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Stand der Technik
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Das Spritzpressverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Duro- oder Thermoplasten und Elastomeren. Eine Ausgangsmasse wird in eine Transferkammer eingelegt, aufgeschmolzen und meist mittels Kolben über Verteilerkanäle in ein Formnest eingespritzt, worin sie unter Wärme und Druck aushärtet. Üblicherweise liegt die Ausgangsmasse als Pulver oder Granulat vor.
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Bei der großseriellen Herstellung von genormten Gegenständen ist es jedoch von Vorteil, statt noch zu dosierendem Pulver oder Granulat, eine schon festgelegte Menge zu verwenden. Auch sind die oftmals verwendeten Formaldehydharze aufgrund ihrer chemischen Struktur teilweise in einer oxidativen Atmosphäre instabil, was die Verwendung von Pulvern ausschließt. Daher ist man dazu übergangen, die Ausgangsmasse in Form von Tabletten oder Pellets einzusetzen. Jedoch schmelzen solche massiven Pellets, besonders bei größeren Stoffmengen, schlecht auf, was zu Fehlern im Formteil und zu Druckpeaks beim Transfervorgang führen kann.
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Bei der hier beschriebenen Variante des Transfer-Moldens wird ein Pellet in ein Spritzpresswerkzeug eingelegt, um eine fließfähige Masse zu erhalten, erwärmt und anschließend in eine formgebende Kavität gepresst.
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Bei kleinen Formteilen und somit auch bei kleineren Stoffmengen und demzufolge kleineren Pellets, funktioniert dieser Vorgang sehr gut. Größere Formteile benötigen größere Stoffmengen und daher größere Pellets, um in einem Schuss möglichst viele Kavitäten zu füllen.
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Es hat sich gezeigt, daß die für kleinere Pellets verwendeten Spritzguss-Anordnungen nicht ausreichend leistungsfähig sind, um Pellets mit größeren Stoffmengen befriedigend, d. h. ohne festphasige Rückstände, aufzuschmelzen. Die Erwärmung des Pellets erfolgt im Inneren des Spritzwerkzeugs durch die Hülsenwand, in die das Pellet eingelegt wird. Die Außenhülle des Pellets wärmt sich durch den Quasi-Kontakt mit der Hülsenwand des Spritzwerkzeugs am schnellsten auf. Der Wärmefluss nimmt mit zunehmender Dicke zum Innenbereich des Pellets ab. Da Kunststoffe in der Regel schlechte Wärmeleiter sind, schmelzen größere Pellets daher im Kern sehr schlecht auf, was als „Kalter Kern” bezeichnet wird. Dieser ”Kalte Kern” kann in jeder beliebigen Pelletgeometrie gefunden werden und zwar dort, wo der Abstand zu allen Außenflächen am größten ist. Es kann Unterschiede von Oberflächentemperatur und Kerntemperatur von bis zu einer Größenordnung geben. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass bei größeren Massivpellets der Außenbereich bereits aufgeschmolzen ist und bereits Vernetzungsreaktion zwischen den einzelnen Komponenten einsetzen, während im Inneren des Massivpellets noch kaltes und damit unaufgeschmolzenes Material vorliegt. Es steht jedoch nur eine definierte Zeit zur Verfügung, bis das Material vollständig vernetzt vorliegt, daher existiert nur ein kurzes Zeitfenster, um die Moldmasse vom Spritzwerkzeug in die Kavität zu überführen.
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Da der Spritzpressvorgang nur bei komplett aufgeschmolzenem, jedoch noch flüssigen Material erfolgen muß, ist das Prozessfenster beim Einsatz von Massivpellets sehr viel kleiner.
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Um qualitativ gute Formteile herzustellen, ist Voraussetzung, dass deren Viskosität sehr niedrig ist, wenn die Schmelze in die Kavität gedrückt wird. Das Material der bereits aufgeschmolzenen Außenhülle des Massivpellets ist niedrig viskos. Der Kern des Massivpellets ist aber noch fast auf Raumtemperatur und wenn das Material in die Kavität gedrückt wird, erhöht sich die Temperatur nur wenig. Die Schmelze muss jetzt trotzdem relativ schnell eingespritzt werden, da sonst die Schmelze von der Außenhülle des Massivpellets bereits beim Füllen der Kavität vollständig vernetzt und sich dann nicht weiter bewegt. Diese Temperaturinhomogenität des flüssigen Materials beim Eindrücken in die Kavität führt zu Fehlern am Bauteil.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden die Bereiche der Pellets mit beliebiger geometrischer Form lokalisiert, die am weitesten von der Pelletoberfläche entfernt sind, da diese aufgrund der erwähnten schlechten Wärmeleitung beim Vorheizen kaum schmelzen. In diesen Bereichen, in denen sich bei Massivpellets ansonsten ein „Kalter Kern” befinden würde, der nur schlecht aufschmilzt, wird ein Hohlraum geschaffen. Hierbei kann die Geometrie des Hohlraumes der Geometrie des ansonsten gebildeten „Kalten Kerns” entsprechen. Diese kann man aus Simulationen z. B. Computersimulationen für Einspritzvorgänge oder auch aus Versuchen mit bisher bekannten Pellets, die keinen Hohlraum aufweisen, ermitteln. Grundsätzlich wird eine Geometrie, bevorzugt eine symmetrische Geometrie, des erfindungsgemäßen Hohlraumes gewählt, die den Bereich, in denen sich bei Massivpellets ansonsten ein „Kalter Kern” befinden würde, zumindest weitestgehend, bevorzugt vollkommen, mit einschließt. Idealerweise ist das Volumen des gewählten Hohlraums gleich oder annähernd gleich dem Volumen des in diesem Hohlraum mit eingeschlossenen Bereichs, in denen sich bei Massivpellets ansonsten ein „Kalter Kern” befinden würde.
