DE4445665C2

DE4445665C2 - Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffteilen

Info

Publication number: DE4445665C2
Application number: DE19944445665
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Gittel; Peter Prof Dr Ing Eyerer; Rolf Dipl Ing Weigele
Original assignee: Poly ID AG
Current assignee: EYERER, PETER, PROF. DR.-ING., 76228 KARLSRUHE, DE
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2014-12-22
Also published as: DE4445665A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffteilen durch Einspritzen von niedrig-viskosem Kunststoff-Ausgangsmaterial mit einer Viskosität in einem Bereich von 20 bis 140 Pa·s , vorzugsweise 40 bis 90 Pa·s, oder mit partikelförmigen und orientierbaren Füll- und Verstärkungsstoffen von 5 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%, in eine Hohlform, wobei das Kunststoff-Ausgangsmaterial während des Einspritzens in die Hohlform entsprechend seiner Fließrichtung in der Hohlform eine Orientierung erfährt, die nach der Verfestigung zu einer lokalen Anisotropie des Kunststoffes führt, und wobei die Hohlform über ihre Kontur unterschiedliche Fließquerschnitte aufweist.

Ein solches Spritzgießwerkzeug ist bekannt aus dem Artikel von H. Bangert in der Zeitschrift "Kunststoffe 79" (1989) 12, Seiten 1327-1333.

In der DE 39 34 115 C2 wird ein Spritzgießwerkzeug mit 2 Angußbohrungen und einem Heißkanalblock beschrieben, welchem jeweils ein Plastifizier- und Einspritzaggregat zugeordnet ist. Weitere Angußbohrungen werden durch Einwegventile getaktet geöffnet bzw. verschlossen, so daß damit unterschiedliche Fließwege und somit ein mehrfacher Fließrichtungswechsel des thermoplastischen Materials durchführbar ist. Durch mindestens einen, die Formteilkontur tragenden Kern, welcher gesteuert verfahrbar ist, kann ein kontinuierlicher Schichtenaufbau durch langsame Vergrößerung der Wandstärke während des Spritzrichtungswechsels realisiert werden. Dieses komplizierte Werkzeug erfordert 2 Plastifizier- und Einspritzaggregate sowie aufwendige Werkzeug- und Steuerungstechnik und ist daher nur für sehr teure Formteile bzw. für eine Großserienfertigung geeignet.

Eine Orientierung des Schmelzestromes ist nur in Richtung sich jeweils gegenüberliegender Angußbohrungen möglich, so daß nur bestimmte Formteilgeometrien mit hohem Orientierungsgrad herstellbar sind. Es ist mit einem höheren Zeitaufwand bei der Verarbeitung gegenüber der herkömmlichen Spritzgießtechnik zu rechnen.

In einem anderen Verfahren nach EP 0201029 A2 wird die Herstellung von Folien und Formteilen beschrieben, in dem thermotrope Fasern oder Filamente entweder unter beliebigem Winkel geordnet zu einem Flächengebilde abgelegt oder in statistisch verteilten Richtungen vorgelegt werden oder in Form von Geweben, Gelegen, Vliesen oder Maschenwaren bei höherer Temperatur und gegebenenfalls unter Druck durch Pressen kompaktiert werden, ohne daß die Fasern bzw. die Filamente aufschmelzen, sondern nur an ihrer Oberfläche anschmelzen, so daß deren anisotrope Eigenschaften erhalten bleiben. Es können damit isotrope wie auch anisotrope Eigenschaften flächig eingestellt werden. Dieses Verfahren setzt die Herstellung von Fasern oder Filamenten voraus, erfordert eine im Winkel exakte Ablage der Zuschnitte aus Fasern bzw. Filamenten und benötigt eine Preßtechnik mit exakter Temperatursteuerung über die zu verpressende Fläche, um die Fasern nur anzuschmelzen. Das Verfahren ist sehr aufwendig, wobei es sich für Folien, nicht aber für komplizierte Formteile eignet.

