DE19853021A1 - Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile durch Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen Spritzgießmaschine - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile durch Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen SpritzgießmaschineInfo
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- DE19853021A1 DE19853021A1 DE1998153021 DE19853021A DE19853021A1 DE 19853021 A1 DE19853021 A1 DE 19853021A1 DE 1998153021 DE1998153021 DE 1998153021 DE 19853021 A DE19853021 A DE 19853021A DE 19853021 A1 DE19853021 A1 DE 19853021A1
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- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C44/00—Shaping by internal pressure generated in the material, e.g. swelling or foaming ; Producing porous or cellular expanded plastics articles
- B29C44/34—Auxiliary operations
- B29C44/3442—Mixing, kneading or conveying the foamable material
- B29C44/3446—Feeding the blowing agent
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die das Spritzgießen von geschäumten Kunststoff-Formteilen, auch Strukturschaumformteile genannt, erlaubt, wobei das zum Aufschäumen des Materials notwendige Treibmittel durch Direktbegasung des Schmelzestroms zugesetzt wird. Bei dem in den Schmelzestrom injizierten Treibmittel handelt es sich um ein Fluid. DOLLAR A Die Vorrichtung wird zwischen Schneckenzylinder und Düse einer konventionellen Spritzgießmaschine montiert. Das Treibmittel wird mittels eines Gasdosiersystems in die Polymerschmelze eingegast. Die Eingasung erfolgt über die Oberfläche eines Sintermetallbauteils, das in den Schmelzekanal eingebaut wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Die Herstellung von Formteilen nach dem Spritzgießverfahren kann mittels Kom
paktspritzgießen aber auch mittels Schaumspritzgießen oder anderen
Sonderverfahren erfolgen. Strukturschaumformteile haben im Gegensatz zu
kompakten Formteilen einen sandwichartigen Aufbau, d. h. eine mehr oder minder
kompakte Außenhaut mit einem geschlossenzelligen geschäumten Kern /1/.
Das Strukturschaumspritzgießen, häufig auch Thermoplastschaumspritzgießen
(TSG) genannt, weist im Gegensatz zum Spritzgießen kompakter Formteile einige
wesentliche Vorteile auf. Die im Mittelpunkt stehenden Vorteile von Schäumen sind
eine mögliche für die Funktionstauglichkeit von Formteilen notwendige
Dichtereduktion, eine erhöhte spezifische Steifigkeit durch Verlagerung der
Flächenträgheitsmomente in die Randschichten des Bauteils und die erhöhte
Dämmwirkung (Schall, Wärme). Auch große Wanddicken sind möglich, was größere
Freiheiten im Design erlaubt. Das Verfahren ermöglicht außerdem, Formteile mit
geringeren Eigenspannungen, Verzugsarmut und häufig günstigeren
Fertigungstoleranzen sowie geringeren Einfallstellen herzustellen /2-4/. Ferner ist die
Herstellung von Thermoplastschaumstoffen aus biodegradablen Polymeren in
Anbetracht der noch hohen Materialkosten auf der einen und des zunehmenden
Bedarfs auf der anderen Seite wirtschaftlich sehr interessant.
In Europa werden aufgrund ihrer einfacheren Handhabbarkeit chemische Treibmittel
zum Schaumspritzgießen von Thermoplasten verwendet. Die physikalischen
Treibmittel weisen jedoch oftmals entscheidende Vorteile auf. Aufgrund ihrer
zumeist stabilen chemischen Verbindungen ist bei Einsatz von physikalischen
Treibmitteln keine Zunahme der Degradation des verarbeitenden Polymers zu
befürchten. Physikalische Treibmittel sind verhältnismäßig kostengünstige
Treibmittel. Darüber hinaus sind durch Einsatz physikalischer Treibmittel prinzipiell
größere Aufschäumgrade erzielbar.
