Verwendung von kalthärtenden Polyurethanen zur Herstellung von Formteilen
Die Erfindung betrifft die Verwendung von kalthärtenden Polyurethanen zur Herstellung von Formteilen.
Grossserien von Kunststofformteilen werden im allgemeinen im Press- oder Spritzgussverfahren hergestellt, da diese ein rationelles Arbeiten erlauben. Solche Verfahren erfordern neben einem entsprechenden Maschinenpark spezielle, zum Teil gekühlte Formen, die sehr teuer sein können. Diese Kosten lassen sich aber nur durch die hohen Stückzahlen der damit hergestellten Kunststoffteile amortisieren. Für Einzelstücke, Prototypen und Kleinserien sind diese Verfahren also nicht wirtschaftlich. Deshalb werden solche Teile meist aus kalthärtenden Kunststoffen hergestellt, bei deren Verarbeitung man mit einfacheren, billigen Formen auskommt. Als kalthärtende Kunststoffe werden üblicherweise Polyester- oder Epoxyharze verwendet.
Diese weisen aber verschiedene Nachteile auf:
So zeigen beide Harztypen einen gewissen Schwund und lassen sich nicht oder nur schwierig elastisch einstellen. Die Polyesterharze sind zudem nicht lagerstabil, während die teuren Epoxyharze eine längere Aushärtezeit bei Temperaturen über 0 C benötigen.
Für manche Zwecke besteht also ein Bedürfnis nach einem Kunststoff, der diese Nachteile nicht aufweist.
Solche Kunststoffe sind die Polyurethane. Durch Polyaddition werden reaktionsfähige Gruppen zu Makromolekülen zusammengebaut, ohne dass dabei flüchtige Substanzen abgespalten werden. Sie eignen sich daher besonders zum drucklosen Verarbeiten bei Raumtemperatur. Vorteile der kalthärtenden Polyurethane sind die drucklose Verarbeitbarkeit, das schwundfreie Aushärten und die Möglichkeit verschiedenster Wandstärken am selben Formteil. Ferner lassen sich die Eigenschaften kalthärtender Polyurethangemische je nach Wunsch einstellen. Die Formteile sind temperaturbeständig bis etwa 1500 C, kurzfristig sogar bis 2000 C.
Formteile mit Stückgewichten von 10 Gramm bis 20 Kilogramm lassen sich damit mühelos herstellen.
Diese Eigenschaften der Polyurethane lassen erkennen, dass sie z. B. den üblichen Thermoplasten rein mechanisch wesentlich überlegen sind und durch die Variationsmöglichkeiten der Härte und der hohen Temperaturfestigkeit allein schon neue Anwendungsmöglichkeiten schaffen. Zudem werden die Produktionskosten durch den geringen Investitionsanteil bedeutend gesenkt, wodurch es überhaupt erst möglich wird, Kleinserien rationell zu fertigen. Polyurethane sind als Rohstoffe jedoch teurer als Thermoplaste und werden daher für Grossserien nicht eingesetzt werden können, solange sich dafür der Bau einer kostspieligen Form, z. B. mit Kühlung für die Verarbeitung auf einer Press- oder Spritzgussmaschine, lohnt.
Im folgenden soll die Erfindung anhand einiger Verwendungsmöglichkeiten beschrieben werden.
Das als Giessharz K-404 vorliegende Polyurethan wird in Blechgebinden angeliefert, getrennt in die Komponenten Harz und Härter. Beide Komponenten reagieren schon mit der Feuchtigkeit in der Luft und sind daher gut verschlossen in trockenen Räumen zu lagern.
Ungeöffnet sind diese Giessharze jedoch im Originalgebinde über 1 Jahr lagerfähig. Einmal geöffnete Kessel sind möglichst umgehend zu verarbeiten, spätestens innert etwa 7-14 Tagen. Im Handbetrieb werden die Komponenten Harz/Härter der Type K-404 in Gewichtsteilen A : B = 82 : 18 abgewogen und von Hand oder mechanisch gründlich vermischt, evakuiert und können sofort vergossen werden. Die Topfzeiten sind variabel einstellbar von 1 bis etwa 30 Minuten. Entsprechend schnell ist die Aushärtezeit von etwa 6 Minuten bis etwa 8 Stunden, nach welcher Zeit die Form wieder geleert werden kann.
