DE19913525A1

DE19913525A1 - Verfahren zur Formgebung von Kunststoffteilen mit Ausgleich der Volumenverminderung des Werkstoffs

Info

Publication number: DE19913525A1
Application number: DE1999113525
Authority: DE
Inventors: Torsten Kies
Original assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-09-28

Abstract

Während des Aushärtens urgeformter Formassen vermindern diese ihr Volumen, das Volumen des Formhohlraums aber bleibt konstant. Durch Kompression der Masse gelingt oft nur teilweise ein Ausgleich dieser Volumenverminderung. Die exakte Abbildung der Geometrie des Formhohlraums durch die hergestellten Teile ist deshalb schwer beherrschbar. DOLLAR A Zum Ausgleich der Schwindung weiten sich bei der Kompression der Formmasse im Gegensatz zu einer starren Form bestimmte Teile des Formhohlraums elastisch auf. Dieses zusätzlich geschaffene Volumen wird bei der Aushärtung der Formmasse zurückgebildet. So kann ein vollständiger Volumenausgleich erfolgen. Der Kompressionsdruck, ab dem die Verschiebung der Formwand beginnt und der mögliche Verschiebungsweg der verschiebbaren Formwand kann einstellbar ausgelegt werden. DOLLAR A Das Prinzip der elastischen Elemente in Formwerkzeugen ist auf alle Urformverfahren anwendbar, bei denen die Formmasse zum Schwindungsausgleich im Formhohlraum komprimiert wird. Naheliegende Anwendungsgebiete sind das Spritzgießen von Thermoplasten, Elastomeren oder Duromeren und Druckgussverfahren für Metalle.

Description

Es ist bekannt, dass bei der Formgebung von Kunststoffen eine Verminderung des Volumens der verarbeiteten Formmasse auftritt.

Im allgemeinen erfolgt die Herstellung von Formteilen aus Kunststoffen, indem das entsprechend vorbereitete Ausgangsmaterial aus einem fließfähigen viskos-plastischen in einen form- und gestaltstabilen festen Zustand überführt wird. Der Zustandswechsel des Materials von fließfähiger zur festen, formstabilen Konsistenz ist aufgrund der physikalischen Eigenschaften des verwendeten Werkstoffs immer mit einer Volumenverminderung des Materials verbunden.

Das Grundproblem bei der Anwendung der verschiedenen Technologien ist die Minimierung und die reproduzierbare Beherrschung dieser Volumenkontraktion, um die gewünschte Geometrie am Formteil mit dem Herstellungsverfahren sicher zu stellen.

Zur Herstellung von Formteilen aus polymeren Werkstoffen bestehen eine Vielzahl von Technologien und Verfahrensvarianten, mit denen das oben genannte Grundproblem mehr oder weniger gut gelöst oder vermindert werden kann.

Ein Maß für den prozesstechnisch nicht ausgleichbaren Volumenverminderungsanteil ist das Verhältnis zwischen dem Volumen des abzubildenden Formhohlraums und dem Volumen des produzierten formfixierten Kunststoffkörpers, welches als Schwindung des Formteils bezeichnet wird: "DIN 16901". Kommt eine Schwindung bei der Herstellung eines Formteils vor, kann aufgrund des unterschiedlichen Volumens von Formteil und Kavität die Geometrie des Formhohlraums nicht mehr exakt abgebildet werden. Aufwendige Berechnungen zur Vorhersage des Schwindungsverhaltens sind im Vorfeld der Werkzeugherstellung notwendig. Die bekannten Berechnungsverfahren zur Schwindungsvorhersage sind aufgrund von Vereinfachungen bei der Modellerstellung alle fehlerbehaftet. Oft wird deshalb auf Erfahrungswerte bei der Schwindungsvorhersage zurückgegriffen. Von den Herstellern thermoplastischer Kunststoffe werden Richtwerte für die Schwindung angegeben. Diese Angaben umfassen ein sehr breites Intervall, das für die Geometriebeschreibung von Präzisionsteilen unbefriedigend ist. Problematisch ist dabei vor allem, dass sich die physikalisch bedingt auftretende Volumenverminderung mit der Aushärtung der Formmasse in den einzelnen Raumrichtungen inhomogen aufteilt und deshalb in den einzelnen Richtungen sehr große Schwindungsunterschiede auftreten. In der Hauptschwindungsrichtung können die relativen Maßveränderungen bis zum 20-fachen größer sein als in der Richtung der geringsten Linearschwindung. Die Aufteilung der Volumenschwindung in einzelne Linearschwingungskomponenten ist von der Geometrie des Formteils, von den Abkühlungsbedingungen, den Einspritzbedingungen und vom Füllstoffgehalt sowie der Gestalt der Füllstoffpartikel abhängig. Wegen der Ungenauigkeiten in der Schwindungsvorhersage sind oft aufwendige Werkzeugkorrekturen oder gar Nachbauten erforderlich, um die geforderten geometrischen Eigenschaften der Formteile sicher zu stellen.

Für den technologischen Prozess bedeutet das Auftreten der Erscheinung Schwindung, dass das Volumen des Formlings geringer wird als der Formhohlraum. Dadurch kommt es zu einem Abheben des polymeren Werkstoffs in der Kavität (Fig. 3: 12) von der Formwand (Fig. 3: 13). Dann ist der ungehinderte Wärmestrom aus dem verarbeiteten Kunststoff (Fig. 3: 12) in das Metall der Form (Fig. 1: 1 und 4) nicht mehr gegeben. Die Folge ist eine langsamere Abkühlung des Formlings. Prozesse, bei denen eine Schwindung bereits in der Kavität auftritt, können deshalb bei sonst gleichen Bedingungen die Formfixierung des Spritzlings erst zu einem späteren Zeitpunkt erreichen als Prozesse, bei denen der Kontakt zwischen Formteil und Werkzeugwand über die gesamte Abkühlungszeit erhalten bleibt. Schwindungsbehaftete Prozesse erfordern deshalb zur Herstellung der gleichen Anzahl Formteile mehr Produktionszeit und erbringen somit einen geringeren ökonomischen Effekt als schwindungsfreie.

Die physikalisch bedingte Volumenkontraktion bei der Formfixierung von Werkstoffen wird in der Technik durch die beiden Grundprinzipien hydrostatische Kompression oder die Verringerung des Volumens der formgebenden Kavität ganz oder teilweise ausgeglichen.

Nach dem Grundprinzip der hydrostatischen Kompression der Formmasse funktioniert das Spritzgussverfahren. Es ist die am meisten angewendete Technologie zur Produktion von dünnwandigen und schalenförmigen Formteilen aus Kunststoff in großen Stückzahlen.

Typisch für Spritzgussverfahren ist die Verwendung einer Plastifiziereinheit (Fig. 1: 5) und einer Schließeinheit, die das formteilspezifische Werkzeug (Fig. 1: 1, 2, 4 usw.) aufnimmt. In der Plastifiziereinheit (Fig. 1: 5) erfolgt das Überführen des zu verarbeitenden Werkstoffs aus den für die verschiedenen eingesetzten polymeren Materialien sehr unterschiedlichen Ausgangszuständen in einen fließfähigen viskos-plastischen Zustand und die Homogenisierung des verarbeiteten Werkstoffs. Das zur Herstellung des Formteils benötigte Schussvolumen wird mit Hilfe der Plastifiziereinheit dosiert und im Stauraum des Spritzgusszylinders gesammelt. Bei entsprechenden verfahrenstechnischen Voraussetzungen wird die plastifizierte aufdosierte Masse in den Formhohlraum des speziell auf das jeweilige Formteil abgestimmten Werkzeugs eingespritzt. Um die Volumenverminderung zumindest teilweise auszugleichen, erfolgt nach der volumetrischen Füllung der Kavität mit Material (Fig. 1 und 2: 3) zusätzlich eine Kompression der Masse auf einen bestimmten hydrostatischen Druck (Fig. 1 und 2: 7) im Formhohlraum.