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Der Hohlraum im Innenbereich des Pellets an der Stelle, wo sich sonst der „kalte Kern” befinden würde, bewirkt, dass der Wärmefluss gleichzeitig von der Außenseite und der Innenseite des Pellets wirken kann, daher ein „Kalter Kern” nicht vorhanden ist und das Pellet problemlos gleichmäßig von innen und außen aufschmilzt.
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Es können daher auch größere Pellets, die für die Fertigung von kompakteren Teilen notwendig sind, aufgeschmolzen und verarbeitet werden. Fehlerbilder aufgrund von nicht, beziehungsweise nur unzureichend aufgeschmolzenem Material, das in die Kavität, und damit in das Formteil, gelangt, werden vermieden, was zu einer besseren Werkstoffausnutzung, einer höheren erreichbaren Formteilqualität und weniger Ausschuss führt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Geometrie der aufschmelzbaren Pellets mit einem Hohlraum im Innenbereich kann eine im Vergleich zu den bisher verwendeten Pellets größere Höhe aufweisen, um das gleiche Moldmassenvolumen darzustellen. Die vergrößerte Außenfläche der Pellets ermöglicht eine effektivere Ausbildung des Wärmeflusses von der Außenseite her, was auf die vergrößerte Oberfläche der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Pelletgeometrie zurückzuführen ist.
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Da sich nur die Höhe des Pellets ändern kann, nicht aber deren Durchmesser, können die bisher verwendeten Spritzwerkzeuge problemlos weiterbenutzt werden, da eine kostspielige und zeitintensive Werkzeugänderung entfallen kann.
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Bevorzugt wird das Spritzwerkzeug vor Prozessbeginn evakuiert. Das heißt, die gesamte Luft, die sich innerhalb des Spritzpresswerkzeuges befindet, einschließlich der Luft, die vor Beginn des Evakuierungsvorgangs in dem Hohlraum des Pellets vorhanden ist, wird entfernt. Dies verhindert die Bildung von Lunkern oder Fehlstellen beim Verformen der Pelletgeometrie nach dem Aufschmelzen und führt zu einer besseren Formteilqualität, durch weicheres Verfließen der aufgeschmolzenen, erfindungsgemäß vorgeschlagenen Pelletgeometrie.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Eine perspektivische Darstellung eines Massivpellets,
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2 Eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Pellets mit einem durchgängigen Hohlraum im Innenbereich und
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3 Eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Pellets mit einem als Sackloch ausgebildeten Hohlraum im Innenbereich.
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Ausführungsvarianten
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Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Pelletgeometrie für ein Pellet, geeignetfür das Spritzpressverfahren, vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird die Ausgangsmasse in eine Transferkammer eingelegt, aufgeschmolzen und meist mittels Kolben über Verteilerkanäle in ein Formnest eingespritzt, worin die Ausgangsmasse unter Wärme und Druck aushärtet. Die Ausgangsmasse ist ein kleiner Körper aus verdichtetem Material und wird im folgenden als „Pellet” bezeichnet. Vorzugsweise besitzen die Pellets eine zylindrische Form, es sind aber auch andere Formen, wie beispielsweise Zäpfchen, Kugeln, Kegel oder ähnliches denkbar.
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Zur bessern Erläuterung der Erfindung ist in 1 ein Massivpellet 10 dargestellt. Dieses ist als zylindrischer Vollkörper mit einer Höhe 12 und einem Durchmesser 14 ausgeführt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Geometrie eines Pellets 50 mit einem Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50, an der Stelle, wo sich sonst der „Kalte Kern” befinden würde.
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Ein Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50 ist definiert als eine künstlich hergestellte Ausnehmung in Richtung der y-Achse in der Oberseite 68 und/oder Unterseite 70 des Pellets 50. Der Hohlraum 52 kann zylindrisch oder vieleckig sein und befindet sich bevorzugt bezogen auf eine x-Achse und eine y-Achse des Pellets 50 in dessen Mittelpunkt.
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Per Definition umfasst ein erfindungsgemäßer Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50, an der Stelle, wo sich sonst ein „Kalte Kern” befinden würde, keine natürliche oder künstlich geschaffene Porosität im ausgehärteten Moldmaterials.
