DE69214817T2

DE69214817T2 - Spritzgiessen von thermoplastischen polymeren

Info

Publication number: DE69214817T2
Application number: DE69214817T
Authority: DE
Inventors: Ath Roderick De
Original assignee: Kontor Moulding Systems Ltd
Current assignee: Kontor Moulding Systems Ltd
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-07-04
Also published as: WO1993001039A1; JPH07505585A; JP3169382B2; DE69214817D1; ATE144455T1; CA2112747C; ES2093264T3; GB9114324D0; AU2243992A; EP0592525A1; US6071463A; EP0592525B1; GR3022197T3; DK0592525T3; CA2112747A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spritzgießen von thermoplastischen Polymeren. Bei einem derartigen Verfahren wird geschmolzenes Polymermaterial in einen oder mehrere, von trennbaren Formteilen umgrenzte Hohlräume eingespritzt, abkühlen und sich verfestigen lassen und entnommen, nachdem die Formteile getrennt worden sind. Thermoplastische Polymere schrumpfen beim Abkühlen, und dies ruft Einfallstellen hervor, die auf der Oberfläche in Bereichen sichtbar sind, in denen der Gegenstand dicker ist als in benachbarten Bereichen.
Einfallstellen beeinträchtigen das Erscheinungsbild geformter thermoplastischer Gegenstände, und es sind Anstrengungen unternommen worden, um ihnen vorzubeugen. Ein Verfahren injiziert Hochdruckluft in die teilweise fest gewordene Schmelze, und man findet, daß die Luft innerhalb der Schmelze Kanäle bildet und hauptsächlich in relativ dicke Bereiche des Gegenstands vordringt. Hier wird die Luft unter hohem Druck eingeschlossen und übt eine nach außen gerichtete Kraft aus, welche ein äußeres Einfallen beim Abkühlen der Schmelze verhindert.
Eine Schwierigkeit bei dem oben beschriebenen Verfahren besteht darin, daß der Luftstrom durch die Schmelze eingeschränkt ist und häufig an Engstellen der Schmelze unterbrochen wird, da sich diese gewöhnlich zuerst verfestigen. Das Verfahren ist daher für einige Formen von Gegenständen nicht geeignet und kann insbesondere nicht für Mehrfachformen zum spritzgießen von mehreren Teilen geeignet sein, da Schwankungen im Luftdurchtrittsprofil eine Ungleichheit im Teilematerial hervorrufen würden.
Ein alternatives Verfahren ist in der Patentschrift US 3345687 dargestellt, wo Luft unter Druck zwischen eine Formoberfläche und das halbgeschmolzene Polymer des Teils, welches geformt wird, zugeführt wird. Dieses Verfahren verwendet einen niedrigen Luftdruck. Für gebräuchliche im Handel befindliche Erzeugnisse und Polymere wären sehr viel größere Luftdrücke erforderlich, und die Verwendung von höheren Drücken führt die Schwierigkeiten ein, daß Luft zwischen dem Teil, welches geformt wird, und der Formtrennlinie austreten kann, und daß Polymer durch die Hohlraumangußstelle zurückgedrückt werden kann. Die vorliegende Erfindung trachtet danach, ein verbessertes Spritzgießverfahren bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Spritzgießverfahren bereitgestellt, welches darin besteht, geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial in einen von trennbaren Formteilen umgrenzten Hohlraum einzuspritzen, das Material in einer Kühlphase abkühlen und sich verfestigen zu lassen, die Formteile zu trennen