DE3736574A1 - Verfahren und formkern zur herstellung von kunststoffgegenstaenden mit hinterschneidungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Formkern zur Herstellung von Kunststoffgegenständen, die Hinterschnei­ dungen aufweisen.

Um Kunststoffgegenstände oder -Bauteile mit Hinterschneidungen ode Hohlräumen herzustellen, werden Formkerne verwendet, die nach dem Ummanteln mit der Kunststoffmasse, aus der der Gegenstand hergestellt werden soll, z. B. durch Schmelzen oder Lösen entfernt werden.

Schmelzbare Formkerne bestehen dabei im allgemeinen aus niedrig­ schmelzenden Metall-Legierungen (vgl. z. B. DE-OS 29 22 303 oder EP 0 178 093), während für lösliche Formkerne z. B. Salz/Sand- Gemische mit wasserlöslichen Salzen, wie Alkalinitrate, eingesetzt werden (vgl. z. B. US-PS 45 90 026).

Die Salzkerne sind äußerst spröde, entsprechend schwer zu handhaben und kommen nur zur Herstellung von Kunststoffteilen mit kleinem Durchmesser zum Einsatz.

Bei der Herstellung größerer Bauteile ist man daher auf Metallkerne angewiesen. Metallkerne sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. So ist die Einrichtung und das Personal, das den Metallguß beherrscht, in kunststoffver­ arbeitenden Betrieben meist nicht vorhanden. Das heißt, es sind hohe Investitionskosten für eine Metallgießerei mit induktivem Ofen zum Schmelzen des Metallkerns usw. sowie entsprechendes Fachpersonal erforderlich.

Weiterhin sind die für ausschmelzbare Metallkerne erforderlichen Legierungen relativ teuer. Hinzu kommt der erhebliche Energieverbrauch, insbesondere zur Herstellung der Metallschmelze zum Gießen des Formkerns bzw. zum Ausschmelzen mit dem induktiven Ofen. Ein großer Nachteil ist weiterhin das enorme Gewicht des Metallkerns und damit des den Metallkern enthaltenen Kunststoffbauteils von z. B. 50 kg oder mehr. Dies erschwert zum einen die Handhabung, zum anderen hat sich gezeigt, daß der Metallkern in dem noch nicht ausgehärteten Kunststoffgegenstand aufgrund seines großen Gewichts nach unten sinkt und damit zu unerwünschten Änderungen der Wandstärke des Kunststoffgegenstandes führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auch relativ große Kunststoffbauteile mit komplizierten Hinterschneidungen oder Hohlräumen ohne eine Gießerei hergestellt werden können, und zwar unter Verwendung eines einfach herzustellenden und zu handhabenden, d. h. insbesondere robusten und leichten, sowie schnell entfernbaren Formkerns.

Dies wird erfindungsgemäß mit einem Formkern erreicht, der zumindest teilweise aus wasserlöslichem Kunststoff besteht. Der wasserlösliche Kunststoff kann erfindungsgemäß in neutralem, alkalischem oder sauerem Medium löslich sein.

Wesentlich ist lediglich, daß er ausreichende mechanische Eigenschaften besitzt, d. h. einen E-Modul von mindestens 5000 N/mm², bevorzugt von mindestens 8000 N/mm², und eine Bruchdehnung von weniger als 10%, vorzugsweise zwischen 0,3% und 5%, und daß er ferner eine thermische Kurzzeitbeständigkeit im Bereich von 70°C bis 150°C besitzt.

Als in neutralem Wasser löslicher Kunststoff kommt z. B. Poly(meth)acrylsäure in Betracht. Da das Arbeiten mit in neutralem Wasser löslichen Kunststoffen unter anderem eine trockene Umgebung und trockene Einrichtungen erfordert, werden erfindungsgemäß jedoch im allgemeinen Kunststoffe bevorzugt, die in neutralem Wasser unlöslich sind, sich jedoch in saurer oder alkalischer Lösung lösen.

Als in saurer Lösung lösliche Kunststoffe werden erfindungsgemäß vorzugsweise Kunststoffe eingesetzt, die salzbildende Amin-Gruppen besitzen, während als in alkalischer Lösung lösliche Kunststoffe insbesondere solche einsetzbar sind, die Carboxylgruppen enthalten.

