DE2856580A1

DE2856580A1 - Herstellungsverfahren von technischen teilen mit belastungsgerechten strukturen aus thermoplastischen polymeren werkstoffen

Info

Publication number: DE2856580A1
Application number: DE19782856580
Authority: DE
Inventors: Gerhart Dipl Ing Arnold
Original assignee: ARNOLD GERHART
Current assignee: Cavity GmbH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2856580C2

Description

Beschreibung der Erfindung zur Patentanmeldung
Herstellungsverfahren von technischen Teilen mit belastungsgerechten Strukturen aus thermoplastischen polymeren Werkstoffen Die Erfindung betrifft das Herstellen von technischen Teilen mit höheren Festigkeiten, als sie bisher im Spritzgießen, Extrudieren, Gießen oder anderen Herstellverfahren erreicht werden. Die höheren Festigkeiten werden dadurch erreicht, daß durch Druckverstrecken von gespritzten Vorformlingen entweder direkt in der Herstellmaschine, z.B. Spritzgießmaschine, oder von gespritzten, extrudierten, gegossenen oder warmumgeformten Vorformlingen in einem separaten Werkzeug hohe mittlere Orientierungen in das Teil eingebracht werden.
Diese Verstreckungsmaßnahmen sollen, unabhängig davon, um welche spezielle Durchführungsart es sich handelt, im folgenden als "Druckverstrecken" bezeichnet werden.
Die Verstreckungen sollen vorwiegend an teilkristallinen Plastomeren vorgenommen werden, weil erfahrungsgemäß bei ihnen die Wirkung hinsichtlich der Festigkeitserhöhung am besten ist.
Die Erfindung beschäftigt sich im besonderen damit, bei technischen Teilen speziell beanspruchte Bereiche, z.B. bei Zahnrädern, die Zähne des Zahnrades durch Druckverstrecken auszubilden. Das Problem, höhere Festigkeit speziell an stark beanspruchten Bereichen zu erhalten, wird durch diese Erfindung dadurch gelöst, daß an solchen Bereichen extrem hohe Orientierungen in das Teil eingebracht werden. Das Problem, Kunststoffteile an besonders beanspruchten Bereichen zu verstärken, wird bisher dadurch gelöst, daß solche Teile in Verbundbauweise aufgebaut sind, bzw. durch Zugabe von Verstärkungsmaterialien, wie z.B. Glasfasern oder Aluminium in ihren Festigkeiten gegenüber herkömmlichen Kunststoffteilen verbessert werden.
Stand der Technik Bei der Herstellung von dreidimensionalen Teilen, wie z.B.
Spritzgießen, Extrudieren, Gießen, Warmumformen usw., wird heute versucht, bei allen Verarbeitungsverfahren maximale Isotropie des Materials zu erreichen.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden bewußt anisotrope Strukturen hergestellt, die für den späteren Belastungsfall günstig sind.
Es besteht bei diesem Verfahren eine Analogie zum Verstrecken von Fasern und Folien. Die erhöhten Festigkeiten in Verstreckrichtung werden bei Fasern und Folien dabei auf die beim Verstrecken eingebrachten Orientierungen der Makromoleküle durch Einwirkung von äußeren Zugkräften zurückgeführt. Dementsprechend handelt es sich bei dem vorliegenden Prozeß um ein Verstrecken durch äußere Druckkräfte, wodurch beispielsweise ein partielles Verstrecken von Bereichen, die später höheren Belastungen ausgesetzt werden sollen, erreicht wird.
Es besteht auch ein prinzipieller Unterschied zum sogenannten Spritzprägen und dem hier beschriebenen Druckverstreckverfahren.
Während beim Spritzprägen die Schmelze nur zum Zwecke der Schwindungskompensation komprimiert wird, wird bei diesem Verfahren ein gerichtetes Fließen in neu geöffnete Formhöhlungen zur Orientierungsaubildung vorgenommen. Der Effekt der wünschenswerten Schwindungskompensation fällt dabei als Nebenergebnis ab.
Das beschriebene Verfahren unterscheidet sich auch vom selten angewendeten Kaltumformprozeß dadurch, daß bei unserem Verfahren systematisch eine Strukturausbildung bei einer bestimmten für das Verstrecken optimalen Temperatur angestrebt wird, während sie beim Kaltumformprozeß vermieden wird.
Erprobte Arten der Druckverstreckung und gemessene Eigenschaften 1. Druckverstrecken von extrudierten Stangenabschnitten In diesem Fall wurde von einem extrudierten Vorformling ausgegangen. Dieser Vorformling wurde durch gezielte Druckeinwirkung und andere Verarbeitungsparameter zu einem Kegel verstreckt (siehe Abb. 1).
Bei einem Kegel, der in Bild 1 schematisch gezeigt ist, liegen die Orientierungen in Schichten vor, die der Kontur des Werkzeugs folgen. In Bild 2 ist dies schematisch dargestellt, wobei die Pfeile biaxiale Schichten markieren sollen. Diese orientierten Schichten weisen eine erheblich größere Tiefe auf, als das z.B. bei den orientierten Außenzonen von Spritzgießteilen der Fall ist, nehmen aber nach innen in ihrem Orientierungsgrad ab. Dies wird durch die kleiner werdende Länge der Pfeile angezeigt.
Die durchgeführten Eigenschaftsuntersuchungen weisen deutlch darauf hin, daß die durch das Verstrecken bewußt eingebrachten Orientierungen das Eigenschaftsniveau dieser Teile maßgebend beeinflussen. So konnte z.B. beobachtet werden, daß das Reibverhalten und die Chemikalienbeständigkeit von verstreckten Teilen gegenüber nicht verstreckten,xextrudierten Proben wesentlich verbessert werden konnte. Ach bei Schlagzähigkeitsuntersuchungen konnte eine deutliche Verbesserung von verstreckten Teilen beobachtet werden (siehe Abbildung 3).
2. Druckverstrecken von spritzgegossenen Vorformlingen im Spritzgieß-Verstreck-Werkzeug In einem Spezialwerkzeug sind Verstreckungen von sich in der Abkühlphase befindlichen gespritzten Vorformlingen durchgeführt worden (siehe Abbildung 4). Dabei wird in einem Spritzgieß-Verstreck-Werkzeug der gespritzte Vorformling (Abb. 4a) während seiner Abkühlung zu der endgültigen Form (Abb. 4b) preßgereckt.
Eigenschaftsuntersuchungen an diesen verstreckten Teilen zeigen eine Verbesserung des E-Moduls und andere Festigkeitseigenschaften, wie z.B. Härte.
Die Wärmeformbeständigkeit solcher verstreckter Teile wird durch entsprechende Fixierprozesse beeinflußt.
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Claims

