DE10204806A1 - Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger ein- und mehrkomponentiger Kunststoffteile in einem Spritzgießwerkzeug.
• Kunststoffteile werden in der Technik zumeist aus thermoplastischem Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt. Bei den dazu bekannten Verfahren sind zwei wichtige Bedingungen zu beachten. Zum einen ist die Abkühlzeit der Formteile stark von ihrer Wandstärke abhängig und zum anderen tritt bei der Abkühlung von Kunststoffen ein Schwund ein, der ebenfalls von der Wandstärke abhängig ist. Sollen Spritzgussteile aus Kunststoff geformt werden, hängt die Zykluszeit deshalb entscheidend von der Abkühlzeit ab, die von der Wandstärke der Kunststoffteile abhängt. Infolge des Schwunds treten im Kunststoffteil u. U. Formänderungen auf, die um so weniger beherrschbar sind, je dickwandiger und/oder komplizierter die Gussteile und je unterschiedlicher ihre Wandstärken sind.
• Die bisher bekannten Gussteile sind deshalb im wesentlichen dünnwandig oder mit Hohlräumen gestaltet. Es ist auch üblich, Hohlräume mit geschäumten Material auszufüllen, oder mit schäumenden Materialien zu spritzen um die entsprechenden Formdicken zu erhalten. Die Formstabilität ist aber geringer als bei voll ausgespritzten starkwandigen Teilen. Aufschäumen oder Ausschäumen stellen eine Stabilitätsverlust dar.
• Weitere angespritzte Komponenten, die auch mehrfarbig sein können, sollen der Formgestaltung dienen, weichere Umhüllungen sollen einen besseren und sicheren Griff von Gebrauchsgegenständen garantieren. Neben diesen Komponenten können funktionelle Teile, wie Dichtlippen, Stoßkanten usw. angegossen werden. Dies sind sogenannte Mehrkomponenten-Teile.
• In einem Spritzgusswerkzeug ist es nicht möglich, ohne ausreichende Abkühlzeit dicke Kunststoffteile herzustellen und diese sofort mit einer weiteren Komponente zu umspritzen, ohne die Form des Teiles zu beschädigen. Der Kunststoff ist im Inneren des Teiles noch nicht ausgehärtet, da erst nach einer hinreichenden Abkühlzeit eine ausreichende Formstabilität erreicht wird. Es muss eine solche Abkühlzeit eingehalten werden, dass der Kunststoff zumindest so formstabile ist, um dem Spritzdruck bei der Umspritzung mit weiteren Kunststoffkomponente, oder dem Anspritzen weiterer Komponenten standzuhalten und seine Form nicht zu beschädigen. Bei diesem Abkühlungsprozess verliert das Teil durch Schwund die Außenmaße der ursprünglich im Spritzgussverfahren hergestellten Form. Die dabei auftretenden Längen- und Breitenänderungen sind nur bei exakter Einhaltung der vorgeschriebenen Abkühlzeiten bis zur weiteren Bearbeitung beherrschbar und weitere Komponenten können erst nach dieser Abkühlzeit formschlüssig aufgespritzt werden. Durch eine dadurch zwangsweise notwendige Abkühlpause der Teile im Fertigungsprozess ist nur eine eingeschränkte Automatisierung des gesamten Spritz- und damit Fertigungsprozess möglich. Es ist nicht möglich die Teile ohne zwischenzeitliche Kühllagerung in einem Zyklus zu spritzen.
• Bei der vollständigen Abkühlung eines in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellten dickwandigen Teiles treten zusätzlich durch den Schwund, der an den außenliegenden Bereichen der bereits erstarrten Außenkontur geringer bzw. verlangsamter ist als in dem noch weichen Kern mitunter Hohlräume auf. Diese Hohlräume lassen auf erhebliche Spannungen im Kunststoffteil schließen und stellen bei klarsichtigen Teilen eine erhebliche optische Wertminderung dar.
