DE102008031391B4

DE102008031391B4 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff im Spritzgießprozess

Info

Publication number: DE102008031391B4
Application number: DE102008031391A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hinzpeter Udo; Dipl.-Ing. Eckardt Helmut
Original assignee: KUNSTSTOFFINSTITUT fur DIE MITTELSTAENDISCHE WIRTSCHAFT NRW GmbH; Kunststoffinstitut fur Die Mittelstandische Wirtschaft Nrw GmbH
Current assignee: KUNSTSTOFFINSTITUT fur DIE MITTELSTAENDISCHE WIRTSCHAFT NRW GmbH; Kunststoffinstitut fur Die Mittelstandische Wirtschaft Nrw GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: DE102008031391A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff im Spritzgießprozess, die zumindest teilweise eine Schaumstruktur aufweisen und diese Schaumstruktur durch den Zusatz von chemischen oder physikalischen Treibmitteln in die Kunststoffschmelze (8) erzeugt wird, indem die Treibmittel vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze (8) in mindestens ein Formnest (3) eines Spritzgießwerkzeuges zugegeben werden und eine Erwärmung des Formnestes (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Formnestes (3) induktiv erfolgt, dass die induktive Erwärmung des Formnestes (3) gesteuert, geregelt, gerichtet und kurzzeitig mit gezielter geringer Eindringtiefe einzelner geometrischer Bereiche oder einer gesamten Formnestoberfläche (4, 5) des Formnestes (3) so durchgeführt wird, dass eine ausreichend hohe Temperatur erzeugt und über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird, so dass die durch die Reaktion des Treibmittels gebildeten Gase beim Aufschäumen der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze (8) zwischen Formnestwandung und Kunststoffschmelze (8) in Lösung bleiben, so dass die Formnestkontur die Kunststoffoberfläche exakt abbildet, und dass in einem abschließenden Verfahrensschritt nach Beendigung des Füllvorganges und Kühlung der Kunststoffschmelze (8) in den erwärmten geometrischen Bereichen oder der gesamten Oberfläche (4, 5) des Formnestes (3) das Formteil mit einer Schaumstruktur aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff im Spritzgießprozess, die zumindest teilweise eine Schaumstruktur aufweisen.
Die Herstellung derartiger Formteile mit einer Schaumstruktur mit einer möglichst glatten Oberfläche und ihr Einsatz, beispielsweise in der Automobilindustrie und in der Verpackungsindustrie, ist bekannt. Es werden vorzugsweise einer thermoplastischen Kunststoffschmelze chemische oder physikalische Treibmittel zur Erzeugung der Schaumstruktur zugegeben, wobei chemische Treibmittel zum Einsatz kommen, die bei einer bestimmten Temperatur ein Gas entwickeln, oder auch physikalische Treibmittel in Form von Gasen oder Flüssigkeiten. Da die Treibmittel erst ab einer bestimmten Temperatur reagieren und die Gase zum Ausbreiten in der Kunststoffschmelze freien Raum benötigen, muss das Aufschäumen gesteuert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit unterschiedlichen Werkzeugwandtemperaturen die Intensität und der Schäumungsort beeinflusst werden können. Die Zugabe eines Treibmittels zur Kunststoffschmelze in Form von Gas findet, wie in dem Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffteiles in der DE 100 14 156 A1 beschrieben, nicht im Werkzeug, sondern während des Aufschmelzens des Kunststoffgranulats in der Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine und damit vor dem Einspritzvorgang in das Spritzgießwerkzeug statt, um die für den chemischen Umsatz der Gasbildung erforderlichen Parameter, wie Druck und Temperatur, beispielsweise im Schneckenraum einer Spritzgießvorrichtung, exakt einstellen zu können. Die Dicke der Außenhaut des Kunststoffteils wird dabei im Wesentlichen durch die thermischen Verhältnisse im Kontakt mit der Werkzeuginnenwandung, dem Start des Aufschäumens, durch die Druckverhältnisse, die Schaumstruktur, und durch die Volumenvergrößerung des Hohlraumes im Spritzgießwerkzeug infolge der Auseinanderbewegung der Werkzeughälften bestimmt, ohne deutliche Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur. Wird ein Treibmittel dem Kunststoff bereits vor oder im Trichter, im