DE102005061053A1

DE102005061053A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von physikalisch getriebener Schäume

Info

Publication number: DE102005061053A1
Application number: DE200510061053
Authority: DE
Inventors: Axel Cramer; Dominik Obeloer; Tilo Hildebrand
Original assignee: INST KUNSTSTOFFVERARBEITUNG RW; Institut fur Kunststoffverarbeitung Rwth Aachen
Current assignee: INST KUNSTSTOFFVERARBEITUNG RW; Institut fur Kunststoffverarbeitung Rwth Aachen
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Bei einer Plastifiziermaschine (13) zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten aufgeschäumten Werkstoffen, mit einem Plastifizieraggregat (6) mit Plastifizierzylinder (10) und Schnecke (9), mit einer Verschlussdüse (8) und mit einem Treibmittelzuführsystem (5) zum Dosieren und Zuführen eines Treibmittels in den Plastifizierzylinder (10), mit einem Materialzuführsystem (1) zum Zuführen eines zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes (2) in den Plastifizierzylinder (10), ist vorgesehen, dass das Treibmittelzuführsystem (5) ein im festen Zustand vorliegendes physikalisches Treibmittel dem Plastifizierzylinder (10) zuführt, wobei das physikalische Treibmittel im Plastifizierzylinder (10) in die gasförmige Phase übergeht, vorzugsweise sublimiert.

Description

Stand der Technik
Im Bereich des Spritzgießens existieren neben dem Kompaktspritzgießen verschiedene Sonderverfahren. Eines dieser Sonderverfahren ist das Schaumspritzgießen, das die Herstellung von aufgeschäumten Strukturschaumformteilen ermöglicht. Solche Formteile haben im Gegensatz zu kompakten Formteilen einen sandwichartigen Aufbau, d.h. eine nahezu kompakte Außenhaut mit einem geschlossen-zelligen geschäumten Kern. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise von H. Eckhardt in „Strukturschaumspritzgießen – gestern und heute, Strukturschaumspritzgießen – Ein- und Mehrkomponentenspritzgießtechnik", beim IKV-Seminar zur Kunststoffverarbeitung, Aachen, 23.-24. Oktober 1997 beschrieben worden.
Das Schaumspritzgießen weist im Gegensatz zum Spritzgießen kompakter Formteile einige wesentliche Vorteile auf. Diese sind beispielsweise eine Dichtereduktion des Formteils, eine erhöhte spezifische Steifigkeit durch Verlagerung der Flächenträgheitsmomente in die Randschichten des Bauteils und eine erhöhte Dämmwirkung, beispielsweise gegen Wärme. Auch die Herstellung von Formteilen mit großen Wanddicken ist möglich, was größere Freiheiten im Design er laubt. Das Verfahren ermöglicht außerdem, Formteile mit geringeren Eigenspannungen, Verzugsarmut und häufig günstigeren Fertigungstoleranzen sowie geringeren Einfallstellen herzustellen, wie beispielsweise von H.P. Barbey in „Herstellen von Schaumstoffen nach dem Direktbegasungsprinzip unter Einsatz alternativer Treibmittel", „Kunststoffberater 12" (1990) S. 26–29, beschrieben ist. Weiterhin ist eine Reduktion von Materialkosten wirtschaftlich interessant.
Für die Herstellung aufgeschäumter Formteile können im Wesentlichen zwei verschiedene Treibmittelarten unterschieden werden: physikalische Treibmittel und chemische Treibmittel. Die physikalischen Treibmittel weisen gegenüber chemischen Treibmitteln oftmals entscheidende Vorteile auf. Aufgrund ihrer zumeist stabilen chemischen Verbindungen ist bei deren Einsatz keine Zunahme der Degradation des zu verarbeitenden Werkstoffs zu befürchten. Physikalische Treibmittel sind verhältnismäßig kostengünstige Treibmittel. Darüber hinaus sind durch Einsatz physikalischer Treibmittel größere Aufschäumgrade erzielbar.

