-
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von i'ormtei-
-
len mit geschlossener Ilaut und zelligem Kern aus treibmittelhaltigen
Thernoplasten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Formteilen mit geschlossener Haut und zelligem Kern aus treibmittelhaltigen
Dllermoplasten.
-
-Die Herstellung von Pormteilen aus schaumfähigen Thermoplasten erfolgt
im allgemeinen auf speziellen Schaumspritzgießmaschinen. Zur Erzielung einer zelligen
Struktur der Formteile wird den Thermoplasten ein Treibmittel zugesetzt, das sich
unter definierten Temperatur- und Druckbedingungen zersetzt und dabei aufschäumt.
Der Druck in der Spritzeinheit liegt so hoch, daß ein Aufschäumen der Schmelze nicht
eintritt. Erst nach dem Einspritzen der über die Zersetzungstemperatur des Treibmittels
erhitzten Schmelze in den Werkzeughohlraum wird der Druck so weit abgebaut, daß
ein Aufschäumen eintritt. Da der Schäumvorgang sofort bei Eintritt der Schmelze
in die Form beginnt, treten trotz des gekühlten Werkzeuges an den Pließfronten Schaumbildungen
auf, die zu einer rauhen, schlierigen und unsauberen Oberfläche des Formteiles füIen.
-
Um diesen Nachteil auszuschließen und Formteile mit einer geschlossenen
Außenhaut von guter Qualität zu erhalten, wurde bereits vorgeschlagen, den Werkzeughohlraum
vor dem Einspritzen der Schmele mit einem Druckmedium zu beaufschlagen,
dessen
Druck über dem Blähdruck des Treibmittels liegt. Die treibmittelhaltige Schmelze
wird dabei gegen den Druck des Mediums in den Werkzeughohlraum eingespritzt bis
dieser vollständig gefüllt ist.
-
Dabei viird der itediumdruck konstant gehalten und liach vollzogener
Füllung vollständig abgebaut.
-
Da unter diesen Bedingungen noch kein Blähen des Treibmittels möglich
ist, wird durch ein Wegeventil in der Spritzdüse der Weg zu einem Zusatzzylinder
freigegeben und über diesen Schmelze aus dem Werkzeughohlraum kontrolliert abgesaugt.
-
Durch den so geschaffenen Hohlraum wird erreicht, daß im Inneren des
Formteiles ein Aufschäumen eintritt und den zelligen Kern bildet. Beim folgenden
Spritzzyklus wird, wie beschrieben, zunächst nur ein Teil frischen Materials in
den Werkzeughohlraum gespritzt. Zur völligen Formfüllung wird dann das Material
aus dem Zusatzzylinder vom vorangegangenen Spritzzyklus nachgedrückt und anschließend
zwecks Aufschäumen wieder abgesaugt. Die ständig zwischen Werkzeughohlraum und Zusatzzylinder
pulsierende Schmelze wird sehr bald unbrauchbar und muß verworfen werden.
-
Obwohl durch dieses Verfahren Formteile mit glatter Außenhaut herstellbar
sind, hat es den Nachteil, daß erhebliche Schmelzeanteile verworfen werden müssen,
was ökonomischen Verlust bedeutet. Desweiteren besteht die Gefahr von Durchbrüchen
des nachgespritzten bereits gebrauch ten Iterials, besonders an Ecken und Kanten
des herzustellenden Formteils, wodurch Rauheiten oder Unsauberkeiten in der Formteilhaut
auftreten. Das bedeutet, daß dieses Verfahren auf verhältnismäßig flache und ebene
Formteile beschränkt ist und Ecken oder andere Umlenkstellen vermieden werden müssen.
-
Da besonders bei großen Formteilen ein gleichmäßiges Absaugen von
Schmelze aus dem Kern über lange Fließweg
nicht möglich ist, kennt
es zum Aufbau einer unkontrolliert ungleiclnäßigen Zellstruktur im Formteil, beschränkt
sich das Verfahren insgesamt auf kleine möglichst rotationssymmetrische, flache
Teile. Damit geht aber ein wesentlicher Vorteil des Schaumspritzgusses insgesamt
verloren, der darin besteht, daß insbesondere große und dickwandige Formteile besonders
materialsparend produziert werden und ein geringes Gewicht besitzen.