Das Spritzgusswerkzeug wird durch die Schließeinheit aufgenommen. Alle verwendeten Werkzeuge bestehen aus mindestens zwei zueinander beweglichen Teilen (Fig. 1, 2 und 3: 1 und 4), um eine Öffnung des Werkzeugs zur Entformung des Werkstücks zu ermöglichen. Mit Hilfe der Schließeinheit wird die Öffnungs- und Schließbewegung der Formhälften realisiert und eine Werkzeugverriegelung sichergestellt. Die aufgrund der Wirkung des Kompressionsdrucks (Fig. 1 und 2: 7) auftretenden Kräfte werden über das Werkzeug an die Schließeinheit weitergeleitet. Wird ein zu hoher Kompressionsdruck im Formhohlraum wirksam, ist die durch die Wirkung des Kompressionsdrucks erforderliche Kraftableitung in die Schließeinheit nicht mehr gegeben. Es kommt zu plastischen Verformungen und Zerstörungen am Werkzeug oder zu einer unerwünschten partiellen Öffnungsbewegung der Formhälften. An den produzierten Teilen tritt dann Formteilgrat (Fig. 6: 27) auf. Sie können nicht mit der erwünschten Gestalt hergestellt werden. Damit ist der Kompressionsdruck technologisch auf Werte begrenzt, bei denen keine Gratbildung auftritt und unzulässige Werkzeugdeformationen ausgeschlossen sind. Die Wechselwirkungen zwischen Kompressionsdruck (Fig. 1 und 2: 7) und der zur Vermeidung der unerwünschten vorzeitigen Öffnung des Werkzeugs notwendigen Zuhaltekraft sind in "Plaste und Kautschuk 11. Jahrgang Heft 2 1964 S. 109-114", "Plaste und Kautschuk 12. Jahrgang Heft 3 1965 S. 158-164", "Plaste und Kautschuk 34. Jahrgang Heft 9/1987 S. 348-349" und in "Saher Al Saher: Einfluss der Plastmaschine und des Werkzeugs auf die Maßgenauigkeit von Spritzgussteilen; genehmigte Dissertation A, Karl-Marx-Stadt 1988" untersucht worden. In diesen Arbeiten wird die Werkzeugverformung als unerwünschte Erscheinung betrachtet, die vermieden werden sollte. Bei der Auslegung der Werkzeuge verwenden deshalb alle bekannten Technologien und Unterverfahren möglichst steife Formen, bei denen ein Ausweichen oder eine Erweiterung der Kavität aufgrund des wirkenden Kompressionsdrucks vermieden wird.

Im Formhohlraum (Fig. 1 und 2: 3) härtet das Material bis zur Formfixierung aus. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Werkstoffen wird dies durch Abkühlung der Formmasse erreicht. Werden Elastomere oder duroplastische Polymere verarbeitet, erfolgt die Aushärtung durch einen chemischen Strukturaufbau aufgrund einer Wärmezufuhr. Die Aufdosierung der viskosen Kunststoffmasse erfolgt meist zeitgleich zur Aushärtung der Formteile. Nach der Öffnung des Werkzeugs werden die form- und gestaltstabilen Produkte aus dem Formhohlraum entnommen. Wenn das verwendete Werkzeug wieder verschlossen wurde, kann der Herstellungsprozess erneut ablaufen.

Zum Spritzgussverfahren sind mehrere Varianten und Unterverfahren bekannt.

Beim Spritzgießen ohne Massepolster, was beispielsweise in "Jung, Patzschke: Spritzgießen; Verlag für Grundstoffindustrie 1988" beschrieben wurde, erfolgt eine kurzzeitige hydrostatische Kompression der Masse durch den Schneckenkolben der Plastifiziereinheit (Fig. 1 und 2: 5). Die Vorwärtsbewegung des Schneckenkolbens, die das Injizieren und Komprimieren des Materials sicherstellt, wird mit dem Erreichen eines mechanischen Anschlags gestoppt. Der Schneckenkolben verbleibt bis zur Formfixierung an der Anschlagposition, um die Dekompression der Masse durch ein Ausfließen aus der Kavität zu verhindern.

Der maschinentechnische Aufwand zur Realisierung dieser Verfahrensvariante ist gering. Die Reproduzierbarkeit des Kompressionsniveaus der Formmasse ist aufgrund der gesteuerten Beendigung der Schneckenvorwärtsbewegung über ein Wegsignal beim Erreichen des mechanischen Anschlags ungenügend.

Durch das polsterfreie Spritzgießen können sehr komplexe Formteile hergestellt werden. Für viele Kunststoffe kann aufgrund technologischer Grenzen des Verfahrens bei der Erzeugung des Kompressionsdrucks und der notwendigen Kraftaufnahme im Werkzeug nur ein teilweiser Ausgleich der Volumenverminderung sichergestellt werden. Deshalb tritt meist eine Schwindung des Formteils auf. Eine prozesstechnische Beeinflussung der Formteilqualität kann nur global für das gesamte Formteil erfolgen. Es ist nicht möglich, lokale Gebiete des Formteils mit Prozessgrößenvariation wirksam und gezielt zu beeinflussen.

In "Kunststoffe 81(1991)/3 S. 211-219" wird das sogenannte nachdruckfreie Spritzgießen vorgestellt. Bei dieser Verfahrensvariante erfolgt nach der volumetrischen Füllung der Kavität durch eine Nadelverschlussdüse in der Stellung "Offen" (Fig. 2: 9) eine kurzzeitige Kompression der Masse bis auf ein bestimmtes Druckniveau. Wenn der dazu notwendige Werkzeuginnendruckaufnehmer dieses Druckniveau registriert, erfolgt ein zwangsweiser mechanischer Verschluss der Kavität durch eine ebenfalls extra benötigte Verschlusseinheit, die in den meisten Anwendungsfällen nach dem Prinzip von pneumatisch oder hydraulisch betätigten Nadelverschlussdüsen funktioniert (Fig. 2: 8 bis 10). Ein Aus- oder Nachfließen der Formmasse in die Kavität hinein oder aus dem Formhohlraum heraus ist bei verschlossener Verschlussdüse (Fig. 2: 10) unmöglich. Der komprimierte Werkstoff kühlt unter Druckabbau bis zur Formfixierung aus.

Der maschinentechnische Aufwand dieser Verfahrensvariante ist höher als beim massepolsterfreien Spritzgießen, da zur Ermittlung des Druckniveaus in der Kavität Drucksensoren mit entsprechender Auswerteeinrichtung notwendig sind und der mechanische Verschluss der Kavität mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung erfolgen muss.

Für viele Kunststoffe kann aufgrund technologischer Grenzen des Verfahrens bei der Erzeugung des Kompressionsdrucks und der notwendigen Kraftaufnahme im Werkzeug nur ein teilweiser Ausgleich der Volumenverminderung sichergestellt werden. Dann tritt eine Schwindung der Formteile auf. Die Reproduzierbarkeit des Kompressionsniveaus der Formmasse ist aufgrund der unmittelbaren Bestimmung mit Drucksensoren gut.

Mit dem nachdruckfreien Spritzgießen können sehr komplexe Formteile hergestellt werden. Eine prozesstechnische Beeinflussung der Formteilqualität kann nur global für das gesamte Formteil erfolgen. Es ist nicht möglich, lokale Gebiete des Formteils mit Prozessgrößenvariation wirksam und gezielt zu beeinflussen.

Bei der in der Praxis am häufigsten angewendeten Verfahrensweise des konventionellen Spritzgussverfahrens erfolgt nach der volumetrischen Füllung der Kavität mit der Formmasse eine hydrostatische Kompression (Fig. 1: 7) des Materials (Fig. 1: 3). Dieser hydrostatische Druck wird während der Abkühlung des Formlings im Gegensatz zu den bereits abgehandelten beiden Varianten über längere Zeit aufrecht erhalten. Das aufgrund der Abkühlung zur Verminderung tendierende Druckniveau in der Kavität (Fig. 1: 7) wird durch Nachschieben von heißer Schmelze aufrecht erhalten. Ein mechanischer Verschluss der Kavität kommt beim konventionellen Spritzgussverfahren nicht zum Einsatz. Die Aufrechterhaltung des hydrostatischen Drucks wird durch eine permanente axiale äußere Krafteinbringung auf den Schneckenkolben (Fig. 1: 6) erreicht. Vor dem Schneckenkolben befindet sich ein Massepolster, was eine Druckübertragung über die plastifizierte Masse vom Schneckenvorraum in die Kavität sicherstellt.

Der Nachdruckvolumenstrom bleibt bis zur Aushärtung des Materials im Bereich des Fließkanals wirksam. Wenn das Material in diesem Bereich ausgehärtet ist, kann keine Schmelze mehr in die folgenden Fließwegabschnitte hinein gedrückt werden oder zurück strömen. Man spricht von der thermischen Versiegelung.

Der isobare Abkühlungsprozess auf einem erhöhten Druckniveau kann also nur bis zum Erstarren der Formmasse in einem bestimmten Abschnitt der Kavität aufrecht erhalten werden. Nach "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" sind dazu drei Fälle zu unterscheiden:
Im ersten Fall erstarrt die Formasse vom Fließwegende her zur Angussposition hin nacheinander. Dieser Fall ist nach "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" anzustreben, da dann die Formmasse von einem gleichmäßigen Druckniveau aus abkühlt und einzelne lokale Restdrücke bei Temperaturabnahme isochor abgebaut werden.

