Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Einlegeteil und einem das Einlegeteil mindestens partiell umgebenden Polymermaterial.

Bauteile aus metallischen Werkstoffen oder Kunststoffen sind in einer Reihe von Anwendungen, beispielsweise in der Lackiertechnik oder in Chemieanlagen hoch aggressiven Medien ausgesetzt. Da diese Bauteile einem chemischen Angriff häufig nicht standhalten, müssen diese durch eine entsprechend beständige Umhüllung oder Beschichtung geschützt werden.

Auch in Kontakt mit hoch reinen Produkten oder bei der Verwendung im medizinischen Bereich werden Bauteile benötigt, bei denen das Material der Bauteile nicht unbedingt mit der in Kontakt kommenden Umgebung kompatibel ist. Auch hier werden Bauteile vorzugsweise mit einer Umhüllung oder Beschichtung versehen, die solche Probleme vermeidet.

Bei auf Reibung beanspruchten Bauteilen muss Abrieb verhindert oder zumindest vermindert werden und auch hier wird zu Beschichtungen gegriffen, die diese Aufgabenstellung aufgrund ihres geringen Reibungskoeffizienten bewältigen.

In solchen Anwendungen kommt üblicherweise PTFE als Polymermaterial zum Einsatz aufgrund seiner chemischen Resistenz, hohen Temperaturbeständigkeit, physiologischen Unbedenklichkeit und fehlenden Neigung zur Wasseraufnahme um nur die wichtigsten Vorzüge von PTFE zu nennen.

Die PTFE-Materialien werden dabei üblicherweise mittels isostatischem Pressverfahren zu einer Umhüllung oder Beschichtung der Bauteile verarbeitet. Es handelt sich dabei um einen aufwändigen mehrstufigen Press/Sintervorgang. Um die oftmals geforderten Oberflächenqualitäten sowie enge Toleranzfelder einhalten zu können wird ein Schritt mit spanender Nachbearbeitung (Drehoder Fräsprozess) nachgeschaltet.

Für eine vollständige Umhüllung von Einlegeteilen mittels PTFE-Materialien können auch zwei oder mehr Hüllteile separat gefertigt und diese dann mittels Verschweißen oder Verpressen bei eingelegtem zu ummantelnden Bauteil miteinander verbunden.

Da das Einlegeteil in den pulverförmig vorliegenden PTFE- Rohstoff eingebettet werden muss, ist aufgrund des inhomogenen Schüttgewichts eine genaue Zentrierung nicht möglich. Ferner können so nur Einlegeteile umhüllt werden, die der mechanischen und thermischen Belastung des PTFE-Press/Sinterzyklus widerstehen.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Einlegeteile und des für die Umhüllung verwendeten PTFE-Materials unterscheiden sich regelmäßig sehr stark. Zusätzlich durchläuft das PTFE-Material beim Sinterprozess eine Phasenumwandlung zwei Mal, während dies für das Material des Einlegeteils normalerweise nicht zutrifft. Dadurch werden starke Relativbewegungen zwischen PTFE und Einlegeteil generiert. Die Erzeugung eines guten Haftverbundes ist dadurch erschwert.

Bei der Verwendung mehrerer Einzelteile zur Herstellung einer Umhüllung ist zusätzlich mindestens ein Fügeschritt erforderlich mit dem zusätzlichen Risiko einer Fehlpositionierung. Die Festigkeit der Schweißnaht stellt ebenfalls häufig einen Schwachpunkt dar. Zusätzlich muss die Fügestelle nachgearbeitet werden.

Sollen mehrere Einlegeteile zu einem System zusammengefügt werden potenzieren sich diese Probleme, so dass insbesondere Großserienfertigung unwirtschaftlich wird.

Aufgabe der Erfindung ist ein Bauteil vorzuschlagen, das den oben genannten Anforderungen genügt und wirtschaftlich herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das das Einlegeteil zumindest partiell umgebende Polymermaterial bildet dabei vorzugsweise eine Umhüllung oder Beschichtung.