Fluide, die dem Polymer direkt zudosiert werden, bezeichnet man als physikalische
Treibmittel. Die Wirkungsweise physikalischer Treibmittel beruht zum einen auf der
Änderung des Aggregatzustandes dieser Substanzen, wie etwa dem Verdampfen
einer Flüssigkeit (z. B.: FCKW), oder zum anderen auf der Übersättigung des
Polymeren hinsichtlich eines zuvor im Polymeren gelösten gasförmigen Fluids. Im
Rahmen des Spritzgießprozesses wird die Übersättigung des Polymeren und damit
die Schaumentstehung in nahezu allen Fällen allein infolge des Druckabfalls beim
Austritt der Schmelze aus der Düse des Plastifizieraggregates initiiert.
Chemische Treibmittel sind im Gegensatz dazu Substanzen, die erst während des
Verarbeitungsprozesses aufgrund einer chemischen Reaktion - meist eingeleitet
durch Wärmezufuhr - Gas abspalten und dadurch die Erzeugung einer
Schaumstruktur im Polymer ermöglichen. Ursache für die Gasabspaltung kann
entweder die thermische Zersetzung des Treibmittels oder eine chemische Reaktion
verschiedener im Treibmittel enthaltener Substanzen sein. Das entstehende Gas ist
zumeist N2, CO2 oder CO.
Zu den physikalischen Treibmitteln gehören neben den Kohlenwasserstoffen auch
Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid. Da Kohlenwasserstoffe jedoch entweder nicht
umweltverträglich sind (HFCKW) oder aufgrund ihrer Brennbarkeit nur unter
erheblichen Sicherheitsauflagen verarbeitet werden können (z. B. Pentan), gewinnen
Treibmittel wie Kohlendioxid und Stickstoff zunehmend an Bedeutung.
Bisher ist eine Kosteneinsparung beim Schaumspritzgießen nicht immer möglich, da
in der Kalkulation der Rohstoffeinsparung zusätzliche Kosten für Treibmittel, längere
Fertigungszeiten bzw. eine eventuelle Nachbehandlung der Oberfläche entgegen
stehen. Die bei den verschiedenen Verfahren eingesetzten Maschinen sind
insbesondere bei dem Einsatz physikalischer Treibmittel speziell für das
Schaumspritzgießen konstruiert und stellen damit einen zusätzlichen Kostenfaktor
dar.
Das Strukturschaumspritzgießen läßt sich prinzipiell in zwei Verfahren gliedern, die
hinsichtlich des Drucks, der während der Verarbeitung im Werkzeug wirksam ist,
unterschieden werden können.
Das Polymer wird im Rahmen der Niederdruckverfahren zunächst in einem
Schneckenzylinder plastifiziert (Schneckenvorplastifizierung). Soll ein chemisches
Treibmittel eingesetzt werden, muß dieses dem Polymergranulat zuvor in einem
Aufbereitungsschritt zugesetzt werden. Im Falle der Verwendung eines
physikalischen Treibmittels wird dieses dem Polymer nach dessen Plastifizierung in
dem Schneckenzylinder zudosiert (2-stufige Schnecke) /5/. Die Schnecke fördert
dann das Polymer/Treibmittel-Gemisch gegen einen definierten Staudruck in einen
sogenannten Speicherzylinder. Nach Abschluß der Dosierphase wird die Schmelze
aus dem Speicherzylinder mit hoher Geschwindigkeit in die Kavität eingespritzt
(Kolbeneinspritzung). Das dosierte und in die Kavität eingespritzte Polymervolumen
ist geringer als das Volumen der Kavität, ein Kennzeichen der
Niederdruckverfahren. Erst durch das Aufschäumen der Schmelze wird das
Formnest komplett aufgefüllt. Der Aufschäumvorgang wird dabei durch den
Druckabfall der Schmelze entlang des Fließweges ausgelöst.
Die Niederdruckverfahren zur Herstellung geschäumter Formteile zeichnen sich
durch Werkzeuginnendrücke von weniger als 70 bar aus. So genügen oftmals schon
Aluminiumwerkzeuge mit geringer Komplexität den gestellten Anforderungen.
Außerdem ist ein Arbeiten mit geringen Zuhaltekräften möglich /8; 9/. Die Nachteile
der Niederdruckverfahren liegen vor allem in der oftmals schlechten
Oberflächenqualität der hergestellten Formteile /5; 13/.