Im zweiten Fall ist der durch den Materialstrom zu überwindende Fließwiderstand der Schmelze so groß, dass der aufgebrachte Nachdruck zu gering ist, um den Schmelzetransport im Formteilinneren zu realisieren. Dann erreicht dieser Bereich den Umgebungsdruck, obwohl im Kern noch schmelzeflüssiges Material vorhanden ist. Es kommt zu höheren Schwindungswerten als bei Formteilen, die nach dem ersten Fall erstarren, da die Versiegelung bei einem hohen lokalen Temperatur- und geringen lokalen Druckniveau erfolgt. Zu diesem Fall kommt es vor allem in angussfernen Gebieten und bei langen Fliesswegen. Die Folge sind wellige Oberflächen, Einfallstellen und Lunker. Die geometrischen Qualitätsmerkmale von Formteilen, die nach diesem Fall absiegeln, sind wenig reproduzierbar, da zum einem der Zeitpunkt, ab dem ein Schmelzetransport unmöglich wird, starken statistischen Schwankungen unterliegt und zum anderen die Positionen von Einfallstellen und Lunkern erfahrungsgemäß von Teil zu Teil sehr unterschiedlich angeordnet sind.

Im dritten Fall wird der Schmelzefluss auf einem vorangegangenem Fließwegabschnitt unterbrochen. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn im Formteil angussferne Materialanhäufungen vorhandenen sind. Die Formmasse bleibt in den Bereichen der Materialanhäufungen auf einem hohen Temperaturniveau und großem Schwindungspotential, das nicht durch Nachdruckvolumenstrorn ausgeglichen werden kann. Eine Schwindungsbeeinflussung durch Nachdruckerhöhung ist nicht möglich, weil die Versiegelung thermisch bedingt ist. Das Schwindungsverhalten der so produzierten Teile ist kaum quantifizierbar und kontrollierbar. Es treten viele Einfallstellen und Vakuolen auf. Die Reproduzierbarkeit der geometrischen Eigenschaften für Prozesse, bei denen eine solche Volumenkontraktion vorkommt, ist nicht gegeben.

Nach welchen der drei von "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" genannten Mechanismen das Erstarren des Formteils abläuft, ist von der Geometrie des Formteils und der Angussposition abhängig. Eine rechnerische Abschätzung ist nach "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" möglich, jedoch sehr aufwendig. Die Notwendigkeit, die Gestaltung des Teils und die Angussposition so auszuführen, dass eine allmähliche Erstarrung zum Anguss hin erfolgt, schränkt die Anwendungsfreundlichkeit der Verfahrensvariante konventionelles Spritzgießen ein.

Mit der thermischen Versiegelung geht die Abkühlung der Formmasse von einem isobaren in einen isochoren Prozessverlauf über. Ein Ausgleich der Volumenverminderung ist nur durch den zum Zeitpunkt der Erstarrung vorhandenen Kompressionsdruck gegeben. Ein Ausgleich der abkühlungsbedingten Volumenkontraktion durch Injizieren von heißer Schmelze ist nach dem Einsetzen der thermischen Versiegelung nicht mehr möglich.

Auch beim konventionellen Spritzgießen tritt bei allen bekannten Anwendungsfällen eine Schwindung an den produzierten Teilen auf. Die von den Rohstoffherstellern angegebenen breiten Schwindungsintervalle beziehen sich auf die hier beschriebene Technologievariante. Nach "Rheol. Acta 30 (1991) S. 284-299" entstehen durch das nachträgliche Injizieren von heißer Masse in das sich bereits abkühlende Formteil starke innere Spannungen, die die Festigkeit des Fertigteils vermindern. Die auftretenden Spannungen sind nach "Kunststoffe 73 (1983) 4 S. 241-245" größer als beim nachdruck- oder polsterfreiem Spritzgießen, was der entscheidende Vorteil der bereits oben abgehandelten Verfahrensvarianten gegenüber dem konventionellen Spritzgießen ist.

Ein weiterer Nachteil des konventionellen Spritzgussverfahrens, der durch das nachträgliche Zuführen von heißer Masse in den Formling verursacht wird, ist die unterschiedliche lokale Abkühlgeschwindigkeit im Formteil. Anbindungsnahe Gebiete kühlen langsamer ab als anbindungsferne Regionen der Kavität. Um die Abkühlung entsprechend dem ersten Fall nach "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" zu gewährleisten, muss die Anbindung der Kavität an der größten Wandstärke des Formteils erfolgen. In diesem Bereich sammelt sich zusätzlich noch nachträglich heiße injizierte Masse an. Das verfahrensbedingte Nachschieben von heißer Masse erfordert aufgrund der nachträglich eingebrachten Wärme gegenüber dem polsterfreien oder dem nachdruckfreien Spritzgießen eine längere Zeitdauer bis zur vollständigen Formfixierung des verarbeiteten polymeren Werkstoffs und erfordert eine längere Produktionszeit als die beiden genannten alternativen Verfahrensvarianten.

Mit dem konventionellen Spritzgussverfahren können sehr komplexe Formteile hergestellt werden.

Der maschinentechnische Aufwand zum konventionellen Spritzgießen ist relativ gering und mit dem des polsterfreien Spritzgießens vergleichbar.

Eine prozesstechnische Beeinflussung der Formteilqualität kann im Wesentlichen nur global für das gesamte Formteil erfolgen. Es ist nicht möglich, lokale Gebiete des Formteils mit Prozessgrößenvariation wirksam und gezielt zu beeinflussen.

In "Kunststoffe 79(1989)/9 S. 852-856" und im "Plastverarbeiter 40 Nr. 10 S. 43-50" werden sogenannte pvT- bzw. pmT-Regelungskonzepte vorgestellt, die auf dem konventionellen Spritzgussverfahren aufbauen. Im Gegensatz zum konventionellen Spritzgussverfahren erfolgt die Beendigung der nachträglichen Injektion von Schmelze nicht durch eine thermische Versiegelung, sondern durch einen hydraulischen Angussverschluss mit Hilfe einer Nadelverschlussdüse (Fig. 2: 8, 9 und 10). Der Zeitpunkt des mechanischen Angussverschlusses wird aus dem in der Kavität gemessenen Druckverlauf und dem daraus berechneten Temperaturprofil ermittelt. Dieser Zeitpunkt wird so gewählt, dass verfahrensbedingte Schwankungen der Qualitätskennwerte aufgrund von Störgrößeneinflüssen korrigiert werden sollen.

Die Schwindungswerte der so hergestellten Formteile sind größer als bei Produkten, die im konventionellen Spritzgussverfahren gefertigt wurden, weil aufgrund des vorzeitigen Angussverschlusses weniger Masse nach der volumetrischen Füllung in die Kavität nachströmen kann. Dafür vermindern sich die durch den Nachdruckvolumenstrom hervorgerufenen Spannungen, da aufgrund des höheren Temperaturniveaus bei Beendigung der Nachinjizierung Relaxationsprozesse stärker zum Tragen kommen als beim konventionellen Spritzgießen.

Die maschinentechnischen Voraussetzungen für diese Verfahrensvariante sind noch umfassender als beim nachdruckfreiem Spritzgießen, da zusätzlich zur Verschlussdüse und dem Werkzeuginnendruckaufnehmer umfangreiche rechentechnische Mittel im Hard- und Softwarebereich benötigt werden.

Bei der praktischen Anwendung dieser Regelungsstrategien tritt das Problem auf, dass die Berechnung der aktuellen Schmelzetemperatur immer stark fehlerbehaftet ist. Die Wärmeübergangsprozesse zwischen Kunststoffmaterial und Werkzeug und die Kontaktflächen zwischen beiden Phasen sind abhängig von Prozessgrößen.

Eine Regelung mit Hilfe der Nachdruckzeit führt zu unterschiedlich langen Zykluszeiten, die ebenfalls das Qualitätsergebnis beeinflussen. Es tritt dann eine Rückkopplung im System auf. Wenn man wie beim pvT-Konzept eine Zeitgröße als Nachstellgröße verwendet, ist eine Optimierung der Produktionszeit nicht möglich.

Elastische Werkzeugdeformationen oder eine Werkzeugatmung kann mit diesem Optimierungskonzept nicht berücksichtigt werden.