Unter thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffmaterialien sind solche Materialien zu verstehen, welche einen Schmelzflussindex (MFI) aufweisen, der von Null verschieden ist (ASTM Test D1238-88 bei 372 ⁰ C und einer Last von 5 kg bei einer maximalen Extrudat-Auffangzeit von 1 Stunde).

Das erfindungsgemäß verwendete, thermoplastisch verarbeitbare, im Wesentlichen voll fluorierte Kunststoffmaterial lässt sich insbesondere im Spritzgussverfahren oder mittels Transfermoulding zu Beschichtungen der Einlegeteile verarbeiten, so dass das erfindungsgemäße Bauteil in einem einstufigen Pro- zess herstellbar ist.

Die besondere Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Bauteile resultiert nicht nur vom vereinfachten Herstellungsprozess. Von erheblicher Bedeutung ist auch die geringere thermische und mechanische Belastung der Einlegeteile, so dass ein viel weiterer Kreis von Einlegeteilen mit der Beschichtung erfindungsgemäß versehen werden können. Darüber hinaus ist es möglich die erfindungsgemäßen Bauteile mit geringeren Rohmaterialabfällen herzustellen. Ferner erlauben die erfindungsgemäßen Bauteile eine höhere Präzision der Positionierung der Einlegeteile im Bauteil.

Das Bauteil selbst weist eine glattere Oberfläche auf, woraus nicht zuletzt ein geringerer Materialabtrag beim Einsatz der Bauteile resultiert. Ferner sind geringere Schmutzablagerungen zu erzielen.

Die erfindungsgemäßen Bauteile eröffnen neuartige Designoptionen, die sich größtenteils aus der vereinfachten Herstellungsweise speisen. Diese macht auch eine bessere Haftung zwischen Einlegeteil und Umhüllung oder Be- schichtung möglich, was in vielen Fällen sogar einen Verzicht auf Haftvermittler erlaubt.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterialien zeigen zudem einen geringeren Kaltfluss als die herkömmlich verwendeten PTFE-Materialien. Ferner zeigt sich eine höhere Dimensionsstabilität, die bei verschiedenen Anwendungen von besondere Bedeutung ist, wie z.B. bei Ventilkugeln.

Häufig gelingt sogar der Ersatz von PTFE-Compounds, so dass sich in der Anwendung weniger Beschränkungen zeigen, als dies bei PTFE-Compounds Füllstoff bedingt der Fall ist.

Die erfindungsgemäß verwendeten voll fluorierten Kunststoffmaterialien zeigen eine reduzierte Permeation gegenüber Lösemitteln, flüssigen Säuren oder Basen, woraus sich beispielsweise ein vermindertes Auslaugen von ionischen Komponenten ergibt. Dadurch lassen sich in vielen Fällen die Schichtdicken der Beschichtung minimieren. Dies insbesondere dann von Vorteil, wenn magnetische oder magnetisierbare Materialien als Einlegeteile umhüllt oder beschichtet werden müssen oder die Einlegeteile vor Korrosion geschützt werden müssen.

Die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffmaterialien ermöglichen schließlich so genannte CIP (cleaning-in-place)- und SIP (sterilization-in-place)-fähige Gesamtlösungen.

Typische Anwendungsfälle seien im Folgenden beispielhaft genannt:

Verkapselte Magnete für den Laborbedarf sowie die medizinische Diagnostik (beispielsweise für die Vermessung des Magen/Darmtrakts);

Steckverbinder mit angegossenen Kontaktstiften;

Komponenten von Ventilen und Armaturen, beispielsweise umhüllte Metallkugeln für Ein- und Auslassventile sowie umhüllte Absperrorgane von Kugel- und Kükenhähnen;

Umhüllte bzw. beschichtete Metallringe für ausblassichere Dichtungen.

