DE4121441A1 - Verfahren zur herstellung eines hohlen kunststofferzeugnisses unter verwendung von wasserloeslichem harz - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines hohlen kunststofferzeugnisses unter verwendung von wasserloeslichem harz

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstel­ len eines hohlen Kunststofferzeugnisses unter Verwendung von wasserlöslichem Harz. Insbesondere befaßt sich die Er­ findung mit einem Verfahren zum Herstellen eines hohlen Kunststofferzeugnisses mit einer komplexen geometrischen Gestalt mit Hilfe des Spritzgießens von wasserlöslichem Harz in einen Formhohlraum, bei dem ein Übergießen mit wasserbeständigem Harz vorgenommen und dann der Harzkern mit deionisiertem Wasser aufgelöst wird.
Das wohl bis heute bekannteste Verfahren zur Herstellung von hohlen Erzeugnissen bzw. Hohlkörpern ist das Hohlfor­ men. Bei diesem Verfahren ist es jedoch schwierig, Erzeug­ nisse mit komplizierter geometrischer Gestalt, wie Einlaß­ leitungen für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen her­ zustellen, welche eine Vielzahl von gekrümmten Kanälen und Durchgängen haben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Auslegung der Form, die bei diesem Verfahren eingesetzt werden könnte, zu kompliziert wird.
Zum anderen wurde versucht, Hohlkörper mit komplizierter geometrischer Gestalt mittels Spritzgießen durch Ausformen aus wärmebeständigen Polymeren oder wasserbeständigen Po­ lymeren, wie PE, PP, PS, oder Polymeren herzustellen, die man dadurch erhält, daß als Füllstoffe Glasfasern, Kohlen­ stoffasern, Kohlenstofftalkum oder Calciumcarbonat den wärmebeständigen Polymeren zugegeben werden, um das Ge­ wicht der Erzeugnisse herabzusetzen. Jedoch bleiben nach wie vor noch die Schwierigkeiten hinsichtlich der Hohlaus­ formung gegeben. Daher gibt es keine andere Verfahrens­ weise zur Herstellung derartiger Erzeugnisse als diese aus metallischen Materialien, wie Aluminium, mittels Metall­ gießen herzustellen.
Hierzu hat Firma Belland AG in der Schweiz ein Verfahren zur Herstellung einer Luftansaugleitung oder dergleichen aus Kunststoff unter Verwendung der Technik mit verlorenem Kern in der Zeitschrift "Modern Plastics International", November 1990, vorgeschlagen, wobei die Verfahrensweise nicht näher angegeben und erläutert ist.
Die Erfindung zielt darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten bei der Herstellung von hoh­ len Erzeugnissen bzw. Hohlkörpern eine neuartige Verfah­ rensweise zur Herstellung eines hohlen Kunststofferzeug­ nisses mit komplizierten Geometrien innen und außen auf vereinfachte Weise unter Einsatz von wasserlöslichem Harz bereitzustellen.
Ferner bezweckt die Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches dazu geeignet ist, das Gewicht der Erzeugnisse herabzusetzen, die Herstellungskosten für dieselben zu senken und welches für eine Massenherstellung derartiger Erzeugnisse geeignet ist.
Ferner soll nach der Erfindung ein Verfahren bereitge­ stellt werden, bei dem das wasserlösliche Harz zurückge­ wonnen und nach dem Auflösen wiederverwendet werden kann.