Die Zielgröße der Optimierung ist meist das Formteilgewicht. Ein gleichbleibendes Formteilgewicht kann jedoch bei unterschiedlichen Schwindungsanisotropien in den einzelnen Raumrichtungen zu verschiedenen Längenmaßen führen. Die Reproduzierbarkeit der geometrischen Eigenschaften des Formteils ist aus diesem Grund nicht zwangsläufig besser als beim konventionellen Spritzgussverfahren.

Die Herstellung von sehr komplexen Formteilen ist möglich.

Beim Spritzprägeverfahren, was beispielsweise in "Kunststoffe 77/1 S. 27-29" behandelt wird, erfolgt das Aufschmelzen und Homogenisieren der Schmelze analog zum Spritzgussverfahren mit Hilfe einer Plastifiziereinheit (Fig. 1 und 2: 5). Das für die Formgebung aufbereitete Material wird in eine teilgeschlossene Kavität eindosiert (Fig. 4: 15). Ein hydrostatischer Druck wird nur zur Überwindung des Fließwiderstands der Schmelze benötigt. Eine Kompression der Kunststoffmasse aufgrund der Vorwärtsbewegung des Schneckenkolbens unterbleibt. Es erfolgt keine vollständige volumetrische Füllung der teilgeschlossenen Kavität (Fig. 4: 15). Nach dem Beenden der Masseeindosierung in den teilgeschlossenen Formhohlraum (Fig. 4: 15) wird das Spritzprägewerkzeug durch die Schließeinheit vollständig verschlossen (Fig. 4: 14 nach 18) und das eindosierte Formmaterial (Fig. 4: 19) durch die zwangsweise aufgrund der Wirkung der Prägekrafte (Fig. 4: 17) hervorgerufene Volumenverminderung der Kavität komprimiert.

Eine Schwindung im Sinne von "DIN 16901" kann nicht ermittelt werden, da sich das Kavitätsvolumen prozessbedingt verändert. Die abkühlungsbedingte Volumenverminderung des Materials kann vollständig durch die Verminderung des Formhohlraums ausgeglichen werden. Bei hinreichend langer Nachführung des Prägestempels (Fig. 4: 18) erfolgt die Abkühlung des Kunststoffs in der Kavität (Fig. 4: 19) vollständig unter Formzwang. Die Produktionszeiten von Teilen im Spritzprägeverfahren können sehr kurz gehalten werden, da aufgrund des von außen aufgebrachten Prägedrucks ein sehr enger Kontakt zwischen Werkzeugmaterial und Kunststoff über eine große Fläche vorherrscht und die Plastifiziereinheit unmittelbar nach dem Eindosieren des Polymers in die Form wieder Kunststoff homogenisieren und plastifizieren kann.

In Richtung senkrecht zur Prägerichtung lassen sich sehr genaue Abbildungen der Form realisieren. Deshalb ist dieses Verfahren vor allem für die Herstellung von Formteilen mit hohen Oberflächeneigenschaften geeignet.

In der Prägerichtung des Prägestempels (Fig. 4: 18) ist die dimensionsgenaue Abbildung der Form sehr schlecht, da die Genauigkeit der Massedosierung des Kunststoffs technisch problematisch ist. Die Anwendung des Spritzprägeverfahrens bleibt auf Formteile mit sehr einfacher Geometrie, wie beispielsweise CDs, beschränkt, da der Stempel in die Kavität eingearbeitet werden muss.

Die Reproduzierbarkeit der geometrischen Eigenschaften des Formteils ist senkrecht zur Prägerichtung gut, in der Prägerichtung jedoch schlecht.

Die Höhe des Prägedrucks ist durch die unerwünschte Werkzeugdeformation und der Vermeidung von Formteilgrat beschränkt. Die Prägezeit muss begrenzt werden, da bei zu langer Aufrechterhaltung des Prägedrucks innere Spannungen in den Teilen auftreten, die zum mechanischen Versagen führen können.

Eine prozesstechnische Beeinflussung der Formteilqualität kann nur global für das gesamte Formteil erfolgen. Es ist nicht möglich, lokale Gebiete des Formteils mit Prozessgrößenvariation wirksam und gezielt zu beeinflussen.

Das Grundprinzip der Verminderung des formgebenden Volumens wird beim Pressverfahren angewendet.

Für das Pressverfahren ist charakteristisch, dass die Kunststoffmasse in Pulver-, Granulat- oder Tablettenform in das Werkzeug (Fig. 5: 21 und 23) eingelegt wird. Das Aufschmelzen, Aushärten oder Vernetzen geschieht bei einem Druck- (Fig. 5: 22) und Temperaturregime im geschlossenen Werkzeug. Der notwendige Pressdruck wird durch eine auf den Stempel (Fig. 5: 21) wirkende Kraft (Fig. 5: 20) erzeugt. Auf eine Plastifiziereinheit wird verzichtet.

Das verarbeitete Kunststoffmaterial wird meist durch Erwärmung bei geringem Druck in den viskosen, fließfähigen Zustand zwischen Matritze (Fig. 5: 23) und Patritze (Fig. 5: 21) überführt. Wenn eine fließfähige Konsistenz des Materials vorliegt, erfolgt die Formgebung bei erhöhtem Druck. Auch die Formfixierung des Kunststoffmaterials erfolgt zum Ausgleich der materialspezifischen Volumenverminderung bei der Formfixierung unter Druck (Fig. 5: 22), der durch eine Kraft auf dem Stempel erzeugt wird (Fig. 5: 20).

Die Homogenisierung der Formmasse ist aufgrund fehlender Mischvorrichtungen in den Pressformen schlecht. Bei Kunststoffen, die Beimischungen oder mehrere Komponenten enthalten, ist deshalb ein vorhergehender Arbeitsschritt zur Mischung und Homogenisierung des Materials notwendig. Bei den oben beschriebenen Spritzgussverfahren kann darauf meist verzichtet werden, wenn eine entsprechend ausgelegte Plastifiziereinheit (Fig. 1 und 2: 5) verwendet wird.

Aufgrund der Plastifizierung in der Form benötigen durch Pressprozesse hergestellte Formteile wesentlich längere Produktionszeiten als vergleichbare Spritzgussprodukte. Aus diesem Grund wird das Pressverfahren vor allem zur Herstellung von Teilen in geringen Stückzahlen, mit großen Abmessungen oder von dickwandigen Teilen angewendet.

In Richtung senkrecht zur Pressrichtung lassen sich sehr genaue Abbildungen der Form realisieren. In der Pressrichtung ist die dimensionsgenaue Abbildung der Form sehr schlecht, da die Genauigkeit der Massedosierung des Kunststoffs technisch problematisch ist. Die Anwendung des Pressverfahren bleibt wie das Spritzprägeverfahren auf Formteile mit sehr einfacher Geometrie beschränkt, da der Stempel (Fig. 5: 21) in die Form (Fig. 5: 23) eingearbeitet werden muss.

Die Reproduzierbarkeit der geometrischen Eigenschaften des Formteils ist senkrecht zur Pressrichtung gut, in der Pressrichtung jedoch schlecht.

Die Höhe des Pressdrucks (Fig. 5: 22) ist durch die unerwünschte Werkzeugdeformation beschränkt. Die Presszeit muss begrenzt werden, da bei zu langer Aufrechterhaltung des Pressdrucks (Fig. 5: 22) innere Spannungen in den Teilen auftreten, die zum mechanischen Versagen führen können.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die bei der Verarbeitung von Kunststoffen zu Formteilen auftretende Volumenverminderung auszugleichen, um die Schwindung zu minimieren.

Das Problem wird gelöst, indem man ein im Spritzgussprozess verwendetes formteilspezifisches Werkzeug mit einem beweglichen konturbildenden Teil der Kavität (Fig. 8: 36) ausstattet und dieses an elastische Elemente (Fig. 8: 35) ankoppelt, so dass durch eine vom augenblicklichen Kompressionsdruck der Formmasse abhängige Ausweichbewegung des beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) eine reversible Erweiterung der Kavität vorkommt, die sich bei dem während der Formfixierung des Materials physikalisch bedingten Druckabbau in der Formmasse definiert zurückstellt und dadurch bis zur Entformung des Spritzlings aus dem Werkzeug die Volumengleichheit von formgebenden Formhohlraum und Formteilkörper bereits bei technisch realisierbaren Kompressionsdruck sichergestellt wird.