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Eine zylindrische Außenhülle 56, mit einer Höhe 58 und einem Gesamtdurchmesser 60, bildet eine Zylinderwand 62 mit einer Dicke 64. Um das gleiche Moldmassenvolumen wie bei den bisher verwendeten Massivpellets 10 gemäß 1 zu gewährleisten, ist die Höhe 58 des erfindungsgemäßen Pellets 50 etwas größer bemessen als die Höhe 12 der Massivpellets 10 gemäß der Darstellung in 1. In der Regel beträgt der Durchmesser 60 des Pellets 50 zwischen 14 mm und 20 mm und die Höhe 58 des Pellets circa 40 mm. Die Erwärmung des Pellets 50, ausgebildet in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Geometrie, erfolgt im Inneren eines Spritzpresswerkzeuges (nicht dargestellt), ausgehend von einer Hülsenwand, in die das Pellet 50 eingelegt wird. Die Temperatur im Inneren des Spritzpresswerkzeuges liegt im Bereich 160°C bis 190°C.
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Durch den Hohlraum 52 der einen Durchmesser 66 aufweist, im Innenbereich 54 des Pellets 50, wirkt der Wärmefluss nicht nur an der Außenoberfläche des Pellets 50, sondern auch im Innenbereich 54 des Pellets 50, wodurch der sonst zu beobachtende „Kalte Kern” bei großen Pellets 50 vermieden wird und somit auch größere Stoffmengen problemlos aufgeschmolzen werden können, was auf die Verbesserung des Wärmeflusses zurückzuführen ist. Durch eine homogene Schmelze ohne Verbleiben eines nicht oder nur unzureichend aufgeschmolzenen Kernbereiches, werden Druckpeaks beim nachfolgenden Transfermolden, die zu Fehlern im zu formenden Teil führen können, vermieden.
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Der Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50 kann, wie in 2 dargestellt, durchgängig, daher von einer Oberseite 68 des Pellets 50 zu einer Unterseite 70 des Pellets 50 reichend, gestaltet sein. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung beim Aufschmelzen des Pellets 50, was besonders für komplexe und schwer schmelzbare Materialien von Vorteil ist.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Pellet 50 mit einem sackförmigen Hohlraum.
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Ebenfalls kann der Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50 als Sackloch, ohne Durchgang von der Oberseite 68 des Pellets 50 zu der Unterseite 70 des Pellets 50, ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine vereinfachte Herstellung der Pellets. Wenn ein verbleibende Boden 80 des Hohlraums 52 eine Höhe 82 besitzt, die kleiner oder gleich der Dicke 64 der Zylinderwand 62 ist, entstehen auch keine nennenswerten Nachteile bei dem Aufschmelzen der Pellets 50, da auch hier der „kalte Kern” vermieden wird.
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Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung, dass der Hohlraum 52 im Innenbereich 54 des Pellets 50 vollständig von der Außenhülle 56 umgeben ist.
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Diese Ausführungsform bietet sich vor allem bei Ausgangsmassen für das Spritzpressverfahren an, bei denen sich leicht Lufteinschlüsse bilden. Anstatt diese Kavitäten durch zeit- und kostenintensive Verfahren zu entfernen, können sie auch genutzt werden, um den „kalten” Kern bei Erwärmen des Pellets 54 zu vermeiden. Da der Innenbereich 54 nicht mit Ausgangsmasse gefüllt ist, ist die Abnahme des Wärmeflusses mit zunehmender Dicke 64 der Zylinderwand 62 nicht von Bedeutung und ein gleichmäßiges Aufschmelzen der Pellets 50 ist gewährleistet.
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Als Ausgangsmaterialien für die Pellets 50 können zum Beispiel Formaldehydharze (FH) wie beispielsweise Phenol-FH, Melamin-FH oder ähnliche, und Reaktionsharze wie beispielsweise Polyesterharz, Epoxydharz oder ähnliche, mit kleinen Füllstoffpartikeln und Elastomere verwendet werden.
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Vorzugsweise umfasst das Ausgangsmaterialien für die Pellets 50 Epoxydharz und einen Härter, die getrennt im Pellet 50 vorliegen. Durch die Erwärmung des Pellets 50 im Inneren des Spritzwerkzeugs schmilzt das Pellet 50 auf und das Epoxydharz und der Härter können sich vermischen. Außerdem wird durch die Erhöhung der Temperatur eine Vernetzungsreaktion zwischen diesen beiden Komponenten gestartet.
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Das Pellet 50 kann beispielsweise durch Gießen oder Pressen hergestellt werden.
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Da diese Pellets 50 eine genormte Menge an Ausgangsmaterial für das Spritzpressverfahren enthalten, entfällt die Notwendigkeit, das Ausgangsmaterial vor dem Spritzpressverfahren zu dosieren sowie damit verbundene Fehlerquellen, was zu einem beschleunigten Ablauf des Spritzpressverfahren führt.
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Auch sind die oftmals verwendeten Formaldehydharze aufgrund ihrer chemischen Struktur teilweise in einer oxidativen Atmosphäre instabil, was die Verwendung von Pulvern ausschließt. Die Verwendung von Pellets 50 mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Geometrie ermöglicht hier die Lagerung der benötigten Ausgangsmaterialien und damit eine ökonomische Prozessdurchführung.