Schneckenzylinder, vor der Schnecke einer Spritzgießvorrichtung oder unmittelbar vor oder beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in das Formnest zugegeben, kann das Treibmittel dabei im Schneckenzylinder in gelöster Form bleiben. Die Expansion erfolgt erst beim Eintreten in das Formnest infolge des plötzlich eintretenden Druckverlustes. Beim Einspritzen dringt die Fließfront gegen die im Spritzgießwerkzeug befindliche Luft oder das Gas in das Formnest ein. Da an der Fließfront nur ein geringer Druck herrscht, kann das Treibmittel infolge des plötzlichen Druckabfalls expandieren und dabei teilweise aus der Kunststoffschmelze austreten. Das zwischen Formnestoberfläche und Kunststoff vorhandene Gas wird dann dort eingeschlossen. Es bilden sich sogenannte Silberschlieren auf der Oberfläche, die die Qualität der Kunststoffformteile mindern, da sie nicht nur optisch sichtbar, sondern auch mechanisch rau sind. Eine Unterdrückung dieses unerwünschten Effektes erfolgt durch ein Einspritzen gegen einen Gasgegendruck im Spritzgießwerkzeug, der größer als der Schäumdruck des Treibmittels ist. Mit diesem Verfahren lassen sich die Silberschlieren auf der Oberfläche reduzieren oder vermeiden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Spritzgießwerkzeuge abgedichtet werden müssen. Es ist weiterhin bekannt, dass durch das Anbringen von Isolierschichten in der Werkzeugkavität beim Einspritzen ein plötzlicher Temperaturschock vermieden wird. Problematisch ist jedoch, dass Isolierschichten auch bei komplizierten Formteilen in dem Formnest aufzubringen sind. Nachteilig ist dabei weiterhin, dass die Lebensdauer dieser Isolierschichten begrenzt ist. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Vermeidung von Blasen und Schlieren an der Oberfläche eines geschäumten Kunststoffformteils besteht darin, dass durch Einspritzen der Kunststoffschmelze in ein ausreichend hoch erwärmtes Formnest erreicht wird, dass die Blasen und Schlieren an der Oberfläche wieder verschmelzen.
Es entsteht dabei eine Oberfläche ohne Silberschlieren, wobei die Kunststoffformteile eine Schaumstruktur mit einer möglichst glatten Oberfläche aufweisen. Nach dem Einspritzten der Kunststoffschmelze muss das Formnest wieder gekühlt werden, um die Wärme aus der Kunststoffschmelze abzuleiten und die Erstarrung des Kunststoffformteils zu ermöglichen. Durch zyklisches Erwärmen und Abkühlen des Formnestes ist bei diesem auch als Variotherm bezeichneten Verfahren die Herstellung von Formteilen mit einer Schaumstruktur aus Kunststoff mit glatter Oberfläche möglich. Problematisch ist hierbei der erhebliche Zeitverlust durch die Erwärmung und Abkühlung des Formnestes sowie der hohe Energieverbrauch für das zyklische Erwärmen und Kühlen. Ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Kunststoffformteilen unter Anwendung physikalischer Treibmittel im Spritzgießprozess und einer Vorrichtung, die zwischen einem Plastifizierzylinder und einer Verschlussdüse einer Spritzgießmaschine angeordnet ist, ist aus der DE 101 50 329 C2 bekannt. Aus der DE 100 32 747 C2 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen geschäumter Bauteile bekannt, bei dem ein erstes plastifiziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial und ein Treibmittelgemisch zu einer Materialmischung vermischt werden und die Materialmischung aufgeschäumt wird. Der Einsatz einer gerichteten Hochfrequenztechnik als Mittel zur Erzeugung der Wärme ist aus der DE 102 57 129 A1 bekannt, bei der gezielt nur die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstoff erwärmt wird, und aus der US 4 390 485 A ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit einer Schaumstruktur aus Kunststoff im Spritzgießprozess, bei dem die kurzzeitige Erwärmung der einzelnen geometrischen Bereiche oder der gesamten Oberfläche mit elektrisch beheizten Blechstreifen erfolgt. Weiterhin ist aus einer Veröffentlichung am IKFF, der Universität Stuttgart, 2006 ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff im Spritzgießprozess mit einer gerichteten direkten induktiven Erwärmung bekannt. Ein ebenso bekanntes Verfahren, Formteile mit einer Schaumstruktur aus Kunststoff mit glatten Oberflächen zu erzeugen, ist die Verwendung des Mehrkomponentenspritzgießens. Es werden Kunststoffformteile mit einer nicht geschäumten Außenschicht in Verbindung mit einer geschäumten Kernschicht hergestellt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch der hohe maschinenseitige Aufwand und die aufwendige Verfahrenstechnik.