AT15811U1 - Ausbringvorrichtung zum Ausbringen eines reaktiven Vorprodukts zur Polymerherstellung - Google Patents

Abstract

Ausbringvorrichtung (1) zum Ausbringen eines reaktiven Vorprodukts (A, B) zur Polymerherstellung in eine Form (2) einer Formgebungsmaschine (3), mit einem Ausbringzylinder (4), einem im Ausbringzylinder (4) angeordneten und axial bewegbaren Ausbringkolben (5), einer am Ausbringkolben (5) angebrachten Rückstromsperre (6), wobei die Rückstromsperre (6) ein, insbesondere ringförmiges, Sperrelement (7), einen Träger (8), ein vorderes Anschlagelement (9) und ein hinteres Anschlagelement (10) aufweist, wobei das Sperrelement (7) zwischen dem vorderen (9) und hinteren (10) Anschlagelement begrenzt bewegbar am Träger (8) gelagert ist, wobei das hintere Anschlagelement (10) als, vorzugsweise ringförmige, Dichtung (11) ausgebildet ist und einen Elastizitätsmodul von weniger als 150 GPa aufweist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Ausbringvorrichtung zum Ausbringen eines reaktiven Vorprodukts zur Polymerherstellung in eine Form einer Formgebungsmaschine, mit einem Ausbringzylinder, einem im Ausbringzylinder angeordneten und axial bewegbaren Ausbringkolben, einer am Ausbringkolben angebrachten Rückstromsperre, wobei die Rückstromsperre ein, insbesondere ringförmiges, Sperrelement, einen Träger, ein vorderes Anschlagelement und ein hinteres Anschlagelement aufweist, wobei das Sperrelement zwischen dem vorderen und hinteren Anschlagelement begrenzt bewegbar am Träger gelagert ist. Zudem betrifft die Erfindung eine Formgebungsmaschine mit zumindest einer solchen Ausbringvorrichtung.

[0002] In der DE 1 595 297 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, in der die reaktiven Vorprodukte in einer Schneckenplastifiziermaschine zusammengeführt, mit Zusatzstoffen vermischt und mit der im Spritzzylinder rotier- und axial verschiebbar gelagerten Schnecke als Schmelze in ein Werkzeug eingespritzt werden. Kennzeichnend ist, dass die reaktiven Vorprodukte bereits in der Schneckenplastifiziermaschine und nicht erst unmittelbar vor der Injektion in das Werkzeug vermischt werden. Die reaktiven Vorprodukte werden vielmehr bereits beim Eintritt in die Schneckenplastifiziermaschine zusammengeführt, d.h. am Austritt der Schnecke kann bereits teilweise eine Schmelze vom Polymer vorliegen. Nachteilig daran ist, dass damit ein starker Viskositätsanstieg verbunden ist, sodass beispielsweise das Imprägnieren eines Gewebes im Werkzeug nur noch erschwert oder nicht mehr möglich ist.

[0003] In der EP 2 572 851 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei der zwei Plastifizierschne-cken, die jeweils in einem Plastifizierzylinder angeordnet sind, für das Aufschmelzen und dosieren der reaktiven Vorprodukte verwendet werden. Die reaktiven Vorprodukte, die einen Aktivator in der einen und einen Katalysator in der anderen Komponente enthalten, werden in den Plastifizierschnecken noch nicht miteinander vermischt, sondern erst während dem Einbringen in die Spritzgießform. Das für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen in Granulatform bewährte Prinzip mit Plastifizierschnecken ist für die Verarbeitung von Caprolactam oder anderen niedrigviskosen reaktiven Vorprodukten nicht optimal, weil die sehr geringe Viskosität der zu fördernden reaktiven Vorprodukte kaum einen Druckaufbau durch die Schneckenrotation in Richtung der Schneckenspitze ermöglicht, weil verbliebene Feststoffagglomerate wegen der geringen Scherung nur schwer aufgeschlossen werden können und weil ebenfalls aufgrund der sehr geringen Viskosität des schon geschmolzenen Materials der Energieeintrag durch Dissipation sehr gering ausfällt.

[0004] In der DE 10 2013 008 054 A1 wird die Anordnung mit zwei Plastifizierschnecken für das Verflüssigen und Vermischen der reaktiven Vorprodukte mit mindestens zwei Schließeinheiten kombiniert. Die Vorrichtung für das Aufschmelzen, Vermischen und Fördern der reaktiven Vorprodukte versorgt somit zwei oder mehr Schließeinheiten. Am Prinzip für das Aufschmelzen, Vermischen und Fördern der reaktiven Vorprodukte wurde in der Schrift gegenüber der vorgenannten EP 2 572 851 A1 keine maßgebliche Veränderung beschrieben.

[0005] In der EP 2 454 075 B1 wird ebenfalls eine drehbare und axial verlagerbare Plastifizier-schnecke für die Verarbeitung von u.a. Monomeren wie Caprolactam vorgeschlagen, die in einem Extruder eingebracht ist. Die Plastifizierschnecke ist überdies mit einer Rückstromsperre ausgestattet, die wiederum am Außenumfang mit einer Dichtung aus einem Polymenwerkstoff versehen ist. Die Verwendung einer Rückstromsperre mit einer polymeren Dichtung ist auf die Kombination mit einer drehbaren und axial verlagerbaren Schnecke beschränkt. Nachteilig an der Anordnung ist, dass der Sperrring lediglich axial bewegt wird, während die Plastifizierschnecke in dem Extruder eine rotatorische und eine axiale Bewegung ausführt. Die resultierende Relativbewegung zwischen Sperrring und Plastifizierschnecke kann zu einer erhöhten tribologi-schen Belastung und damit verbundenem Verschleiß, vor allem aber zu Dichtigkeitsproblemen an der essentiellen Dichtstelle zwischen Plastifizierschnecke und Sperrring führen.

