DE4212699C1 - - Google Patents
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- 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
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffgegenständen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
Derartige mehrteilige, dabei eventuell verschiedenfarbige Kunststoffgegenstände
können beispielsweise kleine bunte Spielzeugfiguren sein, gelenkig
miteinander verbundene Teile für die Kfz-Industrie usw. ihnen gemeinsam ist,
daß zunächst ein Teil der Verbindung hergestellt wird, wobei entweder in diesem
eine Kavität oder aber ein dieser Kavität komplementärer Vorsprung (z. B.
zylinderförmige Bohrung-Scharnierstift, Kugelgelenkpfanne-Kugel) erzeugt
wird.
Im folgenden Verfahrensschritt wird dann das zweite Teil so an das erste,
Vorformling genannt, angespritzt, daß je nachdem entweder die Kavität im
Vorformling ausgefüllt oder der Vorsprung umspritzt wird. Diese Verfahrensweise
wird Overmoulding-Technik genannt und ist beispielsweise aus der DE-
PS 33 40 122 bekannt. Dort wird auch die Möglichkeit beschrieben, wie die
einzelnen Verfahrensschritte nacheinander in einem sogenannten Drehwerkzeug
durchgeführt werden. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, die jeweils
gespritzten Teile mittels Handling-Geräten von einer Bearbeitungsstation in die
nächste zu befördern oder aber durch Kernzüge entstandene Kavitäten im
Vorformling gleich in der Form auszuspritzen.
Wie auch immer, das Problem bei allen Verfahrensalternativen liegt darin, daß
verhindert werden muß, daß beim Anspritzen des weiteren Teils bzw. der weiteren
Teile an den Vorformling ein Verschweißen bzw. Verschmelzen des Kunststoffs
an den Kontaktflächen, die eine bewegliche, insbesondere gelenkige
Verbindung ergeben sollen, zu verhindern.
Das gelingt in der Regel, wenn der Vorformling und die weiteren Teile jeweils
verschiedene Kunststoffmaterialien gewählt werden, nämlich solche, die untereinander
unverträglich sind.
Aus Lagerhaltungs-, also aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten heraus, vordringlich
aber im Hinblick auf die Umweltproblematik, ist man bestrebt, derartige
Gegenstände aus ein und demselben Kunststoff zu fertigen. Gerade bei
Zubehörteilen für die Kfz-Industrie spielt heutzutage die problemlose Recycelbarkeit
eine entscheidende Rolle. Es stellt ein wirtschaftlich unvertretbar hohen
Aufwand dar, beim Recycling eines Autos sämtliche Kunststoffteile nach
Kunststoffart zu sortieren, zumal, wenn ein einziges Teil, z. B. eine Lüftungsklappe,
selbst aus mehreren Kunststoffarten zusammengesetzt ist.
Es ist zwar in der DE-PS 33 40 122 bereits davon die Rede, derartige Gegenstände
aus ein und demselben Kunststoffmaterial zu spritzen. Wie das geschehen
soll, insbesondere ohne den Verfahrensablauf lange zu unterbrechen, ist
dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß beim Einsatz gleicher Kunststoffmaterialien für
die den Gegenstand bildenden Einzelteile diese Einzelteile in schneller Taktfolge
zum Gesamtgegenstand vereinigt werden, ohne daß ein ungewolltes Verschweißen
auftritt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 9
genannten Merkmale gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Es gilt also, schon bei der Herstellung des Vorformlings diesen im Bereich der
späteren Kontaktfläche - sei dies die Innenwand der später auszuspritzenden
Kavität, sei es die Außenwand des später zu umspritzenden Vorsprungs -
so zu verändern, daß er in diesem Bereich gegenüber dem anzuspritzenden
Kunststoff unverträglich ist, obwohl chemisch gesehen beide Materialien
identisch sind. Es ist also Kernpunkt der Erfindung, künstlich eine vorübergehende
oder bleibende Unverträglichkeit zu schaffen, und zwar bereits
bei der Herstellung des Vorformlings und nicht erst, wenn der Vorformling bereits
fertig ist. Somit ist es möglich, die Taktfolge zeitlich in dem Rahmen zu
halten wie bei einem Herstellungsverfahren, bei dem von Natur aus unverträgliche
Kunststoffmaterialien verwendet werden.