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff, die zumindest teilweise oder insgesamt eine Schaumstruktur aufweisen, aus vorzugsweise thermoplastischem Kunststoff im Spritzgießprozess zu schaffen, mit einem Spritzgießwerkzeug zur Herstellung dieser Formteile, indem sowohl durch ein gezieltes Erwärmen eines Formnestes eines Spritzgießwerkzeuges als auch durch eine gleichmäßige Abkühlung glatte Oberflächen mit einer hohen Oberflächenqualität bei kurzen Herstellungszeiten und geringem Energieverbrauch herstellbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem die Erwärmung des Formnestes induktiv erfolgt, und die induktive Erwärmung des Formnestes gesteuert, geregelt, gerichtet und kurzzeitig mit gezielter geringer Eindringtiefe einzelner geometrischer Bereiche oder einer gesamten Formnestoberfläche des Formnestes so durchgeführt wird, dass eine ausreichend hohe Temperatur erzeugt und über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird, so dass die durch die Reaktion des Treibmittels gebildeten Gase beim Aufschäumen der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze zwischen Formnestwandung und Kunststoffschmelze in Lösung bleiben, so dass die Formnestkontur die Kunststoffoberfläche exakt abbildet. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die ausreichend erzeugte hohe Temperatur Silberschlieren vermeidbar sind, wobei eine solche Temperatur erzeugt wird, die ausreichend ist, die Temperatur des Formnestes während des Füllvorgangs zu halten, und dass nach Ausbildung der gewünschten schlierenfreien Oberfläche des Formteils mit einer Schaumstruktur die Wärmezufuhr beendet und nach Beendigung des Füllvorganges durch eine Kühlung der Kunststoffschmelze in den erwärmten geometrischen Bereichen oder der gesamten Oberfläche des Formnestes das Formteil mit einer Schaumstruktur aus dem Spritzgießwerkzeug entnehmbar ist. Dabei ist zu beachten, dass bei zu niedriger Temperatur die Silberschlieren sichtbar bleiben. Ist die Temperatur dagegen zu hoch, kommt es zumindest zeitweise zu einem Gleiten des Kunststoffes an der Formnestoberfläche. Ferner spielt nicht nur die Höhe der Temperatur eine Rolle, sondern auch, dass die Temperatur über einen bestimmten Zeitraum konstant bleibt. Erst durch die gezielt gerichtete induktive Erwärmung ist es möglich, einzelne Bereiche oder auch die gesamte Oberfläche des Formnestes in sehr kurzer Zeit zu erwärmen. Durch die gezielte Eindringtiefe der induktiven Strahlung wird sichergestellt, dass die formgebenden Flächen schnell erwärmt werden und damit die für die Einspritzung der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze gewünschte hohe Temperatur der Formnestoberfläche erreicht wird. Da nur eine geringe Eindringtiefe der Wärme durch die induktive Erwärmung vorgenommen wird, kann unmittelbar nach Beendigung des Füllvorganges bereits der Kühlprozess beginnen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze in das Formnest des Spritzgießwerkzeuges zumindest partiell insbesondere ein Fluid als physikalisches Treibmittel in die Kunststoffschmelze eingespritzt wird. Alternativ ist zur Erzielung einer glatten Oberfläche eines Formteils mit einer Schaumstruktur vorgesehen, dass mittels eines weiteren eingespritzten Kunststoffes in das Formnest ein Formteil mit einem geschäumten Kern und einer kompakten glatten Außenhaut erhalten wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur Ausbildung der Schaumstruktur während des Aufschäumens der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze das Spritzgießwerkzeug während der Erwärmung zumindest partiell in seinem Volumen verändert, beispielsweise vergrößert wird, indem während des Aufschäumens der Kunststoffschmelze durch Auseinanderfahren der Werkzeughälften des Spritzgießwerkzeuges das dem sich bildenden Schaum zur Verfügung stehende Volumen