Verfahren zur Herstellung von Polyamidwerkstücken mittels Polymerisation in situ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyainjdwerkstücken mittels Polymerisation in situ, wobei in einer ersten Phase ein Vorformling drucklos gegossen wird, sowie eine Anwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Werkstücken mit mindestens teilweise aus Polyamid bestehenden Oberflächen.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Polyamid-Gussstücken durch Polymerisation in situ (ionische Polymerisation von Laktamen, ionische Schnellpolymerisation, aktivierte, alkalische Polymerisation, anionische Polymerisation, Blockpolymerisation) wird die Giessform mit dem flüssigen Giessgut (meist einem Gemisch aus flüssigen oder in Lösung befindlichen Komponenten, z.B. Laktamen, wie Caprolaktamen, Laurinlaktamen und Zusätzen, wie den in den Verfahren beschriebenen Katalysatoren, Aktivatoren und dergleichen) beschickt. Im Zuge der meist sogleich nach der Zubereitung der Mischung anspringenden Polymerisation steigt die Viskosität des Giessgutes, es wird plastisch, bevor es endgültig zum festen Gussstück erstarrt. Der Vorgang ist meist exotherm und von Volumenschwund begleitet.
Es lassen sich jedoch nur Gussstücke relativ einfacher Gestalt herstellen (z. B. volle Stäbe, Platten, Blöcke). Schon die Herstellung von Hohlstäben, Rohren, Ringen und dergleichen erfordert zusätzliche Vorkehrungen (z. B. Rotationsguss, Schieuderguss). Meist muss dem Giessprozess eine erhebliche mechanische Bearbeitung nachgeschaltet werden.
Aufgabe der Erfindung war daher die Schaffung eines neuen Verfahrens zur Herstellung mehr oder weniger fertiger Werkstücke komplizierter Gestalt und hoher Masshaltigkeit, so dass eine nennenswerte mechanische Nachbearbeitung selten erforderlich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man den Vorformling in mindestens einer weiteren Phase in einer Pressform zum Werkstück verpresst, das darin auspolymerisiert und erstarrt.
Es werden drei Arten der praktischen Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen:
1. Man verwendet Formen, in denen beide Phasen, zuerst das freie Giessen und dann das Formpressen unter Druck durchgeführt werden, so dass jeweils in einer einzigen Form das fertige Formpressteil entsteht.
2. Die erste Phase, das Giessen, wird in einer Giessform durchgeführt, dann wird das plastisch gewordene Gussstück entnommen und in eine Pressform transferiert und dort unter Druckanwendung zum Formpressteil verpresst.
3. Nach der unter 1 beschriebenen Durchführungsart wird in einer kombinierten Form, in einer ersten Phase als Gussform, ein Gussstück frei gegossen und dann in derselben Form als Pressform, ein Formpressteil unter Druck gepresst, jedoch in plastischem Zustand entnommen und in einer dritten Fertigungsphase in einer reinen Pressform zum fertigen Formpressteil verpresst. Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1, 2, 3 eine Druckpresse mit eingebauter, gemäss Durchführungsart 1 ausgebildeter Kombinationsform im Schnitt,
Fig. 4-8 verschiedene Abwandlungen der in Fig. 1 bis 3 abgebildeten Form,
Fig. 9 und 10 eine abgewandelte Form vertikal bzw. horizontal geschnitten,
Fig. 11 und 12, eine weitere Abwandlung der Form, horizontal geschnitten,
Fig. 13 und 14 eine Form in geöffnetem bzw.
geschlossenem Zustand,
Fig. 15 einen Querschnitt durch ein Formwerkzeug und
Fig. 16 eine Einrichtung zum Strangpressen, schematisch und axial geschnitten.
Formunterteil 1 ruht auf dem Pressfundament 5 und besteht aus einem runden zylindrischen, veränderlichen Formraum 13, dessen Boden von der oberen zylindrischen Fläche des darin dichtend geführten Kol bens 3 gebildet wird, dessen unteres Ende 7 in einer Druckkammer 6 gleitet, welche mit Drucköl beschickt wird.