Mit der Erfindung wird eine Modifizierung und Verbesserung des Spritzgussverfahrens erreicht, bei dem bekannterweise plastifizierte Masse in eine voll geschlossene, steif ausgelegte Form injiziert und anschließend komprimiert wird. Die verfahrenstypische Kompression der Formmasse (Fig. 8: 3) wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um eine reversible Erweiterung (Fig. 8: 33) der Kavität zu realisieren. Das geschieht, indem zunächst ein bewegliches konturbildendes Teil der Kavität (Fig. 8: 36) beim Anlegen eines Kompressionsdrucks (Fig. 8: 11) eine Verschiebung aufgrund der durch die Kompression der Formmasse hervorgerufene Druckkraft ausführt. Diese Verschiebung verursacht in dem das bewegliche konturbildende Teil der Kavität (Fig. 8: 36) abstützenden elastischen Element (Fig. 8: 35) eine Gegenkraft, die erfindungsgemäß der Druckkraft entgegen gerichtet ist und deren Wert vom Verschiebeweg des beweglichen konturbildenden Teiles der Kavität (Fig. 8: 36) abhängig ist. Die Verschiebung des beweglichen konturbildenden Teil der Kavität (Fig. 8: 36) erfolgt bis zu dem Punkt, an dem ein Kräftegleichgewicht zwischen der kompressionsverursachten Druckkraft und der im elastischen Element hervorgerufenen Gegenkraft besteht.

Erfindungsgemäß wird das Volumen der Kavität zum Zeitpunkt der stärksten Kompression der Formmasse in etwa um den Betrag der Volumenverminderung vergrößert, der bis zur Gestaltfixierung des Formteils physikalisch bedingt auftritt. Das heißt, die druckabhängige Vergrößerung der Kavität (Fig. 8: 33) wird durch die entsprechende Dimensionierung der elastischen Größen des elastischen Elements (Fig. 8: 35) so dosiert, dass die aushärtungsbedingte Volumenverminderung der Formmasse bis zur Gestaltfixierung durch die, mit der Rückstellbewegung des elastischen Elements (Fig. 8: 35) und dem angekoppelten beweglichen konturbildenden Teil (Fig. 8: 36) verbundenen, Volumenverminderung des Formhohlraums bei Druckabbau ausgeglichen werden kann.

Bei zunehmender Aushärtung des Formteils wird der Druck in der Kavität (Fig. 8: 11) physikalisch bedingt abgebaut, da sich das freie Volumen der Formmasse bei der Aushärtung vermindert. Der Druckabbau hat zur Folge, dass sich die auf die elastischen Elemente (Fig. 8: 35) wirkende Druckkraft vermindert. Dadurch verändert sich das Gleichgewicht der am beweglichen konturbildenden Teil der Kavität (Fig. 8: 36) angreifenden Kräfte und die reversible Verformung des elastischen Elements (Fig. 8: 35) stellt sich in Abhängigkeit vom Druck in der Kavität (Fig. 8: 11) zurück. Das an das elastische Element gekoppelte bewegliche konturbildende Teil der Kavität (Fig. 8: 36) wird dadurch so verschoben, dass das Kavitätsvolumen wieder vermindert wird. Die elastischen Größen der elastischen Elemente (Fig. 8: 35) werden erfindungsgemäß so ausgelegt, dass ein vollständiger Abbau des Kompressionsdrucks beim Aushärten der Formmasse möglich ist und am Ende des Aushärtungsprozesses im Formhohlraum das ursprüngliche Kavitätsvolumen vorliegt.

Der Ausgleich der materialspezifischen aushärtungsbedingten Volumenverminderung kann durch die Nachstellbewegung des beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) vollständig erfolgen, so dass keine Schwindung der Teile in der Form auftritt. Man kann deshalb auf ein langanhaltendes Nachschieben von Masse, wie es beim konventionellen Spritzgussprozess angewendet wird, verzichten und einen mechanischen Angussverschluss durch eine Nadelverschlussdüse (Fig. 2: 8 bis 10) analog dem nachdruckfreiem Spritzgießen anwenden oder auf die Verfahrensvariante polsterfreies Spritzgießen zurückgreifen.

Die durch das Nachschieben von heißer Masse in das sich abkühlende Formteilmaterial hervorgerufenen inneren Spannungen im Formteil werden dadurch erfindungsgemäß vermieden.

Die beiden bekannten Grundprinzipien zum Ausgleich der Volumenverminderung, Kompression der Formmasse und Nachführung des Kavitätsvolumens, werden erfindungsgemäß in einem Verfahren kombiniert.

Der Einsatz anderer Bauteile als elastische Elemente zum Aufbringen einer Gegenkraft, beispielsweise hydraulischer oder pneumatischer Systeme ist denkbar.

Weil ein Ablösen des Kunststoffs (Fig. 3: 12) von der Werkzeugwand (Fig. 2: 13) beim Aushärten vermieden wird, kann die Formteilherstellung in einer kürzeren Produktionszeit erfolgen als bei den bekannten schwindungsbehafteten Spritzgussprozessen, da der Kontakt zwischen der Kunststoffmasse (Fig. 2: 12) und dem Werkzeugmaterial (Fig. 2: 1 und 4) während der gesamten Abkühl- oder Aushärtungszeit nicht unterbrochen wird und der Wärmestrom zwischen Kunststoffmaterial (Fig. 2: 12) und Werkzeug (Fig. 2: 1 und 4) nicht durch einen isolierenden Spalt an der Wand der Kavität (Fig. 2: 13) gestört wird. Damit ist mit der Erfindung ein höherer ökonomischer Effekt zu erwarten als mit den bekannten klassischen Verfahrensvarianten.

Zur Realisierung der Erfindung sind spezielle Spritzgusswerkzeuge für die jeweiligen herzustellenden Teile notwendig, die eine bewußte Verformung zulassen.

Bereits in "Plaste und Kautschuk 11. Jahrgang Heft 2 1964 S. 109-114" werden die unterschiedlichen Kraftwirkung und die daraus resultierenden Verformungen der Werkzeugteile von sich gegenseitig nicht beeinflussenden Werkzeugteilen und Spritzgusswerkzeugen mit massivem Querschnitt unterschieden.

In Spritzgussformen, die aus Werkzeugplatten mit mechanisch massivem Querschnitt (Fig. 6: 25) aufgebaut sind, verursacht die Wirkung der Schließkraft durch das Zusammenpressen des gesamten Werkzeugs keine Veränderung der Kavität. Bei der Kompression der Formmasse greift eine Flächenkraft (Fig. 6: 28) rund um die Kavität an und führt neben dem Auseinanderdrücken der beiden Formhälften bei Überwindung der Schließkraft zu einer Durchbiegung der mechanisch kompakten Werkzeugplatte (Fig. 6: 26) proportional zum anliegenden Werkzeuginnendruck. Bei zu großen Durchbiegungen dringt schmelzeflüssiger Kunststoff in den gebildeten Spalt zwischen den beiden Formhälften und bildet den sogenannten Formteil- oder Spritzgrat (Fig. 6: 27). Bereits bei der ansatzweisen Bildung von Formteilgrat ist die elastische Rückstellung der Werkzeugdurchbiegung und die Zurückbildung des Auseinanderdrückens der beiden Formhälften bei abnehmendem Werkzeuginnendruck nicht mehr möglich, da der gebildete Werkzeugspalt durch den schnell erkalteten eingedrungenen Kunststoff blockiert ist. Zur Vermeidung des Spaltes, in dem sich Grat bildet, sind hohe Schließkräfte, besonders massive, dickwandige Werkzeuge und eine Begrenzung des Kompressionsdrucks notwendig. Spritzgussformen werden derzeit fast ausschließlich nach dem Typ des massivem Querschnitts angelegt. Die massive Ausführung von Spritzgussformen wird von vielen Autoren empfohlen und ist nach "Schmidt: Dissertation am IKV Aachen 1992" die Voraussetzung bei Berechnung von Spritzgussprozessen, da die Berechnungsprogramme derzeit keine elastische Verformung eines massiv ausgeführten Spritzgusswerkzeuges berücksichtigen. Das stellt derzeit eine wesentliche Einsatzgrenze bei der Anwendung der Berechnungsprogramme für Spritzgussprozesse dar.

In "Saher Al Saher: Einfluss der Plastmaschine und des Werkzeugs auf die Maßgenauigkeit von Spritzgussteilen; genehmigte Dissertation A, Karl-Marx-Stadt 1988" ist die Berechnung der Verformung an einem speziellen, einfachem, massivem Spritzgusswerkzeug bei der Wirkung der bloßen Schließkraft und bei Wirkung der Schließkraft und des Kompressionsdrucks mit starken Abstraktionen ausgeführt worden. Diese Berechnung ist sehr aufwendig und nur mit starken Vereinfachungen möglich. Eine Verallgemeinerung der in "Saher Al Saher: Einfluss der Plastmaschine und des Werkzeugs auf die Maßgenauigkeit von Spritzgussteilen; genehmigte Dissertation A, Karl-Marx-Stadt 1988" durchgeführten Berechnung und die Übertragung auf andere Werkzeuge ist nicht bekannt.

