DE1138210B

DE1138210B - Verfahren zur Herstellung von Formkoerpern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Spritzgiessmaschinen

Info

Publication number: DE1138210B
Application number: DEA33101A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing August Kleine-Albers
Original assignee: Ankerwerk Gebr Goller
Current assignee: Ankerwerk Gebr Goller
Priority date: 1959-10-21
Filing date: 1959-10-21
Publication date: 1962-10-18
Also published as: CH397234A; AT248678B

Description

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Spritzgießmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Spritzgießmaschinen, insbesondere Schnecken-Spritzgießmaschinen, unter der Einwirkung mehrerer Drücke und Einspritzgeschwindigkeiten.
Bei der Lösung der Aufgabe, hochfeste Spritzlinge, beispielsweise Fittingteile für Druckrohrleitungen, herzustellen, wurde, wie allgemein bekannt ist, ursprünglich davon ausgegangen, daß, speziell bei der Verarbeitung von weichmacherfreiem Polyvinylchlorid, ein Druck von etwa 2500 kglcm2 und mehr die höchsten Festigkeitswerte erbringt. Es ist nun im Gegensatz dazu beim Verarbeiten solcher Kunststoffe mit Spritzgießmaschinen, insbesondere Schnecken-Spritzgießmaschinen, festgestellt worden, daß immer dann, wenn hohe Drücke in dem Spritzling wirksam werden, zwar ein sehr harter, aber glasspröder Fitting entsteht, der sehr niedrige Kerbschlagwerte und entsprechend niedrige und stark schwankende Berstdruckfestigkeitswerte aufweist. Diese Feststellung wurde beispielsweise in Regel an den auf dem deutschen Markt befindlichen weichmacherfreien Polyvinylchloridtypen gemacht.
Um hochwertige Spritzlinge mit guter Oberflächenbeschaffenheit herstellen zu können, ist bereits ein Spritzgußverfahren vorgeschlagen worden, nach dem auf die unter hohem Druck in den Formhohlraum eingespritzte plastische Masse während des Erstarrungsvorganges zusätzlich ein zweiter Druck einwirkt, der bei allseitig geschlossener Form von einem beweglichen Teil derselben entgegen der Einspritzrichtung aufgebracht wird.
Um bei der Herstellung von Spritzlingen Sprödigkeit, poröse oder schadhafte Stellen und Stellen von Festigkeitsunterschieden zu vermeiden, wurde ein weiteres Verfahren entwickelt, bei dem eine größere als für das fertige Formteil erforderliche Menge heißen plastifizierten Kunststoffes bei erst teilweise geschlossener Form in den Formhohlraum gespritzt wird. Nach Beendigung des Formfüllvorganges wird die Form dann völlig geschlossen. Dabei wird unter Einwirkung des Formschließdruckes, der den Spritzdruck überwindet, der Masseüberschuß durch die Formteilungsfuge oder besondere Öffnungen der Form wieder aus der Form herausgequetscht oder auch in den Spritzzylinder zurückgepreßt, worauf der gespritzte Gegenstand in der üblichen Weise in der Form abgekühlt wird.
In einem ähnlichen bekannten Verfahren wird der plastifizierte Kunststoff in einer zur Herstellung des fertigen Gegenstandes ausreichenden Menge in die noch nicht geschlossene Form eingespritzt, und erst dann wird die Form vollständig geschlossen. Dadurch soll ein Spritzling gefertigt werden, der nahezu frei von inneren Spannungen ist, keine Fehler aufweist und eine saubere, glatte Oberfläche hat.
Nach einem weiteren bekannten Verfahren zum Herstellen von Gegenständen verschiedener physikalischer Eigenschaften oder Färbung werden die thermoplastischen Kunststoffe unter Zu- bzw. Abnahme von entsprechenden Weichmachermengen mittels einer geringen Anzahl von Fördervorrichtungen einer beliebig großen Anzahl von Mischvorrichtungen zugeführt, die die Kunststoffe innig vermischen und an das Mundstück weiterleiten, wo sie anschließend verformt werden. Dieses Verfahren soll die Herstellung von Gegenständen in verschiedener Färbung garantieren, wobei die Gegenstände entweder biegsam, nachgiebig oder steif sein können.
Außerdem lassen sich durch dieses Verfahren Gegenstände herstellen, die z. B. durchaus biegsame und nachgiebige Stellen aufweisen, wobei die Biegsamkeit und Nachgiebigkeit an den anschließenden Stellen bis zur vollständigen Steifigkeit, oder umgekehrt, allmählich abnimmt.