Die Wirkungsweise physikalischer Treibmittel, die dem aufzuschäumenden Werkstoff direkt zudosiert werden, beruht zum einen auf der Änderung des Aggregatzustandes dieser Substanzen, wie etwa dem Verdampfen einer Flüssigkeit (z.B.: FCKW), oder zum anderen auf der Übersättigung des Werkstoffs hinsichtlich eines zuvor im Werkstoff gelösten Fluids. Im Rahmen des Spritzgießprozesses wird die Übersättigung des Polymeren und damit die Schaumentstehung in nahezu allen Fällen allein infolge des Druckabfalls beim Austritt der Schmelze aus der Düse der Plastifiziereinheit oder bei Eintritt in die Kavität initiiert. Ein gattungsbildender Stand der Technik ist aus EP-A-0 952 908 sowie aus EP-A-1 256 430, DE-A-100 26 757, DE-A-199 32 954 und DE-A-198 53 021 bekannt.

Chemische Treibmittel sind im Gegensatz dazu Substanzen, die erst während des Verarbeitungsprozesses aufgrund einer chemischen Reaktion – meist eingeleitet durch Wärmezufuhr – Gas abspalten und dadurch die Erzeugung einer Schaumstruktur im Werkstoff ermöglichen. Ursache für die Gasabspaltung kann entweder die thermische Zersetzung des Treibmittels oder eine chemische Reaktion verschiedener im Treibmittel enthaltener Substanzen sein. Das entstehende Gas ist zumeist N₂, CO₂ oder CO.

Die physikalischen Treibmittel umfassen beispielsweise neben den Kohlenwasserstoffen auch Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid. Da Kohlenwasserstoffe jedoch entweder nicht umweltverträglich sind (HFCKW) oder aufgrund ihrer Brennbarkeit nur unter erheblichen Sicherheitsauflagen verarbeitet werden können (z.B. Pentan), gewinnen Treibmittel wie Kohlendioxid und Stickstoff zunehmend an Bedeutung.

Das Schaumspritzgießen lässt sich prinzipiell in zwei Verfahrensvarianten gliedern, die hinsichtlich des Drucks, der während der Verarbeitung im Werkzeug wirksam ist, unterschieden werden können. Beide Verfahren sind von G. Trausch in „Physikalisch und chemisch getriebene Thermoplastschäume – Grenzen der Verfahren und Anwendung", aus „Schäume aus thermoplastischer Schmelze" VDI-Verlag Düsseldorf 1981, beschrieben.

Niederdruckverfahren:

Der aufschäumende Werkstoff wird im Rahmen der Niederdruckverfahren zunächst in einem Schneckenzylinder plastifiziert (Schneckenvorplastifizierung). Soll ein chemisches Treibmittel eingesetzt werden, muss dieses dem Werkstoff zuvor in einem Aufbereitungsschritt zugesetzt werden. Im Falle der Verwendung eines physikalischen Treibmittels wird dieses dem aufzuschäumenden Werkstoff beispielsweise nach dessen Plastifizierung in dem Schneckenzylinder zudosiert (2-stufige Schnecke). Die Schnecke befördert dann das Schmelze/Treibmittel-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in die Kavität. Das dosierte und in die Kavität eingespritzte Werkstoffvolumen ist dabei geringer als das Volumen der Kavität, ein Kennzeichen der Niederdruckverfahren. Erst durch das Aufschäumen der Schmelze wird das Formnest vollständig aufgefüllt. Der Aufschäumvorgang wird dabei durch den Druckabfall der Schmelze entlang des Fließweges ausgelöst.

Die Niederdruckverfahren zur Herstellung geschäumter Formteile zeichnen sich je nach Aufschäumgrad durch Werkzeuginnendrücke von weniger als 70 bar aus. So genügen oftmals schon Aluminiumwerkzeuge mit geringer Komplexität den gestellten Anforderungen. Außerdem ist ein Arbeiten mit geringen Zuhaltekräf ten möglich. Die Nachteile der Niederdruckverfahren liegen vor allem in der oftmals schlechten Oberflächenqualität der hergestellten Formteile.

