DE19735031C2

DE19735031C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen

Info

Publication number: DE19735031C2
Application number: DE1997135031
Authority: DE
Inventors: Juergen Ehritt; Michael Gosdin; Helmut Eckardt
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Battenfeld GmbH
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: DE19735031A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff gegenständen aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 90/06220 A1 be kannt. Dort wird zunächst eine für die Ausbildung des Formteils ausrei chende Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eines Spritzgießwerk zeugs eingebracht. Da der Kunststoff während des Abkühlprozesses ei ner Schrumpfung unterliegt, kann es ohne besondere Vorkehrungen zu Einfallstellen kommen. Diese werden gemäß dieser Veröffentlichung dadurch vermieden, daß Druckgas als Polster zwischen Kavitätsoberflä che und Kunststoffschmelze gebracht wird. Natürlich muß sichergestellt werden, daß dieses Gaspolster gezielt aufgebaut und - nach der Erhär tung der Schmelze - wieder abgebaut werden kann. Zu diesem Zweck sind zwei Lösungmöglichkeiten beschrieben:

Zum einen sind Ventile vorgesehen, die über einen entsprechenden Ventilsitz eine Gasabdichtung ermöglichen. Durch die Betätigung (axiale Verstellung) des Ventilschaftes kann das Ventil wahlweise auf "offen" oder "zu" gestellt werden, womit in Kombination mit einer ent sprechenden Gasregelung das gewünschte Gaspolster auf und abgebaut werden kann.

Alternativ ist vorgesehen, daß poröses Sintermetall zum Einsatz kommt. An der Übergangsstelle im Werkzeug, an der das Gaspolster erzeugt werden soll, ist ein poröses Metallelement vorgesehen, durch das Druckgas hindurchströmen kann; dies gilt jedoch nicht für die Kunst stoffschmelze, wodurch eine gezielte Begasung ohne Rückströmen von Schmelze erreicht werden kann.

Ein weiteres Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 93/01039 A1 bekannt. Hier geht es speziell um das Problem, wie er reicht werden kann, daß sich das zwischen Kavitätsoberfläche und Kunststoffschmelze eingebrachte Gaspolster nicht unerwünscht aus breitet und an Stellen zur Wirkung kommt, wo dies nicht erwünscht ist. Lösungsgemäß wird dort vorgeschlagen, eine Aufrauhung der Kavi tätsoberfläche an den Stellen vorzusehen, wo sich das Gaspolster auf bauen soll. Die Oberflächen-Stellen, die an das Gaspolster angrenzen, jedoch selber nicht mehr durch dieses beaufschlagt werden sollen, sind glatt ausgeführt. Es wird also durch Aufrauhung der Oberfläche der Be reich definiert, in dem sich das Gaspolster ausbilden und wirken soll.

Auch die DE 195 16 290 A1 zeigt ein Verfahren der gattungsgemäßen Art. Hier werden Lösungswege aufgezeigt, ein Druckfluid über eine spalt förmige Öffnung eines Fluideinspritzelementes so einzubringen, daß sich zwischen Wandung der Kavität und der in das Formwerkzeug ein gebrachten Schmelze ein Fluidpolster bildet.

Allgemeine Hinweise zum Spritzgießen von Formteilen aus thermopla stischem Kunststoffmaterial mit gasunterstützten Verfahren gibt die WO 94/08773 A1, die sich speziell mit der Gasinnendrucktechnologie be faßt.

Die Lehre, die diese Dokumente vermitteln, hilft jedoch bei der Produk tion bestimmter Kunststoff-Formteile zunächst nicht weiter: Bei einer Vielzahl von Teilen ergibt sich aufgrund der Teile-Geometrie, daß der Formhohlraum nicht von einer Seite aus vollständig mit Schmelze ge füllt werden kann. Vielmehr muß die Schmelze über mehrere (minde stens zwei) Teilbereiche des Formteils zugeführt werden. An bestimm ten Stellen kommt es dann zu einem Schmelzezusammentreffen; dort liegt eine Bindenaht vor, die eine Schwachstelle in der Stabilität des Formteils darstellt.

