DE4107276C2 - Spritzgießverfahren für Formteile mit verbesserter Bindenahtfestigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Spritzgießteilen mit mindestens einer Bindenaht unter Verwendung von mindestens zwei Schnecken-Plastifizier­ aggregaten und mindestens zwei unterschiedlichen Kunst­ stoffen, die mit den Plastifizieraggregaten aufge­ schmolzen werden und in ein Formwerkzeug eingespritzt werden.

Hintergrund der Erfindung ist es, durch Realisierung von Kombinationen unterschiedlicher Kunststoffe neue Ein­ satzgebiete für Spritzgießformteile zu erschließen. Eine Kombination unterschiedlicher Kunststoffe ist insbeson­ dere auf den Gebieten notwendig, auf denen ein Kunst­ stoffteil an verschiedenen Orten unterschiedlichen Be­ lastungen standhalten muß. So ist es z. B. bei Stoßfän­ gern an Kraftfahrzeugen wünschenswert, den unteren Teil des Stoßfängers zur Vermeidung von Schäden beim Auffah­ ren auf Hindernisse durch einen relativ weichen Kunst­ stoff nachgiebig zu gestalten, während im oberen Bereich ein Werkstoff mit hoher Festigkeit verwendet wird, der den Aufprallkräften standzuhalten vermag. Solche Anfor­ derungen können bisher nur durch die nachträgliche Verbindung von aus verschiedenen Werkstoffen separat hergestellten Einzelteilen, mittels einer formschlüs­ sigen Verbindung, beispielsweise einer Nut-Feder-Ver­ bindung, oder durch Varianten des Zweifarben-Spritzgieß­ verfahrens, d. h. durch ein erneutes Anspritzen weiterer Formmassen an den bereits erstarrten Teil des Fertig­ teils erfüllt werden.

Maschinen und Verfahren für das Mehrkomponenten-Spritz­ gießen mit zwei oder drei unabhängig voneinander steuer­ baren Spritzgießeinheiten, die auf ein Werkzeug arbei­ ten, sind bekannt. So wird beispielsweise in der EP- 02 05 710-A2 eine Spritzgießmaschine mit mehreren Plastifizieraggregaten beschrieben. In der genannten Schrift wird jedoch nur beschrieben, wie die Eigenschaft der Vorrichtung dazu verwendet werden kann, eine Binde­ naht von Schwachstellen des Formteils an Orte zu be­ wegen, an denen sie sich weniger störend bemerkbar macht. Die Festigkeit der Verbindung selbst bleibt un­ verändert.

Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE- 38 33 975-A1 ein Verfahren bekannt, das der Erzeugung einer Krümmung der Bindenaht über ihre Höhe für flüssig­ kristalline Kunststoffe dient. Das Verfahren wird mit­ tels einer einzigen Plastifiziereinheit allein durch die Variation einer oder mehrerer Formteil-Einspritzöffnun­ gen durchgeführt. Es beruht darauf, daß die noch flüs­ sige Seele des Kunststoffes zu einer Seite gepreßt wird, nachdem sich die Fließfronten bereits berührt haben. Bei diesem Verfahren kann nur jeweils ein Kunststoff verar­ beitet werden. Zum anderen setzt die Variation der Form­ teil-Einspritzöffnungen eine relativ aufwendige Werk­ zeuggestaltung voraus, die die Anwendung des Verfahrens bei komplexer Formteilgeometrie und Artikeln mit großen Wanddickenunterschieden erschwert. Weiterhin läßt sich dieses Verfahren bei geringen Formteilwanddicken nur er­ schwert durchführen, da es bei geringen Wanddicken be­ reits kurz nach dem vollständigen Füllen der Formteil­ wand zu einer Erstarrung des eingespritzten Kunststoffes über den gesamten Formquerschnitt kommt. Maßnahmen zur Reduzierung der Erstarrungsgeschwindigkeit wie Erhöhung der Massetemperatur oder Werkzeugtemperatur sind zum einen nur innerhalb eines begrenzten Rahmens sinnvoll und wirken zum anderen verlängernd auf die Zykluszeit. Drittens ist das Verfahren aufgrund der Arbeitsschritte, die erst erfolgen, nachdem sich die Fließfronten des flüssigkristallinen Kunststoffes bereits berührt haben, für die Produktion von Spritzgießteilen in schneller Taktfolge ungeeignet.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, mit dem Formteile aus unterschiedlichen Kunststoffen in einem Fertigungsschritt hergestellt werden können. Ins­ besondere sollte mit Hilfe des Verfahrens die Festigkeit der Verbindungszone der Kunststoffe verbessert werden.

Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die Kunststoffe durch die Erzeugung von im Moment des Zusammentreffens der Fließfronten der Schmelzenströme entgegengesetzt gerichteten und unterschiedlichen Betrag aufweisenden Fließfrontgeschwindigkeiten an der Stelle des Zusammen­ treffens unter Beibehaltung der außen sichtbaren Binde­ naht zur Überlappung gebracht werden, wobei eine Überlappungs­ länge erzeugt wird, die größer als die Wanddicke des Spritzgießteiles ist.

Durch die Erzeugung einer Überlappungslänge, die größer als die Wanddicke des Spritzgießteiles ist, bevorzugt größer als das doppelte, besonders bevorzugt größer als das Vierfache, insbesondere bevorzugt größer als das Zehnfache der Wanddicke, wird eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung erreicht.

Eine besondere Durchführungsform des Verfahrens ist da­ durch gekennzeichnet, daß der Ort des Zusammentreffens der Schmelzströme und deren Fließfrontgeschwindigkeiten durch Anpassung der Massevolumina und/oder durch Steue­ rung der Einspritzgeschwindigkeiten in das Werkzeug über die Steuerung der Vorlaufgeschwindigkeiten der Plastifi­ zierschnecken eingestellt werden.

In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des Ver­ fahrens werden die Viskositäten der verwendeten Kunst­ stoffe voneinander abweichend eingestellt.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren lassen sich unter Durchführung des neuen Verfahrens hohe Bindenaht­ festigkeiten erzielen. Insbesondere wird eine Überlap­ pung der beiden Kunststoffe bereits durch die geeignete Einstellung der Einspritzbedingungen erreicht. Es ent­ fällt die Notwendigkeit, in einem weiteren Arbeits­ schritt die noch flüssige Seele des Kunststoffes in eine gewünschte Richtung zu bewegen. Die Spritzgießbedingun­ gen und Möglichkeiten zu ihrer Steuerung sind dem Fach­ mann auf dem Gebiet geläufig. Sie bestehen im wesentli­ chen aus der Vorgabe des Massevolumens, der Massetempe­ ratur- und -viskosität, der Einspritzgeschwindigkeit, sowie des Umschaltpunktes von Spritzdruck auf Nachdruck und der Nachdruckbedingungen selbst. Insbesondere ist bekannt, über die Steuerung der Vorlaufgeschwindigkeiten der Plastifizierschnecken die Einspritzgeschwindigkeiten und damit die Fließfrontgeschwindigkeiten der Schmelz­ ströme zu beeinflussen. Da die Fließfrontgeschwindig­ keiten von den gewählten Kunststoffen, den Temperaturen und den Fließquerschnitten des Werkzeuges abhängen, las­ sen sich die Einspritzbedingungen nicht allgemein gültig darstellen. Es liegt jedoch im Rahmen des Könnens des normalen Fachmannes auf dem Gebiet, durch einige Ver­ suche die geeigneten Einspritzparameter zu finden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 senkrechter Schnitt durch eine Bindenaht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird so ausgeführt, daß die zu verbindenen plastifizierbaren Werkstoffe zunächst in getrennten Einheiten plastifiziert werden, deren Be­ triebsparameter (s. u.) unabhängig voneinander einstell­ bar sind.

Diese Plastifiziereinheiten stellen in der Regel übliche Schneckenkolbenaggregate mit einstellbaren Heizzonen im Bereich von Zylinder und Düse, mit einstellbarer Schnec­ kendrehzahl, mit einstellbarem Einspritzdruck, einstell­ barer Einspritzgeschwindigkeit bzw. einstellbaren Ein­ spritzgeschwindigkeitsprofil, während des Plastifi­ ziervorganges regulierbarem Staudruck und mit veränder­ barem Nachdruck dar.

