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WO2009027019A1 - Herstellung von kunststoff-formteilen durch umformung - Google Patents

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WO2009027019A1
WO2009027019A1 PCT/EP2008/006683 EP2008006683W WO2009027019A1 WO 2009027019 A1 WO2009027019 A1 WO 2009027019A1 EP 2008006683 W EP2008006683 W EP 2008006683W WO 2009027019 A1 WO2009027019 A1 WO 2009027019A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
polymer material
polymer
temperature
less
materials
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/006683
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schlipf
Claudia Stern
Achim Frick
Arif Rochman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ElringKlinger AG
Original Assignee
ElringKlinger AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ElringKlinger AG filed Critical ElringKlinger AG
Publication of WO2009027019A1 publication Critical patent/WO2009027019A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2027/00—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material
    • B29K2027/12—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material containing fluorine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2027/00—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material
    • B29K2027/12—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material containing fluorine
    • B29K2027/18—PTFE, i.e. polytetrafluorethene, e.g. ePTFE, i.e. expanded polytetrafluorethene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of plastic moldings from a room temperature amorphous or partially crystalline partially or fully fluorinated thermoplastic polymer material using a press mold with a punch and a counterpart corresponding to the stamp with a recess for receiving polymer material and the stamp, wherein the Stamp and the corresponding counterpart in an arrangement of the punch in a predetermined end position define a cavity whose shape corresponds substantially to the shape of the molded part to be produced.
  • the invention further relates to a molded part produced or producible according to such a method.
  • thermoforming processes For the production of molded parts from plastics, a whole series of processes are known from the prior art, in particular primary molding processes such as injection molding or reaction injection molding (RIM) and forming processes, in particular thermoforming processes.
  • primary molding processes such as injection molding or reaction injection molding (RIM)
  • forming processes in particular thermoforming processes.
  • a polymer material is plasticized and injected into an injection mold.
  • the shape and surface structure of the molded part to be produced are determined by the cavity of the injection mold into which the plasticized material is injected.
  • Even small parts, also called microform parts, with a weight of well below 1 g can be easily produced by injection molding.
  • a disadvantage however, the possible formation of weld lines and the mandatory sprue, which produces a percentage of waste, especially in the production of small moldings percentage.
  • problems occur in the processing of polymers with high viscosity, especially at high flow path wall thickness ratio. Above a certain molecular weight, many polymers are no longer processable by injection molding. Many of these disadvantages also occur in reaction injection molding.
  • reaction masses are mixed together and immediately injected as a reaction mass into a molding tool.
  • reaction masses generally have a more favorable flow behavior, which is why larger flow paths can be achieved with the same wall thickness.
  • the mold life may be slightly higher than in the competitive injection molding.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • MST microsystem technology
  • thermoforming processes are, in particular, thermoforming and vacuum deep drawing processes. In these processes, films or thin plates are usually processed. Other semi-finished products are usually not usable as starting materials. As a result, usually only molded parts with almost homogeneous wall thickness can be produced.
  • the object of the present invention is to provide a new process for the production of molded plastic parts, which does not have the disadvantages of the known from the prior art method.
  • plastic molding according to claim 18 is the subject of the present invention.
  • Preferred embodiments of the plastic molding according to the invention can be found in the dependent claims 19 to 23. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this specification.
  • An inventive method is particularly suitable for the production of moldings, in particular micro-components, with sub-areas with significantly different wall thicknesses, including very thin-walled areas which have a thickness of about 500 microns or less at least in a partial area.
  • the inventive method is suitable for the production of molded parts with complex geometry.
  • the method according to the invention allows the production of essentially distortion-free molded parts, since at most slight pressure differences prevail within the cavity. This advantage is above all compared with the molded parts produced by extrusion molding.
  • the method according to the invention further provides molded parts with a substantially homogeneous morphology over the molded part cross-section. This results in homogeneous usage properties.
  • the process of the invention presents itself as a largely waste-free production process. This is of particular importance in the case of high-priced polymer materials, since waste recycling does not always succeed without sacrificing quality.
  • thermo-oxidative stress of the polymer materials used can be further reduced by an inert gas purging of the press-forming tool.
  • the processing temperatures for the polymer material used can be set lower in comparison with the methods described above. Furthermore, the method according to the invention has virtually no venting problem.
  • the method according to the invention can be designed relatively independently of the wall thickness / flow path ratio.
  • the process according to the invention can be used to process thermoplastic polymer materials which have high molar masses and are unsatisfactory or can not be processed at all using conventional processes.
  • the polymer materials may well have molecular weights that reach up to about 10 8 g / mol.
  • solid polymer material is introduced into the recess.
  • the solid polymer material is introduced into the recess in an amount corresponding to the weight of the molded part to be produced.
