DE102005056912B4

DE102005056912B4 - Verfahren zum Spritzgießen

Info

Publication number: DE102005056912B4
Application number: DE102005056912A
Authority: DE
Inventors: Georg Steinbichler
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: DE102005056912A1; US8168111B2; AT500870A4; AT500870B1; US20060119008A1; AT500870B8

Abstract

Verfahren zum Spritzgießen mit den Schritten:
– Einbringen von unter Druck stehendem Kunststoff in einen Speicherraum (21), der in einer einen Formholraum (3) bildenden Form (7) angeordnet ist und der einen absperrbaren Ausgang aufweist,
– und Folien des Formhohlraumes (3) mit unter Druck stehendem Kunststoff aus dem Speicherraum (21), wobei das Volumen des Kunststoffs im Speicherraum (21) und der darin herrschende Druck beim öffnen der Absperrung Werte aufweisen, die zur Füllung des Formholraumes (3) durch Expansion des Materials im Speicherraum (21) ausreichen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Spritzgießen, bei dem unter Druck stehender Kunststoff aus einem Speicherraum mit absperrbarem Ausgang in einen Formhohlraum gespritzt wird und diesen unter Druck füllt, wobei das Volumen des Speicherraumes und der darin herrschende Druck beim Öffnen der Absperrung Werte aufweisen, die zur Füllung des Formhohlraumes durch Expansion des Materials im Speicherraum ausreichen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist in WO 01/03906 A1 beschrieben. Zur Durchführung des bekannten Verfahrens dient die in 1 dargestellte Einrichtung. Sei dieser stellt es keine Schwierigkeit dar, den Schneckenvorraum als den für das Expansionsspritzgießen wesentlichen Speicherraum zu verwenden. Der Verbindungsbereich zwischen dem Schneckenvorraum und dem Formhohlraum weist hier nämlich keinen erheblichen Fließwiderstand auf.
Die Erfindung geht demgegenüber von einem typischen Anwendungsfall aus, bei welchem in einer Form mehrere Formhohlräume angeordnet sind. Dadurch wird ein entsprechend verzweigtes Heißkanalsystem notwendig. Es hat sich herausgestellt, dass der Fließwiderstand dieses Systems die Expansion des Kunststoffes aus dem Schneckenvorraum in den oder die Formhohlräume erheblich behindert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieses Nachteils.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
Auch wenn die Erfindung besonders bei Anordnung mehrerer Formhohlräume in einer Form vorteilhaft ist, besteht keine Beschränkung auf diesen Fall. Auch bei Verwendung eines einzigen Formhohlraumes bietet die Erfindung nämlich den Vorteil minimalen Fließwiderstandes zwischen Speicherraum und Formhohlraum. Außerdem weist der Speicherraum bei jedem Zyklus identische Verhältnisse von Druck und Volumen auf, wogegen sich das Volumen des Schneckenvorraumes durch die schrittweise Zufuhr von Kunststoff in den Speicherraum verringern kann, ohne dass dies einen messbaren Einfluss auf den Verfahrensablauf hat. Dies gilt zumindest dann, und dies ist auch der Hauptanwendungsfall der Erfindung, wenn das Kanalsystem zwischen Schneckenvorraum und Speicherraum eine Drossel bildet, welche um ein Vielfaches wirksamer ist als der durch die geöffnete Absperrung des Speicherraumes hervorgerufene Fließwiderstand.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnung erläutert. In dieser bezieht sich
1 auf den Stand der Technik.
2 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Formwerkzeug.
3 zeigt den gemessenen Druckverlauf bei Verwendung eines Werkzeuges nach 2.
Das bekannte Verfahren kann auf jeder herkömmlichen Spritzgießeinrichtung durchgeführt werden, sofern der Zufluss zum Formhohlraum durch eine Absperrung steuerbar ist. Es sind daher in 1 nur die verfahrenswesentlichen Teile einer Spritzgießeinrichtung dargestellt und beschrieben.
Bei der dargestellten Einrichtung wird thermoplastischer Kunststoff im Zylinder 8 durch eine Schnecke 5 plastifiziert und gelangt dabei in den Vorraum 1. Dieser reicht durch die Bohrungen 13 bis fast an die Form 7. Seine vordere Öffnung 14 ist zur Form 7 hin mittels einer Absperrung 2 verschließbar, wogegen ein Rückströmen des Kunststoffes aus dem Vorraum 1 durch eine Rückstromsperre 6 an der Spitze der Schnecke 5 verhindert wird.
Wesentlicher Funktionsteil der Absperrung 2 ist in an sich bekannter Weise eine Verschlussnadel 9, welche unter dem Druck des Kunststoffes im Vorraum 1 die Tendenz hat, sich nach rechts in der Zeichnung zu bewegen. In Verschlussrichtung wird die Nadel 9 von einem um den Bolzen 10 schwenkbaren Hebel 11 beaufschlagt, welcher unter der Wirkung einer steuerbaren Hydraulikeinheit 12 steht.
Wesentlich für den Expansionsspritzguss ist, dass in dem vor der Absperrung 2 liegenden Kunststoff ein wesentlich höherer Druck aufgebaut wird, als dies sonst üblich ist, und dass die Füllung des Formhohlraumes 3 und des davor hegenden Angussbereiches 4 durch Expansion des Kunststoffes im Vorraum 1 erfolgt. Das Öffnen der Absperrung 2 kann gesteuert erfolgen, um den Druckverlauf im Formhohlraum 3, der primär durch die adiabatische Entspannung des Kunststoffes im Vorraum 1 bestimmt ist, zu modifizieren.
Um für einen gegebenen Formhohlraum 3 Druck und Volumen im Vorraum 1 passend bestimmen zu können, wählt man zweckmäßigerweise zuerst ein Volumen für den Vorraum 1, welches wesentlich das Volumen des Formhohlraumes 3 übersteigt. Anschließend wird der gewünschte Druck im Formhohlraum 3 gewählt. Der Druck im Vorraum 1, welcher zu diesem Resultat führt, kann in einer einfachen Versuchsreihe ermittelt werden. Bei Kenntnis der Zustandsgleichung des verwendeten Kunststoffes ist es auch ohne weiteres möglich, diesen Druck zu berechnen. Dies wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispieles dargelegt.
Beispiel:

Verwendetes Material: Polystyrol 143 E
Dichte bei Raumtemperatur: 1,047 g/cm³
Volumen des vor der Absperrung 2 liegenden Vorraumes 1: 45,6 cm³
Hinter der Absperrung 2 liegendes Volumen: 1,37 cm³, davon 1 cm³ eigentlicher Formhohlraum 3.

Der Kunststoff steht unter einem Druck von 2000 bar, durch die Verdichtung steigt seine Temperatur um 30° über die gewünschte Arbeitstemperatur von 220°C.
Die Absperrung 2 wird nun geöffnet, wodurch sich der Kunststoff auf das gesamte zur Verfügung stehende Volumen, also in den Bereich 4 des Angusses und in den Formhohlraum 3 hinein ausbreitet. Durch diese adiabatische Expansion erfolgt eine Abkühlung um 30°C und ein Druckabfall auf den gewünschten Endbereich von 500 bar. Dieser Druck reicht für die Herstellung des gewünschten Produktes aus.
Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik nach 1 dadurch, dass nicht mehr der Schneckenvorraum 1 den Speicherraum bildet, sondern dass, wie aus 2 ersichtlich ist, in der Wand 23 der Form 7 ein Speicherraum 21 vorgesehen ist. Dieser ist in an sich bekannter Weise mit einer Absperrung 2 versehen, welche eine unmittelbare Verbindung zum Formhohlraum 3 herstellt. Eine derartige Anordnung eines Nadelverschlusses unmittelbar am Eingang eines Formhohlraumes 3 ist bekannt, auch die Anordnung eines Speicherraumes in der Formwand ist an sich aus AT 408 087 B bekannt. Neu ist es aber, den Transport des Kunststoffes aus dem Speicherraum 21 in den Formhohlraum 3 im wesentlichen durch die Expansion des Materials im Speicherraum 21 zu bewirken. Da der im Speicherraum 21 erzielbare Druck im allgemeinen nicht wesentlich über 3000 bar liegen kann, muss das Volumen des Speicherraumes 21 hinreichend groß gewählt werden, dass durch die adiabatische Expansion des den Speicherraum füllenden Materials genug Kunststoff in den Formhohlraum 3 gelangt.
Wenn das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren dadurch gekennzeichnet wird, dass der Transport des Kunststoffes im wesentlichen durch Expansion erfolgt, so heißt das vor allem, dass der Verfahrensverlauf nicht durch die gesteuerte Bewegung eines Kolbens od. dgl. bestimmt sein soll. Notwendigerweise hat neben der Expansion des Kunststoffes auch die mit dem Druckabfall einhergehende Kontraktion der zunächst elastisch gedehnten Stahlteile einen Einfluss, welcher durchaus mit etwa 20% in die Rechnung eingehen kann.
Es ist nicht notwendig, dass das ganze den Speicherraum füllende Material Kunststoff ist. Um die Verweilzeit des Kunststoffes im Speicherraum 21 zu verringern, kann man im Speicherraum 21 vielmehr einen durch eine Membran od. dgl. abgetrennten, mit dem Kunststoff in Druckausgleich stehenden Teilraum vorsehen, der mit Hydraulikflüssigkeit oder einem anderen elastischen Medium gefüllt ist.
Aus 3 geht hervor, dass ein Heißkanalsystem 22 von beispielsweise 160 mm Länge die Vorgänge in der Kavität 3 weitgehend vom Zustand im Schneckenvorraum 1 abkoppelt, sodass der Schneckenvorraum 1 nur die Funktion hat, das für eine Füllung des Formhohlraumes 3 benötigte Material nachzuliefern und unter die notwendige Vorspannung zu setzen sowie gegebenenfalls den bei kurzer Zykluszeit und dünnen Formteilen wenig bedeutsamen Nachdruck zu erzeugen.
Im oberen Bereich von 3 ist der Druck im Schneckenvorraum 1 bzw. im Speicherraum 21 als Funktion der Zeit dargestellt. Der Zeitmaßstab bezieht sich auf Sekunden nach dem Beginn der Verdichtung des Kunststoffes im Schneckenvorraum 1, welcher den dort herrschenden Druck auf etwa 3000 bar bringt. Der untere Teil von 3 bezieht sich auf den Druck im Formhohlraum 3.