Mit diesen bekannten Verfahren ist es beim Verarbeiten eines beliebigen Materialtyps auf Spritzgießmaschinen jedoch nicht möglich, den Verarbeitungsprozeß innerhalb eines Arbeitszyklus - ohne zusätzliche Substanzen in das zu verarbeitende Material einzuführen - so zu beeinflussen, daß Spritzlinge hergestellt werden können, die je nach Wunsch durchgehend ein sprödes oder durchgehend ein zähes Verhalten zeigen oder örtlich einen zähen Schweißnaht- bereich und einen spröden Angußbereich oder eine spröde Fließnaht und einen zähen Anguß aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es nun beispielsweise bei Verwendung von Schnecken-Spritzgießmaschinen, unter gleichzeitiger Vermeidung der vorbeschriebenen Nachteile Spritzlinge mit durchgehend sprödem oder durchgehend zähem Verhalten oder örtlich zähem Schweißnahtbereich und sprödem Angußbereich oder spröder Fließnaht und zähem Anguß dadurch herzustellen, daß der äußere Formfülldruck mittels an sich bekannter Druck- und Einspritzgeschwindigkeitssteuervorrichtungen derart bemessen und gesteuert wird, daß zuerst mit hohem äußerem Druck und hoher Geschwindigkeit eingespritzt wird und daß dann kurz vor vollendeter Formfüllung der äußere Formfülldruck stufenweise oder stufenlos in Anpassung an die Viskosität der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse entweder zur Erzielung eines ganz oder teilweise zähen oder weichen Formteiles um so mehr auf einen niedrigen inneren Druck reduziert wird, je geringer die Viskosität ist, und/oder, umgekehrt, zur Erzielung eines ganz oder teilweise spröden oder harten Formteiles auf einen um so höheren Druck gesteuert wird, je höher die Viskosität der Schmelze ist.
Die Erfindung beruht auf der durch eingehende Untersuchungen bei der Herstellung von Fittingteilen aus thermoplastischen Massen gewonnenen Erkenntnis, daß ein Spritzling eine um so höhere Kerbschlagzähigkeit und ein um so größeres Dehnvermögen erhält, je niedriger der im Augenblick der Erstarrung auf ihn wirkende Druck ist. Diese Steigerung des Dehnvermögens geht einerher mit einem so bedeutenden Festigkeitszuwachs, daß im Dauerbetrieb eine Festigkeit bis zum eineinhalbfachen Wert der bekannten Grundmaterialfestigkeit von vergleichbaren homogenen Rohrkörpern erreicht wird.
In mehreren Versuchsreihen auf der gleichen Maschine, aber mit unterschiedlichen Plastifizierzylindern, und auf zwei anderen Maschinentypen konnte eindeutig gefunden und nachgewiesen werden, daß die an sich im Material vorhandene Zähigkeit bei der Plastifizierung nur dann erhalten bleibt, wenn die Erstarrung bei Drücken erfolgt, die im Bereich von etwa 20 bis 800 kg/cm2 liegen. Je dünnflüssiger dabei die Masse ist, desto niedriger muß der Erstarrungsdruck gewählt werden, damit keine innere Kompression im Material erstarrt, die das Material versprödet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur Spritzlinge hergestellt werden, die je nach Wunsch ein durchgehend sprödes oder ein durchgehend zähes Verhalten zeigen oder örtlich je nach der Drucksteuerung einen zähen Schweißnahtbereich und einen spröden Angußbereich oder eine spröde Fließnaht und einen zähen Anguß aufweisen, sondern es können auch beispielsweise beim seitlichen Anspritzen von muffenartigen Körpern durch eine entsprechende Drucksteuerung eine zähe Schweißnaht und ein zäher Anguß erzeugt werden, wobei zwischen beide Zonen durch eine zeitabhängige Drucksteuerung eine Sprödzone wählbarre Größe eingeschoben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen sei nachfolgend noch näher erläutert: Die in an sich bekannter Weise erzeugte Schmelze wird bei Anwendung geeigneter Angüsse unter einem Druck eingespritzt, Einspritz- oder Fülldruck (ein rein hydrodynamischer Vorgang), der durch Überwindung der Fließwiderstände in der Form zur raschen Formfüllung führt, wobei im allgemeinen hoher Druck zur schnellsten Formfüllung angewandt wird. Während des Erstarrungsvorganges wird die Masse dann unter einen Druck gesetzt, Nachdruck oder Strukturdruck (ein quasi statischer Vorgang), der dem gewünschten Festigkeitsverhalten des Formkörpers entspricht. Durch die Wahl des Zeitpunktes für die Druckumsteuerung und der Höhe dieses Nachdruckes kann hierbei festgelegt werden, ob der Formkörper ein durchgehend zähes oder ein durchgehend sprödes oder in einzelnen Zonen ein zähes, in anderen Zonen ein sprödes Verhalten bekommt.
Die Umsteuerung des Druckes auf niedrige Werte kurz vor Beendigung der Formfüllung führt dabei zu durchgehend zähem Verhalten formgerechter und lunkerfreier Formkörper. Dieser Prozeß kann noch eine Verfeinerung dadurch erhalten, daß während der restlichen Formfüllung unter Strukturdruck mit der hohen Einspritzgeschwindigkeit der Fülldruckphase gearbeitet wird, die axiale Geschwindigkeitsbeaufschlagung des Kolbens bzw. der Schnecke also erst nach voller Füllung reduziert wird. Eine in diesem Augenblick steuerbar einsetzende zweite Druckregelung läßt die Strukturbeeinflussung ebenfalls noch feiner beherrschen. Die Drucksenkung kann auch stufenlos erfolgen, wenn sie nur dem genannten Verformungs- und Strukturprozeß angeglichen ist.
