gehörenden Bereich oder integriertem Funktionsteil ausgeformt werden.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. 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. 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. 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. 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.
• Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für mit Gaskanälen oder Rippen versehene Bauteile wie Stoßfänger, Amaturentafeln und -träger, Türinnenmodule, Heckklappen, Hardtops, Schalthebel, Mittelkonsolen, Staubsaugergehäuse, Monitor- und Fernsehergehäuse oder Kopierertüren.
• 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) beschrieben (s. 1, 2 und 4). Es folgen Ausführungsbeispiele für eine verrippte Platte. Es zeigen
• 3: Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
• 4: Beispiele für die Ausformung der ausgeblasenen Schmelze
• c) Aufgespritzte Verdickung
• d) Aufgespritzte Verlängerung einer Rippe
• 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.
• 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 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 Rippenverlängerungen entstehen, können diese durch Vorfahren der Vorrichtung (externe Nachdruckaufbringung) vermieden werden. Die durch diese 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.
• 4 zeigt die Ausformung der ausgeblasenen Schmelze zur verdickten Bereichen c) und Rippenverlängerungen d) durch entsprechend angepasste Auswerferendstücke.
• 5a zeigt die Aufsicht auf eine konventionell hergestellte verrippte Platte (22). Dargestellt ist die Verrippung des Bauteils, wobei zu erkennen ist, dass einige Rippen (3) keine durchgehenden Gaskanäle (19) aufweisen durch die zentrale Gasinjektion aufweisen.
• 5b zeigt die Anwendung der Erfindung das verrippte Bauteil aus 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 ein zum Bauteile 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.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung verrippter Bauteile mit der Gasinjektionstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasausbreitung in beliebig in einem Bauteil angeordeneten Rippen, Gasführungskanälen oder verdickten Bereichen – 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 dünnwandigen Formteilbereich (16a) herausgedrückt werden, wobei die hierzu benötigten Freiräume (16b) durch Bewegen von Teilen der Spritzgießform (15) geschaffen werden und diese Freiräume durch die ausgeblasene 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 Teile der Spritzgießform (15) zur Schaffung der Freiräume durch Auswerfer realisiert wird, 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.