• Die bisher bekannten dickwandigen Spritzgussteile aus Kunststoff, die nachträglich mit weiteren Komponenten durch anspritzen ausgerüstet wurden, um z. B. die Aufnahme von Schrauben oder die Aufnahme von Borsten für Besen oder Bürsten und dergleichen zu erlauben oder Weichkomponenten wich Dichtlippen zu erhalten, sind in Ihrer Herstellung durch zusätzliche Kühlpausen und Arbeitsgänge aufwendig herzustellen
• Aus der DE 198 58 102 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bürstenkörper, besonders Zahnbürstenkörpern bekannt. In dem beschriebenen Verfahren wird der Bürstenkörper durch Umspritzen eines dünnwandigen Profilkörpers hergestellt. Es liegt nun nahe, einen derartig hergestelltes Kunststoffteil als Grundkörper für ein dickwandiges Mehrkomponenten- Kunststoffteil zu verwenden. Das ist nicht möglich, da das Verfahren dünnwandige Innen- Grundkörper für dünnwandigen Gesamtteilen herstellt. Der unter o. g. Patentnummer vorgestellte Körper würde beim Umspritzen zu einem Teil mit z. B. 14 mm und mehr Dicke sowie wesentlich längerer Gesamtgröße sofort seine Stabilität verlieren und erweichen Der hier vorgestellte Grundkörper für Zahnbürsten kann nicht zum Aufbau eines sehr dickwandigen Teiles dienen, da seine Stabilität nicht ausreicht der dickenwandigen Umspritzung, ohne Formverlust oder erneuter Erweichung durch die heiße Spritzmasse großen Volumens, standzuhalten. Weiterhin wird die Zykluszeit nicht wesentlich verkürzt, da zuerst ein dickwandiges Kunststoffteil hergestellt werden muss, bevor es zu einem Mehrkomponententeil weiterverarbeitet werden kann. Bei diesem Verfahren werden sehr dünnwandige Grundkörper zu dünnwandigen Teilen umspritzt.
• Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger ein- oder mehrkomponentiger Kunststoffteile bereitzustellen, mit dem Spritzgussteile aus Kunststoff, insbesondere Mehrkomponenten-Kunststoffteile in einem wirtschaftlichen Prozess hergestellt werden können. Durch das Verfahren soll gesichert werden, dass dickwandige Kunststoffteile in einem schnellen Zyklus und mit einer hohen Formstabilität insbesondere beim Um- oder Anspritzen weiterer Komponenten gefertigt werden.
• Die Aufgabe wird durch die anhängenden Patentansprüche gelöst. Das Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile in einer Spritzgussform ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine im Verhältnis zum Gesamtteil entsprechend dünne, an einer oder mehreren Seiten offene Außen- oder Konturhülle, die teilweise oder vollständig die äußere Form des dickwandigen Kunststoffteils darstellt, hergestellt wird. Diese wird durch Kühlen schnell formstabil. Anschließend wird das Innere der dünnwandigen Umhüllung in einem oder mehreren Spritschritten mit derselben oder auch anderen Kunststoffkomponente ausgespritzt, bis die gewünschte Wandstärke oder Form erreicht ist.
• Bei mehrkomponentigen Teilen ist es möglich, ohne lange Vorkühlzeit auf die Konturhülle weitere Komponenten anzuspritzen oder nach dem Ausspritzen Komponenten anzuspritzen oder diese Vorgänge parallel durchzuführen.
• Mit diesem Verfahren wird gesichert, dass die Kunststoffteile im Fertigungsprozess eine hohe Formstabilität erhalten. Die dünnere Außen- und Konturhülle eines dickwandigen Kunststoffteiles kann mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Diese Hülle kühlt schnell durch und wird sehr schnell formstabil. Das Ausspritzen dieser erstarrten stabilen Umhüllung und Anspritzen weiterer Komponenten verändert die Außenform nur noch sehr gering. Mit diesem Verfahren erfolgt die Produktion insgesamt in einer geringeren Zeit, als die Herstellung des gleichen Teiles in einem einzigen Spritzgussschritt, da die Kühlzeit der herkömmlichen Teile im Werkzeug wesentlich länger ist. Diese Teile können schon ein selbständiges Produkt sein.