Die in saurer bzw. alkalischer Lösung löslichen, in neutraler, zumindest jedoch alkalischer bzw. saurer Lösung unlöslichen Kunststoffe besitzen ferner den großen Vorteil, daß sie Recycling-fähig sind, d. h. im Kreislauf geführt zur Herstellung neuer Kerne wiederverwendet werden können. Das heißt, der Kern wird mit einer sauren bzw. alkalischen Lösung aus dem ihn umhüllenden Kunststoffgegenstand herausgelöst, worauf die Kunststoff-Lösung mit einer Lauge alkalisiert bzw. mit einer Säure angesäuert, jedenfalls neutralisiert wird, wodurch der Kunststoff wieder in seine unlösliche Form übergeführt wird. Er wird dann z. B. durch Filtrieren abgetrennt, getrocknet und dann erneut als Ausgangsmaterial zur Herstellung eines Kernes eingesetzt.

Der Kunststoff zum Herstellen des Kerns ist vorzugsweise ein spritz- oder preßfähiger Thermoplast.

Als in alkalischem Medium löslicher Kunststoff wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Kunststoff verwendet, der aus einem Polymerisat mit einer ungesättigten Carbonsäure als Comonomerem, z. B. Acrylsäure oder Methacrylsäure, Crotonsäure, Itaconsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure, besteht. Der Kunststoff zum Herstellen des Kerns ist vorzugsweise ein spritz- oder preßfähiger Thermoplast.

Besonders bevorzugt werden Polymerisate auf Acrylsäure- bzw. Methacrylsäure-Basis. So hat sich ein Polymerisat aus 1 Mol Methacrylsäure bzw. Acrylsäure, 1 bis 8 Mol, vorzugsweise 2,5 bis 6 Mol Methacrylat bzw. Acrylat und 0 bis 1 Mol eines Termonomeren sowie üblichen Polymerisationszusätzen als besonders geeignet erwiesen.

Ein derartiges Polymerisat ist aus der unter der Nummer 0 143 935 veröffentlichten europäischen Anmeldung bekannt.

Als Methacrylat bzw. Acrylat wird vorzugsweise Methylmethacrylat oder Ethylmethacrylat bzw. Methylacrylat oder Ethylacrylat eingesetzt, wobei ein Molverhältnis von (Meth)Acrylat zur (Meth)Acrylsäure von 2 : 1 bis 4 : 1 bevorzugt wird. Dabei hat sich gezeigt, daß die Festigkeit des Kerns mit zunehmendem Säureanteil des Kunststoffs steigt.

Als Termonomere sind z. B. Vinylether mit 3 bis 18 Kohlenstoffatomen, insbesondere Vinylisobutylether, sowie aromatische Vinylkohlenwasserstoffe mit 8 bis 11 Kohlenstoffatomen sowie Acrylate oder Methacrylate mit einem Alkoholrest von 11 bis 18 Kohlenstoffatomen geeignet.

Auch können Itaconsäure, Maleinsäure, Fumarsäure oder Crotonsäure die (Meth)Acrylsäure zum Teil ersetzen.

Aufgrund ihrer hohen Wasserlöslichkeit kann das Polymerisat z. B. auch Hydroxyethyl- oder Hydroxypropyl (Meth)Acrylat als Comonomeres enthalten.

Dem Kunststoff werden erfindungsgemäß vorzugsweise bis zu 4 Gewichtsprozent eines Gleitmittels, wie Stearinsäure oder Talkum, zugesetzt.

Die Herstellung dieser Polymerisate wird vorzugsweise mit einem Reaktionsextruder durchgeführt, wie er in der unter Nummer 1 143 894 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung beschrieben ist.

Dem Kunststoff wird für den erfindungsgemäßen Formkern vorzugsweise ein Füllstoff zugesetzt. Als solche in die Kunststoffmatrix eingebettete Füllstoffe kommen z. B. Sand oder Gesteinsmehl in Betracht.

Eine erhebliche Steigerung der Lösungsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Formkerns wird jedoch erreicht, wenn als Füllstoff ein wasserlösliches Salz eingesetzt wird. Dabei haben sich Sulfate und Nitrate, insbesondere Alkalisulfate bzw. -nitrate wie Natriumsulfat bzw. -nitrat, als besonders geeignet erwiesen, während Chloride, wie Natriumchlorid, unter anderem auch deshalb weniger geeignet sind, weil sie die Werkzeuge angreifen.

