DE10117550A1

DE10117550A1 - Herstellung von Spritzgussteilen mit Gasinnendruck

Info

Publication number: DE10117550A1
Application number: DE2001117550
Authority: DE
Inventors: Alfred Linden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-04-07
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zum Herstellen von Kunststoffteilen mit ganz oder teilweise geschlossenen Hohlräumen, entweder unter Einsatz von durch Alkalimetalle in Wasser freigesetztem Wasserstoff oder durch Explosion von erhitzten Chemikalien.

Description

Für die Herstellung von Spritzgießteilen aus Kunststoff mit Hohlräumen wird Bezug genommen auf die Patentanmeldung 101 06 317.2, deren zugrunde liegenden Möglichkeiten zur Bildung von Hohlräumen dadurch erweitert werden, daß die Reaktion von Metallen, vornehmlich der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, der sogen. Alkalimetalle, mit Wasser zum Freisetzen von Wasserstoff zum Erzeugen von Überdruck bzw. einer Explosion im Werkzeuginnenraum genutzt wird oder aber ein starkes Oxidationsmittel mit einem oxidierbaren Stoff oder eine lediglich unter Hitzeeinwirkung ausgelöste Reaktion ohne problematisch zu behandelnde Asche.
Es ist davon auszugehen, daß es sich bei den zur Anwendung kommenden Materialien in der Regel um Kleinstmengen im Milligramm-Bereich handelt, wobei trotzdem einschlägige Sicherheitsvorschriften zu beachten sind.
Es ist zu erwarten, daß bei der Reaktion von Alkalimetall und Wasser die Zündung ohne eine äußere Einwirkung erfolgt, insbesondere als der Einfluß der Hitze der Schmelze von ~200°C stimulierend wirkt. Für eine angestrebte Explosion muß aber auch der notwendige Sauerstoff vorhanden sein.
Wesentliche Voraussetzung ist die im Werkzeuginnenraum punkt- und zeitgenaue Einleitung der Reaktion des Metalls mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff mit anschließender Zündung. Deshalb muß sichergestellt werden, daß die in den Werkzeuginnenraum eingebrachten Ingredienzien nicht von der Wucht der einströmenden Schmelze mitgerissen oder verschoben werden. Ferner ist sicherzustellen, daß durch die Hitze der Schmelze keine vorzeitige Reaktion ausgelöst wird.
Es wurde in der Regel die Bezeichnung Kleinstbehälter gewählt an Stelle von Begriffen wie Rohr, Röhrchen, Kapsel, die in vielen Fällen ebenfalls den Anforderungen genügen.
Für die angestrebte Reaktion mit dem Ziel der Freisetzung von Wasserstoff zum Zwecke einer anschließenden Explosion bieten sich die Elemente Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium an, die in dieser Reihenfolge mit Wasser zunehmend reaktionsfreudiger sind. In der Praxis wird der Preis mitentscheidend sein bei ihrer Auswahl.
Sehr vereinfacht wird das Handling durch Verwendung eines Kleinstbehälters mit zwei Kammern, wenn Metall und Wasser in je eine Kammer untergebracht werden. Auch ist die Einbettung des Metalls in einem beidseitig verschlossenen Röhrchen denkbar und dessen Platzierung in einer wasserbefüllten Kapsel. Nach Einbringen in den Werkzeuginnenraum vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze und Zerstörung der Kammern bzw. des Zwischenraums bzw. Zerbruch des Röhrchens erfolgt die Reaktion des Alkalimetalls mit dem Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff und zwar unter den Temperaturbedingungen der Schmelze explosionsartig.
Zu einer sauberen Explosion ist Sauerstoff erforderlich, der als freier Sauerstoff oder als gebundener Sauerstoff in Form eines Oxidationsmittels dem Werkzeuginnenraum zugeführt wird oder dort bereitgehalten wird, und zwar am vorbestimmten Punkt der Hohlraumbildung.
Das Oxidationsmittel sollte abgestimmt sein auf die Hitze der Schmelze im Bereich von 200°. Durch die Wahl seiner Verpackung bzw. Ummantelung in Bezug auf Beständigkeit gegen die Hitze der Schmelze wird der Zeitpunkt der Freisetzung des Sauerstoffs bestimmt.