Das erfindungsgemäße Bauteil kann einerseits das Einlegeteil im Wesentlichen allseitig von dem Polymermaterial umgeben enthalten. Unbedeckt können jedoch in machen Fällen nicht in Aufgaben einbezogene Bereiche bleiben, oder es können spezifische Funktionsteile des Einlegeteils unbedeckt bleiben, wie z.B. die metallischen Steckkontakte bei Steckverbindern.

Als voll fluoriertes thermoplastisches Kunststoffmaterial wird bevorzugt thermoplastisch verarbeitbares PTFE verwendet. Eine Vielzahl solcher Materialien ist beispielsweise in der WO 01/60911 und WO 03/078481 beschreiben.

Hierbei kommen insbesondere TFE-Copolymere in Betracht, bei denen der Co- monomeranteil weniger als 3,5 Mol-% beträgt, da hier die PTFE-Eigenschaften weitestgehend erhalten bleiben und trotzdem eine thermoplastische Verarbeitung möglich ist. Weiter bevorzugt ist der Comonomeranteil beschränkt auf weniger als ca. 3 Mol-%, noch weiter bevorzugt sind Comonomeranteile von weniger als ca. 1 Mol-%, beispielsweise 0,5 Mol-% oder weniger.

Bevorzugte Comonomere, die einerseits eine gute thermoplastische Verarbeit- barkeit gewährleisten und andererseits die Materialeigenschaften gegenüber

PTFE weitgehend unverändert lassen sind Hexafluorpropylen, Perfluoralkyl- vinylether, PerfIuor-(2,2-dimethyl-l,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.

Das erfindungsgemäß verwendete voll fluorierte Kunststoff materia I kann auch in Form eines Polymer-Compounds verwendet werden, wobei der Füllstoff des Compounds einen Anteil von bis zu ca. 60 Gew.% aufweist.

Als Füllstoffe lassen sich in Abhängigkeit von dem spezifischen Verwendungszweck der Bauteil eine Reihe unterschiedlicher Materialien auswählen.

Häufig kommen Füllstoffe in Faserform und/oder in granulärer Form zum Einsatz.

Bevorzugte Füllstoffe werden ausgewählt aus Glasfasern, Glaskugeln, harten und weichen Kohlepartikel und -fasern, Graphit, Leitfähigkeitsruß, Metallfasern, Metallpartikeln, insbesondere Bronzepartikel und Stahlpulver, Quarz, AI ₂ O ₃ , CaF ₂ , Glimmer, Mineralstoffe, insbesondere BaSO ₄ sowie organische Polymermaterialien in granulärer und Faserform.

Daneben können Füllstoffe aus organischen Polymermaterialien zum Einsatz kommen. Bevorzugte Füllstoffe dieses Typs werden vorzugsweise ausgewählt aus Polyimid, Polyamidimid, PPS, PEEK, PPSO ₂ , aromatischen Polyestern und Aramid oder Mischungen von zwei oder mehreren dieser Materialien.

Alle vorgenannten Füllstoffe können einzeln oder in beliebiger Mischung von zwei oder mehreren der Füllstoffe zum Einsatz gelangen.

Bei anspruchsvollen Anwendungen werden die Anteile des Füllstoffs vorzugsweise beschränkt auf ca. 25 Gew.% oder weniger, weiter bevorzugt 10 Gew.% oder weniger.

Generell werden bei der Verwendung von Fasern als Füllstoffe geringere Füllstoff-Gehalte bevorzugt gegenüber den Gehalten bei granulären Füllstoffen.

Beispielsweise können anstelle von ca. 25 Gew.% granulärer Kohle ca. 15 Gew.% Kohlefasern eingesetzt werden.