Der Anteil des Kunststoffs in dem Kunststoff/Füllstoff-Gemisch soll jedoch mindestens 25, vorzugsweise mindestens 40 Gew.-% betragen, damit der Formkern zufriedenstellende mechanische Eigenschaften aufweist.

Auch kann dem Kunststoff ein Treibmittel zugesetzt werden. So führt ein TSG (Thermoplast- oder Treibmittel-Schaum-Guß) mit einem Zusatz von 2 Gew.-% eines Treibmittels, welches von der Firma LNP unter der Bezeichnung FOR CON 20 erhältlich ist, zu einer Gewichtsreduzierung des Formkerns um 33% und einer Erhöhung der Lösungsgeschwindigkeit des Kerns. Jedoch sollte der Zusatz des festen Treibmittels nicht mehr als 5 Gew.-% betragen, da dann die mechanischen Eigenschaften des Kerns zu wünschen übrig lassen.

Bei einem im Alkalischen löslichen Kern ist es ferner zweckmäßig, zur Erhöhung der Lösungsgeschwindigkeit dem Kunststoff feste alkalische Stoffe, wie Alkalihydroxid oder -carbonat, einzuverleiben.

Um die Lösungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird der Formkern erfindungsgemäß vorzugsweise hohl ausgebildet, d. h. er weist einen durchgehenden Kanal auf, durch den man das wäßrige Lösungsmittel, im Falle eines im alkalischen löslichen Kunststoffs also die alkalische Lösung, strömen läßt, um den Formkern nach dem Ummanteln unter Bildung des Kunststoffgegenstandes aus demselben herauszulösen.

Die Herstellung des hohlen Formkerns erfolgt vorzugsweise durch Hohlkörperspritzen oder mit dem Cinpreß-Verfahren. Dabei können auch relativ große Wandstärkenänderungen des Kerns ohne weiteres hingenommen werden. Jedoch ist auch jedes andere zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern geeignete Formverfahren anwendbar. Ferner ist es denkbar, Halbschalen aus dem Kunststoff zu spritzen oder sonst wie zu formen, die dann miteinander z. B. durch Kleben oder Klammern zum Kern verbunden werden.

In Bereichen, in denen der Kern, wenn er mit der Kunststoffmasse umhüllt wird, aus der der gewünschte Kunststoffgegenstand hergestellt wird, einem hohen Massedruck ausgesetzt ist, wird der Kern mit Verstärkungsteilen versehen, beispielsweise aus Metall.

Ferner können in den Kern Einleger (Inserts) integriert werden, die aus ihm herausragen und in die Masse des den Kern umhüllenden Kunststoffs eingeschlossen und damit in dem Kunststoffgegenstand fixiert werden.

Das Umhüllen des Kerns mit der Kunststoffmasse kann durch Umgießen, Umwickeln, Umspritzen, Umschäumen, Umblasen, Umpressen, Umlaminieren oder Pultrudieren erfolgen.

Als Grundstoffe zum Umhüllen des Kerns, d. h. zur Herstellung des Kunststoffgegenstandes, können Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere sowie thermoplastische Elastomere mit und ohne Faserverstärkung sowie mit und ohne Additiven, wie Gleitmittel, Antioxidantien, Pigmente usw., verwendet werden.

Das Gießen kann mit Duro- und Thermoplasten erfolgen. Zum Umwickeln werden mit Duroplasten getränkte Rovings oder Bänder verwendet. Zum Spritzen können Thermoplaste oder thermoplastische Elastomere, aber auch Duroplaste verwendet werden. Das Umschäumen wird vorzugsweise mit Polyurethan- oder Thermoplastschäumen durchgeführt. Zum Umblasen werden vorzugsweise Thermoplaste eingesetzt, während sich zum Umpressen Duroplaste bzw. zum Heißpressen Prepregs eignen. Zum Umlaminieren können beispielsweise auch faserverstärkte Duroplaste oder Thermoplaste verwendet werden.

