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Verfahren zum Herstellen von plastomeren Strukturschaum-
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t'ormteilen in Sandwich-Ba.uweise und Vorrichtung zu seiner Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von plastomeren Strukturschaum-Formteilen
in Sandwich-Bauweise mit glatter Oberfläche, kompakter Außenhaut und aufgeschäurftem
Kern aus spritzgießbaren, ein Treibgas enthaltenden Formmassen.
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Es ist bekannt, ausdehnbare oder mit gasabspaltenden Zusätzen versehene
Körner aus plastomerem Material zur Herstellung von Schaumteilen im Spritzgießverfahren
zu verarbeiten. Dabei wird die zu formende Klasse in eine unter Erweichungstemperatur
des Plastomeren gekühlte Spritzgießform eingefüllt, wobei sich die, entsprechend
der Gasmenge, schäumbare Masse ausdehnt und die Spritzgießform ausfüllt. Da während
der Füllphase an der Fließfront der schäumbaren rase i.a. der niedrigste Druck vorherrscht,
bilden sich an dieser Stelle spontan Blasen, die bei Kontakt mit der gekühlten Spritzgießform
eingefroren werden.
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Dies führt zu den bekannten holzähnlichen Oberflächenstrukturen so
hergestellter geschäumter Plastomerteile.
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ist istnun eine Reihe von Verfahren bekannt, mit denen sich diese
Oberflächenstrukturen bei geschäumten Plastomerteilen vermeiden lassen. Es ist z.B.
bekannt (vgl. DT-OS 1 504 278), während der Einfüllphase der schäumbaren Masse in
dem noch nicht gefüllten Hohlraum der Gießform einen Gasgegendruck aufzubringen,
der so hoch ist, daß an der Fließfront kein Schäumen auftritt. Die so erzielbaren
Oberflächengüten entsprechen dann zwar denen von Kompaktteilen. Der Nachteil dieses
Verfahrens besteht jedoch darin, daß die erzielbaren mittleren Formteildichten sehr
hoch
sind, da das Kernmaterial ebenfalls wie das Material an der
Fließfront während der E8illphase nicht aufschäumen kann.
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Bei dem bekannten sogenannten 1,Variotherm1'-Verfahren wird die normalerweise
gekühlte Spritzgießform während der Sinfüllphase der schäumbareniase auf eine Temperatur
um die lDrveichungstemperatur des Plastomeren erwärmt und nach dem Einfüllvorgang
wieder abgekühlt. Der gleiche Effekt wird durch ein bekanntes Verfahren erreicht,
bei dem die tbJerkzeugarand der Spritzgießform mit einer Wärmedämmschicht beschichtet
ist (vgl. DT-OS 1 604 434). Bei beiden Verfahren entsprechen die erzielbaren Oberflächengüten
zwar denen von Kompaktteilen; der Nachteil dieser Verfahren ist aber in längeren
Kühlzeiten und einer ungünstigen Energiebilanz durch das zyklische Aufheizen und
Abkühlen der Spritzgießform zu sehen.
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Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen die schäumbare Masse die
gekühlte Spritzgießform vollständig ausfüllt, ohne daß das Material expandiert.
Nach der Einfüllphase wird dann das Volumen der Spritzgießform vergrößert, so daß
das noch nicht erstarrte Kernmaterial im Innern des Formteiles expandieren kann
(vgl. DT-AS 1 778 457, US-PS 3 436 446 DT-PS 1 181 897, Jap-PS 49-7133). Der Nachteil
dieser Verfahren besteht darin, daß die erreichbaren Oberflächengüten nicht genügend
denen von Kompaktteilen entsprechen, im übrigen ist der Anwendungsbereich dieser
Verfahren auf bestimmte Formteilgeometrien beschränkt.