Diese Schwachstelle kann dadurch kritisch werden, daß aufgrund der Rheologie und aufgrund des Temperaturganges im Werkzeug gerade an dieser entferntesten Stelle ein Materialschluß durch ungünstige Wärme verhältnisse erschwert wird. Da - beispielsweise bei der Verarbeitung von Thermoplast - die Nahtstelle am (von der Kunststoffeinspritzdüse gesehen) entferntesten Punkt entsteht, ist dort auch in der Regel die Temperatur bereits am niedrigsten, so daß ein sicheres Verbinden der Teil-Schmelze erschwert ist. Bindenähte bereiten grundsätzlich Proble me, da sie jeweils zwei Fließfronten gegeneinander bringen. Daher sind nur geringe Festigkeiten in den Bindenähten zu erwarten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die es ermöglichen, bei kritischen Formteilen (in obi gem Sinne) eine einwandfreie Verbindung der Schmelzen beim Zusam mentreffen an der Nahtstelle zu bewerkstelligen, so daß keine Festig keitsnachteile sowie keine negativen Auswirkungen betreffend das opti sche Erscheinungsbild des Formteils zu befürchten sind. Es soll also auch erreicht werden, einen Fertigungsablauf zu erzielen, bei dem nur möglichst geringe Markierungen am fertigen Formteil infolge der An wendung des gattungsgemäßen Verfahrens auftreten.

Die Lösung der Aufgabe wird durch ein Verfahren erreicht, daß die Schritte aufweist:

a) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließ wegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt;
b) Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung (9) der Kavi tät (2) aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements (7), so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
c) Erstarren oder Erhärtenlassen des so hergestellten Formteils (6);
d) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
e) Entformen des Formteils (6);wobei
- - die Kunststoffschmelze in einen ersten (10) und in mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2) geleitet wird, wobei die Schmelzen aus beiden Abschnitten (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- - das Druckfluid über einen Werkzeugabschnitt (13) in die Kavität (2) eingebracht wird, der aus mikroporösem Metall besteht, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im we sentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmel zen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- - in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) Temperierelemen te (14) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird zuverlässig verhindert, daß an der Zusammenfließstelle der Teil-Schmelzeströme eine Bindenaht entsteht, die nicht den Anforderungen an Festigkeit und optische Er scheinung genügt: Durch die Temperierung dieser Stelle wird gewährlei stet, daß der zu verarbeitende Kunststoff stets noch eine Konsistenz aufweist, in der sicherer Stoffschluß möglich ist. Durch das Vorsehen einer Gasinjektion über die Werkzeugwand mittels porösem Material ist des weiteren sichergestellt, daß sich keine Einfallstellen an der Formtei loberfläche ergeben, wenn schließlich die Erhärtung oder Erstarrung des Kunststoffs stattfindet (ausgenommen davon ist freilich die Stelle, an der das Gaspolster aufgebaut wird). D. h. durch das gezielte Aufbringen des Gasdrucks im Bereich der Bindenaht werden nicht nur Einfallstellen vermieden, sondern auch die Oberfläche und die Oberflächenabzeich nung auf der Sichtseite des Teils werden deutlich verbessert.

Die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) kann in Ab hängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Ab hängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstri chenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnec ke (5) gesteuert oder geregelt werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt wird.

Abhängig davon, ob Thermoplaste einerseits oder Duroplaste oder Ela stomere andererseits verarbeitet werden, sind verschiedene Temperie rungen des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall ange dacht: Der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) kann für eine gewisse Zeit beheizt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern. Entsprechend kann der Bereich für eine gewisse Zeit gekühlt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren eine vorzeitige Erstar rung der Schmelze zu verhindern. Andererseits kann der Bereich für eine gewisse Zeit gekühlt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Ther moplasten ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen bzw. der Be reich kann für eine gewisse Zeit beheizt werden, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren ein Erstarren der Schmel ze zu bewerkstelligen.

