DE69021824T2

DE69021824T2 - Verfahren zum Spritzgiessen und Vorrichtung dafür.

Info

Publication number: DE69021824T2
Application number: DE69021824T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Kasai; Kouji Kubota; Hideo Kuroda; Yoshio Shikase; Yukio Tamura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-10-19
Also published as: EP0425060A2; DE69021824D1; KR910007645A; EP0425060B1; EP0425060A3; KR920009940B1

Description

2. Anwendungsgebiet der Erfindung und der bisherige Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen mit miedrigem Schließdruck, das der Herstellung von Kunststoffspritzgußteilen mit einer hohen Maßgenauigkeit unter einem verringerten Preßdruck dient. In US-A-4 64 531 wird ein Verfahren mit der dazugehörigen Vorrichtung offengelegt, bei dem nach erfolgter Füllung des Formhohlraums eine Nachkompressionsphase vorgesehen ist, wobei bewegliche Formhälften eingesetzt werden.
Bei herkömmlichen Spritzgießmaschinen werden hohe Preßdruckwerte von 50 bis 100 MPa angewendet, die den Nachteil mit sich bringen, daß dadurch Spritzgußteile erzeugt werden, die infolge einer hohen inneren Spannung nach dem Spritzgießen Formabweichungen aufweisen, was wiederum zu einer geringeren Maßgenauigkeit führt, daß ferner eine teure Metallform verwendet werden muß und daß die Lebensdauer der Metallform verhältnismäßig kurz ist. Zur weiteren Erläuterung dieser Tatsache ist in Figur 4 ein typisches Belastungs-/Zeitdiagramm dargestellt, das den Verlauf der Veränderung des Preßdruckes mit der Zeit in einem Einspritzzyklus bei einer herkömmlichen Spritzgießmaschine veranschaulicht. Kurven a, b c und d zeigen jeweils den Verlauf der Veränderung des Einspritzdrukkes, des Druckes am Einlauf in den Formhohlraum, des Druckes am Ende des Formhohlraums und des Schließdruckes. Wie aus den Kurven a, b c und d von Figur 4 ersichtlich wird, sind sowohl für den Einspritzdruck, den Innendruck der Form als auch für den Schließdruck höhere Werte erforderlich. Diese Tatsache wird einem hohen Druckabfall im Inneren des engen Formhohlraums zugeschrieben, die infolge des erzwungenen Flusses der piastizierten Formmasse, die eine höhere Viskosität besitzt, entsteht, wodurch sich beim Spritzgießen von Formteiien, die im allgemeinen höhere L/t-Werte aufweisen (d.h. Länge/ Wanddicke des Formteils), ein höherer Fließwiderstand und damit ein längerer Fließweg entwickelt.
Herkömmliche Spritzgießmaschinen weisen ein erhebliches Ungleichgewicht zwischen den Innendrücken der Form, d.h. der Drücke am Einlauf in den Hohlraum und der am Ende des Hohlraums auf, was auch aus den typischen Belastungs-/Zeit-Kurven b und c für die Innendrücke der Form hervorgeht. Die Folge ist, daß sich in dem Metallwerkstoff der Form aufgrund eines solchen Ungleichgewichtes der Innendrücke eine höhere Spannung entwickelt. Folglich muß die Metallform bei einer herkömmlichen Spritzgießmaschine groß und schwerer und damit teuer sein, da der Werkstoff eine höhere Festigkeit haben muß.
Beim Spritzgießen einer Formmasse sollte ein Ausgleich für die mit dem Abkühlen des Formteils verbundene Verringerung in der Größe vorgesehen werden. Beim Spritzgießen wird es jedoch dann unmöglich, die plastizierte Formmasse im Formhohlraum einem effektiven Druck auszusetzen, wenn das Angußteil verschlossen oder versiegeit ist, wobei sich der Druck im Inneren des Hohlraums dann, wie oben beschrieben, in dem ungleichgewichtigen Bereich bewegt und die Schmelze, so wie sie ist, beim Abkühlen aushärtet. Hier wird dann das Ungleichgewicht des Innendruckes in dem Formteil als Eigenspannung eingefroren. Dadurch kann es zu einer fehlerhaften Formbeständigkeit sowie zu Verformungen und Einfallstellen kommen. Ebenso ist mit einer Verschwendung nutzloser Energie als Folge des Druckabfalls usw. zu rechnen.
Bei ZAS-Formen (aus einer Zinklegierung hergestellten Metallformen), die herkömmlicherweise zum Spritzgießen einer begrenzten Anzahl von Formteilen eingesetzt werden, kann es zu Verformungen infolge des Innendruckes, zur Bildung von Spritzgrat an den Formteilen, der an der Öffnung oder dem Zwischenraum zwischen den Formtrennfugen entsteht, zu Beschädigungen an der Form und zu einer verkürzten Lebensdauer der Form kommen, obwohl diese Formen zu etwa der Hälfte des Preises einer Stahlform (z.B. aus S55C usw.) erhältlich sind. Wenn eine derartige Verformung der Form auf ein Maß begrenzt werden könnte, das mit dem vergleichbar wäre, das bei einer aus Kohlenstoffstahl hergestellten Form zu erwarten wäre, dann wäre eine Massenproduktion von aus Zinklegierungen hergestellten Formen möglich. Tabelle 1 unten zeigt einen Vergleich zwischen den Daten für den Youngschen Elastizitätsmodul und den maximal zulässigen Druck im Inneren der Form aus einer Zinklegierung und aus Stahl. Tabelle 1 Youngscher Elastizitätsmodul und maximal zulässiger Innendruck der Form für verschiedene FormwerkstoffeWerkstoff der Form Youngscher Elastizitätsmodul (MPs) Maximal zul. Innendruck (MPa) Stahl Zn-Legierung (ZAS)
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ist zu erkennen, daß eine Massenproduktion von Formen dann möglich wäre, wenn sowohl bei ZAS-Formen als auch bei Stahlformen der Innendruck auf einen Wert unter 20 MPa gehalten werden könnte, da die Verformung der Form dem Youngschen Elastizitätsmodul des Formwerkstoffs umgekehrt proportional ist.
Es wurden verschiedene Vorschläge für Spritzgießverfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen unterbreitet, wie beispielsweise die japanischen Patentanmeldungen Kokai Nr. 167133/1983, 21225/1986 und 241114/1986 zeigen. Die oben beschriebenen Probleme konnten dabei jedoch nicht gelöst werden.

3. Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung

Mit dieser Erfindung soll ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Spritzgießens von Formmassen unter den Bedingungen eines niedrigen Schließdruckes vorgestellt werden, bei dem das Spritzgießen bei einem maximalen Inndendruck unter 20 MPa oder einem Preßdruck von 1/5 des normalerweise bei Stahlformen angewendeten Druckes erfolgt, was dem Verhältnis zwischen dem Youngschen Elastizitätsmodul für ZAS und für Stahl entspricht, um eine Senkung der Investitionskosten für Spritzgießwerkzeuge zu erreichen.
Die oben umrissene Aufgabe der Erfindung kann mit Hilfe des unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung gelöst werden.
So betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Durchführung des Spritzgießens von Kunststoff mit Hilfe einer Spritzgießmaschine einschließlich Metallform, die sich zusammensetzt aus einer beweglichen und einer festen Formhälfte, die gemeinsam den Formhohlraum bilden, einem Stellantrieb zum Verschieben der beweglichen Formhälfte und einer Einspritzvorrichtung mit einer Einspritzdüse, deren Durchlaßquerschnitt verändert werden kann, wobei das Verfahren eine erste Spritzgießphase umfaßt bei der eine plastizierte Formmasse in den Formhohlraum eingespritzt wird, der mit Hilfe der beweglichen Formhäifte so eingestellt wurde, daß eine Randschmelze entsteht, die hinterher in einer zweiten Spritzgießphase verdichtet wird, so daß der Einspritzvorgang unter einem verringerten Spritzdruck stattfindet, während in dem Einspritzstrom der Schmeize durch Drosseln der Düse eine Scherenergie erzeugt wird, was eine Temperaturerhöhung und damit eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse zur Folge hat, bis der Formhohlraum gefüllt ist, woran sich eine zweite Spritzgießphase anschließt in der die Formmasse, die so in den Formhohlraum gefüllt wurde, durch Verschieben der beweglichen Formhälfte verdichtet wird, um die Randschmelze auszugleichen, so daß auch nach dem Versiegeln des Angußteils eine Druckkraft auf die eingefüllte Formmasse in dem Formhohlraum wirken kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, daß in dem Einspritzstrom der plastizierten Formmasse dadurch eine Scherenergie erzeugt wird, daß eine Vorrichtung zum Drosseln des Fließwegs der Schmelze bzw. eine Vorrichtung zum Erwärmen der Schmelze vor dem Einspritzen in den Formhohlraum vorgesehen ist.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Einspritzstrom der plastizierten Formmasse dadurch eine Scherenergie erzeugt, daß nicht nur eine Drossel in die Einspritzdüse eingebaut wird, d.h. eine Vorrichtung zum Drosseln des Fließwegs der Schmelze, sondern auch eine Vorrichtung zum Erwärmen der Schmelze vor dem Einspritzen in den Formhohlraum vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Spritzgießens einer Formmasse vor, die mit einer eingebauten Metallform ausgestattet ist, und die sich zusammensetzt aus einer beweglichen Formhälfte und einer festen Formhälfte, die gemeinsam den Formhohlraum bilden, einem Stellantrieb zum Verschieben der beweglichen Formhälfte und einer Einspritzvorrichtung, die mit einer Einspritzdüse versehen ist, mit der der Düsenquerschnitt eingestellt werden kann, wobei eine Vorrichtung zum Einstellen der passenden Stellung der beweglichen Formhälfte zur festen Formhälfte vorgesehen ist, die unter Berücksichtigung der Volumenverringerung der Formmasse infolge der nachfolgenden Abkühlung nach dem Spritzgießen zu bestimmen ist, und wobei diese Vorrichtung aus einem Distanzstück, das zwischen der beweglichen Formhälfte und der festen Formhälfte angeordnet ist, sowie einem Positionssensor zur Bestimmung der Stellung des Distanzstückes besteht, und desweiteren eine Vorrichtung zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit und des Preßdruckes bei jedem Einspritzzyklus in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Durchlaßquerschnitts der Düse für die plastizierte Formmasse vorgesehen ist, so daß eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse und damit des Druckabfalls der fließenden Formmasse im Formhohlraum erreicht werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine weitere Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der plastizierten Formmasse, die aus einer Vorrichtung zum Drosseln des Fließwegs der plastizierten Formmasse zum Formhohlraum bzw. einer Vorrichtung zum Einstellen einer höheren Temperatur des Heizelementes in der Schneckenplastiziereinheit besteht und die so der Erhöhung des Schneckenstaudrucks oder der Erhöhung der Schneckendrehzahl dient.
Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine weitere Vorrichtung zur Veränderung der Fließgeschwindigkeit und des Preßdruckes bei jedem Einspritzzyklus in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Durchlaßquerschnitts der Düse für die plastizierte Formmasse, wodurch eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse und damit des Druckabfalls der fliessenden Formmasse im Formhohlraum erreicht wird.
Wie oben beschrieben, kann das Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter einem verringerten Preßdruck stattfinden, indem das Einspritzen in zwei Phasen erfolgt wobei in der ersten Phase die Schmelze in den Formhohlraum eingespritzt wird, dessen bewegliche Formhälfte verschoben wird, so daß sich eine Randschmelze bildet, die hinterher in der zweiten Spritzgießphase durch Verdichtung ausgeglichen wird, da sich dabei der Druckabfall der in den Formhohlraum fließenden Schmelze verringert. Durch den Einbau einer Drosselvorrichtung in die Einspritzdüse bzw. dadurch, daß die Schmelze beim Einspritzen mit einer hohen Schergeschwindigkeit durch einen engen Fließkanal geleitet wird, erhöht sich die Temperatur der Schmelze infolge der erzeugten Scherwärme. Als Folge davon verringert sich die Viskosität der Schmelze, und es wird möglich, eine plastizierte Formmasse in den Formhohlraum einzuspritzen, deren Viskosität wie oben beschrieben und schließlich noch weiter mit Hilfe einer Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Schmelze verringert wurde, wobei es in dem Hohlraum zu einem verminderten Druckabfall kommt und der Preßdruck folglich noch weiter abnimmt.
Dadurch daß die eingespritzte Formmasse nach dem Einspritzen in der ersten Spritzgießphase durch das Verschieben der beweglichen Formhäifte nachverdichtet wird, wirkt auf die eingespritzte Formmasse auch noch nach dem Versiegeln des Angußteils ein effektiver Druck, wodurch ein Formteil mit einer hohen Dichte und einer geringen Eigenspannung gewonnen werden kann.

4. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Schema, das den beschriebenen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Strömungsbild zeigt.
Figur 2 zeigt einen wesentlichen Teil um die Einspritzdüse der
Vorrichtung von Figur 1 herum in einem vergrößerten Axialschnitt.
Figur 3 zeigt einen wesentlichen Teil der Vorrichtung zum Einstellen der Lage der beweglichen Formhälfte der Vorrichtung von Figur 1.
Figur 4 ist ein Belastungs-/Zeit-Diagramm für eine herkömmliche Spritzgießmaschine.
Figur 5 ist ein Belastungs-/Zeit-Diagramm für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 6 zeigt die Anordnung der Sensoren zur Bestimmung des Druckes und der Temperatur in einer erfindungsgemäßen Versuchsform.
Figur 7 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Wanddicke des Formteils, der Angußteilmaße und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Verringerung des Preßdruckes zeigt.
Figur 8 ist ein p-v-T-Diagramm zum Spritzgießen bei Verwendung von ABS-Formmasse.
Figur 9 ist ein Schema, das den beschriebenen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Strömungsbild zeigt.
Figur 10 zeigt den wesentlichen Teil der Vorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel von Figur 9 in einem vergrößerten Querschnitt.

5. Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In dem ersten, in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Schnecke 1 vorgesehen, die beweglich innerhalb eines geschlossenen Raumes 2a angeordnet ist und die sich zusammensetzt aus einem Zylinder 2, einer Abschlußkappe 3 und einer gedrosselten Düse 4. Die zu formende Rohmasse wird in einen Einfülltrichter 5 gegeben, von wo aus sie in den Zylinder 2 gelangt, wo sie mit Hilfe der Schnecke 1, die durch einen Hydraulikmotor 6 angetrieben wird, und durch Erwärmen mittels eines hier nicht dargestellten Heizelements plastiziert und geschmolzen wird. Die so entstandene Schmelze wird dann durch die Schnecke weiter befördert und am Zylinderende als Verarbeitungsgut gesammelt. Die Achse 6a des Hydraulikmotors ist über ein Keilwellenprofil mit einem Einspritzkolben 8 verbunden, so daß sich beide gemeinsam drehen, während eine freie axiale Verschiebung zueinander ermöglicht wird. 9 ist ein Positionssensor für die Schnecke 1. 10 ist ein elektromagnetisches Entspannungsventil. Die Schnecke 1 wird so angetrieben, daß die Hydraulikflüssigkeit auf Befehl einer zentralen Steuereinheit 11 aus einer Hydraulikflüssigkeitsquelle über ein elektromagnetisches Steuerventil 1 3 und ein Durchflußmengenbegrenzungsventil 14 dem Einspritzzylinder zugeführt wird, so daß die Schmelze in den Formhohlraum eingespritzt wird.
Figur 2 zeigt Details der gedrosselten Düse 4 in einem ver-größerten Axialschnitt. Die Düse 20, in deren zentralen Fließweg eine Nadel 21 eingesetzt wurde, wird an dem vorderen Ende eines Ventilgehäuses 22, das über die Abschlußkappe 3 mit dem Zylinder 2 verbunden ist, fest gesichert. Die Nadel 21 ist mit einem Hebelarm 23 verbunden, der durch eine an der Nadel 21 vorgesehenen Aussparung 21 a mit einem Verbindungselement 24 drehbar verbunden ist, wobei sie durch einen in Figur 1 abgebildeteten hydraulischen Antriebsmechanismus 25 angetrieben wird. Die hydraulische Antriebsvorrichtung 25 ist mit Hilfe einer Schelle 26 fest am Zylinder montiert. Ein Positionssensor 27 ermittelt die Hubposition des Kolbens 24 und damit die Position des sich nach vorn oder nach hinten bewegenden Nadelendes 21. Die Schmelze durchfließt eine Vielzahl von Kanälen 22a (Figur 2), die über den Umfang des Ventilgehäuses verteilt sind, und einen Fließweg 20b und strömt schließlich durch die Öffnung der Düse 20a heraus. Das Ventilgehäuse 22 ist an der Abschlußkappe 3 mit Schrauben 28 befestigt, und die Düse wird in den Ventilgehäusekörper 22 eingeschraubt. Die Nadel 21 wird frei beweglich in das Ventilgehäuse eingesetzt, wobei das vordere Ende dadurch gehalten wird, daß ein Zwischenraum d&sub1; zwischen Nadel und Innenfläche der Düsenöffnung gelassen wird und das hintere Ende an dem Hebel 23 wie oben