vergrößert wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Spritzgießwerkzeug vorgeschlagen, bei dem vor oder während des Einspritzens der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze in das Formnest zur kurzzeitigen gerichteten direkten Erwärmung einzelner geometrischer Bereiche oder der gesamten Oberfläche de Formnestes des Spritzgießwerkzeuges ein oder mehrere integrierte oder externe Induktoren vorgesehen sind. Die Induktoren können dabei entweder in einer oder in beiden Werkzeughälften des Spritzgießwerkzeuges integriert werden oder als externe Induktoren die Erwärmung einer Formnestoberfläche bei geöffnetem Spritzgießwerkzeug von außen durchführen. In vorteilhafter Weise kann das Erwärmen gezielter Bereiche der Formnestoberfläche bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug durch intern angeordnete Induktoren erfolgen, so dass noch während oder nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeuges die Wärme in entsprechende Bereiche eingebracht werden kann, so dass für die Oberflächenentwicklung der Formteile mit einer Schaumstruktur die Wärmeeinwirkung auch während und nach der Einspritzung der Kunststoffschmelze aufrecht erhalten wird. Alternativ ist vorgesehen, dass die Erwärmung der Formnestoberfläche bei geöffnetem Werkzeug beispielsweise durch im Bereich der Werkzeugwandungen angeordnete externe Induktoren erfolgt. Der Einsatz von externen Induktoren hat den Vorteil, dass keine Modifikationen am Spritzgießwerkzeug erforderlich sind. Ein großer Vorteil der Nutzung von Induktoren zur Erwärmung der Formnestoberfläche besteht darin, dass die Erwärmung sehr schnell erfolgt, die Eindringtiefe der Wärme einstellbar ist und auch geringe Eindringtiefen realisierbar sind. Es sind auch keramische Heizelemente bekannt, die schnell hohe Wärme einbringen können. Diese Elemente sind jedoch hart und können nur durch Schleifen bearbeitet werden. Komplizierte Geometrien können nicht nachgebildet werden. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Wärmeabfuhr durch eine dynamische Kühlung erfolgt, z. B. eine Impulskühlung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines geschlossenen Spritzgießwerkzeuges mit internen Induktoren;
2 eine Prinzipskizze eines geöffneten Spritzgießwerkzeuges mit externen Induktoren.
1 zeigt in einer Prinzipskizze ein erstes Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Spritzgießwerkzeuges mit den Werkzeughälften 1, 2. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Treibmittel in bekannter Weise einer Kunststoffschmelze 8 vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze 8 aus einem Plastifizieraggregat 9 in ein Formnest 3 des Spritzgießwerkzeuges zugegeben. Als Treibmittel kommen chemische und oder physikalische Treibmittel zum Einsatz, indem z. B. zumindest partiell ein Fluid als Treibmittel in die Kunststoffschmelze 8 eingespritzt wird. Alternativ kann mittels eines weiteren eingespritzten Kunststoffes in das Formnest 3 ein Formteil mit einem geschäumten Kern und einer kompakten glatten Außenhaut erhalten werden. Zur Ausbildung der Schaumstruktur während des Aufschäumens der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze 8 wird dabei das Spritzgießwerkzeug während der Erwärmung zumindest partiell in seinem Volumen verändert. Das Formnest 3 wird dabei zyklisch erwärmt und abgekühlt. Die Erwärmung einer Formnestoberfläche 4, 5 geschieht dabei durch induktive Erwärmung mittels in den Werkzeughälften 1, 2 integrierten Induktoren 6. Durch die induktive Erwärmung ist es möglich, einzelne Bereiche oder auch die gesamte Formnestoberfläche 4, 5 des Formnestes 3 in sehr kurzer Zeit zu erwärmen. Durch die gezielte Eindringtiefe der induktiven Strahlung wird sichergestellt, dass die Formnestoberfläche 4, 5 schnell erwärmt werden kann und damit die für die Einspritzung der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze 8 gewünschte hohe Oberflächentemperatur erreicht wird. Da eine geringe Eindringtiefe der Wärme durch diese Erwärmungsmethode realisierbar ist, kann unmittelbar nach Beendigung des Füllvorganges bereits der Kühlprozess beginnen. Beim Einspritzen der treibmittelhaltige Kunststoffschmelze 8 wird durch die