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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein gasunterstütztes Spritzgussverfahren und
eine -vorrichtung sowie einen damit geformten Körper und insbesondere auf ein örtlich gasunterstütztes Spritzgussverfahren
und eine -vorrichtung sowie auf einen Körper, der mit Hilfe des Verfahrens
und der Vorrichtung geformt ist.
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Technischer
Hintergrund
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Auf
dem Gebiet des Kunststoffformens ist es allgemein bekannt, ein unter
Druck stehendes Gas in Verbindung mit dem Spritzgießen von
Gegenständen zu
benutzen. Das unter Druck stehende Gas ist typischerweise Stickstoffgas,
das in den geschmolzenen Kunststoff eingebracht wird.
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Unter
Druck stehendes Gas kann vielen Zwecken dienen. Es erlaubt erstens,
den so geformten Gegenstand mit hohlen Innenbereichen zu versehen,
wodurch Gewicht- und Materialersparnisse erreicht werden. Es vermindert
zweitens die eingeformten Spannungen, indem die hohen Haltedrücke in der zweiten
Stufe des Spritzgießens
vermieden werden. Hierdurch wird ebenfalls das Teilegewicht vermindert,
da das Gas benutzt wird, um das Teil auszufüllen. Das unter Druck stehende
Gas erzeugt drittens einen nach außen gerichteten Druck und zwingt
dadurch den Kunststoff zur Anlage an die Oberflächen des Formhohlraums, während sich
der Gegenstand verfestigt. Dies verbessert die Oberflächenqualität, indem
Einfallstellen vermieden werden, insbesondere in Bereichen, wo der
Gegenstand dickere Kunststoffquerschnitte aufweist, wie z. B. an
Verstärkungsrippen
oder -vorsprüngen.
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Mit
dem gasunterstützten
Spritzgussverfahren ist jedoch ein Problem verbunden, das darin
besteht, dass einige Teile eine solche Größe und Gestalt aufweisen, dass
die normalerweise mit der Verwendung des gasunterstützten Spritzgussverfahrens verbundenen
Vorteile vermindert werden. Zum Beispiel ist es für einige
Teile praktisch unmöglich,
dass das in die Einspritzöffnung
eingeführte
Gas bis in die entferntesten Bereiche des Formhohlraums gelangt. In
diesem Fall wären
sehr komplizierte Gaskanalgestaltungen im Teil erforderlich, um
das Gas in den örtlichen
Bereich zu bringen, wo es benötigt
wird und es zu den entferntesten Abschnitten der Form zu bringen.
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In
der UK-Patentanmeldung 2 139 548 ist ein Spritzgussverfahren beschrieben,
bei dem ein unter Druck stehendes Gas in einen Strom von Kunststoffmaterial
an einem oder mehreren ausgewählten
Bereichen in den Formhohlraum eingebracht wird.
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In
dem US-Patent 4 474 717 werden ein örtlich gasunterstütztes Spritzgussverfahren
und eine -vorrichtung beschrieben, die eine Sonde mit einem Kopf
mit einer oder mehreren Gasöffnungen
aufweisen. In einer Ausführungsform
ist die Sonde zurückziehbar.
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In
dem deutschen Patent 2 106 546 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen von Kunststoffschuhabsätzen mittels unter Druck stehendem
Gas, das in die Mitte der Kunststoffmasse geblasen wird, beschrieben.
Der sich ergebende Hohlraum wird mit einem Kunststoffschaum gefüllt.
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In
dem US-Patent 3 044 118 wird ein Formverfahren beschrieben, bei
dem Kunststoff in einem Formhohlraum mit einem damit in Verbindung
stehendem Vorratsraum geformt wird. Nachdem der Formhohlraum mit
geschmolzenem Kunststoffwerkstoff gefüllt ist und der Vorratsraum
teilweise mit thermoplastischem Werkstoff gefüllt ist, wird Gas unter Druck
direkt auf die Oberfläche
der Schmelze im Vorratsraum aufgebracht, wodurch die Schmelze in
den Formhohlraum zurückfließt, um die
Volumenveränderung
auszugleichen, die bei der Verfestigung und Abkühlung des thermoplastischen
Werksstoffs eintritt.