beschrieben befestigt wird. Ein Servoventil 29 dient der elektro-hydraulischen Steuerung des Zwischenraums d&sub1;, indem die Hubposition der hydraulischen Antriebsvorrichtung 25 bestimmt wird, wobei Signale erzeugt werden, die an die zentrale Steuereinheit 11 geliefert werden, wo sie in Auslösesignale zum Verschieben der Nadel 21 umgewandelt werden, um den Zwischenraum d&sub1; einzustellen. Hier werden die Auslösesignale aus den empfangenen Signalen mit den Signalen für einen voreingestellten Standardwert für d&sub0; verglichen und die Differenz davon, d.h. inkrementale oder dekrementale Signale, werden an das Servoventil 29 geliefert.
In der Plastizierungsphase wird der Zwischenraum d&sub1; geschlossen, indem die Nadel nach vorn geschoben wird, um ein Ausfließen der Schmelze mit niedriger Viskosität nach dem Plastizieren und Schmelzen zu verhindern. In der Einspritzphase wird die Nadel zurückgezogen, so daß der Zwischenraum d&sub1; vollständig geöffnet wird.
Eine bewegliche Platte 31 (Figur 1), an der eine bewegliche Formhälfte 32 befestigt ist, ist so angeordnet, daß sie mit Hilfe eines Schließzylinders 33 verschoben werden kann. Die bewegliche Formhälfte 32 greift in eine feste Formhälfte 35 ein, die fest an einer unbeweglichen Platte 34 montiert ist, und bildet mit ihr zusammen einen Formhohlraum 36. Beim Spritzgießen werden die Formhälften in der ersten Spritzgießphase in die erforderliche Stellung zueinander gebracht, so daß ein erstes Schließen bei einem voreingestellten Hohlraumvolumen erfolgt und dabei eine Randschmelze δ entsteht, die durch Verdichtung in der zweiten Spritzgießphase ausgeglichen wird. Ein keilförmiges Distanzstück 37 ist zwischen der beweglichen Formhälfte 32 und der festen Formhälfte 35 dient dazu, die Randschmelze δ genauer einzustellen, was mittels einer Antriebsvorrichtung 38 geschieht. Ein Positionssensor 39, der die Hubposition des keilförmigen Distanzstückes37 bestimmt, ist vorgesehen, um den Einführungshub des keilförmigen Distanzstückes zwischen den beiden Formhälften zu bestimmen. Dabei ist der Keilwinkel α des Distanzstückes 37 so ausgewählt, daß eine äußerst genaue Einstellung der Randschmelze δ durch das Einstellen der Überlappungslänge I des Distanzstückes mit den Formhälften erreicht werden kann. In vielen Fällen sind mehrere keilförmige Distanzstücke 37 zwischen den beiden Formhälften (35, 32) gleichmäßig über den Umfang der Formhälften verteilt angeordnet. Ein elektromagnetisches Umschaltventil 40 und ein elektromagnetisches Entspannungsventil, die die Hydraulikflüssigkeitszufuhr aus einer Hydraulikflüssigkeitsquelle 1 2 auf ein Steuersignal der Steuereinheit 11 hin regeln, sind vorgesehen, um den Schließzylinder 33 zu steuern.
Ausgelöst durch ein Signal von der Steuereinheit 11 wird jetzt aus der Düse 4 mit hoher Einspritzgeschwindigkeit eine stark verflüssigte Formmasse aus dem Verarbeitungsgut 7 in den Hohlraum 36, der mit der Randschmelze 6 eingestellt wurde, eingespritzt, bis der Hohlraum gefüllt ist. Die Steuereinheit 11 gibt nach Beendigung des Einspritzvorgangs ein Signal an das elektromagnetische Umschaltventil 40 und das elektromagnetische Entspannungsventil 41, um den Primärschließdruck zu reduzieren. Die keilförmigen Distanzstücke 37 werden vor dem Schließen des Zwischenraumes d&sub1; der gedrosselten Düse durch ein Signal, an das Servoventil 29 geliefert wird, zurückgezogen. In der zweiten Spritzgießphase wird dann die bewegliche Formhälfte 32 so verschoben, daß im Hohlraum 36 bei einem im voraus bestimmten Sekundärschließdruck eine im voraus bestimmte Zeit lang nach jedem Befehlssignal von der Steuereinheit 11 an das elektromagnetische Umschaltventil 40 und das elektromagnetische Entspannungsventil 41 ein Kompressionsdruck wirkt. Das Spritzgußteil wird nun, nachdem die Form ausgekühlt ist und es genügend ausgehärtet ist, herausgenommen, Indem die Form durch Verschieben der beweglichen Formhälfte 32 geöffnet wird.
Unten werden die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Versuchsergebnisse weiter beschrieben.