-
Zur Verbesserung wurde vorgeschlagen, statt der verlorenen Plastschmelze
in den Formteilhohlraum Druckgas einzufüien und durch dessen Sltlastung das kontrollierte
Aufschäumen zu ermöglichen.
-
Auch damit ist einebefriedigende Lösung nicht erreicht worden, denn
auch hier tritt bei großen Formteilen mit langen umgelenkten Fließwegen die Gefahr
des Durchbruches der Fließfront auf, wodurch ein Ausgleich zwischen dem Druck im
Werkzeughohlraum und in dem Formteilhohlraum auftritt, und die Schaumbildung nicht
mehr zu kontrollieren ist.
-
Der Zweck der Erfindung besteht darin, Formteile mit glatter Oberfläche
und einer kontrolliert gleichmäßigen Zellstruktur herzustellen, wobei Materialverluste
ausgeschlossen werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu entwickeln, mit deren Hilfe die Herstellung von Formteilen mit glatter Haut und
kontrolliert gleichmalger Zellstruktur garantiert wird, unabhängig von der Größe,
Wanddicke und Form des gewünschten Formteiles und von der Länge der Pließwege.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die über die
Zersetzungstemperatur des Treibmittels erhitzte treibmittelhaltige Thermoplastschmelze
in den mit Druckmedium beaufschlagten Werkzeugllohlrauln eingespritzt, dabei in
zwei Teilströme getrennt wird und gleichzeitig zwischen die Teilströme ein Medium,
dessen Druck über dem Blähdruck des Treihmittels liegt, gedrückt wird. Das in den
sich bildenden Formteilhohlraum eingeführte Druckmedium drückt dabei die Teilströme,
die sich zu einer Fließfront vereinigen, an beide Innenwände der Form und führt
damit zu einer hohen Abbildegenauigkeit der Kontur und der Oberfläche. Der Druck
des Mediums im Formteilhohlraum ist dabei mindestens gleich oder größer als der
Druck des Mediums im Werkzeughohlraum.
-
Nach Beendigung des Füllvorganges mit einer genau dosierten Schmelzemenge
wird die Zufuhr beider Schmelzeteilströme unterbunden, der Werkzeughohlraum völlig
druckentlastet und nach einer Randzonenkühlzeit der Formteilhohlraum schlagartig
oder kontrolliert ebenfalls druckentlastet, wodurch die Schmelze nach innen aufschäumt.
-
Vorteilhaft wird das Verfahren so durchgeführt, daß Werkzeughohlraum
und Formteilhohlraum mit dem gleichen Druckmedium beaufschlagt werden und über eine
notwendige Druck-und Steuerstation direkt verbunden werden. Zur Versiegelung des
Angusses mit einer ungeschäumten Randschicht wird nach dem Aufschäumen des Pormteilkernes
und dem Zurückholen der sonst in den Werkzeughohlraum eintauchenden Spritzdüse Plastschmelze
unter Druck nachgespritzt, wodurch ein angußloses Formteil mit einwandfreier Oberfläche
entsteht.
-
Das dem Formteilhohiraum zuzuführende Druckmedium muß stets über die
Zersetzungstemperatur des Treibmittels temperiert sein, weswegen die Vorschaltung
einer Heizstrecke vorgeschlagen wird.
-
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens derart, daß eine an dem Werkzeug anliegende Spritzdüse mit ihrer
Stirnseite eine Ebene mit der Werk-zeuginnenwand bildet, in der Spritzdüse ein Düsenkolben
axial verschiebbar gelagert ist, der in geschlossener Stellung mit der Spritzdüse
in einer Ebene liegt und der Düsenkolben zur öffnung der Spritzdüse in den Werkzeughohlraum
eingefahren wird.