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Anforderungen
an das Teil und Erfordernisse der Formgestaltung, (d. h. dünne Stahlquerschnitte) können indessen
das Einbringen von Gas direkt in das Teil verhindern.
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Darstellung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht sie aus einem Verfahren
zum Herstellen eines hohlgeformten Körpers aus Kunststoffharz mittels
einer gasunterstützten Spritzgießvorrichtung
mit einer Form, die eine Einspritzöffnung und einen Hohlraum zum
Formen des Körpers
aufweist, mit den folgenden Schritten:
Einspritzen einer geschmolzenen
Harzmenge, die zur Herstellung des Körpers ausreicht, ausgehend von
einer Einspritzdüse
durch die Einspritzöffnung, entlang
einem Harzfließweg
und in den Hohlraum in der Form; Einbringen eines Gases in die Harzschmelze
durch wenigstens eine Öffnung,
um das Harz wenigstens teilweise über Innenflächen, die den Hohlraum bilden,
zu verteilen, wodurch der Körper
innerhalb des Hohlraums geformt wird; Abkühlen des so geformten Körpers auf
eine Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Harzes; Entlasten
des Drucks innerhalb des Körpers
und Öffnen
der Form, um den Körper
zu entformen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der Harzschmelze
während des
Einspritzens des Harzes in den Hohlraum veranlasst wird, von dem
Hohlraum in einen Harzvorratsbehälter
in der Form zu fließen,
so dass das Harz den Harzvorratsbehälter wenigstens teilweise füllt, wobei das
Verfahren den Schritt des Einbringens des unter Druck gesetzten
Gases in die Harzschmelze durch die wenigstens eine Öffnung im
Harzvorratsbehälter, der
mit der Gasöffnung
und dem Hohlraum in der Form in Verbindung steht, umfasst.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Spritzgussvorrichtung zum Herstellen
eines hohlgeformten Körpers
aus Kunststoffharz mit einer Form, einer Quelle für unter
Druck gesetztes Gas und einer Spritzgießmaschine mit einer Spritzdüse zum Einspritzen
einer geschmolzenen Harzmenge, die zum Herstellen des Körpers ausreicht,
in die Form durch eine Harzeinspritzöffnung entlang einem Harzfließweg und
in den Hohlraum, Gaseinführmitteln,
um örtlich
Gas in die Harzschmelze durch wenigstens eine Gasöffnung einzubringen,
um das Harz wenigstens teilweise über die Innenfläche, die
den Hohlraum begrenzt, zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die
Form einen Harzvorratsbehälter
aufweist, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, um das Kunstharz,
das von dem Hohlraum während
des Einspritzens von Harz in den Hohlraum fließt, aufzunehmen, wobei die
Gasöffnung
in dem Harzvorratsbehälter von
der Einspritzöffnung
beabstandet angeordnet ist und der Harzvorratsbehälter mit
der Gasöffnung
und dem Hohlraum in der Form in Verbindung steht.
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Ein
Hohlkörper,
der mittels des Verfahrens und der Vorrichtung geformt ist, weist
einen im Wesentlichen in sich geschlossenen Hohlkörperbereich auf,
der innerhalb des Körpers
durch das Gas gebildet ist.
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In
einer Ausführungsform
weist die Form einen mit dem Hohlraum in Verbindung stehenden Überlaufbehälter auf. Überschüssiges Harz
füllt wenigstens
teilweise den Überlaufbehälter während der Verteilung
des Harzes über
die Innenflächen
aus.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
wird die Gasöffnung
durch einen Stift gebildet, und der Druck wird durch diesen Stift
abgebaut.
