-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Spritzgussteilen,
bei dem durch eine durch Erwärmung
gewonnene Kunststoffschmelze unter Druck in eine wenigstens ein
Formteil umfassende Spritzgussform eines Formwerkzeuges gepresst
wird und anschließend
unter Ausbildung eines Spritzgussteils erkaltet. Die Erfindung bezieht sich
ferner auf ein Formwerkzeug zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
-
In
Kunststoff-Spritzgussverfahren eingesetzte Formteile werden gekühlt, wobei
derzeit in der Regel wasserführende
Kühlkanäle zum Einsatz
kommen, die sich durch das Formteil hindurch erstrecken. Problematisch
bei diesen Gegenständen
ist jedoch eine deutliche Trägheit
der Kühlwirkung,
die zu einer Verschlechterung der Produktqualität und zu langsamen Produktionszyklen
führt.
-
Eine
schnellere Temperierung das Formteile und damit eine Verkürzung der
Zykluszeit für
aufeinanderfolgende Spritzgussvorgänge wird bei einem Verfahren
erreicht, das in der
DE
692 06 405 T2 (
EP 0
574 475 B1 ) beschrieben ist. Bei diesem vorbekannten Verfahren
kommen Formteile aus gesintertem Material zum Einsatz, die kommunizierende
Poren enthalten. In den Formteilen sind Expansionskammern angeordnet,
die mit Kapillaren, die der Zuführung
eines verflüssigten
Gases dienen, strömungsverbunden
sind. Beim Austritt aus den Kapillaren in die Expansionskammern
entspannt das Gas und geht unter starker Abkühlung in den gasförmigen Zustand über. Das
auf diese Weise gewonnene kalte Gas strömt durch die Poren des Formteils
ab und kühlt
dieses ab.
-
Problematisch
bei diesem vorbekannten Kühlsystem
ist der aufwändige
Aufbau der Formteile und der Kältetransport
durch stochastisch im Formteil verteilte Poren zur Kunststoffschmelze,
der keine gezielte Kältebeaufschlagung
einzelner Abschnitte des zu kühlenden
Spritzgussteils erlaubt.
-
Aus
der
DE 33 22 312 A1 ist
ein Verfahren zum Herstellen von Spritzgussteilen bekannt, bei dem
eine verbesserte Kühlwirkung
durch den Einsatz von tiefkalten verflüssigten Gas erzielt wird. Das
tiefkalte verflüssigte
Gas wird dabei durch Zuleitungen in der Gießform geführt und verdampft beim Kontakt
mit der erhitzten Gießform.
-
Nachteilig
bei diesem Gegenstand ist, dass Verwendung von tiefkaltem verflüssigtem
Gas eine aufwändige
Wärmeisolierung
der entsprechenden Zuleitungen erforderlich macht, durch welche
die Aufwärmzeit
der Gießform
nach Beendigung eines Formzyklus verlängert wird. Der fortgesetzte
Kälteeintrag
kann zudem zu einer Unterkühlung
der Gießform
führen,
weshalb es fallweise erforderlich ist, die Flüssiggaskühlung nur für kleine Bereiche der Gießform vorzusehen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist demnach, die Temperierung von Formteilen,
die bei der Herstellung von Kunststoff-Spritzgussteilen eingesetzt
werden, zu verbessern und damit insbesondere die Zykluszeit für aufeinanderfolgende
Spitzvorgänge
zu verkürzen.
-
Gelöst ist diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch eine Vorrichtung nit den Merkmalen des Patentanspruchs
7.
-
Erfindungsgemäß ist also
ein Formteil der Spritzgussform eines Formwerkzeugs mit einem Hohlraum
ausgestattet, in den ein verdichtetes Gas unter Druck eingefüllt wird.
Nachdem der Hohlraum mit Gas befüllt
worden ist, wird das Gas entspannt, wodurch es sich in sehr kurzer
Zeit sehr stark abkühlt.
Auf diese Weise können
dem Formteil zeitgenau Kühlpulse
appliziert und dadurch eine schnelle Temperierung des Kunststoff-Formteils
bewirkt werden.