Nach der DE 42 14 202 A1 werden Kunststofflaminate hergestellt, indem einzelne, in eine Richtung orientierte spritzgegossene Flüssigkristallpolymer- Schichten getrennt voneinander hergestellt und anschließend verklebt und/oder verschweißt werden oder durch Mehrfarbenspritzgieß-technik hergestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Spritzgießwerkzeug der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem in möglichst einfacher und kostengünstiger Art auch großflächige Formteile in einem Arbeitsgang herstellbar sind, bei denen durch Werkzeuggestaltung die Orientierung des Schmelzeflusses in die zu erwartende Belastungsrichtung gelegt wird und damit die hohen anisotropen Eigenschaften des Werkstoffes ausgenutzt werden wobei eine gezielte Verteilung der Fließströme des eingespritzten Kunststoffmaterials ermöglicht wird. Durch den Aufbau von Sandwich-Strukturen kann insbesondere auch die Ausbildung von vier oder mehr hochorientierten Haut schichten beim Erkalten des Kunststoffmaterials bewirkt werden, wobei der Hauptanteil des Volumens des herzustellenden Formteils durch relativ preisgünstiges Kernmaterial gebildet werden kann, während das hochwertige und damit relativ teure Hautmaterial in wesentlich geringeren Mengen eingesetzt werden muß. Hierbei sind die Herstellungskosten für die Hohlform besonders niedrig. Bei Verwendung der gleichen Hohlform können durch den Einsatz unterschiedlich geformter Formteilkerne unterschiedliche Fließquerschnittstrukturen erzeugt werden. Es können beim Formteil optisch homogene Oberflächen erzeugt werden, bei denen dennoch im Inneren unterschiedliche Orientierungen der lokalen Anisotropiebereiche des Kunststoffs bestehen. Durch Sandwichstrukturen kann eine multiaxiale Orientierung erreicht werden.

In Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fließquerschnitte ausgehend von Einspritzpunkten oder Einspritzlinien in vorbestimmten Bereichen der Hohlform derart verengt sind und/oder kurzzeitig in der Phase des Einspritzens dieses Bereiches verschlossen und anschließend geöffnet werden können, daß das einfließende Kunststoff-Ausgangsmaterial in vorbestimmte Richtungen umgelenkt wird, daß die Hohlform im Innern Fließkanäle und/oder Stege und/oder Rippen aufweist, daß die Hohlform zum Umgießen eines oder mehrerer Spritzteilkerne ausgebildet ist, wobei die Spritzteilkerne unterschiedliche Querschnitte aufweisen, so daß beim Umspritzen in Zusammenwirkung mit der Hohlform unterschiedliche Fließquerschnitte gebildet werden.

Das mehr oder weniger flüssige Kunststoff - Ausgangsmaterial füllt beim Einspritzen nämlich zunächst ausgehend von den Einspritzpunkten oder - linien diejenigen Bereiche auf seiner Flußbahn durch die Hohlform, die einen größeren Querschnitt aufweist, während Bereiche mit geringeren Fließquerschnitten erst später ausgefüllt werden, so daß durch eine entsprechende Wahl unterschiedlich großer Fließquerschnitte in vorbestimmten Bereichen der Hohlform vorbestimmte Flußrichtungen des Kunst stoffmaterials und damit vorbestimmte lokale Anisotropien im Formteil nach Verfestigung des Kunststoffes erzwungen werden.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzwerkzeuges, bei der die Hohlform Bereiche mit im wesentlichen konstanten Fließquerschnitten aufweist. Dadurch können Formteilbereiche mit nahezu konstanter Anisotropie ausgebildet werden, die an Bereiche mit anderer ebenfalls lokal konstanter Anisotropie angrenzen.

Eine besonders scharfe, definierte Abgrenzung von Bereichen unterschiedlicher Anisotropie wird durch eine Weiterbildung dieser Ausführungsform erreicht, bei der unterschiedliche Fließquerschnitte von aneinander angrenzenden Bereichen konstanten Querschnitts abgestuft ineinander übergehen.

Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der unterschiedliche Fließquerschnitte von aneinander angrenzenden Bereichen konstanten Querschnitts kontinuierlich ineinander übergehen, werden "sanfte" Übergänge zwischen den Bereichen unterschiedlicher Anisotropie erreicht.