[0006] In der AT 515 952 B1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der für die Verarbeitung von reaktiven Vorprodukten eine Anordnung aus einer Aufschmelzeinheit und einer Injektions einheit verwendet wird. Es ist darin auch die Ausbildung einer Sammelzone beschrieben, aus der das flüssige reaktive Vorprodukt in die Injektionsvorrichtung übergeführt wird, die vorzugweise als Kolbeninjektionsvorrichtung ausgebildet ist. Diese Vorrichtung ist überdies mit einer Ablassvorrichtung verbunden, die sich zwischen der Aufschmelzeinheit und der Injektionseinheit befindet.

[0007] In der DE 10 2008 027 051 A1 ist eine Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine mit einer Plastifiziereinrichtung und einem Kolbenaggregat beschrieben, bei der im Kolbenaggregat ein reversierbar geführter Spritzkolben zum Einsatz kommt. Der Spritzzylinder oder alternativ der Spritzkolben weist dabei Nuten in Längsrichtung auf, durch die das geschmolzene Material fließen kann. Die beschriebene Anordnung weist keine Rückstromsperre auf. Der Rückfluss von Material aus dem Kolben während der Kolbenvorwärtsbewegung wird stattdessen mit einem aktiv zu betätigenden Sperrventil am Einlass des Spritzkolbens verhindert.

[0008] Während für das Aufschmelzen von reaktiven Vorprodukten wie beispielsweise Caprolactam bereits befriedigende Lösungen gefunden wurden, werden die vorgeschlagenen Lösungen mit Kolbeninjektionseinheiten dem geforderten Prinzip nicht gerecht, wonach Material, das als erstes in die Vorrichtung eintritt, dies auch als erstes wieder verlassen soll (first-in-first-out-Prinzip). Die ebenfalls vorgeschlagenen Lösungen bei denen Schneckenplastifiziermaschinen verwendet werden, erfüllen zwar das first-in-first-out-Prinzip, erweisen sich aber als suboptimal für die Verarbeitung der sehr niedrigviskosen reaktiven Vorprodukte.

[0009] Die beschriebenen Lösungen sind somit insbesondere bei der Verarbeitung von Caprolactam mit Aktivator und Caprolactam mit Katalysator mit Nachteilen verbunden. Wegen der sehr niedrigen Viskosität des geschmolzenen Caprolactams ist eine Schneckenplastifizierma-schine im Hinblick auf den dissipativen Energieeintrag kaum wirksam. Die von einem dissipativen Energieeintrag erwartete Aufschmelzwirkung auf verbliebene Feststoffagglomerate kommt damit kaum zum Tragen. Vielmehr müssen die reaktiven Vorprodukte fast vollständig durch Wärmeleitung aufgeschmolzen werden. Somit bietet die Plastifizierschnecke deutlich weniger gute Voraussetzungen für das Aufschmelzen als die in der AT 515 952 B1 beschriebene Lösung mit einem Spalt, der die Passage von Vorprodukten in fester Form nicht zulässt.

[0010] Als wichtige Alternative zur Verwendung von Schneckenplastifiziermaschinen ist die Zuführung der reaktiven Vorprodukte, insbesondere des Caprolactams mit Aktivator bzw. des Caprolactams mit Katalysator zu einer Injektionseinheit beschrieben, welche nach dem Kolbeninjektionsprinzip arbeitet. Dieser Kolben ist mit einer Ablassvorrichtung bzw. einer Absperrvorrichtung zu kombinieren, mit der der freie Durchfluss zwischen der Aufschmelzeinheit und der Kolbeninjektionseinheit geöffnet und geschlossen werden kann. Dieses Ventil muss wegen der sehr niedrigen Viskosität der Vorprodukte, die bevorzugt im Bereich von 3 bis 20 mPas liegt, ausgesprochen hohen Dichtigkeitsanforderungen gerecht werden, dabei hohen Drücken bis ca. 200 bar Stand halten und zudem bei hohen Temperaturen, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 °C betrieben werden können. Die Absperr- bzw. Ablassvorrichtung ist daher eine vergleichsweise aufwändige Komponente.

[0011] Im Unterschied zu den Lösungen mit Plastifizierschnecken wird eine Ausführung der Vorrichtung mit einer Kolbeninjektionseinheit und einer Absperr- bzw. Ablassvorrichtung dem Prinzip first-in first-out nicht gerecht. Vielmehr wird das reaktive Vorprodukt, das beim Dosierhub zuletzt in den Injektionskolben eintritt, als erstes wieder aus dem Injektionskolben hinausgedrückt (last-in first-out). Dieses Umdrehen der dosierten Flüssigkeitsmenge ist mit wesentlichen Nachteilen verbunden, weil sich damit die Verweilzeitverteilung stark verbreitet. Am Kolbenboden können Teile des reaktiven Vorprodukts verbleiben, die u.U. über viele Zyklen den Injektionszylinder nicht mehr verlassen, insbesondere dann, wenn der Injektionskolben beim Ausspritzen nicht vollständig in die vordere Endlage gefahren wird. Das Selbstreinigungsverhalten der Vorrichtung ist bei einer Umstellung des Materials wegen der nicht ausgespritzten Mengen von dem reaktiven Vorprodukt nicht optimal. Wenn das Vorprodukt den Injektionszylinder lange nicht verlässt, kann es wegen der thermischen Belastung geschädigt werden, was ungünstige Auswirkungen auf den Verlauf der chemischen Reaktion bei der Fertigung der Bauteile sowie auf deren Eigenschaften haben kann. Schließlich kann die Umkehrung des Flüssigkeitsstroms zu einer thermischen Inhomogenität entlang der dosierten Menge des reaktiven Vorprodukts führen, was u.a. Auswirkungen auf die Viskosität und damit auf das Mischverhalten der Vorprodukte, die Mischgüte und schließlich wieder auf den Reaktionsverlauf haben kann.