Eine Verbesserung der Oberflächenqualität läßt sich durch den Einsatz eines
sogenannten Hochdruckverfahrens zur Herstellung geschäumter Formteile erzielen
/5/. Hierbei wird der gesamte Werkzeughohlraum mit dem Schmelze/Treibmittel-
Gemisch gefüllt, wobei das Werkzeugvolumen kleiner als das Volumen des
herzustellenden Formteiles ist. In einer sich an die Einspritzphase anschließenden
Nachdruckphase werden die Randschichten des Formteiles komprimiert, um eine
geschlossene Randschicht zu erzielen. Das Aufschäumen wird durch die
Vergrößerung des Werkzeughohlraumes initiiert. Dies kann durch Verwendung
eines Tauchkantenwerkzeuges oder durch Ziehen des Kerns umgesetzt werden.
Alternativ kann der zum Schäumen notwendige Druckabbau durch Zurückziehen
des Spritzkolbens realisiert werden, wobei die überschüssige Schmelze in den
Spritzzylinder zurück schäumt /1/. Hochdruckverfahren arbeiten mit
Werkzeuginnendrücken von 100 bar, was im Vergleich zum Kompaktspritzgießen
als niedrig einzustufen ist /5/.
Varianten beider Verfahren haben jeweils eine Verbesserung der
Oberflächenqualitäten zum Ziel. Insbesondere Maßnahmen wie zyklisches Heizen
und Abkühlen des Werkzeuges (z. B. Variotherm-Verfahren) oder Einspritzen bei
Gasgegendruck (Gasgegendruck-Verfahren) kommt hier eine entscheidende
Bedeutung zu /6/.
Eine Erwärmung der Werkzeugwandung nach dem Einspritzvorgang auf eine
Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Polymers bewirkt ein
Anschmelzen der Formteiloberfläche /6/. Somit werden Oberflächenfehler, die vom
Einspritzen herrühren, beseitigt. Danach muß die Werkzeugwandung gekühlt
werden, um ein Erstarren des Polymers zu ermöglichen. Nachteile des Verfahrens
sind die langen Zykluszeiten, die komplizierte Werkzeugtechnik sowie ein hoher
spezifischer Energieverbrauch.
Beim Gasgegendruck-Verfahren wird ein Aufschäumen des Polymer/Treibmittel-
Gemisches während des Einspritzens dadurch vermieden, daß zuvor ein Gasdruck
von etwa 20 bis 30 bar im Werkzeug erzeugt wird /10/. Somit tritt der zur
Blasenbildung führende Druckabfall nicht mehr auf. Nachteilig bei diesem Verfahren
sind die hohen Werkzeugkosten, da die Werkzeughälften gasdicht und mit einer
hohen Oberflächenqualität gefertigt werden müssen /11/.
Diese Maßnahmen werden einzeln oder auch kombiniert sowohl beim Niederdruck-
als auch beim Hochdruckverfahren angewendet, so daß eine Vielzahl
unterschiedlicher Verfahren eingesetzt wird. Zu den Niederdruckverfahren zählen
das TSG-Verfahren (Thermoplast-Schaum-Guß), das UCC-Verfahren (Union
Carbide Corporation) und das Variotherm-Verfahren. Zu den Hochdruckverfahren
gehören das TM-Verfahren /5; 8; 12/, das TAF-Verfahren (Toshiba-Asahi-Foam)
bzw. DOW-Verfahren /5; 8; 11; 13; 14/, das USM-Verfahren (United Shoe
Machinery) /7; 8; 11/ und das TFM-Verfahren (Thermoplastic Foam Molding) /8; 11/.
Die Herstellung von geschäumten Polymeren erfordert den Einsatz von speziell zu
diesem Zweck konstruierten bzw. stark modifizierten Maschinen wie z. B. Nieder
druck-Spritzgießmaschinen, die durch eine Schneckenvorplastifizierung mit
Kolbeneinspritzung charakterisiert sind. Die Maschinenkosten sowie die Maschinen
stundensätze liegen bei diesen Maschinen deutlich über denen normaler Spritz
gießmaschinen. Außerdem vermindern stark spezialisierte Maschinen die Flexibilität
eines Betriebes, da der Artikel das mögliche Verfahren zur Herstellung bestimmt.