-
Der Düsenkolben besitzt an seiner Stirnseite einen koaxialen Schmelzekanal
und in vorderen Bereich weitere radiale Schmelzekanäle, die mit einem gemeinsamen
Schmelzesammelraum verbunden sind. Zwischen dem koaxialen Schmelzekanal und den
radialen Schmelzekanälen besitzt der Düsenkolben eine Ringnut, die durch Bohrungen,
einen Ringkanal und einer beheizbaren Zuleitung zur Zu- und Abfuhr von Druckmedium
verbunden ist.
-
Im Düsenkolben ist weiterhin koaxial eine Düsennadel axial verschiebbar
gelagert, die zum Verschluß des koaxialen Schmelzekanales dient. Zur getrennten
Steuerung der Düsennadel trägt diese an ihrem entgegengesetzten Ende einen Kolben,
der in dem im Düsenkolben angeordneten Zylinder geführt ist. Der Kolben. ist in
Schließrichtung durch eine Druckfeder belastet, der in anderer Richtung die Möglichkeit
der Beaufschlagung durch Druckmedium zum Öffnen entgegenwirkt. Dadurch kann die
Düsennadel, unabhängig von der Stellung des Düsenkolbens, verstellt werden.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch
die spezielle Gestaltung der Spritzdüse neue Verfahrensschritte zur Herstellung
von Formteilen mit glatter Außenhaut und geschäumtem Kern nach dem Niederdruckverfahren
möglich sind, bei denen unter Anwendung beliebig langer Fließweg jede gewünschte
Dichte und eine
gleichmäßig verteilte Zellstruktur des geschäwnten
Kernes erreichbar ist. Weiterhin werden durch das erfindungsgemäße Verfahren jegliche
Materialverluste an Plastmaterial vermieden, insbesondere durch die Herstellung
eines angußfreien Fornteiles.
-
Durch das Verfahren und die Vorrichtung rird weiter erreicht, daß
mit niedrigstem materiellen Aufwand auch bei beliebig langen Einspritzzeiten For
eile mit geschäumtem Kern und glatter Außenhaut herstellbar sind, und das Verfahren
mit konventionellen Spritzgießmaschinen realisiert werden kann.
-
Die Erfindung soll nachstehend an einen Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
-
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: die Seitenansicht im
Schnitt Fig. 2 bis 8: den Verfahrensablauf für einen Spritzzyklus Ein mit einem
Spritzkolben 2 versehener Spritzzylinder 1 trägt an seinem Austragsende eine Spritzdüse
6, in der ein Düsenkolben 7 axial verschiebbar gelagert ist und mittels eines Schiebegelenkes
10 durch einen Arbeitszylinder 11 bewegt werden kann.
-
Der Düsenkolben 7 besitzt an seiner Stirnfläche einen koaxial angeordneten
Schmelzekanal 8 und in seinem vorderen Bereich radiale Schmelzekanäle 9, die über
einen gemeinsamen Schmelzesarniiielraum 22 und über den Schmelze kanal 21 mit dem
Schmelzeraum des Spritzzylinders 1 in Verbindung stehen. Zwischen der Stirnfläche
des Düsenkolbens 7 und den radialen Schmelzekanälen 9 ist eine
Ringnut
29 vorgesehen, die über Bohrungen 28 des Düsenkolbens 7, Ringkanal 27 und Druckmediumleitung
24, die mittels des Heizkörpers 26 temperiert werden kann, mit einer Druck- und
Steuerstation 25 verbunden ist.
-
Der Düsenkolben 7 ist an der dem Spritzzylinder 1 zugekehrten Seite
gleichzeitig als Zylinder 15 ausgebildet, der einen Kolben 14 aufnimmt. Der Kolben
14 ist an der Düsennadel 12 befestigt und wird einerseits ständig durch eine Druckfeder
16 beaufschlagt, wodurch die Düsennadel 12 axial in Richtung Düsenspitze verschoben
wird und den koaxialen Schmelzekanal 8 im Dusenkolben 7 verschließt.