[0012] Mechanische Absperrelemente, wie beispielsweise Schiebe- oder Drehzylinder, sind mit Relativbewegungen von Dichtelementen über quer angeordnete Zu- bzw. Abflussöffnungen verbunden. Dabei kommt es vor allem an polymeren Dichtungen vermehrt zu Verschleiß und in der Folge zu Undichtigkeiten. Sehr niederviskose Stoffe wie geschmolzenes Caprolactam können dann nicht mehr verarbeitet werden.

[0013] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ausbringvorrichtung zu schaffen. Insbesondere sollen die angeführten Nachteile des Stands der Technik behoben werden.

[0014] Dies wird durch eine Ausbringvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das hintere Anschlagelement als, vorzugsweise ringförmige, Dichtung ausgebildet ist und einen Elastizitätsmodul von weniger als 150 GPa aufweist. Somit ist eine Abdichtung bei der Injektion zwischen dem hinteren Anschlagelement und dem Sperrelement sichergestellt, sodass bei der Injektion kein reaktives Vorprodukt durch die Rückstromsperre zurückfließen kann. Durch dieses Elastizitätsmodul erzielen die beiden aufeinander anliegenden Flächen eine bessere Dichtwirkung als es beispielsweise in der EP 2 454 075 B1 durch das Aufeinanderliegen der Stahlflächen möglich ist.

[0015] Sehr wohl können für die Dichtung Metalle bzw. Metalllegierungen außer Stahl (Elastizitätsmodul von 210 GPa) eingesetzt werden. Als Beispiel dafür ist auf eine Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung (Elastizitätsmodul von 135 GPa), auf Zinn-Phosphor-Bronze (Elastizitätsmodul von 115 GPa), auf Titan (E-Modul von 105 GPa) und auf Aluminium (E-Modul von 70 GPa) zu verweisen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das hintere Anschlagelement einen Elastizitätsmodul von weniger als 50 GPa, vorzugsweise von weniger als 20 GPa, aufweist. Hierzu kann auf Magnesium mit einem Elastizitätsmodul von 44 GPa verwiesen werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das hintere Anschlagelement aus Kunststoff besteht. Beispiele dafür sind PEEK-CF30 (E-Modul von 13 GPa), PEEK (E-Modul von 4,4 GPa), PA6-G (E-Modul von 3,3 GPa) und PTFE (E-Modul von 0,4 GPa).

[0016] Aber nicht nur das Elastizitätsmodul alleine ist für die Dichtigkeitseigenschaften der Rückstromsperre und dessen hinterem Anschlagelement entscheidend, sondern auch der thermische Längenausdehnungskoeffizient hat einen gewissen Einfluss. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass das hintere Anschlagelement einen Längenausdehnungskoeffizienten von mehr als 16-10 6/K, vorzugsweise von mehr als 35-10"6/K, aufweist. Bei der bereits erwähnten Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung liegt dieser Wert bei 17,6-10'6/K und bei Aluminium bei 23,1 -10 6/K. Wiederum bevorzugt sind auch hier Kunststoffe vorgesehen. Im Speziellen weist PEEK einen Längenausdehnungskoeffizienten von 47-10"6/K, PA6-G von 70-10"6/K und PTFE von 130-10 6/K auf.

[0017] Besonders gute Dichtungseigenschaften werden auch erreicht, wenn vorgesehen ist, dass der Kunststoff des hinteren Anschlagelements ein synthetisches Polymer ist oder aufweist, welches auf Basis des gleichen reaktiven Vorprodukts hergestellt ist, welches über die Ausbringvorrichtung ausbringbar ist. Mit anderen Worten ist also das Polymer, aus dem der Kunststoff des hinteren Anschlagelements besteht, mit dem mit der Ausbringvorrichtung ausgebrachten reaktiven Vorprodukt artverwandt. Dadurch quillt der Kunststoff der Dichtung etwas auf, wodurch eine noch bessere Abdichtung erreicht wird.

[0018] Für eine besonders einfache Einspritzung bzw. Injektion ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ausbringkolben relativ zum Ausbringzylinder nur axial bewegbar ist. Es kommt also eine Ausbringvorrichtung bzw. Injektionseinheit nach dem Kolbeninjektionsprinzip zum Einsatz. Der Ausbringkolben ist demnach mit dem Ausbringzylinder gepaart, indem der Ausbringkolben axial verlagerbar angeordnet ist. Bei diesem Kolbeninjektionsprinzip ist aber der Kolbenboden (Kol benspitze) nicht eben ausgeführt, sondern mit einer Rückstromsperre ausgestattet. Diese bevorzugte Ausführung hat den wesentlichen Vorteil, dass es keine Relativbewegungen von Dichtelementen über quer angeordnete Zufluss- oder Abflussöffnungen gibt, sodass der Verschleiß an den Dichtelementen minimiert wird.

[0019] Es kann prinzipiell vorgesehen sein, dass der Träger einstückig mit dem Ausbringkolben ausgebildet ist. Somit bildet der Ausbringkolben gleichzeitig den Träger. Bei dieser Variante sind also die beiden Anschlagelemente direkt am Ausbringkolben ausgebildet. Es kann aber vorgesehen sein, dass der Träger mit dem Ausbringkolben lösbar verbunden ist. Anders ausgedrückt, besteht also die Rückstromsperre aus einem Sperrelement und einem aufgeschraubten Kolbenendstück (entspricht dem Träger). Das Kolbenendstück ist also als aufgeschraubte Kolbenspitze ausgeführt, wobei beide Anschlagelemente am Träger ausgebildet sind. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die das hintere Anschlagelement bildende Dichtung am Ausbringkolben und am Träger anliegt bzw. befestigt ist. Somit ist die Dichtung ein vom Ausbringkolben und vom Träger separates Teil. Diese Dichtung ist ringförmig ausgebildet.