Verringerung des Preßdruckes

Versuchsbedingungen

Mit dem Einsatz einer Form zum Spritzgießen einer runden Scheibe von 200 ∅ wurde in einem Versuch zur Verringerung des Preßdruckes eine Einflußanalyse unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Einrichtung: Spritzgießmaschine mit 900/220 MPA
Form: Zum Spritzgießen einer runden Scheibe von 200 ∅ (vgl. Figur 6) mit einer Angußteilgröße (Anguß der Scheibe) von 0,3, 0,7 und 1,0 mm und einer Wanddicke der gegossenen Scheibe von 1 ,3 mm
Formmasse: Tafrex 210-W (ein ABS-Formmasse) der Firma Mitsubishi Monsanto Chemical Co.
Spritzgießen: Temperatur der Form von 50, 100 und 130 ºC Formmassetemperatur von 210, 250 und 290 ºC Einspritzgeschwindigkeit von 50, 1 00, 200 und 500 cm³/s
Bei der Verwendung einer Form für eine runde Scheibe von 200 ∅ wurde ein Form innendruck an zwei voneinander entfernten Stellen (P&sub1; am Eingang in den Hohlraum und P&sub2; am Ende des Hohlraums) gemessen, und es wurde die Einspritztemperatur der Formmasse beobachtet. Der Begriff "Preßdruck" ist definiert als der Druck am Hohlraumeingang bei Beendigung des Einspritzvorgangs (an dem Punkt, an dem der Druck am Ende der Form den Wert 0 erreicht).