Hochdruckverfahren:

Eine Verbesserung der Oberflächenqualität geschäumter Bauteile lässt sich durch den Einsatz eines so genannten Hochdruckverfahrens, das auch als Verfahren des „atmenden" Werkzeugs bezeichnet wird, zur Herstellung geschäumter Formteile erzielen. Hierbei wird der gesamte Werkzeughohlraum mit dem Schmelze/Treibmittel-Gemisch gefüllt, wobei das Werkzeugvolumen kleiner als das Volumen des herzustellenden Formteiles ist. In einer sich an die Einspritzphase anschließenden Nachdruckphase werden die Randschichten des Formteiles ausgebildet, um eine geeignete Randschichtdicke zu erzielen. Das Aufschäumen wird durch die Vergrößerung des Werkzeughohlraumes initiiert. Dies kann durch Verwendung eines Tauchkantenwerkzeuges oder durch Ziehen eines Kerns umgesetzt werden. Alternativ kann der zum Schäumen notwendige Druckabbau durch Zurückziehen des Spritzkolbens realisiert werden, wobei die überschüssige Schmelze in den Spritzzylinder zurück schäumt. Hochdruckverfahren arbeiten mit Werkzeuginnendrücken, die Werte in der Größenordnung wie beim Kompaktspritzgießen annehmen können.

Varianten beider Verfahren haben jeweils eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualitäten der geschäumten Bauteile zum Ziel. Insbesondere Maßnahmen wie zyklisches Heizen und Abkühlen des Werkzeuges (z.B. Variotherm-Verfahren) oder Einspritzen bei Gasgegendruck (Gasgegendruck-Verfahren) kommen hier eine entscheidende Bedeutung zu.

Beim zyklischen Heizen und Abkühlen des Werkzeuges bewirkt eine Erwärmung der Werkzeugwandung nach dem Einspritzvorgang auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs ein Anschmelzen der Formteiloberfläche. Somit werden vom Einspritzen herrührende Oberflächenfehler beseitigt. Danach muss die Werkzeugwandung gekühlt werden, um ein Erstarren des Werkstoffs zu ermöglichen. Nachteile des Verfahrens sind lange Zykluszeiten, die komplizierte Werkzeugtechnik sowie ein hoher spezifischer Energieverbrauch.

Beim Gasgegendruck-Verfahren wird ein Aufschäumen des Werkstoff/Treibmittel-Gemischs während des Einspritzens dadurch vermieden, dass zuvor ein Gasdruck von etwa 20 bis 40 bar im Werkzeug erzeugt wird. Somit tritt der zur Blasenbildung führende Druckabfall nicht mehr auf. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die hohen Werkzeugkosten, da die Werkzeughälften gasdicht gefertigt werden müssen.

Diese Maßnahmen werden einzeln oder auch kombiniert sowohl beim Niederdruck- als auch beim Hochdruckverfahren angewendet, so dass eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren eingesetzt wird. Zu den Niederdruckverfahren zählen das TSG-Verfahren (Thermoplast-Schaum-Guß), das UCC-Verfahren (Union Carbide Corporation) und das Variotherm-Verfahren. Zu den Hochdruckverfahren gehören das TM-Verfahren, das TAF-Verfahren (Toshiba-Asahi-Foam) bzw. DOW-Verfahren, das USM-Verfahren (United Shoe Machinery) und das TFM-Verfahren (Thermoplastic Foam Molding).

Nachteile des Standes der Technik

Bisher ist eine Kosteneinsparung beim Schaumspritzgießen nicht immer möglich, da in der Kalkulation der Rohstoffeinsparung zusätzliche Kosten für Treibmittel, längere Fertigungszeiten bzw. eine eventuelle Nachbehandlung der Oberfläche entgegenstehen. Die Herstellung von geschäumten Werkstoffen erfordert den Einsatz von speziell zu diesem Zweck konstruierten bzw. stark modifizierten Maschinen wie z.B. Niederdruck-Spritzgießmaschinen, die durch eine Schneckenvorplastifizierung mit Kolbeneinspritzung charakterisiert sind oder aber von speziellen Plastifiziereinheit, über die das Gas eingemischt und homogenisiert wird. Weiterhin sind Ausführungen bekannt, die zwischen Einspritzdüse und Plastifiziereinheit montiert sind. Auch hierfür sind spezielle Anlagentechniken notwendig, die durch spezielle Dichttechniken des Treibmittels gegenüber dem schmelzeförmigen Werkstoff neben der zusätzlichen Notwendigkeit von Treibmitteldosierstationen einen hohen kosten- und verfahrenstechnischen Aufwand bedeuten.

Darüber hinaus kann es bei einigen Maschinentypen bei der Verwendung von glasfasergefüllten Werkstoffen durch Rückstromsperren oder Schmelzeumlenkungen zu Schädigungen des Werkstoffes kommen.