-
Andererseits kann der Kolben 14 beliebig durch ein Druckmittel, das
über die Druckleitung 20, über den Ringkanal 19 und die Bohrung 18 dem Zylinderraum
17 zugeführt wird, beaufschlagt werden, wodurch die Düsennadel 12 den koaxialen
Schmelzekanal 8 freigibt. Die Druckleitung 20 ist mit einer nicht dargestellten
Druckstation verbunden. Mittels eines schmelzedurchlässigen Stützringes 13 wird
die Düsennadel 12 im Schmelzesammelraum geführt.
-
Im Arbeitszustand ist die Spritzdüse 6 an das an den Werkzeugaufspamiplatten
3 befestigte Werkzeug 4 angefahren.
-
Dabei greift die Spritzdüse 6 in die Werkzeugwand der spritzseitigen
Werkzeughälfte so weit ein, daß deren Stirnfläche mit der Wandung des Werkzeughohlraumes
5 plan liegt. Auch die Stirnfläche des Düsenkolbens 7 und der Düsennadel 12 liegen
bei Beginn eines Spritzzyklusses mit der Werkzeuginnenwand plan. Zur Beaufschlagung
des Werkzeughohlraumes 5 mit Druckmedium ist dieser über eine Leitung 23 mit der
Druck- und Steuerstation 25 und darüber wieder mit der Druckmediumleitung 24 und
dem Dusenkolben 7 verbunden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt, was die
Figuren 2 bis 8 prinzipell veranschaulichen sollen: In einen Spritzzylinder 1 befindet
sich eine homogene, mit Treibmittel versetzte Plastschmelze mit einer Temperatur,
die über der Zersetzungstemperatur des Treibmittels liegt, unter einem Druck, der
größer ist als der Blähdruck des Treibmittels PT.
-
Nach dem Anfahren des Spritzzylinders 1 mit geschlossener Spritzdüse
6 an das geschlossene Werkzeug 4 wird der Werkzeugnohiraum 5 über die Druckmediumleitung
23 durch die Druck- und Steuerstation 25 mit Druclsmedium beaufschlagt, wobei der
Ijediumdruck P1 im Werkzeughohlraum 5 über dem Blähdruck des Treibmittels PT liegen
muß.
-
-Durch Beaufschlagung des Zylinderraumes 17 mit Druckmittel über die
Zuführungen 18, 19, 20 wirkt der Kolben 14 dem Druck der Feder 16 entgegen und öffnet
damit über die Düsennadel 12 den koaxialen Schmelzekanal 8 in der Stirnfläche des
Düsenkolbens 7. Mittels des Spritz-kolbens 2 wird ein Schmelzepfropfen über den
Scbmelzekanal 21 und den Schmelzesammelraum 22 durch den koaxialen Schmelzekanal
8 in den Werkzeughohlraum 5 gepreßt, wobei der Spritzdruck p3 höher als der Druck
des Mediums Pl im Werkzeughohlraum 5 ist.
-
Damit ergibt sich für die erste Verfahrens stufe gemäß Fig. 2 folgende
Aussage hinsichtlich der einzelnen Brücke P3> P1 > PT> P2 = ° Durch Betätigung
des Arbeitszylinders 11 wird über das Schiebegelenk 10 der Düsenkolben 7 anschließend
in den Werkzeughohlraum 5 geschoben, so daß die radialen Schmelze
kanäle
9 geöffnet werden und Schmelze nun auch radial in den Werkzeughohlraum 5 fließt
(Fig. 3). Die Druck verhältnisse bleiben dabei unverändert.
-
Ist so viel Schmelze im Werkzeughohlraum 5, daß sich die Teilströme
vereinigt haben (Fig. 4), wird über die Druck-und Steuerstation 25 auch die Leitung
24 mit Druckmedium beaufschlagt, so daß dieses über den Ringkanal 27 und die Bohrungen
28 zur Ringnut 29 gedrückt wird und den Formteilhohlraum 30 ausfüllt. Die Druck-
und Steuerstation 25 schließt dabei die Leitungen 23 und 24 kurz und sorgt dafür,
daß die Drücke P1 im Werkzeughohlraum 5 und P2 im Formteilhohlraum 30 gleichgroß
sind. Im gleichen Maße wie das Druckmedium aus dem Werkzeughohlraum 5 durch die
eindringende Schmelze verdrängt wird, strömt es in den Formteilhohlraum 30 nach.
