DE19754762C1 - Verfahren zur Herstellung von Borstenerzeugnissen unter Nutzung endloser Borstenschnüre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Borstenerzeugnissen wie Bürsten, Besen, Pinsel u. dergl., deren Bürstenkörper aus Kunststoff gespritzt werden, wobei die Borstenbündel als Spitzen "endloser", durch Bohrungen in der Bodenplatte in den Forminnenraum eingeführter Borstenschnüre mit eingegossen werden.

Seit dem Einsatz von Kunststoffborsten bei der Fertigung von Borstenerzeugnissen werden technologische Lösungen zur Herstellung dieser Erzeugnisse unter Nutzung "endloser" Borstenschnüre gesucht.

Das in der Bürstenfertigung, von der im folgenden beispielhaft ausgegangen werden soll, nach wie vor überwiegend angewandte "Anker"-Verfahren, bei dem Borstenbündel in vorgefertigte/­ vorgebohrte Bürstenkörper mit Hilfe einer Borstenstopfmaschine eingestopft und mit Draht- oder Blättchenanker am Lochgrund befestigt werden, besitzt viele Nachteile.

Neben den sehr hohen Ausrüstungaufwendungen sind es insbesondere auch Qualitätsfragen der Fertigerzeugnisse, die zur Suche nach alternativen Lösungen Anlaß geben.

So sind bei dem mechanischen Stopfen der Borstenbündel in vorbereitete Bohrungen der Bürstenkörper geringfügige Zwischenräume und Lücken zwischen den Wandungen der Bohrlöcher und den Filamenten der Borstenbündel sowie auch zwischen den Filamenten der Borstenbündel selbst unvermeidlich. Diese werden zu Quellen von Fäulniserscheinungen und leisten Verunreinigungen Vorschub.

Zur Lösung der technologischen und qualitativen Probleme werden mehrere, prinzipiell unterschiedliche Wege gegangen, z. B. das Verbinden der Borstenenden und der entsprechenden Bohrungen im Bürstenkörper durch Anschmelzen/Aufschmelzen, oder als besonders rationelle Lösung das unmittelbare Einbetten der Borstenenden im Bürstenkörper aus Kunststoff unmittelbar bei dessen Spritz­ gießen in der Spritzform.

Es wird auch vorgeschlagen, die Spitzen von Borstenschnüren durch Bohrungen der Bodenplatten in den Forminnenraum für den Bürstenkörper zu führen und sie beim Spritzgießen in einem Arbeitsgang in diesen Bürstenkörper mit einzuhüllen.

Das schwierigste und praktisch bisher nicht gelöste Problem bei dem Einbetten der Borstenenden im Zuge des Spritzgießens des Bürstenkörpers ist die sichere Vermeidung von Durchspritzungen durch die für die Einführung der Borstenschnüre in den Form­ innenraum erforderlichen Bohrungen in der Bodenplatte der Spritzform.

Nach dem bekannten Verfahren gemäß DD 293 718 A5 werden Borstenbündel von "endlosen" Borstenschnüren aus Kunststoff für Bürstenwaren ver­ wendet, indem die Schnurspitzen durch Bohrungen in den Boden­ platten der Spritzwerkzeuge in die Forminnenräume geführt, und ohne weitere Bearbeitung bei dem Spritzgießen des Bürstenkör­ pers in diesen gleich mit eingespritzt werden.

Diese Verfahrensvorschläge enthalten Aussagen darüber, daß Massedurchspritzungen mit Hilfe konischer, sich zum Forminnen­ raum hin verjüngenden Bohrungen in der Bodenplatte, die zylin­ drisch auslaufen und wodurch eine leichte Pressung der Borsten­ schnüre erreicht werden kann, zu verhindern wären.

Eine Vielzahl praktischer Versuche hat jedoch gezeigt, daß damit der Tendenz der Spritzmasse, in Abhängigkeit vom Spritzdruck und dem Grad der temperaturabhängigen Viskosität, während des Spritzvorganges zwischen den Filamenten der Borstenschnüre sowie zwischen den Borstenschnüren und den Wandungen der Bohrungen nach außen auszutreten, nicht wirkungsvoll geräte- und/oder verfahrenstechnisch begegnet werden kann.