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Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen diejenigen Schmelze anteile,
die die Formteiloberfläche bilden sollen und diejenigen Schmelzeanteile, die dann
den schäumbaren Kern bilden, in seParaten Plastifiziereinheiten je für sich aufgeschmolzen
und nacheinander oder aber durch spezielle Düsenkonstruktionen gleichzeitig in die
gekühlte Gießform eingefüllt (vgl. DT-AS 1 778 457, DT-OS 2 241 002, DT-OS 2 259
818) werden.
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Der Nachteil dieser Verfahren ist im maschinen- und steuerungstechnischen
Aufwand gegeben.
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Es sind schließlich Verfahren bekannt (vgl. US-PS' 3 268 636, US-PS
3 436 446), bei denen in einer Plastifiziereinheit der Schmelze ein Gas zugeführt
wird. Diese gasbeladene Schmelze gelangt in einen Sammler, wobei die Schmelze dort
unter einem hohen Druck verweilt. Nach dem Öffnen eines Ventils zum Formenhohlraum
wird die gasbeladene Schmelze so dann durch einen Stempel in die Form gedrückt.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die erreichbaren Oberflächengüten
der Pormteile nicht ho i sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
der bisher bekannten Verfahren zu vermeiden und mit möglichst einfachen Mitteln,
aber doch auf sichere Weise aus Gas enthaltenden Kunststoffen mit handelsüblichen
Spritzgießmaschinen und Spritzgießformen unter Beibehaltung der Verfahrensparameter,
wie sie beim Spritzgießen von Kompaktteilen gebräuchlich sind, - selbstverständlich
mit Ausnahme des maximalen Formnestinnendruckes - Formkörper herzustellen mit geschäumtem
Kern, kompakter Außenhaut und einer glatten Formteiloberfläche, die einwandfrei
derjenigen von Kompaktteilen entspricht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von der gesamten
bei einem Gießvorgang in eine Form einzufüllenden, ein Treibgas enthaltenden geschmolzenen
Formmassen-Menge derjenige Formmassen-Anteil, der die Oberfläche des herzustellenden
Formteiles bilden soll, vor dem Einfüllen in die Form entgast wird und daß dieser
entgaste Formmassen-Anteil beim Einfüllen in die Form in einem einzigen Schub mit
dem übrigen nichtentgasten Formmassen-Anteil, der den zelligen Kern des herzustellenden
Formteiles bilden soll, aber vor diesem in die Form gedrückt wird.
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Die in die gekühlte Spritzgießform bei normalen Einspritzgeschwindigkeiten
eingefüllte Masse wird anschließend abgekühlt und entformt. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren erhält man Strukturschaum-Formteile in Sandwich-Bauweise mit einer definierten
kompakten
Außenhaut und einer einwandfreien glatten Formteiloberfläche, die derjenigen von
Kompaktteilen entspricht, aber mit einem geschäumten Kern niedriger Schaumdichte.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet bei ähnlichen Werkzeugimiendrucken wie bei
den normalen Thermoplastschaumspritzgie,verfahren ('i.G) und ohne Anwendung von
Nachdruck.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf verschiedene Weise durchführbar,
vorteilhafterweise z.B. mit einer Vorrichtung, bei der an derspitze einer in einer
an sich bekannten Plastifiziervorrichtung angeordneten Schnecke ein Scher-Element
vorgesehen ist, das beim Rückführen der Schnecke die Scher-Beanspruchung daher ein
Treibgas enthaltenden Formmasse bewirkt, oder beispielsweise mit einer Vorrichtung,
bei der an einer an sich bekannten Plastifiziervorrichtung zusätzlich ein Entgasungsventil
vorgesehen ist, das derart steuerbar ist, daß es jeweils vor dem Einfüllen der für
ein Formteil erforderlichen zu entgasenden Formmassen kurzzeitig geöffnet ist.
