DE19751236A1

DE19751236A1 - Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen

Info

Publication number: DE19751236A1
Application number: DE1997151236
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Gosdin; Helmut Dipl Ing Eckardt; Juergen Ehritt
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Battenfeld GmbH
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: DE19751236C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunst stoffgegenständen.

Es ist bekannt, Kunststoff-Formteile unter Verwendung von Treibmittel herzustellen. Dabei wird beispielsweise dem Kunststoffgranulat vor der Plastifizierung ein treibmittelhaltiges Material beigemischt. Die Mischung wird plastifiziert und unter Druck in ein Formwerkzeug eingespritzt. Wird der Druck abgebaut, kann das Treibmittel im Inneren des Formteils aufschäumen. Dadurch wird ein Formteil erzeugt, das im Bereich der Außenkontur massiv aufgebaut ist, hingegen im Inneren aus geschäumtem Kunststoff besteht.

In vorteilhafter Weise werden so Formteile produziert, die einerseits leichter sind als vergleichbare Massivteile, da sich im Inneren der - leichtere - Schaum befindet. Andererseits haben solche Formteile in der Regel den Vorteil, daß die Außenkontur frei von Einfallstellen ist, da bei abkühlungsbedingten Volumenkontraktionen im äußeren Bereich der Druck des Treibmittels im Inneren für einen Schwindungsausgleich sorgt.

Bei den bekannten Verfahren dieser Art (auch bekannt unter der Bezeichnung "structural foam"-Spritzgießen) ist es stets Ziel, dem Formteil die durch die Werkzeugkavität definierte Form zu geben. D. h. erst nach der Abkühlung des Formteils auf ein Temperaturniveau, das eine selbsttragende Struktur gewährleistet, wird das Werkzeug geöffnet und das Formteil entformt; es behält dann die durch die Kavitäts geometrie bestimmte Außenkontur bei.

Bei zu schnellem Öffnen der Form besteht die Gefahr, daß sich infolge des Treibmitteldrucks die Außenkontur des Formteils noch verändert, was unerwünscht ist und durch entsprechend lange Abkühlzeiten verhindert wird.

Die vorliegende Erfindung verfolgt eine andere Zielrichtung: Das ansonsten unerwünschte Aufblähen des Formteils, wenn es noch nicht hinreichend selbsttragend ist, wird genutzt, um speziell geformte Formteile zu schaffen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgießverfahren vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, bei der Verarbeitung von treibmittelhaltiger Kunststoffschmelze eine gezielte Verformung des Formteils vor der endgültigen Verfestigung zu bewerkstelligen. Der an sich negative Effekt der Verformung des Teils vor der Verfestigung soll also gezielt genutzt werden, um die Geometrie des Teils in vorbestimmter Weise außerhalb der Spritzgießform zu verändern.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung besteht darin, folgende Verfahrensabfolge vorzusehen:

a) Herstellen einer homogenen, schmelzflüssigen Material mischung (2) in einer Kunststoffplastifiziereinheit (3), die aus mindestens einem Kunststoff (4) und mindestens einem Treibmittel (5) besteht;
b) Einspritzen der homogenen Materialmischung (2) in die Kavität (6) eines Formwerkzeugs (7), bis diese vollständig mit der Mischung (2) gefüllt ist;
c) bevor die eingespritzte Materialmischung (2) vollständig erstarrt ist: schnelles Öffnen des Formwerkzeugs (7) und Entformen des Kunststoffgegenstandes (1), dabei Erlaubenlassen, daß die noch nicht vollständig erstarrten Bereiche (8) des Kunststoffgegenstandes (1) durch das Treibmittel (5) in ihrem Volumen vergrößert werden.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, daß das aus einer Kunststoff- Treibmittel-Mischung gespritzte Formteil vor der endgültigen Verformung entformt wird, wodurch die noch nicht endgültig erstarrten Bereiche des Formteils sich außerhalb der Form weiter ausformen, d. h. aufblähen, können.