Darüber hinaus führen die geringfügigsten Masseaustritte bei konisch gestalteten Bohrungen sofort zur Bildung von Kunststoff­ pfropfen in diesen Bohrungen, die das Ziehen der Borstenschnüre durch die Bohrungen der Bodenplatte bei der Entformung sehr wirkungsvoll verhindern und in der Regel Unterbrechungen der Produktion mit z. T. schweren Hinterspritzungen an den Boden­ platten der Spritzwerkzeuge zur Folge haben.

Mit den in diesem Verfahren vorgeschlagenen Maßnahmen sind die Probleme der sicheren Vermeidung von Durchspritzungen während des Spritzvorganges nicht zu lösen.

Ein anderes bekanntes Verfahren gemäß DE 44 39 431 A1 beschreibt die Herstellung von bereichsweise aus mindestens zwei Kunststoff­ komponenten gebildeten Bürstenkörpern mit einem Borstenfeld für Zahnbürsten.

Bei diesem Verfahren werden in einer Borstenhalterung befind­ liche, bereits abgelängte und zu Borstenfeldern zusammenge­ stellte Borstenbündel in einem ersten Arbeitsgang bei der Herstellung des Bürstengrundkörpers mit eingespritzt. Es wird also nicht von dem Einsatz endloser Borstenschnüre ausgegangen. Es wird in dieser Schrift auch nicht dargestellt, wie die Borstenbündel reibschlüssig in die Borstenhalterung, deren Bestückung außerhalb des Werzeuges in separaten Arbeitsgängen erfolgen soll, eingebracht werden.

Insbesondere erfolgt keine Darstellung, wie das Eindringen von Spritzmasse in die Bohrungen der Borstenhalterung, die trotz der reibschlüssigen Packung der Borstenbündel auftreten dürften, verhindert werden soll.

Auch dieses Verfahren kann aus den angeführten Gründen die gestellten Probleme nicht lösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Borstenerzeugnissen, bei denen die Spitzen "endloser" Borstenschnüre beim Spritzgießen der Bürstenkörper im Form­ innenraum unmittelbar mit eingespritzt werden, Durchspritzungen auf einfache Weise zuverlässig zu vermeiden und eine stabile Befestigung der Borsten im Bürstenkörper ohne zusätzliche Maßnahmen zu sichern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem Spritzgießen der Bürstenkörper in einer ersten Einspritzstufe eine Versiegelung der Bohrungen der Bodenplatte der Spritzgieß­ form einschließlich der in den Forminnenraum hineinragenden Spitzen der Borstenschnüre mit Kunststoffmasse vorgenommen wird, bevor in mehreren weiteren, mit nach Druck, Geschwindigkeit und Volumen differenzierten Einspritzstufen die Spritzgießform ge­ füllt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Spritzgießverfahren ist zu gewährleisten, daß die Anforderun­ gen an ein hochwertiges Bürstenerzeugnis, wie eine glatte, ebene Bodenfläche und ein inniges, möglichst stoffschlüssiges Umman­ teln der eingespritzten Borstenenden und damit eine stabile Befestigung der Borsten im Bürstenkörper erfüllt werden. Das setzt eine möglichst geringe Viskosität der Spritzmasse und möglichst hohen Druck zur Erzielung der größtmöglichen Ein­ spritzgeschwindigkeit und zur Vermeidung von Wärmeverlusten voraus.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der die Versiegelung herstellenden ersten Stufe des mehrstufigen Spritzverfahrens Kunststoffmasse mit einer Geschwindigkeit über 100 mm/s und einem Druck von über 1,5 . 10⁸ Pa in die Form einge­ spritzt wird.

Daß trotz des hohen Einspritzdruckes und der hohen Einspritz­ geschwindigkeit Durchspritzungen vermieden werden, wird erfin­ dungsgemäß dadurch erreicht, daß in der ersten Stufe nur soviel Kunststoffmasse eingespritzt wird, daß die Bodenplatte einschließlich des gesamten Borstenfeldes damit bedeckt ist, ohne den Forminnenraum vollständig auszufüllen.

