DE19516290A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen, das die Schritte aufweist:

• - Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eines Formwerkzeugs entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit durch eine Kunst­ stoffeinspritzdüse bis ins Formwerkzeug erstreckt;
• - Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung der Kavität aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements, so daß sich ein Fluidpolster zwischen Wandung der Kavität und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
• - Abkühlenlassen des so hergestellten Formteils auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffschmelze;
• - Entlastung der Kavität vom Druck des Druckfluids; und
• - Entformen des Formteils.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 90/06220 bekannt. Dort wird zunächst eine für die Ausbildung des Formteils ausreichende Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht. Da der Kunststoff während des Abkühlprozesses einer Schrumpfung unterliegt, kann es ohne besondere Vorkehrungen zu Einfallstellen kommen. Diese werden gemäß dieser Veröffentlichung dadurch vermieden, daß Druckgas als Polster zwischen Kavitätsoberfläche und Kunststoffschmelze gebracht wird. Natürlich muß sichergestellt werden, daß dieses Gaspolster gezielt aufgebaut und - nach der Erhärtung der Schmelze - wieder abgebaut werden kann. Zu diesem Zweck sind zwei Lösungsmöglichkeiten beschrieben:
Zum einen sind Ventile vorgesehen, die über einen entsprechenden Ventilsitz eine Gasabdichtung ermöglichen. Durch die Betätigung (axiale Verstellung) des Ventilschaftes kann das Ventil wahlweise auf "offen" oder "zu" gestellt werden, womit in Kombination mit einer entsprechenden Gasregelung das gewünschte Gaspolster auf- und abgebaut werden kann.

Alternativ ist vorgesehen, daß poröses Sintermetall zum Einsatz kommt. An der Übergangsstelle im Werkzeug, an der das Gaspolster erzeugt werden soll, ist ein poröses Metallelement vorgesehen, durch das Druckgas hindurchströmen kann; dies gilt jedoch nicht für die Kunststoffschmelze, wodurch eine gezielte Begasung ohne Rückströmen von Schmelze erreicht werden kann.

Diese Lösungen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf: Die vorgesehenen Ventile müssen eine mechanische Steuerung haben, um gezielt geöffnet und geschlossen werden zu können. Dies setzt einen gewissen Mindestraum für die entsprechende Anordnung voraus. Die Folge ist eine aufwendige und teure Konstruktion der Ventilelemente. Bei dem alternativen Einsatz von porösen Sintermetallen ergibt sich das Problem, daß es nicht ausgeschlossen werden kann, daß sich Teile der Sinteroberfläche allmählich mit winzigen Schmelzepartikeln zusetzen. Dabei handelt es sich um einen schleichenden Vorgang, so daß das Arbeitsergebnis erst allmählich schlechter wird. Die Reproduzierbarkeit des Produktionsverfahrens ist daher nicht gewährleistet.

Ein weiteres Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der WO 93/01039 bekannt. Hier geht es speziell um das Problem, wie erreicht werden kann, daß sich das zwischen Kavitätsoberfläche und Kunststoffschmelze eingebrachte Gaspolster nicht unerwünscht ausbreitet und an Stellen zur Wirkung kommt, wo dies nicht erwünscht ist. Lösungsgemäß wird dort vorgeschlagen, eine Aufrauhung der Kavitätsoberfläche an den Stellen vorzusehen, wo sich das Gaspolster aufbauen soll. Die Oberflächen-Stellen, die an das Gaspolster angrenzen, jedoch selber nicht mehr durch dieses beaufschlagt werden sollen, sind glatt ausgeführt. Es wird also durch Aufrauhung der Oberfläche der Bereich definiert, in dem sich das Gaspolster ausbilden und wirken soll.

Nachteilhaft bei diesem Verfahren ist, daß eine entsprechende werkzeug­ technische Bearbeitung notwendig ist: Die Stellen, an denen das Polster wirken soll, müssen behandelt (aufgerauht) werden, was für das Werkzeug einen irreversiblen Vorgang darstellt, der darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die obige Nachteile vermeidet. Es soll ein Fertigungsverfahren vorgeschlagen werden, das ohne aufwendige Ventilmittel auskommt und trotzdem produktionssicher ist, also insbesondere ohne Gefahr des Zusetzens irgendwelcher Bauelemente betrieben werden kann. Weiterhin soll es möglich sein, mit nur marginalen Modifikationen am Werkzeug auszukommen und das Verfahren auch in bereits vorhandenen Werkzeugen anwenden zu können, die nicht speziell auf dieses Verfahrenskonzept ausgelegt worden sind. Schließlich ist es Ziel, einen
Fertigungsablauf zu ermöglichen, bei dem möglichst geringe Markierungen am fertigen Formteil infolge der Anwendung des gattungsgemäßen Verfahrens auftreten.