Wo die Hitze der Schmelze nicht ausreicht für die Auslösung der Explosion, kann die Zündtemperatur des Wasserstoff-Sauerstoffgemisches herabgesetzt werden durch Anwesenheit eines Katalysators wie z. B. Platin.
Eine weitere Möglichkeit ist das Auslösen einer Explosion durch eine fast zeitgleich ablaufende Reaktion, die selbstzündend ist und den freigesetzten Wasserstoff der ersten Reaktion zur Explosion bringt. Ausgehend von Alkalimetall und Wasser, die sich in den ersten zwei von insgesamt vier Kammern befinden und deren Reaktion unter Freisetzung von Wasserstoff zuerst erfolgt, wird für die zweite Reaktion der Inhalt der dritten der vier Kammern, z. B. Aluminium in Nanopartikelgröße und ein Oxidationsmittel der vierten Kammer selbstzündend in Kontakt gebracht. Die zweite Reaktion erfolgt im Millisekundenbereich später als die erste. Spätestens durch die zweite Reaktion wird der in der ersten Reaktion freigesetzte Wasserstoff gezündet - sollte er bislang noch nicht zur Explosion gelangt sein.
Der Kleinstbehälter für die in den Werkzeuginnenraum zu verbringenden Ingredienzien kann in vielen Anwendungen des einfachen und gefahrlosen Handlings wegen aus Glas bestehen.
Sicher wird die Reaktion ausgelöst, wenn auf den Kleinstbehälter mit seinen Kammern zum gewünschten Reaktionszeitpunkt ein Schlag oder Druck einwirkt, der zumindest die Zwischenwand der Kammern zerstört und damit Wasser und Metall in Kontakt und zur Reaktion unter Freisetzung von Wasserstoff bringt.
Im Falle vier Kammern vorhanden sind, wird zunächst die Zwischenwand der zwei Kammern, die das Alkalimetall und Wasser enthalten, beseitigt und, sofern sie durch die Reaktion nicht ohnehin zerstört wurde, im Millisekundenbereich zeitverzögert auch die Zwischenwand der zwei weiteren Kammern. Beide Reaktionen zusammen ergeben eine saubere Verbrennung, die allerdings einen Rückstand an Lauge bewirkt, der sich als Belag auf die Innenwand des entstandenen Hohlraumes niederschlagen wird.
Die Bildung eines Laugenrückstandes wird vermieden, wenn die Explosion ausgelöst wird durch die Erwärmung von Natriumperoxid Na₂O₂, Schwefel und Glycerin. Die Explosion erfolgt unter Einwirkung der Hitze der Schmelze selbstauslösend. Dieser Verbrennungsvorgang ergibt einen unproblematisch zu handhabenden, ungiftigen Sulfatrest.
An Stelle von Natriumperoxid sind auch weitere Sauerstoff enthaltende Verbindungen der Alkalimetalle einsetzbar, z. B. Kaliumchlorat KClO₃, Lithiumaluminiumhydrid LiAlH₄ und weitere. Ebenso können einige Verbindungen von Metallen der benachbarten Hauptreihe des Periodensystems für diesen Zweck eingesetzt werden, wie Magnesiumperchlorat - Mg(ClO₄)₂ und weitere.
Zur Beeinflussung des Zündzeitpunktes kann das Gemisch vor dem Einbringen in den Werkzeuginnenraum vorgewärmt werden.
Zum Zweck einer festen Positionierung wird der in den Werkzeuginnenraum zu verbringende Kleinstbehälter mit einem Schutzrohr umgeben, das der Wucht der einströmenden Schmelze widersteht und auch deren Hitzeeinwirkung auf den Behälter mindert. Das Schutzrohr kann von der Außenwand des Werkzeuginnenraumes in den Werkzeuginnenraum hineinragen oder vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze in den Innenraum hineingeführt werden.
In dem Schutzrohr wird der Kleinstbehälter durch einen bewegbaren Auswerferstift in Position gehalten; er wird freigegeben durch Zurückziehen des Schutzrohres vor, während oder nach Einströmen der Schmelze in den Werkzeuginnenraum.
Nach dem Ausstoßen des Kleinstbehälters aus dem Schutzrohr in den Werkzeuginnenraum durch den Auswerferstift wird die Öffnung des Schutzrohres vom Auswerferstift verschlossen. Wenn Schutzrohr mit Auswerferstift in die Ausgangsstellung so zurückgezogen werden, daß ihre Vorderflächen bündig mit der Außenwand des Werkzeuginnenraumes verlaufen, hinterlassen sie in dem zu erstellenden Fertigteil keine Spuren oder Abdrucke.
