Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoffen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoffen und ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie auf ein Erzeugnis des Verfahrens.
Zur Herstellung von Formteilen, bei denen eine gewisse Mindestwandstärke unterschritten werden soll, ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem ein erwärmter Kern kurzzeitig in ein filmbildendes Kunststoffpulver getaucht wird. Der auf der Oberfläche des Kerns sich bildende Formteil wird anschliessend vom Kern entfernt. Nach diesem Verfahren erfordert die Herstellung eines Formkörpers mit einer Schichtdicke von 0,5 mm bereits eine erneute Aufheizung des Werkzeuges und eine Wiederholung des Tauchvorganges.
Die genannten Verfahren haben es aus den aufgeführten Gründen bisher nicht gestattet, grosse, selbsttragende Formteile in einem Arbeitsgang wirtschaftlich herzustellen. Zudem bezeigen in der Praxis gewonnene Versuchsergebnisse, dass nacheinander aufgebrachte Schichten ein sehr geringes Haftungsvermögen aufweisen und dazu neigen, sich nach einiger Zeit voneinander wieder zu lösen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass durch mehrfaches Aufheizen und Abkühlen des zu beschichtenden Formwerkzeuges das Material in seiner molekularen Struktur geschädigt werden kann.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung beseitigt diese Nachteile und besteht darin, dass der Kunststoff in eine der Aussenform des herzustellenden Teiles entsprechende kalte Form eingebracht wird, welche hierauf durch eine Heizvorrichtung aufgeheizt wird, wobei sich an den Innenwandungen der Form ein Kunststoffniederschlag bildet, dessen Stärke von der Dauer und Intensität der Temperatureinwirkung abhängig ist, und dass nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke der nicht zu einem Film niedergeschlagene Kunststoff entfernt und nach Entfernen der Form aus der Heizvorrichtung der Formteil der Form in abgekühltem Zustand entnommen wird.
Dieses Verfahren ermöglicht durch einen einmaligen Erwärmungsvorgang bei minimalem apparativem Aufwand und bei verhältnismässig geringen Formkosten die rationelle Herstellung grossflächiger und starkwandiger Formteile in einem einem Taktverfahren ähnlichen Fabrikationsprozess, bei dem zudem die gegebenenfalls variabel ausführbare Schichtdicke im vornherein bestimmbar ist und den praktischen Erfordernissen entsprechend gestaltet werden kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Formwerkzeug mit einem Kern.
Fig. 2 ist eine Ansicht eines Schalttableaus mit Zeitmesser.
Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch eine Ausführungsvariante dar.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird zunächst Kunststoff in ein kaltes Formwerkzeug eingebracht, wobei das Formwerkzeug bis zum Rand mit Kunststoff gefüllt wird. Zur Erzielung gleichmässiger Wandstärken und zur störungsfreien, rationellen und ungehinderten Durchführung des Verfahrens ist ein wesentliches Erfordernis, das Formwerkzeug ausserhalb des Heizwerkzeuges, also in kaltem Zustand, zu füllen. Sollten sich Trennmittel als notwendig erweisen, dann werden diese in üblicher Weise vor Beginn des Füllvorganges auf die Innenseite des Formwerkzeuges aufgetragen oder aufgesprüht. Will man sich des Kernwerkzeuges bedienen, dann wird zuerst dieses in das Formwerkzeug einge setzt und der so entstehende Zwischenraum zwischen Form und Kernwerkzeug mit Kunststoff gefüllt.
Das so vorbereitete Formwerkzeug wird in die Heizvorrichtung eingesetzt. Diese entnimmt die Wärme, die dem Formwerkzeug die notwendige Temperatur übermittelt, einer an der Aussenwan deng angebrachten Anordnung vor Wärmestrahlern oder einem Heizölbad, einem Heizluftstrom oder ähnlichem. Es ist zweckmässig, die Wärme direkt auf das Formwerkzeug oder einzelne Teile desselben einwirken zu lassen. Letzteres wird dadurch bewirkt, dass die Wandung der Heizvorrichtung mehr oder weniger durchbrochen ist. In diesem Falle kann zum Beispiel ein Ölbad nicht angewandt werden. Infolge der Wärmeeinwirkung schlägt sich an der Innenwandung des Formwerkzeuges der Kunststoff zu einer Schicht oder einem Film nieder.