Die Absperrung 2 wird im dargestellten Beispiel im Zeitpunkt 2,26 geöffnet, sobald sich der Druck im Speicherraum 21 weitgehend dem im Schneckenvorraum angeglichen hat. Wie man sieht, erreicht der Kunststoff im Formhohlraum 3 binnen einer Hundertstelsekunde den Drucksensor und binnen einer weiteren Hundertstelsekunde seinen endgültigen Wert. Dies ist so gut wie ausschließlich auf den Druckabfall im Speicherraum 21 zurückzuführen, welcher erst allmählich durch Zufuhr von Kunststoff aus dem Schneckenvorraum 1 ausgeglichen wird. Im konkreten Fall wurde durch den dargestellten Vorgang ein Batteriegehäuse für ein Mobiltelefon hergestellt, welches lediglich 0,17 mm dick war, und dies bei einer Fließweglänge von 30 mm. Ein derartiges Fließweg-Wanddicken-Verhältnis von 200:1 ist mit keinem bekannten Verfahren erreichbar, im vorliegenden Fall jedoch gelingt dies sogar bei einer Zykluszeit von weniger als 5 Sekunden.
Das minimale Volumen im Schneckenvorraum 1 betrug bei diesem Versuch 15 cm³, das konstante Volumen des Speicherraums 21 9,3 cm³ und das Volumen des Formhohlraums 0,7 cm³.
Der Druck im Speicherraum muss nicht notwendigerweise mittels der Dosierschnecke erzeugt werden. Wenn dies jedoch der Fall ist, so ist ein elektrischer Antrieb der Dosierschnecke günstig, da die Position der Schnecke dabei genauer definierbar ist. Um den Speicherraum vom Schneckenvorraum unabhängig zu machen, ist es auch möglich, zusätzlich zu der in 2 dargestellten Absperrung des Speicherraums für den Schneckenvorraum, so wie in 1 dargestellt, eine Absperrung vorzusehen, welche auch elektrisch gesteuert sein könnte. Damit entspricht der Aufbau der Einrichtung, nicht aber die Funktionsweise, weitgehend AT 408 087 B .

Claims

Verfahren zum Spritzgießen mit den Schritten: – Einbringen von unter Druck stehendem Kunststoff in einen Speicherraum (21), der in einer einen Formholraum (3) bildenden Form (7) angeordnet ist und der einen absperrbaren Ausgang aufweist, – und Folien des Formhohlraumes (3) mit unter Druck stehendem Kunststoff aus dem Speicherraum (21), wobei das Volumen des Kunststoffs im Speicherraum (21) und der darin herrschende Druck beim öffnen der Absperrung Werte aufweisen, die zur Füllung des Formholraumes (3) durch Expansion des Materials im Speicherraum (21) ausreichen.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Speicherraums (21) mindestens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehnmal so groß ist wie das Volumen des Formhohlraums (3).
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fließwiderstand im Verbindungsbereich von Speicherraum (21) und Formhohlraum (3) wesentlich geringer ist als der in den vor dem Speicherraum (21) liegenden Heißkanälen (22).
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zum Speicherraum (21) führenden Heißkanäle (22) mindestens zehnmal so groß ist wie der Abstand des Speicherraums (21) von dem den fertigen Spritzteil bildenden Formhohlraum (3').
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Form (7) mehrere Formhohlräume (3) angeordnet sind, denen mehrere Speicherräume (21) zugeordnet sind, wobei die als Nadelverschlüsse ausgebildeten Absperrungen (2) der Speicherräume (21) eine gemeinsame Betätigungseinrichtung aufweisen.