DE19534836C2

DE19534836C2 - Wasserlöslicher Formkern zum Spritzgießen von Kunststoffteilen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19534836C2
Application number: DE19534836A
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller; Heiko Schirrmacher; Mathias Lindemann; Maik Rillich
Original assignee: Kunststofftechnik F und H Riesselmann GmbH
Current assignee: Kunststofftechnik Riesselmann & Co Kg 01458 GmbH
Priority date: 1994-10-19
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: DE19534836A1

Description

Die Erfindung betrifft einen wasserlöslichen Formkern zum Spritzgießen von Kunststoff teilen mit Hinterschneidungen und/oder Hohlräumen und ein Verfahren zur Herstellung des Formkerns nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.

Das Spritzgießen von Kunststoffteilen mit Hinterschneidungen und/oder Hohlräumen ist nur unter Verwendung speziell dafür geeigneter Kerne möglich. In der Praxis wird dabei in Verfahren mit mehrfach verwendbarem Kern bei entfernbarem Innenkern, in Verfahren mit entfernbarem Kern und in Verfahren mit verlorenen Kernen unterschieden. Verlorene Kerne sind Formkerne, die zusammen mit dem spritzgegossenen Formkörper aus dem Werkzeug ausgeworfen werden und anschließend aus diesem durch Zerlegen, Brechen, Zertrümmern, Ausschmelzen oder durch Herauslösen entfernt werden. Bekannt sind z. B. schmelzbare Formkerne aus niedrigschmelzenden Metall-Legierungen (DE 29 22 303 A1, EP 0 178 093 A1) oder wasserlösliche Formkerne auf Basis keramischer Mischungen (DE 38 32 370 A1).

Die einzusetzenden Formkerne müssen einerseits den thermischen Belastungen durch die eingespritzte Kunststoffschmelze standhalten und sollen andererseits nach dem Ent formen der Formkörper aus diesen einfach und schnell entfernbar sein. Letzteres übt einen großen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aus. Wesentlich ist weiter hin, daß die Formkerne eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. In der DE 37 36 574 A1 ist ein wasserlöslicher Formkern beschrieben, der aus einem zumindest teilweise wasserlöslichen Kunststoff auf der Basis von Acrylsäure oder Methacrylsäure, besteht. Ein solcher Formkern muß einen E-Modul von mindestens 5000 N/mm², eine Bruchdehnung von weniger als 10% und eine thermische Kurzzeitbeständigkeit im Be reich von 70°C bis 150°C besitzen. Je höher die mechanischen Eigenschaftswerte des Formkernes sind, desto schwieriger und zeitaufwendiger ist es dann auch, das Kern material aus dem Formkörper zu entfernen. Bedingt durch die teilweise auftretenden hohen Einspritzgeschwindigkeiten beim Spritzgießen und die gleichzeitig hohen ther mischen Belastungen muß der Formkern hohe mechanische Eigenschaftswerte auf weisen, ansonsten besteht die Gefahr, daß der verwendete Formkern während des Spritzgießens bricht und Ausschuß entsteht.

Auch bereits geringfügige Deformationen des Formkerns ergeben nicht qualitäts gerechte Formteile. Auch das Handling der Formkerne vor und nach dem Spritzgieß prozeß spielt für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens eine wesentliche Rolle. Von Nach teil ist dabei das hohe Gewicht der Formkerne, z. B. wiegt ein Metallschmelzkern einer Saugrohranlage für Kraftfahrzeuge ca. 50 kg.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen wasserlöslichen Formkern zu schaffen, der kostengünstig herstellbar, recycelfähig und in relativ kurzer Zeit aus dem Kunst stoffteil herauslösbar ist. Ferner war es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung des Formkerns zu schaffen.

In Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Formkern aus mindestens 95 Ma% Quarzsand und/oder Glaspartikeln und/oder Metallpulver und mindestens 1 Ma% einer wäßrigen Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Poly vinylalkoholanteil von 25 Ma% bis 35 Ma% besteht.