An den Gleitstangen 9 der Presse ist gleitend aufgehängt das Joch 8, welches unter sich das Formoberteil 2 trägt, welches in seiner unteren Ausdehnung den Formraum 14 enthält, während sein oberes Ende in den runden Zylinder 10 ausläuft, in welchem ein am oberen Querbalken 12 angebrachter Kolben 11 hineinragt. Die vom Zylinder 10 und Kolben 11 gebildete Druckkammer 15 ist mit Drucköl gefüllt.
Das Verfahren verläuft dann in zwei Phasen.
In der ersten Phase wird der Formraum 13 als Giessform mit dem flüssigen Giessgut 16 beschickt (Fig. 1).
In der zweiten Phase wird daraufhin die Druckkammer 15 mit Druck beaufschlagt und das Formoberteil 2 bis zur Auflage auf das Formunterteil 1 abgesenkt (Fig. 2), und dann die Druckkammer 6 mit Druck beaufschlagt und der Kolben 3 nach oben gedrückt (Fig. 3). Dadurch wird das Giessgut 16 aus dem Formraum 13 in den Formraum. 14 gepresst und nimmt dessen Form an, wobei gegebenenfalls durch Entlüftungskanäle für den Abzug der Luft gesorgt wird.
Beide Druckkammern bleiben unter Druck, der gegebenenfalls noch gesteigert werden kann. Bei einsetzendem Schwund der polymerisierenden Masse bewegt sich der Kolben 3 unter dem Einfluss des notfalls erhöhten Druckes in der Druckkammer 6 weiter nach oben und hält den Formraum 14 gefüllt.
Das Giessgut kann so dosiert werden, dass die obere Fläche des Kolbens 3, wie in Fig. 3 dargestellt, nach dem Ausgleich des Schwundes und nach dem Erstarren des Blockpolymerisats mit der oberen Fläche des Formunterteiles 1 fluchtet, so dass das sich ergebende Werkstück einen ebenen Boden hat. Nach dem Erstarren des Werkstückes wird die Presse geöffnet und entformt.
Zeitlich laufen die Vorgänge bei sonst gleichen Bedingungen sehr präzise ab, so dass die einzelnen Bewegungen der Presse, nachdem die Zeiten einmal empirisch ermittelt wurden, automatisch gesteuert werden können.
In Fig. 9 und 10 sind zwei Nester 16 und 16' ange- ordnet, die über enge Kanäle mit dem Formraum 13 in Verbindung stehen.
Das Giessgut wird mittels des druckbeaufschlagten Kolbens 3 über die Kanäle in die beiden Nester gedrückt. Es hat sich gezeigt, dass unter der Wirkung des schnellen Durchfliessens durch solche engen Kanäle die mechanischen Eigenschaften des Materiales verbessert werden.
Fig. 11 zeigt eine Form für ein Rad mit 4 Felgen und Nabe, wobei der Radkranz auch mit Verzahnung versehen sein kann.
Fig. 12 soll dartun, dass auch unsymmetrische Teile zu erzielen sind.
Ein wesentlicher Vorteil des Mehrphasenverfahrens ist die Möglichkeit, es nach Ausführungsart 2 in zwei verschiedenen Formen durchzuführen, nämlich das Gie ssen in einer optimalen Giessform und das Formpressen und Auspolymerisieren in einer idealen Pressform.
Beispielsweise kann in der Giessform in bekannter Weise ein Rundstab gegossen werden, der in plastischem Zustand entformt wird. Davon werden jeweils Scheiben abgetrennt und in eine Pressform verbracht, in der sie zur Gestalt des Werkstückes verpresst werden (die Analogie zum Schmiedepressen von Werkstücken aus Stahl drängt sich auf) und zum festen Polyamid-Werkstück auspolymerisieren.
Es kann auch jede einzelne Scheibe für sich in einer Giessform gegossen und in plastischem Zustand in eine Pressform transferiert, in dieser zum Werkstück verpresst, auspolymerisiert und nach dem Erstarren ausgeformt werden.