[0020] Generell sind Ausführungen möglich, die zu einem im Wesentlichen ebenen oder einem gewölbten Kolbenboden führen. Neben der beschriebenen Ausführung der Rückstromsperre als Ringrückstromsperre sind deshalb auch andere bekannte Bauweisen für Rückstromsperren, wie beispielsweise Kugelrückstromsperren, einsetzbar.

[0021] Das Sperrelement an sich kann als einfacher Sperrring ausgebildet sein, bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass das Sperrelement ein, vorzugsweise metallenes, Basiselement und eine am Basiselement, vorzugsweise über eine am Basiselement ausgebildete Vertiefung, gehaltene Sperrdichtung aufweist, wobei die Sperrdichtung am Ausbringzylinder anliegt. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Sperrelement über die Sperrdichtung klemmend am Ausbringzylinder gehalten ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die auf den Ausbringzylinder wirkende Flächenpressung der Sperrdichtung größer als 0,1 N/mm2 ist. Auch an der Dichtungspaarung zwischen Sperrring und Zylinderwand treten keine Relativbewegungen auf, bei denen quer angeordnete Zufluss- oder Abflussöffnungen überstreift werden, sodass der Verschleiß am Dichtungselement gering bleibt.

[0022] Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist weiters vorgesehen, dass im Ausbringzylinder zumindest eine Zuführöffnung zum Zuführen eines, vorzugsweise flüssigen, Vorprodukts ausgebildet ist. In ähnlicher Art und Weise gilt auch, dass im Ausbringzylinder zumindest eine Ausbringöffnung zum Ausbringen des Vorprodukts durch den Ausbringkolben ausgebildet ist.

[0023] Eine Position vorne bezeichnet eine Stelle entlang des Zylinders die der Ablauföffnung zugewandt ist. Eine Position hinten bezeichnet eine Stelle entlang des Zylinders die der Zulauföffnung bzw. dem axialen Antrieb des Kolbens zugewandt ist.

[0024] Am hinteren Ende des Zylinders befindet sich ein Antrieb, mit dem der Kolben axial bewegt werden kann. Am vorderen Ende befindet sich eine Ablauföffnung, über die das Vorprodukt den Zylinder bei der Vorwärtsbewegung des Zylinders verlassen kann. Weder an der Zulauf- noch in der Ablaufleitung des Zylinders ist eine Absperrvorrichtung zwingend vorgesehen, die den Zylinder abriegelt. Diese Komponente ist bei der vorliegenden Ausbringvorrichtung in bevorzugter Ausführung nicht notwendig. Davon unberührt sind etwaige Ventile, die der Drainage und dem Wartungszugriff dienen, z.B. wenn die Vorrichtung abgestellt wird und Reste von dem Vormaterial abgelassen werden müssen.

[0025] Der Zylinder der Vorrichtung hat eine Zulauföffnung an einer Position, die immer hinter den die Abdichtungen bewirkenden Bereichen der Rückstromsperre liegt, selbst wenn der Kolben bis zum maximalen Hub, also dem größten mit der Vorrichtung dosierbaren Volumen zurückgezogen ist.

[0026] Der Zylinder kann nach vorne mit einer Flanschplatte oder einen Zylinderkopf verschlossen sein, in der der Zylinderdurchmesser auf den Durchmesser der Ablauföffnung vermindert wird. Die Flanschplatte oder der Zylinderkopf kann so gestaltet sein, dass das Vorprodukt mit dem Kolbenendstück optimal aus dem Zylinderraum vor der Rückstromsperre verdrängt werden kann. Ebenso können Zylinder und Flanschplatte bzw. Zylinder und Zylinderkopf als ein Bauteil gefertigt sein.

[0027] Der Kolben befindet sich zu Beginn eines Zyklus in einer Position, die nicht der vorderen Endlage entspricht und bei der sich die benötigte Menge von dem reaktiven Vorprodukt vor der Rückstromsperre befindet. Der Sperrring (Sperrelement) der Rückstromsperre liegt bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführung an einer Schulter des Spritzkolbens an und dichtet den Raum vor dem Injektionskolben gegen die Zulauföffnung ab. Dieser Zustand wird als Injektionsstellung (Sperrsteilung = SS) bezeichnet.

[0028] Während der Injektion wird der Kolben nach vorne bewegt und das reaktive Vorprodukt wird über die Ablauföffnung aus dem Zylinder verdrängt. Die Kolbenbewegung endet, wenn ein zuvor eingestellte erstes Abschaltkriterium erreicht wird, dies kann eine Wegposition oder das Erreichen eines vorher definierten Druckniveaus sein, oder wenn der Kolben die vordere Endlage erreicht hat. An eine vorzugsweise geschwindigkeitsgesteuerte erste Kolbenbewegung kann sich auch eine druckgesteuerte weitere Kolbenbewegung anschließen, bis ein weiteres Abschaltkriterium erreicht ist, beispielsweise der Ablauf einer zuvor eingestellten Dauer für die Druckaufbringung.

[0029] Die Rückstromsperre ist in der bevorzugten Ausführung mit einem Sperrring versehen, der bei einer Bewegung des Kolbens nach hinten, d.h. beim Kolbenrückzug, die Dichtfläche zwischen dem Kolben und dem Sperrring wieder freigibt, sodass das reaktive Vorprodukt über den Dichtspalt in den Zylinderraum vor dem Kolben fließen kann. Der Sperrring wird bei der weiteren axialen Bewegung des Kolbens nach hinten vom Kolbenboden, der bevorzugt als Kolbenspitze ausgeführt ist, mitgeschleppt. Der Sperrring hat an der vorderen Anlagefläche, die dem Kolbenendstück zugewandt ist, keinerlei Dichtwirkung, sodass das reaktive Vorprodukt auch bei einem Kolbenrückzug bis in die hintere Endlage ungehindert in den Zylinderraum vor dem Kolbenboden fließen kann. Der freie Durchfluss während des Dosierhubes wird beispielsweise durch Nuten am Kolbenendstück erreicht.