Nach der Erfindung zeichnet sich ein Verfahren zum Her­ stellen eines hohlen Kunststofferzeugnisses durch die fol­ genden Schritte aus: Herstellen einer gesonderten Halb­ schale eines Kerns (nachstehend als ein oberer Kern und ein unterer Kern bezeichnet) mittels Spritzgießtechniken, bei dem der Einspritzvorgang in einigen Stufen vorgenommen wird und der obere und untere Kern zu einem Stück durch Verteilen eines hydrophilen OH-polaren Lösungsmittels, wie Wasser oder Methylalkohol auf den Kontaktflächen des obe­ ren und unteren Kerns verbunden werden, wobei anschließend mit denselben 1-24 Stunden lang unter Druckeinwirkung von etwa 2,04 bis 9,52 bar (30 bis 140 psi) ein Trocknen vorgenommen wird; Herstellen eines übergeformten Erzeug­ nisses dadurch, daß der Kern in einen Formhohlraum einge­ setzt wird, wasserbeständiges Harz unter hohem Druck der­ art eingespritzt wird, daß eine Überspritzung bzw. Über­ formung um den Kern vorgenommen wird und daß das überge­ formte Erzeugnis abgekühlt wird; und Lösen des wasserlös­ lichen Harzes aus dem übergeformten Erzeugnis, indem mit­ tels einer Heizeinrichtung erwärmtes heißes Wasser aufge­ sprüht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung kann der Kern beim Spritzgießverfahren mittels Gasunterstützung unter Verwendung von Sauerstoff oder ei­ nem inerten Gas, wie Stickstoff in den erschmolzenen Kern unter hohem Druck gebildet werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Ver­ fahrensweise zum Herstellen eines hohlen Kunststofferzeugnisses nach der Erfindung, und
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht in Teilschnittdarstellung zur Verdeutlichung der Spritzweise zum Herstellen eines hohlen Kunststofferzeugnisses nach der Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Ein wasserlöslicher Harz mit einer vorbestimmten Zusammen­ setzung eines Harzes der Alkylgruppe wird in einen Form­ hohlraum von zwei Formteilen eingespritzt, welche jeweils zugeordnete geometrische Formen haben, um eine Halbschale des Kerns bzw. eine Kernhälfte, d. h. einen oberen Kern und einen unteren Kern zu bilden, und dann werden der obere Kern und der untere Kern miteinander verbunden.
Zum Verbinden des oberen und des unteren Kerns können zahlreiche Verbindungsmethoden, wie das Lösungsmittel­ schweißen, das Ultraschallschweißen oder das Schwingungs­ schweißen, eingesetzt werden, welche nachstehend näher be­ schrieben werden.
Nach dem Lösungsmittelschweißen kann man den Kern gemäß dem Verfahren erhalten, welches die Schritte aufweist, ge­ mäß denen eine kleine Lösungsmittelmenge ähnlich Wasser auf den Kontaktflächen des oberen und unteren Kerns je­ weils verteilt wird und dann der verbundene Kern 1-24 Stunden unter Einwirkung eines Drucks von etwa 2,04 bis etwa 9,52 bar (etwa 30 bis 140 psi) getrocknet wird.
Das Verfahren zum Ultraschallschweißen weist die Schritte auf, gemäß denen ein Vorsprung an dem oberen Kern ausge­ bildet wird, der Vorsprung des oberen Kerns in Kontakt mit der Oberfläche des unteren Kerns gebracht wird und dann eine Ultraschallwelle zur Einwirkung gebracht wird, welche eine Frequenz in dem Bereich von 20 000 Hz bis 40 000 Hz hat, wodurch momentan Reibungswärme an den Kontaktflächen von oberem und unterem Kern erzeugt wird und hierdurch der Vorsprung zum Erschmelzen gebracht wird und der obere und der untere Kern miteinander zu dem Kern mit erschmolzenem Harz verbunden werden können.
Das Verfahren gemäß dem Schwingungsschweißen weist die Schritte auf, gemäß denen die Flächen des oberen und des unteren Kerns unter einem vorgegebenen Druck in enge Be­ rührung miteinander gebracht werden und eine Reibungswärme an den Oberflächen durch eine vorgegebene Schwingung mit einer Frequenz bzw. Amplitude von etwa 4,23 mm (1/6 inch) erzeugt wird, wodurch die Oberflächen der jeweiligen Halb­ kerne zur Verbindung miteinander verschmolzen werden.
Andererseits ist es möglich einen mittels Spritzgießen ausgeformten Kern herzustellen, ohne den oberen und den unteren Kern jeweils zu erstellen, indem ein mit Gasunter­ stützung arbeitendes Spritzgießverfahren angewandt wird, welches die Schritte aufweist, gemäß denen eine Düse einer Gaseinspritzeinrichtung an der Spritzgießmaschine ange­ bracht wird, welche Sauerstoff oder ein inertes Gas, wie Stickstoff, unter einem Druck von etwa 20,4 bis 27,2 bar (etwa 300 bis etwa 400 psi) einspritzen kann, der wasser­ lösliche Harz in einen Formhohlraum (in kurzen Stößen) ge­ spritzt wird, der Formvorgang für eine Zeitlang angehalten wird, und Gas mit hohem Druck durch die Düse eingespritzt wird, bevor der in den Formhohlraum eingefüllte wasserlös­ liche Harz hart wird, und hierdurch der schmelzflüssige Harz in die stabilste Richtung fließen kann, in der gün­ stigste Belastungs- oder Strömungswiderstandsverteilungen erhalten werden können, um einen hohlen Kern mit gleich­ förmiger Wanddicke zu bilden.
