-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge für den Metallspritzguss und
genauer gesagt ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge durch
Pulvermetallurgietechniken, um diesen ein gesteuertes Ausmaß an Porosität zu verleihen.
-
Stand der Technik
-
Kunststoffspritzguss
ist eine sehr große
Industrie, und wir verlassen uns Tag für Tag auf Hunderte von Kunststoffspritzguss-Produkten.
Die Liste ist endlos, umfasst jedoch Kraftfahrzeugsinnenteile, Mobiltelefongehäuse sowie
Fenster, Deckel und Verschlüsse,
Kinderspielsachen, Küchenartikel,
Büroausstattung
etc. Obwohl dieser Industriezweig große Fortschritte vorzuweisen
hat, sind Produktkomplexität
und Produktionsleistung nach wie vor begrenzt. Diese Begrenzungen
sind nicht auf die Spritzgussmaschinen selbst, sondern eher auf
die durch Werkzeugdesign und in Spritzgussmaschinen verwendeten
Werkzeugmaterialien auferlegten Einschränkungen zurückzuführen.
-
Die
für Spritzgussmaschinen
bekannten Werkzeuge bestehen aus Guss- und Schmiedestahl und sind
seit über
50 Jahren verfügbar.
Die bekannten Spritzgusswerkzeuge verfügen über eine Reihe von Nachteilen.
Die bekannten Maschinen sind so gebaut, dass Luft bei Befüllung der
Formhöhlung
mit Kunststoffmaterial aus dieser entweichen kann. Diese Werkzeuge
werden üblicherweise
nicht ausreichend mit Wasser, das durch die in die Formwände gebohrten
Kanäle
fließt,
abgekühlt.
Die Produktivität ist
gering, weil die Kunststoffkomponente in der Form verweilen muss,
bis sie fest genug ist, um ihre Form zu halten und entnommen zu
werden. Andere Merkmale, wie z.B. Oberflächenqualität, können ebenfalls durch Abkühlungsschwächen beeinträchtigt werden. Eine
bessere und gleichmäßigere Abkühlung der Form
würde bedeuten,
dass die Temperatur, bei welcher der Kunststoff fest wird, früher erreicht
werden könnte,
wodurch die Zykluszeit reduziert und die Produktivität erhöht werden
würden.
-
Auf
der Grundlage aktueller Kenntnisse über Gas und Gasverwendung,
Polymerverarbeitungstechniken und Metallurgie von Werkzeugmaterialien wurde
eine neue Abkühlungstechnologie
entwickelt, die als großer
Durchbruch für
die Kunststoffherstellungsindustrie und insbesondere den Kunststoffspritzguss
bezeichnet wurde. Diese Technologie verspricht höhere Produktivität, größere Designfreiheit für komplexe
Produkte, höhere
Profile und eine breitere Produktpalette, da das Potential zur Reduzierung
der Produktionszykluszeiten um 20 bis 40 % gegeben ist.
-
Die
neue Technologie ist ein fortschrittliches Abkühlungskonzept, bei dem flüssiges Kühlgas in
die Form gespritzt wird, wo es verdampft. Das resultierende Gas
entweicht aus der Form. Diese Technologie erfordert ein Formmaterial,
das mit einheitlicher und gesteuerter Porosität hergestellt wurde, um ein optimales
Abkühlen
zu gewährleisten.
Durch die Verwendung von Mikroporen im Formmaterial können die
Verdampfungskühlpunkte
nahe der Formoberfläche
der Form platziert werden. Die Geometrie der Form unterliegt genauso
wie bei Formen, die eingebohrte Wasserkanäle aufweisen, keiner besonderen Beschränkung.
-
Obwohl
die Technologie der Gaskühlung praktikabel
ist, lag die Schwierigkeit in der Verfügbarkeit geeigneter Materialien
für die
Formen und der Unfähigkeit,
einen gesteuerten und gleichmäßigen Qualitätsgrad hinsichtlich
der Mikroporosität
im Formmaterial zu erhalten. Darüber
hinaus gab es keine wirksame Technik zur Herstellung einer Verbundmaterialform
mit einem porösen
Inneren und einer festen Oberflächenschicht,
wie dies in vielen Anwendungen erforderlich ist, bei denen die Oberflächenqualität von allerhöchster Wichtigkeit
ist.