Die Schichtstärke des Niederschlages wird ! durch die Dauer der Wärmeeinwirkung und durch den Abstand des Formwerkzeuges zur Heizvorrichtung bestimmt, gegebenenfalls auch durch die auf bestimmte Stellen des Formwerkzeuges richtbare Intensität der Wärmeeinwirkung. Der Grad der Wärmeeinwirkung kann durch geeignete Messwerkzeuge geregelt werden, und wird so eingestellt, dass eine Strukturbeschädigung des zu verarbeitenden Materials durch Depolymeri sation, Zersetzung usw. nicht eintritt.
Nach Erreichen der gewünschten Schichtstärke wird in jedem Falle das Kernwerkzeug, soweit man sich seiner bedient hat, aus dem Formwerkzeug herausgenommen. An der Innenwandung des Formteiles evtl. nicht niedergeschlagenes Material wird durch geeignete Vorrichtungen (zum Beispiel Absauganlage) entnommen, wobei das Formwerkzeug im allgemeinen in der Heizvorrichtung verbleibt.
Durch die gegebenenfalls auf das Formwerkzeug weiterhin einwirkende Wärme kann eine glatte Oberfläche des Kunststoffniederschlages erzielt werden.
Hierbei ist als sehr wesentlich zu betrachten, dass infolge der Wärmeeinwirkung von aussen nach innen, also in Richtung auf die jetzt freiliegende Oberfläche des Formteiles Blasenbildungen bzw. Lufteinschlüsse vermieden werden.
Das Formwerkzeug wird der Heizvorrichtung entnommen und zum Beispiel bei Raumtemperatur abgekühlt. Es kann zweckmässig sein, durch einen nachfolgenden Kühlprozess eine Schrumpfung bzw.
Festigung des Materials zu erreichen. Der auf diese Weise hergestellte Formteil wird nun der Form entnommen und gegebenenfalls einer weiteren Verarbeitung zugeführt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich herstellen: Kühlschrankbehälter, Abdeckhauben für Maschinenaggregate, Bootsteile, Wannen, Karosserieteile, Kisten, Säureballons, Beizkörper, Bojen, Eimer, Rührwerkbehälter, Platten, Pontons, Vollstäbe, Exhaustorengehäuse, Blöcke, Rohre, Fässer usw.
Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens weist zwei oder drei Werkzeuge auf, die in ihrer Gestaltung ihren spezifischen Aufgaben enstprechend aufeinander abgestimmt sind. Da die Werkzeuge entweder gar keinen oder, wenn man sich eines unter Druck stehenden elastischen Kernwerkzeuges bedient, nur dieses und das Formwerkzeug einen relativ sehr geringen Druck aushalten müssen, kann die Herstellung der Werkzeuge preisgünstig vorgenommen werden. Heizvorrichtung und Formwerkzeug können aus dünnwandigem Blech bestehen. Zur Erzielung einer glatten Oberfläche kann das Formwerkzeug innen z. B. verchromt sein. Feuerfestes Glas hat sich als Formwerkzeug ebenfalls gut bewährt.
Die Heizvorrichtung dient der Wärmeübertragung und ist so gestaltet, dass die Wärmestrahlung auf das Formwerkzeug einstellbar ist, und zwar so, dass gegebenenfalls bestimmte Stellen des Formwerkzeuges einer überhöhten Wärmestrahlung ausgesetzt werden können. Ähnlich wie sich eine Patrize in die Matrize einpasst, wird das Form-werkzeug in das nach diesem jeweils zu gestaltende Heizwerkzeug eingesetzt oder umgekehrt. Die Innenwandung bzw. die Innenkonturen des Formwerkzeuges entsprechen während des Herstellungsprozesses in allen Fällen der Aussenwandung bzw. den Aussenkonturen des darin herzustellenden Formteiles.
In bestimmten Fällen kann man sich zweckmässigerweise eines Kernwerkzeuges bedienen, welches wiederum in das Formwerkzeug eingesetzt wird. Die Aufgabe des Kernwerkzeuges besteht in erster Linie darin, die Menge des in das Formwerkzeug einzufüllenden Kunststoffes herabzusetzen. Dieses Kernwerkzeug kann in starrer oder auch elastischer Form ausgebildet werden, wobei es im letzteren Falle durch Füllen mit Wasser oder Luft unter Druck diesen auf den eingefüllten Kunststoff überträgt. Auch das Kernwerkzeug kann bei Bedarf heizbar eingerichtet werden.
Zum Bau der Werkzeuge verwendet man Glas, Metall, Holz, Keramik oder sonstige mineralische Werkstoffe, wobei die genannten Werkzeuge nicht aus dem gleichen Werkstoff zu bestehen brauchen.