induktive Erwärmung mittels integrierter Induktoren 6 die Formnestoberfläche 4, 5 auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht und durch Halten der Temperatur der Formnestoberfläche 4, 5 das Gas zwischen der Formnestoberfläche 4, 5 und der Kunststoffschmelze 8 in Lösung gehalten und damit kann die Formnestkontur die Kunststoffoberfläche exakt abbilden. Die Temperatur der Formnestoberfläche 4, 5 spielt dabei eine bedeutende Rolle. Ist die Temperatur zu niedrig, bleiben die sich auf der Oberfläche bildenden Silberschlieren sichtbar, ist die Temperatur dagegen zu hoch, kommt es zumindest zeitweise zu einem Gleiten des Kunststoffes an der Formnestoberfläche 4, 5. Ferner spielt nicht nur die Höhe der Temperatur eine Rolle, sondern die Temperatur muss auch über einen bestimmten Zeitraum konstant bleiben. Nach Ausbilden der gewünschten schlierenfreien Oberfläche des Formteils mit der Schaumstruktur wird die Wärmezufuhr beendet und das Formnest 3 gekühlt. 2 zeigt in einer Prinzipskizze ein weiteres Ausführungsbeispiel eines geöffneten Spritzgießwerkzeuges mit externen Induktoren. Die Erwärmung der Formnestoberfläche 4, 5 erfolgt bei geöffnetem Spritzgießwerkzeug vor der Einspritzung der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze 8 aus dem Plastifizieraggregat 9 durch im Bereich der Werkzeugwandungen angeordnete externe Induktoren 7. Der Einsatz von externen Induktoren 7 hat den Vorteil, dass keine Modifikationen am Spritzgießwerkzeug erforderlich sind. Die treibmittelhaltige Kunststoffschmelze 8 wird in bekannter Weise in das ausreichend entlüftete Spritzgießwerkzeug eingespritzt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist in den Verfahrensschritten und in der Anordnung der im Spritzgießwerkzeug integrierten oder externer Induktoren und der Steuerung oder Regelung der Erwärmung der Formnestoberfläche variabel.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeughälfte
2: Werkzeughälfte
3: Formnest
4: Formnestoberfläche
5: Formnestoberfläche
6: integrierter Induktor
7: externer Induktor
8: treibmittelhaltige Kunststoffschmelze
9: Plastifizieraggregat

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff im Spritzgießprozess, die zumindest teilweise eine Schaumstruktur aufweisen und diese Schaumstruktur durch den Zusatz von chemischen oder physikalischen Treibmitteln in die Kunststoffschmelze (8) erzeugt wird, indem die Treibmittel vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze (8) in mindestens ein Formnest (3) eines Spritzgießwerkzeuges zugegeben werden und eine Erwärmung des Formnestes (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Formnestes (3) induktiv erfolgt, dass die induktive Erwärmung des Formnestes (3) gesteuert, geregelt, gerichtet und kurzzeitig mit gezielter geringer Eindringtiefe einzelner geometrischer Bereiche oder einer gesamten Formnestoberfläche (4, 5) des Formnestes (3) so durchgeführt wird, dass eine ausreichend hohe Temperatur erzeugt und über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird, so dass die durch die Reaktion des Treibmittels gebildeten Gase beim Aufschäumen der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze (8) zwischen Formnestwandung und Kunststoffschmelze (8) in Lösung bleiben, so dass die Formnestkontur die Kunststoffoberfläche exakt abbildet, und dass in einem abschließenden Verfahrensschritt nach Beendigung des Füllvorganges und Kühlung der Kunststoffschmelze (8) in den erwärmten geometrischen Bereichen oder der gesamten Oberfläche (4, 5) des Formnestes (3) das Formteil mit einer Schaumstruktur aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze (8) in das Formnest (3) des Spritzgießwerkzeuges zumindest partiell ein Fluid als Treibmittel in die Kunststoffschmelze (8) eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines weiteren eingespritzten Kunststoffes in das Formnest (3) ein Formteil mit einem geschäumten Kern und einer kompakten glatten Außenhaut erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Schaumstruktur während des Aufschäumens der treibmittelhaltigen Kunststoffschmelze (8) das Spritzgießwerkzeug während der Erwärmung zumindest partiell in seinem Volumen verändert wird.