-
Um
ein vorbestimmtes Temperaturprofil im Formteil zu erzeugen, ist
es vorteilhaft, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Kühlpulsen
vorzusehen. Dabei wird das Gas intermittierend dem Hohlraum zugeführt und
jeweils anschließend
entspannt. Die Parameter, die zu einer bestimmten Kühlpulsfolge, und
damit zu einem bestimmten Temperaturprofil führen, werden dabei beispielsweise
empirisch vor einem Produktionszyklen bestimmt. Geeignete Parameter
sind beispielsweise der Anfangsdruck oder die Anfangstemperatur
des verdichteten Gases oder der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender
Kühlpulse.
-
Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Parameter
der Kühlpulse,
wie etwa die Stärke
oder der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Kühlpulse,
während
des Kunststoff-Spritzvorgangs zu regeln. Dabei wird die Temperatur
im Formteil oder in der Kunststoffschmelze, bzw. dem Kunststoff-Spritzgussteil laufend
oder in kontinuierlichen Abständen
erfasst und als Regelgröße zur Berechnung
der entsprechenden Parameter eingesetzt.
-
Bevorzugt
wird das Formteil zusätzlich
zur Kühlung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
einer konventionellen Kühlung
unterzogen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Wasserkühlung durch im
Formteil hindurchgeführte Kanäle handeln,
oder aber – im
Falle von porenhaltigen Formteilen aus gesintertem Metall – um die
Zuführung
eines gasförmigen
oder flüssigen
Kühlmittels
in die Poren des Formteils, wie dies beispielsweise in den Druckschriften
DE 692 06 405 T2 oder der
US 5 021 203 beschrieben
wird, auf die hier ausdrücklich
Bezug genommen wird.
-
Spritzgegossene
Teile zeigen oft störende Einfallstellen
an der Oberfläche,
die darauf zurückzuführen sind,
dass Spritzgussteile an Stellen mit großer Wanddicke beim Abkühlen einer
stärkeren Schrumpfung
unterworfen sind. Abhilfe schafft hier das "Gasinnendruckverfahren" (GID), bei dem ein Gas
in die noch weiche Seele eines Spritzgussteiles gedrückt wird.
Dadurch entsteht zum einen ein Hohlraum, aufgrund dessen die Wandstärke des
Spritzgussteils gemindert wird, zum anderen wird die aushärtende Schmelze
durch das eingeführte
Gas bis zum Erkalten an die Formteilwand gepresst. Um die Ausbildung
derartiger Einfallstellen zu vermeiden, sieht somit eine besonders
zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung vor, die Kunststoffschmelze zumindest im Bereich bestimmungsgemäß verdickter Wände des
Spritzgussteils einem GID – Verfahren
zu unterziehen.
-
Ein
bevorzugtes Gas zum Kühlen
des Formkörpers
ist Kohlendioxid, das in gasförmigem,
flüssigem
oder überkritischem
Zustand dem Hohlkörper zugeführt wird
und das bei einem Entspannungsvorgang, bei der das Kohlendioxid
zumindest teilweise in Gasform übergeht,
eine besonders gute Kühlwirkung entfaltet.
-
Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kommt vorzugsweise ein Formwerkzeug mit den in Anspruch 7 aufgeführten Merkmalen
zum Einsatz. Dieses Formwerkzeug umfasst eine Spritzgussform mit
einem Formteil, in welchem Formteil wenigstens ein Hohlraum vorgesehen
ist, der mit einer Quelle für
ein verdichtetes Gas sowie mit einer Entspannungseinrichtung zur
Druckentlastung des Hohlraumes strömungsverbunden ist.
-
Zweckmäßigerweise
besteht zwischen dem Hohlraum und einem punkt- oder linienförmigen Bereich
auf der Oberfläche
des Kunststoff-Spritzgussteils eine wärmeleitendende, jedoch gasdichte
Verbindung. Beispielsweise wird eine solche Verbindung durch ein
gut wärmeleitendes
Material zwischen Hohlraum und der dem Spritzgussteil zugewandten Formfläche des
Formteils realisiert.