Versuchsergebnisse

Bei diesem Versuch war kein bemerkenswerter Unterschied im Einfluß hinsichtlich der Formtemperatur zu erkennen. Davon ausgehend, daß die Angußteilabmessungen (Wanddicke des Formteils), die Formmassetemperatur und die Einspritzgeschwindigkeit als erklärende Variable und der Preßdruck als Kennwert aufgefaßt werden, wurde jedes unter den verschiedenen Versuchsbedingungen erzielte Ergebnis mit Hilfe der "Partialregressionsanalyse der zusammengesetzten Variablen" analysiert. Durch Anwendung der daraus resultierenden Partialregressionsformel wird jeder Kennwert bei jeder Veränderung der erklärenden Variablen neu berechnet, wobei der Einfluß jeder erklärenden Variable auf die Verringerung des Preßdruckes bestimmt werden kann. Die Analyseergebnisse bezüglich des Einflusses der Angußteilabmessungen, der Wanddicke des Formteils und der Einspritzgeschwindigkeit sind in der Figur 7 grafisch dargestellt. Wenn ein Wert von 1 mm für die Wanddicke und ein Wert von 0,7 mm für das Angußteilmaß als Standardwerte angenommen werden, dann verläuft die Verringerung des beobachteten Wertes des Preßdruckes von 50 MPa bis auf einen Wert von 20 MPa wie folgt:
Erstens wird durch ein Drosseln des Angußteilmaßes von 0,7 mm auf 0,2 mm Wärme erzeugt, wodurch der Preßdruck von 50 MPa auf 32 MPa (vom Punkt 1 auf Punkt 2 in dem Diagramm von Figur 7) gesenkt werden kann (als eine Auswirkung der Drosselung des Angußteils). Zweitens kann der Preßdruck durch ein Erhöhen der Wanddicke des Spritzgußteils von 1 mm auf 1,2 mm von 32 MPa auf 22 MPa (von Punkt 2 auf Punkt 3 in dem Diagramm) gesenkt werden (eine Folge der Erhöhung der Wanddicke). Drittens kann der Preßdruck durch Erhöhen der Einspritzgeschwindigkeit von 100 cm³/s auf 300 cm³/s von 22 MPa auf 17 MPa (von Punkt 3 auf Punkt 4 im Diagramm) (als Folge der erhöhten Einspritzgeschwindigkeit) gesenkt werden. Damit kann schließlich ein unter 20 MPa liegender Preßdruck erzielt werden.
Bei den obigen Ergebnissen der Reduzierung des Preßdruckes, entsprechen die Positionen 1 und 3 jeweils einer Temperaturerhöhung der Formmasse infolge der Wärmeerzeugung aus der Scherenergie, wenn die Schmelze durch das Angußteil fließt. Während die obigen Versuche durch ein Drosseln des Angußteils der Form durchgeführt wurden, zeigt es sich, daß dieselben Ergebnisse durch ein Drosseln der Düse erreicht werden können. Auch hier kann der Preßdruck von 50 MPa auf 20 MPa gesenkt werden.

