Verfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen und danach hergestelltes

Formteil

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen unter Erhöhung der Viskositätszahl des zu ihrer Herstellung verwendeten Ausgangsmaterials. Sie bezieht sich insbesondere auf die Herstellung derartiger Teile in einem Spritzgussprozess. Weiterhin betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Formteil.

Bereits seit mehreren Jahren werden in steigendem Maße mechanische Teile und Elemente, welche früher aus Metall bestanden, aus Kunststoff gefertigt. Ein Vorteil, welchem zum Beispiel vor allem im Fahrzeugbau eine besondere Bedeutung zukommt, besteht in der sich beim Einsatz von Kunststoff ergebenden Gewichtsreduktion. Zudem lassen sich durch den Einsatz von Spritzgussverfahren auch Teile mit komplizierten Geometrien aus Kunststoff verhältnismäßig einfach fertigen.

Um den Einsatz der Spritzgusstechnik zu ermöglichen, darf jedoch der Kunststoff eine nicht zu hohe Viskosität aufweisen, da andernfalls nur eine spanende Bebeziehungsweise Verarbeitung möglich wäre. Andererseits hat sich aber gezeigt, dass die Belastbarkeit und damit auch die Standzeit von aus Kunststoff hergestellten Formteilen direkt proportional mit der Viskositätszahl des Materials

zusammenhängt. Dabei ist die Steigung der Proportionalitätsgeraden so steil, dass eine änderung der Viskositätszahl um nur 15 Punkte die Lebensdauer, beispielsweise eines aus Kunststoff gefertigten Zahnkranzes, halbiert oder verdoppelt. Daher gilt es, für den Spritzgussprozess Materialien auszuwählen, welche einerseits im Hinblick auf ihre Verarbeitung eine nicht zu hohe Viskositätszahl aufweisen, andererseits aber nach dem Abschluss des Spritzgussprozesses noch über eine Viskositätszahl verfügen, welche eine hohe Belastbarkeit und Lebensdauer sicherstellt.

Zur Fertigung von Kunststoffformteilen, wie Zahnkränzen und dergleichen, werden heute im Allgemeinen Materialien, vorzugsweise Polyamide, verwendet, welche bei ihrer Anlieferung eine absolute Viskosität beziehungsweise Lösungsviskosität von 180 ml/g bis 190 ml/g aufweisen. Im Zuge des Spritzgussprozesses verringert sich jedoch die Viskositätszahl und zwar um bis zu 5 Punkte. Entsprechend reduziert sich die Belastbarkeit beziehungsweise Standzeit eines im Wege des Spritzguss aus Kunststoff gefertigten Formteils. Selbstverständlich ist die zuliefernde Chemieindustrie auch in der Lage, höherviskose Materialien, das heißt Kunststoffe mit einer höheren Viskositätszahl zu liefern. Die Erzeugung entsprechender Materialien geschieht aber vorzugsweise durch geänderte Extrusionsbedingungen und führt dabei im Allgemeinen zu einer Verteuerung des Ausgangsmaterials für den Spritzguss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein seitens der Produzenten von Spritzgussformteilen einsetzbares Verfahren anzugeben, durch welches ohne eine nennenswerte Verteuerung des Herstellungsprozesses Formteile geschaffen werden können, die aufgrund der Viskositätszahl des Materials nach dem Abschluss des Formgebungsprozesses eine hohe Belastbarkeit aufweisen. Weiterhin soll ein entsprechendes, nach dem Verfahren hergestelltes Formteil bereitgestellt werden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ein die Aufgabe lösendes Formteil wird durch den ersten produktbezogenen Anspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Herstellung von Kunststoffformteilen durch die Verarbeitung eines als Granulat vorliegenden Ausgangsmaterials in einem Spritzgussprozess. In erfindungswesentlicher Weise wird jedoch das Granulat beim Produzenten der Formteile vor der formgebenden Verarbeitung im Spritzgussprozess erhitzt und für eine Dauer von 10 bis 30 Stunden bei einer Temperatur zwischen 9O ⁰ C und 150 ⁰ C getempert. Zur Durchführung des Verfahrens wird dabei vorzugsweise granuliertes Polyamid verwendet.

Durch Erhitzen beziehungsweise Tempern des als Ausgangsmaterial für den Spritzgussprozess dienenden Granulates, entsprechend einem festgelegten Temperatur-Zeit-Profil, lässt sich die Viskositätszahl von Polyamid erhöhen. Die Erhöhung der Viskositätszahl resultiert dabei offenbar daraus, dass aufgrund einer durch die Wärme auftretenden Polykondensationsreaktion Moleküle miteinander vernetzt werden, so dass längere Ketten entstehen. Bei längeren Ketten werden aber die intermolekularen Kräfte größer, so dass im Ergebnis die Belastbarkeit des Materials, in Form des E-Moduls und insbesondere der Biegewechselfestigkeit, zunimmt.