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Die
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich ohne weiteres aus der nachfolgenden, ins Einzelne gehenden
Beschreibung in der besten Art und Weise, die Erfindung zu verwirklichen,
in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungen:
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Kurze Erläuterung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt,
einer üblichen,
gasunterstützten
Spritzgießvorrichtung,
mit einer Form in der geöffneten Stellung,
einer Gasquelle, dem dazugehörigen
Steuerventil sowie einer Spritzgießmaschine mit einer Düse;
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2 ist
ein Blockdiagramm, in dem die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt sind;
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3 ist
eine schematische Ansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt,
die das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung darstellt, wobei ein örtliches Einbringen eines Fluids
durch die Einrichtung eines Harzvorratsbehälters außerhalb des Formhohlraums erreicht
wird;
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4 ist
eine Ansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt eines Bereichs
des mittels des Verfahrens und in der Einrichtung gemäß 3 geformten
Körpers
entlang der Linie 4-4;
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5 ist
eine seitliche Schnittansicht von ineinander gestapelten Mülltonnen,
die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt sind;
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht,
teilweise aufgebrochen und im Schnitt, eines Ringlippenbereichs
einer der Mülltonnen;
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7 ist
eine Draufsicht auf einen ersten, in sich geschlossenen Hohlkörperbereich
ohne Darstellung eines Harzvorratsbehälters;
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8 ist
eine Ansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt, entlang den
Linien 8-8 in 7, während des Formens des ersten
Körperbereichs;
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9 ist
eine Draufsicht auf einen zweiten in sich geschlossenen Hohlkörperbereich
ohne Darstellung eines Harzvorratsbehälters;
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10 ist
eine Ansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt entlang den
Linien 10-10 in 9, während des Formens eines zweiten
Körperbereichs;
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11 ist
eine Draufsicht auf den ersten Körperbereich
und einen zugeordneten Überlaufbehälter;
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12 ist
eine Ansicht, mit der die Erfindung anhand eines Angusssystems mit
mehreren Anschnitten dargestellt ist; und
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13 ist
eine Ansicht der Erfindung in Verbindung mit einem Heißkanalsystem.
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Beste Art
und Weise der Verwirklichung der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine übliche gasunterstützte Spritzgießvorrichtung,
die allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, dargestellt,
um Kunststoffkörper
aus Kunststoffharz herzustellen. Ein allgemeines Verständnis der
verschiedenen Bestandteile der Einrichtung 10 ist nützlich,
um das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
zu verstehen.
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Kurz
dargestellt umfasst die Spritzgießvorrichtung 10 eine
Spritzgießmaschine,
die allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist, mit
einer Spritzdüse,
die allgemein mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet ist, um
vorbestimmte Mengen oder Schüsse von
geschmolzenem Harz einzuspritzen. Die Spritzgießmaschine 12 umfasst
eine hydraulisch verschiebbare Schnecke 16, die in einer
Bohrung 18 eines Mantels 20 der Spritzgießmaschine 12 angeordnet
ist. Die Schnecke 16 plastifiziert das Harz und transportiert
es in Richtung der Düse 14.
Nach vollständiger
Plastifizierung des Harzes wird die Schnecke 16 hydraulisch
gegen den Endbereich 22 des Mantels 20 bewegt,
um geschmolzenen Kunststoff in bekannter Weise durch die Düse 14 einzuspritzen.
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Die
Spritzgießvorrichtung 10 umfasst
des Weiteren eine Quelle 24 für unter Druck stehendes Gas,
die unter Druck stehendes Gas (d. h. typischerweise Stickstoffgas)
der Düse 14 über ein
Gassteuerventil 26 zuführt.
Das Ventil 26 steuert den Strom von unter Druck stehendem
Gas von der Gasquelle 24 in Abstimmung mit dem Einspritzvorgang
des geschmolzenen Kunststoffs durch die Düse 14 in ebenfalls
allgemein bekannter Weise.