Die Lösung der Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid über eine spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelements (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, wobei die spaltförmige Öffnung (10) klein genug ist, daß keine Schmelze aus der Kavität (2) über die spaltförmige Öffnung (10) austreten kann, und groß genug ist, daß genügend Druckfluid pro Zeiteinheit in die Kavität (2) eintreten kann.

Das Fluideinspritzelement ist also so ausgebildet, daß lediglich ein entsprechend dimensionierter Spalt vorgesehen ist, durch den zwar Gas zu- und abgeführt werden kann, der jedoch zu klein ist, daß auch Schmelze durch den Spalt aus der Kavität entweicht. Es hat sich nämlich bereits bei Anwendungen anderer Art, bei denen Gas in die Schmelze selber injiziert wird (Gasinnendruckverfahren), überraschenderweise herausgestellt, daß bei richtiger Dimensionierung eines Begasungsspaltes der beschriebene und gewünschte Effekt auftritt.

In vorteilhafter Weise wird mit diesem Lösungsansatz erreicht, daß eine einfache Konstruktion und Wirkungsweise des Ventils gegeben ist, was sich positiv auf die Herstellkosten solcher Ventile auswirkt. Dadurch, daß die Begasung über einen Spalt geringster Abmessungen erfolgt, ist auch nur eine marginale fertigungsprozeßbedingte Markierung am fertigen Werkstück zu sehen.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch eine Vielzahl vorteilhafter Ausführungen weitergebildet werden.

Zunächst kann vorgesehen sein, daß die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) in Abhängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Abhängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstrichenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnecke (5) gesteuert oder geregelt wird. Weiterhin kann der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt werden. Der Beginn der Eingasung kann also zeitlich verzögert nach Schmelzeeingabe erfolgen. Der Druck kann auch pulsierend aufgebracht werden, um gezielte Effekte zu erreichen. Durch entsprechende Steuerung des Gasdrucks und/oder der Verzögerungszeit zwischen Einspritzen der Schmelze und Beginn des Einleitens von Gas kann erreicht werden, daß sich das Gaspolster (8) nur im beabsichtigten Bereich ausbildet und sich nicht in angrenzende Bereiche ausdehnt, in denen es unerwünscht ist. Über die Wahl der Zeiten kann die Kühlung bzw. das "Einfrieren" im Bereich des Fluideinspritzelements (7) gesteuert werden.

Zur spezifischen Steuerung des Prozesses kann weiterhin vorgesehen werden, daß der Bereich der spaltförmigen Öffnung (10) temperiert wird. Dies kann bedeuten, daß die spaltförmige Öffnung (10) für eine gewisse Zeit beheizt wird, um ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern. Andererseits kann die spaltförmige Öffnung (10) für eine gewisse Zeit gekühlt werden, um ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen. In analoger Weise kann zur Temperatursteuerung des Prozesses auch das einzugebende Druckfluid selber temperiert werden. Dann ist vorgesehen, daß das Druckfluid vor seiner Eingabe in die Kavität (2) aufgeheizt oder gekühlt wird.

Im Regelfall wird das Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) bündig mit der Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) abschließen. Es kann aber auch vorgesehen werden,

• - daß das Fluideinspritzelement (7) während des Einspritzens von Schmelze relativ zur Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) so verschoben wird, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) mit der Oberfläche der Wandung (9) bündig abschließt, und
• - daß das Fluideinspritzelement (7) während des Eingebens von Druckfluid so in die Kavität (2) des Werkzeugs verschoben wird, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) in die Kavität (2) hineinragt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann schließlich auch vorteilhafter­ weise in Kombination mit dem Gasinnendruckverfahren kombiniert werden; dann ist also vorgesehen, daß Druckfluid als Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze und zusätzlich durch mindestens ein weiteres Fluideinspritzelement ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

Als vorteilhafte Weiterbildung ist hierbei vorgesehen, daß das Fluidpolster (8) im Bereich einer Nebenkavität erzeugt wird, die mit einer Hauptkavität des Werkzeugs über eine Strömungsverbindung in Verbindung steht, um nach Abschluß der Fluideingabe in die Schmelze durch das mindestens eine weitere Fluideinspritzelement in das Innere der Schmelze von der Nebenkavität aus Volumenkontraktionen der Schmelze während des Abkühlens von der Nebenkavität aus durch Nachführen von Schmelze auszugleichen.