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?Wjs 1##;nn aber auch vorteilhaft sein, eine Vorrichtung zu verwenden,
bei der zwischen der Spritzdüse einer an sich bekannten Pltiiiziervorrictung und
der zu füllenden Form ein zusätzlicher Behälter vorgesehen ist, der bei einem Füllvorgang
zur Aufnahme desjenigen Formmassen-Anteils dient, der die Oberfläche des herzustellenden
Formteiles bilden soll, und der sowohl Steuer-Einrichtungen zur Temperatur#i;rhöhung
und zur Entgasung dieses Formmassen-Anteils aufweist, als auch Steuer-Einrichtungen
aufweist, die das Einfüllen dieses Formmassen-Anteils jeweils immer vor dem Einfüllen
des zugehörigen nichtentgasten Formmassen-Anteils in die Form ermöglichen.
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Eine weitere Möglichkeit zur vorteilhaften Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann darin bestehen, daß zwischen der Spritzdüse einer an sich bekannten
Plastifiziervorrichtung mit einer axial nicht verschiebbaren Schnecke - die eine
an sich bekannte Entgasungsschnecken-Geometrie aufweist, der aber abweichend vom
Bekannten ein die Entgasung der dort befindlichen Formmasse ermöglichendes Ventil
zugeordnet ist - und der
zu füllenden Form ein zusätzlicher Behälter
(Linspritzzylinder) vorgesehen ist, dem Steuereinrichtungen zugeordnet sind, die
bei einem Füllvorgang zunächst die Aufnahme des zuerst aus der Plastifiziervorrichtung
gelieferten Formmassen-Anteils ermöglichen, der den zelligen Kern des herzustellenden
Formteils bilden soll, und die dann bewirken, daß der in der Einschnürung entgaste
Anteil der Formmasse, vor der übrigen in dem lBehälter befindlichen nichtentgasten
Forrnmesse in die Form gedrtickt wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden anhand einiger Ausführungsbeispiele erörtert. Es zeigen: Fig. 1 bis 3 verschiedene
Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgeniäßen Verfahrens in schematischer
Darstellung, Fig. 4 ein Schaubild über Temperatur, Viscosität und relativen Gasgehalt
der Schmelæmasse auf dem Schneckenweg zwischen Schneckenspvitze und Düsenöffnung
bei Beginn des Einfüllvorganges, Fig. 5 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes
Formteil, z. T. im Schnitt, Fig. 6 Schaubild des Dichteverlaufs in dem Formteil
nach Fig. So Die in Fig. 1 gezeigte Plastifiziervorrichtung 1 entspricht in ihrem
grundsätzlichen Aufbau einer allgemein üblichen Vorrichtung dieser Art. Aiii Kopf
der axial verschiebbaren Schnecke 2 ist jedoch ein ringförmiger Scherteil 5 vorgesehen,
durch den die geschmolzene Formmasse auf Scherung beansprucht wird, wodurch die
Temperatur der Formmasse erhöht und gleichzeitig die gashaltige Formmasse entgast
wird. Zur Ableitung der freiwerdenden Gase dient eine sonst nicht übliche in der
Nähe der Diusenöffnung 6 gelegene Entgasungsöffnung 4, die durch ein Ventil 5 geöffnet
oder geschlossen werden kann.
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Bei einem Füllvorgang wird durch eine nicht näher dargestellte Steuerung
die sich drehende Schnecke so weit von der Düsenöffnung 6 zurückgezogen, bis derjenige
Formmassen-Anteil I, der die Oberfläche des herzustellenden Formteils bilden soll
und der durch die Scherbeanspruchung durch Scherteil 3 erwärmt und entgast ist (vgl.
Fig. 5), den flaum zwischen der Schnecke spitze 7 und der Düsenöffnung 6 ausfüllt.