[0030] Wenn das geforderte Dosiervolumen erreicht ist, wird der Injektionskolben wieder nach vorne bewegt, bis der Sperrring wieder an der Dichtfläche anliegt, die dem Injektionskolben zugewandt ist. Damit wird der Raum vor dem Injektionskolben, in dem sich das reaktive Vorprodukt befindet, für den nächsten Injektionsvorgang gegenüber der Zulauföffnung, die sich hinter der Rückstromsperre befindet, abgedichtet.

[0031] Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich alle Bewegungen des Sperrrings relativ zum Kolben und relativ zum Zylinder passiv aufgrund der Kolbenbewegung und dem Zylinder sowie aufgrund der Klemmwirkung zwischen dem Sperrring und der Zylinderwand ergeben. Die Bewegung des Sperrrings kann jedoch auch aktiv erfolgen, wobei eine Unterstützung oder Verstärkung der Bewegungen und der Anpresskräfte durch eine Antriebsvorrichtung, beispielsweise durch einen Hydraulikzylinder im Kolben, vorgesehen sein kann, welche den Sperrring betätigt. Darüber hinaus kann beim Vorhandensein einer aktiven Antriebsvorrichtung auf die Bewegung des Sperrrings durch die Kolbenbewegung auch verzichtet werden, d.h. der Sperrring würde dann ausschließlich durch diese Antriebsvorrichtung und unabhängig von der Kolbenbewegung geöffnet und geschlossen werden.

[0032] Der Kolben ist in einer bevorzugten Ausführung mit einer Dichtung versehen, mit der die Abdichtung gegenüber der hinteren Zylinderöffnung sichergestellt wird. In einer einfachen Ausführung ist die Dichtung kreisrund. In anderen Ausführungen kann die Dichtung den Kolben auch schräg oder S-förmig umfangen. Die letztgenannten Ausführungen haben u.a. den Vorteil, dass damit das Materialvolumen zwischen Kolben und Zylinderwand minimiert werden kann.

[0033] Der Kolben kann überdies mit einer Nut ausgestattet sein, in der das reaktive Vorprodukt während des Dosierens, d. h. während der Rückwärtsbewegung des Kolbens nach vorne in Richtung des Zylinderraums vor dem Kolbenboden fließen kann. Die Nut kann auch nur als Abflachung des Kolbens oder als Eintiefung in Form eine Sicke, d.h. ohne scharfe Kanten aus geführt sein. Alternativ zur Einbringung der Nut in den Kolben kann die Nut auch in den Zylinder, ausgehend von der Zulauföffnung in Richtung Ablauföffnung entlang der Zylinderinnenwand ausgeführt sein. Schließlich kann die Nut sowohl im Kolben als auch im Zylinder eingebracht sein. Die zuvor beschriebene Kolbendichtung kann in einer besonderen Ausführung beidseits entlang der Nut in Längsrichtung verlaufen und den Kolben in Umfangsrichtung am Ende der Nut sowie am vorderen Ende des Kolbens umfassen.

[0034] Der Sperrring kann - wie bereits beschrieben - ebenfalls mit einer Dichtung ausgestattet sein. Diese Dichtung verhindert u.a., dass bei der Injektion das reaktive Vorprodukt am Außenumfang des Sperrrings in Richtung der Zulauföffnung zurückfließt. Die Dichtung bewirkt zudem, dass der Sperrring im Zylinder klemmt und nur mit einer bestimmten Kraft vor- und zurückbewegt werden kann. Dieses Klemmen des Sperrrings begünstigt ein präzises und zuverlässiges Schließverhalten der Ringrückstromsperre bei passiver Betätigung durch den Kolben.

[0035] Die Dichtungen am hinteren Ende des Kolbens, am vorderen Ende des Kolbens und am Sperrring sind in einer bevorzugten Ausführung aus polymerem Werkstoff ausgeführt.

[0036] Schutz wird auch begehrt für eine Formgebungsmaschine mit zumindest einer erfin-dungsgemäßen Ausbringvorrichtung. Insbesondere sind zwei solche Ausbringvorrichtungen vorgesehen, mit denen jeweils ein reaktives Vorprodukt (z. B. Caprolactam mit einerseits Aktivator und andererseits Katalysator, oder alternativ Laurinlactam mit den entsprechenden Additiven) ausgebracht und in einer Formgebungsmaschine vermischt werden können.

[0037] In der Erfindung geht es allgemein gesprochen um eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen aus reaktiven Vorprodukten, insbesondere aus Caprolactam oder Laurinlactam, unter zusätzlicher Verwendung zumindest eines Aktivators und eines Katalysators.

[0038] Die reaktiven Vorprodukte sind bei Raumtemperatur feste oder flüssige Substanzen. Bei Raumtemperatur feste reaktive Vorprodukte müssen in einen soweit flüssigen Aggregatszustand übergeführt werden können, dass ein Vermischen möglich ist, beispielweise durch Wärmezufuhr. Ein reaktives Vorprodukt kann aus einer oder aus mehreren chemischen Substanzen bestehen, wobei nicht notwendigerweise alle Substanzen bei den Verarbeitungsbedingungen flüssig sein müssen. Ein reaktives Vorprodukt kann insbesondere auch feste Füllstoffe und Verstärkungsstoffe beinhalten.

[0039] Reaktive Vorprodukte können als Einkomponentensysteme oder als Mehrkomponentensysteme angelegt sein. Bei Einkomponentensystemen reicht es ein reaktives Vorprodukt zu verarbeiten. Die chemische Reaktion, die zu einem Festkörper und bei Verwendung einer Form zu einem Bauteil führt, wird beispielsweise durch erhöhte Temperatur initiiert.

