DE19800828A1

DE19800828A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von bindenahtfreien Kunststofformteilen mit Durchbrüchen mittels Spritzprägetechnik

Info

Publication number: DE19800828A1
Application number: DE1998100828
Authority: DE
Inventors: Carsten Brockmann
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: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-07-15

Description

Anwendungsgebiet

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

Stand der Technik

Die Herstellung von Kunststofformteilen mit Durchbrüchen erfolgt heute im allgemei nen durch Spritzgießen. Dabei werden die Stifte oder Stege, die die Durchbrüche bilden, von der Schmelze umströmt, so daß Bindenähte entstehen. Bindenähte stellen jedoch mechanische und optische Schwachstellen dar. Die Vermeidung ist bis heute nur möglich, wenn die Durchbrüche durch einen nachgeschalteten Arbeitsschritt (Bohren, Fräsen, Stanzen) hergestellt werden.

Die Spritzprägetechnik - im folgenden SPT genannt - ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens /1/. Bei diesem Verfahren erfolgt zunächst eine Teilfüllung der Kavität durch Einspritzen der genau vordosierten Kunststoffschmelze. Dabei ist das Werkzeug um den Prägespalt s_p geöffnet (Fig. 1). Danach erfolgt die vollständige Ausformung des Formteils durch das Zufahren des Werkzeuges. Durch diese Kombination von Elementen aus dem Spritzgieß- und dem Preßverfahren entstehen Formteile, die sich u. a. durch hohe Maßhaltigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften aus-. zeichnen /2, 3/.

Fig. 1: Verfahrensablauf bei der Spritzprägetechnik

Damit während der Prägephase kein unnötiger Schmelzeaustritt aus der Werkzeug trennebene erfolgt, ist es erforderlich, das Werkzeug mit Tauchkanten zu versehen. Der Zeitraum zwischen Einspritz- und Prägephase wird Prägeverzögerungszeit ge nannt. Dieser Fertigungsparameter sollte so klein wie möglich gewählt werden, um ein zu starkes Abkühlen der Schmelze zu verhindern /4/.

Aufgrund des speziellen Verfahrensablaufes und der positiven Formteileigenschaften hat das Spritzprägeverfahren in der Duroplast- und Elastomerverarbeitung bereits beträchtliche technische Bedeutung erlangt /5, 6/. Im Bereich der Thermoplastver arbeitung wurde diese Technologie bisher vorwiegend bei der Herstellung dickwandi ger Formteile mit hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit eingesetzt (z. B. für optische Linsen). Doch auch technische Formteile mit großen Abmessungen und geringen Wanddicken (z. B. Membranen für Mikrofone und Lautsprecher) können mit Hilfe der SPT hergestellt werden /7-9/.

Bekannt sind weiterhin Anwendungen der SPT zur Herstellung von Polycarbonat platten wie sie bei der Herstellung von Compact Disks Einsatz finden /10/. Die Aus wirkungen der unterschiedlichen Verfahrensabläufe beim Spritzgießen und Spritz prägen auf Orientierungsausbildung und Schwindung sind in den Arbeiten von /11, 12/ dokumentiert.

In der industriellen Praxis kann das Spritzprägeverfahren entsprechend dem speziellen Anwendungsfall variiert werden. So startet die Prägebewegung beim Simultanprägen z. B. schon während des Einspritzvorganges. Außerdem kann die Ausführung der Prägebewegung teilweise durch bewegliche Werkzeugeinsätze erfolgen, die auf Teilflächen oder die gesamte Querschnittsfläche wirken. Zudem wird in bestimmten Fällen eine vollständige Füllung der Werkzeugkavität zum Ausgleich der Volumen schwindung praktiziert /1, 6, 7/.

Nachteile des Standes der Technik

Probleme entstehen beim Stand der Technik im wesentlichen dann, wenn z. B. die Formteile mit mehreren Durchbrüchen versehen sein sollen und Bindenähte in Hinblick auf die optischen und/oder mechanischen Formteilanforderungen nicht tolerierbar sind.