Ein reproduzierbares Vorgehen wird insbesondere dadurch erreicht, daß nach dem genannten Schritt b) und vor dem Schritt c) der Arbeitsschritt durchgeführt wird: Aufbringen eines Nachdrucks auf die in die Kavität (6) eingespritzte Materialmischung (2) für eine vorgegebene Zeit (T).

Weiterhin wird die Prozeßsicherheit dadurch erhöht, daß vor dem Einspritzen der Materialmischung (2) in die Kavität (6) des Formwerkzeugs (7) in der Kavität (6) durch Eingabe eines Gases ein Gasdruck aufgebaut wird, der über dem Niveau des Umgebungsdruckes liegt, und daß das eingebrachte Gas gleichzeitig mit dem Einspritzen der Materialmischung (2) wieder aus der Kavität (6) abgezogen wird.

Dadurch wird auf die Kunststoff-Treibmittel-Mischung im Werkzeug ein externer Druck ausgeübt, der ein vorzeitiges Aufschäumen des Materials verhindert.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß Bereiche der Kavität (6) durch Temperierelemente (9) in ihrer Temperatur beeinflußt werden, wodurch das Erstarrungsverhalten der Materialmischung (2) beeinflußt wird. Das kann sowohl durch ein Beheizen als auch durch ein Kühlen bestimmter Regionen des Werkzeugs erfolgen.

Als Treibmittel kommen sowohl physikalische als auch chemische Mittel in Frage. Als physikalische Treibmittel eignen sich vor allem Stickstoffgas oder ein anderes Inertgas. Bevorzugte chemische Treibmittel sind Azodicarbonamid oder Natriumbicarbonat.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darge stellt:

Fig. 1 zeigt schematisch den Schnitt durch eine Spritzgießvorrich tung,

Fig. 2 zeigt den entformten Kunststoffgegenstand in drei aufein anderfolgenden Zeitpunkten.

In Fig. 1 ist - schematisch dargestellt - eine Spritzgießvorrichtung zu sehen. Das zweiteilige Spritzgießwerkzeug 7 weist eine Kavität 6 auf, die die Geometrie des zu fertigenden Formteils definiert, was die Ausgestaltung anbelangt, die sich ergeben soll, solange das Werkzeug geschlossen ist.

In den Trichter einer Kunststoffplastifiziereinheit 3 wird beispielsweise Kunststoffgranulat 4 und treibmittelhaltiges Material 5 eingefüllt. In der Plastifiziereinheit 3 wird mittels einer Mischschnecke eine homogene Kunststoff-Treibmittel-Mischung hergestellt. Entsprechende Plastifizier- und Mischvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt ("structural foam"-Spritzgießtechnologie); jedoch kommt es bei der vorliegenden Erfindung besonders darauf an, daß eine sehr homogene Mischung 2 produziert wird.

Diese wird in die Kavität 6 des Werkzeugs 7 eingespritzt. Damit die Materialmischung 2 nicht bereits in der Kavität aufschäumt, wird sie unter Druck gehalten. Hierzu wird über geeignete Leitungen vorzugsweise Stickstoffgas in die Kavität 6 eingeleitet. Der Gasdruckaufbau erfolgt in an sich bekannter Weise, weshalb die pneumatischen Leitungs- und Druckregeleinheiten nicht näher dargestellt sind. Entscheidend ist, daß vor der Einspritzung der Mischung 2 ein Gasdruck aufgebaut ist, wobei gleichzeitig mit der Schmelzeinjektion über das Gasdruckregelsystem das Stickstoffgas wieder aus der Kavität abgezogen wird.

Die Erzeugung eines "Gegendruckes" im Werkzeug während des Einspritzens - zwecks Verhinderung des vorzeitigen Aufschäumens - kann auch dadurch erreicht werden, daß für eine "schlechte" Entlüftung des Werkzeugs durch zu kleine Entlüftungsbohrungen gesorgt wird. Dann bedingt die in die Kavität einströmende Schmelze eine Komprimierung der noch in der Kavität vorhandenen Luft, so daß auf diese Weise ein Gegendruck ausgeübt wird. In diesem Falle ist eine externe Gaseingabe entbehrlich.