Anhand von Fig. 15 wird ein Beispiel beschrieben, das auch in anderer Beziehung eine interessante Ausführungsform der Erfindung aufzeigt.
Fig. 15 zeigt ein Formwerkzeug mit Formoberteil 21 und Formunterteil 22.
In die geöffnete Form wird ein fertiges Werkstück 23 aus anderem Material, beispielsweise Metall, Holz, leichtlöslichem Stoff, wie Salz, eingelegt. Auf dieses Werkstück wird eine Scheibe in plastischem Zustand aufgelegt, und dann wird die Form in bekannter Weise so zugefahren, dass sie nicht ganz geschlossen ist, sondern unter Druck verbleibend dem Schwund folgen kann.
Das Polyamid wird dann die Form 24 annehmen, das heisst, sich mit dem eingelegten Werkstück verbinden. Um diese Verbindung sicherer zu gestalten, sind entsprechende Verankerungen vorgesehen, ausserdem kann die Verbindung durch die Anwendung von Klebstoffen oder dergleichen verbessert werden.
Nach dem Öffnen der Form wird das fertige Pressstück entnommen, welches also nun aus dem einge legten Werkstück aus anderem Material und dem damit verbundenen Polyamid besteht.
Man kann dieses Verfahren beispielsweise dazu verwenden, um Teile, deren Oberfläche die Eigenschaften, das Polyamid aufweisen soll, mit einem Kern aus anderem, Material, beispielsweise aus Stahl, zu armieren.
Anderseits können auch andere Materialien, welche an sich nicht die guten Festigkeitseigenschaften des Polyamids haben, trotzdem aber an der Oberfläche des Fertigteils wirksam werden müssen, beispielsweise eine Schiene aus Polytetrafluoräthylen, mit Polyamid verstärkt und armiert werden.
Anhand von Fig. 16 wird die Möglichkeit beschrieben, plastische Vorformlinge mittels Strangpressens zu Profilen, Rohren oder dergleicllen zu verarbei- ten.
Darin ist ein Presszylinder 25 durch die Verbindungsflanschen 27 in irgendeiner Weise lösbar mit dem profilgebenden Mundstück 26 verbunden, welches in die Düse 31 ausläuft.
Im Presszylinder 25 ist der Kolben 28 mit der Kolbenstange 29 angeordnet. Auf der Vorderseite des Kolbens ist, sofern Hohlprofile erzeugt werden sollen, mindestens ein Profilkern 30 angeordnet, der bei äusserster, zurückgezogener Stellung des Kolbens 28 noch aus der Austrittsdüse 31 herausragen muss.
Der geöffnete Presszylinder 25 wird mit einem Vor formling in plastischem Zustand beschickt. Dieser würde in gezeigtem Beispiel die Form eines Stangenabschnittes mit einer Mittelbohrung haben.
Wird dann der Kolben in den Presszylinder hineingedrückt, so erfüllt zuerst die plastische Masse den gesamten Raum des Presszylinders 25 und des Mundstückes 26, um anschliessend mit erheblicher Geschwindigkeit aus dem Ringraum auszutreten, der sich zwischen der Austrittsdüse 31 und dem Profilkern 30 bildet. Der austretende Hohlprofilstrang, der auf diese Weise aus dem Vorformling entsteht, ist bezeichnet mit 32.
Er durchläuft in noch plastischem Zustand die Kalibrierdüse 33, wird dann in einer Kühlvorrichtung gekühlt, welche in diesem Falle als Wasserbad 34 dargestellt worden ist. Dann durchläuft der Hohlprofil- strang eine weitere Kalibrierdüse, beispielsweise eine Unterdruck-Kalibrierdüse für Hohlprofile.
36 ist eine Abzugsvorrichtung, hinter welcher der Strang dann weitergeführt wird, beispielsweise zu einem Transportband, auf dem er endgültig abkühlt, und weiter etwa zu Bearbeitungsmaschinen, die das Profil weiterhin bearbeiten oder es auf Längen schneiden und dergleichen. Anschliessend kann dann eine Aufwickelvorrichtung angeschlossen sein oder ein Transportband zum Lager, zur Verladung oder dergleichen.