-
Versuche
zur Herstellung solcher Werkzeuge durch herkömmliche Press- und Sinterverfahren der
Pulvermetallurgie erbrachten nicht die gewünschten Resultate. Solche Verfahren
können
die erforderlichen Porositätsgrade
mit dem benötigten Steuerungsgrad
nicht erzielen. Das Press- und Sinterverfahren ergibt ferner eine
nicht einheitliche Porengröße im Werkzeugmaterial.
Bei solchen Variationen kann das Abkühlen der Werkzeugoberfläche nicht
gesteuert werden, und die Vorteile der neuen Gaskühltechnik
können
nicht wirksam angewandt werden. Darüber hinaus kann die herkömmliche Press-
und Sintertechnologie der Pulvermetallurgie keine feste Oberfläche am Werkzeug
erstellen, während
gleichzeitig eine gesteuerte und gleichmäßige mikroporöse Unterstruktur
erzielt wird.
-
Im
US-Patent 5.850.590 ist
die Herstellung von porösen
Werkzeugen für
den Spritzguss mittels HIP offenbart.
-
Es
versteht sich, dass ein Material und ein Verfahren entwickelt werden
müssen,
um Werkzeuge herzustellen, die sich das neue Gaskühlungskonzept für Kunststoffspritzgusswerkzeuge
und -formen zunutze machen können.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst den Gebrauch von korrosionsbeständigen Materialien
zusammen mit einem Pulvermetallurgieverdichtungsverfahren, das ein
mikroporöses
Werkzeug mit gesteuerter Porosität und
Porengröße herstellen
kann. Die Verdichtungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung
kann darüber
hinaus Verbundwerkzeuge herstellen, die entwickelt wurden, um, wie
für eine
bestimmte Anwendung erforderlich ist, sowohl über feste Oberflächen als auch
poröse
Bereiche zu verfügen.
Im Gegensatz zu anderen Pulvermetallurgieverdichtungsverfahren stellt
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung um Größenordnungen
höheren
Druck, niedrigere Verdichtungstemperaturen und geringere Zykluszeiten
bereit. Diese Vorteile führen
zu geringeren Herstellungskosten und wesentlich geringeren Investitionen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
mit den bekannten Möglichkeiten
zur Herstellung von Spritzgusswerkzeugen verbundenen Nachteile werden
in hohem Grade durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
beseitigt. Das Verfahren zur Herstellung eines Metallwerkzeuges mit
gesteuerter Porosität
gemäß der vorliegenden
Erfindung beginnt mit dem Schritt der Herstellung eines Metallpulvers
durch Gasatomisieren. Das Metallpulver wird in einen Metallbehälter gefüllt. Der
mit dem Pulver gefühlte
Behälter
wird in ein Metallgefäß platziert
und mit Glasfritte umgeben. Das Metallgefäß wird anschließend auf
eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Glasfritte zu schmelzen,
ohne je doch dabei die gewünschten
Eigenschaften des Metallpulvers zu beeinträchtigen. Das Metallgefäß wird anschließend unter
ausreichendem Druck komprimiert, um des Metallpulver teilweise zu
verdichten, um eine Porosität
darin in einem Ausmaß beizubehalten,
die ausreicht, um das Durchdringen des Metallwerkzeugs mit Luft
zu ermöglichen.