Mit diesen Parametern, zweckmäßigerweise gerätetechnisch noch ergänzt durch einen Heißkanal, wird eine unerwünschte Abkühlung der Spritzmasse in der ersten Spritzstufe, bis die Masse auf das Borstenfeld auftrifft, vermieden, ohne daß sich im Forminnenraum ein wesentlicher Staudruck aufbauen kann.

Der hohe Einspritzdruck in der ersten Stufe ist damit rein theoretischer Natur und korrespondiert lediglich mit der hohen Einspritzgeschwindigkeit, führt aber nicht zu einem unerwünsch­ ten Druckaufbau im Forminnenraum.

Trifft diese erste Masseinjektion auf die gekühlte bzw. temperierte Bodenplatte im Forminnenraum, so kommt es durch den sofortigen Temperaturverlust einer dünnen, die Bodenplatte unmittelbar berührenden Masseschicht zu einer Versiegelung der perforierten Bodenplatte. Diese Versiegelung setzt sich mit einer geringen zeitlichen Verzögerung fort auf die Borsten­ schnüre an der Stelle ihres Austritts aus den Bohrungen der Bodenplatte.

Diese die Versiegelung bewirkende Schicht, die anfänglich, be­ sonders im Bereich der Borstenschnüre, sehr dünn und demzufolge auch sehr empfindlich ist, kann jedoch bis zu einem bestimmten Druckbereich als eine ausreichende Barriere an den Übergängen der Borstenschnüre zu den Bohrungen der Bodenplatte vor der nachdrängenden Spritzmasse in den folgenden Einspritzstufen genutzt werden.

Dabei ist erfindungsgemäß von Bedeutung, daß in der ersten Stufe nur soviel Masse eingespritzt wird, wie zur Versiegelung der Bodenplatte und zur Erreichung der Qualitätsanforderungen an Haftung und Stellung der Borstenbündel erforderlich ist.

Damit kann einerseits ein Wärmestau an der Bodenplatte durch nachdrängende Spritzmasse in Grenzen gehalten und andererseits schneller ein wachsender Versiegelungseffekt an der Oberfläche der Bodenplatte durch die von der bodennahen Masseschicht abgeleitete Wärmeenergie erreicht werden.

Um den wachsenden Versiegelungseffekt weitestgehend zu nutzen, wurde der Spritzverlauf erfindungsgemäß zeitlich gestreckt, so daß die letzte, den Forminnenraum des Werkzeuges füllende Ein­ spritzstufe, entsprechend den durchgeführten Versuchen in einen Bereich von ca. 2,5-9 s nach dem Spritzbeginn gelegt wurde.

Der Aufbau eines Staudrucks bereits vor der vollständigen Fül­ lung des Forminnenraumes der Spritzform durch mit hoher Ge­ schwindigkeit nachdrängende Spritzmasse wird erfindungsgemäß durch eine Reduzierung des Einspritzdrucks auf Werte unter 4 . 10⁷ Pa in Verbindung mit der Reduzierung der Einspritzgeschwindig­ keit erschwert bzw. verhindert.

Um das plastische Verhalten der Randzonen der Filamente von Bor­ stenmaterial aus Kunststoff bei hohen Temperaturen für eine teilweise nicht nur form-, sondern auch stoffschlüssige Ver­ bindung zwischen Bürstenkörper und Borstenschnüren zu nutzen, wird erfindungsgemäß die Temperatur der Spritzmasse für den Bürstenkörper in sehr hohen Bereichen und über der Fließtem­ peratur (FT) bzw. der Kristallit-Schmelztemperatur (KT) (zu­ treffend für kristalline oder teilkristalline Polymere) des Borstenmaterials gewählt.

So wird Borstenmaterial aus Polyamid 6 (PA 6), das eine hohe KT von 265°C besitzt, mit Polypropylen (PP) für den Bürstenkörper kombiniert, das eine KT von nur 165°C aufweist.