Das Fluidpolster wird also nicht direkt in der Hauptkavität des Werkzeugs, in der die Formteilgeometrie erzeugt wird, sondern in einer strömungsmäßig mit dieser in Verbindung stehenden Nebenkavität aufgebracht. Eine Beeinflussung der Geometrie des Formteils an einer Außenfläche ist damit ausgeschlossen.

Normalerweise wird vorgesehen sein, daß die Fluideingabe in die Schmelze durch das mindestens eine weitere Fluideinspritzelement im Bereich der Hauptkavität erfolgt.

Als besonders vorteilhafte Fortbildung ist vorgesehen, daß der Schmelzestrom zwischen der Haupt- und der Nebenkavität durch im Bereich der Strömungsverbindung angeordnete Absperrmittel beeinflußt, insbesondere zeitweilig unterbrochen, werden kann.

Dann kann erreicht werden, daß nach Anwendung des Gasinnendruck­ verfahrens in bekannter Weise und nachdem die Eingabe von Druckfluid in das Innere des Formteils abgeschlossen ist über die strömungsmäßig mit der Hauptkavität in Verbindung stehende Nebenkavität mittels des Gaspolsters (8) der Nachdruck aufrechterhalten wird, der erforderlich ist, um Volumenkontraktionen der Schmelze während des Abkühlens auszugleichen.

In vorteilhafter Weise wird dadurch erreicht, daß alle Probleme des Gasinnendruckverfahrens, die in Verbindung mit dem Zusetzen von Begasungsdüsen mit Schmelze stehen, vermieden werden, da der Aufbau des Fluidpolsters an der Kavitätsoberfläche erfolgt, wo sich dann keine Schmelze mehr befindet. Ein Zusetzen des Fluideinspritzelements (7) ist damit ausgeschlossen. Trotzdem wird erreicht, daß über das Gaspolster zwischen Kavitätswand und Schmelze Volumenschwund während des Abkühlens der Schmelze ausgeglichen wird, wie es beim Gasinnendruckverfahren durch die Gaseingabe direkt ins Innere des Formteils bewerkstelligt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren weist auf:

• - ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2);
• - eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunststoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt;
• - mindestens ein Fluideinspritzelement (7), das Druckfluid, insbesondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Fluideinspritzelement (7) eine spaltförmige Öffnung (10) aufweist, die klein genug ist, daß keine Schmelze aus der Kavität (2) über die spaltförmige Öffnung (10) austreten kann, und groß genug ist, daß genügend Druckfluid pro Zeiteinheit in die Kavität (2) eintreten kann. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Effekt bestmöglich erzielt wird, wenn die Breite (B) der spaltförmigen Öffnung (10) zwischen 0,01 mm und 0,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 0,1 mm, liegt.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß das Fluideinspritz­ element (7) mit Bewegungsmitteln (11) so verschoben werden kann, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) relativ zur Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) bewegt werden kann.

Neben der beweglichen Anordnung dürfte es im Regelfall vorteilhaft sein, wenn die spaltförmige Öffnung (10) in der Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) so angeordnet ist, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der der Kavität (2) zugewandten Seite mit der Oberfläche der Wandung (9) bündig abschließt.

In erster Linie ist daran gedacht, den Begasungsspalt als Ringspalt auszubilden, d. h. so, daß die spaltförmige Öffnung (10) einen geschlossenen Verlauf; insbesondere einen kreisförmigen Verlauf, hat.

Zur Verhinderung bzw. zum Bewerkstelligen des Einfrierens von Schmelze im Bereich des Gaspolsters ist weiterhin vorgesehen, daß Temperierungsmittel (12) vorhanden sind, mit denen die spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelements (7), vorzugsweise für definierte Zeitabschnitte, beheizt oder gekühlt wird.