Gemäß einer Verfahrensvariation ist vorgesehen, daß zusätzlich zu der Eingabe von Druckfluid zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze Druckfluid durch mindestens ein weiteres Fluideinspritzele ment ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist auf:

- mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2),
- eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunst stoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt, und
- mindestens ein Fluideinspritzelement (7), das Druckfluid, insbe sondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet
- einen ersten (10) und mindestens einen weiteren zweiten (11) Ab schnitt der Kavität (2), in den die Kunststoffschmelze eingeleitet wird, wobei die beiden Abschnitte (10, 11) an einer von der Kunst stoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- einen Werkzeugabschnitt (13) aus mikroporösem Metall, der mit ei nem Fluideinspritzelement (7) in Verbindung steht und über den ein Fluid zwischen Kavitätswand und Kunststoffschmelze eingeleitet werden kann, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werk zeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkon tur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusam mentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- Temperierelemente (14), die in der Umgebung des Werkzeugab schnitts (13) angeordnet sind, um die Erhärtung oder Erstarrung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

Fortbildungsgemäß sind die Temperierelemente Heizelemente oder Kühlelemente.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darge stellt:

Fig. 1 zeigt schematisch die Spritz gießvorrichtung,

Fig. 2 zeigt schematisch einen vergrößerten Schnitt durch die Vorrichtung:

In Fig. 1 ist - schematisch dargestellt - eine Spritzgießvorrichtung zu sehen. Das Spritzgießwerkzeug 1 weist eine Kavität 2 auf, die die Geo metrie des zu fertigenden Formteils 6 definiert. Die Kavität 2 wird mit Schmelze versorgt, die in einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (bestehend aus Schnecke 5 und Schneckenzylinder 4) hergestellt wird; die Schmelze wird über eine Kunststoffeinspritzdüse 3 ins Werkzeug 1 injiziert.

Wie der Fig. 1 sofort entnommen werden kann, fließt die Schmelze - von der Kunststoffeinspritzdüse 3 kommend - auf zwei unterschiedli chen Wegen durch die Kavität: Sie fließt im vorliegenden Falle symme trisch in einen ersten Abschnitt 10 und in einen zweiten Abschnitt 11 der Kavität 2. An der Stelle 12 treffen beide Teil-Schmelzeflüsse zusammen. Erfindungsgemäß ist genau an dieser Zusammentreffstelle 12 ein Fluid einspritzelement 7 vorhanden, das einen Werkzeugabschnitt aus porö sem Metall 13 mit Druckfluid, im vorliegenden Falle mit Stickstoffgas (N₂), versorgt.

Weiterhin sind im Bereich der Zusammentreffstelle der Teilschmelzen 12 verschiedene Temperierelemente 14 angeordnet. Soll eine thermopla stische Schmelze verarbeitet werden, werden die Temperierelemente 14 für eine Erwärmung der Bindenahtstelle 12 sorgen. Damit kann das Kunststoffmaterial dort nicht zu schnell 'einfrieren', so daß ein einwand freier Stoffschluß gewährleistet ist.

Sobald die beiden Teilschmelzen über die beiden Abschnitte 10 und 11 an der Zusammentreffstelle 12 angelangt sind, wird über das Fluidein spritzelement 7 und den Werkzeugabschnitt aus porösem Metall 13 zwi schen der Wandung 9 der Kavität 2 und dem noch flüssigen Kunststoff ein Fluidpolster 8 aufgebaut.

Die Verhältnisse sind detailliert in Fig. 2 dargestellt. Das Fluidpolster 8 bewerkstelligt, daß erstarrungsbedingte Kontraktionen des Kunststoffs keine Einfallstellen an der Formteiloberfläche verursachen, sondern daß das Fluidpolster diese Kontraktionen ausgleicht. Die Oberflächenqualität ist daher auch im Bereich der Bindenaht 12 - abgesehen von der Stelle des Polsters 8 - erstklassig.

Der Bereich aus porösem Metall 13 kann z. B. aus Sintermetall bestehen, wie er im Kunststoff-Werkzeugbau üblicherweise zu Entlüftungszwec ken eingesetzt wird.