und das verfestigte Material zu entnehmen, bei welchem während der Kühlphase Gas unter Druck über öffnungen in der Hohlraumwand zugeführt wird, um zwischen dem abkühlenden Polymer und der Hohlraumwand eine unter Druck stehende Gasschicht zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas über vorbereitete Oberflächenteile, welche aufgerauht sind, um Mikrokanäle in der Wand zu schaffen, zu ausgewählten Stellen in der Hohlraumwand verteilt wird. Vorzugsweise ist das Gas Luft.
Es ist normal, die Hohlraumwände glatt zu machen, jedoch findet man, daß durch geringfügiges Aufrauhen der Wände in ausgewählten Bereichen das Gas mit Mikrokanälen versorgt wird, entlang derer es strömen kann, um die erforderliche Gasschicht zu schaffen. Außerdem wird die Verteilung von Gas über die Mikrokanäle durch Polymerdichtungen begrenzt, die zwischen dem abkühlenden Polymer und glattwandigen Begrenzungen gebildet werden, welche die vorbereiteten Oberflächenteile begrenzen. Auf diese Weise kann dort, wo es erwünscht ist, eine sehr dünne Hochdruckgasschicht geschaffen werden. In der Praxis wird eine Gasschicht so angeordnet, daß sie das sich verfestigende Polymer gegen die gegenüberliegende Wand des Hohlraums drückt, wo es ansonsten zum Auftreten von Einfallstellen kommen würde. Natürlich ist es möglich, Gas dort, wo es erforderlich ist, in die Form zuzuführen, und die Erfindung ist beim Spritzgießen mit Mehrfachform ebenso anwendbar wie beim spritzgießen mit Einfachform.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Formwerkzeug zum spritzgießen von thermoplastischen Polymerartikeln bereitgestellt, wobei das Werkzeug mindestens einen von trennbaren Formteilen umgrenzten Hohlraum und Gasleitungen innerhalb von mindestens einem der Formteile zum Zuführen von Gas durch die Hohlraumwand in den Hohlraum aufweist, wodurch eine Gasschicht zwischen die Hohlraumwand und im Hohlraum abkühlendes Polymer eingebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Gebrauch über vorbereitete Oberflächenteile, welche aufgerauht sind, um Mikrokanäle zu schaffen, zu ausgewählten Stellen in der Hohlraumwand verteilt wird.
Bei den herkömmlichen Spritzgießtechniken gibt es andere Nachteile. Zum Beispiel werden hohle, dickwandige Artikel im allgemeinen geformt, indem man einen Hohlraum zwischen einem mittigen Kern und einer äußeren Form begrenzt. Beim Abkühlen schrumpft das Polymer auf den Kern zu und verliert den Wärmekontakt mit der äußeren Form. Folglich muß Wärme über den Kern entzogen werden, und weil die Größe des Kerns klein und der Wärmezutritt eingeschränkt ist, ist die Abkühlgeschwindigkeit begrenzt. Dies wiederum begrenzt die Zykluszeit des Formverfahrens. Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Verbesserung, da es möglich ist, dafür zu sorgen, daß die Gasschicht zwischen dem Kern und dem abkühlenden Polymer geschaffen wird, wodurch der Wärmekontakt zwischen dem Polymer und der äußeren Form beim Abkühlen des Polymers erhalten bleibt. Statt über den Kern kann Wärme schnell und wirkungsvoll über die äußere Form abgeführt werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben, von denen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines thermoplastischen Schraubdeckels für einen Behälter ist;