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Die
Spritzgießvorrichtung 10 umfasst
des Weiteren eine Form oder ein Formwerkzeug, das allgemein mit
der Bezugsziffer 28 bezeichnet ist. Wie in 1 dargestellt,
umfasst die Spritzgussform 28 ein zweiteiliges Formwerkzeug.
Eine dieser Formhälften weist
einen Zentrierring 30 zum Zentrieren des Einspritzendes
der Düse 14 auf.
Der Zentrierring 30 ist an einer Druckplatte 32 angeordnet,
die selber wiederum mit einer Fomhohlraumträgerplatte oder Formhohlraumplatte 34 verbunden
ist. Eine Angussbuchse 36 ist innerhalb des Zentrierrings 30 angeordnet
und wird durch die Druckplatte 32 unterstützt.
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Führungsbolzen 38 an
der Formhohlraumträgerplatte 34 bilden
die eine Hälfte
einer Bolzen/Buchsenführung
für die
erste Platte an der zweiten Platte der zweiteiligen Form 28.
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Im
Einzelnen weist die zweite Platte Führungsbuchsen 40 auf
(von denen nur eine dargestellt ist), in denen die Führungsbolzen 38 gleitend
aufgenommen und geführt
sind, wenn die Form 28 geschlossen ist. Die Führungsbuchsen 40 werden
in einer Kernträgerplatte 42 gehalten.
Die Kernträgerplatte 42 ist
an einer Druckplatte 44 befestigt, die ihrerseits mit einer
Auswerferträgerplatte 46 verbunden ist.
Die Auswerferträgerplatte 46 ist
mit einer Auswerferplatte 48 verbunden, die durch Tragsäulen 50 unterstützt ist.
Die Druckplatte 44 ist an den Enden eines U-förmigen Auswerfergehäuses 52 befestigt,
in dem die Tragsäulen 50 ebenfalls
befestigt sind.
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Die
Auswerferträgerplatte 46 dient
als Träger für mehrere
Gegenbolzen 54, Auswerferstifte 56 und einen Angussausziehstift 58,
die sich in Richtung der Formhohlraumplatte 34 und durch
die Platten 42 und 44 hindurch erstrecken. Die
Auswerferstifte 56 dienen zum Auswerfen der Teile P, die
in der Form 28 geformt werden. Der Angussausziehstift 58 ist
fluchtend zur Angussbuchse 36 angeordnet.
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Entsprechend
der Darstellung in 1 sind die Teile P durch einen
Anguss 60, einen Angusskanal 62 und Angussanschnitte 64 miteinander
verbunden, die einen Harzfließweg
von der Angussbuchse 36 zu den Formhohlräumen 66 bestimmen.
Gegenüberliegende
Flächen
eines Kernteils 68 und eines Hohlraumteils 70 bestimmen
die Formhohlräume 66. Die
Kernteile 68 sind an der Kernplatte 42, und die Hohlraumteile 70 sind
an der Formplatte 34 angeordnet.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere weist die Spritzgussform 28 einen
Harzvorratsbehälter 112 außerhalb
eines Formhohlraums 114 der Form 28 auf. Gas wird
in den Harzvorratsbehälter 112 durch
einen Durchgang 116, der durch einen Einsatz 116 gebildet
ist, eingeleitet. Das Gas strömt
von dem Ventil 26 durch den Durchgang 116 und
durch eine Gasöffnung 118,
die sich durch den Harzvorratsbehälter hindurch und bis in das
eigentliche Teil erstreckt. Vorzugsweise füllt der Harzstrom den Harzvorratsbehälter 12 bevor
die erforderliche Harzmenge für
das Formteil erreicht ist, so dass durch das Gas das endgültige Ausfüllen des Formhohlraums
ohne Gasdurchbruch durch das Harz bewirkt wird. Durch diese Gestaltung
lässt sich eine
bessere Formkonstruktion erreichen, die weniger Wartung erfordert.