-
Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Hohlraum
wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, der an die beim bestimmungsgemäßen Einsatz
der Oberfläche
des Kunststoff-Spritzgussteils zugewandte Formfläche angrenzt. Der Kanal kann
dabei durch das Formteil selbst hindurchgeführt oder aber in einem mit
dem Formteil innigst verbundenem Einsatz aus einem gut wärmeleitendem Material
aufgenommen sein.
-
Bevorzugt
ist der Kanal längs
solchen Bereichen der Formfläche
des Formkörpers
angeordnet, die beim bestimmungsgemäßem Einsatz an verstärkten Wandabschnitten
des Kunststoff-Spritzteils angrenzen.
-
Das
Formteil kann zweckmäßigerweise
mit zusätzlichen
Kühleinrichtungen,
wie Kanäle
oder durchlässige
Poren für
ein Kühlmittel,
versehen sein.
-
Anhand
der Zeichnungen sollen nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert werden.
-
In
schematischen Ansichten zeigen:
-
1:
einen Teil eines erfindungsgemäßes Formwerkzeug
im Längsschnitt
und
-
2:
die Regelung einer Gaszuführung
in das Formwerkzeug aus 1 in einem Blockschaltbild.
-
Das
in 1 ausschnittsweise gezeigte Formwerkzeug 1 zur
Herstellung von Kunststoff-Spritzgussteilen umfasst eine Spritzgussform mit
zwei Formteilen 2, 3. Zwischen den Formteilen 2, 3 ist
ein von Formflächen 4, 5 begrenzter
Formhohlraum gebildet, der im bestimmungsgemäßen Einsatz des Formwerkzeugs 1 dazu
bestimmt ist, eine Kunststoffschmelze 7 aufzunehmen, aus
der sich nach ihrer Erstarrung ein Kunststoff-Spritzgussteil ergibt. Der
in 1 gezeigte Ausschnitt umfasst einen Bereich, in
dem die Wand des zu formenden Spritzgussteil eine punkt- oder linienförmige Verstärkungszone 8 aufweist,
beispielsweise eine der Stabilisierung dienende Verstärkungsrippe.
-
Die
Erstarrung der Kunststoffschmelze 7 wird durch Wärmeleitung
von der Kunststoffschmelze 7 in die Formteile 2, 3 hinein
bewirkt. Um diesen Prozess zu beschleunigen, werden die Formteile 2, 3 gekühlt. Hierzu
sind in den Formteilen 2, 3 jeweils Kühlkanäle 10, 10', 10'', 10''' für ein Kühlmedium,
beispielsweise Wasser, angeordnet. Derartige wasserführende Kühlkanäle 10, 10', 10'', 10''' sind bekannter
Stand der Technik.
-
Zusätzlich sind
bei dem Formwerkzeug 1 im Bereich der Verstärkungszone 8 Kühlkanäle 11, 11', 12, 12'' für ein verdichtetes Gas, im
Ausführungsbeispiel
flüssiges
oder überkritisches
Kohlendioxid, vorgesehen. Bei den Kühlkanälen 11, 11' handelt es
sich um Bohrungen im Formteil 2, die in ihrem Querschnitt dem
Außenumfang
der Verstärkungszone 8 angepasst
sind und in geringem Abstand zur Formfläche 4 im Bereich der
Verstärkungszone 8 angeordnet sind.
Die Kühlkanäle 12, 12' sind demgegenüber in innigst
mit dem Formteil 3 verbundenen Einsätzen 13, 13' aus einem gut
wärmeleitenden
Material, wie beispielsweise Kupfer, angeordnet. Die Einsätze 13, 13' sind in Nuten 14, 14', die gegenüber der
Verstärkungszone
8 im Formteil 3 angeordnet sind, aufgenommen und erstrecken
sich mit einer Kühlfläche 15, 15' bis zum Rand
der Kunststoffschmelze 7. Zwischen den beiden Einsätzen 13 und 13' ist ein Temperaturfühler 16 eingebaut,
der die Temperatur in der Randzone der Kunststoffschmelze 7 misst.