Ist die Gestalt des Werkstückes kompliziert, so dass sie in einem Pressgang und nur einer Pressform nicht erzielt werden kann, so kann nach Durchführungsart 3 in einem dreiphasigen Verfahren zuerst ein Vorform- ling nach Ausführungsart 1 in zwei Phasen in einer kombinierten Giess- und Pressform erstellt werden, welcher in plastischem Zustand in eine reine Pressform transferiert wird, in welcher er in einer dritten Phase zum endgültigen Werkstück verpresst wird.
Die Durchführungsarten 2 und 3 eignen sich gut zur Automatisierung und zur kontinuierlichen Fertigung nach Art der bekannten Transferstrassen, wofür im folgenden eine von vielen Ausführungsarten beschrieben wird.
Ein in einer zylindrischen Form gegossener Vollstab kann in plastischem Zustand mittels hydraulisch betätigtem Kolben entformt werden.
Am Austrittsende ist in bekannter Weise eine Trennvorrichtung angeordnet. Die abgetrennten Scheiben werden gelocht und anschliessend mittels eines endlosen Bandes an einer Batterie von Druckpressen vorbei transportiert, die mit Pressformen etwa nach Art der in Fig. 13 und 14 dargestellten bestückt sind, worin 17 das Formoberteil, 18 das Formunterteil, und 20 der Kern, 19 die Scheibe in plastischem Zustand sind. Fig. 14 ist die gleiche Form im zugefahrenen Zustand, in welcher die Scheibe zu dem Formstück 20 verformt worden ist.
Es ist vorteilhaft, die Scheibe so zu bemessen, dass beim Zufahren die Form nicht ganz geschlossen werden kann, aber unter Druck bleibt, so dass sie, dem Schwund folgend, im Zuge der fortschreitenden Polymerisation sich mehr und mehr schliesst, bis sie im Endstadium ganz geschlossen und ihr Formraum gänzlich gefüllt ist, so dass das erstarrte Werkstück formgetreu und massgerecht ist.
Es versteht sich, dass gegebenenfalls der Polymerisationsvorgang durch geeignete Massnahmen, z. B.
durch niedrige Giesstemperatur, durch Zusätze zum Giessgut oder durch die Wahl oder Dosierung von Katalysatoren und/oder Aktivatoren verlangsamt werden kann, so dass ein ausreichend plastischer Zustand bis zum letzten Arbeitsgang aufrechterhalten wird.
Auch können die Transportbänder für die Scheiben abgedeckt und in bekannter Weise das Transportgut unter Wärme-Zu- oder -Abführung transportiert werden.
Process for the production of polyamide workpieces by means of in situ polymerization
The invention relates to a method for producing polyamide workpieces by means of polymerization in situ, a preform being cast without pressure in a first phase, and an application of the method in the production of workpieces with surfaces at least partially made of polyamide.
In the known processes for the production of polyamide castings by polymerisation in situ (ionic polymerisation of lactams, ionic rapid polymerisation, activated, alkaline polymerisation, anionic polymerisation, block polymerisation) the casting mold with the liquid casting material (mostly a mixture of liquid or in solution) is used Components, for example lactams, such as caprolactams, laurolactams and additives, such as the catalysts, activators and the like described in the process). In the course of the polymerization, which usually starts immediately after the mixture has been prepared, the viscosity of the cast material increases, it becomes plastic before it finally solidifies into a solid casting. The process is usually exothermic and accompanied by a loss of volume.
However, only castings of a relatively simple shape can be produced (e.g. full rods, plates, blocks). Even the production of hollow rods, tubes, rings and the like requires additional precautions (e.g. rotational molding, shot casting). In most cases, the casting process has to be followed by considerable mechanical processing.
The object of the invention was therefore to create a new method for producing more or less finished workpieces with a complicated shape and high dimensional accuracy, so that significant mechanical reworking is rarely required.
The method according to the invention is characterized in that the preform is pressed in at least one further phase in a press mold to form the workpiece, which polymerizes and solidifies therein.