Für die industrielle Fertigung werden die beiden Komponenten ausschliesslich maschinell unter Luftabschluss dosiert, gemischt und vergossen. Die zu diesem Zweck entwickelte Maschine besteht aus einem Roll Chassis, je einem rostfreien Stahltank für Harz, Härter und dem Spülmittel, den unabhängig variabel einstellbaren Pumpen für die Polyurethankomponenten, sowie dem wichtigsten Teil, dem Mischkopf. Der Maschinenantrieb erfordert Pressluft mit einem Druck von 4-5 atü, Verbrauch 5001 Luft/Minute.
Dank dieser Verarbeitnngsvorrichtung kann ein kontinuierlicher Vergussvorgang erzielt werden, wenn mehrere Formen nacheinander gefüllt werden können.
Entsprechend den jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen wird die Giessmasse K-404 mit einem Katalysator beschleunigt, so dass in Extremfällen die Formen innert wenigen Minuten geöffnet und wieder eingefüllt werden können. Bei Betriebsunterbrüchen wird lediglich der Mischraum der Giesspistole mit einem Lösungsmittel gespült, so dass praktisch die Anlage jederzeit betriebsbereit ist.
Dieses Gerät erlaubt eine kalte Verarbeitung des Harzes K-404, die Giesslinge können porenfrei ohne jegliche Lufteinschlüsse gegossen werden und erhalten ein sauberes, glänzendes Aussehen.
Zur Erreichung bester Resultate muss der Kunststoffteilgestaltung sowie dem Bau der Giessform und der Vergusstechnik eine wesentliche Aufmerksamkeit geschenkt werden. Grundsätzlich gelten auch hier die gleichen Regeln, wie diese beim Giessen von Metall und bei der Fabrikation von Kunststoffpress- und Spritzgussteilen, Metalldruckguss bekannt sind.
Formteilgestaltung im Gegensatz zu der üblichen Fabrikation von Kunststoffteilen können mit dem Giessharz K-404 am gleichen Artikel sehr verschiedene Wandstärken gewählt werden. Der Kunststoff in der Form härtet kalt aus, und demzufolge ist nur eine geringe Reaktionswärme vorhanden, die unbedeutende Spannungen im Werkstück verursacht. Übertriebene Unterschiede in den Wandstärken sind aber trotzdem zu vermeiden.
Aussen- und Innenkanten der Formteile sollten nach Möglichkeit leicht abgerundet konstruiert sein, damit vor allem der Fliessvorgang innerhalb der Form erleichtert wird. Dies gilt insbesonders, wenn der Konstrukteur eine Giessmasse gewählt hat, welche ausgehärtet eine geringe Kerbschlagzähigkeit aufweist. Rundgewinde an Formartikeln sind vorzuziehen (Festigkeit) und sind produktionstechnisch sicherer herzustellen.
Das Einlegen von Metall- oder Glasverstärkungen (Gewebe) in das Formteil, sowie das Einbringen von Kunststoffverstärkungen (Polyamide, PVC) sind ebenfalls möglich. Es lassen sich im Gegensatz zu den heiss verarbeiteten Kunststoffen auch andere Metallteile wie Halterungen, Gewindebüchsen, Schrauben usw. ohne Schwierigkeiten einbetten. Allfällige Beschriftungen von Gussteilen sind vorteilhaft direkt in die Giessform zu gravieren. Alle zur Öffnungsrichtung des Werkzeuges liegenden Flächen müssen zur leichteren Entnahme des Giesslings aus der Form eine einseitige Neigung von etwa 1 : 100 aufweisen. (Es bestehen DIN-Normen z. B.
2006, 7710, über die Gestaltung von thermoplastischen Kunststoffen, die auch bei diesem Verfahren im wesentlichen Gültigkeit haben.) Formen- bzw. Werkzeugbau
Das einfachste Werkzeug besteht aus Formunter teil und Formoberteil, welche am besten mit einem Klammerverschluss oder mit Schrauben während dem Giessen und Aushärten zusammengehalten werden. Bei einer grösseren Produktion von kleineren Teilen lohnt sich eventuell auch die Herstellung einer Mehrfachform. Als Werkstoff eignet sich besonders Messing oder Aluminium, welche zudem leicht zu bearbeiten sind.
Ein Polieren der Innenform ist nicht nötig, wenn diese sauber und exakt hergestellt ist. Sogenannte thberlauf- formen oder Abquetschformen werden mit einem Deckel versehen, welcher unmittelbar nach dem Vergussvorgang von oben (Einfüllöffnung) auf die etwas überschüssige Giessmasse gedrückt wird. Wie bei der gewöhnlichen offenen Handform ist auch hier mit etwas Materialverlust zu rechnen. Bei einer Mehrfachform ist zu beachten, dass die Angusswege genügend gross gewählt werden, da die Giessmaschine lediglich etwa 2-3 atü Druck liefern kann. Ein sogenannter Punktanschnitt ist deshalb nicht möglich. Die Mehrfachform ist bei dieser Arbeitstechnik auch nur für Teile mit etwas grösseren Wandstärken (ab 4-5 mm) zu empfohlen.