Figur 2 eine vergleichende Querschnittsansicht des Schraubdeckels aus Figur 1 ist;
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines die Erfindung verkörpernden Formwerkzeugs zum Formen eines Schraubdeckels der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Art ist;
Figur 4 eine Detailansicht eines Teils des Werkzeugs aus Figur 3 ist; und
Figur 5 ein schematisches Schaubild einer die Erfindung verkörpernden Spritzgießmaschine ist.
Bezug nehmend auf Figur 1, weist der Schraubdeckel einen allgemein zylindrischen Körper 1 auf, der bei 2 mit einem Innengewinde versehen ist und der einen gewölbten Kopf 3 mit Abflachungen 4 um den Umfang herum aufweist. Figur 2 ist eine vergleichende Querschnittsansicht, welche auf der rechten Seite den auf herkömmliche Weise geformten Schraubdeckel und auf der linken Seite den unter Verwendung der vorliegenden Erfindung geformten Schraubdeckel zeigt. Die rechte Seite zeigt die (in der Zeichnung übertrieben dargestellte) Auswirkungen eines Schrumpfens während des Abkuhlens. Da der mit dem Gewinde versehene Bereich 2 von unterschiedlicher Wandstärke ist, findet während des Abkühlens eine unterschiedliche Schrumpfung statt. Die dickeren Teile schrumpfen mehr als die dünneren Teile, und da das Schrumpfen nach innen zu erfolgt, bestehen die Auswirkungen darin, daß bei 5 kleine Vertiefungen entstehen. Diese sind Einfallstellen.
Nunmehr Bezug nehmend auf Figur 3, ist dort ein die Erfindung verkörperndes Formwerkzeug dargestellt, welches zum Formen des Schraubdeckels der Figuren 1 und 2 entwickelt wurde. Das Werkzeug umfaßt einen mittigen Kern 6, der ein Gewinde 7 aufweist und der die Innenform des Schraubdeckels festlegt. Der Kern 6 sitzt im Inneren einer äußeren geteilten Form 8, deren innere Oberfläche die Außenform des Schraubdeckels festlegt. Der zwischen dem Kern 6 und der äußeren Form 8 umgrenzte Hohlraum 9 wird von einer Schneckenspritzgußmaschine (nicht dargestellt) über einen inneren mittigen Kanal C mit geschmolzenem thermoplastischem Polymer gefüllt. Dann folgt eine Kühlphase, während der man das Polymer abkühlen und sich verfestigen läßt. Während der Kühlphase wird der Spritzdruck gehalten, um mehr Polymer in das Werkzeug nachzudrücken, während die Schrumpfung stattfindet.
Luftkanäle 10 sind im Kern 6 vorgesehen, und diese sind mittels Steuerventilen (nicht dargestellt) mit einer Hochdruckluftversorgung verbunden. Gewöhnlich kann der Luftdruck 1-300 bar betragen. Die Kanäle öffnen sich an Positionen in den Hohlraum, welche für die gewünschte Wirkung einer Schaffung einer dünnen Schicht von unter Druck stehender Luft zwischen dem Kern und dem abkühlenden Polymer ausgewählt worden sind, wobei die Luft während der Kühlphase zugeführt wird. Die Luftöffnungen weisen eine Breite von weniger als 0,001" auf. Das flüssige Polymer blockiert derart kleine Durchlässe nicht. Um es der Luft zu ermöglichen, an der Oberfläche des Kerns entlangzuströmen, ist der Kern an ausgewählten Stellen 11 durch Sandstrahlen aufgerauht. Durch die Aufrauhung werden Mikrokanäle geschaffen, durch welche die Luft hindurchdringen kann. Eine Luftverbindung zu den ausgewählten Flächen wird sichergestellt, indem man in jeder ausgewählten Fläche eine Luftöffnung anordnet oder indem man den Bereich zwischen einer Luftöffnung und der ausgewählten Fläche aufrauht, um Luft hindurchzuleiten. In der Praxis findet man, daß es vorteilhaft ist, Luft in zwei Stufen zuzuführen, zuerst in einer kurzen Niederdruckstufe und als zweites in einer längeren Hochdruckstufe.