  • the polymer material is heated until it reaches a thermoelastic state.
  • the glass transition temperature is the temperature at which amorphous or partially crystalline polymers transition from the hard-elastic or glassy state into the liquid or rubber-elastic region.
  • this temperature is usually limited by the decomposition temperature of the polymer material used in each case. Furthermore, it is preferred that the polymer material is not heated to the melt.
  • the polymeric material is heated to below about half of its glass transition temperature (at 0 C) below the glass transition temperature.
  • the polymer material is added by the heating in a pressurizable flowable thermoelastic state, which differs from the molten state.
  • the punch is pressed into the recess until it reaches the predetermined end position, in which it encloses a cavity with the counterpart, which corresponds in shape and thus also in volume to the molded part to be produced or whose dimensions fall just short of its dimensions.
  • the punch exerts a usually very high pressure from.
  • the method according to the invention is a special type of thermoforming process.
  • the solid polymer material is introduced into the recess in the form of particles and / or in the form of a preformed blank.
  • a preformed blank in particular a semifinished product can be used which already partially corresponds in its dimensions to the molded part to be produced.
  • blanks can be punched out of sheets or films.
  • Other blank types include bodies derived from rod, tube or tubular semi-finished products.
  • the forming factor can be specified. Particularly preferred methods have a forming factor of 20% of the molded part volume or more.
  • the deformation factor is preferably not more than 70%, in particular not more than 50%.
  • the polymer material is preferably selected from PTFE, modified PTFE, PFA, MFA, FEP, ETFE, ECTFE, PVDF, PCTFE, THF and mixtures of two or more of these polymers.
  • PPVE perfluoropropyl vinyl ether
  • ETFE ethylene-tetrafluoroethylene copolymer.
  • ECTFE ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer.
  • PVDF polyvinylidene fluoride. Poly-chlorotrifluoroethylene.
  • THV tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride terpolymer.
  • the process according to the invention particularly preferably uses polymer material which comprises a substantially fully fluorinated polymer.
  • Such substantially fully fluorinated polymers are preferably a TFE copolymer whose co-monomer content is about 3.5 mol% or less, preferably 3 mol% or less, in particular about 1 mol% or less.
  • Such materials have properties that are very similar to conventional standard PTFE, but such materials are melt-processable and can be used to great advantage in the present inventive process.
  • Preferred co-monomers for the aforementioned TFE copolymers are selected from hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) and chlorotrifluoroethylene.
  • polymer materials which comprise a polymer compound with a filler material whose proportion is about 60% by weight or less, based on the mass of the polymer compound.
  • the filler material used in the polymer compounds preferably has a filler in fiber form and / or in granular form.
  • the filler material comprises one or more components selected from glass fibers, glass spheres, hard and soft carbon. leparticles and fibers, graphite, conductive carbon black, metal fibers, metal particles, in particular bronze particles and steel powder, quartz, Al 2 O 3 , CaF 2 , mica, minerals, in particular BaSO 4 and organic polymer materials.
  • the last-mentioned filling materials, namely the organic polymer materials in turn, are preferably selected from polyamide, polyamide, PPS, PEEK, PPSO 2 , aromatic polyesters and aramids and mixtures of two or more of these materials.
  • the proportion of the organic polymer material is limited to about 25 wt.% Or less, based on the mass of the polymer compound.
  • this proportion is limited to about 20 wt.% Or less.
  • Particularly preferred polymeric materials include a blend of a thermoplastic PTFE and another thermoplastic polymer.
  • the polymer material in the case of partially crystalline materials for forming, the polymer material must, according to the invention, be heated to a temperature above the glass transition temperature of the respective material.
  • a temperature is particularly preferred.
  • a temperature range of about 100 0 C to about 350 0 C is preferred.
  • the temperature will be lower, preferably in the range of half the glass transition temperature (in 0 C) to below the glass transition temperature, that is for the example of the polymer material THV about 55 0 C bis about 140 0 C, wherein the choice of the glass transition temperature of the type of polymer used in each case depends.
  • the heating of the polymer material is particularly preferably carried out by means of an induction or microwave heating.
  • a polymer material can be brought to very high temperatures within a few seconds.
  • the use of an induction heater thus enables a high throughput.
  • the heating can be direct or indirect, depending on the electrical conductivity of the polymer material used.
  • the polymer material used comprises as one component at least one polymer selected from the group consisting of polyethylene (PE), ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), polypropylene (PP), polyoxymethylene (POM), polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyetheretherketone (PEEK).
  • PE polyethylene
  • UHMWPE ultra-high molecular weight polyethylene
  • PP polypropylene
  • POM polyoxymethylene
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • polymer materials which can no longer be processed by conventional processes due to their high viscosity or their infusibility can also be processed by a process according to the invention.
