DE10150329C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile im Spritzgießprozess unter Verwendung komprimierter physikalischer Treibfluide - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung physikalisch geschäumter Kunststoff-Formteile im Spritzgießprozess unter Verwendung einer konventionellen Spritzgießmaschine.

Das komprimierte Treibfluid wird über einen statischen Mischer, welcher zwischen Plastifizieraggregat und Verschlussdüse montiert wird, mit der Schmelze in Kontakt gebracht. Eine poröse Sintermetall-Fläche, welche den statischen Mischer umschließt, dient dabei als Kontaktelement zwischen Treibmittel und Polymerschmelze. Konzentrations- und Druckunterschiede bewirken über Diffusions- und Sorptionsvorgänge eine Aufnahme des Treibmittels in der Schmelze. Die Homogenisierung des Polymer/Treibmittelgemisches geschieht dabei während des Einspritzvorgangs durch die den Schmelzekanal unterbrechenden Stege des statischen Mischers. Die Umlagerungen, Aufteilungen und Dehnungen der Schmelze innerhalb des Mischers begünstigen dabei die Diffusionsvorgänge. Die Aufnahme des Treibfluides in die Schmelze wird dadurch nachhaltig begünstigt.

Das Schaumspritzgießen thermoplastischer Materialien stellt ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnik dar. Günstige materialspezifische Eigenschaften sind neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten die Hauptvorteile von Strukturschaum-Formteilen im Vergleich zu kompakten Bauteilen. So weisen Strukturformteile eine im Vergleich zu kompakten Formteilen höhere spezifische Steifigkeit durch Verlagerung der Flächenträgheitsmomente in die Randschichten des Bauteils auf. Verzugsarmut, verminderte innere Spannungen und geringe Einfallstellen erlauben eine weitgehend problemlose Herstellung von Formteilen mit Rippen, Bauteilen mit Durchbrüchen oder mit Wanddickensprüngen bei hoher Maßhaltigkeit. Aufgrund des inneren Schmelzedruckes beim Aufschäumen kann auf Nachdruck verzichtet werden, so dass großflächige Formteile mit geringen Zuhaltekräften auf kleineren Maschinen produziert werden können. Die Reduktion der Dichte führt neben Einsparungen auf Seiten der Rohstoffkosten auch zur Verringerung des Bauteilgewichts. Verbesserte Dämmwirkung sowie erhöhte Medienbeständigkeit runden das Eigenschaftsprofil geschäumter Bauteile ab. Strukturschaumstoffe sind gekennzeichnet durch eine kompakte Außenhaut und einen geschlossenzelligen Kern.

Die Generierung eines Thermoplastschaumes erfolgt mit Hilfe von Treibmitteln, welche auf unterschiedliche Weise dem Polymermaterial zudosiert werden können und mit der Schmelze ein einphasiges Gemisch bilden. Analog zum konventionellen Spritzgießverfahren wird eine zur Füllung der Werkzeugkavität erforderliche Menge Material im Plastifizierzylinder aufgeschmolzen, im Schneckenvorraum unter Staudruck dosiert und anschließend mit meist hoher Geschwindigkeit in die Werkzeugkavität gespritzt. Der Staudruck verhindert die frühzeitige Expansion des gelösten Treibfluids während der Dosierphase im Plastifizierzylinder. Ausgelöst durch den Druckabbau beim Einströmen der Schmelze in das Werkzeug bilden sich Blasen durch Expansion des Treibfluids. Eine Schaumstruktur entsteht. Dabei entscheiden Art und Menge des verwendeten Treibmittels über die erreichbaren Schaumdichten und die zur Herstellung notwendige Anlagentechnik. Man unterscheidet grundsätzlich chemische von physikalischen Treibmitteln, wobei sich die Differenzierung weniger auf die Schauminitiierung als vielmehr auf die Art der Dosierung bezieht.