Konventionelles Spritzgießen

In der Kunststoffverarbeitung hat sich in der Vergangenheit das Spritzgießen als wirt schaftliches Fertigungsverfahren bewährt. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Herstellbarkeit komplexer Bauteilgeometrien in einem Produktionsschritt bei geringem Energieaufwand. Auch Formteile mit Durchbrüchen sind mit diesem Verfah ren herstellbar. Dazu befinden sich Kerne in der Kavität, die während des Formteilfüll vorgangs umströmt werden und so die Durchbrüche ausbilden. Probleme treten dann auf, wenn an den Durchbrüchen aufgrund des verwendeten Materials oder der Pro zeßparameter Bindenähte in der Art entstehen, daß sie optische oder mechanische Schwachstellen am Formteil darstellen. Speziell wenn sich im Formteil mehrere Durchbrüche befinden, sind diese Bindnähte mit vertretbarem Aufwand nicht zu vermeiden.

Nachbearbeitung des Formteils

Die Nachbearbeitung des fertigen Formteils mittels Bohren, Stanzen oder Fräsen stellt einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der zu einer komplexeren Fertigung führt. Neben dem finanziellen Mehraufwand kann die Ausschußquote steigen und Probleme wie Transport und Zwischenlagerung müssen gelöst werden.

SPT mit konventioneller Werkzeugtechnik

Aufgrund der für das Spritzprägen notwendigen Tauchkanten sind gegenüber dem Spritzgießen aufwendigere Werkzeuge notwendig. Dies hat zum einen einen höheren wirtschaftlichen Aufwand und eine geringere Designfreiheit zur Folge. Die Verwendung des Spritzprägeverfahres trotz dieser Einschränkungen ist nur sinnvoll, wenn diesen ein Nutzen wie z. B. Minimierung des Werkzeuginnendrucks, bessere optische Eigen schaften, größeres erreichbares Fließweg/Wanddicken-Verhältnis etc. gegenübersteht.

Bei Formteilen mit Durchbrüchen steigt der zu betreibende Aufwand bei der Werk zeugtechnik für das Spritzprägen weiter stark an. Die Stege müssen sehr genau gefertigt werden und unterliegen einem höheren Verschleiß als z. B. bei einem Spritz gießwerkzeug. Wesentlich ist jedoch, daß es nicht möglich ist, reproduzierbar Form teile ohne Grate an den Durchbrüchen herzustellen. Deshalb müssen diese Formteile i.a. nachbearbeitet werden. Diese Gründe führen dazu, daß das Spritzgießen dem Spritzprägen bei Formteilen mit Durchbrüchen im allgemeinen vorgezogen wird.

Aufgabe der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, welche es ermöglichen, Formteile mit Durchbrüchen ohne Bindenähte mittels der Spritzprägetechnik herzustellen. Wichtige Teilaufgabe hierbei ist, daß durch die Erfindung Durchbrüche mit beliebiger Geometrie eingebracht werden können, die nicht in einem zusätzlichen Arbeitschritt nachbearbeitet werden müssen.

Lösung der Aufgabe

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

VorteiIe der Erfindung

Die Erfindung hat im Vergleich aller bisher eingesetzten Produktionsverfahren für. Formteile mit Durchbrüchen die folgenden Vorteile:

- Herstellung unter Verwendung des Spritzprägeverfahrens:
- - im Gegensatz zum Spritzgießen größere Fließweg/Wanddicken-Verhältnisse möglich,
- - niedrigere Werkzeuginnendrücke und dadurch geringere Schließkräfte,
- - bei dünnwandigen Formteilen geringere Schwindungs- und Verzugsneigung,
- - geringere innere Spannungen und gleichmäßigere Orientierung entlang des Fließweges.
- Herstellung von Formteilen mit Durchbrüchen in einem Arbeitsgang:
- - nachträgliche Bearbeitung zur Herstellung von Durchbrüchen entfällt,
- - ein hoher Automatisierungsgrad ist bei der Herstellung möglich,
- - sehr kurze Fertigungszeiten pro Artikel und somit geringe Herstellungskosten,
- - eine hohe Gestaltungsfreiheit.
- Herstellung von Formteilen mit Durchbrüchen ohne Bindenähte:
- - keine optische Beeinträchtigung speziell bei Formteilen im Sichtbereich,
- - keine mechanischen Schwachstellen speziell bei dünnwandigen Formteilen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Stellvertretend für die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Gehäuseformteil mit Durchbrüchen für z. B. eine Tastatur dargestellt. Es zeigen

Fig. 2: Anwendungsbeispiel: Gehäuseformteil mit Durchbrüchen für z. B. Tastatur

Fig. 3: Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von bindenahtfreien Formteilen mit Durchbrüchen mittels Spritzprägetechnik.