Der große technische Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es erstmals durch seine Anwendung bei der Verarbeitung von weichmacherfreiem Polyvinylchlorid ohne Elastomerbeigabe möglich wurde, streng wiederholbar, je nach Wahl zähe Teile mit bis eineinhalbfacher bekannter Grundmaterialfestigkeit oder spröde Teile mit niedrigen Festigkeitswerten (bis etwa 30 °/o der bekannten Grundmaterialfestigkeit) zu erzeugen. Seither ist es kein Risiko mehr, technisch hochbelastete Teile aus weichmacherfreiem Polyvinylchlorid, z. B. Rohrverbindungen, herzustellen. Die teueren Beimengungen von Elastomeren können eingespart werden. Gewöhnliches weichmacherfreies Polyvinylchlorid ist damit ein hochwertiger Spritzgußwerkstoff geworden.
Die Spritzgußmaschinen können bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zur vierfachen bisherigen Leistung eingesetzt werden und größte Formkörper höchster Qualität erzeugen, da die Spritzdrücke teilweise bis auf ein Zehntel absinken.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist dafür zu sorgen, daß die Form rasch gefüllt wird und der Spritzling in allen Bereichen unter so niedrigem Nachdruck erstarrt, daß keine Schwindungslunker entstehen, aber auch möglichst wenig oder keine Massenkompression einfriert, die ein sprödes Verhalten erzeugt. Das bedeutet, es dürfen keine Druckspitzen in der Masse auftreten, und die Abkühlungsfront in dem Spritzling sollte sich in möglichst idealer Weise vom entferntesten Punkt in Richtung auf den Anguß bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, den Druck während der Abkühlung im Spritzling zu steuern und die Formkörper ganz oder teilweise zäh zu erzeugen.
Als weiterer technischer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, daß die erforderlichen Formzuhaltekräfte der Maschine wesentlich kleiner sind und deshalb entsprechend größere Formteile auf der gleichen Maschine hergestellt werden können. Außerdem können die verwendeten Stahlformen mit wesentlich dünneren Wandstärken gebaut werden, da keine Drücke in der Größenordnung eines Einspritzdruckes bis etwa 2500 kg/cm2 auftreten. Während man bisher zur Erhöhung des Druckes die Plastifizierleistung der Maschinen auf den halben Wert und weniger verringern mußte, kann man bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Plastifiziermengen und Drücken arbeiten, wie sie bisher nur bei dem leicht plastifizierbaren und fließenden Polyäthylen erreichbar waren.
Das folgende Beispiel zeigt, auf welche Weise das erfindungsgemäße Verfahren ausgeübt und die vorerwähnten technischen Vorteile erzielt werden können.
Mit der Plastifiziervorrichtung einer Spritzgießmaschine wird weichmacherfreies Polyvinylchlorid plastifiziert, wobei die Temperatur und die Plastifizierwirkung so gesteuert werden, daß eine möglichst hohe Dünnflüssigkeit der plastischen Masse, etwa 2 bis 30 C unterhalb einer erkennbaren Verbrennung, erreicht wird. Dann spritzt man möglichst rasch in eine Form, die die Voraussetzungen einer inneren Drucksteuerung nach obiger Beschreibung erfüllt.
Zunächst füllt man die Form nur teilweise und prüft an der Oberfläche der Fließfront die Qualität der Schmelze. Werden die Oberflächen auch bei raschem Füllen rauh, so ist die Temperatur der Masse in der Form zu niedrig. Man verbessert die Temperaturführung der Masse bis zum Eintritt in die Form so lange, bis deutlich glänzende Fließfronten beobachtet werden. Dann spritzt man mehr und mehr Kunststoff in die Form, bis etwa 80 bis 902°/o der Form gefüllt sind. Man bestimmt den zu dieser teilweisen Füllung notwendigen axialen Kolben- oder Schneckenweg und/oder die erforderliche Einspritzzeit und erhöht erneut die einzuspritzende Menge, jedoch derart, daß bei Erreichen von 90 bis 950/0 Füllung, je nach Art der Form, mit den an sich bekannten Vorrichtungen der Einspritzdruck auf einen niedrigen Wert weg-und/oder zeitabhängig heruntergeschaltet wird. Ein Teil der restlichen Füllung erfolgt zweckmäßig mit großer Einspritzgeschwindigkeit, jedoch bereits bei ermäßigtem Druck. Der letzte Rest der Formfüllung kann dann mit niedriger Geschwindigkeit und, wenn einstellbar, noch niedrigerem Druck erfolgen.
Die nachfolgende Tabelle zeigt zum Vergleich die beispielsweise in einer Versuchsserie mit einem l"-Muffenstück aus Hart-Polyvinylchlorid gefundenen Berstdruck- und Berstdruckvergleichsfestigkeitswerte einerseits bei einer Herstellung nach den bisher bekannten Verfahren (Zeilen 1, 2 und 3) und andererseits bei einer Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Zeile 4).