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Es
ist offensichtlich, dass es zahlreiche Wahlmöglichkeiten für Eintritts-
und Austrittsvorrichtungen gibt, um bezüglich des Teils einen gesteuerten
Gaseintritt und Gasaustritt zu erreichen.
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In
dem Beispiel der 3 bis 6 wird eine Mülltonne 120 geformt
und mehrere dieser Mülltonnen
lassen sich, wie in 5 dargestellt, ineinander stapeln.
Dies gilt auch, obwohl es höchst
erwünscht ist,
einen verstärkten
Rand 122 zu erhalten, der rund bleibt und eine entsprechende
Lippe aufweist. Die Größe und die
Form der Mülltonne 120 schließt typischerweise
die Anwendung einer Gasverteilung vom Anguss der Form 28 her
aus. Zum Beispiel schließt die
Forderung der Ineinanderstapelbarkeit die Verwendung von Gaskanälen von
dem Anguss her aus. Ebenso kann der dünne Lippenquerschnitt 124 des Randes 122 der
Mülltonne
das Einbringen des Gases direkt in den Rand 122 ausschließen, da
dem Probleme der Werkzeuggestaltung (d. h. dünne Stahlquerschnitte) und
Anforderungen an das Teil entgegenstehen können.
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Die 7 und 9 stellen
erste und zweite in sich geschlossene Hohlkörper dar, die jeweils allgemein
mit den Bezugsziffern 72 und 74 bezeichnet sind
und die durch das Einspritzen eines Gases jeweils durch Gasöffnungen 73 und 75 geformt
werden. Das Verfahren und die Vorrichtung umfassen einen allgemein
mit der Bezugsziffer 76 bezeichneten Stift, der die Gasöffnungen 73 und 75 bildet
und der sich in die Hohlkörper 72 und 74 erstreckt.
Es lassen sich auch ein oder mehrere Stifte 76, mit oder
ohne Gasunterstützung
von der Düse
her, bei manchen Anwendungen einsetzen.
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Eine
Spitze 78 des Stifts 76 unterteilt jede der Gasöffnungen
in ein Paar Austrittsöffnungen 80 und 82,
die sich im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung erstrecken,
um das Harz in entgegengesetzte Richtungen zu verteilen und erste
und zweite Hohlräume 84 und 86 in
jedem der Hohlkörper 72 und 74 zu
formen. Die Austrittsöffnungen 80 und 82 verhindern,
dass das Gas sich nur in eine Richtung bewegt; des Weiteren brauchen
das Gas und das Harz keine weiten Wege zurücklegen. Alternativ dazu kann
jede der Gasöffnungen
in einer einzigen Austrittsöffnung
enden.
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Die
Spitze 78 kann thermisch verhältnismäßig gut leitend oder verhältnismäßig schlecht
leitend sein.
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Der
Gaseintritt in die Körper 72 und 74 von dem
Stift 76 aus erfolgt vorzugsweise parallel zum Harzfließweg. Der
Druck des Gases kann höher, niedriger
oder gleich dem Druck des Harzes in der Form sein.
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Das
Gas lässt
sich durch den Stift 76 entlüften oder lässt sich an einem anderen Ort,
der von dem Stift 76 entfernt ist, entlüften, um das Teil von dem Gasdruck
zu entlasten. Der Gasaustritt aus der Form erfolgt vorzugsweise
durch den Stift 76, kann jedoch auch an anderer Stelle
in der Form oder durch Zurückziehen
des Stifts erfolgen.
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Die
Spritzgießvorrichtung
kann einen Überlauf
in den Überlaufbehälter, der,
wie in 11 dargestellt, im Wesentlichen
gegenüber
der Gaseinspritzöffnung 73 angeordnet
ist; zulassen.
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Der Überlaufbehälter 88 erleichtert
die Bildung von in sich geschlossenen Hohlkörpern 72 und 74,
die, soweit es irgend möglich
ist, in sich geschlossen sind, abhängig von unbedeutenden Änderungen bei
den Prozessparametern.