Der hohle Kern, welcher auf die vorstehend beschriebene Verfahrensweise erstellt wurde, wird dann in einen Form­ hohlraum eines Spritzgießwerkzeuges eingebracht, in der er mittels einer Klemmeinrichtung gehalten und gestützt wird, und dann wird wasserbeständiger Harz unter hohem Druck eingespritzt, um eine Überformung um den Kern auszubilden. Ein so durch Überformen des Kerns hergestelltes Erzeugnis wird aus dem Formhohlraum nach dem Abkühlen abgezogen.
Im Inneren des übergeformten, hohlen Erzeugnisses muß der aus wasserlöslichem Harz bestehende Kern herausgelöst wer­ den. Daher wird in einem abschließenden Schritt nach dem Fixieren des übergeformten, hohlen Erzeugnisses in einer Auflöseeinrichtung der wasserlösliche Harz dadurch aufge­ löst, daß heißes Wasser mit einer Temperatur von 87,8 bis 93,3°C (190 bis 200°F) über eine Düse aufgesprüht wird.
Dann ist der gesamte Verfahrensgang zur Herstellung eines hohlen Kunststofferzeugnisses im wesentlichen abgeschlos­ sen, und anschließend können Endbearbeitungen, wie das Zu­ richten von entsprechenden Teilen, vorgenommen werden, die auf der inneren Seite und der äußeren Seite des Erzeugnis­ ses während der Ausformung gebildet wurden.
Beispiel
Nunmehr wird ein Beispiel der Erfindung nachstehend erläu­ tert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Formhohlraum 10 ge­ bildet von zwei Formteilen 12 mittels heißem Wasser, Mine­ ralöl oder dergleichen auf eine Temperatur von 48,9 bis 82,2°C (120 bis 180°F) zum Einspritzen des Kernmaterials vorgewärmt und für das Überformen wird der Formhohlraum auf 60 bis 104,4°C (140 bis 220°F) aufgewärmt. Das Mate­ rial zur Herstellung eines Kerns ist ein wasserlösliches Harz der Alkylgruppe und wird bei einer Temperatur von 87,8°C (190°F) etwa 4 Stunden lang mit Heißluft getrocknet oder mittels Vakuumtrocknen getrocknet. Andererseits ist das für den Überformungsvorgang eingesetzte Material ein wasserbeständiges Harz, das bei einer Temperatur von 76,7°C (170°F) etwa 2 Stunden lang getrocknet wird. Dieses Harz wird in einen Spritzzylinder 14 über einen Aufgabe­ trichter 16 für das Gießen eingebracht.
Die Spritzbedingungen sind in den Tabellen 1 bis 4 durch die Bezugszeichen A, B, C und D an einer Position eines Spritzzylinders 14 einschließlich einer Schnecke 18 ange­ geben und verdeutlicht, wobei die Gesamtlänge des Spritz­ zylinders 14 in 4 Zonen von einer Düse 20 bis zum Aufgabe­ trichter 16 in gleiche Strecken entsprechend Fig. 2 un­ terteilt ist. Die zugeordneten Verfahrenstemperaturen, die Einspritzzeiten, die Einspritzgeschwindigkeit oder der Einspritzdruck in den jeweiligen Zonen können innerhalb der Wertebereiche nach den Tabellen 1 bis 4 entsprechend der Größe und dem Volumen des Erzeugnisses ausgewählt oder variiert werden.
Zuerst wird der Spritzvorgang zum Herstellen eines oberen Kerns näher erläutert. Der Spritzzylinder 14 wird auf eine gewisse Temperatur mit Hilfe einer Hilfsheizeinrichtung (nicht gezeigt) erwärmt, und in den jeweiligen Zonen des Spritzzylinders 14 wird die in der Tabelle 1 gezeigte Tem­ peratur konstant gehalten.