-
Dieses
neue Verfahren zur Herstellung von gesteuerten und einheitlich gleichmäßigen mikroporösen korrosionsbeständigen Werkzeugen
erhöht nicht
nur die Kunststoffspritzgussproduktivität um 20 bis 40 %, sondern beseitigt
auch viele inhärente
Kühlungs-
und Qualitätsschwierigkeiten,
auf die man gegenwärtig
in der herkömmlichen
Formherstellungstechnik stößt. Da die
Spritzformen porös
sind, kann beim Einspritzen des Kunststoffmaterials Luft durch die
Formwände
durchdringen. Dadurch wird das Entlüftungsproblem herkömmlicher
Formen beseitigt. Darüber
hinaus kann eine kleine Menge an flüssigem Gas nach dem Einspritzen
des Kunststoffs in die Formhöhlung
in die Form gespritzt werden, um das Teil rasch und problemlos herauszulösen. Dadurch kommt
es zu geringerem Klemmen von Einspritzmaschinen und weniger Ausschuss
aufgrund von Auswerfermarkierungen. Insgesamt stellt diese Technologie
Werkzeuge für
den Kunststoffspritzguss bereit, die zum Teil Kühlungs-, Entlüftungs-
und Oberflächenqualitätsvorteile
gegenüber
in der Industrie gegenwärtig
verwendeten Werkzeugen aufweist.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die
zuvorige Zusammenfassung und die nachstehende detaillierte Beschreibung
können, wenn
sie durch Bezugnahme auf die Zeichnungen gelesen werden, zu einem
besseren Verständnis
führen.
In den Zeichnungen ist:
-
1 ein
schematisches Diagramm des Komprimierungsschritts im Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2A eine
Segmentansicht einer Werkzeug-Vorform, die durch das Verfahren gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
-
2B eine
Segmentansicht einer Verbundwerkzeug-Vorform, die durch das Verfahren
gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines
korrosionsbeständigen, mikroporösen Materials
mit offenen und/oder geschlossenen Oberflächen, das verwendet werden kann,
um ein einheitliches und gleichmäßiges Abkühlen von
Werkzeugen zu bewirken, die für
den Kunststoffspritzguss verwendet werden. Das Verfahren umfasst
anfänglich
die Herstellung von gasatomisierten Pulvermetallen durch bekannte
Pulvermetallurgietechniken. In einem zweiten Schritt wird ein Formbehälter hergestellt,
der das pulverisierte Metall aufbewahrt. Der mit dem Pulver gefüllte Behälter wird auf
eine geeignete Temperatur erhitzt und dann verdichtet. Die Anordnung
wird quasi-isostatisch in einem flüssigen Medium bei geregeltem
Druck mittels einer Standardhydraulikpresse verdichtet. Das Verdichtungsverfahren
ist im Wesentlichen ein Einstufenverfahren.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsformen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nachstehend bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen
beschrieben. Das Material für
das mikroporöse
Werkzeug wird gemäß der Betriebsumgebung
des Kunststoffspritzgussverfahrens und den herzustellenden Komponenten
ausgewählt.
Das gasatomisierte Metallpulver wird auf eine Teilchengrößenverteilung
siebklassiert, die mit dem Porositätsgrad, der Porengröße und der
durch die Formungsanwendung erforderten Festigkeit übereinstimmt.
Die Pulverteilchengröße stellt
dabei keine entscheidende Variable dar. Daher kann zum Zwecke der
Wirtschaftlichkeit eine breite Reihe von Pulverteilchengrößen verwendet
werden. Mit Pulverteilchengrößen von –80 Mesh und
kleiner wurden gute Ergebnisse erzielt. Es versteht sich jedoch,
dass andere Größen für andere
Typen von Spritzgusswerkzeugen geeigneter sind. Das siebklassierte
Pulver wird mittels Schwingung in einen Formbehälter gefüllt. Die Form des Behälters hängt vom
physikalischen Design der Spritzgussform ab. Der mit dem Pulver
gefüllte
Behälter
wird evakuiert, durch Bördeln
der Evakuierungsdüse
abgedichtet und anschließend
durch Schweißen
verschlossen.
-
Die
Verdichtung des Metallpulvers geht wie folgt voran. Die Pulver/Behälter-Anordnung
wird in ein offenes Metallgefäß platziert,
das von Glasfritte umgeben ist. Das die Pulver/Behälter-Anordnung und
die Glasfritte enthaltende Metallgefäß wird in ei nen Ofen platziert.
Das Metallgefäß wird auf
eine für das
Werkzeug geeignete Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Glasfritte
zu schmelzen und zu verflüssigen.