Durch die Erfindung wird daher erreicht, die Herstellungsgeschwindigkeit bekannter
Verfahren beizubehalten, aber Produkte aus einem einzigen Kunststoffmaterial
zusammenzusetzen, wodurch die spätere Wiederaufbereitung
entscheidend erleichtert bzw. wirtschaftlich überhaupt erst möglicht wird.
Erfindungsgemäß wird gemäß Anspruch 2 als erste Variante vorgeschlagen,
bei der Herstellung des Vorformlings dessen Kontaktfläche für die spätere Verbindung
extrem abzukühlen.
Bei der Standard-Werkzeugtechnik ist die Kontakttemperatur, d. h., wenn das
weitere Teil an den Vorformling angespritzt wird, in der potentiellen Verbindungsstelle
etwa die Mitteltemperatur aus Vorformlingstemperatur und der des
Umspritzkunststoffs. Der Vorformling hat in der Regel mehr als Raumtemperatur
und der Umspritzkunststoff weist etwa 200°C auf.
Die sich ergebende Mitteltemperatur liegt mithin bei über 100°C, einer Temperatur,
die ausreicht, eine Verschmelzung im Kontaktbereich zu verursachen, so
daß die angestrebte Beweglichkeit der Verbindung nicht zustande kommt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun gezielt die Kontaktfläche
des Vorformlings unter einer Temperatur herabgekühlt, die in Verbindung mit
der Temperatur des Umspritzkunststoffes eine Mitteltemperatur ergibt, die
deutlich unter der Verschmelzungstemperatur liegt.
Gemäß Anspruch 6 geschieht dies durch Zuleitung eines verflüssigten Gases
(CO₂, N₂ etc.) in die die Kontaktfläche formende Werkzeugregion. Die Wiedererwärmung
der Kontaktfläche geschieht dabei nicht derart schnell, daß beim
anschließenden Anspritzen des weiteren Teils doch noch eine zum Verschweißen
ausreichende Mitteltemperatur entsteht.
Eine zweite Variante zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften der
Kontaktfläche sieht die Erfindung gemäß Anspruch 3 darin, die Adhäsionskräfte
im Kontaktbereich zu reduzieren.
Durch den lokalen Einsatz von Trennmitteln läßt sich die Adhäsion praktisch
unterbinden. Unter Adhäsion wird hier die Verbundwirkung verstanden, die
nicht auf den eigentlichen Schweißvorgang zurückzuführen ist. Durch die Benetzung
der Kontaktfläche schon während der Herstellung des Vorformlings
wird einerseits die Verschweißung verhindert und andererseits auf Dauer eine
gute Beweglichkeit der Verbindung gewährleistet.
Eine dritte Variante ist Gegenstand des Ansruchs 4. Hierbei wird speziell bei
Kunststoffen, die eine teilkristalline Struktur aufweisen,
im Bereich der Kontaktfläche des Vorformlings beim Herstellungsprozeß
desselben eine hochkristalline Oberflächenschicht erzeugt.
Das geschieht durch gezielte Verlangsamung des Abkühlvorgangs in diesem
Bereich, eventuell im Zusammenspiel mit Impfung der Oberflächenschicht mit
Kristallisationskeimen, ein Vorgang, der mit Nukleierung bezeichnet wird.
Das Aufschmelzen einer derart veränderten Schicht bedarf einer größeren
Wärmemenge als der Umspritzkunststoff abzugeben in der Lage ist, so daß
keine Verschmelzung stattfinden kann.
Das Spritzgießwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens derart präpariert, daß der die Kontaktfläche
formende Bereich des Werkzeugs einen Einsatz bildet, über dessen Oberfläche
der Oberflächenveränderungen der Kontaktfläche des Vorformlings verursacht
werden.
Gemäß den Ansprüchen 10 und 11 ist der Einsatz gegenüber dem restlichen
Werkzeug thermisch isoliert und verfügt in seinem Inneren über mindestens
einen Kanal, über den das Kältemittel, beispielsweise flüssiger Stickstoff, bis
knapp an die Oberfläche des Einsatzes herangeführt werden kann. Somit ist
gewähleistet, daß lediglich die spätere Kontaktfläche in der oben angegebenen
Weise abgekühlt wird.