[0040] Bei Mehrkomponentensystemen werden mindestens zwei reaktive Vorprodukte im Zuge der Verarbeitung miteinander vermischt. Das Zusammenführen von chemischen Substanzen, die in den reaktiven Vorprodukten enthalten sind, bringt die chemische Reaktion in Gang, die wiederum zu einem Festkörper und bei Verwendung einer Form zu einem Bauteil führt.

[0041] Beispiele für reaktive Vorprodukte sind Caprolactam mit einem Katalysator als erste Komponenten eines Zweikomponentensystems und Caprolactam mit Aktivator als zweite Komponente des bezeichneten Zweikomponentensystems. Anstelle des Caprolactams können Laurinlactam oder Mischungen von Lactamen Bestandteile von reaktiven Vorprodukten sein. Weitere bedeutende reaktive Vorprodukte sind Polyol und Isocyanat, die zu Polyurethan führen, sowie Epoxidharz und zugehörige Härter, aus denen Epoxidharzbauteile gefertigt werden.

[0042] Caprolactam ist ein Monomer, das durch anionische Polymerisation zu Polyamid-6 polymerisiert werden kann. Die Polymerisation des Monomers Laurinlactam führt zu Polyamid-12. Bei Raumtemperatur sind die Monomere Caprolactam und Laurinlactam teilkristalline Feststoffe.

[0043] Die Polymerisation der chemischen Substanz Caprolactam (Monomere) kann mit Hilfe eines Aktivators und eines Katalysators erfolgen, die dem Caprolactam in getrennten Behältern beigefügt werden. Erst das Zusammenführen und Vermischen der reaktiven Vorprodukte, Monomer mit Aktivator und Monomer mit Katalysator, führt zu den reaktiven Vorprodukten, die bei geeigneten Prozessbedingungen zu Polyamid auspolymerisiert.

[0044] Damit die Polymerisationsreaktion ordnungsgemäß ablaufen kann, müssen bestimmte Prozessbedingungen gegeben sein. Die Monomere müssen mit dem Katalysator bzw. dem Aktivator innig vermischt sein. Die reaktiven Vorprodukte, bestehend aus Monomer und Aktivator bzw. Monomer und Katalysator, müssen geschmolzen sein und auf erhöhte Temperatur, im Falle des Caprolactams zwischen 100°C und 180°C, vorzugsweise auf 130°C bis 150°C erwärmt werden. Der Zutritt von Wasser, insbesondere aus der Luftfeuchtigkeit, zu den reaktiven Vorprodukten muss generell und insbesondere im geschmolzenen und erwärmten Zustand verhindert werden. Die Vorrichtung für die Verarbeitung muss darüber hinaus eine genaue Dosierung der reaktiven Vorprodukte mit hohem Druck ermöglichen, wobei Drücke bis zu 200 bar in Betracht kommen.

[0045] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen: [0046] Fig. 1 schematisch eine Formgebungsmaschine, [0047] Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausbringvorrichtung vor dem Einspritzen (SS:

Sperrsteilung), [0048] Fig. 3 einen Schnitt durch die Ausbringvorrichtung bei beendeter Einspritzbewe gung (SS: Sperrsteilung), [0049] Fig. 4 einen Schnitt durch die Ausbringvorrichtung zu Beginn der Rückzugsbewe gung und des Füllvorgangs (DS: Durchflussstellung), und [0050] Fig. 5 einen Schnitt durch die Ausbringvorrichtung bei beendeter Dosierung (DS:

Durchflussstellung).

[0051] In Fig. 1 ist schematisch eine Formgebungsmaschine 3 dargestellt. Diese besteht einerseits aus der Einspritzeinheit, welche in diesem Fall aus zwei Ausbringvorrichtungen 1 besteht, und aus der schematisch angedeuteten Schließeinheit 26. Bevorzugt sind beiden Ausbringvorrichtungen 1 identisch ausgebildet (siehe für den detaillierten Aufbau die Fig. 2 bis 5). Die Schließeinheit 26 kann z. B. in Form eines Kniehebelmechanismus oder eines Spindelantriebs ausgebildet sein. Über diese Schließeinheit 26 ist die bewegbare Formaufspannplatte 24 relativ zur feststehenden Formaufspannplatte 23 bewegbar. Auf diesen Formaufspannplatten 23, 24 sind jeweils die Formhälften 21, 22 aufgespannt, die zusammen die Form 2 bilden. In der (geschlossenen) Form 2 ist eine Kavität K ausgebildet. Bei geschlossener Form 2 werden über entsprechende Leitungen aus den beiden Ausbringvorrichtungen 1 die reaktiven Vorprodukte A, B in eine Mischkammer 25 eingebracht. Diese Mischkammer 25 ist in diesem Fall in der Form 2 ausgebildet. Durch Aufeinandertreffen der beiden polymeren Vorprodukte A, B erfolgt die Vermischung in der Mischkammer 25, wodurch bereits die Polymerisierung starten kann. Die Mischung wird dann durch Bewegen der Ausbringkolben 5 in die Kavität K eingebracht. In der Kavität K kann auch ein Verstärkungsmaterial (z. B. ein Preform aus Glasfasergewebe) angeordnet sein.

[0052] Nach ausreichender Polymerisation bzw. nach dem Aushärten der eingespritzten Komponenten wird die Form 2 geöffnet, wodurch das zumindest teilweise verfestigte Produkt ausgeworfen wird. Nicht dargestellt sind in dieser Fig. 1 die Antriebsvorrichtungen für die Ausbringvorrichtungen 1. Diese können in Form von Servomotoren mit Spindeln ausgebildet sein. Über die schematisch dargestellte Bedienvorrichtung 30 können die Bewegungen der Ausbringvorrichtungen 1 und auch der Schließeinheit 26 gesteuert bzw. geregelt werden. Hierzu kann in der Bedienvorrichtung 30 eine Steuer- oder Regeleinheit ausgebildet sein. Z. B. kann diese Steueroder Regeleinheit mit nicht dargestellten Sensoren in Verbindung stehen, welche z. B. den Druck in den einzelnen Ausbringvorrichtungen 1 bzw. in der Kavität K messen oder auch die

Geschwindigkeit der Kolbenbewegungen messen. Dadurch ist eine geschwindigkeitsgesteuerte oder eine druckgesteuerte Kolbenbewegung möglich.