Die Kavität 6 wird zunächst vollständig mit der Materialmischung 2 gefüllt. Dann wird vorzugsweise - zur Sicherstellung der vollständigen Füllung - über eine gewisse, evtl. nur sehr kurze Zeit - ein Schmelzenachdruck aufrechterhalten. Die Nachdruckzeit T ist in jedem Falle kürzer als die Zeit, die notwendig wäre, um das Formteil 1 in einen selbsttragenden Zustand zu bringen.

Im Werkzeug 7 sind Temperierelemente 9 angeordnet. Mit ihnen wird erreicht, daß bestimmte Bereiche des Werkzeugs und damit auch des Formteils 1 in der Temperatur beeinflußt werden können. Im skizzierten Fall werden die dünnwandigen Bereiche des Formteils (oben und unten) mittels der Temperierelemente gekühlt, so daß sie bei der Werkzeugöffnung bereits vollständig erstarrt sind und sich in ihrer Geometrie nicht mehr verändern können. Im Gegensatz dazu stellt der mittlere dickwandige Bereich des Formteils einen Bereich 8 dar (s. Fig. 2a), der bei der Öffnung des Werkzeugs noch nicht vollständig erstarrt ist.

Bevor das Formteil 1 vollständig selbsttragend ist, wird das Werkzeug möglichst schnell geöffnet und das Teil 1 entformt. Typische Öffnungszeiten des Werkzeugs bewegen sich zwischen 0,5 und 1,0 Sekunden. Die Außenkontur des Formteils 1 ist der Fig. 2a zu entnehmen. Man kann insbesondere sehen, daß unmittelbar nach der Entformung die Außenkontur des Formteils 1 der Geometrie der Kavität 6 entspricht.

Da der noch nicht vollständig erstarrte Bereich 8 des Gegenstands 1 noch nicht selbsttragend ist, bewirkt das Treibmittel im Inneren des Formteils, daß das Formteil in diesem Bereich 8 aufgebläht wird, s. Fig. 2b. Beim Öffnen des Werkzeugs ist der Hautbereich des Formteils durch Anlage an das kalte Werkzeug erkaltet, während der Kernbereich noch heiß ist. Durch Wärmeausgleich von innen nach außen kann sich daher der Hautbereich des Formteils durch die von innen stammende Wärme nach dem Entformen nochmals aufwärmen. Hierdurch wird das Nachblähen begünstigt. Wenngleich im Stand der Technik dies bislang eine unerwünschte Reaktion auf zu schnelles Öffnen des Werkzeugs war, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung beabsichtigt.

Das Nachblähen kann infolge des Temperaturausgleichs evtl. erst etliche Sekunden nach der Entformung (z. B. 30 Sekunden) erfolgen, weil sich erst dann die Haut nochmals erwärmt hat und das Treibmittel aus dem Formteilinneren nachblähen kann.

Dadurch, daß beim Aufblähen die geometriegebende Kontur des Werkzeugs fehlt, kann freilich nicht erwartet werden, daß sich eine exakt definierte Kontur am fertigen Formteil in den Bereichen des Formteils ausbildet, die nach der Entformung aufgebläht werden. Jedoch lassen sich Vorkehrungen treffen, damit sich die Dicke des Formteils in diesen Bereichen weitgehend gleichmäßig ausformt. Beispielsweise kann dafür Sorge getragen werden, daß das Formteil in einer zur Erdanziehung ausgerichteten Weise nach der Entformung gehalten wird (s. z. B. Fig. 2), wodurch Einflüsse der Schwerkraft nicht nachteilig wirken. Weiterhin wird sich in der Regel bei (rotations-)symmetrischen Formteilen keine nennenswerte Dickenschwankung ergeben.