Dieser Formkern ermöglicht eine sehr wirtschaftliche Verfahrensweise des Spritzgießens mit verlorenen Kernen. Das Metallpulver kann aus Aluminium, Bronze oder Kupfer bestehen. Vorteilhaft ist es, wenn Quarzsand, Glas- und Metallpulverpartikel eine Teilchengröße von 0,1 bis 0,3 mm und eine enge Korngrößenverteilung aufweisen sowie eine gleichmäßige runde Form. Bei der Verwendung von Metallpulver als Feststoff tritt zusätzlich der Vorteil ein, daß beim Umspritzen der Kerne im Spritzgießwerkzeug die Oberfläche des Kernes schneller abkühlt und dadurch das Bindemittel thermisch weniger stark beansprucht wird. Das hat zur Folge, daß gespritzte Formteile mit einer nahezu glatten inneren Oberfläche erhalten werden. In allen Fällen, wo eine besonders gute Innenoberflächenqualität des Spritzgieß formteiles gewünscht wird, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn ein Formkern eingesetzt wird, der mindestens mit einer porenverschließenden Schicht überzogen ist, die aus einer 0,1 mm bis 0,3 mm dicken wasserfreien Deckschlichte besteht, die aus Quarzsand und/oder Graphit mit einer Korngröße von kleiner als 0,07 mm gebildet ist, und einen Feststoffanteil von mindestens 60 Ma % aufweist. Zusätzlich sollte der Form kern noch mit einer zweiten Schicht auf der Basis von Polyvinylalkohol oder Polyacrylat überzogen sein. Die als untere Schicht aufgebrachte 0,1 bis 0,3 mm dicke Deckschicht schließt die Poren zwischen den Formstoffpartikeln und verbessert damit die Ober flächengüte des Formkerns. Außerdem schützt sie den Kernbinder vor starker thermi scher Beanspruchung während des Spritzgießens und verhindert die Penetration der Kunstharzlösung beim Auftragen einer zweiten Schicht auf den Formkern. Das Lösungs- und Verdünnungsmittel der Deckschlichte muß wasserfrei sein, um ein Anlösen des wasserlöslichen Kernbinders auszuschließen. Als Lösungs- und Verdünnungsmittel ist z. B. Isopropanol geeignet. Die nach dem Trocknen der Deckschlichte aufgetragene zweite Schicht, bestehend aus einem wasserlöslichen Kunstharz, gibt dem Formkern mit der Deckschlichte eine hohe Abriebfestigkeit und gewährleistet die Wasserlöslichkeit des gesamten Kerns beim Herauslösen des Formkerns aus dem Kunststoffteil nach dem Spritzgießen.

Zur Herstellung der Formkerne sind in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

a) Herstellung einer lagerfähigen Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Polyvinylalkoholanteil von 25 Ma% in einem beheizbaren Rührwerk durch Vorlegen von Wasser und Zugabe von Polyvinylalkohol unter Rühren bei gleichzeitiger Erwärmung bis auf eine Temperatur von 80°C bis zur vollstän digen Lösung des Polyvinylalkohols,
b) Mischen der Feststoffe Quarzsand und/oder Glaspartikel und/oder Metallpulver mit der nach a) hergestellten Binderlösung in einem Mischer in einem Mengen verhältnis Feststoff/Binderlösung von 95 : 5 bis 99 : 1, wobei der Feststoff vor gelegt wird, und
c) Zuführung des rieselfähigen Formstoffes in eine Kernschießmaschine und Bil dung der gewünschten Formkerne bei einem Druck von 3,5 bar bis 6,5 bar und einer Kernkastentemperatur von 150°C bis 180°C.

Die ausgehärteten Formkerne können nachträglich noch mit einer porenverschließenden wasserfreien Schlichte aus Quarzsand und/oder Graphit mit einer Korngröße von kleiner als 0,07 mm und einem Feststoffanteil von mindestens 60 Ma% beschichtet werden, z. B. durch Tauchen in eine Magnesiumsilikatschlichte auf Isopropanolbasis. Abschließend können die Formkerne noch mit einer Kunstharzschicht, z. B. aus Polyvinylalkohol über zogen werden, z. B. mit einer wäßrig-alkoholischen Polyvinylalkohollösung mit einem Polyvinylalkoholanteil von 18 Ma%. Nach dem Auftragen der jeweiligen Beschichtung werden die Formkerne getrocknet.