Beispiel: Verfahrensablauf

Grundsätzlich können beliebige Formteile mit Durchbrüchen durch das erfindungs gemäße Verfahren und die Vorrichtungen hergestellt werden.

1) Zuerst wird durch ein beliebiges Spritzgießverfahren der Formhohlraum (2) eines Spritzgießwerkzeuges (1) teilweise oder vollständig mit Kunststoffschmelze (3) über einen Anguß (4) gefüllt. Dabei ist darauf zu achten, daß die Schmelze den Bereich der Durchbrüche und damit die Durchstoßstifte (5) überströmt.
2) Danach erfolgt erfolgt der Prägevorgang. Anwendungsbezogen kann die Prägepha se auch während der Einspritzphase beginnen (Simultanprägen).

Die Durchstoßstifte (5) sind so in die Kavität eingebaut, daß ihre Höhe (h) in der. Kavität größer als die Formteilwanddicke ist und sie so am Ende der Prägephase in die gegenüberliegende Werkzeugseite eintauchen. Das Eintauchen wird z. B. durch federgelagerte Gegenstifte (6) ermöglicht.

Die Durchstoßstifte verdrängen bei dieser Bewegung den noch schmelzeförmigen Kunststoff. Das Eintauchen in die gegenüberliegende Werkzeughälfte sollte vorzugs weise vor Ende der Prägephase erfolgen, da zu diesem Zeitpunkt die Werkzeug innen drücke stark ansteigen. Die Durchstoßstifte, welche bei Bedarf mit Schneidkanten versehen sein können, verdrängen durch den Prägehub die Schmelze bzw. durch stoßen die eingefrorenen Randschichten, und drücken dabei Kunststoff, der nicht verdrängt werden konnte, in die gegenüberliegende Werkzeughälfte.

3) Beim Entformen bewegen sich die Gegenstifte wieder in ihre Ausgangsposition zurück und die Kunststoffreste (8) können entfernt werden. Die Durchstoßstifte werden wieder aus dem Formteil (7) herausgezogen und geben so die Durchbrüche frei.

Die Verfahrbewegung der Durchstoß- und Gegenstifte kann hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch (wie dargestellt durch Federn (9)) realisiert werden.