Im Ausführungsbeispiel
umschließen
Einsätze 13, 13' die Kühlkanäle 12, 12' vollständig; es
ist jedoch beispielsweise auch vorstellbar, dass die Kühlkanäle in die
Oberfläche 5 des
Formteils 3 eingefräst
und mit einem entsprechenden, gut wärmeleitenden Einsatz lediglich
abgedeckt werden.
-
Die
Kühlkanäle 11, 12 sind
mit einer – aus 2 ersichtlichen – Zuleitung 18 strömungsverbunden,
die an einen Drucktank 19 angeschlossen ist. Im Drucktank 19 wird
beispielsweise Kohlendioxid unter Druck im flüssigen Zustand bei Umgebungstemperatur
gespeichert. In der Zuleitung 18 ist ferner ein Ventil 20,
das den Zustrom von flüssigem
Kohlendioxid zu den Kanälen 11, 12 im Formwerkzeug 1 regelt,
sowie ein Entspannungsorgan 21 zum Entspannen des in den
Kanälen 11, 12 befindlichen
flüssigen
oder überkritischen
Kohlendioxids vorgesehen. Das Ventil 20 und das Entspannungsorgan 21 sind
mittels einer elektronischen Steuereinheit 23 steuerbar,
die zugleich mit dem Temperaturfühler 16 über eine
Messleitung 24 datenverbunden ist.
-
Beim
Einsatz des Formwerkzeugs 1 wird die Kunststoffschmelze 7 unter
hohem Druck in den Hohlraum zwischen den Formflächen 4, 5 eingepresst.
Durch den Kontakt mit den Formflächen 4, 5 der
gekühlten
Formteile 2, 3 wird der Kunststoffschmelze 7 Wärme entzogen,
wodurch bereits während
der Formfüllung
zumindest in den Randbereichen der Kunststoffschmelze 7,
die den Formflächen 4, 5 benachbart
sind, Erstarrung einsetzt.
-
Um
Einfallstellen oder Blasen an der Oberfläche des fertigen Spritzgussteils
zu vermeiden, wird die Kunststoffschmelze im Bereich der Verstärkungszone 8 einem
Gasinnendruckverfahren (GID) unterzogen. Dabei wird in die noch
flüssige
Kunststoffschmelze 7 Gas mit hohem Druck eingepresst. Dadurch
bildet sich durch Verdrängen
der Kunststoffschmelze 7 im Innern der Verstärkungszone 8,
beabstandet von den Formflächen 5, 4,
ein Hohlraum 25 aus. Nachdem die Kunststoffschmelze 7 etwas
abgekühlt
ist, wird nochmals Gas mit etwa 400bar in den Hohlkörper 25 eingepresst.
Nach der vollständigen Erstarrung
und Aushärtung
der Kunststoffschmelze 7 kann das Gas aus dem Hohlraum 25 zurückgewonnen
werden.
-
Während des
Erstarrungsvorgangs werden die Formteile 2, 3 gekühlt. Dies
erfolgt zum einen dadurch, dass durch die Kanäle 10, 10', 10'', 10''' kontinuierlich
eine Wasserkühlung
stattfindet, zum anderen wird der Bereich um die Verstärkungszone
zusätzlich
durch Entspannung des verdichteten Gases in den Kühlkanälen 11, 11', 12, 12' gekühlt, wie
dies im folgenden genauer beschrieben wird.
-
Die
Entspannungskühlung
in den Kühlkanälen 11, 11', 12, 12' wird dadurch
erreicht, dass vor Beginn des Kühlvorgangs
die Kühlkanäle 11, 11', 12, 12' mit flüssigem Kohlendioxid
einer vorgegebenen, beispielsweise der Umgebungstemperatur entsprechenden,
Temperatur gefüllt
werden, das aus dem Drucktank 19 durch die Zuleitung 18 herangeführt wurde. Nach
Beendigung des Befüllvorgangs
wird das Ventil 20 geschlossen und damit die Strömungsverbindung zwischen
dem Drucktank 19 und den Kühlkanälen 11, 11', 12, 12' unterbrochen.