Das Umspritzen des Kerns mit Thermoplasten wird jedoch im allgemeinen bevorzugt. Als Thermoplaste werden dabei vorteilhaft Polyamide (PA 6.6) Polyethylenterephthalat (PETP), Polybutylen (PBTP), Polyethersulfone (PESU), Polyacrylamide (PAA), Polyetherimide (PEI), Polyetheretherketone (PEEK), Polyethersulfone (PESU), Polyphenylensulfon (PPS) sowie Polyacrylimid (PAI) verwendet.

Der eingesetzte Kunststoff soll dabei temperatur- bzw. hoch temperaturfest sein, d. h. vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit von mehr als 150°C besitzen.

Das Lösen des Formkerns erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise mit einer erwärmten wäßrigen Lösung, vorzugsweise mit einer Temperatur von etwa 100°C oder knapp darunter.

Bei einem Formkern aus einem in alkalischer Lösung löslichen Kunststoff wird zum Lösen vorzugsweise ein Alkalihydroxyd oder -carbonat oder Ammoniak verwendet. Dazu kann der mit dem Kunststoffgegenstand ummantelte Formkern in die alkalische Lösung gelegt, mit ihr bespritzt oder gespült werden. Eine hohe Lösungsgeschwindigkeit wird erzielt, wenn der Kern mit dem Kunststoffgegenstand in einem Autoklaven bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck einem Ammoniak/Wasserdampf-Gemisch ausgesetzt wird.

Damit das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich durchführbar ist, sollte die zum Lösen des Kerns erforderliche Zeit bei einer Temperatur von 100°C bei einer Wandstärke des Kerns von 5 bis 10 mm weniger als 30 Minuten betragen.

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren "on line", d. h. ohne einen aus der Kunststofftechnik ausgelagerten Fertigungsprozeß durchführbar ist. Der Kunststoff für den Kern kann aus relativ billigen Ausgangsmaterialien hergestellt werden. Durch das Recycling des Kunststoffs ergeben sich im übrigen auch keine Deponieprobleme, wie sie z. B. aufgetreten sind, als versucht wurde, Kerne aus Salz mit einem geringen Zusatz eines Kunststoffbindemittels herzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung von Kunststoffbauteilen in der Automobilindustrie hervorragend geeignet. So können z. B. folgende Kunststoffbauteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden: Ansauganlagen, Kühlmittelsammler, Einspritzleiste für Kraftstoffeinspritzsonden, Drosselklappenstutzen, Wasserpumpengehäuse, Druckbehälter z. B. für Hochdruckwaschanlgen, Achsschenkelhalterung usw.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläuert, deren einzige Figur einen schematischen Ablaufplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Stationen A bis D wiedergibt.

Danach wird gemäß Station D ein Krümmer 1 mit Ansatz 2 für die Ansauganlage des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges hergestellt. Dabei wird in Station A zum Hohlkörperspritzen eines Formkerns 3 mit einem Hohlraum 4 eine Form 5 aus zwei Teilen 6 und 7 und einem Angußstutzen 8 verwendet. Über die Blas-Spritzdüse 9 wird die thermoplastische Kunststoffmasse zugeführt, wobei über eine in der Achse der Spritzdüse 9 angeordnete nicht dargestellte Druckluftleitung Luft zugeführt wird.

Der Formkern 3 wird anschließend entformt, worauf die Polkappen 10, 11 abgetrennt werden, so daß aus dem Hohlraum 4 ein durchgehender Kanal entsteht.

Anschließend wird der Formkern 3 zum Umspritzen mit der Kunststoffmasse, aus der der Krümmer 1 hergestellt wird, in eine teilbare Form 12 mit einem Angußstutzen 13 gegeben (Station B), worauf mit der Spritzdüse 14 der Kern 3 mit der Kunststoffmasse umspritz wird.

Der Krümmer 1 mit dem Kern 3 wird anschließend entformt, worauf der Kern 3 in Station C herausgespült wird, d. h. durch den Hohlraum bzw. den durchgehenden Kanal 4 läßt man eine alkalische Lösung 15 strömen, um den aus einem im alkalischen löslichen Kunststoff bestehenden Kern 3 aufzulösen.

Die alkalische Lösung mit dem darin gelösten Kunststoff wird anschließend in einem Behälter 16 durch Zugabe von Säure 17 angesäuert, worauf der Kunststoff ausfällt. Die Kunststoffmasse wird dann mit der Filtriereinrichtung 18 vom Filtrat 19 abgetrennt und kann dann nach dem Trocknen zum Hohlkörperspritzen des Kerns 3 der Spritzdüse 9 wieder zugeführt werden.