Additiv zu der erläuterten Vorgehensweise - dies ist jedoch im Ausfüh rungsbeispiel nicht dargestellt - kann an weiteren Stellen des Formteils Gas injiziert werden ("Gasinnendruckverfahren"), um innere Hohlstellen im Formteil 6 zu schaffen.

Die Größe des Sintermetalleinsatzes 13 ist von den aktuellen Bedürfnis sen abhängig. Generell ist er so groß auszubilden, wie es der Größe des Fluidpolsters 8 entspricht. Gegebenenfalls kann der Bereich um den Ein satz 13 herum (oder der Bereich 13 selber) zwecks definierter Ausbil dung des Fluidpolsters aufgerauht werden, wie es die WO 93/01039 A1 lehrt. Als Werkzeugabschnitte 13 kommen vorzugsweise - wie erläutert - poröse Metalle, insbesondere Sintermetalle, zum Einsatz. Alternativ da zu ist es aber auch möglich, beliebige gasdurchlässige und wärme- und druckbeständige Materialien dort einzusetzen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lehre ist vor allem bei der Verar beitung von Duroplasten und Elastomeren vorteilhaft: Es besteht bei der Verarbeitung dieser Materialien üblicherweise die Gefahr des Mate rialeintritts in kleinste Spalte. Dadurch tritt das Problem des Spritzgrates im Bereich der Trennebene des Werkzeugs immer wieder auf. Deshalb bietet sich gerade der poröse Stahl für die Herstellung von Formteilen aus diesen Kunststoffen an, da kein Kunststoff in dieses Metall eindrin gen kann.

Claims

1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material, das die Schritte aufweist:

a) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt;
b) Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements (7), so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
c) Erstarren- oder Erhärtenlassen des so hergestellten Formteils (6);
d) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
e) Entformen des Formteils (6);

wobei

- die Kunststoffschmelze in einen ersten (10) und in mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2) geleitet wird, wobei die Schmelzen aus beiden Abschnitten (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- das Druckfluid über einen Werkzeugabschnitt (13) in die Kavität (2) eingebracht wird, der aus mikroporösem Metall besteht, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) Temperierelemente (14) angeordnet sind, um die Erhärtung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) in Abhängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Abhängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstrichenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnecke (5) gesteuert oder geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit beheizt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit gekühlt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren eine vorzeitige Erstarrung der Schmelze zu verhindern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit gekühlt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Thermoplasten ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Werkzeugabschnitts (13) aus mikroporösem Metall für eine gewisse Zeit beheizt wird, um im Falle von zu verarbeitenden Duroplasten oder Elastomeren ein Erstarren der Schmelze zu bewerkstelligen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfluid nach Verfahrensschritt b) gemäß Anspruch 1 zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze und zusätzlich durch mindestens ein weiteres Fluideinspritzelement ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, die aufweist:

- ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2);
- eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunststoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt; und
- mindestens ein Fluideinspritzelement (7), das Druckfluid, insbesondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet,
- einen ersten (10) und mindestens einen weiteren zweiten (11) Abschnitt der Kavität (2), in den die Kunststoffschmelze eingeleitet wird, wobei die beiden Abschnitte (10, 11) an einer von der Kunststoffeinspritzdüse (3) entfernten Stelle (12) zusammentreffen,
- einen Werkzeugabschnitt (13) aus mikroporösem Metall, der mit einem Fluideinspritzelement (7) in Verbindung steht und über den ein Fluid zwischen Kavitätswand und Kunststoffschmelze eingeleitet werden kann, wobei der der Kavität (2) zugewandte Teil des Werkzeugabschnitts (13) im wesentlichen der zu fertigenden Formteilkontur entspricht und wobei der Werkzeugabschnitt (13) an der Zusammentreffstelle (12) der Schmelzen aus den beiden Abschnitten (10, 11) angeordnet ist, und
- Temperierelemente (14), die in der Umgebung des Werkzeugabschnitts (13) angeordnet sind, um die Erhärtung oder Erstarrung der Kunststoffschmelze zu beeinflussen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierelemente Heizelemente sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierelemente Kühlelemente sind.