Um den erfindungsgemäßen Effekt, nämlich das Aufeinandertreffen und die innige Verbindung der Schmelzeströme an einer vorher festgelegten Stelle im Werkzeughohlraum zu er­ reichen, bedarf es der getrennten Schmelzezuführung in die Bereiche der Werkzeugkavität, die für den jeweiligen Werkstoff mit dem entsprechenden Eigenschaftsbild vorge­ sehen sind.

Dazu können die Schmelzeströme, z. B. von den Düsen der nebeneinanderliegenden Plastifiziereinheiten über ge­ trennte Durchbrüche der düsenseitigen Werkzeugaufspann­ platte der Spritzgießmaschine und entsprechend positio­ nierte Werkzeugangußöffnungen in die vorgesehenen Be­ reiche des Werkzeughohlraumes geleitet werden. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend vorgeschrieben.

Die Plastifiziereinheiten können auch übereinander oder in jedem beliebigen horizontalen oder vertikalen Winkel zueinander angeordnet sein. Es ist durch entsprechende Anordnungen der Plastifiziereinheiten auch möglich, die Zuführung eines oder mehrerer Schmelzeströme in den Werkzeughohlraum über die Werkzeugtrennebene vorzuneh­ men.

Grundsätzlich ist es ebenfalls möglich, die aus ver­ schiedenen Plastifizieraggregaten kommenden Schmelze­ ströme über eine gemeinsame Düse in den Werkzeughohlraum zu führen.

Dazu ist es allerdings erforderlich, die Schmelzeströme in der Düse, z. B. durch konzentrisch angeordnete Ring­ kanäle oder durch nebeneinander bzw. übereinander in Form eines Düsenblocks zusammengefaßter Schmelzefüh­ rungskanäle beliebiger Querschnittsform zu trennen und in dazu passende Angußöffnungen des Werkzeuges an die jeweils gewünschte Stelle des Werkzeughohlraumes zu leiten.

Ein Durchströmen von Werkzeughohlraum-, Angußöffnungen und Schneckenvorraum der Plastifiziereinheiten durch wechselseitige Druckbeaufschlagung der noch nicht er­ starrten Schmelze ist im Sinne der Erfindung uner­ wünscht, da dadurch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Verbindungslinien von Schmelzeströmen aus verschiedenen Werkstoffen erschwert bzw. unterbunden wird.

Im Werkzeughohlraum werden die über getrennte Anguß­ öffnungen eingeleiteten Schmelzeströme über separate Verteilerkanäle an den für den jeweiligen Werkstoff vor­ gesehenen Formteilbereich herangeführt und dort über geometrisch an sich beliebig, jedoch kunststoffgerecht gestaltete Anschnitte in den Hohlraum eingespritzt.

Im Sinne der Erfindung ist es zweckmäßig, die Fließ­ fronten der Schmelzeströme möglichst gegenläufig auf­ einander zuzuleiten. Die Verzahnung der Fließfronten wird durch Auswahl von dem Viskositäts- und Fließverhalten der zu verbindenden Werkstoffe ange­ paßten Fließfrontgeschwindigkeiten und Nachdruckbe­ dingungen erreicht.

Der besondere Vorteil besteht darin, daß das keilförmige Überlappen und Ineinanderdringen der Fließfronten in weiten Grenzen durch verschiedene Fließfrontgeschwin­ digkeiten und Nachdruckwerte variiert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann die Verbindungs­ festigkeit der verschiedenen Werkstoffe entscheidend verbessert werden. Wesentlich ist dabei, daß die Fließ­ fronten der zu verbindenden Werkstoffe in schmelzflüs­ siger, verbindungsfähiger Form aufeinandertreffen müssen. Daher ist im Sinne der Erfindung eine möglichst simultane bzw. zeitlich kurz versetzte Formfüllung durch die unter Druck in den Werkzeughohlraum einströmenden Werkstoffe erforderlich.

Die Prüfung der in den Beispielen (s. Tabelle 1) genann­ ten Reißfestigkeiten erfolgte an Schulterstäben im Zug­ versuch nach DIN 53 455 mit einer Vorschubgeschwindig­ keit von 50 mm/min unter Normklimabedingungen bei 23° und 50% rel. Feuchte.