Formpressen nach dem Einspritzen

Bei der Verwendung von ABS-Formmasse "Tafrex 210" ergaben sich p-v-T-Veränderungskurven, die in Form eines p-v-T-Diagramms in Figur 8 dargestellt sind. Da nach dem Verschließen oder Versiegeln des Angußteils selbst dann kein effektiver Druck auf den Formhohlraum wirkt, wenn das Einspritzen bei einer Formmassetemperatur von 210 ºC erfolgte, während der Druck von 50 MPa beim Spritzgießen beibehalten wurde, wird das spezifische Volumen von der Zeit, die vergeht, bis das Angußteil versiegelt ist, bestimmt. Bei dem in Figur 6 dargestellten Fall belief sich das spezifische Volumen auf 1,032 cm³/g. Andererseits kann durch eine Nachkompressionsphase in der zweiten Spritzgießphase im Anschluß an die erste Spritzgießphase unter Anwendung eines niedrigen Preßdruckes entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, letztendlich ein spezifisches Volumen von 1,0 cm³/g auch dann erreicht werden, wenn ein niedriger Preßdruck von beispielsweise 10 MPa angewendet wird, indem die spritzgegossene wärmebeständige ABS-Formmasse bei einer Wärmeverformungstemperatur von 110 ºC gepreßt wird, da ein effektiver Druck auf den Formstoff bei Temperaturen wirken kann, die an die Temperatur des Wärmeverformungspunktes herankommen. Auf diese Weise kann ein Formteil mit einer hohen Dichte erzeugt werden, die sogar noch höher ist als die Dichte des spritzgegossenen Formteils.
Die Figuren 9 und 10 veranschaulichen das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wenn das Plastizieren bei hohen Temperaturen erfolgt, besteht die Gefahr, daß sich die Werkstoffeigenschaften der Formmasse verschlechtern, da die Formmasse eine ziemlich lange Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, wodurch es zu einem oxydativen Abbau der Formmasse kommt. Um einen solchen oxydativen Abbau des Materials zu verhindern, kann in der in Figur 1 dargestellten Spritzgießmaschine eine Vorrichtung vorgesehen werden, deren Grundaufbau in Figur 9 gezeigt ist, wobei die dargestellten Teile mit den gleichen Nummern versehen sind, wie in den Figuren 1 und 2.
Figur 10 ist eine vergrößerte Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung entsprechend Figur 9.
In dem in Figur 10 gezeigten Beispiel hat die Radialdichtung 51 der Schnecke 1 denselben Durchmesser wie das Schneckengewinde 52. Um eine Gasundurchlässigkeit zu erzielen, ist an dem Zylinder eine Dichtung 53 in der Form einer Packungsstopfbuchse mit Hilfe von hier nicht gezeigten Schrauben angebracht. Um die Gasundurchlässigkeit zwischen dem Zylinder 2 und dem Einfülltrichter 5 sowie zwischen dem Einfülltrichter 5 und dem Einfülltrichterdeckel 57 beizubehalten sind die O-Ringe 55 und 56 vorgesehen. Eine Stickstoffgasflasche 58 mit einem Absperrventil 59 und ein Durchflußmengenbegrenzungsventil 60 werden eingesetzt, um die Stickstoffatmosphäre um den Einfülltrichter herum zu erhalten. Eine Stickstoffgasleitung 61 wird durch den Einfülltrichterzylinder 62 geführt und an eine Stickstoffgasdüse 63 angeschlossen. Die Düse 63 wird an einer von der Schnecke 1 durch einen Zwischenraum d getrennten Stelle vorgesehen. Ein Absperrventil 69 ist vorgesehen, um die Leitung beim Austausch der Gasflasche 58 abzuschließen.
Beim fortlaufenden Spritzgießbetrieb wird der Einfülltrichterteil 64 mit Stickstoffgas gefüllt, indem Stickstoffgas mit konstanter Geschwindigkeit nach einem Signal von der zentralen Steuereinheit 11 eingeleitet wird, wodurch ein oxydativer Abbau der Schmelze verhindert wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Druck am Hohlraumeingang erheblich gesenkt werden, wobei das in Figur 5 dargestellte Belastungs-/Zeit-Verhältnis erzielt werden konnte. Der Vergleich des Druckabfalls Δp&sub2; im Inneren des Hohlraums in diesem Ausführungsbeispiel mit Δp&sub1; im herkömmlichen Verfahren zeigt, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse eine erhebliche Verringerung des Druckabfalls erreicht werden kann. Außerdem wird das Ungleichgewicht zwischen dem Druck am Eingang und dem am Ende der Form nahezu vollkommen beseitigt. Während der Nachkompression des bei niedrigem Druck spritzgegossenen Formteils, die nach Abschluß des Einspritzprozesses bei einem voraus bestimmten Druck h mit Hilfe der beweglichen Formhälfte erfolgt, besteht nur ein geringer Unterschied zwischen dem Druck am Eingang f und dem am Ende g der Form, so daß der Innendruck kein übermäßig hohes Ungleichgewicht aufweist. Wegen des geringeren Druckunterschieds am Eingang und am Ende des Hohlraums ist eine verhältnismäßig geringe Kompressionskraft erforderlich, was zu einem niedrigeren Energieverbrauch führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, das Spritzgießen unter einem niedrigeren Druck am Eingang des Hohlraums durchzuführen und die Nachkompressionsphase nach dem Einspritzen mit einer geringeren Kompressionskraft stattfinden zu lassen, so daß bei einem solchen Spritzgießvorgang eine ZAS-Form vollkommen ausreichend ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer beträchtlichen Verringerung des Preßdruckes, z.B. von 50 MPa auf 17 MPa, d.h. auf einen Wert unter 20 MPa, was dadurch erreicht wird, daß die Hohlraumwanddicke der Form erhöht wird, indem in der ersten Phase die Schmelze in den Formhohlraum, dessen Größe voreingestellt wurde, eingespritzt wird, wobei die Randschmelze zu berücksichtigen ist, die hinterher in einer zweiten Phase ausgeglichen wird, und daß ferner die Temperatur der Formmasse erhöht wird, was auf eine Wärmeerzeugung infolge der Scherenergie, die durch das Drosseln der Einspritzdüse oder des Fließweges der Formmasse entsteht, sowie auf das Plastizieren bei einer hohen Temperatur und auf eine hohe Einspritzgeschwindigkeit -zurückzuführen ist. Nach Ablauf der Nachkompressionsphase kann in der sich an die erste Phase des Einspritzens mit niedrigem Druck anschließenden zweiten Phase ein Formteil gewonnen werden, dessen Formbeständigkeit selbst unter einem niedrigeren Kompressionsdruck, z.B. unter 10 MPa, höher ist. Folglich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen Verfahrensweise eine bei weitem niedrigere Schließkraft angewendet werden. Deshalb wird es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, das Spritzgießen bei einem niedrigeren Druck als bei der herkömmlichen Technik stattfinden zu lassen, so daß eine ZAS-Form (eine Form aus einer Zinklegierung), die bis jetzt nicht für die Massenproduktion von Spritzgußteilen zugelassen war, ohne weiteres auch in der Massenproduktion eingesetzt werden kann. Da eine geringere Schließkraft erforderlich ist, bringt das eine Verringerung der Investitionskosten beim Kauf der Formen, eine Senkung des Energieverbrauchs sowie eine Verringerung des Platzbedarfs bzw. der Größe sowie des Platzbedarfs bei der Installation der Spritzggießmaschine mit sich.