Gemäß den Ansprüchen 12 bis 14 ist der Einsatz aus einem porösen Material
hergestellt, beispielsweise aus einem Sintermetall, durch dessen Poren ein
Trennmittel, beispielsweise Silikonöl, von außerhalb des Werkzeugs aufgrund
Druck- oder des Kapillareffektes aus der Einsatzoberfläche austritt und die
Kontaktfläche des Vorformlings benetzt, so daß die Adhäsionskräfte herabgesetzt
werden.
Auch hier ist lediglich die spätere Kontaktfläche betroffen. Ein unbeabsichtigtes
Benetzen anderer Flächen mit dem Trennmittel ist somit ausgeschlossen,
was beim bekannten Trennmittelsprühen nicht der Fall ist.
Gemäß den Ansprüchen 15 und 16 ist der Einsatz mit einer Isolierschicht geringer
Wärmeleitfähigkeit (z. B. Teflon, Keramik) überzogen, die ihrerseits goldbeschichtet sein kann.
Durch die Isolierschicht wird ein zu schnelles Abkühlen des Vorformlings in
seiner Kontaktflächenregion verhindert. Durch die langsame Abkühlgeschwindigkeit
kann an der Oberfläche eines teilkristallinen Kunststoffs eine hochkristalline
Schicht erzeugt werden.
Zur Erzeugung dieser hochkristallinen Schicht können darüber hinaus Kristallisationskeime
in die Schicht geimpft werden (Nukleierung), wodurch die Kristallisation
beschleunigt wird. Die Nukleierung über die Werkzeugoberfläche
funktioniert beispielsweise durch das Vorhandensein der Goldbeschichtung.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, mehrere der angesprochenen Verfahrensvarianten miteinander zu kombinieren, sei es in aufeinanderfolgender
Weise (beispielsweise in einem Drehwerkzeug) oder aber auch in einem einzigen
Formnest.
So ist beispielsweise daran gedacht, zusätzlich zur Benetzung der Kontaktfläche
mit einem Trennmittel, diese Kontaktfläche nach Variante 1 stark abzukühlen,
wobei werkzeugtechnisch der Sintermetalleisatz thermisch gegen das
restliche Werkzeug isoliert ist und in seinem Inneren ein Kanal zur Führung des
Kältemittels angeordnet ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß zunächst durch langsames Abkühlen
und Nukleiren eine hochkristalline Oberflächenschicht in der Kontaktflächenregion
erzeugt und anschließend mittels Kältemittel - wie zuvor beschrieben
- stark abgekühlt wird. Andere Kombinationen sind denkbar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele beschrieben.
In den Figuren sind alle zum Verständnis nicht unbedingt notwendigen
Werkzeug- bzw. Maschinenteile weggelassen, da sie als für den Fachmann
bekannt vorausgesetzt werden können.
Es zeigt:
Bild 1: in abgebrochener Darstellung und im Schnitt ein Werkzeug mit gekühltem Formelement;
Bild 2: in abgebrochener Darstellung und im Schnitt ein Werkzeug mit trennmittelbenetzendem Formelement und
Bild 3: in abgebrochener Darstellung und im Schnitt ein Werkzeug mit nukleierendem Formelement.
In den Figuren ist jeweils der Fall dargestellt, daß im Vordergrund eine Ausnehmung
erzeugt wird. Die Erfindung wird anhand einer derartigen Konfiguration
beschrieben. Es ist natürlich auch möglich, die Erfindung bei Werkzeugen anzuwenden,
die einen Vorformling mit einem der oben beschriebenen Ausnehmung
komplementären Vorsprung erzeugt.
In den skizzenhaften Figuren ist das Werkzeug jeweils mit dem Bezugszeichen
1 versehen. Zu sehen ist in abgebrochener Darstellung nur eine Werkzeughälfte
und davon nur der hier interessierende Bereich, in dem eine Kontaktfläche
für die spätere bewegliche bzw. gelenkige Verbindung mit einem weiteren
Teil aus dem gleichen Kunststoffmaterial wie der Vorformling, erzeugt wird. In
allen drei Fällen wird eine zylinderförmige Ausnehmung 2 im Vorformling 3 erzeugt,
so daß die spätere Verbindung ein Scharniergelenk wird.