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Der
Angussanschnitt zwischen Harzvorratsbehälter 112 und dem eigentlichen
Teil wird entfernt, nachdem der Formvorgang beendet ist. Ebenso
wird der Angussanschnitt zwischen dem Überlaufbehälter 88 und dem Körper 72 entfernt.
Ein sich irgendwie ergebendes Loch, das durch den Gasstrom zu und
von dem Teil verursacht wird, lässt
sich in einer beliebigen Zahl von Möglichkeiten schließen, um
Verunreinigungen im Teil während
nachfolgender Kunststoffbearbeitungsschritte zu vermeiden.
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Des
Weiteren lässt
sich mit zwei Gasöffnungen
im Formhohlraum (d. h. 180° voneinander
beabstandet) eine Querwand im Hohlkörper formen, um auf diese Weise
zwei getrennte Hohlräume
hervorzurufen. Die Querwand wird um etwa 90° beabstandet von jeder der Fluidöffnungen
geformt.
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Die
Vorrichtungen gemäß 3 lassen
sich in Verbindung mit einem normalen Anguss mit einer Düse in einem
Spritzgießsystem
mit einer Vielzahl von Harzfließöffnungen
von einem einzigen Anguss 91 aus in ein Teil 92,
wie in 12 dargestellt, oder mit einem
Heißkanalverteiler 94 mit
einer Düse,
wie in 13 dargestellt, verwenden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 in Verbindung mit 3 sind
als Fließbild
die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Beim
Schritt 96 wird Kunststoffharz in die Form 28 durch
eine Einspritzöffnung,
die in der Angussbuchse 36 vorhanden ist, eingespritzt.
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Beim
Schritt 98 wird Gas in die Form 28 durch die Gasöffnung 118,
gesteuert durch das Ventil 26, eingebracht.
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Beim
Schritt 100 drückt
das Gas den Kunststoffgegenstand im Formhohlraum 66 gegen
dessen Innenflächen
bis der Gegenstand abgekühlt
ist.
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Beim
Schritt 102 wird das Gas durch eine im Teil geformte Öffnung entlüftet und
durch den Gasdurchgang 116 und die Öffnung 118, gesteuert
durch das Ventil 126, abgelassen. Es ist offensichtlich,
dass zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung stehen,
um den Entlüftungsschritt
in einer geeigneten Weise durchzuführen.
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Beim
Schritt 104 wird die Form 28 geöffnet, um
das Teil aus der Form 28 zu entnehmen.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ergeben zahlreiche Vorteile.
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Zum
Beispiel erhitzt das geschmolzene Harz die Spitze 78 des
Stifts 76 gemäß 8 und 10, wenn
diese gut wärmeleitend
ist, so dass eine vorzeitige Hautbildung im Bereich der Gasöffnung verhindert
wird. Desgleichen durchstößt der Spitzenbereich jede
Hautbildung in der Form, wenn ein verschiebbarer Stift mit einer
nicht leitenden Spitze verwendet wird. Wenn die Spitze wärmeleitend
ist, verschließt das
geschmolzene Harz das durch die Spitze gebildete Loch, wenn die
Spitze zurückgezogen
wird. Alternativ dazu lässt
sich durch das Zurückziehen
des Stifts die Bildung eines kleinen Entlüftungslochs in dem Teil bewirken,
wenn die Gasöffnung
mit dem Stift koaxil verläuft.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung halten einen Druck in bestimmten Bereichen
der Form aufrecht, um die Bildung von Einfallstellen während der Verfestigung
des Harzes zu vermeiden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind
geeignet, Hohlkörper
in einem Bereich zu bilden, der sich mit einer einzigen Gaszufuhröffnung über die
Einspritzöffnung
nicht erreichen lässt.
Des Weiteren lässt
sich mit einer Mehrzahl von Harzvorratsbehältern eine Unterteilung der Hohlkörper erreichen.