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Dokumentenidentifikation DE19853021A1 27.07.2000
Titel Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile durch Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen Spritzgießmaschine
Anmelder Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen eV, 52062 Aachen, DE
Erfinder Michaell, Walter, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing.e.h., 52062 Aachen, DE;
Pfannschmidt, Oliver, Dipl.-Ing., 52062 Aachen, DE;
Schröder, Tobias, 52064 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 18.11.1998
DE-Aktenzeichen 19853021
Offenlegungstag 27.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2000
IPC-Hauptklasse B29C 44/42
IPC-Nebenklasse B29C 45/58   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die das Spritzgießen von geschäumten Kunststoff-Formteilen, auch Strukturschaumformteile genannt, erlaubt, wobei das zum Aufschäumen des Materials notwendige Treibmittel durch Direktbegasung des Schmelzestroms zugesetzt wird. Bei dem in den Schmelzestrom injizierten Treibmittel handelt es sich um ein Fluid.
Die Vorrichtung wird zwischen Schneckenzylinder und Düse einer konventionellen Spritzgießmaschine montiert. Das Treibmittel wird mittels eines Gasdosiersystems in die Polymerschmelze eingegast. Die Eingasung erfolgt über die Oberfläche eines Sintermetallbauteils, das in den Schmelzekanal eingebaut wird.

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Herstellung von Formteilen nach dem Spritzgießverfahren kann mittels Kompaktspritzgießen aber auch mittels Schaumspritzgießen oder anderen Sonderverfahren erfolgen. Strukturschaumformteile haben im Gegensatz zu kompakten Formteilen einen sandwichartigen Aufbau, d. h. eine mehr oder minder kompakte Außenhaut mit einem geschlossenzelligen geschäumten Kern /1/.

Das Strukturschaumspritzgießen, häufig auch Thermoplastschaumspritzgießen (TSG) genannt, weist im Gegensatz zum Spritzgießen kompakter Formteile einige wesentliche Vorteile auf. Die im Mittelpunkt stehenden Vorteile von Schäumen sind eine mögliche für die Funktionstauglichkeit von Formteilen notwendige Dichtereduktion, eine erhöhte spezifische Steifigkeit durch Verlagerung der Flächenträgheitsmomente in die Randschichten des Bauteils und die erhöhte Dämmwirkung (Schall, Wärme). Auch große Wanddicken sind möglich, was größere Freiheiten im Design erlaubt. Das Verfahren ermöglicht außerdem, Formteile mit geringeren Eigenspannungen, Verzugsarmut und häufig günstigeren Fertigungstoleranzen sowie geringeren Einfallstellen herzustellen /2-4/. Ferner ist die Herstellung von Thermoplastschaumstoffen aus biodegradablen Polymeren in Anbetracht der noch hohen Materialkosten auf der einen und des zunehmenden Bedarfs auf der anderen Seite wirtschaftlich sehr interessant.

In Europa werden aufgrund ihrer einfacheren Handhabbarkeit chemische Treibmittel zum Schaumspritzgießen von Thermoplasten verwendet. Die physikalischen Treibmittel weisen jedoch oftmals entscheidende Vorteile auf. Aufgrund ihrer zumeist stabilen chemischen Verbindungen ist bei Einsatz von physikalischen Treibmitteln keine Zunahme der Degradation des verarbeitenden Polymers zu befürchten. Physikalische Treibmittel sind verhältnismäßig kostengünstige Treibmittel. Darüber hinaus sind durch Einsatz physikalischer Treibmittel prinzipiell größere Aufschäumgrade erzielbar.

Fluide, die dem Polymer direkt zudosiert werden, bezeichnet man als physikalische Treibmittel. Die Wirkungsweise physikalischer Treibmittel beruht zum einen auf der Änderung des Aggregatzustandes dieser Substanzen, wie etwa dem Verdampfen einer Flüssigkeit (z. B.: FCKW), oder zum anderen auf der Übersättigung des Polymeren hinsichtlich eines zuvor im Polymeren gelösten gasförmigen Fluids. Im Rahmen des Spritzgießprozesses wird die Übersättigung des Polymeren und damit die Schaumentstehung in nahezu allen Fällen allein infolge des Druckabfalls beim Austritt der Schmelze aus der Düse des Plastifizieraggregates initiiert.