Die Wirkung dieses Gasdrucks besteht darin, das Polymer mit einem Druck zu beaufschlagen, der dem Gasdruck im wesentlichen gleich ist. Bei vielen geformten Komponenten bewirkt dies, daß Polymer durch den Komponenten-"Anguß" zurückströmt, falls es nicht entweder durch ein Angußventil oder ein Maschinendüsen- Absperrventil daran gehindert wird. Beide Systeme sind als geschützte Spritzgießeinrichtungen verfügbar.
Figur 4 zeigt ein Detail des Werkzeugs aus Figur 3, speziell die aufgerauhten Bereiche 11 auf dem Formkern (dem inneren Formteil) 26. Diese sind von glatten Begrenzungsbereichen 12 umgeben. An diesen glatten Begrenzungen bildet das abkühlende Polymer Dichtungen, welche die unter Druck stehenden Luftschichten zurückhalten. Das Gesenk (das äußere Formteil) 27 ist glatt. Der eingespritzte Kunststoff ist bei 28 dargestellt.
Die Wirkung der Luft besteht darin, das Polymer vom Kern wegzudrücken. Die Menge der Luft und ihr Druck werden genau geregelt, so daß die Luft gerade ausreicht, um trotz der Neigung des Polymers zum Schrumpfen einen nach außen gerichteten Druck des Polymers gegen die Wand der äußeren Form aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten dient die Luft als Feder, welche sich an die Schrumpfwirkung anpaßt und das Polymer in innigem Kontakt mit der Wand der Form 8 hält. Dies hat zwei Auswirkungen. Erstens wird die Entstehung von Einfallstellen verhindert. Zweitens erfolgt eine Kühlung des Polymers über die äußere Form 8.
Nunmehr Bezug nehmend auf Figur 5, ist dort schematisch eine Spritzgießmaschine dargestellt, welche ein Werkzeug der in Figur 3 dargestellten Art aufweist, jedoch mit einer Mehrfachform 13. Die Gesenke sind zwischen einer feststehenden Andruckplatte 14 und einer beweglichen Andruckplatte 15 begrenzt. Ein maschinelles Schnecken-Plastizier/Einspritz- System 16 ist vorgesehen, um das Kunststoffmaterial bei 17 über eine Absperrdüse 18 einzuspritzen.
Hochdruckluft wird dem Luftleitungssystem 19 über ein Luft- Magnetventil 20 von einem Luftverdichter 21 zugeführt. Ein Luftspeicherbehälter 22 ist vorgesehen, um Druckschwankungen zu verringern. Das Ventil 20 weist einen Niederdrucklufteinlaß 21 auf, der für die oben beschriebene Niederdruckphase verwendet werden kann. Eine beschleunigte Abkühlung wird mit Hilfe von Kühlkanälen 23 im äußeren (beweglichen) Formteil erreicht. Ein Rohrleitungssystem 24 führt Kühlwasser in die Kanäle 23 zu und entnimmt es aus diesen.
wegen der schnelleren Kühlung, die über die äußere Form im Vergleich zur herkömmlichen Kühlung über den Kern möglich ist, können Verbesserungen bei der Zykluszeit erreicht werden. Zum Beispiel sind unten typische Werte für (a) die herkömmliche Praxis und (b) das Verfahren der Erfindung angegeben:

(a) Typischer Standardzyklus (Zahlen = Sekunden) Gesamtzyklus von 16 Sekunden ist dargestellt

(i) Einspritzen von Material *2*
(ii) Halten des Drucks ***6***
(iii) Abkühlen des Teils **4**
(iv) Öffnen der Form *1
(v) Ausstoßen des Teils *2*
(vi) Schließen der Form *1
(vii) Plastizierung durch Schnecke ****8****

(b) Bei Verwendung des Werkzeugs aus Figur 3 Unter Annahme einer Zykluszeit von 14 Sekunden

(i) Einspritzen von Material *2*
(ii) Halten des Drucks *2*
(iii) Niederdruckgas *2*
(iv) Hochdruckgas **4**
(v) Öffnen der Form *1
(vi) Ausstoßen des Teils *2*
(vii) Schließen der Form *1
(viii) Plastizierung durch Schnecke *****10*****
Man hat festgestellt, daß ein weiterer Vorteil dieses Formverfahrens darin besteht, daß die Polymerbeanspruchung oben im wesentlichen über die gesamte Komponente gleich ist. Dies ist bei herkömmlichen Formtechniken ungewöhnlich, wo es sich versteht, daß man zur Minimierung von "Einfallstellen" kontinuierlich geschmolzenes Polymer in den halbgeschmolzenen Kern des Teils injiziert, während es abkühlt und von den Hohlraumwänden weg schrumpft. Dieses Element des Verfahrens wird normalerweise als "Druckhalte- oder Nachdrückphase" bezeichnet, und es versteht sich, daß es ungleiche und manchmal starke Beanspruchungen in der Komponente hervorruft. Diese ungleichen inneren Beanspruchungen führen zu einem Verziehen des Teils, sobald es aus der Form entfernt ist, und dies spielt bei qualitätsbedingten Abnahmeverweigerungen von Teilen eine große Rolle. Somit besitzt jeglicher Prozeß mit im wesentlichen gleichen Beanspruchungen und einem geringen Verzug bedeutende wirtschaftliche und Qualitätsvorteile.
Einige der Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:

Produktqualität

Für thermoplastische Formteile bietet dieses Verfahren einen wirtschaftlichen Weg, um wirkungsvoll "einfallstellenfreie" Präzisionsformteile zu erhalten. Auch sind die Beanspruchungen innerhalb der Teile gleichförmig und gering, mit einem daraus folgenden geringen Verzug.

Produktinnovation

Mit der innovativen Ausbildung der Werkzeugausrüstung können mit relativ einfacher Werkzeugausrüstung Teile hergestellt werden, welche, wenn überhaupt, nur mit einer teuren, in langsamen Zyklen laufenden Werkzeugausrüstung möglich wären. Bei der Formgebung der Teile hat man viel Freiheit, da Anforderungen zum Verbergen von Einfallstellen gelockert sind.

Zyklusvorteile

Viele Spritzgießzyklen werden durch die zum Plastizieren der geschmolzenen Charge für den nachfolgenden "Schuß" benötigte Zeit begrenzt.
Man kann sehen, daß bei Verwendung der Erfindung das plastizierende Element des Zyklus bedeutend früher im Maschinenzyklus beginnen kann, wodurch sich eine Gelegenheit ergibt, den Zyklus entsprechend zu verkürzen. Bei vielen Teilen mit mittlerem bis hohem Volumen würde diese Einsparung bei der Zykluszeit eine proportionale Auswirkung auf die Teilekosten haben.

Vorteile bei der Maschinengröße

Bei vielen Spritzgießsystemen wird die Größe (und damit die Kosten) der Spritzgießmaschine durch den "Nachdruck" bestimmt, der notwendig ist, um "Lunker" auf dem Teil zu minimieren. Dieser Nachdruck neigt dazu, relativ hoch zu sein, weil es zunehmend schwieriger wird, geschmolzenes Material in weit vom "Anguß" entfernte Merkmale zu injizieren, während das Teil abkühlt.
Bei Verwendung der Erfindung beträgt jedoch die maximale Dauer, welche zum Nachdrücken erforderlich ist, 2,0 Sekunden, und daher ist die Schmelze relativ heiß, und der Druck kann minimal sein. Somit ermöglicht sie eine Steigerung der Größe von Teilen, welche auf einer Maschine mit einer gegebenen Größe geformt werden können, mit einer zugehörigen Kostenminderung für den Kunden.

Billigere Werkzeugausrüstung

Da innere Beanspruchungen beim Formen vermindert werden und die Form mit geringerer Wahrscheinlichkeit Schwimmhäute bildet, ist es möglich, preiswertere Werkzeuge zu verwenden.

Kleinere Angußmarken

Dort, wo sich die "Angußmarke" des Formteils an einer gut sichtbaren Stelle befindet, wird die Größe dieser Marke zu einem entscheidenden Qualitätsparameter. Der Angußdurchmesser wird im wesentlichen durch die Länge der erforderlichen "Nachdruckphase" gesteuert, so daß der Anguß nicht erstarrt. Wenn man jedoch dieses Verfahren verwendet, trifft diese Überlegung nicht länger zu, und der Angußdurchmesser kann der kleinstnotwendige sein, um das Teil zu füllen.