Das Ventil 5 ist dabei schon wieder geschlossen. Das Verhältnis von entgaster zu
nicht entgaster Schmelze ist von der Forlllteilgeometrie (Verhältnis: Volumen/Oberfläche)
abhängig und kann z.B. durch die Entgasungsöffnungszeiten variiert werden. Beim
weiteren Pla.stifizieren, bei dem die Schnecke 2 durch die plastifizierte Schmelze
gegen den Staudruck zurückgedrückt wird, wird bei gleichzeitigem Öffnen der bis
dahin geschlossenen Düse 6 der übrige nichtentgaste, d.h. Treibgas enthaltende Formmassen-Anteil
II, der den zelligen Kern des herzustellenden Formteils bilden soll, nach vorn zur
Düsenöffnung 6 hin gedrückt. Dabei wird durch das Scherteil 3 die Temperatur der
Masse für den Kern ebenfalls erhöht, jedoch längst nicht so stark wie die der entgasten
Masse, da wegen des höheren Gasgehaltes des Kernmaterials dessen Viskosität sehr
viel niedriger liegt und damit die Scherenergie, die in Wärme umgewandelt wird,
sehr viel niedriger ist. Der Fonnfülldruck liegt bei normalen Binspritzgeschwindigkeiten
vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 li210 mm Unter diesem Druck gelangt der der Düsenöffnung
6 am nächsten befindliche Formmassen-Anteil I zuerst in den Fortnhohlraum 8, legt
sich unbehindert an die glatten, gekühlten Innenflächen des Hohlraumes und bildet
- zunächst wie ein Ballon - mit seiner entgasten und erwärmten Masse einwandfrei
die glatte Oberfläche des herzustellenden Formteils.
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Durch die jeweils wunschgemäß bemessene Menge des entgasten Formmassen-Anteils
I wird zugleich die Dicke der kompakten Außenhaut des herzustellenden Formteils
bestimmt. Der nachdrängende nichtentgaste Formmassen-Anteil II bildet dann in bekann-und
nun aufschäumende
ter Diese den zelligen Kern des Formteiles. Dabei
ist ein @achdruck nicht notwendig, da des expandierende Kernmaterial den Formnesthohlraum
3 ausfüllt.
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Gegen Ende der Kühlzeit beginnt der Dosierzyklus wie oben beschieben.
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Die für das s Verfahren geeigneten Treibmittel sind sowohl handelsübliche,
in der Wärme gasabspaltende, chemische Zersetzungstreibmittel, wie L-zo-Verbindungen,
Hydrazid-Verbindungen, Nitroso-Verbindungen u. a., flüssige, physikelisch wirkende
Treibmittel, wie niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe, messer, Halogenkohlenwasserstoffe
u. a. als auch gasförmige Treibrnittel wie Luft, Stickstoff, Kohlensäure u.a. und
Gemische daraus. Üblicherweise beträgt die Konzentration dieser Treibmittel bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren 0,01 bis 10 Gewichtsprozente.
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Geeignete Plastomere sind insbesondere Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen,
Polyacrylate, Styrolacrylnitril-Copolimerisate u.a.. Die Treibmittel können den
Formmassen in üblicher Form beigemischt werden. Die aufbereitete Masse wird in der
Plastlfiziervorrichtung einer handelsüblichen Spritzgießmaschine so aufgeschmolzen,
daß etwa in der Mitte der Plastifiziervorrichtung ein Gemisch oder Lösung von Plastomer
und Gas vorliegt.
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Die Fig. 2 zeigt eine von der Fig. 1 abweichende Vorrichtung, bei
der zwischen der Düsenöffnung (Spritzdüse 9) und der zu füllenden Form ein zusätzlicher
Behälter 11 vorgesehen ist, der - wenn z.B. die Plastifiziervorrichtung 12 für ein
herzustellendes Formteil nicht ausreichend bemessen ist - zur Aufnahme desjenigen
Formmassen-Anteils I dient, der die Oberfläche des herzustellenden Formteiles bilden
soll. Dieser zwischengeschaltete Behälter 11 weist eine Entgasungsöffnung 15 sowie
nicht näher dargestellte Einrichtungen (z.B. Scherelemente, Ultraschall) zum Erwärmen
der Masse und schließlich einen Kolben 14 auf, der im erforderlichen Zeitpunkt das
Herausdrücken der Masse aus dem Behälter 11 steuert.