Als erfindungsgemäß zu verwendendes voll fluoriertes Kunststoffmaterial kommen neben den TFE-Copolymeren auch Polymerblends von PTFE und einem oder mehreren thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen zum Einsatz. Diese weiteren Kunststoffe werden insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der PTFE-Mikropulver. Hierbei handelt es sich um PTFE-Typen mit im Vergleich zu hochmolekularem (Standard) PTFE niederem Molekulargewicht und niederer Schmelzviskosität. Sie werden typischerweise hergestellt entweder durch Emulsionspolymersation, durch thermomechanischen Abbau von hochmolekularem PTFE im Extruder oder durch Strahlenabbau von hochmolekularem PTFE, gefolgt von einem Mahlprozess.

Die Eigenschaftsunterschiede von hochmolekularem (Standard) PTFE und niedermolekularen PTFE-Mikropulvern lassen sich beispielsweise wie folgt darstellen (vgl. S. Ebnesajjad, Fluoroplastics, Vol. 1, Non-Melt Processible Fluoro- plastics, Verlag William Andrew Publishing, 2000):

Beispiele für solche Polymerblends finden sich in den Offenlegungsschriften WO 01/60911 und WO 03/078481.

Das Einlegeteil ist nicht notwendigerweise einstückig ausgebildet, auch wenn dies bevorzugt wird, da es in der Regel die Handhabung des Einlegeteils bei der Fertigung der Bauteil erleichtert.

Das Einlegeteil wird bevorzugt in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und dann mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterial umspritzt.

Für die erfindungsgemäßen Bauteile eignen sich insbesondere metallische oder keramische Einlegeteile.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils wie es in Anspruch 15 näher definiert ist.

Der Hohlraum des Formwerkzeugs wird bevorzugt so ausgebildet, dass er eine Aufnahme für ein Einlegeteil bildet, wobei das Einlegeteil in das Formwerkzeug eingebracht wird bevor der Hohlraum des Formwerkzeugs mit dem Polymermaterial befüllt wird.

Das Befüllen des Hohlraums des Formwerkzeugs wird vorzugsweise mittels Einspritzen des Polymermaterials erfolgen.

Um eine definierte Position des Einlegeteils in der fertigen erfindungsgemäßen Bauteil zu gewährleisten wird bevorzugt das Einlegeteil in dem Formwerkzeug mittels einer Halterung auf Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs gehalten.

Bevorzugt verwendete Halterungen umfassen mehrere, von außen in den Hohlraum des Formwerkzeugs einschiebbare Haltestifte.

Bevorzugt halten die Haltestifte das Einlegeteil während dem Befüllen in einer vorgegebenen Position und werden danach aus dem Hohlraum des Formwerkzeugs entfernt.

Besonders bevorzugt werden die Haltestifte während einer so genannten Nachdruckphase entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hohlraum des Formwerkzeugs großenteils oder im Wesentlichen vollständig mit dem Polymerma-

terial ausgefüllt und eine Veränderung der Position des Einlegeteils in den Folgeschritten des Herstellungsverfahrens ist nicht mehr zu befürchten. Zu diesem Zeitpunkt steht aber noch über den Nachdruck Polymermaterial an, das in den Hohlraum der Form gepresst werden kann, zum einen um die während des Verfestigen des Polymermaterials eintretende Schwindung desselben auszugleichen und zum anderen um die durch das Entfernen der Haltestifte entstehenden freien Volumina zu befüllen. Die zeitliche Abfolge der Schritte wird bevorzugt so gewählt, dass das Polymermaterial im Hohlraum des Formwerkzeugs beim Entfernen der Haltestifte noch schmelzflüssig ist und so über das mittels Nachdruck noch eingefüllte Polymermaterial die freien Volumina füllen kann, wobei dann eine praktisch nahtlose Umhüllung oder Beschichtung des Einlegeteils erzielbar ist.

Ergänzend zu den Haltestiften oder alternativ kann der Hohlraum des Formwerkzeugs mit einem oder mehreren kleinflächigen Auflagern für das Einlegeteil ausgebildet werden.

Bevorzugt wird das Einlegeteil vor dem Einbringen desselben in den Hohlraum des Formwerkzeugs auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt. Im Hinblick auf die Schmelztemperatur der einzufüllenden Polymermaterialien wird eine Vorwärmtemperatur von bevorzugt ca. 200 ⁰ C oder mehr gewählt.