Zur Ausbildung der zylinderförmigen Ausnehmung 2 dient ein ebenfalls zylinderförmiger
Stift 4, der einen Einsatz im Werkzeug 1 bildet und in den mit der
Vorformlingschmelze gefüllten Formhohlraum hineinreicht.
In der Fig. 1 ist der Stift 4 im Werkzeug 1 von einer thermischen Isolationsschicht
5 umgeben. Im Inneren des Stiftes 4 befindet sich eine axiale Bohrung
6. Die axiale Bohrung 6 stellt einen Kanal dar, der außerhalb des Werkzeugs 1
mündet und dort an eine Kältemittelleitung angeschlossen ist. Das Kältemittel
kann beispielsweise flüssiger Stickstoff sein. Bei der Herstellung des Vorformlings
3 wird mit Hilfe des Kältemittels der Stift 4 extrem gekühlt und entzieht
somit im Bereich der Ausnehmung 2 dem Vorformlingmaterial rasch so viel
Wärme, daß hier eine Temperatur entsteht, die zumindest so lange unter einem
Wert bleibt, daß beim späteren Anspritzen eines weiteren Teiles aus dem gleichen
Kunststoffmaterial in diese Ausnehmung 2 kein Verschmelzen im Bereich
der Kontaktflächen auftreten kann.
In der Fig. 2 besteht der Stift 4 aus einem porösen Sintermetall. Der Stift 4
durchsetzt das gesamte Werkzeug und ist an seinem unteren Ende mit einem
Trennmittel, beispielsweise Silikonöl, beaufschlagbar. Das Silikonöl wandert
durch den Kapillareffekt im Stift 4 nach oben und tritt aus der in den Formhohlraum
hineinreichenden Oberfläche dosiert aus. Die beim Spritzen des Vorformlings
3 entstehende Ausnehmung 2 wird somit aus ihrer am Stift 4 anliegenden
Oberfläche mit dem Trennmittel benetzt, so daß beim späteren Anspritzen eines
weiteren Teils an den Vorformling in diesem Bereich keine Adhäsionskräfte
auftreten, wodurch zum einen ein Verschmelzen in diesem Bereich verhindert
wird und zum anderen bei der späteren gelenkigen Verbindung eine dauerhafte
gute Gängigkeit erreicht wird.
In der Fig. 3 ist die Werkzeughälfte 1 zweiteilig ausgebildet. In einer der beiden Teile
7 und 8 der Werkzeughälfte 1 durchsetzenden Bohrung 9 sitzt wiederum ein
Stift 4, der hier allerdings lediglich als Stützstift für einen hülsenförmigen Isoliereinsatz 10 dient, der sich mit der Ringschulter eines Flansches 11 an der
Unterseite des Werkzeugteils 8 abstützt. Die Bohrung 9 im Werkzeugteil 8 ist
naturgemäß im Durchmesser größer ausgebildet als die Bohrung 9 im Werkzeugteil 7.
Der Isoliereinsatz 10 bildet nun das Formelement für die Ausnehmung 2 im
Vorformling 3 und reicht daher aus der Werkzeugoberfläche in den Formhohlraum
hinein. Man macht sich hier die Tatsache zu Nutze, daß z. B., Teflon ein
schlechter Wärmeleiter ist. Somit wird nach dem Spritzen des Vorformlings die
Wärme über den Stift 4 wesentlich langsamer abgeführt als bei einem Stift
ohne diese Wärmeisolierung. Wird zur Herstellung des Vorformlings ein teilkristalliner
Kunststoff verwendet, wird durch die langsame Abkühlung im Bereich
der Ausnehmung 2 eine bessere Kristallisation erreicht. Eine weitere Verbesserung
des Kristallisationsgrades ergibt sich durch Impfen der Vorformlingsoberfläche
im Bereich der Ausnehmung 2 mit Kristallisationskeimen.
Nukleierende Wirkung hat unter anderem
eine Goldbeschichtung, die auf die Teflonoberfläche aufgetragen wird.
Somit ergibt sich im Bereich der späteren Kontaktfläche im Vorformling eine
hochkristalline Schicht. Das Aufschmelzen dieser hochkristallinen Struktur
benötigt eine höhere Wärme als die, die die Schmelze für das anzuspritzende
Teil aufzubringen in der Lage ist.