  • Especially such materials are often very interesting as materials, for example because of their high resistance to chemicals.
  • polymer materials with average molecular weights of up to 10 8 g / mol are processed according to the invention.
  • both pure polymer materials can be processed and polymer materials which have one or more fillers.
  • fillers a polymer which can be used in a process according to the invention can comprise organic and / or inorganic, in particular also metallic, fillers.
  • Fig. 1 is a schematic representation for explaining the
  • FIG. 2 to 4 in a schematic representation of the sequence of individual steps of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cuboid 10, which is intended to represent the geometry of a blank which is to be processed by the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cuboid 12 which is intended to represent the shaped part as a result of the method according to the invention schematically.
  • the two cuboids 10 and 12 are identical in volume.
  • the dimensions in height and width differ.
  • the difference volumes .DELTA.V illustrated on the one hand in the cuboid 10, on the other hand in the cuboid 12, are identical in each case and correspond to the volume which was displaced spatially during the forming step according to the inventive method under pressure in a flow movement.
  • the deformation factor is defined by the ratio of ⁇ V to the volume of the cuboid 10 or of the identical volume of the cuboid 12.
  • FIGS. 2 to 4 show in a schematic way the sequence of the method according to the invention with reference to a substantially disk-shaped component to be produced.
  • a blank 20 is produced in a conventional manner in the form of a precisely annular disk-shaped component.
  • the production of such blanks, whether by extrusion, sintering or another method, is widely known in the art, so that will not be discussed in detail.
  • the blank can be punched out of a plate-shaped semi-finished product.
  • This blank 20 is then reshaped by means of a die 22 comprising a punch 24 and a corresponding counterpart 26.
  • the counterpart 26 has a receptacle 28 for the polymer material, in the present example in the form of the blank 20, as well as the punch 24.
  • the receptacle 28 has centrally a pin-shaped projection 29 which serves to center the blank 20 in the receptacle 28.
  • the pin 29 is the shaping.
  • the punch 24 is in an initial position in which this engagement with the counterpart 26 is positioned. Such a situation is shown in FIG.
  • the blank 20 is positioned in the receptacle 28.
  • the polymer material of the blank 20 is heated via the press-forming tool 22 to the temperature dependent on the polymer material itself (cf the above discussion), in which the polymer material is in the thermoelastic state.
  • the heating is preferably done by means of an inductive heating device (not shown).
  • the tool 22 is closed, so that the punch 24 engages in the recess 28.
  • the punch 24 is further acted upon by a force F (compare situation shown in Fig. 3), due to which the now heated to the process temperature polymer material of the blank 20 begins to flow and in the radial direction to the side walls of the recess 28 expands. Furthermore, the polymer material of the blank 20 is able to flow into a part of a recess 30 in the punch 24, forming an upwardly projecting annular volume fraction.
  • the forming process is completed by, as shown in Fig. 4, the punch 24 of the die is transferred to its final position in which the die 24 defines together with the counterpart 26, a cavity corresponding in shape and volume of the molded part 32 to be produced.
  • the molding 32 shown schematically here has an annular disc-shaped base body 34 and an integrally formed thereon, upstanding Covenant 36 on.
  • the resulting workpiece has no voids, weld lines or other undesirable features and can be fed substantially readily to its destination.
  • inventive method can be combined with other molding processes, such as deep drawing, or even processes in which the polymer material is in a molten state.
  • the method according to the invention is then preferably used for the final shaping.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen (32), insbesondere von Mikroformteilen, vorgeschlagen. Verwendung findet hierbei ein Pressformwerkzeug (22) mit einem Stempel (24) und einem zu dem Stempel korrespondierenden Gegenstück (26), wobei bei einer Anordnung des Stempels in einer vorgegebenen Endposition dieser mit dem Gegenstück eine Kavität (28) definiert, deren Form im Wesentlichen der Form des herzustellenden Formteils entspricht. Das Verfahren verwendet ein bei Raumtemperatur amorphes oder teilkristallines, teil- oder vollfluoriertes thermoplastisches Polymermaterial.

Description

Herstellung von Kunststoff- Formteilen durch Umformung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen aus einem bei Raumtemperatur amorphen oder teilkristallinen teil- oder vollfluorierten thermoplastischen Polymermaterial unter Verwendung eines Pressformwerkzeugs mit einem Stempel und einem zu dem Stempel korrespondierenden Gegenstück mit einer Ausnehmung zur Aufnahme von Polymermaterial und des Stempels, wobei der Stempel und das korrespondierende Gegenstück bei einer Anordnung des Stempels in einer vorgegebenen Endposition eine Kavität definieren, deren Form im Wesentlichen der Form des herzustellenden Formteils entspricht. Die Erfindung betrifft ferner ein gemäß einem solchen Verfahren hergestelltes oder herstellbares Formteil.
Zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoffen sind eine ganze Reihe von Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere Urformverfahren wie das Spritzgießen oder das Reaction Injection Moulding (RIM) und Umformverfahren, insbesondere Thermoformverfahren.
Beim Spritzgießen wird ein Polymerwerkstoff plastifiziert und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Form und Oberflächenstruktur des herzustellenden Formteils werden durch die Kavität des Spritzgießwerkzeugs bestimmt, in die der plastifizierte Werkstoff eingespritzt wird. Auch Kleinteile, auch Mikroform- teile genannt, mit einem Gewicht von deutlich unter 1 g sind problemlos durch Spritzgießen herstellbar. Nachteilig sind allerdings die mögliche Ausbildung von Bindenähten und der zwingend auftretende Anguß, der insbesondere bei der Herstellung kleiner Formteile prozentual einen hohen Anteil an Abfall erzeugt. Daneben treten insbesondere Probleme bei der Verarbeitung von Polymeren mit hoher Viskosität auf, insbesondere bei hohem Fließweg-Wanddicken-Verhältnis. Oberhalb einer gewissen Molmasse sind viele Polymere durch Spritzgießen überhaupt nicht mehr verarbeitbar. Viele dieser Nachteile treten auch beim Reaction Injection Molding auf. Dabei werden mindestens zwei Komponenten miteinander vermischt und unmittelbar anschließend als Reaktionsmasse in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Gegenüber thermoplastischen Schmelzen weisen derartige Reaktionsmassen in der Regel ein günstigeres Fließverhalten auf, weshalb sich bei gleicher Wanddicke größere Fließwege erreichen lassen. Dafür können die Formstandzeiten gegebenenfalls etwas höher liegen als beim konkurrierenden Spritzgießverfahren.
Mikroformteile haben mittlerweile, insbesondere als Komponenten von sogenannten Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und der Mikrosystem- technik (MST) erhebliche Bedeutung erlangt.
Bekannte Thermoformverfahren sind insbesondere Tiefzieh- und Vakuumtief- ziehverfahren. In diesen Verfahren werden in der Regel Folien oder dünne Platten verarbeitet. Andere Halbzeuge sind als Ausgangsmaterialien in der Regel nicht einsetzbar. In der Folge sind üblicherweise nur Formteile mit nahezu homogener Wanddicke produzierbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff, das die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 17 definiert.
Auch ein Kunststoffformteil gemäß Anspruch 18 ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kunststoffformteils finden sich in den abhängigen Ansprüchen 19 bis 23. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Formteilen, insbesondere Mikrobauteile, mit Teilbereichen mit deutlich verschiedenen Wanddicken, einschließlich sehr dünnwandigen Bereichen, die zumindest in einem Teilbereich eine Dicke von ca. 500 μm oder weniger aufweisen. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit komplexer Geometrie.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insbesondere die Herstellung von im Wesentlichen verzugsfreien Formteilen, da innerhalb der Kavität bestenfalls geringfügige Druckunterschiede herrschen. Dieser Vorteil besteht vor allem gegenüber den im S pritzgu ssverfahren hergestellten Formteilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ferner Formteile mit einer im Wesentlichen homogenen Morphologie über den Formteilquerschnitt bereit. Daraus resultieren homogene Gebrauchseigenschaften.
Ferner stellt sich das erfindungsgemäße Verfahren als weitgehend abfallloser Herstellprozess dar. Dies ist von besonderer Bedeutung bei hochpreisigen Polymermaterialien, da ein Recyclen von Abfällen nicht immer ohne Qualitätseinbußen gelingt.
Besondere Bedeutung kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren auch wegen einer geringen Verweilzeitproblematik zu. Damit lassen sich auch thermisch weniger stabile Polymermaterialien, insbesondere solche mit thermisch sensiblen Füllstoffen und dergleichen, ohne größeren Aufwand verarbeiten.
Die thermooxidative Belastung der verwendeten Polymermaterialien lässt sich weiter durch eine Inertgasspülung des Pressformwerkzeugs reduzieren. Die Verarbeitungstemperaturen für das verwendete Polymermaterial können im Vergleich mit den eingangs beschriebenen Verfahren niedriger gewählt werden. Ferner kennt das erfindungsgemäße Verfahren praktisch keine Entlüftungsproblematik.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich darüber hinaus relativ unabhängig vom Wanddicken-Fließweg-Verhältnis gestalten.