[0053] In Fig. 2 sind Details einer Ausbringvorrichtung 1 dargestellt. Generell umfasst diese Ausbringvorrichtung 1 den Ausbringzylinder 4 und den Ausbringkolben 5. Dieser Ausbringkolben 5 ist entlang der Längsachse L im Ausbringzylinder 4 translatorisch bewegbar. Besonders bevorzugt ist dieser Ausbringkolben 5 nur translatorisch bewegbar. D. h., es finden keine rotatorischen Bewegungen des Ausbringkolbens 5 um die Längsachse L statt. Am vorderen Ende des Ausbringkolbens 5 ist eine Ruckstromsperre 6 angebracht. Diese besteht aus dem Träger 8, den am Träger 8 ausgebildeten vorderen Anschlagelement 9, dem hinteren Anschlagelement 10 und dem Sperrelement 7. Dieses Sperrelement 7 ist zwischen dem vorderen Anschlagelement 9 und dem hinteren Anschlagelement 10 in axialer Richtung bewegbar. Im Speziellen ist dieses Sperrelement 7 als den Träger 8 umgebender Sperrring ausgebildet. Der Träger 8 ist über ein Gewinde 12 in den Ausbringkolben 5 ein geschraubt. Es sollte nicht ausgeschlossen werden, dass der Träger 8 auch einstückig mit dem Ausbringkolben 5 ausgebildet sein kann. Das Sperrelement 7 wiederum weist ein Basiselement 13 und eine Sperrdichtung 15 auf. Diese Sperrdichtung 15 kann auf dem Sperrelement 13 befestigt, z. B. in Form eines Polymers aufgespritzt oder durch Reaktivverarbeitung aufgegossen, sein. Bevorzugt ist allerdings im Basiselement 13 eine Vertiefung 14 ausgebildet, in welcher die Sperrdichtung 13 gehalten ist. Somit kann keine seitliche Verschiebung der Sperrdichtung 15 relativ zum Basiselement 13 auftreten. Bevorzugt ist das Basiselement 13 aus einem Metall und die Sperrdichtung 15 aus einem polymeren Werkstoff gebildet. Dasselbe gilt auch für das Dichtelement 17 im hinteren Bereich des Ausbringkolbens 5. Diese Dichtung 17 liegt an der Innenwandung des Ausbringzylinders 4 an und bildet somit die Dichtungsstelle 16. Im Ausbringkolben 5 ist eine in axialer Richtung verlaufende Nut 20 zwischen dem hinteren Dichtelement 17 und dem hinteren Anschlagelement 10 ausgebildet. Das hintere Anschlagelement 10 ist als eine Art Schulter ausgebildet. Dieses hintere Anschlagelement 10 bildet eine ringförmige Dichtung 11 und weist einen Elastizitätsmodul von weniger als 150 GPa auf. Im Speziellen ist diese Dichtung 11 aus Kunststoff, vorzugsweise PEEK, PA6-G oder PTFE, gebildet. Es ist auch möglich, dass die an die Dichtung 11 anliegende Fläche des Sperrelements 7 aus denselben Kunststoffen gebildet ist. Das vordere Anschlagelement 9 bildet keine Dichtungsstelle, sondern lediglich einen Anschlag, das zumindest eine, vorzugsweise mehrere, regelmäßig um die Längsachse L angeordnete Nuten 29 aufweist. Vor der Kolbenspitze befindet sich im Ausbringzylinder 4 der Hohlraum H. Am Ausbringzylinder 4 ist der Zylinderkopf 28 (Flanschplatte) angebracht. In diesem Zylinderkopf 28 ist die Ausbringöffnung 19 ausgebildet, über welche das polymere Vorprodukt A, B ausbringbar ist. Generell befindet sich die Ausbringvorrichtung 1 in Fig. 2 in der Sperrsteilung SS (auch Injektionsstellung genannt).

[0054] Gemäß Fig. 3 befindet sich die Ausbringvorrichtung 1 weiterhin in der Sperrsteilung SS, wobei sich aber der Ausbringkolben 5 axial in Richtung Ausbringöffnung 19 bewegt hat. Dadurch, dass eine ausgezeichnete Dichtung zwischen dem hinteren Anschlagelement 10 und dem Sperrelement 7 der Rückstromsperre 6 gegeben ist, wird durch die translatorische Vorwärtsbewegung eine exakte Menge an polymerem Vorprodukt A, B durch die Ausbringvorrichtung 1 ausgebracht. Es kann kein polymeres Vorprodukt, selbst wenn es niedrigviskos ist, durch die Rückstromsperre 6 zurückfließen.

[0055] Erst mit einer absichtlichen, leichten Rückwärtsbewegung des Ausbringkolbens 5 gemäß Fig. 4 wird diese Abdichtung aufgehoben. Dadurch, dass das Sperrelement 7 über die Sperrdichtung 15 klemmend an der Innenwandung des Ausbringzylinder 4 gehalten ist, bewegt sich bei dieser Rückwärtsbewegung nur der Träger 8 mitsamt dem Kolben 5 mit. Dadurch ist die Durchflussstellung DS erreicht.

[0056] Bei weiterer Rückwärtsbewegung in die Stellung gemäß Fig. 5 bewegt sich auch das Sperrelement 7 durch das Anliegen am vorderen Anschlagelement 9 mit dem Träger 8 und dem Ausbringkolben 5 mit. Durch diese Rückwärtsbewegung erfolgt ein Dosieren des polymeren Vorprodukts A, B ausgehend von der Zuführöffnung 18 über die Nut 20, den Spalt zwischen Träger 8 und Sperrelement 7 und die Nuten 29 im Träger 8 in den Hohlraum H. Ein uner wünschtes Austreten des polymeren Vorprodukts A, B nach hinten wird durch das Dichtelement 17 der Dichtungsstelle 16 verhindert.