Obwohl es möglich ist, den erfindungsgemäßen Effekt mit jeder einzelnen der
hier vorgestellten Verfahrensvariante zu erzielen, kann es je nach Anwendungsfall
notwendig sein, einzelne der drei Varianten miteinander zu kombinieren.
Claims (18)
1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffgegenständen, die aus mindestens
zwei beweglich, insbesondere gelenkig miteinander verbundenen
Teilen aus dem gleichen Kunststoffmaterial bestehen, wobei eines der
Teile ein spritzgegossener Vorformling ist, dessen Verbindung mit dem
mindestens einen weiteren Teil durch Spritzgießen in Overmoulding-Technik
hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Herstellen des Vorformlings im Bereich seiner Kontaktfläche (2)
für die spätere Verbindung die Oberflächeneigenschaften dieser Kontaktfläche
(2) gegenüber den physikalischen Eigenschaften des anzuspritzenden,
weiteren Teils verändert werden, wobei die Änderung der Oberflächeneigenschaften
zumindest so lange aufrechterhalten wird, bis durch
Spritzen und Erstarren des mindestens einen weiteren Teils die Verbindung erfolgt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Kontaktfläche
(2) durch Reduzierung der Oberflächentemperatur auf einen derartigen
Wert erfolgt, daß sich beim anschließenden Umspritzen im Kontaktbereich
eine Mitteltemperatur ergibt, die kleiner ist als die zur Verschweißung erforderliche.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Kontaktfläche
(2) durch Reduzierung der Adhäsionskräfte erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Kontaktfläche
(2) durch Erzeugen einer hochkristallinen Oberflächenschicht in diesem
Bereich erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Kontaktfläche
(2) durch eine Kombination von Temperatur- und/oder Adhäsionskräftereduzierung
und/oder der Erzeugung einer hochkristallinen Oberflächenschicht
erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reduzierung der Oberflächentemperatur durch Zuleitung eines
verflüssigten Gases in die die Kontaktfläche (2) formende Werkzeugregion
erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reduzierung der Adhäsionskräfte durch Zuführung eines geeigneten
Trennmittels in die die Kontaktfläche (2) formende Werkzeugregion
erfolgt, wobei das Trennmittel aus der Werkzeugoberfläche austritt.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugung der hochkristallinen Oberflächenschicht durch eine
Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit und/oder durch Impfung der
Oberflächenschicht mit Kristallisationskeimen (Nukleierung) über die
Werkzeugoberfläche erfolgt.
9. Spritzgießwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und einem
der Ansprüche 2 bis 8 mit mindestens einem Formelement für die Erzeugung
der Kontaktfläche einer beweglichen, insbesondere gelenkigen Verbindung
eines Vorformlings mit einem weiteren Kunststoffteil, das aus dem
gleichen Material wie der Vorformling besteht, wobei dieses Kunststoffmaterial
in Overmoulding-Technik an den Vorformling angespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formelement (4, 10) Mittel (5, 6, 10) zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Kontaktfläche (2) aufweist.
10. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formelelement (4) ein mittels verflüssigten Gases abkühlbarer Einsatz
ist, der im Werkzeug (1) von einer thermischen Isolationsschicht (5)
umgeben ist.
11. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Zuführung des verflüssigten Gases im Werkzeug (1) ein Kanal (6)
vorgesehen ist, der im Formelelement (4) endet.
12. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formelement (4) ein Einsatz aus einem porösen Material ist, und
daß der Einsatz durch das Werkzeug (1) hindurch mit einem Trennmittel
tränkbar ist.
13. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das poröse Material ein Sintermetall ist.
14. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Trennmittel Silikonöl verwendet wird.
15. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formelement (4, 10) ein Einsatz (4) mit einem Teflonüberzug (10)
ist.
16. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formelement (4, 10) ein Einsatz (4) mit einem Keramiküberzug ist.
17. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teflonüberzug (10) mit einer Goldbeschichtung versehen ist.
18. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Keramiküberzug mit einer Goldbeschichtung versehen ist.
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EP93102812A EP0565831A1 (de) | 1992-04-16 | 1993-02-24 | Verfahren zur Herstellung von Kunststoffgegenständen |
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