Chemische Treibmittel sind im Gegensatz dazu Substanzen, die erst während des Verarbeitungsprozesses aufgrund einer chemischen Reaktion - meist eingeleitet durch Wärmezufuhr - Gas abspalten und dadurch die Erzeugung einer Schaumstruktur im Polymer ermöglichen. Ursache für die Gasabspaltung kann entweder die thermische Zersetzung des Treibmittels oder eine chemische Reaktion verschiedener im Treibmittel enthaltener Substanzen sein. Das entstehende Gas ist zumeist N2, CO2 oder CO.

Zu den physikalischen Treibmitteln gehören neben den Kohlenwasserstoffen auch Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid. Da Kohlenwasserstoffe jedoch entweder nicht umweltverträglich sind (HFCKW) oder aufgrund ihrer Brennbarkeit nur unter erheblichen Sicherheitsauflagen verarbeitet werden können (z. B. Pentan), gewinnen Treibmittel wie Kohlendioxid und Stickstoff zunehmend an Bedeutung.

Bisher ist eine Kosteneinsparung beim Schaumspritzgießen nicht immer möglich, da in der Kalkulation der Rohstoffeinsparung zusätzliche Kosten für Treibmittel, längere Fertigungszeiten bzw. eine eventuelle Nachbehandlung der Oberfläche entgegenstehen. Die bei den verschiedenen Verfahren eingesetzten Maschinen sind insbesondere bei dem Einsatz physikalischer Treibmittel speziell für das Schaumspritzgießen konstruiert und stellen damit einen zusätzlichen Kostenfaktor dar.

Das Strukturschaumspritzgießen läßt sich prinzipiell in zwei Verfahren gliedern, die hinsichtlich des Drucks, der während der Verarbeitung im Werkzeug wirksam ist, unterschieden werden können.

Niederdruckverfahren

Das Polymer wird im Rahmen der Niederdruckverfahren zunächst in einem Schneckenzylinder plastifiziert (Schneckenvorplastifizierung). Soll ein chemisches Treibmittel eingesetzt werden, muß dieses dem Polymergranulat zuvor in einem Aufbereitungsschritt zugesetzt werden. Im Falle der Verwendung eines physikalischen Treibmittels wird dieses dem Polymer nach dessen Plastifizierung in dem Schneckenzylinder zudosiert (2-stufige Schnecke) /5/. Die Schnecke fördert dann das Polymer/Treibmittel-Gemisch gegen einen definierten Staudruck in einen sogenannten Speicherzylinder. Nach Abschluß der Dosierphase wird die Schmelze aus dem Speicherzylinder mit hoher Geschwindigkeit in die Kavität eingespritzt (Kolbeneinspritzung). Das dosierte und in die Kavität eingespritzte Polymervolumen ist geringer als das Volumen der Kavität, ein Kennzeichen der Niederdruckverfahren. Erst durch das Aufschäumen der Schmelze wird das Formnest komplett aufgefüllt. Der Aufschäumvorgang wird dabei durch den Druckabfall der Schmelze entlang des Fließweges ausgelöst.

Die Niederdruckverfahren zur Herstellung geschäumter Formteile zeichnen sich durch Werkzeuginnendrücke von weniger als 70 bar aus. So genügen oftmals schon Aluminiumwerkzeuge mit geringer Komplexität den gestellten Anforderungen. Außerdem ist ein Arbeiten mit geringen Zuhaltekräften möglich /8; 9/. Die Nachteile der Niederdruckverfahren liegen vor allem in der oftmals schlechten Oberflächenqualität der hergestellten Formteile /5; 13/.

Hochdruckverfahren

Eine Verbesserung der Oberflächenqualität läßt sich durch den Einsatz eines sogenannten Hochdruckverfahrens zur Herstellung geschäumter Formteile erzielen /5/. Hierbei wird der gesamte Werkzeughohlraum mit dem Schmelze/Treibmittel- Gemisch gefüllt, wobei das Werkzeugvolumen kleiner als das Volumen des herzustellenden Formteiles ist. In einer sich an die Einspritzphase anschließenden Nachdruckphase werden die Randschichten des Formteiles komprimiert, um eine geschlossene Randschicht zu erzielen. Das Aufschäumen wird durch die Vergrößerung des Werkzeughohlraumes initiiert. Dies kann durch Verwendung eines Tauchkantenwerkzeuges oder durch Ziehen des Kerns umgesetzt werden. Alternativ kann der zum Schäumen notwendige Druckabbau durch Zurückziehen des Spritzkolbens realisiert werden, wobei die überschüssige Schmelze in den Spritzzylinder zurück schäumt /1/. Hochdruckverfahren arbeiten mit Werkzeuginnendrücken von 100 bar, was im Vergleich zum Kompaktspritzgießen als niedrig einzustufen ist /5/.