Mit einer Einspritztemperatur des PP von 10°C über der KT des PA 6 wurden gute Ergebnisse in Bezug auf die Qualität des Endproduktes erzielt, als auch Durchspritzungen ausgeschlossen, obwohl in diesen Temperaturbereichen PP extrem dünnflüssig ist.

Damit wird aufgrund der Rekristallisation des PA 6 zusätzlich erreicht, daß die Borstenbündel nach der Entformung des Bürsten­ körpers straff aufrecht und eng gebündelt exakt in Übereinstim­ mung mit ihrer Stellung in den Bohrungen der Bodenplatte während des Spritzvorganges stehen, und außerdem wird durch die Nutzung der Schwundparameter (bei PP bis zu 2%), ein weiterer Haftungs­ effekt der Borstenbündel im Bürstenkörper erzielt.

Wie die Versuche zeigten, gelingt es mit dieser Spritztechnik, die Tendenz zu Durchspritzungen im Bereich der Borstenschnüre auf einfache Weise, ohne umfangreichen zusätzlichen technolo­ gischen Aufwand zu unterbinden.

Um diesen Effekt zu erreichen sind auch keine besonderen Pressungen der Borstenbündel in den Bohrungen der Bodenplatten erforderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können z. B. auch Borstenmateria­ lien aus Metall in den Bürstenkörper eingespritzt werden. Bei Stahldraht, wie er für die Fertigung von Handdrahtbürsten eingesetzt wird und bei dem keinerlei Preßwirkungen möglich sind, konnten Durchspritzungen wirkungsvoll vermieden werden und es wurde eine einwandfreie Haftung der Drahtbündel im Bürstenkörper erzielt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung stark vereinfachten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 bis 3 zeigen:

Fig. 1: Die Seitenansicht eines mit drei Platten ausgestatteten und geöffneten Werkzeuges

Fig. 2: Die Vorderansicht des Spritzwerkzeuges mit zwei Modulen für Handwaschbürsten

Schnitt A-A: Die doppelten Platten des rechten Modules in der Stellung des Verklemmens der Borstenschnüre

Fig. 3: Ein geschlossenes Werkzeug mit der teilweisen Füllung des Forminnenraumes und der Bedeckung des Borstenfeldes mit Spritzmasse

Für das Ausführungsbeispiel kommen zum Einsatz:

• - Polypropylen als Spritzmasse für den Bürstenkörper und
• - Polyamid 6 für das Borstenmaterial.

Fig. 1 veranschaulicht einen Längsschnitt durch ein Spritzgieß­ werkzeug, das in der bekannten Weise (nicht dargestellt) in eine Spritzgießmaschine eingebaut werden kann und welches im wesent­ lichen aus Grundplatte 5, Zwischenplatte 11 und Deckplatte 12 sowie einer Trennvorrichtung 4 besteht.

Die in die Spritzform integrierte und mit ihrer Innenkontur die Außenkontur des Bürstenkörpers bildende Zwischenplatte 11 sowie die Grundplatte 5 mit der geteilten Bodenplatte 8, 9 sind zu der Deckplatte 12 verfahrbar angeordnet.

Die "endlosen" Borstenschnüre 3 sind durch die aus zwei gegen­ einander verschiebbaren Platten bestehende perforierte Boden­ platte 8, 9 und Schnitt A-A (Fig. 2) hindurchgeführt und, außer in der Phase der Werkzeugöffnung, verklemmt und ragen in den Forminnenraum 1 (Fig. 3) in einer Länge, wie sie in den Bürstenkörper 14 eingespritzt werden sollen, hinein.

In einer ersten Einspritzstufe wird, mit einem Spritzdruck von ca. 1,5 . 10⁸ Pa und einer Spritzgeschwindigkeit von 100 mm/s ein solches Volumen (beispielhaft: ca. 60% des Volumens) an Kunststoffmasse durch den Heißkanal 6 in den Forminnenraum 1 eingespritzt, daß sie die perforierte Oberfläche der Bodenplatte 9, einschließlich der in den Forminnenraum hineinragenden Spitzen der Borstenschnüre 3, mit Masse 13 einhüllt wie Fig. 3 zeigt, ohne jedoch den Forminnenraum auszufüllen.