Ferner lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren thermoplastische Polymermaterialien verarbeiten, die hohe Molmassen aufweisen und mit herkömmlichen Verfahren nur unbefriedigend oder gar nicht verarbeitbar sind.
Die Polymermaterialien können dabei durchaus Molmassen aufweisen, die bis zu ca. 108 g/Mol erreichen.
In einem ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird festes Polymermaterial in die Ausnehmung eingebracht. Das feste Polymermaterial wird dabei in einer Menge in die Ausnehmung eingebracht, die dem Gewicht des herzustellenden Formteils entspricht.
In einem weiteren Schritt wird das Polymermaterial erwärmt, bis es einen thermoelastischen Zustand erreicht.
Bei der Verarbeitung von teilkristallinem Polymermaterial wird dieses auf eine Temperatur oberhalb seiner Glasübergangstemperatur erwärmt. Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der amorphe oder teilkristalline Polymere vom hartelastischen oder glasigen Zustand in den flüssigen oder gummielastischen Bereich übergehen.
Nach oben hin ist diese Temperatur in der Regel durch die Zersetzungstemperatur des jeweils verwendeten Polymermaterials begrenzt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Polymermaterial nicht bis zur Schmelze erwärmt wird.
Deshalb wird bei im Wesentlichen vollständig amorph vorliegenden Polymermaterialien das Polymermaterial nur auf etwa die Hälfte seiner Glasübergangstemperatur (in 0C) bis unter die Glasübergangstemperatur erwärmt.
Das Polymermaterial wird durch die Erwärmung in einen unter Druckeinwirkung fließfähigen thermoelastischen Zustand versetzt, der sich vom schmelzflüssigen Zustand unterscheidet.
Der Stempel wird in die Ausnehmung hineingepresst, bis er die vorgegebene Endposition erreicht, in der er mit dem Gegenstück eine Kavität einschließt, die in Form und damit auch in Volumen dem herzustellenden Formteil entspricht oder dessen Abmessungen knapp unterschreitet. Auf das zunächst noch nicht an die Abmessungen und Form der Kavität angepasste Polymermaterial übt der Stempel dabei einen in der Regel sehr hohen Pressdruck aus.
Unter dem Druck des Stempels wird ein Fließvorgang eingeleitet und das Polymermaterial verteilt sich in der Folge im Wesentlichen gleichmäßig in der Kavität. Es erfolgt also eine Umformung unter dem Einfluss von Temperatur und Druck. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich entsprechend um eine besondere Art eines Thermo-Umformverfahrens.
Besonders bevorzugt wird das feste Polymermaterial in Form von Partikeln und/oder in Form eines vorgeformten Rohlings in die Ausnehmung eingebracht. Besonders bevorzugt ist die letztere Variante. Als vorgeformter Rohling kann dabei insbesondere ein Halbzeug verwendet werden, das in seinen Abmessungen dem herzustellenden Formteil bereits teilweise entspricht.
Beispielsweise können Rohlinge aus Platten oder Folien ausgestanzt werden. Andere Rohlingstypen umfassen von Stangen-, schlauch- oder rohrförmigen Halbzeugen abgeleitete Körper. Um die geometrische Veränderung eines Formteils bei einem Umformverfahren zu erfassen, kann beispielsweise der Umformfaktor angegeben werden. Besonders bevorzugte Verfahren weisen einen Umformfaktor von 20 % des Formteilvolumens auf oder mehr. Bevorzugt liegt der Umformfaktor nicht über 70 %, insbesondere nicht über 50 %.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Polymermaterial ausgewählt aus PTFE, modifiziertem PTFE, PFA, MFA, FEP, ETFE, ECTFE, PVDF, PCTFE, THF und Mischungen von zwei oder mehreren dieser Polymere.
Die weniger gebräuchlichen Abkürzungen der Polymermaterialien seien im Folgenden kurz erläutert:
PFA:
Perfluoralkylvinylether-modifiziertes PTFE-Polymer, wobei das Co-Monomer
PPVE (Perfluorpropylvinylether) ist.
MFA:
Perfluoralkylvinylether-modifiziertes PTFE-Polymer, wobei das Co-Monomer
Perfluormethylvinylether ist.
FEP:
Vollfluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer.
ETFE: Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer.
ECTFE: Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer.
PVDF: Polyvinylidenfluorid. Poly-Chlortrifluorethylen.
THV: Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer.
Besonders bevorzugt setzt das erfindungsgemäße Verfahren Polymermaterial ein, welches ein im Wesentlichen vollfluoriertes Polymer umfasst.
Solche im Wesentlichen vollfluorierte Polymere sind bevorzugt ein TFE-Copo- lymer, dessen Co-Monomeranteil ca. 3,5 Mol-% oder weniger, bevorzugt 3 Mol-% oder weniger, insbesondere ca. 1 Mol-% oder weniger, beträgt.