[0057] Sobald die Dosierung abgeschlossen ist, kann der Ausbringkolben 5 für das Ausbringen bzw. Einspritzen des polymeren Vorprodukts A, B wieder nach vorne bewegt werden, wodurch wieder die Sperrsteilung SS gemäß Fig. 2 erreicht ist.

[0058] Die Bewegung des Sperrelements 7 kann alternativ durch eine aktive Betätigung einer nicht dargestellte Antriebsvorrichtung, beispielsweise in Form eines Hydraulikzylinders im Kolben, ausgeführt werden, oder es kann durch die aktive Betätigung die Bewegung des Sperrelements 7 unterstützt und die Flächenpressung zwischen der Dichtung 11 und dem hinteren Anschlagelement 10 erhöht werden.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Ausbringvorrichtung 2 Form 3 Formgebungsmaschine 4 Ausbringzylinder 5 Ausbringkolben 6 Rückstromsperre 7 Sperrelement 8 T räger 9 vorderes Anschlagelement 10 hinteres Anschlagelement 11 Dichtung 12 Gewinde 13 Basiselement 14 Vertiefung 15 Sperrdichtung 16 Dichtungsstelle 17 Dichtelement 18 Zuführöffnung 19 Ausbringöffnung 20 Nut 21 Formhälfte 22 Formhälfte 23 Formaufspannplatte 24 Formaufspannplatte 25 Mischkammer 26 Schließeinheit 27 Bedieneinheit 28 Zylinderkopf 29 Nut 30 Bedienvorrichtung A, B reaktives Vorprodukt H Hohlraum K Kavität SS Sperrsteilung DS Durchflussstellung L Längsachse

Claims (16)

1. Ansprüche

   1. Ausbringvorrichtung (1) zum Ausbringen eines reaktiven Vorprodukts (A, B) zur Polymerherstellung in eine Form (2) einer Formgebungsmaschine (3), mit - einem Ausbringzylinder (4), - einem im Ausbringzylinder (4) angeordneten und axial bewegbaren Ausbringkolben (5), - einer am Ausbringkolben (5) angebrachten Rückstromsperre (6), wobei die Rückstromsperre (6) ein, insbesondere ringförmiges, Sperrelement (7), einen Träger (8), ein vorderes Anschlagelement (9) und ein hinteres Anschlagelement (10) aufweist, wobei das Sperrelement (7) zwischen dem vorderen (9) und hinteren (10) Anschlagelement begrenzt bewegbar am Träger (8) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Anschlagelement (10) als, vorzugsweise ringförmige, Dichtung (11) ausgebildet ist und einen Elastizitätsmodul von weniger als 150 GPa aufweist.
2. 2. Ausbringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Anschlagelement (10) einen Elastizitätsmodul von weniger als 50 GPa, vorzugsweise von weniger als 20 GPa, aufweist.
3. 3. Ausbringvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Anschlagelement (10) einen Längenausdehnungskoeffizienten von mehr als 16-10 6/K, vorzugsweise von mehr als 35-10'6/K, aufweist.
4. 4. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Anschlagelement (10) aus Kunststoff besteht.
5. 5. Ausbringvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des hinteren Anschlagelements (10) ein synthetisches Polymer ist oder aufweist, welches auf Basis des gleichen reaktiven Vorprodukts (A, B) hergestellt ist, welches über die Ausbringvorrichtung (1) ausbringbar ist.
6. 6. Ausbringvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des hinteren Anschlagelements (10) PEEK, PA6-G oder PTFE ist.
7. 7. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) entweder einstückig mit dem Ausbringkolben (5) ausgebildet ist oder mit dem Ausbringkolben (5), vorzugsweise über ein Gewinde (12), lösbar verbunden ist.
8. 8. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (7) ein, vorzugsweise metallenes, Basiselement (13) und eine am Basiselement (13), vorzugsweise über eine am Basiselement (13) ausgebildete Vertiefung (14), gehaltene Sperrdichtung (15) aufweist, wobei die Sperrdichtung (15) am Ausbringzylinder (4) anliegt.
9. 9. Ausbringvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (7) über die Sperrdichtung (15) klemmend am Ausbringzylinder (4) gehalten ist, wobei die auf den Ausbringzylinder (4) wirkende Anpresskraft der Sperrdichtung (15) größer als 0,1 N/mm2 ist.
10. 10. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines hinteren Kolbenendes eine Dichtungsstelle (16) zwischen einem, vorzugsweise ringförmigen, Dichtelement (17) und dem Ausbringzylinder (4) ausgebildet ist.
11. 11. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausbringzylinder (4) zumindest eine Zuführöffnung (18) zum Zuführen eines, vorzugsweise flüssigen, Vorprodukts (A, B) ausgebildet ist.
12. 12. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausbringzylinder (4) zumindest eine Ausbringöffnung (19) zum Ausbringen des Vorprodukts (A, B) durch den Ausbringkolben (5) ausgebildet ist.
13. 13. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausbringkolben (5) oder am Ausbringzylinder (4) zumindest eine Nut (20) ausgebildet ist, über die das reaktive Vorprodukt (A, B) in Richtung eines vor dem Ausbringkolben (5) ausgebildeten Hohlraums (H) im Ausbringzylinder (4) fließt.
14. 14. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbringkolben (5) relativ zum Ausbringzylinder (4) nur axial bewegbar ist.
15. 15. Ausbringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (7) relativ zum Träger (8) durch eine, vorzugsweise im Ausbringkolben (5) angeordnete hydraulische, Antriebsvorrichtung bewegbar ist.
16. 16. Formgebungsmaschine mit zumindest einer Ausbringvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen