DE19755725C2 - Drehbewegliche Kunststoffrollen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von drehbeweglichen Kunststoffrollen aus einer Achse, einer äußeren Laufrollenschicht und einer inneren Laufrollenschicht.

Kunststoffrollen jeglicher Art, insbesondere solche mit einer Metallwelle als Achse, werden üblicherweise hergestellt, indem eine separat gefertigte Kunststoffrolle auf eine Achse aufmontiert wird. Damit die Kunststoffrolle nach der Montage nicht von der Achse rutscht, muß sie entweder einen Hinterschnitt, beispielsweise einen ringförmigen Wulst, der in eine ringförmige Vertiefung auf der Achse greift, aufweisen oder durch seitlich angebrachte Scheiben gesichert werden.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Montage der Kunststoffrolle zeitaufwendig und oft auch personenaufwendig ist. Außerdem müssen die Hinterschnitte so gefertigt sein, daß die Montage der Kunststoffrolle auf die Achse noch bewerkstelligt werden kann. Dies führt in der Regel zu einem zu großen Spiel zwischen der Kunststoffrolle und der Achse, was einen ungenauen Lauf, Laufgeräusche oder stärkeren Verschleiß bewirken kann. Wird die Kunststoffrolle durch seitliche Scheiben abgesichert, so werden weitere Montagearbeiten erforderlich und es entstehen zusätzliche Materialkosten.

Es ist auch bekannt, Kunststoffrollen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Kunststoffe aufzubauen. So werden beispielsweise in der DE 93 19 307 U1 Laufräder für Rollen beschrieben, die aus einem Felgenkörper und einer harten Außenschale als Bereifung, jeweils aus thermoplastischem Polymer, sowie einer weichen, schalldämmenden Zwischenlage bestehen. Dabei wird die Zwischenlage wahlweise durch ein eingespritztes Elastomer gebildet, das durch Kontaktverschmelzung in den Oberflächenbereichen des Felgenkörpers und der Bereifung fest mit diesen verbunden wird, oder durch ein Polyurethen- Spritzgußformteil, das mechanisch, z. B. durch Hinterschnitte oder Profilrillen, mit dem Felgenkörper und der Bereifung fest verbunden ist.

Es bestand nun die Aufgabe, ein wirtschaftlicheres und umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von drehbeweglichen Kunststoffrollen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von drehbeweglichen Kunststoffrollen aus einer Rollenwelle (= Achse der Kunststoffrolle), einer äußeren Laufrollenschicht und einer inneren Laufrollenschicht gelöst, in dem zwischen der äußeren Laufrollenschicht und der Rollenwelle aus einem thermoplastischen Kunststoff die innere Laufrollenschicht gefertigt wird, wobei sich die innere Laufrollenschicht fest mit der Rollenwelle verbindet und zwischen der inneren Laufrollenschicht und der äußeren Laufrollenschicht ein Gleitspalt entsteht.

Bei diesem Verfahren wird von der gewöhnlich als Nachteil empfundenen Eigenschaft thermoplastischer Kunststoffe Gebrauch gemacht, daß diese beim Abkühlen aus der Schmelze eine mehr oder weniger starke Volumenkontraktion (= Schwindung) vollziehen. Gemäß der Erfindung wird diese oft nicht erwünschte Eigenschaft zunutze gemacht, indem man bei der Fertigung einer Kunststoffrolle den Hohlraum zwischen der Rollenwelle und der äußeren Laufrollenschicht mit der Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs füllt. Beim Abkühlen schwindet der thermoplastische Kunststoff aufgrund der Volumenkontraktion auf die Rollenwelle auf und ist somit fest mit dieser verbunden. Gleichzeitig schwindet der Kunststoff von der äußeren Laufrollenschicht weg, wodurch ein Gleitspalt entsteht und die äußere Laufrollenschicht drehbeweglich um die innere Laufrollenschicht wird. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß weder ein nachträglicher Montageschritt, noch eine Absicherung der Kunststoffrolle durch zusätzliche Bauteile erforderlich wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfachster Weise derart ausgeführt werden, daß man in einem Spritzgußwerkzeug, im folgenden kurz Werkzeug genannt, die Rollenwelle und die äußere Laufrollenschicht vorlegt und in den verbleibenden Hohlraum zwischen der Rollenwelle und der äußeren Laufrollenschicht den thermoplastischen Kunststoff spritzt.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch im Mehrkomponentenspritzgußverfahren ausgeführt, indem nur die Rollenwelle im Werkzeug vorgelegt wird und sowohl die äußere als auch die innere Laufrollenschicht per Spritzguß im Werkzeug gefertigt werden. Dazu führt man um die Rollenwelle herum einen Werkzeugkern, auch Schieber genannt, in das Werkzeug ein, so daß ein Hohlraum in Form der zu fertigenden äußeren Laufrollenschicht verbleibt, in den dann ein Kunststoff gespritzt wird. Nachdem dieser ausreichend ausgehärtet ist, wird der Schieber entfernt, d. h. geöffnet, und in den so entstehenden Hohlraum um die Rollenwelle herum ein thermoplastischer Kunststoff gespritzt. Dieser schwindet dann wie beschrieben beim Abkühlen auf die Rollenwelle auf und von der äußeren Laufrollenschicht weg.

Um insbesondere bei Kunststoffrollen mit metallener Rollenwelle die Laufgeräusche zu dämpfen, ist es angebracht, die Rollenwelle mit einem thermoplastischen Elastomeren zu ummanteln. Dies kann einerseits dadurch geschehen, daß man bereits eine entsprechende Ummantelung auf der Rollenwelle anbringt, bevor man sie im Werkzeug umspritzt. Andererseits ist es aber auch möglich, die Dimensionen des Schiebers so zu wählen, daß auch zwischen dem Schieber, der im Prinzip die Form eines Zylindermantels hat, und der Rollenwelle ein Hohlraum verbleibt, in den das thermoplastische Elastomer gespritzt werden kann. Beim Abkühlen schwindet dieser dann auf die Rollenwelle auf und sorgt somit für einen festen Halt. Nach dem Öffnen des Schiebers wird dann der thermoplastische Kunststoff in den verbleibenden Hohlraum zwischen der äußeren Laufrollenschicht und der Ummantelung aus dem thermoplastischen Elastomeren gespritzt. Der thermoplastische Kunststoff schwindet dann auf die Schicht aus dem thermoplastischen Elastomeren auf. Vorzugsweise werden der thermoplastische Kunststoff und das thermoplastische Elastomer so gewählt, daß diese beiden Kunststoffe an ihrer Grenzfläche eine chemische oder physikalische Bindung miteinander eingehen.

Nach dem erfindungsgemäßen Mehrkomponentenspritzgußverfahren können drehbewegliche Kunststoffrollen hergestellt werden, die aus beliebig vielen Schichten aufgebaut sind. Mindestens jedoch müssen zwei Schichten vorhanden sein, die äußere Laufrollenschicht und die innere Laufrollenschicht. Bei der Herstellung von Kunststoffrollen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist außerdem darauf zu achten, daß eine gute Haftung zwischen der Rollenwelle und der inneren Laufrollenschicht entsteht und daß die Materialien, aus denen die äußere und die innere Laufrollenschicht sind, keine Verbindung miteinander eingehen.

Die Rollenwelle und die äußere Laufrollenschicht können im allgemeinen aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus einem Duroplasten oder einem verstärkten oder teilkristallinen Thermoplasten, oder aus einem metallischen Material bestehen. Bevorzugt ist die Rollenwelle aus Stahl, für die äußere Laufrollenschicht sind insbesondere gleitmodifizierte Kunststoffe, beispielsweise gleitmodifizierte Polyacetale, Polyester oder Polyamide, geeignet. Unter gleitmodifizierten Kunststoffen versteht man dabei solche Kunststoffe, die Gleitmittel, d. h. Zusätze zur Verbesserung der Gleit- und Trockenlaufeigenschaften enthalten. Geeignete Zusätze sind für alle Kunststoffe allgemein bekannt.

Als thermoplastischer Kunststoff für die Herstellung der inneren Laufrollenschicht sind prinzipiell alle bekannten thermoplastischen Kunststoffe, beispielsweise Polyacetale, z. B. Polyoxymethylen (POM), Polyester, z. B. Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamide (PA), insbesondere PA 6, PA 46 oder PA 66, Polycarbonate (PC), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyolefine, z. B. Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) geeignet. Diese Kunststoffe sollten beim Abkühlen aus der Schmelze eine Volumenkontraktion von 0,1 bis 5%, bevorzugt von 0,3 bis 3,5% und besonders bevorzugt von 0,5 bis 2,5% aufweisen. Außerdem können sie für Thermoplaste übliche Additive sowie Füll- und Verstärkungsstoffe beinhalten. Je nach Größe der zu fertigenden Kunststoffrollen ist der thermoplastische Kunststoff beispielsweise durch die Zugabe von Füll- oder Verstärkungsstoffen oder durch die Auswahl eines Comonomeren oder eines Blendpartners derart zu optimieren, daß der durch die Schwindung entstehende Gleitspalt weder zu groß noch zu eng wird.