Three ways of practicing the procedure are suggested:
1. Molds are used in which both phases, first the free casting and then the compression molding, are carried out under pressure, so that the finished molded part is produced in a single mold.
2. The first phase, casting, is carried out in a casting mold, then the casting that has become plastic is removed and transferred to a press mold, where it is pressed into the compression molding with the application of pressure.
3. According to the type of implementation described under 1, a casting is freely cast in a combined form, in a first phase as a casting mold, and then in the same form as a compression mold, a compression molding is pressed under pressure, but removed in a plastic state and in a third manufacturing phase in pressed in a pure compression mold to form the finished compression molding. In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the drawings. Show it:
1, 2, 3, a printing press with built-in combination form designed according to implementation type 1 in section,
Fig. 4-8 various modifications of the form shown in Fig. 1 to 3,
9 and 10 show a modified form in vertical and horizontal sections, respectively.
11 and 12, a further modification of the shape, cut horizontally,
13 and 14 show a form in the open or
closed state,
15 shows a cross section through a molding tool and
16 shows a device for extrusion, schematically and axially in section.
The lower part of the mold 1 rests on the press foundation 5 and consists of a round, cylindrical, variable mold space 13, the bottom of which is formed by the upper cylindrical surface of the Kol ben 3 sealed therein, the lower end 7 of which slides in a pressure chamber 6, which is charged with pressurized oil .
The yoke 8 is slidably suspended on the slide rods 9 of the press, and below it carries the upper mold part 2, which in its lower extent contains the mold space 14, while its upper end runs out into the round cylinder 10, in which a crossbar 12 attached to the upper crossbeam 12 Piston 11 protrudes. The pressure chamber 15 formed by the cylinder 10 and piston 11 is filled with pressurized oil.
The process then takes place in two phases.
In the first phase, the mold space 13 is charged as a casting mold with the liquid cast material 16 (FIG. 1).
In the second phase, pressure is then applied to the pressure chamber 15 and the upper mold part 2 is lowered until it rests on the lower mold part 1 (Fig. 2), and then the pressure chamber 6 is pressurized and the piston 3 is pushed upwards (Fig. 3). . This moves the cast material 16 out of the mold space 13 into the mold space. 14 is pressed and takes on its shape, with ventilation channels being used to remove the air if necessary.
Both pressure chambers remain under pressure, which can be increased if necessary. When the polymerizing mass begins to shrink, the piston 3 moves further upwards under the influence of the pressure in the pressure chamber 6, which may be increased, and keeps the mold space 14 filled.
The cast material can be dosed in such a way that the upper surface of the piston 3, as shown in FIG. 3, is flush with the upper surface of the lower mold part 1 after the shrinkage has been compensated for and after the block polymer has solidified, so that the resulting workpiece is flat Has bottom. After the workpiece has solidified, the press is opened and removed from the mold.
In terms of time, the processes run very precisely under otherwise identical conditions, so that the individual movements of the press can be controlled automatically once the times have been determined empirically.
In FIGS. 9 and 10, two nests 16 and 16 'are arranged, which are connected to the mold space 13 via narrow channels.
The cast material is pressed into the two nests via the channels by means of the pressurized piston 3. It has been shown that the mechanical properties of the material are improved under the effect of rapid flow through such narrow channels.
Fig. 11 shows a shape for a wheel with 4 rims and a hub, wherein the wheel rim can also be provided with teeth.
FIG. 12 is intended to show that asymmetrical parts can also be achieved.
A major advantage of the multiphase process is the possibility of performing it in two different forms, namely casting in an optimal mold and compression molding and polymerizing in an ideal mold.
For example, a round rod can be cast in the casting mold in a known manner, which is removed from the mold in a plastic state. Discs are cut off from this and placed in a press mold, in which they are pressed into the shape of the workpiece (the analogy to the forging pressing of steel workpieces is imposing) and polymerize to form a solid polyamide workpiece.
It is also possible for each individual disc to be cast separately in a casting mold and transferred in a plastic state into a press mold, in which it is pressed to form the workpiece, polymerized and then shaped after solidification.