Die dargestellte Art der Vorbehandlung des Granulates ist wesentlich effizienter als eine thermische Nachbehandlung des Fertigteils. Der Nutzen der Erfindung liegt demnach darin, dass durch den Produzenten der Kunststoffformteile entsprechend den Anforderungen des Kunden mit gleichem Ausgangsmaterial höher belastbare

Teile realisiert werden können. Gleichzeitig eröffnet sich ein neuer Einsatzbereich dieses Materials für Anwendungen, für welche heute hochpreisliche Materialien eingesetzt werden. Somit ist hier ein Kostensenkungspotenzial für die Hersteller der Formteile gegeben.

Entsprechend einer praxisgerechten Möglichkeit der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung von Kunststoffformteilen aus Polyamid konnte in Versuchen gezeigt werden, dass bei einer Temperung des Materials mit einer Temperatur zwischen 110°C und 13O ⁰ C über einen Zeitraum von 10 bis 12 Stunden gute Resultate erzielt werden. Dabei konnte, im Hinblick auf die Viskositätszahl des angelieferten Materials einerseits und die Viskositätszahl des fertigen Formteils andererseits, die im Ergebnis des Spritzgießens zu verzeichnende Verringerung der Viskositätszahl kompensiert oder gar überkompensiert werden.

Besonders gute Ergebnisse wurden für Polyamid, wie beispielsweise das unter dem Handelsnamen Ultramid A4H ^® , erzielt, wenn das Material vor dem Spritzgießen nach dem Erreichen einer Granulattemperatur von HO ⁰ C mit einer Dauer von 10 bis 12 Stunden getempert und danach in einem Spritzgussprozess wurde.

Ein nach dem erfindungemäßen Verfahren hergestelltes Kunststoffformteil weist nach der Formgebung eine Lösungsviskosität mit einer Viskositätszahl zwischen 180 ml/g und 200 ml/g auf. Es zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass seine Lösungsviskosität gleich groß oder größer ist, als die ursprüngliche Lösungsviskosität des zu seiner Herstellung verwendeten Granulates.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können drehende beziehungsweise dynamisch belastete Teile, wie Gleitelemente, Zahnräder oder Wellen, mit einer Viskositätszahl zwischen 180 ml/g und 200 ml/g hergestellt werden, wobei

entsprechende Viskositätszahlen mit Ausgangsmaterialien erreicht werden, die bei Anlieferung eine Viskositätszahl zwischen 180 ml/g und 190 ml/g aufweisen. Die beim Spritzgießen auftretende Verringerung der Viskositätszahl wird demnach zumindest kompensiert oder, wie anhand der vorstehenden Zahlen deutlich wird, gegebenenfalls auch überkompensiert. Vorzugsweise sind unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Schneckenräder oder Schraubräder für den Einsatz im Getriebe einer Servolenkung herstellbar, welche trotz der Verwendung eines eher niedrigpreislichen Polyamids mit der vorstehend genannten Viskositätszahl von 180 ml/g bis 190 ml/g nach dem Abschluss des Formgebungsprozesses eine Viskositätszahl zwischen 180 ml/g und 200 ml/g aufweisen.

Gemäß einer beispielhaften Applikation werden entsprechende, für den Einsatz in EPS-Anwendungen (Servolenksystemen) vorgesehene Schneckenräder oder Schraubräder aus Ultramid A4H ^® gefertigt, indem das Ausgangsmaterial auf HO ⁰ C erhitzt und dann für 12 Stunden getempert wird. Danach werden die Schneckenräder in einem Spritzgussprozess in üblicher Weise aus dem gemäß der Erfindung vorbehandelten Granulat hergestellt. Dabei zeigt sich, dass ohne Rückgriff auf höherpreisliche Materialien, welche von Hause aus eine höhere Viskositätszahl aufweisen, als die im Allgemeinen zum Zwecke des Spritzguss von den Herstellern solcher Formteile bezogenen, Schneckenräder oder Schraubräder für den genannten Einsatzzweck gefertigt werden können, welche Viskositätszahlen zwischen 180 ml/g und 200 ml/g aufweisen. Offenbar aufgrund dieser verhältnismäßig hohen Viskositätszahl weisen entsprechende Schneckenräder beziehungsweise Schraubräder eine hohe Belastbarkeit und Standfestigkeit auf, durch welche sie für den Einsatz in EPS-Anwendungen geeignet sind.