Mit Hilfe der Heizung 26 wird die Temperatur des in den Formteilhohlraum 30 fließenden
Druckmediums stets auf einem über der Zersetzungstemperatur des Treibmittels liegenden
Fiiveau gehalten. Die Mediumdrücke Pl und p2 liegen unter dem Spritzdruck p3, aber
über dem Blähdruck PT des in der Schmelze befindlichen Treibmittels, so daß sich
für den Verfahrensschritt gemäß Fig. 4 folgende Druckverhältnisse ergeben: »3 >
p2> pi> PT > ° Auf diese Weise entsteht eine geschlossene nichtschäumende
Schmelzefront, die sich schließlich an die gesamte Werkzeugwand anliegt. Die Schmelzemenge
ist so dosiert, daß nach dem Aufschäumen der ganze Werkzeughohlraum 5 ausgefüllt
wird, ohne eine Überdosierung vorzunehmen. Hat sich die Schmelzefront an die gesamte
Werkzeugwand angelegt, ist der Einspritzvorgang beendet.
-
Der Düsenkolben 7 wird mittels des Arbeitszylinders 11 so veit surückgezogren,
daß sich die radialen Schmelze kanäle 9 schließen (Fig. 5), und der koaxiale Schmelzekanal
3 wird durch die Kraft der Druckfeder 16 mittels der Düsennadel 12 ebenfalls geschlossen.
Durch Kühlung des Werkzeuges 4 wird die Temperatur der Schmelzefront in der an der
Werkzeugwand anliegenden Zone unter die Zersetzungstemperatur des Treibmittels gesenkt,
wodurch eine geschlossene Haut des Formteiles mit einer einwandfreien Oberfläche
entsteht. Der Mediumdruck Pl wird dabei noch aufrechterhalten, so daß für den Verfahrensschritt
gemäß Fig. 5 folgende Druckverhältnisse auftreten: # p1 > pT > p3 = 0 Erst
wem sich die geschlossene Haut der Schmelze in ausreichender Dicke gebildet hat,
entlastet die Druck- und Steuerstation 25 die Leitung 23 vom Mediumdruck p1 und
regelt das Aufschäumen des Kernes des formteiles durch langsame der schlavartige
Entlastung des Formteilhohlraumes 30 vom Mediumdruck P2. Das Druckmedium wird dabei
durch den Blähdruck pT des Treibmittels über die Ringnut 29 und das Kanalsystem
28, 27, 24 in die Druck- und Steuerstation 25 zurückgedrückt, bzw. kann es bis auf
Unterdruck abgesaugt werden (Fig. G).
-
pT > p1 = p3 = 0# Befindet sich kein Druckmedium mehr im nunmehr
ausgeschäumten Formteilhohlraum 30, wird der Düsenkolben 7 mittels Arbeitszylinder
11 vollkommen aus dem Werkzeug 4 herausgezogen, der radiale Schmelzkanal 9 mittels
Düsennadel 12 geöffnet und der freigewordene Formteilhohlraum
30
mit Schmelze gefüllt, wobei diese nicht mehr aufschäumt, sondern zu einer geschlossenen
Haut erstarrt (Fig. 7). Folgende Druckverhältnisse zeichnen hierfür: p3 > pT
> p1 = p2 = 0 Kachdem das so hergestellte Formteil völlig abgekühlt wurde und
zur Formstabilität erstarrt ist, kann es, wie in 1ig. 8 dargestellt, aus der geöffneten
Form entnommen werden und der Spritzzyklus beginnt von neuem (p1 = P2 = p3 = 0).
-
L e e r s e i t e