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung des Spritzgießens von Kunststoffen mit einer Spritzgießmaschine, ausgestattet mit einer Metallform, die sich zusammensetzt aus einer beweglichen und einer festen Formhälfte, welche gemeinsam den Formhohlraum bilden, einem Stellantrieb zum Verschieben der beweglichen Formhälfte ünd einer Einspritzvorrichtung mit einer Einspritzdüse, die es gestattet, den Durchlaßquerschnitt der Düse zu verändern, wobei das Verfahren eine erste Spritzgießphase umfaßt, bei der eine plastizierte Formmasse in den Formhohlraum eingespritzt wird, der mit Hilfe der beweglichen Formhälfte so eingesteilt wurde, daß eine Randschmelze entsteht, die hinterher in einer zweiten Spritzgießphase verdichtet wird, so daß der Einspritzvorgang mit einem verringerten Spritzdruck stattfindet, während in dem Einspritzstrom der Schmelze durch Drosselung der Düse eine Scherenergie erzeugt wird, was eine Temperaturerhöhung und damit eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse zur Folge hat, bis der Formhohlraum gefüllt ist, und wobei sich eine zweite Spritzgießphase anschließt, in der die Formmasse, die so in den Formhohlraum gefüllt wurde, durch Verschieben der beweglichen Formhälfte verdichtet wird, um die Randschmelze auszugleichen, so daß auch nach dem Schließen des Angußteils eine effektive Druckkraft auf die eingefüllte Formmasse in dem Formhohlraum wirksam werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Drosselung der Einspritzdüse erfolgt, während eine weitere Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der plastizierten Formmasse eingesetzt wird, um eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse zu erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spritzgießen von Kunststoffen mit einer Spritzgießvorrichtung so durchgeführt wird, daß in dem eingespritzten Strom der Schmelze dadurch eine weitere Scherenergie erzeugt wird, daß eine Vorrichtung zur Drosselung des Fließwegs der plastizierten Formmasse bzw. eine Vorrichtung zur Erwärmung der Schmelze noch vor dem Einspritzen in den Formhohlraum vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Einspritztstrom der plastizierten Formmasse dadurch eine Scherenergie erzeugt wird, daß neben einer Drosselung der Einspritzdüse eine Vorrichtung zur Drosselung des Fließwegs der Schmelze bzw. eine Vorrichtung zum Erwärmen der Schmelze vor dem Einspritzen in den Formhohlraum vorgesehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Spritzgießen erfolgt und gleichzeitig eine Maßnahme zur Verhinderung eines oxydativen Abbaus der Schmelze ergriffen wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Spritzgießens von Kunststoffen, ausgestattet mit einer Metallform, die sich zusammensetzt aus einer beweglichen Formhälfte (32) und einer festen Formhälfte (35), die gemeinsam den Formhohlraum (36) bilden, einem Stellantrieb (33) zum Bewegen der beweglichen Formhälfte (32) und einer Einspritzvorrichtung, die mit einer Einspritzdüse (20) versehen ist, bei der der Durchlaßguerschnitt eingestellt werden kann, wobei eine Vorrichtung zum Einstellen der passenden Stellung der beweglichen Formhälfte (32) zur festen Formhälfte (35) vorgesehen ist, die unter Berücksichtigung der Volumenverringerung des spritzgegossenen Kunststoffes infolge der nach dem Spritzgießen folgenden Abkühlung zu bestimmen ist, wobei diese Vorrichtung aus einem Distanzstück (37), das zwischen der beweglichen Formhälfte (32) und der festen Formhälfte (35) angeordnet ist, sowie einem Positionssensor (39) zur Bestimmung der Stellung des Distanzstückes (37) besteht, und desweiteren eine Vorrichtung zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit und des Einspritzdruckes bei jedem Einspritzzyklus in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Durchlaßquerschnitts der Düse für die plastizierte Formmasse vorgesehen ist, so daß eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse und damit des Druckabfalls der fließenden Formmasse im Formhohlraum (36) erreicht werden kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei mindestens eine weitere Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der plastizierten Formmasse in der Einspritzphase vorgesehen ist, und wobei diese aus den Vorrichtungen zum Einstellen einer höheren Temperatur des Heizelements in der Schnekkenplastiziereinheit, zur Erhöhung des Staudrucks der Schnecke und zur Erhöhung der Schneckendrehzahl ausgewählt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei eine weitere Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der plastizierten Formmasse vorgesehen ist, die aus einer Vorrichtung zur Drosselung des Fließwegs der plastizierten Formmasse zum Formhohlraum bzw. einer Vorrichtung zum Einstellen einer höheren Temperatur des Heizelementes in der Schneckenplastiziereinheit besteht und die so der Erhöhung des Schneckenstaudrucks oder der Erhöhung der Schneckendrehzahl dient.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, wobei in der Schneckenplastiziereinheit eine Vorrichtung zur Verhinderung von oxydativem Abbau der plastizierten Formmasse vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Vorrichtung zur Veränderung der Fließgeschwindigkeit und des Einspritzdruckes bei jedem Einspritzzyklus in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Durchlaßquerschnitts der Düse für die plastizierte Formmasse vorgesehen ist, wodurch eine Verringerung der Viskosität der plastizierten Formmasse und damit des Druckabfalls der fließenden Formmasse im Formhohlraum erreicht wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei eine Vorrichtung zur Vermeidung von oxydativem Abbau der plastizierten Formmasse in der Schneckenplastiziereinheit vorgesehen ist.