Solche Werkstoffe weisen Eigenschaften auf, die sehr ähnlich dem herkömmlichen Standard-PTFE sind, jedoch sind solche Materialien schmelzverarbeitbar und lassen sich mit großem Vorteil in dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen.
Bevorzugte Co-Monomere für die vorgenannten TFE-Copolymeren sind ausgewählt aus Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-dimethyl- 1,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Polymermaterialien zum Einsatz kommen, die ein Polymer-Compound mit einem Füllstoffmaterial umfassen, dessen Anteil ca. 60 Gew.% oder weniger beträgt, bezogen auf die Masse des Polymer-Compounds.
Das verwendete Füllstoffmaterial in den Polymer-Compounds weist bevorzugt einen Füllstoff in Faserform und/oder in granulärer Form auf.
Bevorzugt weist das Füllstoffmaterial eine oder mehrere Komponenten auf, welche ausgewählt sind aus Glasfasern, Glaskugeln, harten und weichen Koh- lepartikeln und -fasern, Graphit, Leitfähigkeitsruß, Metallfasern, Metallpartikeln, insbesondere Bronzepartikel und Stahlpulver, Quarz, AI2O3, CaF2, Glimmer, Mineralstoffe, insbesondere BaSO4 sowie organischen Polymermaterialien. Die zuletzt genannten Füllmaterialien, nämlich die organischen Polymermaterialien wiederum, sind vorzugsweise ausgewählt aus Polyamid, PoIy- amidimid, PPS, PEEK, PPSO2, aromatischen Polyestern und Aramiden sowie Mischungen von zwei oder mehrerer dieser Materialien.
Bevorzugt ist der Anteil des organischen Polymermaterials limitiert auf ca. 25 Gew.% oder weniger, bezogen auf die Masse des Polymer-Compounds.
Weiter bevorzugt ist dieser Anteil auf ca. 20 Gew.% oder weniger beschränkt.
Besonders bevorzugte Polymermaterialien umfassen eine Mischung eines thermoplastischen PTFE und eines weiteren thermoplastischen Polymers.
Wie oben bereits erwähnt, muss das Polymermaterial im Falle von teilkristallinen Materialien zum Umformen erfindungsgemäß auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des jeweiligen Materials erwärmt werden. Besonders bevorzugt wird eine Temperatur von ca. 140 0C oder mehr, besonders bevorzugt von ca. 160 0C bis ca. 400 0C bei vollfluorierten Polymermaterialien, gewählt. Bei teilfluorierten wird ein Temperaturbereich von ca. 100 0C bis ca. 350 0C bevorzugt.
Für im Wesentlichen amorph vorliegende Polymermaterialien, zum Beispiel THV, wird die Temperatur niedriger liegen, und zwar vorzugsweise im Bereich der Hälfte der Glasübergangstemperatur (in 0C) bis unter die Glasübergangstemperatur, das heißt für das Beispiel des Polymermaterials THV ca. 55 0C bis ca. 140 0C, wobei die Wahl von der Glasübergangstemperatur des jeweils verwendeten Polymertyps abhängig ist.
Das Erwärmen des Polymermaterials erfolgt besonders bevorzugt mittels einer Induktions- oder Mikrowellenheizung. Insbesondere mittels der zuerst ge- nannten kann ein Polymermaterial binnen weniger Sekunden auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden. Die Verwendung einer Induktionsheizung ermöglicht somit einen hohen Durchsatz. Die Erwärmung kann direkt oder indirekt erfolgen, je nach der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Polymermaterials.
Besonders bevorzugt umfasst das verwendete Polymermaterial als eine Komponente mindestens ein Polymer aus der Gruppe mit Polyethylen (PE), ultra- hochmolekulargewichtiges Polyethylen (UHMWPE), Polypropylen (PP), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylensulfid (PPS), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyetheretherketon (PEEK).
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auch Polymermaterialien verarbeiten lassen, die nach konventionellen Verfahren aufgrund ihrer hohen Viskosität oder ihrer Nichtschmelzbarkeit nicht mehr verarbeitbar sind. Gerade solche Materialien sind beispielsweise aufgrund ihrer hohem Chemikalienresistenz häufig als Werkstoffe sehr interessant. In bevorzugten Ausführungsformen werden erfindungsgemäß Polymermaterialien mit mittleren Molgewichten von bis zu 108 g/mol verarbeitet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind sowohl reine Polymermaterialien verarbeitbar als auch Polymermaterialien, die einen oder mehrere Füllstoffe aufweisen. Als Füllstoffe kann ein in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbares Polymer organische und/oder anorganische, insbesondere auch metallische, Füllstoffe aufweisen.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des
Umformfaktors;
Fig. 2 bis 4 in schematischer Darstellung die Abfolge von Einzelschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen Quader 10, der die Geometrie eines Rohlings, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verarbeiten ist, darstellen soll.
Ferner zeigt die Fig. 1 einen Quader 12, der das Formteil als Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellen soll.
Die beiden Quader 10 und 12 sind vom Volumen her identisch. Die Abmessungen in der Höhe und in der Breite unterscheiden sich. Die dadurch bildlich dargestellten Unterschiedsvolumina ΔV einerseits beim Quader 10, andererseits beim Quader 12, sind jeweils identisch und entsprechen dem Volumen, das während des Umformschrittes gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Druck in einer Fließbewegung räumlich verlagert wurde.
Der Umformfaktor definiert sich durch das Verhältnis von ΔV zum Volumen des Quaders 10 bzw. des identischen Volumens des Quaders 12.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen in schematischer Weise den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines herzustellenden im Wesentlichen scheibenförmigen Bauteils. Zunächst wird ein Rohling 20 in konventioneller Weise in Form eines exakt ringscheibenförmigen Bauteils hergestellt. Die Herstellung solcher Rohlinge, sei es durch Extrudieren, Sintern oder ein anderes Verfahren, ist im Stand der Technik vielfältig bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird. Im Falle dieses Beispiels kann der Rohling aus einem plat- tenförmigen Halbzeug ausgestanzt werden. Dieser Rohling 20 wird dann mit Hilfe eines Pressformwerkzeuges 22, welches einen Stempel 24 und ein korrespondierendes Gegenstück 26 umfasst, umgeformt.
Das Gegenstück 26 weist eine Aufnahme 28 für das Polymermaterial, im vorliegenden Beispiel in Form des Rohlings 20, sowie des Stempels 24 auf. Die Aufnahme 28 weist mittig einen zapfenförmigen Vorsprung 29 auf, der der Zentrierung des Rohlings 20 in der Aufnahme 28 dient. Gleichzeitig dient der Zapfen 29 der Formgebung. Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich der Stempel 24 in einer Ausgangsposition, in der dieser Eingriff mit dem Gegenstück 26 positioniert ist. Eine solche Situation ist in Fig. 2 dargestellt. Der Rohling 20 wird in der Aufnahme 28 positioniert. Über das Pressformwerkzeug 22 wird das Polymermaterial des Rohlings 20 auf die vom Polymermaterial selbst abhängige Temperatur (vgl. oben geführte Diskussion hierzu) erwärmt, bei der das Polymermaterial im thermoelastischen Zustand vorliegt. Die Erwärmung geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer induktiven Heizvorrichtung (nicht dargestellt).
Das Werkzeug 22 wird geschlossen, so dass der Stempel 24 in die Ausnehmung 28 einrückt. Der Stempel 24 wird ferner mit einer Kraft F beaufschlagt (vgl. Situation dargestellt in Fig. 3), aufgrund welcher das mittlerweile auf die Prozesstemperatur erwärmte Polymermaterial des Rohlings 20 zu fließen beginnt und sich in radialer Richtung bis zu den Seitenwänden der Ausnehmung 28 ausdehnt. Des Weiteren vermag das Polymermaterial des Rohlings 20 in einen Teil einer Ausnehmung 30 im Stempel 24 zu fließen, unter Ausbildung eines nach oben abstehenden ringförmigen Volumenanteils.