Ausstoß zur Freisetzung der äußeren Kapset durch den Auswerferstift und Zurückziehen des Schutzrohres können der Zeitersparnis halber teilweise oder ganz zeitgleich durchgeführt werden. Es ist möglich, den Kleinstbehälter bis zum gewünschten Reaktionszeitpunkt mit Hilfe des Auswerferstiftes in Position zu halten.
Die Zerstörung der Trennwand zwischen den zwei Kammern eines Kleinstbehälters kann erfolgen durch mittelbare oder unmittelbare Einwirkung des Auswerferstiftes zerstört wird, damit Wasser und Metall in Kontakt kommen und unter Freisetzung von Wasserstoff reagieren, alternativ auch durch die mittelbare oder unmittelbare Einwirkung der Hitze der Schmelze.
In einigen Anwendungsfällen werden Kleinstbehälter aus Glas vorteilhaft eingesetzt. Neben Kleinstbehältern aus anderen Materialien eignen sie sich besonders durch die Möglichkeit der individuellen Formgebung bei ihrer Herstellung und damit für eine formschlüssige Verankerung oder auch Verriegelung im Werkzeuginnenraum, indem ihre Form angepaßt wird an eine vorhandene oder erstellte Aussparung am vorgesehenen Punkt ihrer Reaktion.
Wo erforderlich kann der Kleinstbehälter zusätzlich gesichert werden durch einseitige Haftklebung. Wo Wasser zum Reagieren mit einem Alkalimetall eingesetzt wird, kann es für eine saubere Verbrennung des Wasserstoffs bzw. einen zwangsläufigen Reaktionsablauf vorteilhaft durch Wasserstoffperoxid H₂O₂ ganz oder teilweise ersetzt werden.
In denjenigen Fällen, in denen Wasser mit Alkalimetall reagiert, ist es denkbar, Wasser ganz oder teilweise zu ersetzen durch Salzsäure, Schwefelsäure oder eine andere Säure, wodurch beim Zusammentreffen eine explosionsartige Reaktion erfolgt. Bei genauer Dosierung ist der pH-Wert des Produktes dieser Reaktion neutral.
Die Verwendung eines Alkalimetalls zur Freisetzung von Wasserstoff wurde hier als Beispiel angeführt. Es sind aber auch andere chemische Reaktionen nutzbar mit gleichem Effekt für die Verdrängung der heißen Schmelze im Innenraum eines Spritzgußwerkzeuges, die z. B. basieren auf dem Zusammenbringen oxidierbarer Stoffe mit Magnesiumperchlorat - Mg(ClO₄)₂, Kaliumperchlorat KClO₄ welches letztere mit Puderzucker reagiert und weiteren Verbindungen.
Die bei der Reaktion von Alkalimetallen sich bildende Lauge wird häufig störend sein, wenn sie sich unter dem Hitzeeinfluß als Kruste an den Hohlraumwänden niederschlägt. Sie wird neutralisiert durch eine Dosis Säure, die in den Hohlraum gespritzt oder durch Zerstäuben eingebracht wird.
Das Einbringen kann erfolgen in Form eines Kleinstbehälters durch ein Schutzrohr, der, falls erforderlich, auch unter Innendruck stehen kann. Nach dem Einbringen wird er unter Freigabe der Säure zerstört. Ein bewegbarer Auswerferstift im Schutzrohr ist hilfreich zum exakten Ausstoßen des Kleinstbehälters.
Denkbar ist auch, die Säure in Form von Dampf in den Hohlraum einzubringen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Spritzgießformteilen mit ganz oder teilweise geschlossenen Hohlräumen dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall der ersten Hauptgruppe des Periodischen Systems der Elemente oder eine seiner ebenfalls mit Wasser reagierenden Verbindungen und eine Dosis Wasser vor, während oder nach dem Einströmvorgang der Schmelze im Werkzeuginnenraum so zusammengebracht werden, daß Metall und Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff so reagieren, daß eine Explosion erfolgt, durch die die Schmelze gegen die Außenwand bzw. die Außenwände des Werkzeuginnenraumes gedrückt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Werkzeuginnenraum freigesetzte Wasserstoff durch Reaktion mit dem Metall Kalium gewonnen wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Werkzeuginnenraum freigesetzte Wasserstoff durch Reaktion mit dem Metall Natrium gewonnen wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Werkzeuginnenraum freigesetzte Wasserstoff durch Reaktion mit dem Metall Lithium gewonnen wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Werkzeuginnenraum freigesetzte Wasserstoff durch Reaktion mit dem Metall Cäsium gewonnen wird

6. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall in einer Kammer eines Kleinstbehälters untergebracht wird, eine zweite Kammer des Kleinstbehälters Wasser enthält, und der Kleinstbehälter vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze in den Werkzeuginnenraum verbracht und das Alkalimetall mit Wasser zur Reaktion gebracht wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im Werkzeuginnenraum freigesetzte Wasserstoff mit zugeführtem freien oder in Form von Oxidationsmitteln gebundenem Sauerstoff zur Explosion gebracht wird.

8. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff so in Form von Oxidationsmitteln in den Werkzeuginnenraum eingeführt wird, daß er durch die Hitze der Schmelze freigesetzt wird.

9. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorgang nach Einbringen des für die Explosion erforderlichen Sauerstoffs ausgelöst wird durch einen Katalysator, bei dessen Anwesenheit die Zündtemperatur des Gemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff unterhalb der Temperatur der Schmelze gesenkt wird.

10. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kleinstbehälter mit vier Kammern in je einer verschlossenen Kammer das für eine erste Reaktion vorgesehene Alkalimetall und das Wasser, und für eine zweite Reaktion ein Metall in Form von Nanopartikeln und ein Oxidationsmittel untergebracht sind und der Kleinstbehälter vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze so in den Werkzeuginnenraum verbracht wird, daß eine Explosion erfolgt, durch die die Schmelze gegen die Außenwand bzw. die Außenwände des Werkzeuginnenraumes gedrückt wird.

11. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleinstbehälter aus Glas besteht.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Kleinstbehälter im Innenraum des Spritzgießwerkzeugs vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze einer Schlag- oder Druckeinwirkung ausgesetzt wird, durch die die Trennwand zwischen den Kammern mit Alkalimetall und Wasser so zerstört wird, daß Alkalimetall und Wasser in Kontakt kommen und unter Freisetzung von Wasserstoff reagieren und, im Fall auf Anspruch 10 Bezug genommen wird, um ein Geringes zeitversetzt die Trennwand zwischen den mit Metall im Nanopartikelbereich und dem Oxidationsmittel befüllten Kammern ebenfalls beseitigt wird, um auch deren Reaktion freizugeben.

13. Verfahren zum Herstellen von Spritzgießformteilen mit ganz oder teilweise geschlossenen Hohlräumen dadurch gekennzeichnet, daß Natriumperoxid, Schwefel und Glycerin vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze so in den Werkzeuginnenraum verbracht werden, daß sie unter der Einwirkung der Hitze der Schmelze zur Explosion kommen, durch die die Schmelze gegen die Außenwand bzw. die Außenwände des Werkzeuginnenraumes gedrückt wird.

14. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Natriumperoxid, Schwefel und Glycerin vor dem Einbringen in den Werkzeuginnenraum vorgewärmt wird.

15. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Kleinstbehälter von einem von der Außenwand der Werkzeugform in den Werkzeuginnenraum hineinragenden oder vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze in den Werkzeuginnenraum hineingeführten Schutzrohr umgeben wird.

16. Verfahren und Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kleinstbehälter umgebende Schutzrohr vor, während oder nach dem Einströmen der Schmelze zurückgezogen wird um dadurch den Kleinstbehälter, den von einem in dem Schutzrohr befindlichen Auswerferstift in Position gehalten wird, freizugeben.

17. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe des in dem Schutzrohr untergebrachten Kleinstbehälters durch Ausstoß aus dem Schutzrohr durch den Auswerferstift erfolgt und das Rohr anschließend durch den Auswerferstift verschlossen gehalten bleibt und in die Ausgangsstellung zurückgezogen wird.

18. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoß des Kleinstbehälters aus dem Schutzrohr durch den Auswerferstift und das Zurückziehen des Rohres ganz oder teilweise zeitgleich erfolgen.

19. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Rohr und Auswerferstift anschließend so in eine Ausgangsstellung zurückgebracht werden, daß die vordere Fläche des Rohres mit der Begrenzungswand des Werkzeuginnenteiles bündig ist und durch den im Innern des Rohres befindlichen Auswerferstift verschlossen gehalten wird, dessen Vorderseite ebenfalls auf Bündigstellung mit der Außenwand des Werkzeuginnenteiles bzw. mit der Vorderfläche der Rohröffnung gebracht bzw. gehalten wird.

20. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beseitigung der Trennwand bzw. der Trennwände durch mittelbare oder unmittelbare Einwirkung von Hitze und/oder Druck der einströmenden oder eingeströmten Schmelze erfolgt oder durch mittelbare oder unmittelbare Einwirkung des Auswerferstiftes.

21. Verfahren und Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Form der Kleinstbehälter bzw. Glasampullen und die innere Form der im Werkzeuginnenraum vorhandenen oder gebildeten Aussparung für ihre Aufnahme so aufeinander abgestimmt sind, daß eine formschlüssige Verankerung bei bzw. nach deren Einbringen in den Werkzeuginnenraum erfolgt.

22. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, soweit Wasser das Reaktionsmittel ist, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß das für den Prozeß erforderliche Wasser ganz oder teilweise ersetzt wird durch Wasserstoffperoxid H₂O₂.

23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und 15 bis 21, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß das für den Prozeß erforderliche Wasser ganz oder teilweise ersetzt wird durch Salzsäure, Schwefelsäure oder eine andere Säure.

24. Verfahren zum Herstellen von Spritzgießformteilen mit ganz oder teilweise geschlossenen Hohlräumen dadurch gekennzeichnet, daß ein starkes Oxidationsmittel vor, während oder nach dem Einströmvorgang der Schmelze im Werkzeuginnenraum so mit einem oxidierbaren Stoff zusammengebracht wird, daß eine explosionsartige Reaktion erfolgt, durch die die Schmelze gegen die Außenwand bzw. die Außenwände des Werkzeuginnenraums gedrückt wird.

25. Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Spritzgießformteilen mit ganz oder teilweise geschlossenen Hohlräumen nach einem der vorherigen Ansprüche, soweit nach der Reaktion eine Lauge in dem erzeugten Hohlraum entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß zu deren Neutralisieren eine Dosis Säure in diesen Hohlraum gespritzt oder durch Zerstäuben eingebracht wird.

26. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure in einem unter Druck stehenden Kleinstbehälter in den Hohlraum eingebracht wird, der hier zerstört wird.

27. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure in einem Kleinstbehälter durch ein Schutzrohr in den Hohlraum eingebracht wird, ggf. durch einen im Schutzrohr bewegbaren Auswerferstift.

28. Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure in Form von Dampf in den Hohlraum eingebracht wird.