Die Biegefestigkeit der so hergestellten Formkerne, beschichtet oder unbeschichtet, be trägt bis zu 10 MPa.

In Abhängigkeit von der Maschineneinstellung und der Lage des Anschnitts für die her zustellenden Kunststoffteile reichen die mechanischen Festigkeitswerte der erfindungs gemäßen Formkerne aus, um einen Kernbruch während des Spritzgießens zu ver hindern.

Ein weiterer Vorteil dieser Formkerne besteht vor allem darin, daß sie nach dem Ent formen des Kunststoffteiles innerhalb weniger Minuten in Wasser vollständig zerfallen. Die Auflösezeit beträgt für unbeschichtete Kerne ca. 3 bis 5 min und für beschichtete Kerne ca. 7 bis 10 min, bei einer Wassertemperatur von 20°C. Bei höheren Wassertem peraturen können auch kürzere Auflösezeiten erreicht werden. Aus Wirtschaftlichkeits gründen ist es jedoch sinnvoll, das im Brauchwasserkreislauf eines Spritzgießbetriebes zur Verfügung stehende Wasser einzusetzen, das in etwa eine Temperatur von 20°C hat. Der jeweils verwendete Feststoff und die wäßrige Polyvinylalkohollösung können auf einfache Weise abgetrennt werden. Die Entsorgung der ca. 0,1 bis 0,3 Ma%igen Polyvinylalkohollösung bereitet in der Praxis keine Probleme. Der anfallende Feststoff wird gereinigt und im Kreislauf wieder zur Herstellung neuer Formkerne eingesetzt. Die Materialzusammensetzung für die Formkerne verursacht infolge der möglichen Wiederverwendung des Feststoffes nur sehr geringe Kosten. Somit kann das Spritz gießverfahren mit verlorenen Kernen zu wesentlich wirtschaftlicheren Bedingungen durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einigen Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Die Herstellung des wasserlöslichen Formkernes erfolgt nach folgenden Verfahrens schritten.

a) Herstellung der Binderlösung

350 g Polyvinylalkohol (Mowiol 4-88, Fa. Hoechst) werden in 650 g Wasser unter Rühren auf eine Temperatur von 80°C erhitzt. Nach vollständiger Lösung wird zur Vermeidung von Hautbildung unter ständigem Rühren abgekühlt. Die so hergestellte 35 Ma%ige Polyvinylalkohollösung ist lagerfähig und muß vor Wiederverwendung gerührt werden.

b) Mischen des Feststoffes mit der Binderlösung (Herstellung des Formstoffes)

1900 g Hohenbockaer Quarzsand (Korngröße ca. 0,2 mm) werden in einem Flügelmischer vorgelegt und zusammen mit 100 g einer nach a) hergestellten Binderlösung ca. 3 min gerührt. Der so hergestellte Formstoff mit einem Binderanteil von 1,75 Ma% kann mehrere Stunden in geschlossenen Behältern aufbewahrt und daher chargenweise ver arbeitet werden.

c) Herstellung des Formkerns (Kernschießen)

Auf einer gießereitypischen Kernschießmaschine mit einem beheizbaren Formwerkzeug werden die Formkerne bei einem Druck von 4,0 bar und einer Kernkastentemperatur von 170°C hergestellt. Nach einer Verweilzeit von 90 s wird der Formkern aus dem Form werkzeug per Hand entnommen. Nach einer 24 bis 48 stündigen Lagerung wird der aus gehärtete Formkern direkt beim Spritzgießen eingesetzt oder zunächst beschichtet.