In den Rahmen der Erfindung fallen auch Formteile aus Kunststoff, die unter Zuhilfenahme eines erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeuges der oben beschriebenen Art hergestellt sind.

Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung auch eine Verfahren zur Herstellung solcher Formteile, bei dem eine oder mehrere Formteilkerne in einem Mehrfarben-Spritzgießverfahren umgossen werden. Damit können ohne weiteres auch unterschiedliche Lagen eines "Sandwiches" mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufgrund unterschiedlicher lokaler Anisotropien hergestellt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Kunststoff - Ausgangsmaterial plastifizierbare Flüssig kristall - Polymere ( = LCP ) enthält. Dies führt zu einer Ausbildung von besonders ausgeprägten anisotropen Eigenschaften beispielsweise Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeausdehnungsver halten, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit etc.) im verfestigten Zustand des Kunststoffs. Dadurch können Bereiche des späteren Formteils mit völlig unterschiedlichen lokalen Eigenschaften erzeugt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Gestaltung eines Formteiles, beispiels weise anhand einer spritzgegossenen Platte zur Umlenkung des Schmelzestromes mit abgestuften Übergängen zu kleineren Querschnitten

Fig. 2a die schematische Gestaltung eines Formteiles, beispielsweise anhand einer spritzgegossenen Platte zur Umlenkung des Schmelzestromes mit quasi-kontinuierlichen Übergang zum kleineren Querschnitt

Fig. 2b und 2c Gestaltungsmöglichkeiten von Querschnittüber gängen zur Erzeugung von Vorzugsorientierungen

Fig. 3a die Ansicht einer Variante eines gestalteten Formteil kernes für Sandwichstrukturen am Beispiel einer Platte

Fig. 3b die Ansicht eines umspritzten Kernes und dabei erzeugte Vorzugsorientierungen in der Decklage

Fig. 4a beispielsweise die Herstellung des Kernes

Fig. 4b beispielsweise das Umspritzen des Kernes mittels Mehrfarbentechnik

Fig. 4c einen Querschnitt aus Fig. 4b mit 2 orientierten Decklagen und 4 Hautlagen.

In Fig. 1 ist beispielsweise an einer beliebigen spritzge gossenen Platte mit 1 die linienförmige Anspritzung des Formteiles, mit 2 die wesentliche Orientierungsrichtung Pfeilrichtung ) und mit 3 die Reihenfolge des Ausfließens der Kontur (hier I bis IV ) bzw. die abnehmende Plattendicke dargestellt. Wesentliche Voraussetzung des Ausfließens in dieser Reihenfolge ist das quellförmige Füllen der Kontur vom Anspritzpunkt oder -linie aus, was nur mit einem niedrigviskosen Kunststoff möglich ist, sowie die gestufte Reduzierung der Fließquerschnitte in 4, welche zu einem Umlenken der Fließfront führen. Ist dieser niedrigviskose Kunststoff orientierbar, so werden diese Orientierungen beim Erkalten eingefroren. Ein großer Vorteil bei Verwendung von Flüssigkristall-Polymeren ist, daß diese insbesondere bei kleineren Fließquerschnitten durch Ausbildung einer hochorientierten, dickeren Hautlage durch schnelleres Abkühlen auch höhere Festigkeiten erzielen.

In Fig. 2a ist beispielsweise an einer beliebigen spritzge gossenen Platte in 5 ein kontinuierlicher Übergang zu kleineren Fließquerschnitten dargestellt. Die Fig. 2b und 2c zeigen in Schnittdarstellungen in 6 und 7 weitere Beispiele des kontinuierlichen Überganges zur Umlenkung des Schmelze-stromes in gewünschter Reihenfolge 3.

In Fig. 3a ist beispielsweise an einer beliebigen spritzge gossenen Platte eine Variante eines gestalteten Formteilkernes für Sandwichstrukturen dargestellt. In diesem Formteilkern 8 sind Fließkanäle in 9 eingebracht, welche eine Querschnittsredu zierung einseitig oder beidseitig des Kernes sein können und auch nicht wie dargestellt, deckungsgleich sein müssen. Durch letzteres ist es möglich, beim Umspritzen mit orientierbarem Material an der Oberseite eine andere Fließ- und Orientierungs richtung als an der Unterseite zu erzeugen. Dieses Umspritzen wird in Fig. 3b in der Schnittdarstellung vorgestellt, wobei in 10 die Decklage dargestellt ist.

In Fig. 4a wird die Herstellung des Formteilkernes mittels Spritzgießwerkzeug in 11 als Werkzeugkontureneinsatz mit Kühlkanälen dargestellt. Über einen Anschnitt in 12 gelangt die polymere Schmelze aus der Düse in die Werkzeugkontur und bildet den Formteilkern 8 aus.

In Fig. 4b wird hier beispielsweise eine Kernkomponente mittels der Mehrfarben- Spritzgießtechnik mit einer Decklage in 10 umspritzt.

In Fig. 4c wird ein Ausschnitt eines Fließquerschnittes aus 13 in Fig. 4b dargestellt. Dabei zeigen dieser in 8 den Formteil kern, in 9 die 2 Decklagen mit jeweils 2 hochorientierten LCP- Hautlagen in 14 und in deren Mitte einer weniger orientierten LCP-Kernschicht in 15.

Claims

1. Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffteilen durch Einspritzen von niedrig-viskosem Kunststoff-Aus gangsmaterial mit einer Viskosität in einem Bereich von 20 bis 140 Pa·s, vorzugsweise von 40 bis 90 Pa·s, oder mit partikelförmigen und orientierbaren Füll- und Verstärkungs stoffen von 5 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%, in eine Hohlform, wobei das Kunststoff-Ausgangsmaterial wäh rend des Einspritzens in die Hohlform entsprechend seiner Fließrichtung in der Hohlform eine Orientierung erfährt, die nach der Verfestigung zu einer lokalen Anisotropie des Kunststoffes führt, und wobei die Hohlform über ihre Kontur unterschiedlich große Fließquerschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Fließquerschnitte ausgehend von Einspritz punkten oder Einspritzlinien in vorbestimmten Bereichen der Hohlform derart verengt sind und/oder kurzzeitig in der Phase des Einspritzens dieses Bereiches verschlos sen und anschließend geöffnet werden können, daß das einfließende Kunststoff-Ausgangsmaterial in vorbestimm te Richtungen umgelenkt wird,
- daß die Hohlform im Innern Fließkanäle und/oder Stege und/oder Rippen aufweist,
- daß die Hohlform zum Umgießen eines oder mehrerer Spritzteilkerne ausgebildet ist, wobei die Spritzteil kerne unterschiedliche Querschnitte aufweisen, so daß beim Umspritzen in Zusammenwirkung mit der Hohlform un terschiedliche Fließquerschnitte gebildet werden.

2. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform Bereiche mit im wesentlichen konstanten Fließquerschnitten aufweist.

3. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Fließquerschnitte von aneinander angrenzenden Bereichen konstanten Querschnitts abgestuft ineinander übergehen.

4. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Fließquerschnitte von aneinander angrenzenden Bereichen konstanten Querschnitts kontinuierlich ineinander übergehen.

5. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche mit unterschiedlichen und/oder auch gleichen Fließquerschnitten auch durch Fließbarrieren vollständig oder teilweise voneinander getrennt sind, welche in der Phase des Einspritzens des Kunststoff-Ausgangsmaterials nach der Füllung dieses Bereiches zeitabhängig getaktet vollständig oder teilweise, bezogen auf den Fließquer schnitt, in geeigneter Weise zurückgezogen werden kön nen, so daß der/die nachfolgende(n) Bereich(e) gestuft in jeweils vorbestimmten Richtungen gefüllt und orien tiert werden.

6. Formteil aus Kunststoff, hergestellt mit einem Spritzgießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Spritz teilkerne mit einem Mehrfarben-Spritzgießverfahren her gestellt und umgossen werden.

8. Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoff- Ausgangsmaterial gewählt wird, welches plastifizierbare Flüssigkristall-Polymere (=LCP) enthält.