Ferner ist angedacht, daß die spaltförmige Öffnung (10) des Fluid­ einspritzelements (7) zumindest teilweise von einer Einschnürung (13) und/oder Erhöhung (14) umgeben ist, so daß sich an der Einschnürung (13) und/oder Erhöhung (14) zuerst ein Einfrieren der Schmelze ergibt, wodurch ein Abdichteffekt zu benachbarten Stellen (15) auftritt.

Durch das schnelle Einfrieren der Schmelze im Bereich der Sicke bzw. der Erhöhung wird somit ein Dichtungseffekt erreicht und sichergestellt, daß das Gas des Gaspolsters sich nur in gewünschte Richtungen ausbreiten kann.

Als Ort für die Anordnung des Fluideinspritzelements (7) kommen als Sonderlösungen insbesondere folgende Stellen in Betracht: Es kann vorgesehen werden, daß sich die spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelements (7) im Bereich des Angusses befindet. Weiterhin ist es möglich, daß die spaltförmige Öffnung (10) in den Übergangsbereich zweier Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, eingearbeitet ist, die gemeinsam die Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) bilden. Schließlich hat es Vorteile, die Positionierung so vorzunehmen, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) im Werkzeug dort angeordnet wird, wo sich rheologisch bedingt Bindenähte am Formteil bilden.

Schließlich ist vorgesehen, daß bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit dem Gasinnendruckverfahren die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) im Bereich einer Nebenkavität des Formwerkzeugs (1) angeordnet ist, die mit einer Hauptkavität des Formwerkzeugs (1) über eine Strömungsverbindung verbunden ist. Zwecks Steuerung des Schmelzeflusses zwischen Haupt- und Nebenkavität ist insbesondere angedacht, daß zwischen der Haupt- und der Nebenkavität des Formwerkzeugs (1) Absperrmittel im Bereich der Strömungsverbindung vorgesehen sind, mit denen der Schmelzefluß zwischen Haupt- und Nebenkavität beeinflußt, insbesondere zeitweilig unterbrochen, werden kann.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darge­ stellt:

Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Spritzgießvorrich­ tung,

Fig. 2 zeigt schematisch einen vergrößerten Schnitt durch das Fluideinspritzelement und

Fig. 3 zeigt denselben Schnitt mit zusätzlichen Elementen für eine Versiegelung.

In Fig. 1 ist - schematisch dargestellt - eine Spritzgießvorrichtung zu sehen. Das Spritzgießwerkzeug 1 besteht aus zwei Formhälften, die zusammen die Kavität 2 bilden. Die Kunststoffplastifizier- und -ein­ spritzeinheit 4, 5 besteht aus einem Schneckenzylinder 4 und einer sich darin rotatorisch und translatorisch bewegenden Schnecke 5. Flüssige Schmelze gelangt von der Plastifizier- und -einspritzeinheit 4, 5 durch die Kunststoffeinspritzdüse 3 in die Kavität 2 des Werkzeugs 1.

Nachdem eine für die Bildung des Formteils 6 ausreichende Menge Kunststoffschmelze in die Kavität eingespritzt worden ist - in der Regel wird die Kavität 2 vollständig mit Schmelze gefüllt sein -, wird über das Fluideinspritzelement 7 Druckgas in die Kavität eingeleitet. Es stammt aus einer nicht näher dargestellten Gasversorgungseinheit; meist kommt als Gas Stickstoff (N2) zum Einsatz.

Durch die Eingabe von Druckgas bildet sich ein Fluidpolster 8 zwischen der Oberfläche der Wandung 9 der Kavität 2 und dem Schmelzematerial des Formteils 6 aus. Dieses - kompressible - Fluidpolster wirkt quasi als federndes Element und gleicht Schrumpfungen der Kunststoffschmelze während der Erstarrung aus. Damit wird erreicht, daß der größte Oberflächenanteil des Formteils 6 stets an der Kavitätswand anliegt und sich dort somit eine einwandfreie Geometrie ausbildet. Lediglich an der oder den Stellen, an der bzw. denen sich das Fluidpolster 8 bildet, kommt es zu geringen Formabweichungen - bedingt durch das Volumen des Fluidpolsters 8.