Nach einer entsprechenden Zeit zur Erreichung der Temperatureinheitlichkeit
wird die Gefäß/Behälter-Anordnung
aus dem Ofen entfernt. Sie wird in eine Topfspritzform platziert,
die in eine Hydraulikpresse platziert ist bzw. sich darin befindet.
Mit der Presse wird auf die Anordnung in der Topfspritzform ausreichend
Druck ausgeübt,
um das Metallpulver zu verdichten, während das gewünschte Ausmaß an Porosität beibehalten
wird. Das Druckübertragungsmedium
in der Topfspritzform ist eine geschmolzene, jedoch hochviskose
Glasfritte. Nach dem Pressen werden das verdichtete Pulver und die Behälteranordnung
aus der Presse ausgeworfen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. 2 (oben) zeigt eine vollständig poröse Werkzeug-Vorform, die durch
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde.
-
Verdichtungsversuche
an Metallpulverlegierungen 420 LC, einem Edelstahl, und H13, einem Werkzeugstahl,
haben gezeigt, dass die Porosität von
einer geringen Dichte von 60 % zu einer Dichte von 100 % gesteuert
werden kann. Die Porengröße kann
ebenfalls durch Verfahrensvariable gesteuert werden. Schlüsselvariable
des Verfahrens umfassen Pulverteilchengröße, Verdichtungstemperatur
und den durch die Hydraulikpresse ausgeübten Druck. Ein bevorzugter
Temperaturbereich beträgt
etwa 1.850 °F
bis etwa 2.050 °F.
Ein bevorzugter Schmiedebereich beträgt etwa 250 Tonnen bis etwa
600 Tonnen. Das flüssige
Glasmedium übt
einen quasi-isostatischen Druck auf das containisierte Metallpulver aus
und ergibt eine im Wesentlichen einheitliche Porosität im gesamten
Produkt. Darüber
hinaus helfen die relativ geringen Presstemperaturen dabei, die
Bildung von schädlichen
Phasen im Matrixmaterial, die sich in komplexen Legierungen bei
in herkömmlichen Pulvermetallurgie-Verdichtungsverfahren
eingesetzten höheren
Temperaturen bilden können,
zu verhindern.
-
Für manche
spritzgegossene Kunststoffteile ist die Oberflächengüte entscheidend, und ein vollständig poröses Werkzeug
würde die
gewünschte Oberflächengüte nicht
bereitstellen. Um dieses Problem zu lösen, können Verbundwerkzeuge mit Flächen aus
fester und poröser
Struktur sowie Verbundwerkzeuge mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen
ebenfalls durch ein Verfahren gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Das alternative Verfahren
umfasst das Platzieren eines Stücks
eines festen, gegossen und geschmiedeten Materials in den Metallbehälter, bevor
das Metallpulver eingefüllt
wird. Der Metallbehälter
wird anschließend
mit dem Metallpulver befüllt
und wie oben beschrieben verdichtet. Das Metallpulver wird während des
Verdichtungsschritts an das feste Material gebunden. Das resultierende Werkzeugprodukt
weist eine Verbundstruktur auf, die aus einer vollständig verdichteten
Oberflächenschicht
und einer inneren porösen
Unterstruktur besteht. 2 (unten) zeigt
eine Verbundwerkzeug-Vorform, die durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde. Diese Verbundstruktur stellt ein Werkzeug
bereit, das eine gute Oberfläche
aufweist, um mit dem Kunststoffteil verbunden zu werden, während es
noch immer die von der porösen
Substruktur erforderte Kühlwirkung
bereitstellt.
-
Angesichts
der obigen Beschreibung sollten nun manche der neuen Merkmale und
Vorteile des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung klar sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gesteuerte
Porositätsgrade
bei Kunststoff-Spritzgusswerkzeugen einheitlicher und zu geringeren
Kosten bereitstellen als bekannte Pulvermetallurgieverdichtungstechniken.
Sowohl große
als auch kleine Werkzeuge mit einheitlicher Porosität können mit
diesem Verfahren hergestellt werden. Die Verwendung dieses Verfahrens
zur Herstellung von Werkzeugen für den
Kunststoffspritzguss wird sich auf diese sehr wichtige Industrie
wirtschaftlich äußerst positiv
auswirken.