Tabelle 1
Die Schnecke 18 des Spritzzylinders 14 wird intermittie­ rend angetrieben, um das schmelzflüssige Harz zur Düse 14 schrittweise auszustoßen. Die zugeordneten Spritzzeiten in der jeweiligen Zone sind in Tabelle 2 und die zugeordneten Spritzgeschwindigkeiten in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 2
Tabelle 3
Die Spritzgeschwindigkeit ist als Prozentverhältnis ange­ geben, wobei die maximale Spritzgeschwindigkeit der Spritzgießmaschine bezüglich des Spritzhubs mit 100% ange­ nommen ist.
Der Spritzdruck, der während des Spritzvorganges erzeugt wird, ist der Spritzzeit entsprechend der Tabelle 4 zuge­ ordnet. Der Spritzdruck wird als Prozentverhältnis angege­ ben, wobei der maximale Spritzdruck der Spritzgießmaschine bezüglich des Spritzhubes als 100% angenommen wird.
Tabelle 4
Bei dem Spritzvorgang ist ein gewisser Gegendruck unter Zuordnung zu dem Spritzdruck zusätzlich zu berücksichti­ gen, um den Spritzgießvorgang in zufriedenstellender Weise durchführen zu können.
Der untere Kern, der unterschiedliche Abmessungen und Vo­ lumina haben kann, wird auf dieselbe Methode wie voranste­ hend beschrieben abgesehen davon spritzgegossen, daß die Spritzbedingungen unter geeigneter Auswahl der Werte nach den Tabellen 1 bis 4 gewählt werden. Daher kann eine nä­ here Beschreibung derselben entfallen.
Dann werden der obere Kern und der untere Kern, welche auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt wurden, zu einem Stück dadurch verbunden, daß ein hydrophiles OH-po­ lares Lösungsmittel verteilt wird. Gemäß einer anderen be­ vorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird das Ul­ traschallschweißverfahren oder es wird das Schwingungs­ schweißverfahren angewandt. Dann wird der so verbundene Kern in einen Formhohlraum eingebracht, und dann erfolgt das Überformen mit wasserbeständigem Harz um den Kern nach Maßgabe der Verfahrensbedingungen, die in den Tabellen 1 bis 4 angegeben sind.
In ähnlicher Weise wird der Überformungsvorgang schritt­ weise wie der Kernformungsvorgang ausgeführt. Wenn das Harz des Kerns in dem Formhohlraum hart geworden ist, wird das Erzeugnis aus dem Formhohlraum entnommen und zur Löse­ behandlung übergeben, bei der der aus wasserlöslichem Harz gebildete Kern mit heißem Wasser oder einer geeigneten Lö­ sung ausgewaschen wird, um ein hohles Erzeugnis bzw. einen Hohlkörper zu erhalten.
Das vorstehend angegebene Verfahren nach der Erfindung ist äußerst zweckmäßig zur Herstellung von hohlen Erzeugnissen mit komplizierten Geometrien, wie Einlaßhauptleitungen für Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen, Haushaltsgegenständen, Leitungssträngen oder dergleichen. Ferner trägt das Ver­ fahren dazu bei, die Kosten zur Herstellung zu senken und eine Massenherstellung zu ermöglichen. Auch kann das Ge­ wicht der Erzeugnisse im Vergleich zu den üblichen Metho­ den unter Verwendung von metallischen Materialien herabge­ setzt werden.
Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung erläutert und gezeigt wurden, ist die Erfin­ dung natürlich nicht hierauf beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfin­ dungsgedanken zu verlassen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen eines Hohlkern-Kunststoffer­ zeugnisses unter Verwendung von wasserlöslichem Harz, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen einer gesonderten Halbschale bzw. Hälfte eines Kerns durch Einspritzen von wasserlöslichem Harz in einen Kernformhohlraum mittels eines Spritz­ zylinders einer Spritzgießmaschine, Verbinden der Kernhälften miteinander zu einem Stück, indem ein hy­ drophiles, OH-polares Lösungsmittel, wie Wasser oder Methylalkohol auf den Kontaktflächen der Kernhälften verteilt und dann der verbundene Kern 1 bis 24 Stun­ den lang unter Einwirkung eines Druckes von 2,04 bis 9,52 bar getrocknet wird,
Herstellen eines den Kern überformenden Erzeugnisses, indem der Kern in einen Formhohlraum eingebracht wird, ein wasserbeständiges Harz unter hohem Druck derart eingespritzt wird, daß der Kern umspritzt wird, und das umspritzte Kernerzeugnis abgekühlt wird; und
Lösen des wasserlöslichen Harzes aus dem umspritzten Kernerzeugnis, indem mittels einer Heizeinrichtung erwärmtes, heißes Wasser aufgesprüht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen zu einem Kern mittels Ultra­ schallschweißen verbunden werden, welches die Schritte aufweist, gemäß denen ein Vorsprung an einer der Halbschalen ausgebildet wird, der Vorsprung der Halbschale in Kontakt mit der Oberfläche der anderen Halbschale gebracht wird und eine Ultraschallwelle aufgebracht wird, um momentan Reibungswärme an den Kontaktflächen der Halbschalen zu erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen zu einem Kern mittels des Schwin­ gungsschweißverfahrens verbunden werden, welches die Schritte aufweist, gemäß denen die Fläche der Halb­ schalen in engem Kontakt mit einem vorgegebenen Druck gebracht werden und Reibungswärme auf den Oberflächen durch eine vorgegebene Schwingung mit einer Amplitude von etwa 1,58 mm erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mittels einem mit Gasunterstützung ar­ beitenden Spritzgießverfahren erstellt wird, welches die Schritte aufweist, gemäß denen eine Düse einer Gaseinspritzeinrichtung an der Spritzgießmaschine an­ gebracht wird, das wasserlösliche Harz in einen Form­ hohlraum gespritzt wird und ein inertes Gas unter ei­ nem Druck zwischen 20,4 und 27,2 bar eingespritzt wird, bevor das Harz hart wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzverfahren zum Herstellen der Halbschale des Kerns schrittweise durchgeführt wird, wobei die Spritzzeit, die Spritzgeschwindigkeit und der Spritz­ druck in jeder Zone des Spritzzylinders jeweils vari­ iert werden können.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzzeit in der Zone zwischen A und B des Spritzzylinders zwischen 25 und 90 s variierbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzzeit in der Zone zwischen B und C des Spritzzylinders zwischen 5 und 15 s variierbar ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzzeit in der Zone zwischen C und D des Spritzzylinders zwischen 100 und 340 s variierbar ist.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzgeschwindigkeit in der Zone zwischen A und B des Spritzzylinders zwischen 60 bis 72% bezogen auf die maximale Spritzgeschwindigkeit der Spritz­ gießmaschine variierbar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzgeschwindigkeit in der Zone zwischen B und C des Spritzzylinders zwischen 87 bis 92% bezüg­ lich der maximalen Spritzgeschwindigkeit der Spritz­ gießmaschine variierbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzgeschwindigkeit in der Zone zwischen C und D des Spritzzylinders zwischen 87 bis 93% bezüg­ lich der maximalen Spritzgeschwindigkeit der Spritz­ gießmaschine variierbar ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überspritzung zur Herstellung eines über­ spritzten Kernerzeugnisses schrittweise durchgeführt wird, wobei die Spritzzeit, die Spritzgeschwindigkeit und der Spritzdruck jeweils in den entsprechenden Zo­ nen des Spritzzylinders variierbar sind.
13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzdruck bei der Herstellung der Halb­ schale des Kerns in der Zone zwischen A und B des Spritzzylinders zwischen 72 bis 90% bezüglich des ma­ ximalen Spritzdrucks der Spritzgießmaschine variier­ bar ist.
14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzdruck, der bei der Herstellung der Halbschale des Kerns in der Zone zwischen B und C des Spritzzylinders aufgebracht wird, zwischen 77 bis 85% bezüglich des maximalen Spritzdruckes der Spritzgieß­ maschine variierbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzdruck, der bei der Herstellung der Halbschale des Kerns in der Zone zwischen C und D des Spritzzylinders aufgebracht wird, zwischen 72 bis 86% bezüglich des maximalen Spritzdrucks der Spritzgieß­ maschine variierbar ist.
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