Nachstehend ist die Herstellung eines Kunststoffs für den erfindungsgemäßen Kern anhand eines Beispiels näher beschrieben.

Beispiel

Aus einem Compound aus Acrylsäure und Acrylsäure­ methylsäureester, mehr als 30% eines Salzes als Füllstoff und einer geringeren Menge eines Gleitmittels wurden gemäß der Erfindung Formkerne hergestellt. Das Kernmaterial hatte einen Elastizitätsmodul von über 10 000 N/mm² und eine Bruchdehnung von weniger als 0,5%.

Aus diesem Werkstoff wurden Formkerne durch Spritz­ gießen hergestellt und mit Polyamid 66 mit 30% Glasfaseranteil umspritzt. Es konnte eine hervor­ ragende Abzeichnung des formgebenden Profils sowie der Oberflächennarbung nachgewiesen werden. Diese Kerne wurden mit Natronlauge herausgelöst.

Claims (29)

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffgegenständen, die Hinterschneidungen aufweisen, mit einem in wäßriger Lösung löslichen Formkern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkern verwendet wird, der zumindest teilweise aus wasserlöslichem Kunststoff besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einer sauren oder alkalischen, wäßrigen Lösung löslich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff nach dem Lösen in saurer oder alkalischer wäßriger Lösung durch Alkalisieren bzw. Ansäuern der Lösung ausgefällt, abgetrennt und zur Kernherstellung wiederverwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoff aus einem Polymerisat mit einer ungesättigten Carbonsäure als Comonomerem verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Polymerisat aus 1 Mol (Meth)Acrylsäure, 1 bis 8 Mol (Meth)Acrylat, 0 bis 1 Mol eines Termonomeren sowie üblichen Polymerisationszusätzen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das (Meth)Acrylat ein Ester der (Meth)Acrylsäure mit einem Alkohol mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist.

7. Verfahren nach einem de Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als alkalische Lösung zum Lösen des Formkerns eine Alkalihydroxid- oder -carbonat-Lösung oder Ammoniak verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoff verwendet wird, in den feste alkalische Stoffe eingelagert sind.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung zum Lösen des Formkens auf eine Temperatur erwärmt wird, die zwischen 80°C und unterhalb des Siedepunkts der Lösung liegt.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkern aus einem Gemisch aus dem wasserlöslichen Kunststoff und einem Füllstoff verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffanteil mindestens 25 Gew.-% des Gemischs beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oer 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff ein wasserlösliches Salz verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz ein Alkali- oder Ammonium-Sulfat oder -Nitrat ist.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkern hohl ausgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Formkern durch Hohlkörperspritzen hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkern teilweise mit metallischen Teilen verstärkt wird.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anbringung von Einlegern am Kunststoffgegenstand der Formkern mit den aus ihm herausragenden Einlegern versehen wird.

18. Wasserlöslicher Formkern zur Herstellung von Kunststoffgegenständen mit Hinterschneidungen, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise aus wasserlöslichem Kunststoff besteht.

19. Formkern nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff in einer sauren oder alkalischen, wäßrigen Lösung löslich ist.

20. Formkern nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem Polymerisat mit einer ungesättigten Carbonsäure als Comonomerem besteht.

21. Formkern nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Polymerisat aus 1 Mol (Meth)Acrylat, 1 bis 8 Mol (Meth)Acrylsäure, 0 bis 1 Mol eines Termonomeren sowie üblichen Polymerisationszusätzen ist.

22. Formkern nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das (Meth)Acrylat ein Ester der (Meth)Acrylsäure mit einem Alkohol mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist.

23. Formkern nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kunststoff feste alkalische Stoffe eingelagert sind.

24. Formkern nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gemisch aus dem wasserlöslichen Kunststoff und einem Füllstoff besteht.

25. Formkern nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffanteil des Gemischs mindestens 10 Gew.-% beträgt.

26. Formkern nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff ein wasserlösliches Salz ist.

27. Formkern nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz ein Alkali- oder Ammonium-Sulfat oder -Nitrat ist.

28. Formkern nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß er hohl ausgebildet ist.

29. Formkern nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß er teilweise mit metallischen Teilen verstärkt ist.