• Die besonderen Vorteile bieten das Verfahren beim Einsatz der Teile als formstabiler Grundkörper für die An- oder Umspritzung mit mindestens einer weiteren Komponente. In einem ersten Schritt wird die dünnwandige, mit einer oder mehreren Öffnungen versehene Umhüllung, die die äußere Form des dickwandigen Kunststoffteils besitzt hergestellt. An die äußere Wand der dünnwandigen Umhüllung wird mindestens eine weitere Komponenten angespritzt.
• Damit können dickwandige Mehrkomponenten-Kunststoffteile sehr wirtschaftlich hergestellt werden, da die Zykluszeit durch Umgehen der langen Abkühlzeiten dicker Teile vor dem Anspritzen der zweiten Komponente minimiert wird. Es wird zunächst eine Hülle als Außenkontur oder Teilkontur des Kunststoffteils hergestellt und in den nachfolgenden Schritten werden eine oder mehrere Komponenten an die Umhüllung angegossen und das dickwandige Kunststoffteil vervollständigend ausgespritzt, d. h. die dünnwandige Umhüllung, die die äußere Form des Kunststoffteiles besitzt, wird durch Spritzgießen ausgefüllt.
• Damit wird die Abhängigkeit der Zykluszeit von mehrfach gespritzten dickwandigen Teilen von der Kühlfase entkoppelt. Die gesamte Fertigungszeit wird wesentlich reduziert. Die Prozesssicherheit wird durch die erhöhte Formstabilität im Spritzprozess erhöht.
• Mit diesem vorgeschlagenen Verfahren werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden. Die dünnwandige Umhüllung mit der äußeren Form des zu bildenden dickwandigen Kunststoffteiles bildet also nur einen Teil des zu fertigenden dickwandigen Teiles. Das Spritzgusswerkzeug ist dabei so konstruiert, dass es die einzelnen Formnester zur Herstellung des gesamten Spritzgussteiles enthalten kann.
• Nachdem die dünnwandige Umhüllung, welche die äußere Form des dickwandigen Kunststoffteiles besitzt, gegossen ist, wird sie in einem weiteren Formnest der Spritgussform weiterverarbeitet. Es kann diese dünnwandige Umhüllung durch Ausspritzen auf die gewünschte Wandstärke verstärkt und nacheinander oder gleichzeitig weitere Komponenten, meist andere Materialien mit unterschiedlichen Farben oder Konsistenzen aufgespritzt werden. Dies ist möglich, weil die dünnwandige Außenkonturhülle mit einer Wandstärke gefertigt wird, bei der sie durch schnelles Durchkühlen formstabil ist und in der Dicke so gewählt ist, dass sie dem Spritzdruck der weiteren Spritzschritte standhält, ohne sich zu verformen.
• Durch das dünnwandige Aus-, An- und Umspritzen wird erreicht, dass die Spritzmasse schnell und formfest erstarrt. In dem einen Verfahrensschritt wird die Umhüllung der dickwandigen Komponente, z. B. eines Mehrkomponenten-Kunststoffteiles gespritzt, in einem oder mehreren Schritten durch dünnwandiges Ausspritzen ausgefüllt bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist. In einem vor dem Ausspritzen stattfindenden, weiteren oder parallel ausgeführten Verfahrensschritt werden weitere Komponenten an die Umhüllung angespritzt.