So kann zum Beispiel die Heizvorrichtung aus dünnwandigem Blech bestehen, während für das Formwerkzeug Glas und für das Kernwerkzeug Holz verwendet wird. Auch Kunststoffe und Kautschuk können eingesetzt werden, sofern sie eine genügende Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Beispiel 1
Es wird die Herstellung einer Badewanne in den Massen 600 mm hoch, 600 mm breit, 150 mm lang, durch Ölbadheizung mit einer Wandstärke von 2,5 mm aus Polyäthylenpulver beschrieben: Die Vorrichtung besteht gemäss Fig. 1 aus einem entsprechend isolierten Behälter 1, in dem sich Diphylöl befindet, welches durch eine am Boden und an den Seiten des Behälters liegende elektrische Heizschlange 4 auf eine Temperatur von etwa 2700 aufgeheizt wird. In dieser Heizvorrichtung, die etwas grösser ist als den Konturen der Wanne entsprechend, wird als Form werkzeug 2 eine dünnwandige Blechform in einer Stärke von 0,5 mm eingesetzt. Diese Blechform ist nach oben offen.
Dieses eigentliche Formwerkzeug entspricht auf seiner formgebenden Aussenseite genau den Konturen der herzustellenden Wanne und liegt in der Heizvorrichtung, wobei der Zwischenraum zwischen Heizvorrichtung und Formwerkzeug so gering wie möglich ist. Am Formwerkzeug ist ein Halteorgan 3 angebracht, mit dessen Hilfe es in die Heizvorrichtung eingesetzt und herausgenommen werden kann.
Die Herstellung einer Wanne geht in folgender Weise vor sich:
Das Diphylbad wird auf etwa 2700 aufgeheizt. Nach Einbringung des Kernwerkzeuges 6 wird das Polyäthylenpulver 7 in das sich ausserhalb des Heizwerkzeuges befindliche Formwerkzeug bis zum Rand eingefüllt, nachdem dieses mit einem Trennmittel 5 (zum Beispiel Paraffinöl) an seinen Innenwandungen eingestrichen wurde. Anschliessend wird das Formwerkzeug in die Heizvorrichtung von Hand oder durch Flaschenzug eingesetzt. Das Formwerkzeug kann zur Vermeidung von Wärmeverlusten und zur Sauberhaltung des pulverigen Materials beliebig abgedeckt werden.
Die von der Heizvorrichtung ausgehende Wärmestrahlung bringt das im Formwerkzeug befindliche Polyäthylenpulver zum Schmelzen, und zwar dergestalt, dass sich an den Innenwandungen des Formwerkzeuges eine zusammenhängende Schmelzschicht bildet, die unter der permanenten Wärmeeinwirkung langsam wachsend stärker wird. Etwa 6 Minuten nach Einsetzen des Formwerkzeuges hat das pulverförmige Poly äthylen an der Innenwandung des Formwerkzeuges eine durchgehende Schichtstärke von 2,5 mm erreicht; 7 Minuten nach Einsetzen des Formwerkzeuges hat der Kunststoff eine Schichtstärke von 3 mm erreicht, während er nach 10 Minuten bereits eine duchgehende Schichtstärke von 4 mm erreicht hat.
Formteile mit den genannten Schichtstärken erfüllen ihren Zweck als selbsttragende Konstruktionsteile. Die Beendigung des Prozesses wird nach Erreichung der gewünschten Schichtdicke durch einen Zeitmesser (Fig. 2) angezeigt. Wenn vorhanden, wird die sich auf dem Formwerkzeug befindliche Abdeckung abgenommen. Das Kernwerkzeug wird von Hand oder durch Flaschenzug herausgehoben. Das noch in der Form befindliche, nicht aufgeschmolzene Polyäthylenpulver wird mit Hilfe einer Absaugevorrichtung entleert. Das an der Innenseite der herausgebildeten Schicht anhaftende lose Kunststoffpulver wird mit einem Besen entfernt. Bereits hierdurch wird eine Glättung des Polyäthylenfilms erreicht. Diese Glättung wird vervollständigt, wenn man das Formwerkzeug noch während einer Zeit von etwa 5 Minuten in der Heizvorrichtung belässt.