Auch die Anforderungen an die Werkzeuge, die innerhalb der Produktionseinheit zur
Herstellung geschäumter Formteile eingesetzt werden sollen, sind z. T. sehr viel hö
her als die Ansprüche, die an die Werkzeuge einer herkömmlichen Spritzgießma
schine. So muß bei Werkzeugen mit Aufheizung und Abkühlung die thermische
Ausdehnung beachtet werden (Variotherm-Verfahren). Werkzeuge mit Tauchkanten,
beweglichen Einsätzen oder Gasabdichtung erfordern eine hohe Genauigkeit
(Gasgegendruck-Verfahren).
Auch die Auswahl des Werkzeugmaterials muß nach verschiedenen Kriterien ge
troffen werden. So besteht bei verschiedenen Treibmitteln die Gefahr der Korrosion
des Werkzeuges bei falscher Wahl des Werkstoffes.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, welche es
ermöglicht, auf einer konventionellen Spritzgießmaschine (Schnecken
kolbenmaschine) geschäumte Kunststoff-Formteile niedriger Dichte herzustellen.
Hauptaufgabe ist hierbei, eine geeignete Methode zu entwickeln, das physikalische
Treibmittel dosiert und homogen in den Schmelzestrom einzubringen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik folgende Vorteile:
- - Herstellung von geschäumten Formteilen niedriger Dichte durch Verwendung
eines physikalischen Treibmittels auf einer konventionellen Kunststoff-
Spritzgießmaschine (Schneckenkolbenmaschine)
- - keine aufwendigen konstruktiven Änderungen an der Maschine
- - Verminderung der Investitionskosten
- - Vergrößerung des Einsatzsprektrums der Spritzgießmaschine (flexible Fertigung)
Das im Schneckenzylinder plastifizierte Polymer wird durch den Ringspalt um einen
im Schmelzekanal zentrierten Torpedo geleitet, dessen Außenhülle aus Sintermetall
gefertigt ist. Nach außen wird der Ringspalt durch einen Zylinder begrenzt, der
ebenfalls aus Sintermetall hergestellt ist.
Das Treibmittel kann sowohl über die poröse Außenhülle des Torpedos als auch
über die Sintermetall-Oberfläche des Zylinders in die Schmelze eingebracht werden.
Zur Stabilisierung der Sintermetall-Bauteile werden sowohl außen als auch innen
Stützhülsen eingebaut.
Zur weiteren Homogenisierung des Schmelze/Treibmittel-Gemisches kann zusätz
lich ein statischer Mischer in den weiteren Fließweg eingebaut werden. Ist dieser
nicht notwendig, so wird die Einspritzdüse direkt an die Vorrichtung angeschlossen.
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Claims (6)
1. Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Polymer-Formteile durch Einbringen
eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen
Spritzgießmaschine,
dadurch gekennzeichnet, daß über die Sintermetall-Oberfläche eines in den
Schmelzekanal eingebauten Torpedos und ein den Schmelzekanal umgebendes
Sintermetallteil, wobei als Treibmittel Stickstoff oder Kohlendioxid oder Wasser
oder Helium oder eine Mischung davon mit Hilfe eines Gasdosiersystems
definiert in das Polymer eingebracht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
zwischen Plastifizieraggregat und Einspritzdüse der Spritzgießmaschine
eingebaut wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Treibmittel
in flüssigem oder auch gasförmigem Zustand zudosiert werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den
Einsatz des Sintermetalls die für die Eingasung zur Verfügung stehende
Oberfläche vergrößert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die
Ringspaltströmung um den Torpedo das Oberfläche/Volumen-Verhältnis weiter
verbessert und die Diffusionswege des Treibmittels im Polymer entscheidend
verkürzt werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion
des Treibmittels sowohl in der Dosier- als auch in der Einspritzphase erfolgen
kann.
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DE1998153021 DE19853021B4 (de) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile durch Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen Spritzgießmaschine |
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