Bezugszeichenliste

1

Spritzgießwerkzeug

2

Formhohlraum

3

Kunststoffschmelze

4

Anguß

5

Durchstoßstift

6

Gegenstift

7

Formteil

8

Kunststoffreste

9

Feder

LlTERATUR

/1/ Würl, E. Vorrichtung zum Schließen von Formen einer Spritzgieß maschine
Offenlegungsschrift Nr. DE 0004014905A1,
Deutsches Patentamt München, 1991
/2/ Jürgens, W. Untersuchungen zur Verbesserung der Formteilqualität beim Spritzgießen teilkristalliner und amorpher Kunststoffe
Dissertation an der RWTH Aachen (1968)
/3/ Wilgenbus, A.S. Spritzprägen von Formartikeln
In: Spritzgießen technischer Gummi-Formteile
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1981, S. 161-170
/4/ Michaeli, W. Galuschka, S.
Spritzprägen: Verfahrensanalyse und Cadmould-Berechnun gen
Plastverarbeiter, 45 (1994)12, S. 21-27
/5/ Keller, W. Vorteile in Marktnischen. Spritzgießen - Übersicht über die gängigen Spezialverfahren
Kunststoffe Synthetics, Heft 9195, S. 32-42
/6/ Knappe, W.Lampl, A. Zum optimalen Zykusverlauf beim Spritzprägen von Thermo plasten
Kunststoffe 74 (1984) 2, S. 79-83
/7/ Friesenbichler, W. Ebster, W. Langecker, G. Spritzprägewerkzeuge für dünnwandige Formteile richtig auslegen
Kunststoffe 83 (1993) 6, S. 445-448
/8/ Gissing, K. Spritzprägen von dünnwandigen technischen Formteilen aus Thermoplasten
In: Neue Werkstoffe und Verfahren beim Spritzgießen
Tagungsumdruck VDI Gesellschaft Kunststofftechnik, Düs seldorf, 1990, S. 119-131
/9/ Friedrichs, B. Frisenbichler, W. Gissing, K. Spritzprägen dünnwandiger thermoplastischer Formteile
Kunststoffe 80 (1990) 5, S. 583-587
/10/ Anders, S. Schmid, H. Sommer, K. Rateike, F.-M. Verfahren zur Herstellung von runden Polycarbonatplatten
Offenlegungsschrift Nr.: DE 0003836250 A1
Deutsches Patentamt München, 1988
/11/ Yoon, K. On the study of birefringence structure in injection and injection-compression molded disks
Society of Plastics Engineers, Proceedings of the Annual Technical Conference (ANTEC)
Indianapolis, USA, 1995, S. 2973-2977
/12/ Yang, S.Y. Ke, M.Z. Experimental Study on the Effects of Adding Compression to Injection Molding Process
Advances in Polymer Technology (1995)
Vol. 14, No. 1, S. 15-24

Claims

1. Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von bindenahtfreien Kunststofform teilen mit Durchbrüchen mittels Spritzprägetechnik im Gegensatz zu konventionellen Spritzgießverfahren, bei denen die Durchbrüche eines Formteils durch Umströmen von Kernen erzeugt werden, und somit Binde nähte entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Durchbrüche beliebiger Geome trie, beliebig im Bauteil angeordnet, durch Anwendung eines Spritzprägeverfahrens während des Prägevorgangs erzeugt werden, indem

a) vorerst der Formhohlraum eines Spritzgießwerkzeuges teilweise mit Schmelze gefüllt wird und während der anschließenden Prägephase im Spritzgießwerkzeug integrierte Vorrichtungen (5) die Schmelze verdrängen sowie erstarrte Kunststoff randschichten des Bauteils durchstoßen und durch entsprechende Vorrichtungen (9) in die gegenüberliegende Werkzeugwand eintauchen wobei durch Überströmen der Vorrichtungen während der Einspritzphase eine Umströmung und somit die Entstehung von Bindenähten weitgehend vermieden wird, oder indem
b) vorerst der Formhohlraum eines Spritzgießwerkzeuges ganz mit Schmelze gefüllt wird und während der anschließenden Prägephase im Spritzgießwerkzeug inte grierte Vorrichtungen (5) die Schmelze verdrängen sowie erstarrte Kunststoffrand schichten des Bauteils durchstoßen und durch entsprechende Vorrichtungen (6) in die gegenüberliegende Werkzeugwand eintauchen wobei der Prägevorgang durch Verdrängen der Schmelze in den Anguß oder eine Nebenkavität oder durch Aus nutzung der Volumenschwindung ermöglicht wird.

2. Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Formung der Durchbrüche fest mit der Werkzeughälfte verbunden sind und um die Höhe h, welche größer als die spätere Formteilwanddicke ist, so in die Kavität hineinragen, daß sie während der Einspritzphase überströmt werden und die Durchbrüche während des Präge vorgangs erzeugt werden und in die gegenüberliegende Werkzeughälfte eintau chen.

3. Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Formung der Durchbrüche mechanisch, pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch betätigt sind und vorzugs weise bündig mit der Kavitätswand in das Werkzeug eingebaut sind und so betätigt werden, daß sie erst nach Überströmen der Schmelze in diese einfahren und die Durchbrüche während des Prägevorgangs erzeugt werden und in die gegenüberlie gende Werkzeughälfte eintauchen.

4. Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Formung der Durchbrüche mit Schneidkanten zum Durchstoßen der eingefrorenen Randschichten versehen sind.

5. Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Formung der Durchbrüche durch fremdbetätigte bewegliche Teile ausgeführt sind und somit auch beim kon ventionellen Spritzgießen eingesetzt werden können.