Die Einleitung des Gases erfolgt durch eine spaltförmige Öffnung 10 des Fluideinspritzelements 7, wie besonders gut aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das Fluideinspritzelement 7 ist in das Werkzeug 1 eingearbeitet. Das Element 7 ist dabei axial so angeordnet, daß die Wandung 9 der Kavität und das Ende des Fluideinspritzelements 7 bündig abschließen. Hierdurch wird insbesondere erreicht, daß sich nur geringe Markierungen am fertigen Formteil 6 infolge der Einleitung von Druckgas durch das Fluideinspritzelement 7 ergeben.

Die Einleitung von Druckgas erfolgt durch die spaltförmige Öffnung 10; die Breite des Spaltes liegt vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 0,1 mm. Diese Abmessung ist empirisch ermittelt worden und bewirkt, daß noch genügend Gas bei üblichen Gasdrücken (kleiner 300 bar) pro Zeiteinheit einströmen und das Gaspolster 8 bilden kann; andererseits ist der Spalt eng genug, so daß die Schmelze - bedingt durch Kapilar- und Ober­ flächenspannungseffekte - nicht durch die spaltförmige Öffnung fließen kann. Im vorliegenden Fall kommt ein rotationssymmetrisches Fluidein­ spritzelement 7 zum Einsatz, so daß sich ein Ringspalt 10 ergibt, über den das das Polster 8 bildende Gas in die Kavität einströmt.

Die Beeinflussung der Ausbildung des Fluidpolsters 8 kann durch thermische Elemente erfolgen. Dafür sind Temperierungsmittel 12 vorgesehen. Diese eignen sich sowohl für eine Erwärmung als auch für eine Abkühlung des Bereichs, in dem sie angeordnet sind.

Durch zeitgesteuerte Erwärmung kann beispielsweise erreicht werden, daß ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze im Bereich des Fluidpolsters 8 verhindert wird. So kann der Effekt des Ausgleichens von Volumen­ kontraktionen durch das sich abkühlende Kunststoffmaterial länger genutzt werden.

Andererseits kann durch zeitgesteuertes Kühlen im Randbereich des Fluidpolsters 8 erreicht werden, daß sich dort eine schnelle Erkaltung der Schmelze ergibt; diese "friert ein" und bewirkt eine Versiegelung um das Fluidpolster 8 herum, so daß es sich nicht unerwünscht ausbreiten kann.

In Fig. 2 ist weiterhin zu sehen, daß ein Bewegungsmittel 11 vorgesehen sein kann. Mit diesem kann - wie schematisch angedeutet ist - eine axiale Verschiebung des Fluideinspritzelements 7 bewerkstelligt werden (s. Doppelpfeil in Fig. 2). Es ist insbesondere vorteilhafterweise möglich, während des Einspritzens von Kunststoffschmelze das Fluideinspritz­ element 7 in der in Fig. 2 dargestellten Position zu belassen, um es anschließend zum Einbringen von Druckgas zwischen Kavitätswand und Schmelze etwas in die Kavität hineinzuverschieben. Eine weitere alternative Ausführungsform besteht darin, daß die Betätigungsmittel 11 nicht aktiv gesteuert werden, sondern daß es bei Beaufschlagung des Fluideinspritzelements 7 mit Druckfluid zu einem selbständigen Vorschieben des Elemente 7 in die Kavität kommt. Bei Wegnahme des Fluiddrucks kann dann das Element 7 z. B. durch eine Feder wieder selbständig in die - bündig abschließende - Ausgangslage zurückgeholt werden.

Durch das Vorfahren des Fluideinspritzelements 7 vor oder zu dem Beginn des Eingebens von Druckgas kann die Ausbildung einer Dichtung um das Element 7 erreicht werden. Diese verhindert, daß sich das Gas des Gaspolsters 8 seitlich weiter ausdehnen kann, als dies wünschenswert ist.

In Fig. 3 sind zwei Varianten von Möglichkeiten dargestellt, mit denen erreicht werden kann, daß sich das Fluidpolster 8 nicht beliebig ausbreitet, sondern sich wirkungsmäßig auf einen gewünschten Bereich begrenzt.

In der linken Hälfte der (weitgehend symmetrischen) Figur ist zu sehen, daß eine Erhöhung 14 vorgesehen ist, die für das Fluidpolster 8 eine Hürde darstellt, über die es sich nicht ausbreiten kann. Damit wird erreicht, daß eine zur spaltförmigen Öffnung 10 benachbarte Stelle 15 nicht mehr vom Fluidpolster 8 erfaßt werden kann. Die Erhöhung 14 kann dabei entweder konzentrisch um die Achse des Fluideinspritzmittels 7 verlaufen oder einen anderen, evtl. auch nur abschnittsweisen, Verlauf nehmen. Ziel ist bei der Festlegung der Erhöhung 14 lediglich, daß das Gaspolster 8 nicht auf Flächen wirkt, bei denen es auf hohe Konturentreue ankommt (Sichtflächen).