An example is described with reference to FIG. 15, which also shows an interesting embodiment of the invention in another respect.
15 shows a molding tool with an upper mold part 21 and a lower mold part 22.
A finished workpiece 23 made of another material, for example metal, wood, or easily soluble substance such as salt, is placed in the opened mold. A disc in a plastic state is placed on this workpiece, and then the mold is closed in a known manner so that it is not completely closed, but can follow the shrinkage while remaining under pressure.
The polyamide will then take shape 24, that is, it will bond with the inserted workpiece. In order to make this connection more secure, appropriate anchors are provided, and the connection can also be improved by using adhesives or the like.
After opening the mold, the finished pressing piece is removed, which now consists of the workpiece made of another material and the associated polyamide.
This method can be used, for example, to reinforce parts whose surface should have the properties of the polyamide with a core made of another material, for example steel.
On the other hand, other materials, which do not have the good strength properties of the polyamide per se, but still have to be effective on the surface of the finished part, for example a rail made of polytetrafluoroethylene, can be reinforced and reinforced with polyamide.
The possibility of processing plastic preforms into profiles, pipes or the like by means of extrusion is described with reference to FIG.
In it, a press cylinder 25 is detachably connected in any way by the connecting flanges 27 to the profile-giving mouthpiece 26, which ends in the nozzle 31.
The piston 28 with the piston rod 29 is arranged in the press cylinder 25. If hollow profiles are to be produced, at least one profile core 30 is arranged on the front side of the piston, which must protrude from the outlet nozzle 31 in the extreme, retracted position of the piston 28.
The open press cylinder 25 is loaded with a preform in a plastic state. In the example shown, this would have the shape of a rod section with a central bore.
If the piston is then pressed into the press cylinder, the plastic mass first fills the entire space of the press cylinder 25 and the mouthpiece 26 in order to then exit the annular space that is formed between the outlet nozzle 31 and the profile core 30 at considerable speed. The emerging hollow profile strand, which arises from the preform in this way, is designated by 32.
It passes through the calibration nozzle 33 in a still plastic state and is then cooled in a cooling device, which in this case has been represented as a water bath 34. The hollow profile strand then passes through a further calibration nozzle, for example a vacuum calibration nozzle for hollow profiles.
36 is a take-off device, behind which the strand is then continued, for example to a conveyor belt on which it finally cools, and further to processing machines that continue to process the profile or cut it to lengths and the like. A winding device or a conveyor belt to storage, loading or the like can then be connected.
If the shape of the workpiece is complicated, so that it cannot be achieved in one pressing operation and only one press mold, a preform according to embodiment 1 can first be created in two phases in a combined casting and pressing mold in accordance with implementation type 3 in a three-phase process which is transferred in a plastic state into a pure press mold, in which it is pressed into the final workpiece in a third phase.
Implementation types 2 and 3 are well suited for automation and continuous production in the manner of the known transfer lines, for which one of many types of implementation is described below.
A solid rod cast in a cylindrical shape can be demolded in a plastic state by means of a hydraulically operated piston.
A separating device is arranged in a known manner at the outlet end. The cut disks are perforated and then transported by means of an endless belt past a battery of printing presses which are equipped with press molds similar to the ones shown in FIGS. 19 the disc is in a plastic state. 14 is the same shape in the closed state in which the disk has been deformed to form the molded piece 20.
It is advantageous to dimension the pane in such a way that the mold cannot be completely closed when it is closed, but remains under pressure so that, following the shrinkage, it closes more and more as the polymerization progresses, until it closes completely in the final stage closed and its mold space is completely filled, so that the solidified workpiece is true to shape and true to size.
It goes without saying that, if appropriate, the polymerization process can be carried out by suitable measures, e.g. B.
can be slowed down by a low casting temperature, by additives to the cast material or by the choice or dosage of catalysts and / or activators, so that a sufficiently plastic state is maintained until the last operation.
The conveyor belts for the panes can also be covered and the goods to be transported can be transported in a known manner with the addition or removal of heat.