In der Vergangenheit wurden meist chemische Treibmittel verwendet, da die Dosierung dieser Treibmittel auf einfache gravimetrische Art erfolgen kann, so dass keine aufwändige Anlagentechnik erforderlich ist. Chemische Treibmittel werden dem Polymergranulat in fester Form beigemischt und zersetzen sich bei Wärmezufuhr unter Abspaltung eines Fluids, meist Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasser. Nachteilig sind die bei der Zersetzung anfallenden Restprodukte, welche einen Anteil von bis zu 60% haben. Sie können zur Degradation der Polymermatrix, zur Verringerung der mechanischen Eigenschaften, zu Verfärbungen im Bauteil und zur Korrosion und Verschmutzung des Werkzeugs führen. Darüber hinaus können mit chemischen Treibmitteln aufgrund der relativ geringen Gasausbeute bei der Zersetzung nur begrenzte Aufschäumgrade erzielt werden.

Fluide, welche der Polymerschmelze direkt zudosiert werden, bezeichnet man als physikalische Treibmittel. Dies können inerte Gase wie Stickstoff und Kohlendioxid, ferner Kohlenwasserstoffe wie Pentan aber auch Wasser sein. Mit physikalischen Treibmitteln lassen sich deutlich höhere Aufschäumgrade erzielen. Da keine Zersetzungsprodukte anfallen, ist weder mit Verfärbungen, noch mit Werkzeugkorrosion zu rechnen.

Eine Möglichkeit, thermoplastische Schäume mit Hilfe physikalischer Treibmittel im Spritzgießprozess zu generieren, ist in WO 9831521A2 beschrieben. Das Treibfluid wird mit Hilfe einer Gasdosierstation während der Dosierphase über mehrere Eingasungsports am Plastifizierzylinder direkt in die Schmelze injiziert und anschließend über Schneckenmischteile homogenisiert. In DE 198 53 021 A1 ist ein Verfahren beschrieben, welches eine spezielle Beladungsdüse zur Treibmittelanreicherung der Schmelze vorsieht. Die vor das Plastifizieraggregat montierte Düse teilt den Schmelzestrom über einen Torpedo in eine Ringspaltströmung auf, welche von Sintermetallflächen umgeben ist und somit eine Verbindung zur Treibmittelversorgung aufweisen. Die Beladung der Schmelze soll hierbei während der Einspritzung der Schmelze in die Werkzeugkavität unter hohem Druck erfolgen.

Statische Mischer haben die Aufgabe, Mehrkomponentensysteme zu homogenisieren, ohne das bewegliche Teile notwendig sind. Die Mischenergie wird dabei durch die Fluidströmung aufgebracht. Dabei kann es sich zum Beispiel um das Einmischen von Festkörpern in Flüssigkeiten oder das Vermischen und Homogenisieren mehrerer Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität handeln. Statische Mischer werden darüber hinaus eingesetzt, um bei der Absorption von Gasen in Flüssigkeiten eine möglichst große Stoffaustauschfläche zu generieren. Die Mischergeometrien müssen dabei den jeweiligen Stoffkombinationen und Prozessbedingungen gerecht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unter Anwendung physikalischer Treibmittel homogenes Polymer/Treibmittelsystem zu generieren und zwar ohne dass eine speziell adaptierte Spritzgießmaschine erforderlich ist. Die Vorrichtung wird dabei zwischen Plastifizierzylinder (5) und Verschlussdüse (6) der Spritzgießmaschine montiert. Kernstück der Erfindung bildet ein statischer Mischer, welcher in einem aus einem porösen Werkstoff bestehenden Hohlzylinder (1) fixiert wird. Der poröse Hohlzylinder ist von einer Druckkammer (2) umgeben, welche über eine Verbindung (7) mit einem physikalischem Treibmittel beaufschlagt wird. Der Druckraum ist in der Trennfläche zwischen Mischergehäuse und Verbindungsflansch zur Verschlussdüse mit O-Ring-Dichtungen (3) abgedichtet. Über austauschbare Stützhülsen (9) der zylindrischen Druckkammer (2) können verschiedene Mischelementquerschnitte realisiert werden. Die Bereitstellung des komprimierten Treibgases erfolgt dabei entweder direkt aus einer Druckgasflasche bzw. einem Versorgungstank oder mit Hilfe einer Gasdosierstation. Wird eine Gasdosierstation verwendet, so kann die Treibmittelzuführung massenstromgeregelt erfolgen. Im Falle einer Druckgasflasche wird die Konzentration des Treibfluides in der Schmelze druckabhängig mit Hilfe eines Druckbegrenzungsventils realisiert. Ein elektrisch angesteuertes Ventil regelt dabei maschinengesteuert die Zufuhr des Treibfluides zu definierten Zeiten.