Varianten beider Verfahren haben jeweils eine Verbesserung der Oberflächenqualitäten zum Ziel. Insbesondere Maßnahmen wie zyklisches Heizen und Abkühlen des Werkzeuges (z. B. Variotherm-Verfahren) oder Einspritzen bei Gasgegendruck (Gasgegendruck-Verfahren) kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu /6/.

Zyklisches Heizen und Abkühlen des Werkzeuges

Eine Erwärmung der Werkzeugwandung nach dem Einspritzvorgang auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Polymers bewirkt ein Anschmelzen der Formteiloberfläche /6/. Somit werden Oberflächenfehler, die vom Einspritzen herrühren, beseitigt. Danach muß die Werkzeugwandung gekühlt werden, um ein Erstarren des Polymers zu ermöglichen. Nachteile des Verfahrens sind die langen Zykluszeiten, die komplizierte Werkzeugtechnik sowie ein hoher spezifischer Energieverbrauch.

Gasgegendruck-Verfahren

Beim Gasgegendruck-Verfahren wird ein Aufschäumen des Polymer/Treibmittel- Gemisches während des Einspritzens dadurch vermieden, daß zuvor ein Gasdruck von etwa 20 bis 30 bar im Werkzeug erzeugt wird /10/. Somit tritt der zur Blasenbildung führende Druckabfall nicht mehr auf. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die hohen Werkzeugkosten, da die Werkzeughälften gasdicht und mit einer hohen Oberflächenqualität gefertigt werden müssen /11/.

Diese Maßnahmen werden einzeln oder auch kombiniert sowohl beim Niederdruck- als auch beim Hochdruckverfahren angewendet, so daß eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren eingesetzt wird. Zu den Niederdruckverfahren zählen das TSG-Verfahren (Thermoplast-Schaum-Guß), das UCC-Verfahren (Union Carbide Corporation) und das Variotherm-Verfahren. Zu den Hochdruckverfahren gehören das TM-Verfahren /5; 8; 12/, das TAF-Verfahren (Toshiba-Asahi-Foam) bzw. DOW-Verfahren /5; 8; 11; 13; 14/, das USM-Verfahren (United Shoe Machinery) /7; 8; 11/ und das TFM-Verfahren (Thermoplastic Foam Molding) /8; 11/.

Nachteile des Standes der Technik

Die Herstellung von geschäumten Polymeren erfordert den Einsatz von speziell zu diesem Zweck konstruierten bzw. stark modifizierten Maschinen wie z. B. Niederdruck-Spritzgießmaschinen, die durch eine Schneckenvorplastifizierung mit Kolbeneinspritzung charakterisiert sind. Die Maschinenkosten sowie die Maschinenstundensätze liegen bei diesen Maschinen deutlich über denen normaler Spritzgießmaschinen. Außerdem vermindern stark spezialisierte Maschinen die Flexibilität eines Betriebes, da der Artikel das mögliche Verfahren zur Herstellung bestimmt.

Auch die Anforderungen an die Werkzeuge, die innerhalb der Produktionseinheit zur Herstellung geschäumter Formteile eingesetzt werden sollen, sind z. T. sehr viel höher als die Ansprüche, die an die Werkzeuge einer herkömmlichen Spritzgießmaschine. So muß bei Werkzeugen mit Aufheizung und Abkühlung die thermische Ausdehnung beachtet werden (Variotherm-Verfahren). Werkzeuge mit Tauchkanten, beweglichen Einsätzen oder Gasabdichtung erfordern eine hohe Genauigkeit (Gasgegendruck-Verfahren).

Auch die Auswahl des Werkzeugmaterials muß nach verschiedenen Kriterien getroffen werden. So besteht bei verschiedenen Treibmitteln die Gefahr der Korrosion des Werkzeuges bei falscher Wahl des Werkstoffes.