Abhängig von der Menge des zugemischten bzw. verarbeiteten Treibmittels kann sich im Inneren des Formteils 1 sogar ein Hohlraum bilden, s. Fig. 2c, der der Gewichtsersparnis des Formteils dienlich ist. Wird weniger Treibmittel zugegeben, wird das Formteil im Stadium gemäß Fig. 2b verbleiben und vollständig aushärten.

Die Beeinflussung und Steuerung des Aufblähens der noch nicht vollständig erstarrten Bereiche 8 des Formteils kann durch verschiedene Prozeßparameter erfolgen: Zunächst einmal ist die Zeit entscheidend, die vom Ende des Einspritzens der Materialmischung 2 bzw. vom Ende der Nachdruckzeit bis zum Öffnen des Werkzeugs vergeht. Eine kürzere Zeit hat zur Folge, daß das Formteil noch nicht so formstabil ist; der Aufblähprozeß wird begünstigt.

Weiterhin wird das Aufblähen entscheidend von der Geometrie des Formteils beeinflußt, wie unmittelbar aus Fig. 2 hervorgeht: Dünne Bereiche des Teils erstarren schneller, so daß dort auch das Blähen nicht so ausgeprägt ist.

Weitere wichtige Parameter sind - wie teilweise bereits oben ausgeführt - die Temperaturen, und zwar nicht nur im Kavitätsbereich sondern auch die Temperaturen, mit denen die Materialmischung 2 verarbeitet und eingespritzt wird.

Weiterhin kann über die Menge des zugesetzten bzw. zugemischten Treibmittels der Blähvorgang gesteuert werden, wie es im Zusammenhang mit Fig. 2b und 2c bereits ausgeführt wurde. So kann (s. Fig. 2c) gezielt erreicht werden, daß sich Hohlräume im Formteilinneren bilden. Ferner hat freilich die Art des Treibmittels einen entscheidenden Einfluß auf das Aufblähen des Formteils. Hier gelten jedoch die bekannten Erkenntnisse aus der klassischen Verarbeitung von treibmittelhaltigen Kunststoffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für solche Formteile, bei denen für einen guten Gebrauch in bestimmten Bereichen eine Verdickung gewünscht ist, die nicht notwendigerweise eine exakt definierte Außengeometrie haben muß (z. B. Griffbereiche eines Formteils).

Bezugszeichenliste

1

Kunststoffgegenstand

2

homogene Materialmischung

3

Kunststoffplastifiziereinheit

4

Kunststoff

5

Treibmittel

6

Kavität

7

Formwerkzeug

8

nicht vollständig erstarrte Bereiche des Gegenstands

1

9

Temperierelemente

Claims

1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen (1), das die Schritte aufweist:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt b) und vor Schritt c) von Anspruch 1 der Arbeitsschritt durchgeführt wird: Aufbringen eines Nachdrucks auf die in die Kavität (6) eingespritzte Materialmischung (2) für eine vorgegebene Zeit (T).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einspritzen der Materialmischung (2) in die Kavität (6) des Formwerkzeugs (7) gemäß Schritt b) von Anspruch 1 in der Kavität (6) durch Eingabe eines Gases ein Gasdruck aufgebaut wird, der über dem Niveau des Umgebungsdruckes liegt, und daß das eingebrachte Gas gleichzeitig mit dem Einspritzen der Materialmischung (2) wieder aus der Kavität (6) abgezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche der Kavität (6) durch Temperierelemente (9) in ihrer Temperatur beeinflußt werden, wodurch das Erstarrungsverhalten der Materialmischung (2) beeinflußt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche der Kavität (6) gekühlt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche der Kavität (6) beheizt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel (5) ein physikalisches Treibmittel, insbesondere Stickstoffgas oder ein anderes Inertgas, ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel (5) ein chemisches Treibmittel, insbesondere Azodicarbonamid oder Natriumbicarbonat, ist.