Werden sich gegenseitig nicht beeinflussende Werkzeugteile angewendet, verursacht die Wirkung der Schließkraft durch das alleinige Zusammenpressen der stützenden Werkzeugteile (Fig. 7: 29) eine Verkleinerung der Dicke der Kavität. Aufgrund der Wirkung der Schließkraft der erfolgt keine Stauchung der inneren mechanisch getrennten Werkzeugplatte (Fig. 7: 30).

Mit der Kompression der Formmasse greift eine Flächenkraft (Fig. 7: 28) an den die Kavität bildenden Werkzeugteilen (Fig. 7: 32) an. Die Größe der auf die einzelnen Werkzeugteile wirkenden augenblicklichen Kraft ergibt sich aus dem augenblicklich wirkenden Werkzeuginnendruck und der projizierten Berührungsfläche zwischen dem jeweiligem Werkzeugteil und dem Kunststoff in der Kavität. Die Kompression der Kunststoffschmelze drückt nur die an der Kavität angrenzenden Werkzeugteile (Fig. 7: 32) zusammen. Da die einzelnen Werkzeugteile nicht, wie es bei massiven Formen der Fall ist, miteinander gekoppelt sind, erfolgt keine Durchbiegung des Gesamtwerkzeugs. Die äußeren mechanisch getrennten Werkzeugplatten (Fig. 7: 31) werden nur durch den Schliessdruck zusammengedrückt und aufgrund der Wirkung des Kompressionsdrucks in der Formmasse nicht deformiert.

Werkzeugkonzepte, die bewegliche konturbildende Teil der Kavität (Fig. 8: 36) enthalten, entsprechen dem Fall sich gegenseitig nicht beeinflussender Werkzeugteile.

Erfindungsgemäß werden die durch die Wirkung des Werkzeuginnendrucks hervorgerufenen Kräfte aus den beweglichen konturbildenden Teilen der Kavität (Fig. 8: 36) in elastische Elemente eingeleitet. In den elastischen Elementen werden diese Kräfte in eine gewollte reversible Verformung umgesetzt. Dieses Nachgeben der beweglichen konturbildenden Teile der Kavität (Fig. 8: 36) ist prinzipiell mit einer definierten Verschiebung der die Kavität bildenden Werkzeugteile (Fig. 8: 32) gleichzusetzen.

Im Gegensatz zu den angewendeten Verfahren mit steifer Werkzeugkonzeptionen kann ein Spritzgrat (Fig. 6: 27) bei der Anwendung der Erfindung nur dann auftreten, wenn der mechanische Anschlag (Fig. 9: 42) durch das elastische Element (Fig. 8: 35) oder das bewegliche konturbildende Teil der Kavität (Fig. 8: 36) erreicht ist und die dort wirkende resultierende Kraft aus Kompressions- und Gegenkraft ein Durchbiegen der Form bewirkt oder die vektorielle Summe der sich aus dem Werkzeuginnendruck ergebenden Kräfte größer wird als die Schließkraft. Nur dann würden die beiden Formhälften auseinander gedrückt. Damit ist der maximale Kompressionsdruck eines solchen Spritzgussprozesses durch die Schließkraft der verwendeten Spritzgussmaschine technologisch bestimmt. Die mechanische Stabilität der Form ist aufgrund der Abstimmung von mechanischem Anschlag und Kompressionskraft und der mechanischen Trennung der Werkzeugteile im Gegensatz zu Spritzgusswerkzeugen mit massiven Querschnitt von untergeordneter Bedeutung.

Als elastische Elemente können unterschiedlichste Konstruktionen verwendet werden. Beispielsweise sind reine Zugelemente, teleskopförmig gestaltete Zug-Druck-Elemente, Druckkissen aus elastomeren Werkstoffen oder bügelförmige Biegekonstuktionen denkbar.

Alle Ausführungsarten von elastischen Elementen (Fig. 8: 35) sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung des beweglichen konturbildenden Teiles der Kavität (Fig. 8: 36) erreicht wird, indem die aufgenommene, aufgrund der Wirkung des Werkzeuginnenducks verursachte Kraft in eine reversible kompressionskraftabhängige Verformung umgewandelt wird. Die beweglichen konturbildenden Teile der Kavität (Fig. 8: 36) und die elastischen Elemente (Fig. 8: 35) sind dabei vorzugsweise starr gekoppelt, so dass eine Veränderung der Verschiebung eine andere Verformung bedeutet und umgekehrt. Dadurch verändert sich das Volumen der Kavität in Abhängigkeit vom momentanen Werkzeuginnendruck. Alle Ausführungsarten von elastischen Elementen (Fig. 8: 35) werden erfindungsgemäß so dimensioniert, dass die technische Volumenvergrößerung der Kavität in etwa der aufgrund der Aushärtungsprozesse im Formhohlraum vorkommenden physikalisch bedingten Volumenverminderung des Werkstoffs bis zur Entnahme aus der Form entspricht. Die notwendigen Werte können aus den materialspezifischen pvT-Diagrammen, die beispielsweise in "VDMA Verein deutscher Maschinenbauanstalten (hrsg.): Kenndaten für die Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe Teil 1. Thermodynamik; Hanserverlag München Wien 1979" veröffentlicht sind, entnommen werden.

Beim Abbau des Werkzeuginnendrucks während der Abkühlung oder Aushärtung der Formmasse wird die reversible Verformung der elastischen Elemente (Fig. 8: 35) aufgrund eines veränderten Kräftegleichgewichts zurückgestellt. Diese Rückstellbewegung wird auf die beweglichen konturbildenden Teile der Kavität (Fig. 8: 36) übertragen. Das Kavitätsvolumen wird erfindungsgemäß entsprechend dem geringer werdenden Platzbedarf des Materials im Formhohlraum vermindert.

Die Wirkung eines elastischen Elements (Fig. 8: 35) wird durch seine Kennlinie (Fig. 10: 46) beeinflußt. Die Kennlinie gibt eine mathematische Funktion im Kraft (Fig. 8: 34) - Weg (Fig. 8: 33) - Diagramm an, nach der aufgrund der Wirkung des Kompressionsdrucks (Fig. 8: 11) auftretende Kraftaufbau (Fig. 9: 43) und die reversible Verformung (Fig. 8: 33) des elastischen Elements dargestellt wird.

Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der pvT-Daten, lokal unterschiedliches Volumenkontraktionsverhalten aufgrund verschiedener Kristallisationsgrade und unbekannte Reibungsverhältnisse in den elastischen Elementen können erfindungsgemäß durch Variationen an der Kennlinie der elastischen Elemente (Fig. 10: 46) ausgeglichen werden. Dazu wird mit einer wählbaren Federkonstante (Fig. 10: 44), einer einstellbaren mechanisch veränderlichen Vorspannung (Fig. 10: 47) und einem justierbaren mechanischen Anschlag (Fig. 10: 45) der elastischen Elemente ein prozessspezifischer Ausgleichen von Ungenauigkeiten und Störeinflüssen erreicht.

Die Federkonstante (Fig. 10: 44) eines elastischen Elements gibt das Verhältnis zwischen der aufgrund der Wirkung des Kompressionsdrucks entstehenden Gegenkraft (Fig. 8: 34) und der realisierten elastischen Verformung des elastischen Elements (Fig. 8: 35) an. Elastische Elemente (Fig. 8: 35) mit einer großen Federkonstante (Fig. 10: 44) führen bei der Wirkung einer vergleichbaren Gegenkraft (Fig. 8: 34) eine geringere elastische Verformung (Fig. 8: 33) aus und realisieren damit eine kleinere reversible Volumenvergrößerung der Kavität als elastische Elemente mit einer großen Federkonstante (Fig. 10: 44), die eine größere reversible Volumenvergrößerung der Kavität zulassen. Wenn man von einem künstlichen Angussverschluss mit dem Erreichen des eingestellten Kompressionsdrucks ausgeht, lassen elastische Elemente (Fig. 8: 35) mit einer geringen Federkonstanten bereits bei einem geringeren Kompressionsdruck (Fig. 8: 11) der Schmelze die notwendige Verschiebung des beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) zum Ausgleich der aushärtungsbedingten Volumenverminderung zu, als elastische Elemente mit einer großen Federkonstanten. Die steuerbare Veränderung der Federkonstante (Fig. 10: 44) eines elastischen Elements (Fig. 8: 35) kann beispielsweise durch ein verschiebbares Teil (Fig. 9: 39) an einem elastischen Element mit der speziellen Form eines Federbügels oder einer teleskopförmigen Kombination von Zug- und Druckstäben realisiert werden.