Bei Werkzeugen zur Herstellung von Formteilen über 500 Gramm Gewicht ist ein Einspritzloch von etwa 0 8 mm anzubringen, wobei bei der Platzwahl der Bohrung zu beachten ist, dass sich dieses beim fertigen Teil an einer unbedeutenden Stelle befindet, und zudem die Giessmasse leicht fliessen kann. Ein entsprechender Steiger ist ebenfalls zu berücksichtigen, zur Kontrolle der Formauffüllung und zum Entweichen der Luft (eventuell mehrere Öffnungen). Hinter Kernen oder ringförmigen Teilen ist den Zusammenflussstellen der Masse eine besondere Bedeutung beizumessen, damit die sich in der Giessform befindende Luft leicht entweichen kann und so die Artikel keine Lunker oder unschöne Oberflächen erhalten.
Durch die Variierung der Anguss- bzw. Anschnittstellen können derartige Fehler vermieden werden.
Giesstechnik
Damit die fertig gemischte kalte Giessmenge K-404 besser fliessen kann, empfiehlt es sich, die Formen auf etwa 400 C anzuwärmen und dieselben mit einem Spe zial-Formtrennmittel ( Atlas L-233) einzustreichen, damit die Teile leicht demontiert werden können.
Am Arbeitstisch werden die verschiedenen Formen bereitgestellt, wobei die Giesslage der Form den entsprechenden Giesslingen angepasst werden. Die Werkzeuge können horizontal liegen, im Winkel von etwa 30-45 oder sogar senkrecht stehen. Auf jeden Fall ist zu beachten, dass keine Luft von der Giessmasse eingeschlossen wird.
Im Giesskopf der Maschine befindet sich vom letz ten Arbeitsgang her noch das Spülmittel. Indem das Gerät durch Ziehen des Arbeitshebels an der Pistole im Giessbetrieb ist, wird das Lösungsmittel durch die nachfliessende Giessmasse K-404 zur Spritzdüse herausgedrückt. Optisch ist dies leicht zu erkennen, indem das dünnflüssige Spülmittel in einen Abfalleimer abgeführt wird, und nach einigen Sekunden die reine Giessmasse nachfliesst. Damit kann nun jede Form gefüllt werden mit einer Pistolenleistung verstellbar von 0,5-3 1 pro Minute.
Nachbehandlung von gegossenen Kunststoffteilen
Bei sachgemässer Verarbeitung können die Artikel hochglänzend nach etwa 10-20 Minuten Aushärtezeit aus der Form entnommen werden. Unabhängig davon, ob sie im ausgehärteten Stadium hart oder elastisch eingestellt sind, sind sie bei der Entnahme aus dem Werkzeug noch sehr weich und bedürfen einer sorgfältigen Behandlung. Die noch frischen Kunststoff teile sind während etwa 10 Stunden bei Raumtempe tatur eben zu lagern, bevor eine allfällige Weiterbear beitung möglich ist. Die Praxis zeigt, dass unvermeidliche kleinere Deformierungen beim Herausnehmen aus der Form auftreten.
Jedes Formteil wird sich jedoch infolge seines elastischen Verhaltens (sehr grosse Rückstellkraft der Polyurethane) wieder automatisch in die Ursprungsform zurückbilden, wenn nicht mit Gewalt grobe Verformungen auftreten (etwa Biegen gerader Teile um 90-180 ). Anguss und Steiger werden abgetrennt oder wenn nötig abgefräst. Allfällige Verputzarbeiten (Geräte) können mit einem Dreikantschaber mühelos entfernt werden. Lunker sind nach dem Entfernen mit derselben K-404 Masse und einem Stahlspachtel auszubessern, wobei zu beachten ist, dass dies innerhalb etwa 30 Minuten nach dem Entformen geschieht. Die flüssige Kunstharzmasse wird infolge der noch andauernden chemischen Reaktion im Kunststoffteil eine echte chemische Verbindung mit dem Gussstück eingehen.
Derartige Reparaturen können glücklicherweise derart schön ausgeführt werden, dass die Flickstellen kaum noch sichtbar sind. Dunkle Farb- töne der Formteile sind wenn möglich zu vermeiden, da diese unschönes optisches Aussehen nach erfolgten Reparaturen zeigen, im Gegensatz zu hellen Farbtönen.