Alternativ kann der Begrenzungseffekt auch dadurch erreicht werden, daß eine Einschnürung 13 ausgebildet wird, wie es in der rechten Bildhälfte von Fig. 3 zu sehen ist. Für die Auslegung des Verlaufs der Einschnürung 13 gilt das für die Erhöhung 14 Gesagte.

In den gezeigten Figuren ist stets dargestellt, daß das Fluideinspritzelement 7 zentral auf den "Hauptbereich" des Formteils 6 gerichtet ist. Dies ist jedoch nicht unabdingbar. Es kann vielmehr auch vorgesehen werden, daß das Gas zwischen Kavitätsoberfläche und Schmelze in einem "Nebenbereich" zur Einwirkung gebracht wird.

Hier bieten sich z. B. Nebenkavitäten oder zumindest abgewinkelte Bereiche des Formteils an, die vorzugsweise keine hohen Anforderungen an die Konturentreue stellen, weil es sich dabei um keine Sichtflächen handelt. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, daß der Bereich des Angusses genutzt werden, um das Volumenkontraktionen ausgleichende Gaspolster 8 aufzubringen.

Weiterhin kann ins Auge gefaßt werden, daß die sich zwangsläufig zwischen Werkzeugeinsätzen ergebenden Spalten als Begasungsspalten 10 genutzt werden, die natürlich in aller Regel geradlinig verlaufen.

Wenn es bei Formteilen verfahrensbedingt Stellen gibt, die durch den Zusammenfluß von zwei oder mehreren Schmelzeströmen Bindenähte bilden, kann schließlich vorteilhafterweise vorgesehen werden, daß gerade an diesen Stellen Fluideinspritzelemente angeordnet werden. Die Bindenähte stellen nämlich in der Regel Schwachstellen dar, deren Festigkeit durch die Beaufschlagung mit dem Druckgaspolster erhöht werden kann.

Aber auch andere Spalten, die werkzeugbedingt ohnehin vorhanden sein müssen, können für die Begasung vorgesehen und ausgebildet werden, z. B. die Spalten, die durch das Zusammenwirken von Auswerfern und Auswerferhülsen gebildet werden oder diejenigen zwischen dem Auswerfer und dem Formnest.

Wie bereits ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit dem bekannten Gasinnendruckverfahren kombiniert werden. Bei letzterem besteht häufig das Problem, daß sich Begasungselemente, mit denen Druckfluid ins Innere der Schmelze injiziert wird, durch Schmelzepartikel zusetzen. Dabei handelt es sich um einen Effekt, der beim erfindungsgemäßen Gaspolster-Verfahren nicht auftreten kann: Da sich das Gaspolster zwischen Kavitätswand und Schmelze bildet und es daher die Schmelze von der spaltförmigen Öffnung 10 fernhält, kann es kein Zusetzen mit Schmelzepartikeln geben. Trotzdem wird der beim Gasinnendruckverfahren gewünschte und durch die Gasinjektion erzielte Effekt auch beim erfindungsgemäßen Verfahren erreicht: Das Gaspolster wirkt als "Feder" und gleicht Volumenkontraktionen bei der Abkühlung der Schmelze aus, wodurch Einfallstellen auf der (Sicht-)Oberfläche des Formteils verhindert werden.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Gasinnendruckverfahren kombiniert wird. Einen besonders zuverlässigen und stabilen Prozeß kann man dann erreichen, wenn ein Fertigungsverfahren eingesetzt wird, bei dem eine mit der eigentlichen Hauptkavität strömungsmäßig verbundene Nebenkavität eingesetzt wird. Die Strömungsverbindung ist vorzugsweise über Schieberelemente o. ä. unterbrechbar. Damit kann dann z. B. folgender Prozeß gefahren werden:

• 1. Einspritzen von Schmelze in die Hauptkavität und - bei geöffneten Schieber - in die Nebenkavität.
• 2. Schließen des Schiebers, also strömungsmäßige Abtrennung der Hauptkavität von der Nebenkavität.
• 3. Einbringen von Druckgas über eine separate Begasungsdüse ins Innere der Schmelze, die sich in der Hauptkavität befindet (→ Gasinnendruckver­ fahren). Dadurch wird Schmelze an die Wandungen der Hauptkavität angepreßt, im Formteilinneren bildet sich ein Hohlraum.
• 4. Beendigung der Gaseingabe ins Innere des Formteils.
• 5. Öffnung des Schiebers und damit Herstellung einer strömungsmäßigen Verbindung zwischen Haupt- und Nebenkavität.
• 6. Aufbringen des Gaspolsters mittels des Fluideinspritzelements (7) zwischen Wandung der Nebenkavität und der sich in der Nebenkavität befindlichen Schmelze. Dadurch wird ein Nachdruck erzeugt, der Schmelze in die Hauptkavität nachdrückt, wenn dort durch Kontraktion des Volumens der Schmelze die Gefahr von Einfallstellen besteht.

Im Unterschied zum bekannten Gasinnendruckverfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren also eine systematische Aufteilung der Aufgaben des Druckfluids vorgenommen:

• - Das ins Innere des Formteils injizierte Druckgas dient zur Herstellung eines Hohlraums, der primär der Gewichtsersparnis des Formteils dient.
• - Das in einer Nebenkavität aufgebrachte Gaspolster dient zur Bewirkung eines Nachdrucks, so daß Einfallstellen in der Hauptkavität verhindert werden.

Vorteilhafterweise wird damit erreicht, daß ein Zusetzen von Begasungsdüsen für das Injizieren von Druckgas ins Innere der Schmelze verhindert werden kann, indem nämlich z. B. die Begasungsdüsen nach der Einbringung von Druckgas ins Formteilinnere aber vor der Aushärtung des Teils wieder aus dem Formhohlraum herausgezogen werden können. Die Aufbringung von Nachdruck - diese Aufgabe erfüllen die Begasungsdüsen in bekannten Gasinnendruckverfahren gleichzeitig - erfolgt nunmehr separat durch das Gaspolster in der Nebenkavität.

Bezugszeichenliste

1 Formwerkzeug
2 Kavität des Formwerkzeugs
3 Kunststoffeinspritzdüse
4 Schneckenzylinder
5 Schnecke
4, 5 Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit
6 Formteil
7 Fluideinspritzelement
8 Fluidpolster
9 Wandung der Kavität 2
10 spaltförmige Öffnung des Fluideinspritzelements 7
11 Bewegungsmittel
12 Temperierungsmittel
13 Einschnürung
14 Erhöhung
15 benachbarte Stellen zur spaltförmigen Öffnung 10
B Breite der spaltförmigen Öffnung 10

Claims (24)

1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen, das die Schritte aufweist:

• a) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt;
• b) Gleichzeitiges und/oder anschließendes Eingeben eines Druckfluids, insbesondere eines Druckgases, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus mittels mindestens eines Fluideinspritzelements (7), so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und der ins Formwerkzeug eingebrachten Schmelze bildet;
• c) Abkühlenlassen des so hergestellten Formteils (6) auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffschmelze;
• d) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
• e) Entformen des Formteils (6); dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid über eine spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelements (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, wobei die spaltförmige Öffnung (10) klein genug ist, daß keine Schmelze aus der Kavität (2) über die spaltförmige Öffnung (10) austreten kann, und groß genug ist, daß genügend Druckfluid pro Zeiteinheit in die Kavität (2) eintreten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Fluid durch das Fluideinspritzelement (7) in Abhängigkeit des in der Kavität (2) herrschenden Drucks und/oder in Abhängigkeit der seit dem Beginn des Einspritzens von Schmelze verstrichenen Zeit und/oder in Abhängigkeit des Einspritzweges der Schnecke (5) gesteuert oder geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckfluids, das über das Fluideinspritzelement (7) in die Kavität (2) eingebracht wird, gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil gesteuert oder geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der spaltförmigen Öffnung (10) temperiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) für eine gewisse Zeit beheizt wird, um ein vorzeitiges Einfrieren der Schmelze zu verhindern.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) für eine eine gewisse Zeit gekühlt wird, um ein Einfrieren der Schmelze zu bewerkstelligen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid vor seiner Eingabe in die Kavität (2) aufgeheizt oder gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluideinspritzelement (7) während des Einspritzens von Schmelze relativ zur Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) so verschoben wird, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) mit der Oberfläche der Wandung (9) bündig abschließt, und daß das Fluideinspritzelement (7) während des Eingebens von Druckfluid so in die Kavität (2) des Werkzeugs verschoben wird, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) in die Kavität (2) hineinragt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfluid nach Verfahrensschritt b) gemäß Anspruch 1 zwischen Wandung (9) der Kavität (2) und Schmelze und zusätzlich durch mindestens ein weiteres Fluideinspritzelement ins Innere der Schmelze eingegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidpolster (8) im Bereich einer Nebenkavität erzeugt wird, die mit einer Hauptkavität des Werkzeugs über eine Strömungsverbindung in Verbindung steht, um nach Abschluß der Fluideingabe in die Schmelze durch das mindestens eine weitere Fluideinspritzelement in das Innere der Schmelze von der Nebenkavität aus Volumenkontraktionen der Schmelze während des Abkühlens von der Nebenkavität aus durch Nachführen von Schmelze auszugleichen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluideingabe in die Schmelze durch das mindestens eine weitere Fluideinspritzelement im Bereich der Hauptkavität erfolgt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrom zwischen der Haupt- und der Nebenkavität durch im Bereich der Strömungsverbindung angeordnete Absperrmittel beeinflußt, insbesondere zeitweilig unterbrochen, werden kann.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, die aufweist:

• - ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2);
• - eine Kunststoffplastifizier- und -einspritzeinheit (4, 5), die Kunststoffschmelze produziert und von der aus diese Schmelze über eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) gelangt;
• - mindestens ein Fluideinspritzelement (7), das Druckfluid, insbesondere Druckgas, von einer Wandung (9) der Kavität (2) aus in die Kavität einleitet, so daß sich ein Fluidpolster (8) zwischen Wandung (9) und der ins Formwerkzeug (1) eingebrachten Schmelze bildet; dadurch gekennzeichnet, daß das Fluideinspritzelement (7) eine spaltförmige Öffnung (10) aufweist, die klein genug ist, daß keine Schmelze aus der Kavität (2) über die spaltförmige Öffnung (10) austreten kann, und groß genug ist, daß genügend Druckfluid pro Zeiteinheit in die Kavität (2) eintreten kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der spaltförmigen Öffnung (10) zwischen 0,01 mm und 0,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 0,1 mm, liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluideinspritzelement (7) mit Bewegungsmitteln (11) so verschoben werden kann, daß das der Kavität (2) zugewandte Ende des Fluideinspritzelements (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) relativ zur Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) bewegt werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) in der Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) so angeordnet ist, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der der Kavität (2) zugewandten Seite mit der Oberfläche der Wandung (9) bündig abschließt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) einen geschlossenen Verlauf, insbesondere einen kreisförmigen Verlauf, hat.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Temperierungsmittel (12) vorhanden sind, mit denen die spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelemente (7), vorzugsweise für definierte Zeitabschnitte, beheizt oder gekühlt wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritz­ elements (7) zumindest teilweise von einer Einschnürung (13) und/oder Erhöhung (14) umgeben ist, so daß sich an der Einschnürung (13) und/oder Erhöhung (14) zuerst ein Einfrieren der Schmelze ergibt, wodurch ein Abdichteffekt zu benachbarten Stellen (15) auftritt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spaltförmige Öffnung (10) des Fluideinspritzelements (7) im Bereich des Angusses befindet.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Öffnung (10) in den Übergangsbereich zweier Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, eingearbeitet ist, die gemeinsam die Oberfläche der Wandung (9) der Kavität (2) bilden.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) im Werkzeug dort angeordnet wird, wo sich rheologisch bedingt Bindenähte am Formteil bilden.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluideinspritzelement (7) mit der spaltförmigen Öffnung (10) im Bereich einer Nebenkavität des Formwerkzeugs (1) angeordnet ist, die mit einer Hauptkavität des Formwerkzeugs (1) über eine Strömungsverbindung verbunden ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Haupt- und der Nebenkavität des Formwerkzeugs (1) Absperrmittel im Bereich der Strömungsverbindung vorgesehen sind, mit denen der Schmelzefluß zwischen Haupt- und Nebenkavität beeinflußt, insbesondere zeitweilig unterbrochen, werden kann.