Die Schmelzetemperatur des in den Hohlraum des Formwerkzeugs eingespeisten Polymermaterials wird vorzugsweise gleich oder größer der Peaktempera- tur im DSC-Diagramm, ermittelt im zweiten Aufschmelzen, gewählt, vorzugsweise eine Temperatur von ca. 330 ⁰ C oder höher.

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein überwiegender Teil des Polymermaterials bei einem Spritzdruck in den Hohlraum eingespeist wird und dass danach ein weiterer Teil des Polymermaterials bei einem Nachdruck in den Hohlraum eingespeist wird, wobei der Spritzdruck höher gewählt wird als der Nachdruck.

Insbesondere wird ein Anteil von ca. 70 Gew.% bis ca. 90 Gew.% des Polymermaterials mit dem Spritzdruck in den Hohlraum des Formwerkzeugs eingefüllt.

Weiter bevorzugt wird nach dem Befüllen des Hohlraums mit dem Polymermaterial das Formwerkzeug noch für eine vorgegebene Haltezeit geschlossen gehalten.

Diese Haltezeit liegt bevorzugt im Bereich von ca. 5 sec oder mehr, insbesondere ca. 10 sec oder mehr.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beispiele und Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer Extruderschnecke zur Verwendung bei der Herstellung erfindungsgemäßer Bauteile;

Figuren 2a und 2b: ein Einlegeteil für ein erfindungsgemäßes Bauteil bzw. ein Bauteil mit diesem Einlegeteil; und

Figur 2c: ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung des Bauteils der Figur 2b.

Beispiel 1:

Spritzgießen von thermoplastisch verarbeitbarem PTFE

Für die Verarbeitung der erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterialien im Spritzgussverfahren empfiehlt sich die Verwendung einer speziellen Maschinenausrüstung.

Da bei der Verarbeitung von Fluorthermoplasten Fluorwasserstoff entstehen kann, empfiehlt es sich alle mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile korrosionsbeständig auszulegen (z.B. aus Hastelloy C4 oder Inconel 625).

Um des Weiteren eine optimale Verarbeitung des Fluorthermoplasten zu gewährleisten empfiehlt sich die Verwendung einer Schnecke 10 mit einer Auslegung der Schneckengeometrie wie sie beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist und im Folgenden beschreiben wird.

Die Schnecke 10 umfasst eine Einzugszone 12, eine Kompressionszone 14 und eine Meteringzone 16. Die zugehörigen beispielhaften Schneckenparameter sind die folgenden, wobei D den Nenndurchmesser der Schnecke bezeichnet:

Wirksame Schneckenlänge ca. 20 D

Länge der Einzugszone ca. 10 bis ca. 12 D

Länge der Kompressionszone ca. 4 bis ca. 5 D

Länge der Meteringzone ca. 4 bis ca. 5 D

Steigung a ca. 1 D

Stegbreite b ca. 0,1 D

Gangtiefe der Einzugszone c ca. 0,16 bis ca. 0,18 D

Gangtiefe der Meteringzone d ca. 0,06 bis ca. 0,07 D

Kompressionsverhältnis ca. 2,5 bis ca. 2,7

Beispiel 2:

Herstellung eines erfindungsqemäßen Bauteils mit Einlegeteil

Im Folgenden wird anhand der Figuren 2a und 2b die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 20 beschrieben. Die Bauteil 20 weist ein Einlegeteil 22 in Form eines Inserts auf das separat in Figur 2a dargestellt ist. Das Einlegeteil 22 ist vollständig von einer Umhüllung oder Beschichtung 24 umgeben, die in einer genau vorgebbaren Wandstärke gefertigt werden kann.

Als Insert 22 wird bei diesem Beispiel ein Magnetstift verwendet.