Die Beschichtung wird wie folgt durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Schichten aufgetragen werden:

Ein gemäß den Verfahrensschritten a) bis c) hergestellter Formkern wird durch Tauchen mit einer Magnesiumsilikat-Graphit-Schlichte auf Isopropanolbasis beschichtet (Konsil TG-AK 140, Fa. KBO). Nach dem Trocknen dieser, ca. 0,2 mm dicken Deckschlichte, wird der Formkern mit einer wässrig-isopropanolischen Polyvinylalkohollösung mit einem Polyvinylalkoholanteil von 18,0 Ma% beschichtet und anschließend getrocknet. Die Biegefestigkeit des so beschichteten Formkerns beträgt 6,7 MPa.

Im folgenden wird der Einsatz der Formkerne beim Spritzgießen eines gekrümmten An saugrohres aus Polyamid 6,6 mit 30 Ma% Glasfasern für Verbrennungsmotoren erläutert, wobei die Ansaugrohre jeweils mit einem unbeschichteten Kern und mit einem beschich teten Kern hergestellt werden, auf einer Spritzgießmaschine vom Typ Krauss-Maffei 900-250 (Schließkraft 2500 kN) in einem Einfachwerkzeug.

Zum Einlegen des Formkerns in das Spritzgießwerkzeug wird eine Klemmeinrichtung verwendet, die durch ihre elastische Verformbarkeit toleranzkompensierend wirkt und der Kernaufnahme dient. Die Lage des Kerns im Spritzgießwerkzeug wird desweiteren über eine Kernabstützung fixiert. Der Zeitpunkt des Zurückziehens der Kernabstützung wird über die Maschineneinstellung festgelegt.

Nach Beendigung des Spritzgießzyklusses nach einer Zykluszeit von 25 s wird das An saugrohr mit dem Formkern mittels eines Manipulators aus dem Werkzeug entnommen und über ein Förderband in ein 20°C warmes Wasserbad transportiert. Die Auflösezeit für die unbeschichteten Formkerne beträgt ca. 3 bis 5 min und für die be schichteten Formkerne ca. 7 bis 10 min. Nach der Auflösezeit der Formkerne wird das Ansaugrohr aus dem Wasserbad entnommen. Die Qualität der Ansaugrohre entsprach den geforderten Nonnen, wobei sich die Ansaugrohre, die mit den beschichteten Form kernen hergestellt wurden, durch eine besonders gute Innenoberflächengüte auszeich nen.

Beispiel 2

Die Herstellung des wasserlöslichen Formkerns erfolgte analog den Verfahrensschritten gemäß Beispiel 1, wobei jedoch das Mengenverhältnis von Feststoff/Binderlösung ge ändert wurde.

a) Herstellung der Binderlösung

Die Herstellung der Binderlösung erfolgte analog wie im Beispiel 1.

b) Mischen des Feststoffes mit der Binderlösung (Herstellung des Formstoffes)

1940 g Hohenbockaer Quarzsand (Korngröße ca. 0,2 mm) werden in einem Flügelmischer vorgelegt und zusammen mit 60 g einer nach a) hergestellten Binderlösung ca. 3 min ge rührt. Der so hergestellte Formstoff mit einem Binderanteil von 1,05 Ma% kann mehrere Stunden in geschlossenen Behältern aufbewahrt und daher chargenweise verarbeitet werden.

c) Herstellung des Formkerns (Kernschießen)

Die Herstellung des Formkerns erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1. Der so hergestellte Formkern wurde jedoch nicht beschichtet. Infolge des relativ geringen Binderanteiles im Formkern betrug die Biegefestigkeit des unbeschichteten Formkernes 4,8 MPa.