Mit der Vorspannung des elastischen Elements (Fig. 9: 41) wird erreicht, dass die reversible Verformung erst oberhalb einer bestimmten Grenzkraft einsetzt. Die Kennlinie wird um den Betrag der Vorspannung des elastischen Elements längs der Kraftachse verschoben (Fig. 10: 47). Die Vorspannung (Fig. 9: 41) wirkt der durch den Kompressionsdruck verursachten Druckkraft (Fig. 9: 37) entgegen, die in das elastische Element (Fig. 8: 35) eingeleitet wird. Bei Kompressionsdrücken, die eine geringere Kraft als die Vorspannung (Fig. 9: 41) verursachen, kommt keine Verformung des elastischen Elements und folglich keine Verschiebung (Fig. 8: 33) des beweglichen konturbildenden Teiles der Kavität (Fig. 8: 36) vor. Dann tritt keine Vergrößerung der Kavität auf. Erst bei wirkenden Druckkräften (Fig. 9: 37), die größer sind als die Vorspannung (Fig. 9: 41), verformt sich das elastische Element (Fig. 8: 35).

Baut sich der Werkzeuginnendruck aufgrund der Verfestigung der Formmasse ab, stellt sich das elastische Element (Fig. 8: 35) solange zurück, bis der die Kompressionskraft hervorgerufene Druck in der Kavität (Fig. 8 und 9: 11) ein Niveau erreicht hat, bei dem die Kompressionskraft (Fig. 9: 37) dem Wert der Vorspannung (Fig. 9: 41) entspricht. Bei Werkzeuginnendrücken unter diesem Niveau erfolgt keine Verformung (Fig. 8: 33) des elastischen Elements (Fig. 8: 35) mehr und das bewegliche konturbildende Teil befindet sich in seiner Ausgangsposition. Der Kunststoff in der Kavität kühlt in den folgenden Zeitschritten wie beim bekannten nachdruckfreien Spritzgießen ab.

Das Aufbringen einer veränderlichen Vorspannung ist technisch beispielsweise durch Einbringen einer Stellschraube (Fig. 9: 40) in ein elastisches Element in der speziellen Ausführungsform einer bügelförmigen Biegekonstruktion möglich, bei der durch unterschiedliche Einschraubtiefe der federnde Bügel vorgespannt wird, oder durch die fixierte Vordehnung eines elastischen Elements in Form eines Zugstabs.

Ein mechanischer Anschlag (Fig. 10: 46) schränkt die Ausgleichsbewegung eines beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) ein. Der mechanische Anschlag kann entweder die Verschiebung des beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) begrenzen oder die weitere Verformung des elastischen Elements (Fig. 8: 35) verhindern. Beide technischen Lösungsmöglichkeiten bewirken, dass das zusätzlich geschaffene Kavitätsvolumen genau begrenzt werden kann. Eine exakte Abstimmung des zusätzlich geschaffenen Kavitätsvolumens auf die durch den Aushärtungsprozess des Kunststoffs physikalisch bedingte Volumenverminderung des polymeren Werkstoffs ist damit möglich.

Der Einfluss von technisch bedingten Schwankungen des Kompressionsdrucks bei der Herstellung der einzelnen Formteile auf die Qualitätsmerkmale kann durch die Verwendung eines mechanischen Anschlags (Fig. 9: 42) stark vermindert werden.

Der mechanische Anschlag (Fig. 9: 42) sollte so eingestellt werden, dass die Verformung des elastischen Elements (Fig. 8: 35) beziehungsweise die Verschiebung des beweglichen konturbildenden Teiles der Kavität (Fig. 8: 36) ab einem Wert des Werkzeuginnendrucks verhindert wird, der unterhalb der Schwankungsbreite des angestrebten Kompressionsdrucks liegt. Die Schwankungen des Kompressionsdrucks wirken sich dann nur aufgrund der unterschiedlichen Massekompression, nicht jedoch aufgrund der reversiblen Ausgleichsbewegung des beweglichen konturbildenden Teiles (Fig. 8: 36) auf die Verminderung des Kavitätsvolumens während des Abkühlprozesses aus. Damit erreicht man eine Stabilisierung des Herstellungsprozesses.

Ein mechanischer Anschlag kann beispielsweise realisiert werden, indem man eine in der Höhe exakt verstellbare Brücke (Fig. 9: 42) über einen federnden Bügel, der als elastisches Element wirkt, setzt.

Durch die Stellgrößen mechanischer Anschlag (Fig. 10: 45), Vorspannung (Fig. 10: 47) und Federkonstante (Fig. 10: 44) ist man in der Lage, den zeitlichen Verlauf des Druckniveaus während des Abkühlungsprozesses zu variieren. Wenn man sich auf die Verarbeitung eines bestimmten Werkstoffs bezieht, kann man bei einem Prozess, bei dem in beiden Fällen der unveränderte mechanische Anschlag (Fig. 10: 45) wirksam wird, im ersten Fall mit einer hohen Vorspannung (Fig. 10: 47) und einer geringen Federkonstante (Fig. 10: 44) eine ähnliche oder sogar die gleiche reversible Volumenvergrößerung der Kavität erreichen wie, im zweiten Fall mit einer geringen Vorspannung (Fig. 10: 47) und einer großen Federkonstante (Fig. 10: 44). Im ersten Fall findet die Abkühlung und Aushärtung des Formteils länger auf einem hohen Druckniveau statt wie im zweiten. Damit ist man erfindungsgemäß in der Lage, den Zustandsverlauf während der Aushärtung der Kunststoffmasse zu beeinflussen und kann so die sich ausbildenden Werkstoffeigenschaften des Kunststoffteils beeinflussen. Beispielsweise kommt bei teilkristallinen Thermoplasten ein höherer Kristallitanteil vor, wenn die Abkühlung lange Zeit unter erhöhtem Druck stattfindet.

Durch den Einsatz von elastischen Elementen und der möglichen Variation von mechanischem Anschlag (Fig. 10: 45), Vorspannung (Fig. 10: 47) und Federkonstante (Fig. 10: 44) ist man erfindungsgemäß in der Lage, die Morphologie eines Formteils mit dem beeinflussbaren Druckverlauf in der Kavität während des Abkühlvorgangs zu beeinflussen. Diese Möglichkeit besteht beim Spritzgießen ohne Massepolster und beim nachdruckfreien Spritzgießen nicht und beim konventionellen Spritzgießen nur mit starken Einschränkungen, da ein zu großer Nachdruckvolumenstrom über die Anbindung eines Formteils undiskutabel große Eigenspannungen verursachen würde.

Durch den Einsatz von mehreren beweglichen konturbildenden Teilen (Fig. 8: 36) und den jeweiligen angekoppelten elastischen Elementen (Fig. 8: 35) in einem Werkzeug ist es möglich, auch Formteile mit komplizierter Geometrie herzustellen. Das stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung gegenüber dem Spritzpräge- oder dem Pressverfahren dar. Kommen mehrere bewegliche konturbildende Teile (Fig. 8: 36) mit den jeweils angekoppelten elastischen Elementen (Fig. 8: 35) bei der Herstellung eines Formteils zum Einsatz, ist man erfindungsgemäß in der Lage durch eine unabhängige Feinabstimmung der elastischen Größen der einzelnen elastischen Elemente (Fig. 8: 35) den Herstellungsprozess des Formteils lokal zu beeinflussen. Bei allen anderen Herstellungsverfahren ist dies nur global für das gesamte Formteil möglich.

Werden mehrere bewegliche konturbildende Teile (Fig. 8: 36) mit den jeweils angekoppelten elastischen Elementen (Fig. 8: 35) eingesetzt, kann man erfindungsgemäß durch mehrere voneinander unabhängige Einstellungen der Größen Federkonstante (Fig. 10: 44), mechanischer Anschlag (Fig. 10: 45) und Vorspannung (Fig. 10: 47) der einzelnen elastischen Elemente (Fig. 8: 35) das jeweilige durch das einzelne bewegliche konturbildende Teil (Fig. 8: 36) und das dazugehörige elastische Element (Fig. 8: 35) bestimmte lokale Qualitätsmerkmal des Formteils relativ unabhängig von anderen lokalen Qualitätsmerkmalen beeinflussen.