Die Schulterstäbe wurden aus ebenen Platten der Abmes­ sung 600×300×3,5 mm längs zur Fließrichtung ent­ nommen.

Dazu wurden die Prüfkörper jeweils aus dem Bereich der Werkstoffe A und B sowie aus dem Durchdringungsbereich (Überlappung l_ü) beider Werkstoffe spangebend herausge­ arbeitet.

Die Herstellung der Platten erfolgte im Spritzgießver­ fahren mit einer Schneckenkolben-Spritzgießmaschine mit zwei unabhängig voneinander regelbaren Plastifizierein­ heiten und einer Zuhaltekraft von 10 500 KN.

Beide Plastifiziereinheiten waren mit Standard-Drei­ zonenschnecken von 85 mm Durchmessern und 20 D Schneckenlänge sowie mit Rückströmsperren ausgerüstet.

Das Plattenwerkzeug wurde von beiden Plastifizierein­ heiten jeweils an den Schmalseiten der Platten über separate Angußsysteme gegenläufig gefüllt.

Die Ausbildung der durch gegenläufiges Aufeinandertref­ fen der Schmelzefronten entstehenden Bindenaht 1 und deren Überlappungsbereich l_ü konnte durch unterschied­ liche Einspritzbedingungen der beiden Plastifizier­ einheiten variiert werden.

Für die in Tabelle 1 genannten Beispiele sind die Ein­ spritzbedingungen durch den Wert ve = Einspritzgeschwin­ digkeit in mm/s charakterisiert.

Bei dem genannten Wert l_ü = Überlappungslänge in mm han­ delt es sich gemäß Fig. 1 um den halben Wert der unter den jeweligen Einspritzbedingungen in Form einer Schäf­ tung entstehenden Bindenahtverzahnungslänge. Die Wand­ dicke s der Prüfstäbe betrug 3,5 mm. Die Werte mit den Indexen A bzw. B beziehen sich auf den jeweiligen Werk­ stoff oder auf das Plastifizieraggregat, mit dessen Hilfe der Werkstoff verarbeitet wurde.

Bei den ersten Werkstoffkombinationen wurde die unter­ schiedliche Viskosität zum Einstellen der Überlappungs­ länge l_ü verwendet. Die drei weiteren Beispiele belegen die wachsende Reißfestigkeit der Verbindungszone mit größer werdender Überlappungslänge. Die Reißfestigkeiten sind in N/mm² angegeben.

Tabelle 1

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Spritzgießteilen mit mindestens einer Bindenaht (1) unter Verwendung von mindestens zwei Schneckenplastifizieraggregaten und mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen, (A, B), die mit den Plastifizieraggregaten aufge­ schmolzen werden und in ein Formwerkzeug einge­ spritzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe durch die Erzeugung von im Moment des Zusammentreffens der Fließfronten der Schmelzen­ ströme entgegengesetzt gerichteten und unterschied­ lichen Betrag aufweisenden Fließfrontgeschwindig­ keiten an der Stelle des Zusammentreffens unter Beibehaltung der außen sichtbaren Bindenaht (1) zur Überlappung gebracht werden, wobei eine Überlappungslänge (l_ü) erzeugt wird, die größer als die Wanddicke (s) des Spritzgießteiles ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ort des Zusammentreffens der Schmelzenströme und deren Fließfrontgeschwindig­ keiten durch Steuerung der Einspritzgeschwindig­ keiten/-profil über die Vorlaufgeschwindigkeiten der Plastifizierschnecken eingestellt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Viskositäten der aufeinander­ treffenden Schmelzenströme durch Wahl der Spritz­ gießbedingungen, insbesondere durch die Wahl der verschiedenen Kunststoffe und der Schmelzetempe­ ratur, im Moment des Zusammentreffens voneinander abweichend eingestellt werden.

4. Formteil, bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen (A, B), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe (A, B) eine Bindenaht (1) aufweisen, die eine Überlappungslänge (I_ü) aufweist, die größer als die Wanddicke (s) des Formteiles ist.