Beispiel 3

Die Herstellung des wasserlöslichen Formkerns erfolgte analog den Verfahrensschritten gemäß Beispiel 1, wobei jedoch ein anderer Feststoff verwendet wurde.

a) Herstellung der Binderlösung

Die Herstellung der Binderlösung erfolgte analog wie im Beispiel 1.

b) Mischen des Feststoffes mit der Binderlösung (Herstellung des Formstoffes)

1900 g Mikroglaskugeln (Spheriglas 1922, Fa. Ballotini) mit einer definierten Korngröße von 0,15 bis 0,25 mm werden in einem Flügelmischer vorgelegt und zusammen mit 100 g einer nach a) hergestellten Binderlösung ca. 3 min gerührt. Der so hergestellte Formstoff mit einem Binderanteil von 1,75 Ma% kann mehrere Stunden in geschlossenen Be hältern aufbewahrt und daher chargenweise hergestellt werden.

c) Herstellung des Formkerns (Kernschießen)

Die Herstellung und die Beschichtung des Formkerns erfolgte unter den gleichen Be dingungen wie im Beispiel 1.

Die Biegefestigkeit des beschichteten Formkerns beträgt 7,8 MPa. Die im Vergleich zum Beispiel 1 höhere Biegefestigkeit ist auf eine gleichmäßigere und engere Korngrößenverteilung des aus Mikroglaskugeln bestehenden Feststoffes zurück zuführen.

Der Einsatz der Formkerne beim Spritzgießen erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1. Die Auflösezeit für den Formkern gemäß Beispiel 2 betrug 1 bis 3 min und für den Formkern gemäß Beispiel 3 7 bis 10 min.

Claims

1. Wasserlöslicher Formkern zum Spritzgießen von Kunststoffteilen mit Hohlräumen und/oder Hinterschneidungen, wobei der Kern in das Spritzgießwerkzeug eingelegt, anschließend die Schmelze eingespritzt und nach dem Entformen des Kunststoffteils der Formkern durch Lösen entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus mindestens 95 Ma% Quarzsand und/oder Glaspartikeln und/oder Metallpulver und mindestens 1 Ma% einer wäßrigen Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Polyvinylalkoholanteil von 25 Ma% bis 35 Ma% besteht.

2. Formkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus Alu minium, Bronze oder Kupfer besteht.

3. Formkern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzsand, die Glaspartikel und die Metallpulverbestandteile eine Teilchengröße von 0,1 bis 0,3 mm und eine enge Korngrößenverteilung aufweisen.

4. Formkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzsand-, Glas- und Metallpulverpartikel eine gleichmäßige runde Form aufweisen.

5. Formkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit mindestens einer porenverschließenden Schicht überzogen ist, die aus einer 0,1 mm bis 0,3 mm dicken wasserfreien Deckschlichte besteht.

6. Formkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschlichte aus Quarzsand und/oder Graphit mit einer Korngröße von kleiner als 0,07 mm besteht, und einen Feststoffanteil von mindestens 60 Ma% aufweist.

7. Formkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einer zweiten Schicht, auf der Basis von Polyvinylalkohol oder Polyacrylat über zogen ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellung einer lagerfähigen Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Polyvinylalkoholanteil von 25 Ma.% bis 35 Ma% in einem beheizbaren Rührwerk durch Vorlegen von Wasser und Zugabe von Polyvinylalkohol unter Rühren bei gleichzeitiger Erwärmung bis auf eine Temperatur von 80°C bis zur vollständigen Lösung des Polyvinylalkohols,
b) Mischen der Feststoffe Quarzsand und/oder Glaspartikel und/oder Metallpulver mit der nach a) hergestellten Binderlösung in einem Mischer in einem Mengen verhältnis Feststoff/Binderlösung von 95 : 5 bis 99 : 1, wobei der Feststoff vor gelegt wird, und
c) Zuführung des rieselfähigen Formstoffes in eine Kernschießmaschine und Bildung der gewünschten Formkerne bei einem Druck von 3,5 bar bis 6,5 bar und einer Kernkastentemperatur von 150°C bis 180°C.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkerne mit einer porenverschließenden wasserfreien Schlichte aus Quarzsand und/oder Graphit mit einer Korngröße von kleiner als 0,07 mm und einem Feststoffanteil von mindestens 60 Ma% beschichtet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkerne mit einer wasserlöslichen Kunstharzschicht überzogen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunstharzschicht aus Polyvinylalkohol oder Polyacrylat besteht.