Aufgabe der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, welche es ermöglicht, auf einer konventionellen Spritzgießmaschine (Schneckenkolbenmaschine) geschäumte Kunststoff-Formteile niedriger Dichte herzustellen. Hauptaufgabe ist hierbei, eine geeignete Methode zu entwickeln, das physikalische Treibmittel dosiert und homogen in den Schmelzestrom einzubringen.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik folgende Vorteile:

  • - Herstellung von geschäumten Formteilen niedriger Dichte durch Verwendung eines physikalischen Treibmittels auf einer konventionellen Kunststoff- Spritzgießmaschine (Schneckenkolbenmaschine)
    • - keine aufwendigen konstruktiven Änderungen an der Maschine
    • - Verminderung der Investitionskosten
    • - Vergrößerung des Einsatzsprektrums der Spritzgießmaschine (flexible Fertigung)

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Das im Schneckenzylinder plastifizierte Polymer wird durch den Ringspalt um einen im Schmelzekanal zentrierten Torpedo geleitet, dessen Außenhülle aus Sintermetall gefertigt ist. Nach außen wird der Ringspalt durch einen Zylinder begrenzt, der ebenfalls aus Sintermetall hergestellt ist.

Das Treibmittel kann sowohl über die poröse Außenhülle des Torpedos als auch über die Sintermetall-Oberfläche des Zylinders in die Schmelze eingebracht werden. Zur Stabilisierung der Sintermetall-Bauteile werden sowohl außen als auch innen Stützhülsen eingebaut.

Zur weiteren Homogenisierung des Schmelze/Treibmittel-Gemisches kann zusätzlich ein statischer Mischer in den weiteren Fließweg eingebaut werden. Ist dieser nicht notwendig, so wird die Einspritzdüse direkt an die Vorrichtung angeschlossen. LITERATUR /1/ Eckhardt, H. Strukturschaumspritzgießen - gestern und heute, Strukturschaumspritzgießen - Ein- und Mehrkomponentenspritzgießtechnik IKV-Seminar zur Kunststoffverarbeitung, Aachen, 23.-24. Oktober 1997

/2/ Klempner, D. Handbook of polymeric foams and foam technology Frisch, K.C. Hanser Verlag, Munich, Vienna, New York, Barcelona, 1991

/3/ Barbey, H. P. Herstellen von Schaumstoffen nach dem Direktbegasungsprinzip unter Einsatz alternativer Treibmittel Kunststoffberater 12 (1990), S. 26-29

/4/ Trausch, G. Physikalisch und chemisch getriebene Thermoplastschäume - Grenzen der Verfahren und Anwendung In: Schäume aus thermoplastischer Schmelze VDI-Verlag, Düsseldorf, 1981

/5/ Semerdjiev, St. Thermoplastische Strukturschaumstoffe VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1980

/6/ Shutov, F.A. Integral/Structural Polymer Foams Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1986

/7/ Stedfeld, R. Where's the fizz in structural foam? Materials Engineering 7, 1978, 2. 20-26

/8/ Mörwald, K. Schaumspritzgießen

Plastverarbeiter, 1977

Nr. 6, S. 305-310

Nr. 7, S. 354-356

Nr. 8, S. 405-408

/9/ Eyerer, P. Spritzgießen mit reduzierter Schließkraft

Bürkle, E. Kunststoffe 10, 1991, S. 851-862

/12/ Popov, N. Technologische Möglichkeiten des Strukturschaum- Semerdjiev, St. Spritzgießens mit Gasgegendruck Kunststoffberater 7/8, 1980, S. 36-40

/13/ Semerdjiev, St. Das Gasgegendruck-Gießverfahren zum Herstellen u. a. von thermoplastischen Strukturschaumteilen Kunststoffe 1, 1974, S. 13-15

/14/ N. N. Strukturschaum im TAF-Verfahren Kunststoff-Berater 3, 1974, S. 124-130


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Polymer-Formteile durch Einbringen eines physikalischen Treibmittels in den Schmelzestrom einer konventionellen Spritzgießmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sintermetall-Oberfläche eines in den Schmelzekanal eingebauten Torpedos und ein den Schmelzekanal umgebendes Sintermetallteil, wobei als Treibmittel Stickstoff oder Kohlendioxid oder Wasser oder Helium oder eine Mischung davon mit Hilfe eines Gasdosiersystems definiert in das Polymer eingebracht wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwischen Plastifizieraggregat und Einspritzdüse der Spritzgießmaschine eingebaut wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Treibmittel in flüssigem oder auch gasförmigem Zustand zudosiert werden kann.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einsatz des Sintermetalls die für die Eingasung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert wird.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ringspaltströmung um den Torpedo das Oberfläche/Volumen-Verhältnis weiter verbessert und die Diffusionswege des Treibmittels im Polymer entscheidend verkürzt werden.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des Treibmittels sowohl in der Dosier- als auch in der Einspritzphase erfolgen kann.






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