In den nachfolgenden Stufen wird, unter Vermeidung des Aufbaus eines Staudrucks im Werkzeuginnenraum 1, die Einspritzgeschwin­ digkeit beispielhaft auf Werte von 30 mm/s, 10 mm/s, 4 mm/s bis 2 mm/s in der letzten Stufe reduziert.

Nach der Abkühlung des Bürstenkörpers wird die Verklemmung der Borstenschnüre 3 und Schnitt A-A, 3 (Fig. 2) durch die geteilte Bodenplatte 8, 9 (Fig. 2) gelöst.

Anschließend wird während des Öffnens der Spritzform der Bürstenkörper 14 durch die Zwischenplatte 11 von der Bodenplatte 9 schonend soweit abgehoben, wie es die Borstenlänge für das fertige sowie die Borstenlänge für das in den nachfolgenden Bürstenkörper einzuspritzende Borstenfeld erfordern.

Bei diesem Öffnungsvorgang des Werkzeuges werden die in den Bürstenkörper 14 eingegossenen und nunmehr darin fest veranker­ ten Borstenschnüre 2 durch die geteilte Bodenplatte 8, 9 gezogen und in dieser Bodenplatte nach dem Erreichen der vollen Öff­ nungsposition des Werkzeuges wieder verklemmt.

Damit wird zwischen Bürstenkörper 14 und der Bodenplatte 8, 9 eine Zone straff gespannter Borstenschnüre 2 geschaffen, die in der vorgegebenen Ebene 7, im freien Raum, von der Trennvorrich­ tung 4 mit einem Flachmesser 10, in einem ohne Gegenschneide durchzuführenden Schnitt, von dem Borstenfeld für das nächste Erzeugnis abgetrennt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Borstenerzeugnissen, wie Bürsten, Besen, Pinsel u. dergl., deren Bürstenkörper aus Kunststoff gespritzt werden, wobei die Borstenbündel als Spitzen "endloser", durch Bohrungen in der Bodenplatte in den Forminnenraum eingeführter Borstenschnüre mit eingegossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Spritzgießen der Bürstenkörper in einer ersten Einspritzstufe eine Versiegelung der Bohrungen der Bodenplatte der Spritzgießform einschließlich der in den Forminnenraum hineinragenden Spitzen der Borsten­ schnüre mit Kunststoffmasse vorgenommen wird, bevor in mehreren weiteren, mit nach Druck, Geschwindigkeit und Volumen differenzierten Einspritzstufen die Spritzgießform gefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Versiegelung bewerkstelligenden ersten Stufe des mehrstufigen Spritzverfahrens Kunststoffmasse mit einer Geschwindigkeit über 100 mm/s und einem Druck von über 1,5 . 10⁸ Pa in die Form eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe Kunststoffmasse in einem Umfang eingespritzt wird, daß die Bodenplatte einschließlich des gesamten Borsten­ feldes damit bedeckt ist, ohne den Forminnenraum vollständig auszufüllen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den weiteren Einspritzstufen, bis zur vollständigen Füllung der Spritzform und dem Abschluß des Spritzprozesses, der Spritzdruck 4.10⁷ Pa nicht übersteigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Einspritzstufe und dem Abschluß des Spritz­ prozesses ein Zeitraum von mindestens 2,5 s liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Spritzmasse für den Bürstenkörper in Be­ reichen zu wählen ist, die ca. 10°C über der Fließtemperatur FT bzw. der Kristallit-Schmelztemperatur KT (zutreffend für kristalline oder teilkristalline Polymere) des Borstenmaterials liegen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Borstenschnüre Kunststoffe mit der höheren Fließ­ temperatur bzw. Kristallit-Schmelztemperatur (zutreffend für kristalline oder teilkristalline Polymere) eingesetzt werden gegenüber der FT bzw. KT der Spritzmasse für den Bürstenkörper.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Borstenmaterial auch Metalldrähte einsetzbar sind.