• Die Wandstärke der Aus- und Anspritzungen werden jeweils so gewählt ist, dass die Gussmasse in kürzester Zeit erstarrt ist, bevor die nächste Aus- oder Anspritzung beginnt. Es entsteht dabei ein dickwandiger Kunststoffkörper oder Mehrkomponenten-Kunststoffkörper. Das Mehrkomponenten-Kunststoffteil erhält dabei gleichzeitig die erforderliche Stabilität. Die Zykluszeit zur Herstellung von Mehrkomponenten-Kunststoffteile, auch bei Integration dickwandiger Kunststoffteile, wird wesentlich verkürzt, so dass eine Automatisierung des Herstellungsverfahrens von dickwandigen Kunststoffteilen mit einfachen Mitteln möglich ist.
• Der gesamte Abkühlungsprozess für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes dickwandiges Kunststoffteil ist wesentlich kürzer als der Abkühlungsprozess eines in einem Schritt gespritzten dickwandigen Kunststoffteiles. Damit werden die Produktionszeiten um ein vielfaches kürzer. Das Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Kunststoffteilen und Mehrkomponenten-Kunststoffteilen erfolgt im Regelfall Fall in nur einer Spritzgussform und ohne Zwischenkühlung der Teile außerhalb der Form.
• Das Umsetzen des Grundkörper bzw. der Kunststoffteile kann zum Beispiel durch eine Robotik oder durch eine in der Spitzgussform integrierten Umsetzmechanik oder mittels eines Drehtellers an der Spritzgießmaschine oder sogenannten Drehwerkzeugen erfolgen. Mit jedem Öffnen der Form kann dadurch ein fertiges Teil ausgeworfen werden.
• Die nach diesen Verfahren herstellbaren Teile sind dickwandig, ohne unerwünschte vakuumierte Hohlräume im Spritzmaterial und besitzen keine Zusätze wie aufschäumende Stoffe. Es können auch eingelegte Teile aus verschiedenen Materialien (z. B. Metalleile wie Klingen, Schraubenzieherstähle, Schraubgewindeeinsätze/-einlagen usw. durch Umspritzen zu einem dickwandigen Körper ohne Zwischenkühlung aufgebaut werden, der mit weiteren anderen Kunststoffkomponenten umspritzt werden kann.
• Die Teile können mehrkomponentig sein und so gefertigt werden, das der Zeitpunkt des Anspritzen weiterer Komponenten auf ein sehr dickes Teil nicht mehr von der gesamten Abkühlzeit des Gesamtteiles abhängig ist. Die Fertigung mittels einer Außen- oder Konturhülle verkürzt die Fertigungszeit, ermöglicht die mehrkomponentige Herstellung von dickwandigen Teilen im schnellen Zyklus und löst das Problem der nicht gegebenen Formstabilität bei der Produktion von sehr dicken Teilen bei nicht gegebener sehr langen Kühlfaxe.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile in einer Spritzgussform, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine dünnwandige, an einer oder mehreren Seiten mit einer Öffnung versehene Außen- oder Konturhülle, die teilweise oder ganz die äußere Form des dickwandigen Kunststoffteils besitzt oder ein Grundkörper welcher die Außenkontur in Teilbereichen besitzt, hergestellt wird und in mindestens einem weiteren Schritt das Innere der dünnwandigen Umhüllung mit derselben oder einer anderen Kunststoffkomponente ausgespritzt wird oder der Grundkörper gefüllt wird, bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist.

2. Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem weiteren Schritt mindestens eine weitere Komponente an den Außenbereich der Umhüllung oder des Grundkörper vor oder nach dem Ausspritzen, angespritzt wird.

3. Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Spritzen der Konturhülle folgenden Schritte, das Ausspritzen der dünnwandigen Umhüllung des dickwandigen Kunststoffteils oder des entsprechenden Grundkörper mit derselben oder einer anderen Kunststoffkomponente und das Anspritzen weiterer Komponenten an die äußere Wand der dünnwandigen Umhüllung oder des Grundkörpers gleichzeitig erfolgen.