Vorhersagbarkeit des Schrumpfens

Man hat gefunden, daß es bei Verwendung herkömmlicher Spritzgießtechniken äußerst schwierig ist, den genauen Wert der Schrumpfung für jedes einzelne Element eines Teils vorherzusagen, weil dieser Schrumpfungswert durch die folgenden Kunststoffbedingungen während des Formens beeinflußt wird:
(a) Kunststofftemperaturprofil,
(b) Kunststoffspannungsprofil; und
(c) ob das Element frei schrumpfen kann oder durch den Formkern oder Hohlraum zurückgehalten wird.
Da eine Verwendung dieses Verfahrens die Schwankungen bei sämtlichen dieser Parameter verringert, wird erwartet, daß dieser Schrumpfungswert bedeutend weniger Schwankungen zeigen wird und daher einfacher vorherzusagen sein wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des vorangehenden Beispiels beschränkt.

Claims

1. Spritzgießverfahren, welches darin besteht, geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial in einen von trennbaren Formteilen (6, 8) umgrenzten Hohlraum (9) einzuspritzen, das Material in einer Kühlphase abkühlen und sich verfestigen zu lassen, die Formteile (6, 8) zu trennen und das verfestigte Material zu entnehmen, bei welchem während der Kühlphase Gas unter Druck über Öffnungen (10) in der Hohlraumwand (6) zugeführt wird, um zwischen dem abkühlenden Polymer und der Hohlraumwand (6) eine unter Druck stehende Gasschicht auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas über vorbereitete Oberflächenteile (11), welche aufgerauht sind, um Mikrokanäle in der Wand (6) zu schaffen, zu ausgewählten Stellen in der Hohlraumwand (6) verteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verteilung von Gas über die Mikrokanäle durch Polymerdichtungen begrenzt wird, die zwischen dem abkühlenden Polymer (28) und glattwandigen Begrenzungen (12) gebildet werden, welche die vorbereiteten Oberflächenteile (11) begrenzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Form (6, 8) eine Mehrfachform (13) ist.

4. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, bei welchem die Form einen Formkern (6) und eine äußere Form (8) umfaßt, und die Gasschicht zwischen dem Kern (6) und dem abkühlenden Polymer (28) bereitgestellt wird, um dadurch den Wärmekontakt zwischen dem Polymer (28) und der äußeren Form (8) zu sichern, während das Polymer (28) abkühlt.

5. Formwerkzeug zum Spritzgießen von thermoplastischen Polymerartikeln, wobei das Werkzeug mindestens einen von trennbaren Formteilen (6, 8) umgrenzten Hohlraum (9), Gasleitungen (10) innerhalb von mindestens einem der Formteile (6, 8) zum Zuführen von Gas durch die Hohlraumwand (26) in den Hohlraum (9) aufweist, wodurch eine Gasschicht zwischen die Hohlraumwand (26) und im Hohlraum (9) abkühlendes Polymer (28) eingebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Gebrauch über vorbereitete Oberflächenteile (11), welche aufgerauht sind, um Mikrokanäle zu schaffen, zu ausgewählten Stellen in der Hohlraumwand (26) verteilt wird.

6. Formwerkzeug nach Anspruch 5, bei welchem die vorbereiteten Oberflächenteile (11) von glatten Bereichen (12) begrenzt werden.

7. Formwerkzeug nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem das Werkzeug einen Kern (6) und eine äußere Form (8) umfaßt, und die Kanäle (10) und die vorbereiteten Oberflächenteile (11) so angeordnet sind, daß die Gasschicht zwischen dem Kern (6) und dem abkühlenden Polymer (28) bereitgestellt wird.

8. Formwerkzeug nach Anspruch 7, bei welchem Kühleinrichtungen (23, 24) vorgesehen sind, um aus der äußeren Form (15) Wärme abzuführen.