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Bei einer Ausführung nach Fig. 3 ist eine Plastifiziervorrichtung
vorgesehen, bei der die Schnecke 16 axial nicht verschiebbar ist, dafür aber in
an sich bekannter Weise eine Einschnürung 17 aufweist, durch die in der Plastifiziervorrichtung
ein Raun 17 gebildet wird, in dem derjenige Formmasse-Anteil I, der die Oberfläche
des herzustellenden Formteiles bilden soll, entgast wird. Dazu sind zusätzlich eine
Entgasungsöffnung 18 und ein Ventil 19 vorgesehen. Zwischen der Düsenöffnung (Spritzdüse
20) und der zu füllenden Form 22 ist wiederum - wie bei Fig. 2 - ein zusätzlicher
Behälter (Einspritzzylinder 21) vorgesehen, in den nun aber - im Gegensatz zu Fig.
2 - derjenige Formmassen-Anteil II, der den zelligen Kern des herzustellenen Formteils
bilden soll, als erster aus der Plastifiziervorrichtung 16 herauskommender Anteil
hineingedrückt wird; dann folgt der entgaste Anteil, der sich somit also wieder
am nächsten der Düsenöffnung 23 des Einspritzzylinders 21 befindet.
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Das endgültige Einspritzen in die Form 22 bewirkt beispielsweise ein
Kolben 24.
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Aus den Schaubildern der Fig. 4 sind der relative Gasgehalt, die Viskosität
und die erreichten Temperaturen für die Formmassen-Anteile I (entgast) und II (nicht
entgast) in Abhängigkeit vom Schneckenweg zwischen Schneckenspitze (7) und Düsenöffnung
(6).
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Die Fig. 5 zeigt als Beispiel in perspektivischer Darstellung ein
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Normal-Polystyrol hergestelltes Formteil
mit den nachstehend genannten Abmessungen: Durchmesser d = 120 mm Dicke b = 4 mm
Anschnitt:(Stangenanguß) Durchmesser = 6mm zentral Stärke der kompakten Außenhaut
Y = 0,8 mm Dichte der kompakten Außenschicht pa = 1,05 & #/cm3 Dichte des zelligen
Kerns t 0,5 3/cm3 Ranktiefe der Oberfläche Rt < #2
Der Dichte-Verlauf
im ouerschni.-t t - B ist aus der Fig. 6 zu entnehmen. Zum Vergleich ist in punktierter
Linie der Dichteverlauf bei herkömmlich hergestellten Formteilen derselben Art zu
ersehen.
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Zusanimenfassend ist folgendes festzustellen: Die Oberflächenrauhigkeit
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteile entsprechen denen
von Kompaktteilen. Die Formteile weisen im Vergleich mit nach den bisher bekannten
TSG-Verfahren hergestellten Formteilen eine kompakte Außenhaut auf, die gegenüber
dem zelligen Schaum im Kern nahezu sprunghaft deutlich abgegrenzt ist (vgl. Fig.
6). Es ist daher möglich, bei einem Formteil entsprechend der jeweils zu erwartenden
Beanspruchung die Dicke der Außenhaut durch entsprechende Dosierung des entgasten
Formmassen-Anteils sehr genau zu bestiIunen und damit gegenüber bekannten Verfahren,
bei denen in den Formteilen die Außenhaut allmählich in den Kernschaum übergeht,
so daß im Hinblick auf eine zu erwartende Deanspruchung die Abmessungen eines Formteils
größer gewählt werden müssen, an Material gespart wird. Darüber hinaus zeigt aber
auch der Schaum im Kern der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteile
eine weitgehend gleichmäßige feinporige Zellatruktur.
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Zur Anwendung des Verfahrens können handelsübliche Spritzgießmaschinen
ohne aufwendige Modifikationen verwendet werden.
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Ebenso können Spritzgießwerkzeuge ohne besondere erforderliche Modifikationen
verwendet werden. Es können ferner handelsübliche Formmassen und Treibmittel verwendet
werden. Die Kühlzeiten werden gegenüber dem Kompaktspritzgießen nur unwesentlich
verlängert.