Patentansprüche zur Anmeldung mit dem Titel: HERSTELLVERFAHREN VON TECHNISCHEN TEILEN MIT BELASTUNGSGERECHTEN STRUKTUREN AUS THERMOPLASTISCH POLYMEREN WERKSTOFFEN Hauptanspruch: 1. ) Das Verfahren ist gekennzeichnet durch einen Strukturbildungsprozeß, der im Formwerkzeug durch spezielle Druckumformung während des Abkühlens nach der Urformung oder Umformung oder in einem getrennten Arbeitsprozeß vorgenommen wird, wobei neben den gewünschten Außenkonturen gleichzeitig Molektilorientierungen entstehen, die die Eigenschaften der Teile wesentlich verbessern.

Unteransprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Teilen mit belastungsgerechten Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß von extrudiertem, gegossenem oder gespritztem Halbzeug ausgegangen werden kann, wobei die Höhe der angestrebten Orientierungen durch die Verstreckung, den Verstreckgeschwindigkeiten und den Verfahrenstemperaturen festgelegt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Teilen mit belastungsgerechten Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß von spritzgegossenen oder geschleuderten Vorformlingen ausgegangen wird. Die Strukturumbildung geschieht dabei zu einem bestimmten, optimalen Temperaturwert, den der Vorformling noch während seiner Abkühlphase durchläuft.
3. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die im Spritzgießprozeß erforderlichen Nachdruckzeiten, die zum Kompensieren der Schwindung notwendig sind, durch den zusätzlich aufgebrachten Umformungsdruck bei tiefen Werkzeugtemperaturen verkürzt werden.
4. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturumbildung, abhängig von den Einsatzbedingungen der Te le, partiell oder vollständig vorgenommen werden können.
5. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teile mit belastungsgerechten Strukturen durch einen Fixierprozeß, entweder direkt bei der Herstellung oder gesondert durchgeführt, eine je nach Einsatzgebiet gewünschte Ma#-beständigkeit bei höheren Temperaturen erhält,
6. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Verstreckwerkzeug gearbeitet werden kann, bei dem je nach der Herstellung des Vorformlings Formöffnungen geöffnet werden, in die der Vorformling durch zusätzliche Maßnahmen die einen Druckaufbau in seinem Inneren bewirken und somit ein Fließen mit Molekülorientierungen hervorrufen, hinein verstreckt wird.
7. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verstrecken zu einem beliebigen, je nach Teil einstellbaren Zeitpunkt durchgeführt werden kann und man somit in den Prozeß der Ausbildung der Oberstrukturen Eingriff nehmen kann.
8. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung belastungsgerechter Teile herkömmliche Ur-oder Umformmaschinen verwendet werden können, wobei die Drücke für den Strukturumbildungsprozeß von der Hydraulik bzw. den Kniehebeln der Maschine aufgebracht wird.