Der Vorteil der Erfindung, den Formbildungsprozess lokal beeinflussen zu können, kommt besonders bei multifunktionalen Formteilen zum Tragen, bei denen eine große Anzahl von lokal beeinflussten Qualitätsgrößen, beispielsweise sehr eng tolerierte Maße, erfüllt werden müssen. Mit den bekannten Verfahren ist aufgrund der globalen Beeinflussung der Qualitätsparameter nur die Optimierung für ein Qualitätsmerkmal möglich.

Mit der Erfindung ist eine Verbindung der Vorteile des konventionellen Spritzgussverfahrens, einen möglichst großen Ausgleich der Volumenschwindung bei relativ geringen Kompressionsdrücken zu erreichen, mit den Vorteilen des nachdruckfreien Spritzgießens, spannungsarme Teile in geringerer Produktionszeit herstellen zu können, möglich, ohne die jeweiligen Nachteile der alternativen Verfahrensvariante in Kauf nehmen zu müssen.

Durch eine Variation der Kennlinie der eingesetzten elastischen Elemente, kann der Zustandsverlauf des Aushärtungsprozesses der Kunststoffmasse beeinflusst werden. Dies konnte bisher nur durch das Press- und Spritzprägeverfahren für sehr einfache Formteilgeometrien realisiert werden, nicht aber mit den bekannten Varianten des Spritzgussverfahrens.

Durch die Erfindung ist man erstmals in der Lage, die Eigenschaften eines Formteils im Herstellungsprozess durch den Einsatz von mehreren beweglichen konturbildenden Teilen in der Kavität und den dazugehörigen einzeln einstellbaren elastischen Elementen gezielt lokal zu beeinflussen. Bei allen anderen bekannten Verfahren können die Qualitätsmerkmale im Herstellungsprozess nur global für das gesamte Formteil beeinflusst werden.

Verfahren zur Formgebung von Kunststoffteilen mit Ausgleich der Volumenverminderung des Werkstoffs

1

auswerferseitige Formhälfte

2

Auswerferstift (symbolisch)

3

mit Kunststoffschmelze gefüllter Formhohlraum

4

düsenseitige Formhälfte

5

Plastifiziereinheit

6

auf den Schneckenkolben der Plastifiziereinheit aufgebrachte Kraft

7

hydrostatisch wirksamer Werkzeuginnenruck

8

Aufnahme der Nadelverschlußdüse

9

Verschlußnadel in Stellung "Offen"

10

Verschlußnadel in Stellung "Geschlossen"

11

temperaturabhängiger Werkzeuginnendruck

12

mit aushärtendem Kunststoff gefüllter Formhohlraum

13

Wand der Kavität, an der es zur Ablösung des aushärtenden Kunststoffs kommt

14

Prägestempel in Stellung "Formfüllen"

15

teilgeschlossene Kavität

16

Schmelzekanal

17

wirkende Prägekraft

18

Prägestempel in Stellung "Prägen"

19

im Kunststoffwirkender Prägedruck

20

wirkende Presskraft

21

Stempel oder Patritze

22

auf die Formmasse wirkender Pressdruck

23

Form oder Matritze

24

Grundplatte

25

mechanisch kompakte Werkzeugplatte ohne Krafteinwirkung

26

verformte mechanisch kompakte Werkzeugplatte aufgrund einer Krafteinwirkung

27

Formteilgrat

28

aufgrund der Wirkung des Werkzeuginnendrucks entstehende auftreibende Kraft

29

äußere mechanisch getrennte Werkzeugplatte ohne Krafteinwirkung

30

innere mechanisch getrennte Werkzeugplatte ohne Krafteinwirkung

31

äußere mechanisch getrennte Werkzeugplatte bei Krafteinwirkung

32

verformte innere mechanisch getrennte Werkzeugplatte bei Krafteinwirkung

33

werkzeuginnendruckabhängige Ausgleichsbewegung

34

Gegenkraft

35

elastisches Element (symbolisch)

36

bewegliches konturbildendes Teil der Kavität

37

auf das elastische Element wirkende Druckkraft

38

kraftübertragendes Koppelteil

39

verschiebbares Teil zur Einstellung der Federkonstante des elastischen Elements in der speziellen Form einer Bügelkonstruktion

40

Einstellschraube zur Feinabstimmung der Vorspannung des elastischen Elements in der speziellen Form einer Bügelkonstruktion

41

sich ergebende Vorspannung

42

mechanischer Anschlag des elastischen Elements in der speziellen Form einer Bügelkonstruktion

43

Rückstellkraft des elastischen Elements

44

Einfluß einer veränderten der Federkonstante

45

Einfluß eines veränderten mechanischen Anschlags

46

Kennlinie des elastischen Elements

47

Einfluß einer veränderten Vorspannung

Fig. 1 Werkzeugkonzeption beim bekannten Spritzgussverfahren

Fig. 2 Spritzgusswerkzeug mit künstlichem Angussverschluss beim Füllen der Kavität (oben) und mit verschlossener Kavität (unten)

Fig. 3 Schwindung der Formmasse nach der Aushärtung der Formmasse

Fig. 4 Prinzipdarstellung des Spritzprägeverfahrens

Fig. 5 Prinzipdarstellung des Pressverfahrens

Fig. 6 verformende Wirkung des Spritzdrucks bei einem massiv ausgelegten Werkzeug

Fig. 7 verformende Wirkung des Spritzdrucks bei einem Werkzeug mit eingesetztem Kern

Fig. 8 Prinzipdarstellung einer Werkzeugkonzeption mit einem elastischen Element

Fig. 9 Werkzeugkonzeption mit einem elastischen Element in der speziellen Form einer Bügelkonstruktion

Fig. 10 Kennlinie eines elastischen Elements und deren Beeinflussungsmöglichkeiten

Claims

1. Verfahren zur Formgebung von Kunststoffteilen mit Ausgleich der Volumenverminderung des Werkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtungs- oder abkühlungsbedingte Volumenverminderung des unter Druck stehenden Werkstoffs in der Kavität durch eine vom Druck im Innern der Kavität abhängige reversible Erweiterung des Formhohlraums ausgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die reversible Volumenerweiterung des Formhohlraums durch Anbringen von Systemen zur Erzeugung einer kompressionsdruckabhängigen Gegenkraft, vorzugsweise durch elastische Elemente, die an bewegliche konturbildende Teile der Kavität gekoppelt sind, erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der reversiblen Volumenerweiterung der Kavität durch die jeweiligen charakteristischen elastischen Größen der elastischen Elemente beeinflussbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer speziellen Anordnung mit einem veränderlichen mechanischen Anschlag der beweglichen konturbildenden Teile oder der elastischen Elemente die reversible Volumenerweiterung der Kavität eingeschränkt werden kann und nur bis zu einer bestimmten, durch den Druck in der Kavität verursachten, Grenzkraft eine nennenswerte Volumenerweiterung der Kavität auftritt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer speziellen Anordnung mit einer veränderlichen Vorspannung der elastischen Elemente die reversible Volumenerweiterung der Kavität eingestellt werden kann und erst ab und nur bis zu einer bestimmten, durch den Druck in der Kavität verursachten, oberen Grenzkraft auftritt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung mit einer veränderlichen Federkonstante der elastischen Elemente die reversible Volumenerweiterung der Kavität eingestellt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich verfahrensbedingte Schwankungen des maximalen Kompressionsdrucks nicht auf die reversible Volumenerweiterung der Kavität auswirken, da die beweglichen konturbildenden Teile der Kavität oder die elastischen Elemente bereits bei einem geringeren wirksamen Druck in der Kavität als den minimal auftretenden Kompressionsdruck einen mechanischer Anschlag erreichen und bei darüber hinausgehenden Druckwerten keine nennenswerte Volumenerweiterung der Kavität zulassen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von beweglichen konturbildenden Teilen an der Kavität und elastischen Elementen ein am Formteil lokal wirkender werkzeugspezifischer bewußter Prozesseingriff mit Hilfe der einstellbaren Federkonstante, veränderbarer Vorspannungen oder eines verschiebbaren mechanischen Anschlags ermöglicht wird und der spezielle Prozess auf das jeweils auftretende Werkstoffverhalten hin optimiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Einstellungen der Stellgrößen mechanischer Anschlag, Federkonstante und Vorspannung unterschiedliche Zustandsverläufe bei der Abkühlung eines Kunststoffs und damit in gewissen Grenzen lokal beeinflussbare Materialeigenschaften realisierbar sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, und 3 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz mehrerer beweglicher konturbildender Teile der Kavität und mehrerer elastischer Elemente, die an unterschiedlichen Stellen des Formhohlraums wirksam werden, eine lokal begrenzte Beeinflussung der Qualitätseigenschaften eines Formteils an unterschiedlichen Stellen des Werkstücks vorgenommen werden.