Ein Vergleich der hydraulischen Berstdruckwerte p und der Berstdruckvergleichsfestigkeitswerte ov der Zeilen 1, 2 und 3 einerseits und der Zeile 4 andererseits zeigt, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wesentliche Steigerung der Mittelwerte des Berstdruckes p und der Berstdruckvergleichsfestigkeit nV erreicht wird.

Berstdruck- Bruchverhalten

Zeile Art der Anguß Einspritt- Nachdruck Hydraulischer vergleichs-

Spritzgießmaschine form druck Berstdruck p festigkeit o v unter Quetschprobe

kgiom2 kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 Berstdruck im Schraubstock

1 Kolbenmaschine punkt- 2500 2500 140 bis 220 420 bis 660 glasspröde spröder Bruch

förmig

2 Schnecken- punkt- 1800 1800 90 bis 180 270 bis 540 glasspröde spröder Bruch

Spritzgieß- förmig

maschine

3 Schnecken- Stangen- 1800 1800 130 bis 180 330 bis 540 glasspröde spröder Bruch

Spritzgieß- anguß

maschine

4 Schnecken- Stangen- 400 200 200 bis 220, 620 bis 680, zähfließend kann mehrfach

Spritzgieß- anguß im Mittel 211 im Mittel 643 ohne Bruch

maschine 1 gequetscht

werden

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Spritzgießmaschinen, insbesondere Schnecken-Spritzgießmaschinen, unter der Einwirkung mehrerer Drücke und Einspritzgeschwindigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Formfülldruck mittels Druck- und Einspritzgeschwindigkeitssteuervorrichtungen derart bemessen und gesteuert wird, daß zuerst mit hohem äußerem Druck und hoher Geschwindigkeit eingespritzt wird und daß dann kurz vor vollendeter Formfüllung der äußere Formfülldruck stufenweise oder stufenlos in Anpassung an die Viskosität der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse entweder zur Erzielung eines ganz oder teilweise zähen oder weichen Formteiles um so mehr auf einen niedrigen inneren Druck reduziert wird, je geringer die Viskosität ist, und/oder, umgekehrt, zur Erzielung eines ganz oder teilweise spröden oder harten Formteiles auf einen um so höheren Druck gesteuert wird, je höher die Viskosität der Schmelze ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzgeschwindigkeit auch nach erfolgter Druckumsteuerung noch kurzzeitig zur restlichen Formfüllung in voller Höhe aufrechterhalten und erst danach reduziert wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die erste Druckumsteuerung kurz vor erfolgter Formfüllung stufenweise oder stufenlos beliebig viele Druckumsteuerungen mit jeweils niedrigerem Einspritzdruck vorgenommen werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckumsteuerung weg-und/oder zeitabhängig der prozentualen Formfüllung angepaßt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Druckumsteuerung bei Erreichen von 90 bis 95s'/e der Formfüllung vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nur.549039, 839413, 887 263, 917 451; schweizerische Patentschrift Nr. 146 324; Zeitschrift »Kunststoffe«, Bd. 45, 1955, Heft 10, S. 425 bis 428.