Der Umformvorgang wird abgeschlossen, indem, wie in Fig. 4 dargestellt, der Stempel 24 des Pressformwerkzeugs in seine Endposition überführt wird, in der der Stempel 24 zusammen mit dem Gegenstück 26 eine Kavität definiert, die in Form und Volumen dem herzustellenden Formteil 32 entspricht. Das hier schematisch dargestellte Formteil 32 weist einen ringscheibenförmigen Grundkörper 34 sowie einen daran einstückig angeformten, nach oben abstehenden Bund 36 auf. Das erhaltene Werkstück weist keinerlei Lunker, Bindenähte oder andere unerwünschten Merkmale auf und kann im Wesentlichen ohne weiteres seiner Bestimmung zugeführt werden.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Formgebungsverfahren kombinieren, wie zum Beispiel Tiefziehen, oder auch Verfahren, bei denen das Polymermaterial in schmelzflüssigem Zustand vorliegt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird dann bevorzugt für die abschließende Formgebung eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils aus einem bei Raumtemperatur amorphen oder teilkristallinen teil- oder vollfluorierten thermoplastischen Polymermaterial unter Verwendung eines Pressformwerkzeugs mit einem Stempel und einem zu dem Stempel korrespondierenden Gegenstück mit einer Ausnehmung zur Aufnahme von Polymermaterial und des Stempels, wobei der Stempel und das korrespondierende Gegenstück bei einer Anordnung des Stempels in einer vorgegebenen Endposition eine Kavität definieren, deren Form im Wesentlichen der Form des herzustellenden Formteils entspricht, umfassend die Schritte
- Bereitstellen des Pressformwerkzeugs mit dem in eine Ausgangsposition überführten Stempel, bei der dieser außer Eingriff mit der Ausnehmung des Gegenstücks positioniert ist,
- Einbringen einer dem Gewicht des herzustellenden Formteils entsprechenden Menge des Polymermaterials in festem Zustand in die Ausnehmung des Gegenstücks,
- Erwärmen des Polymermaterials auf eine Temperatur oberhalb seiner Glasübergangstemperatur,
- Beaufschlagen des erwärmten Polymermaterials mit Druck durch Überführen des Stempels in die Endposition, wobei das Polymermaterial zu dem Formteil umgeformt wird,
- Abkühlen des Polymermaterials auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur,
- Entfernen des Stempels aus der Endposition und Entnahme des hergestellten Formteils aus dem Pressformwerkzeug.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial in Form eines vorgeformten Rohlings (Halbzeug) in die Ausnehmung eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Rohlings zu dem Formteil mit einem Umformfaktor des am Prozess beteiligten Materialvolumens von ca. 20 % oder mehr erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial in Form von Partikeln in die Ausnehmung eingebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ausgewählt wird aus PTFE, modifiziertem PTFE, PFA, MFA FEP, ETFE, ECTFE, PVDF, PCTFE, THF und Mischungen von zwei oder mehreren dieser Polymere.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial mindestens ein im Wesentlichen vollfluoriertes Polymer umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen vollfluorierte Polymer ein TFE-Copolymer ist, dessen Co- Monomeranteil ca. 3,5 Mol-% oder weniger, bevorzugt ca. 3 Mol-% oder weniger, insbesondere ca. 1 Mol-% oder weniger beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Co-Mono- mer ausgewählt ist aus Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-dimethyl-l,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Polymer-Compound mit einem Füllstoffmaterial umfasst, dessen Anteil ca. 60 Gew.% oder weniger beträgt, bezogen auf die Masse des Polymer-Compounds.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstoffmaterial einen Füllstoff in Faserform und/oder in granulärer Form umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstoff- material eine oder mehrere Komponenten umfasst, ausgewählt aus Glasfasern, Glaskugeln, harten und weichen Kohlepartikeln und -fasern, Graphit, Leitfähigkeitsruß, Metallfasern, Metallpartikeln, insbesondere Bronzepartikel und Stahlpulver, Quarz, AI2O3, CaF2, Glimmer, Mineralstoffe, insbesondere BaSO4 sowie organischen Polymermaterialien.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Polymermaterialien des Füllstoffmaterials ausgewählt sind aus Polyamid, Polyamidimid, PPS, PEEK, PPSO2, aromatischen Polyestern und Aramiden sowie Mischungen von zwei oder mehreren dieser Materialien.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des organischen Polymermaterials ca. 25 Gew.% oder weniger beträgt, bezogen auf die Masse des Polymer-Compounds.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil ca. 10 Gew.% oder weniger beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial eine Mischung eines thermoplastischen PTFE und eines weiteren thermoplastischen Polymers umfasst.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass teilkristallines Polymermaterial im Falle von vollfluorierten Materialien auf eine Temperatur von ca. 140 0C oder mehr, insbesondere von ca. 160 0C bis ca. 400 0C, und im Falle von teilfluorierten Materialien auf eine Temperatur im Bereich von ca. 100 0C bis ca. 350 0C erwärmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass amorphes Polymermaterial auf eine Temperatur im Bereich von der Hälfte der Glasübergangstemperatur (in 0C) bis unter die Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial mit einer Induktionsheizung erwärmt wird.
19. Kunststoffformteil, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
20. Kunststoffformteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffformteil zumindest in einem Teilbereich eine Dicke von ca. 500 μm oder weniger aufweist.
21. Kunststoffformteil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen rotationssymmetrisch, insbesondere ring- oder scheibenförmig, ausgebildet ist.
22. Kunststoffformteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch eine variierende Dicke entlang eines Querschnitts.
23. Kunststoffformteil nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen seiner maximalen räumlichen Ausdehnung und der Dicke in dem Teilbereich ca. 10 oder mehr, vorzugsweise ca. 50 bis ca. 200, beträgt.
24. Kunststoffformteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es frei von einem Anguss und/oder Bindenähten ist.
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