Thermoplastische Elastomere (TPE) sind beispielsweise unter den Bezeichnungen TPE-O (Polyolefin-Elastomere), TPE-E (Polyetherester-Elastomere), TPE-U (Polyurethan-Elastomere), TPE-A (Polyetheramid-Elastomere) und TPE-S (Styrol- Elastomere) bekannt. Zu den TPE-O zählen beispielsweise Blends oder Copolymere aus Polypropylen und Ethylen-Propylen-Copolymeren und zu den TPE- S zählen u. a. Copolymere oder Blends aus Styrol und Styrol-Butadien- Copolymeren, ggf. mit zusätzlichen Olefineinheiten, beispielsweise sogenannte SBS- und SEBS-Typen. Die thermoplastischen Elastomere können ebenfalls übliche Additive enthalten. Anstelle der TPE ist prinzipiell auch die Verwendung von Kautschuken geeignet, sofern sich diese entsprechend der Erfindung verarbeiten lassen.

Aufgrund der guten Haftung zueinander sind besonders folgende Kombinationen von thermoplastischen Elastomeren oder Kautschuken mit thermoplastischen Kunststoffen (für die innere Laufrollenschicht) geeignet: Styrol-Elastomere mit PP, PA, PC, PET oder PBT, Polyolefin-Elastomere mit PP oder PA, Polyamid- Elastomere mit PA, Polyurethan-Elastomere mit PA, ABS, POM, PC, PET, PBT oder PVC, Polyester-Elastomere mit PA, PET oder PBT, Nitrilkautschuk mit PA, POM, PET oder PBT und Silikonkautschuk mit PET oder PBT, wobei die Kautschuke vorzugsweise zusätzlich haftmodifiziert sind.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, verschiedene Kunststofftypen miteinander zu kombinieren, um gute Gleiteigenschaften zu bekommen. Bevorzugte Kombinationen sind POM mit PBT und POM mit PA, wobei POM bevorzugt für die äußere Laufrollenschicht und PBT oder PA vorzugsweise für die innere Laufrollenschicht eingesetzt wird. Andere Kombinationen können aber durchaus genauso gut geeignet sein.

Prinzipiell kann die Rollenwelle einfach nur eine glatte Oberfläche aufweisen. Zur Verbesserung der Haftung zwischen der Rollenwelle und der inneren Laufrollenschicht bzw. der elastomeren Ummantelung ist es jedoch vorteilhaft, die Oberfläche der Rollenwelle aufzurauhen oder mit Vertiefungen und/oder Erhebungen zu versehen, die ein Verrutschen der sie umgebenden Kunststoffschicht verhindern. Die Vertiefungen können beispielsweise axiale, radiale oder spiralförmige Kerben aber auch regelmäßige oder unregelmäßige lokale Vertiefungen sein, die Erhebungen können entsprechend die Form von axialen, radialen oder spiralförmigen Nuten oder Stegen aufweisen oder beliebige regelmäßige oder unregelmäßige lokale Erhebungen darstellen.

Die axialen Sicherung zwischen der äußeren und der inneren Laufrollenschicht wird durch die Formgebung der äußeren Laufrollenschicht bewirkt. Wird die äußere Laufrollenschicht bereits fertig im Werkzeug vorgelegt, so kann sie beispielsweise auf der der inneren Laufrollenschicht zugewandten Seite einen oder mehrere radial angeordnete ringförmige Wulste oder Stege oder einen gekrümmten Querschnitt aufweisen. In jedem Fall paßt sich die anschließend gespritzte innere Laufrollenschicht dieser Form an und sorgt damit für einen paßgenauen Sitz zwischen innerer und äußerer Laufrollenschicht. Wird die äußere Laufrollenschicht erst im Werkzeug gefertigt, ist es möglich, zwei einander gegenüberliegende Schieber zu verwenden, deren Stirnseiten sich im geschlossenen Zustand berühren. Werden die Stirnseiten auf ihrem äußeren Radius verjüngt, beispielsweise durch eine Abschrägung oder eine ähnliche Formgebung, so entsteht beim Spritzgießen der äußeren Laufrollenschicht ein ringförmiger Wulst. Man kann die Schieber auch auf einem Teil oder der gesamten in das Werkzeug einfahrenden Länge zu ihrer Stirnseite hin verjüngen, wodurch die Innenfläche der äußeren Laufrollenschicht einen gekrümmten Querschnitt erhält. Beim Spritzgießen der inneren Laufrollenschicht paßt sich diesem ihrer Form jedenfalls der Form der äußeren Laufrollenschicht an, wodurch bei freier Drehbarkeit ein paßgenauer Sitz zwischen innerer und äußerer Laufrollenschicht erreicht wird.

Die Form der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kunststoffrolle an sich richtet sich nach dem gewünschten Design. Die Kunststoffrolle kann beispielsweise zylindrisch gestaltet sein. Es ist aber auch leicht möglich, die äußere Form der äußeren Laufrollenschicht kugelig oder beliebig anders zu gestalten.

Die erfindungsgemäß hergestellten Kunststoffrollen können allgemein als Laufrollen für auf Rollen zu bewegende Gegenstände verwendet werden. Beispiele für derartige Verwendungen sind Möbel wie Schreibtischstühle, Computertische, Akten- oder Servierwägen, Rollcontainer, Koffer sowie Einkaufs- und Gepäckroller.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele 1 und 2 sowie der Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1: Herstellung einer Kunststoffrolle bestehend aus einer Rollenwelle, einer äußeren Laufrollenschicht und einer inneren Laufrollenschicht.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine zylinderförmige Kavität in einem Spritzgußwerkzeug, in der eine Rollenwelle 1 in der Achse der zu fertigenden Kunststoffrolle vorgelegt ist. Zwei einander gegenüberliegend um die Rollenwelle 1 herum angeordnete Schieber 4, die die Form von Zylindermänteln haben und deren äußere Stirnflächenränder konkav verjüngt sind, sind geschlossen, so daß sich ihre Stirnflächen berühren und in der Kavität dort, wo die äußere Laufrollenschicht entstehen soll, ein äußerer Hohlraum 3a verbleibt. In diesen wird in einem ersten Verfahrensschritt ein gleitmodifizierter Kunststoff 3b gespritzt.

Fig. 2 zeigt die Kavität mit der erhärteten äußeren Laufrollenschicht 3 und den geöffneten Schiebern 4. Zwischen der Rollenwelle 1 und der äußeren Laufrollenschicht 3 befindet sich ein innerer Hohlraum 2a dort, wo die innere Laufrollenschicht entstehen soll. In diesen wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein thermoplastischer Kunststoff 2b gespritzt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das aus dem Werkzeug entnommene Spritzgußteil, bestehend aus einer Rollenwelle 1, einer inneren Laufrollenschicht 2 und einer äußeren Laufrollenschicht 3. Zwischen der Rollenwelle 1 und der inneren Laufrollenschicht 2 besteht eine feste Haftung. Die äußere Laufrollenschicht 3 ist bei stabilem axialen Sitz über einen Gleitspalt 6 um die innere Laufrollenschicht 2 leicht drehbeweglich.

Fig. 4 zeigt das Spritzgußteil, d. h. die Kunststoffrolle perspektivisch.

Ausführungsbeispiel 2: Herstellung einer Kunststoffrolle bestehend aus einer äußeren Laufrollenschicht, einer inneren Laufrollenschicht sowie einer Rollenwelle mit elastomerer Ummantelung.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine zylinderförmige Kavität in einem Spritzgußwerkzeug, in der eine Rollenwelle 1 in der Achse der zu fertigenden Kunststoffrolle vorgelegt ist. Zwei einander gegenüberliegend um die Rollenwelle 1 herum angeordnete Schieber 4, die die Form von Zylindermänteln haben und deren innere und äußere Stirnflächenränder konkav verjüngt sind, sind geschlossen, so daß sich ihre Stirnflächen berühren und im Werkzeug dort, wo die äußere Laufrollenschicht entstehen soll, ein äußerer Hohlraum 3a sowie zwischen den Schiebern 4 und der Rollenwelle 1 dort, wo die elastomere Ummantelung der Rollenwelle 1 entstehen soll, ein innerer Hohlraum 5a verbleibt. In einem ersten Verfahrensschritt wird in den äußeren Hohlraum 3a ein gleitmodifizierter Kunststoff 3b und in den inneren Hohlraum 5a ein thermoplastisches Elastomer 5b gespritzt.

Fig. 6 zeigt die Kavität mit der verfestigten elastomeren Ummantelung 5, der erhärteten äußeren Laufrollenschicht 3 und den geöffneten Schiebern 4. Zwischen der elastomeren Ummantelung 5 und der äußeren Laufrollenschicht 3 befindet sich ein mittlerer Hohlraum 2a dort, wo die innere Laufrollenschicht entstehen soll. In diesen wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein thermoplastischer Kunststoff 2b gespritzt.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch das aus dem Werkzeug entnommene Spritzgußteil, bestehend aus einer Rollenwelle 1, einer elastomeren Ummantelung 5, einer inneren Laufrollenschicht 2 und einer äußeren Laufrollenschicht 3. Zwischen der Rollenwelle 1, der elastomeren Ummantelung 5 und der inneren Laufrollenschicht 2 besteht eine feste Haftung. Die äußere Laufrollenschicht 3 ist bei stabilem axialen Sitz über einen Gleitspalt 6 um die innere Laufrollenschicht 2 leicht drehbeweglich.

Fig. 8 zeigt das Spritzgußteil, d. h. die Kunststoffrolle perspektivisch.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von drehbeweglichen Kunststoffrollen aus einer Rollenwelle (1), einer äußeren Laufrollenschicht (3) und einer inneren Laufrollenschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der äußeren Laufrollenschicht (3) und der Rollenwelle (1) aus einem thermoplastischen Kunststoff (2b) die innere Laufrollenschicht (2) gefertigt wird, wobei sich die innere Laufrollenschicht (2) fest mit der Rollenwelle (1) verbindet und zwischen der inneren Laufrollenschicht (2) und der äußeren Laufrollenschicht (3) ein Gleitspalt (6) entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenwelle (1) und die äußere Laufrollenschicht (3) aus einem Kunststoffmaterial oder einem metallischen Material bestehen, wobei die Rollenwelle (1) und die äußere Laufrollenschicht (3) unabhängig voneinander aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichem Material bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Laufrollenschicht (3) aus einem gleitmodifizierten Kunststoff (3b), vorzugsweise aus gleitmodifiziertem Polyacetal besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff (2b), aus dem die innere Laufrollenschicht (2) gefertigt wird, ein Polyacetal, vorzugsweise Polyoxymethylen, ein Polyester, vorzugsweise Polybutylenterephthalat, oder ein Polyamid ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenwelle (1) zusätzlich von einem thermoplastischen Elastomer (5b) ummantelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Laufrollenschicht (3) aus einem gleitmodifizierten Kunststoff (3b) ist und die äußere Laufrollenschicht (3) sowie die innere Laufrollenschicht (2) in einem Werkzeug im Mehrkomponentenspritzgußverfahren gefertigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Werkzeug die Rollenwelle (1) in der Achse der zu fertigenden Kunststoffrolle vorgelegt wird, zwei zylindrische Schieber (4), die einander gegenüberliegend um die Rollenwelle (1) herum angeordnet sind, geschlossen werden, so daß im Werkzeug ein äußerer Hohlraum (3a) verbleibt, in den die äußere Laufrollenschicht (3) gespritzt wird, wonach die Schieber (4) geöffnet werden und in den so entstehenden inneren Hohlraum (2a) die innere Laufrollenschicht (2) gespritzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenen Schiebern (4) zwischen diesen und der Rollenwelle (1) ein weiterer Hohlraum (5a) verbleibt, in den aus einem thermoplastischen Elastomer (5b) eine Ummantelung (5) um die Rollenwelle (1) gespritzt wird bevor die innere Laufrollenschicht (2) gefertigt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenwelle (1) Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Formgebung der Schieber (4) die der inneren Laufrollenschicht (2) zugewandte Fläche der äußeren Laufrollenschicht (3) einen ringförmigen Wulst oder eine Krümmung aufweist.

11. Verwendung von Kunststoffrollen, hergestellt nach einem der vorgenannten Verfahren, als Laufrollen für Schreibtischstühle, Computertische, Aktenwägen, Servierwägen, Rollcontainer, Koffer, Einkaufsroller und Gepäckroller.