Der Magnetstift 22 wird in einem Spritzgusswerkzeug 30 (vgl. Figur 2c) positioniert. Die Fixierung des Inserts 22 in dem Hohlraum 32 des Spritzgusswerk-

zeugs 30 erfolgte über zwei, in der Trennebene des Werkzeugs 30 angeordnete Haltestifte 34.

Nach dem Schließen des Werkzeugs wird dieses Insert 22 mit einem voll fluorierten Kunststoffmaterial in einem Hohlraum 32 des Spritzgusswerkzeugs 30 umspritzt und bildet eine im Wesentlichen allseitige Umhüllung oder Be- schichtung 24 aus. Als voll fluoriertes Kunststoffmaterial wurde ein TFE-Co- polymer verwendet mit einem Comonomeranteil von 0,5 Mol-%. Das Comonomer war Perfluorpropylvinylether (PPVE).

Das Spritzgießen zur Herstellung der Bauteilen 20 erfolgte auf einem Arburg Allrounder 420C-250 mit der oben in Beispiel 1 beschriebenen Maschinenauslegung (nicht dargestellt).

Bei der Auslegung des Werkzeugs 30 wurde darauf geachtet, dass die vorgegebenen Endmaße eingehalten werden. Das Insert 22 sollte vortemperiert werden (T ca. 200 ⁰ C oder mehr), da andernfalls die Schmelze des Polymermaterials an der Oberfläche des Inserts 22 zu schnell erstarren könnte.

Zu Schließen des Spritzgusswerkzeugs 30 ist eine kleine Schließkraft ausreichend (ca. 0,4 t/cm ² oder mehr), da einerseits die erfindungsgemäß verwendeten thermoplastischen Polymermaterialien auf Grund ihrer hohen Viskosität weniger stark zu Gratbildung neigen und andererseits so zusätzlich die Trennebene des Werkzeugs 30 als Entlüftung fungieren kann.

Die Werkzeugtemperatur betrug ca. 230 ⁰ C oder mehr.

Eingespritzt wird mit einem Spritzdruck von ca. 1000 bar oder weniger und einer Massetemperatur von ca. 330 ⁰ C oder höher. Beim Einspritzvorgang umströmt das thermoplastische Polymermaterial das Insert 22 während es den Hohlraum 32 ausfüllt. Bei einem Füllstand von ca. 80% wurde auf einen Nachdruck von ca. 800 bar oder weniger umgeschaltet.

Nachdem der Hohlraum 32 vollständig gefüllt war, verblieb das Werkzeug 30 eine gewisse Zeit ca. 8 sec oder mehr im geschlossenen Zustand um dem Polymermaterial 36 die Möglichkeit zu geben auf formstabiles Temperaturniveau abzukühlen.

Beim öffnen des Werkzeugs 30 fahren die Haltestifte 34 aus dem Hohlraum 32 aus, anschließend wird die Bauteil 20 dem Spritzgusswerkzeug 30 entnommen.

Die Zykluszeit für den kompletten Vorgang ist ca. 35 sec oder etwas mehr.

In einem nachfolgenden Veredelungsschritt wird der Anguss entfernt. Die Aussparungen (nicht gezeigt) der Haltestifte 34 können je nach Anwendungsfall ohne Nachbehandlung verbleiben.

Alternativ können die Haltestifte 34 noch in der Nachdruckphase aus dem Hohlraum 32 des Werkzeugs 30 herausgezogen werden, so dass sich die dabei verbleibenden freien Volumina noch mit Polymermaterial füllen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich als ein Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung eines Festverbundes durch einen einstufigen Umspritzungsprozess eines Einlegeteils. Ein Zusammenfügen von Einzelkomponenten entfällt. Der Zeitaufwand für die Herstellung ist im Vergleich zu den bisherigen Herstellverfahren wesentlich geringer. Das für die Beispiele eingesetzte thermoplastisch verarbeitbare voll fluorierte Kunststoffmaterial besitzt des Weiteren einen noch geringeren KaIt- fluss als modifiziertes PTFE.