Das von einer konventionellen Spritzgießmaschine aufbereitete schmelzeflüssige Polymer durchströmt den mit Hilfe von elektrischen Heizbändern (8) temperierten statischen Mischer und wird über die poröse Hohlzylinderfläche (1) mit Treibmittel beladen. Die Anreicherung der Schmelze mit Treibmittel erfolgt aufgrund von Druck- und Konzentrationsunterschieden zunächst in der Randschicht der an der porösen Sintermetallhülse anliegenden Schmelze. Diffusionsvorgänge innerhalb der Polymerschmelze sorgen dann, abhängig von den Material- und Prozessparametern für eine Vergleichmäßigung der Sorptionskonzentrationen. Die in den Schmelzekanal hineinreichenden Stege (4) des statischen Mischers sorgen dabei für eine Umlagerung der Schmelze und eine Durchmischung des zunächst noch inhomogenen Polymer-/Treibmittelsystems während der Einspritzphase. Das ständige Aufteilen und Umlagern des Schmelzestroms vergrößert zudem die Stoffaustauschfläche und führt zu einer Verringerung der Diffusionswege.

Beim Einströmen in die Werkzeugkavität kommt es zum Druckabfall der unter Staudruck plastifizierten Schmelze, so dass die Expansion des in der Schmelze gelösten Treibfluides zum Aufschäumen des polymeren Materials führt. Vorzugsweise sind die Mischer modular aufgebaut. Verschiedene Durchmesser und/oder Längen ermöglichen somit eine Anpassung des Mischervolumens an das Volumen des zu spritzenden Bauteils, so dass eine Beladung der Menge Schmelze ermöglicht wird, die dem geschäumten Bauteilgewicht entspricht. Dies ermöglicht eine Beladung auch während der Dosierphase des polymeren Materials, so dass längere Diffusionszeiten zur Verfügung stehen, welches sich positiv auf die erreichbare Sorptionskonzentration und hinsichtlich einer Vergleichmäßigung von Konzentrationsunterschieden innerhalb der Beladungsvolumina auswirkt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile im Spritzgießprozess unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels, wobei dem Plastifizierzylinder ein statischer Mischer nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer durch ein poröses Hohlzylinderelement umfänglich begrenzt wird und um das Hohlzylinderelement herum eine Druckkammer aufweist, über die das Treibmittel über den Außenumfang des Hohlzylinderelements aufgebracht wird und das statische Mischelement zumindest teilweise in die Kunststoffschmelze hineinragende Stege aufweist, um eine mehrfache Umlagerung der Schmelze zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Mischelement zwischen Plastifizierzylinder und Verschlussdüse der Spritzgießmaschine montiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Kontaktfläche aus Sintermetall oder einem anderen permeablen Werkstoff besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Treibfluids durch eine handelsübliche Druckgasflasche oder über eine massenstromgeregelte Dosieranlage erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das statische Mischelement beheizt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Zufuhr des Treibfluids durch ein elektrisch angesteuertes Ventil erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass variable Durchmesser und/oder Längen des Mischelements eine Anpassung des Mischervolumens an das Volumen des zu spritzenden Bauteils erlauben.

8. Verfahren zur Herstellung von geschäumten Kunststoffformteilen mit Hilfe physikalischer Treibmittel wobei der Kunststoff in einem Plastifizierzylinder geschmolzen wird, wobei das Treibmittel in eine Druckkammer eines statischen Mischers eingeleitet wird, die um ein poröses Hohlzylinderelement angeordnet ist und das Treibmittel durch das poröse Hohlzylinderelement gepresst wird, wobei die das poröse Hohlzylinderelement durchströmende Kunststoffschmelze zumindest in der Randschicht mit Treibmittel angereichert wird, wobei die Kunststoffschmelze durch zumindest teilweise in die Kunststoffschmelze hineinragende Stege mehrfach umgelagert wird und somit ein Kunststoff- Treibmittelgemisch gebildet wird, wobei das Kunststoff-Treibmittelgemisch spätestens nach Eintritt in die Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeugs durch die Expansion des in der Schmelze gelösten Treibfluids aufschäumt.