Abschliessend wird das Formwerkzeug der Heizvorrichtung entnommen und zur Erzielung einer Verdichtung und damit Schrumpfung des Films in einem Wasserbad von etwa 15 etwa 3 Minuten lang abgekühlt. Nach Erkalten lässt sich das Formteil herausnehmen und kann seiner Verwendung bzw. einer weiteren Zurichtung zugeführt werden, zum Beispiel durch Anbringen von Abflussstutzen. Nach Herausnehmen des Formwerkzeuges ist die Heizvorrichtung, welche auf konstanter Temperatur gehalten wird, für die Aufnahme eines weiteren Formwerkzeuges bereit, so dass damit ein fortlaufender Arbeitsprozess gewährleistet ist.
Im allgemeinen wird man bei nur einer vorhandenen Heizvorrichtung mindestens mit zwei Formwerkzeugen arbeiten; während das erste Formwerkzeug nach Beendigung des Füllvorganges in die Heizvorrichtung eingesetzt und dem Schmelzprozess ausgesetzt wird, füllt man das zweite Werkzeug und stellt es bereit. Die Dauer des gesamten Herstellungsprozesses für obige Wanne mit einem Gesamtgewicht von etwa 10 kg beträgt
14 Minuten.
Beispiel II
Es wird die Herstellung eines 350-Liter-Behälters, selbsttragende Konstruktion, mit verstärktem Boden, beschrieben:
Das Formwerkzeug 1 gemäss Fig. 3 wird in an sich bekannter Weise mit Trennmittel besprüht, das Kernwerkzeug 2 angehängt und anschliessend der entstandene Zwischenraum mit Kunststoffpulver 3 - in diesem Falle Polyäthylen - gefüllt.
Die Vorrichtung ist nun einsatzfähig und wird in die Heizvorrichtung 4 eingeführt. Die Heissluft - es handelt sich in vorliegendem Falle um Brenngase einer Ölfeuerung mit einer Temperatur von etwa 1400 C, bei einer Volumenmenge von 12 m3 pro Minute - umspült nun das gesamte Heizwerkzeug 4, verursacht durch die regulierbare Lochung des Wärmeverteilers 5, insbesondere die Bodenfläche, weil hier wegen besonderer Beanspruchung des Formteiles bei der späteren Anwendung eine grössere Schichtstärke verlangt wird. Nach 2 Minuten ist bereits ein Kunststoffniederschlag von 1,5 mm festzustellen, der nach weiteren 3 Minuten eine Stärke von 4 mm erreicht hat.
In diesem Moment wird das Kernwerkzeug 2 herausgezogen, das verbliebene Pulver entfernt, jedoch ohne diass das Formwerkzeug 1 der Heizvorrichtung 4 entnommen wird.
Nach weiteren 2 Minuten sind die verbliebenen Lufteinschlüsse durch die rückseitige Bestrahlungswärme der Heissluft an die Oberfläche und aus der erzeugten Schicht gedrückt worden, was gleichzeitig zu einem sehr guten Hochglanz der Schicht führt, ohne dass der thermoplastische Kunststoff dabei einer Temperaturschwankung ausgesetzt wurde. Der Prozess ist nun beendet.
Das Formwerkzeug 1 wird mittels Kran der Heizvorrichtung 2 entnommen. Nach Erkalten kann der fertige Formteil entfernt werden und seiner Weiterverarbeitung, zum Beispiel Entgraten, zugeführt werden. Zwischenzeitlich ist natürlich ein zweites und drittes Formwerkzeug vorbereitet worden, so dass also etwa alle 7 Minuten ein 350-Liter-Behälter mit einer Seitenwandstärke von 4 mm und einer Boden- wandstärke von 5,5 mm fertiggestellt wird.
Beispiel III
Es wird die Herstellung eines 60-Liter-Ballons zur Aufbewahrung von Flüssigkeiten beschrieben:
Das Formwerkzeug ist in diesem Falle zweiteilig und wird nach Verschrauben in der bereits erwähnten Weise mit einem Kunststoffpulver, beispielsweise Polyäthylen gefüllt. Das so präparierte Formwerkzeug wird auf einen Rollenbock gelegt, der durch einen Motor ein langsames Drehen des Formwerkzeuges verursacht. Über dem Formwerkzeug ist ein, in diesem Falle Gasbrenner angebracht, der in seiner Formgebung genau den Konturen des Formwerkzeuges entspricht. Durch das langsame Rotieren unter dieser Heizvorrichtung wird dasselbe erwärmt und der Prozess in der wie vorher bereits beschriebenen Weise abgewickelt. Diese Anordnung kann auch so sein, dass sich die Heizvorrichtung um das Formwerkzeug bewegt.
In gleicher Weise kann auch mit Induktionsheizung gearbeitet werden, wobei der Wärmeüberträger natürlich ebenfalls den Konturen des Formwerkzeuges entspricht.