DE102011100132B4

DE102011100132B4 - Verfahren zur Herstellung polymererHohlkörper

Info

Publication number: DE102011100132B4
Application number: DE102011100132.1A
Authority: DE
Inventors: Moritz Gründler; Tilo Hildebrand
Original assignee: Ver Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Ver Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2011-04-30
Filing date: 2011-04-30
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2031-05-01
Also published as: DE102011100132A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum durch Verdrängung eines Projektils, vorangetrieben durch den Fluiddruck, geschaffen wird, wobei das Projektil aus einem der Fluide Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder Wasser im festen Aggregatzustand besteht und während und nach der Hohlraumausbildung durch das treibende Fluid (6), welches der gleiche Stoff wie das Projektil ist, seinen Aggregatszustand von fest nach flüssig oder gasförmig verändert

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper unter Zuhilfenahme eines schmelzeverdrängenden Projektils und der Fluidinjektionstechnik (FIT). Die Erfindung bezieht sich dabei auf die Verbesserung der Gebrauchseigenschaften der Hohlraumkörper und die Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Projektilinjektionsverfahrens mithilfe der Fluidinjektionstechnik. Mit Hilfe der Erfindung kann der Hohlraum homogen und reproduzierbar ausgebildet und das Projektil durch eine Phasenumwandlung mit dem treibenden Fluid rückstandslos aus dem Hohlkörper entfernt werden.
Die FIT ermöglicht durch die gezielte Fluidinjektion, in bestimmten, noch schmelzeförmigen Bereichen eines polymeren Bauteils unter Verdrängung der Schmelzeseele in zunächst ungefüllte oder zusätzlich geöffnete Kavitätsbereiche Hohlräume zu erzeugen. Nach der vollständigen Füllung der Kavität wird über das Fluid ein Nachdruck aufgebracht. Als Fluide können beliebige Flüssigkeiten und Gase verwendet werden.
Stand der Technik
Durch die Verwendung eines Fluids anstelle einer Kernkomponente werden Hohlkörper im Spritzgießverfahren gefertigt. Dabei werden bei der sogenannten Fluidinjektionstechnik (FIT) in Abhängigkeit des hohlraumausbildenden Mediums verschiedene Verfahren unterschieden. Die in DE 102005048082 A1 beschriebene Gasinjektionstechnik (GIT) nutzt zur Hohlraumausbildung ein druckbeaufschlagtes Gas. Die Wasserinjektionstechnik (WIT) nutzt Wasser zur Hohlraumausbildung.
Die Restwanddicke sowie die Restwanddickenverteilung über dem Umfang und entlang des Hohlkörpers stellen zentrale Qualitätsmerkmale bei Kunststoffhohlkörpern dar und legen in entscheidendem Maße die Bauteileigenschaften sowie Bauteilkosten fest. Bei der konventionellen FIT wird die Restwanddicke maßgeblich über die Fließeigenschaften des verwendeten Polymers festgelegt. Die lokale Restwanddicke variiert positionsabhängig gleichermaßen radial und axial. Eine radial unterschiedliche Restwanddickenverteilung tritt insbesondere in und nach Umlenkungen auf. Axial stellt sich bei mittels FIT hergestellten Hohlkörpern je nach verwendeter Verfahrensvariante eine charakteristische Restwanddickenverteilung über dem Fließweg ein.
Eine Beeinflussung der Restwanddickenverteilung über eine Variation der Prozessparameter ist bei der FIT nur in sehr eingeschränktem Maße möglich. Über die Fluidverzögerungszeit, den Fluidvolumenstrom bzw. den Fluiddruck sowie die Massetemperatur lassen sich die lokalen Restwanddicken geringfügig anpassen. Allerdings wird dies zumeist auf Kosten einer verringerten Prozessstabilität oder einer verlängerten Zykluszeit erkauft. In der industriellen Praxis ist somit bei Wahl der Außengeometrie und des Einsatzwerkstoffs die Restwanddickenverteilung praktisch festgelegt.
Dies führt in den meisten Fällen bei der Fluidinjektionstechnik zu einem unnötig hohen Materialeinsatz. Bei mechanisch unkritisch belasteten Bauteilen ergeben sich im gesamten Bauteil unnötig große Restwanddicken, bei mechanisch kritisch belasteten Bauteilen muss letztendlich die dünnste Restwanddicke in Umlenkungen berücksichtigt werden. Unvermeidbare Exzentrizitäten des Hohlraums führen auch hier zu unnötig hohem Materialeinsatz.
Der Einsatz eines Projektils zur Schmelzeverdrängung eröffnet das Potenzial, die Restwanddicken unabhängig von den rheologischen Eigenschaften des Materials einzustellen und somit im Vergleich zur konventionellen Fluidinjektionstechnik zu reduzieren. Die Grundidee der Nutzung eines fluidgetriebenen Projektils zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern wurde bereits in den 1990er Jahren u.a. in JP H04- 208 425 A , EP 0 757 936 B1 , JP H07- 108 562 A , DE 69615114 T2 , WO 2002/14046 A1 und US 2011/0285057 A1 sowie bei der in DE 102009048837 A1 offengelegten Projektilinjektionstechnik (PIT) beschrieben.
In WO 2010/007142 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung des verdrängenden Projektils mit anschließender Hohlraumausbildung innerhalb eines Gießzyklus offengelegt. Dabei besteht das Material des Projektils aus demselben Material wie das zu verdrängende Gießmaterial. Die DE 10 2010 015 452 B3 beschreibt ebenfalls ein PIT- Verfahren, bei dem sich die Dimension des Projektils während der Hohlraumausbildung verändert. Dazu wird ein Projektil mit einem elastischen oder plastischen Abschnitt verwendet, welcher in Abhängigkeit des Fluiddrucks seinen wirksamen Außendurchmesser verändern kann.
Falls die mechanischen Anforderungen an das Bauteil dies zulassen, kann mithilfe des Projektils sowohl eine signifikante Reduzierung des Materialverbrauchs als auch der Zykluszeit bei der Herstellung von Kunststoffhohlkörpern erzielt werden. Der verfahrensabhängige charakteristische Restwanddickenverlauf über der Fließweglänge kann mithilfe der PIT vergleichmäßigt werden, was bei der Einhaltung einer Mindestwanddicke im Formteil zu einer weiteren Reduzierung des Materialverbrauchs führen kann.
Eine weitere, maßgebliche Einschränkung der Fluidinjektionstechnik stellt die fehlende Eignung vieler Kunststoffe für die Fluidinjektionstechnik dar. Die Hohlraumausbildung hängt stark von den rheologischen Eigenschaften der Polymere ab. Bei der PIT wird ein grundsätzlich anderer Mechanismus zur Hohlraumausbildung genutzt. Die schmelzeflüssige Seele wird durch ein starres Projektil verdrängt und das Fluid kommt erst nach der Restwanddickenausbildung mit der Polymerschmelze in Kontakt. Somit kann möglicherweise für einige Anwendungen auf teure, gesondert für die FIT entwickelte Compounds verzichtet werden. Stattdessen können günstigere Standardprodukte der gleichen Werkstofftype zum Einsatz kommen.
Bei der Fluidinjektionstechnik werden diverse Defekte an den hergestellten Bauteilen beobachtet. Exemplarisch seien folgende FIT-typische Defekte genannt: Doppelwandbildung, Lunker und Auffächerungen, Hohlraumexzentrizität und Glasfaserauswaschungen .
Bei einem Teil der Defekte handelt es sich um eine Ausbildung mehrerer paralleler und von der Gestalt her nicht definierter Kanäle im Formteilinneren. Diese Kanäle sind voneinander ganz oder teilweise durch dazwischenstehende Schmelzestege oder -häutchen abgetrennt. Dieses Phänomen kann auf Verdüsungseffekte des Fluidstrahls in der Polymerschmelze zurückgeführt werden, sodass keine stetige Hohlraumausbildung erfolgen kann.
Diesen Bauteildefekten kann heute nur durch die Auswahl geeigneter Kunststoffmaterialien und/oder Prozessparameter entgegengewirkt werden. Die Auswahl eines geeigneten Materials erfordert umfangreiche Voruntersuchungen sowie aufwändige und daher teure Materialmodifikationen. Darüber hinaus ist der Anwender in seiner Materialauswahl durch die Begrenzung auf FIT-geeignete Typen eingeschränkt, sodass häufig kein optimal auf die Anwendung abgestimmtes Material verwendet werden kann.
Neben der Möglichkeit, bei bestehenden FIT-Produkten die Kosten zu senken, besitzt die PIT darüber hinaus das Potenzial das bisherige Anwendungsspektrum der FIT zu erweitern. So ist es bei der PIT denkbar, für die FIT ungünstige Fließkanalquerschnitte mit scharfen Kanten, beispielsweise quadratische Querschnitte, oder aber extreme Breiten/Höhen-Verhältnisse gleichmäßig ohne Masseanhäufungen in der Restwand auszuhöhlen. Darüber hinaus wäre es.ggf. möglich, die für die FIT realisierbaren Durchmesser auf über 60 mm zu steigern und dort bei bestimmten Anwendungen mit dem Extrusionsblasformen zu konkurrieren.
Nachteile des Standes der Technik
Neben den oben beschriebenen Vorteilen bei der Verwendung der PIT entstehen bei der konventionellen PIT auch Nachteile. Große Herausforderungen bestehen in der Herstellung und dem Gebrauch der Projektile, sowie insbesondere dem Verbleib bzw. der Entfernung der Projektile nach der Hohlraumausbildung. Bei einer Anwendung im Bereich der funktionellen Hohlräume wie Medienleitungen und Rohren ist eine Entfernung des Projektils in der Regel zwingend erforderlich, damit die Durchgängigkeit des Hohlraums gewährleistet ist. Auch bei hohlen Strukturbauteilen darf das Projektil nach der Hohlraumausbildung teilweise nicht mehr im Bauteil verbleiben, da einerseits das Bauteilgewicht erhöht wird und andererseits bei dynamischer Belastung die Gefahr besteht, dass sich das Projektil vom Bauteil loslöst und ein unerwünschtes Klappern auftritt.
Das Entfernen des Projektils bedingt einen zusätzlichen wirtschaftlichen Aufwand, da ein zusätzlicher Nachbearbeitungsschritt wie das Abtrennen oder -sägen des Projektils erforderlich ist. Zudem entsteht durch die Projektilentfernung in der Regel eine Hohlraumöffnung am Bauteil, die das Design einschränkt und in weiteren nachgeschalteten Prozessschritten wie lackieren oder galvanisieren und im Gebrauch zu Problemen durch Flüssigkeitsaufnahme führt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Hohlraumausbildung mit Hilfe eines fluiden Verdrängerkörpers im festen Aggregatszustand durchzuführen. Während und nach der Hohlraumausbildung erfolgt eine Phasenumwandlung des Projektils von fest nach flüssig oder gasförmig, wodurch sich dieses rückstandslos aus dem Hohlkörper entfernt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 17 gelöst.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass während -und nach der Hohlraumausbildung das Projektil in einen nicht-festen Aggregatzustand übergeht und somit rückstandslos entfernt werden kann. Dieser Vorteil ist insbesondere für Verfahrensvarianten interessant, bei denen durch Anwendung der konventionellen PIT das Projektil im Bauteil verbleibt, dort aber einen störenden Einfluss hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle denkbaren Verfahrensvarianten der konventionellen Fluid- und Projektilinjektionstechnik möglich. Generell kann der schmelzeförmige Polymerkern durch das Projektil in noch ungefüllte bzw. kurz zuvor geschaffene Formhohlräume oder zurück ins Spritzgießaggregat verdrängt werden. Allen Verfahrensvarianten ist gemein, dass das injizierte Fluid jeweils die Funktion des Nachdrucks übernimmt.
• Short-Shot-Verfahren (Aufblasverfahren)
Kennzeichnend für das Short-Shot-Verfahren ist eine untervolumetrische Kavitätsvorfüllung mit Polymerschmelze (vorzugsweise 50-95 %). Die volumetrische Ausformung der Kavität erfolgt erst durch die sich an die Teilfüllung mit Schmelze anschließende Injektion von Fluid, bei der die schmelzeflüssige Seele durch das Projektil zum Fließwegende verdrängt und dabei sukzessive aufgebraucht wird.
• Full-Shot-Verfahren (Ausblasverfahren)
Charakteristisch für die Full-Shot-Verfahren ist zunächst eine volumetrische Füllung der Werkzeugkavität mit Polymerschmelze. Bezüglich der Platzierung der Injektoren und Projektile und der anschließenden Injektion von Fluid ergeben sich die kennzeichnenden Unterschiede zwischen Nebenkavitäten- und Masserückdrückverfahren.
• Kernzugverfahren
Beim Kernzugverfahren erfolgen die Injektion des Fluids und das Vorantreiben des Projektils gegen einen beweglichen Kern, der während der Fluidinjektion aus der Kavität gezogen wird und so zusätzliches Verdrängungsvolumen in der Hauptkavität freigibt.
Zur Steigerung der Kühlwirkung bieten sich für alle Verfahrensvarianten insbesondere bei großvolumigen Bauteilen und längeren Kühlzeiten bzw. hohen Spülwasservolumenströmen so genannte Spül- bzw. Durchflussverfahren an. Hier wird nach der Injektion des Fluids, vorzugsweise einer kühlenden Flüssigkeit, ein Durchbruch im Formteil erzeugt. Zu diesem Zweck wird mindestens ein zweiter Werkzeuginjektor benötigt, sodass über die beiden Öffnungen der Spülkreislauf aufgebaut werden kann und der entstandene Hohlkörper anschließend kontinuierlich mit Fluid durchströmt wird.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt 1 den Verfahrensablauf der Projektilinjektionstechnik für das Aufblasverfahren, nachdem das Projektil (3) bereits auf dem Fluidinjektor (4) im Formhohlraum (2) platziert und das Werkzeug (1) geschlossen wurde (a). Die fließfähige Formmasse (5) wird mit einem Einspritzaggregat (7) in den Formhohlraum (2) des geschlossenen Werkzeugs (1) untervolumetrisch injiziert (b). Dabei wird das Projektil von der fließfähigen Formmasse umflossen. Anschließend wird ein Fluid (6) injiziert, welches einen Druck aufbaut, der das Projektil durch die fließfähige Formmasse treibt und einen der Projektilgeometrie entsprechenden Hohlraum ausformt (c). Dabei kommt es bereits zum Abschmelzen oder Sublimieren des Projektils. Anschließend wird über das Fluid ein Nachdruck aufgebracht, der das Formteil an die Wandung des Formhohlraums drückt. Nach dem Erstarren der Formmasse wird der Fluiddruck abgelassen und das Fluid aus dem Bauteil entfernt (d). Das Projektil, welches sich durch eine Phasenumwandlung auflöst, wird ebenfalls rückstandslos aus dem Bauteil entfernt.
Bezugszeichenliste

(a): Schritt 1: Positionierung des Projektils
(b): Schritt 2: Schmelzeinjektion
(c): Schritt 3: Fluidinjektion
(d): Schritt 4: Entfernung des Fluides

(1): Spritzgießwerkzeug
(2): Formhohlraum
(3): Projektil im festen Aggregatszustand aus einem Fluid
(4): Injektor zur Fluidinjektion
(5): Fließfähige Formmasse
(6): Fluid
(7): Einspritzaggregat zur Injektion der fließfähigen Formmasse

Claims

Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum durch Verdrängung eines Projektils, vorangetrieben durch den Fluiddruck, geschaffen wird, wobei das Projektil aus einem der Fluide Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder Wasser im festen Aggregatzustand besteht und während und nach der Hohlraumausbildung durch das treibende Fluid (6), welches der gleiche Stoff wie das Projektil ist, seinen Aggregatszustand von fest nach flüssig oder gasförmig verändert
Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine untervolumetrische Injektion eine fließfähige Formmasse (5) in einen Formhohlraum (2) eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges (1) eingebracht wird und durch eine anschließende Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse eine Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das fluidgetriebene Projektil in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume stattfindet und nach der Verfestigung der Formmasse eine Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges ermöglicht.
Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine untervolumetrische oder volumetrische Injektion eine fließfähige Formmasse (5) in einen Formhohlraum (2) eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges (1) eingebracht wird und durch eine anschließende Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse eine Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das fluidgetriebene Projektil in Richtung ungefüllter oder zusätzlich geschaffener Formhohlräume stattfindet (c) und nach der Verfestigung der Formmasse eine Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges ermöglicht.
Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine untervolumetrische oder volumetrische Injektion eine fließfähige Formmasse (5) in den Formhohlraum (2) eines mehrteiligen und geschlossenen Formwerkzeuges (1) eingebracht wird und durch eine anschließende Injektion eines Fluids in die fließfähige Formmasse eine Ausbildung eines mit dem Fluid gefüllten Hohlraumes innerhalb der Formmasse durch Verdrängung der Formasse durch das fluidgetriebene Projektil zurück in Richtung Einspritzstelle stattfindet und nach der Verfestigung der Formmasse eine Entformung des Hohlkörpers aus dem Formhohlraum durch Öffnen des Formwerkzeuges ermöglicht.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaffung zusätzlicher Hohlräume stetig erfolgt, wie durch das Kernzugverfahren.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaffung zusätzlicher Hohlräume unstetig durch Freigabe eines weiteren Formhohlraums erfolgt, wie durch das Nebenkavitätenverfahren.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Projektil (3) in den zusätzlich freigegebenen Formhohlraum verdrängt wird, zunächst dort verbleibt und durch Wechsel des Aggregatszustands aus dem Hohlkörper entfernt werden kann, der mit oder ohne das fluide Projektil in einem weiteren Bearbeitungsschritt vom Bauteil entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige Formmasse aus mehreren, vorzugsweise zwei, Komponenten besteht, die sequenziell durch ein Angusssytem in den Formhohlraum injiziert werden, sodass sich die Komponenten ineinander wie beim Sandwichspritzgießen ausbreiten und durch die Verdrängung des fluiden Projektils durch das injizierte Fluid ein mehrschichtiger Hohlkörper entsteht.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige Formmasse aus mehreren, vorzugsweise zwei, Komponenten besteht, die durch mehrere Angusssysteme in den Formhohlraum injiziert werden, sodass die Komponenten nebeneinander wie bei der Biinjektionstechnik vorliegen und durch die Verdrängung des fluiden Projektils durch das injizierte Fluid ein sequenziell aufgebauter Hohlkörper entsteht.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum eine oder mehrere Gabelungen aufweist und der Hohlraum entlang eines Fließpfads durch die Verdrängung des fluiden Projektils durch das injizierte Fluid erzeugt wird, während die übrigen Hohlräume durch die Verdrängung der fließfähigen Formmasse direkt durch das injizierte Fluid wie bei der konventionellen Fluidinjektionstechnik erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass als fließfähige Formmasse gefüllte oder ungefüllte Thermoplastschmelzen eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass als fließfähige Formmasse verstärkte oder unverstärkte vernetzende Formmassen, wie Elastomere oder Duroplaste, eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der treibende Druck zur Verdrängung der fluiden Projektile durch das Verdampfen der Fluide verstärkt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Projektil eine dreidimensionale Geometrie wie Kugel, Zylinder, Kegel, Paraboloid, Quader oder Mischungen daraus aufweist, oder eine dreidimensionale Geometrie, die keine Symmetrieebenen oder -achsen aufweist und sich während der Hohlraumausbildung verändern kann.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Projektil prozessintegriert durch Veränderung des Aggregatszustands hin zur festen Phase erzeugt wird, beispielsweise durch gezielte Temperatur- und Druckführung im Formhohlraum oder in einer separaten Kammer, in welche das Fluid vor der Hohlraumausbildung eingeleitet wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz mehrerer geeigneter parallel angeordneter fluider Projektile der Hohlraum mehrkanalig hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung der Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz eines geeignet aufgebauten fluiden Projektils Hohlräume mit sequentiell unterschiedlichen Hohlraumdurchmessern erzeugt werden.