Anschließend
wird das Entspannungsorgan 21 geöffnet. Dabei erfolgt eine schlagartige
Entspannung des in den Kühlkanälen 11, 11', 12, 12' befindlichen
Kohlendioxids, wobei dieses vom flüssigen in den gasförmigen Zustand
bzw. in Kohlendioxidschnee übergeht,
wobei letzterer rasch sublimiert. Der Entspannungsvorgang führt zu einer
starken Abkühlung
des Kohlendioxids in den Kühlkanälen 11, 11', 12, 12', und damit
zu einer Abkühlung
der Formteile 2, 3 zumindest im Bereich um die
Kühlkanäle 11, 11', 12, 12' herum. Das
bei der Entspannung entstehende Kohlendioxidgas wird über eine
Ableitung 26 abgeführt
und steht einer Wieder- bzw. Weiterverwertung zur Verfügung.
-
Die
durch die oben beschriebene Entspannungskühlung erzielbare Kühlwirkung
hängt von
der Stärke
und Anzahl der einzelnen dabei erzeugten Kühlpulse sowie von deren zeitlichem
Abstand ab. Die Stärke
der Kühlpulse
wird insbesondere durch den Druck und der Temperatur des flüssigen Kohlendioxids
vor der Entspannung, sowie dem Druck des gasförmigen Kohlendioxids nach der
Entspannung bestimmt. Die in einer Zeiteinheit abzugebende Kühlpulsfolge
kann dabei für
einen Formvorgang fest vorgegeben sein. Die Kühlpulsfolge wird in diesem
Fall nach einem fest vorgegebenen Programm durch entsprechende automatische
Steuerbefehle der Steuereinheit 23 an das Ventil 21,
bzw. das Entspannungsorgan 21 bestimmt. Es ist im Rahmen
der Erfindung jedoch auch vorstellbar, die Erzeugung von Kühlpulsen
während
des Formvorgangs in Abhängigkeit
von einer am Temperaturfühler 16 ermittelten
Temperatur durch entsprechende Ansteuerung des Ventils 20 sowie
des Entspannungsorgans 21 über die Steuereinheit 23 zu
regeln.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
gelingt die Abgabe zeitlich und räumlich gut definierter Kühlpulse
an die Kunststoffschmelze 7. Insbesondere können Bereiche
der Kunststoffschmelze 7, die eine verstärkte Kühlung erfordern,
zielgenau mit einem Kühlpuls
definierter Stärke
und Dauer beaufschlagt werden. Hierdurch kann der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender
Produktionszyklen für Kunststoff-Spritzgussteile
erheblich verkürzt
werden. Bei Anwendung eines GID-Verfahrens
dient das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere auch dazu, um durch eine gezielte Kühlung der Kunststoffschmelze 7 im
Bereich der Verstärkungszone 8 eine Blasenbildung
während
der Anwendung des GID-Verfahrens
zu verhindern.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann zur Kühlung
unterschiedlichster Formteile eingesetzt werden. Insbesondere können die
Kühlkanäle
11,
11',
12,
12'' in Formwerkzeugen aus unterschiedlichsten
Materialien eingebaut werden. Es ist demgemäss auch möglich, wenngleich die Erfindung
nicht hierauf beschränkt
ist, die Formteile des Formwerkzeuges aus gesintertem Metall herzustellen,
wobei die Formteile kommunizierende Poren enthalten, wie dies beispielsweise
in der
DE 692 06 405
T2 beschrieben ist.
-
- 1
- Formwerkzeug
- 2
- Formteil
- 3
- Formteil
- 4
- Formfläche
- 5
- Formfläche
- 6
-
- 7
- Kunststoffschmelze
- 8
- Verstärkungszone
- 9
-
- 10.
10', 10'', 10''''
- Kühlkanal
(für Wasserkühlung)
- 11.
11'
- Kühlkanal
- 12.
12'
- Kühlkanal
- 13.
13'
- Einsatz
- 14.
14'
- Nut
-
-
- 15
- Kühlfläche
- 16
- Temperaturfühler
- 17
-
- 18
- Zuleitung
- 19
- Drucktank
- 20
- Ventil
- 21
- Entspannungsorgan
- 22
-
- 23
- Steuereinheit
- 24
- Messleitung
- 25
- Hohlraum
- 26
- Ableitung