Die Maschinenkosten sowie die Maschinenstundensätze liegen bei diesen Maschinen deutlich über denen normaler Spritzgießmaschinen. Außerdem vermindern stark spezialisierte Maschinen die Flexibilität deren Einsatzes, da der Artikel das mögliche Verfahren zur Herstellung bestimmt. Des Weiteren erfordern bisherige Verfahren ein hohes bis sehr hohes verfahrenstechnisches Know-how, um eine reproduzierbare Herstellung von geschäumten Werkstoffen zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von homogenen aufgeschäumten Werkstoffen mit physikalischen Treibmitteln im Spitzgieß- oder Extrusionsprozess, bei der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und die einfach zu bedienen und kostengünstig ist.

Ferner ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von homogen aufgeschäumten Werkstoffen mit physikalischen Treibmitteln unter Verwendung von Spritzgießmaschinen oder Extrudern, bereitzustellen. Insbesondere soll das Treibmittel homogen zudosiert und in den Werkstoff eingemischt werden. Dabei soll das Verfahren einfach zu bedienen und kostengünstig realisierbar sein.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 20 gelöst.

Die erfindungsgemäße Plastifiziermaschine zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten, aufgeschäumten Werkstoffen weist ein Plastifizieraggregat mit Plastifizierzylinder, eine Schnecke und eine Verschlussdüse auf. Ferner ist die Plastifiziermaschine mit einem Materialzuführsystem zum Zuführen des zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes, sowie mit einem Treibmittelzuführsystem zum Dosieren und Zuführen eines Treibmittels in den Plastifizierzylinder ausgerüstet. Dabei ist vorgesehen, dass das Treibmittelzuführsystem ein im festen Zustand vorliegendes physikalisches Treibmittel dem Plastifizierzylinder zuführt, wobei das physikalische Treibmittel im Plastifizierzylinder in die gasförmige Phase übergeht, vorzugsweise sublimiert.

Das Zuführen eines physikalischen Treibmittels im festen Zustand hat gegenüber dem Dosieren eines gasförmigen Treibmittels den Vorteil, dass das Treibmittel sehr genau und nahezu verlustfrei dem Plastifizierzylinder zugeführt werden kann. Darüber hinaus kann das im festen Zustand vorliegende physikalische Treibmittel gut mit dem zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff vermischt werden.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass das Treibmittelzuführsystem und das Materialzuführsystem das physikalische Treibmittel und den plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff gleichzeitig dem Plastifizierzylinder zuführen. Dadurch ist eine einfach Dosierung des physikalischen Treibmittels möglich und eine gute Durchmischung des Werkstoffes mit dem Treibmittel wird erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Treibmittelzuführsystem eine Treibmittelzuführvorrichtung aufweist, die in den Plastifizierzylinder mündet.

Dabei kann die Treibmittelzuführvorrichtung bei einer beliebigen Position am Umfang des Plastifizierzylinders, vorzugsweise im Einzugsbereich des Plastifizieraggregats, angeordnet sein. Dadurch wird das Treibmittel in unmittelbarer Nähe der Werkstoffzuführung dem Plastifizierzylinder zugeführt, so dass eine optimale Durchmischung von Werkstoff und Treibmittel gewährleistet wird und die Verweilzeit des im festen Zustand vorliegenden Treibmittels geeignet eingestellt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Treibmittelzuführvorrichtung rohrförmig ausgebildet ist.

Um eine optimale Dosierung des Treibmittels sowie eine sehr gute Durchmischung des Werkstoffes mit dem Treibmittel zu gewährleisten, kann die Treibmittelzuführvorrichtung in dem Materialzuführsystem angeordnet sein. Das hat den weiteren Vorteil, dass das erfindungsgemäße Materialzuführsystem mit der erfindungsgemäßen Treibmittelzuführvorrichtung auf einfache Art und Weise an herkömmlichen Plastifiziermaschinen nachgerüstet werden kann, ohne das diese baulich verändert werden müssen, in dem das herkömmliche Materialzuführsystem durch das erfindungsgemäße Materialzuführsystem mit Treibmittelzuführvorrichtung ersetzt wird.

Das Materialzuführsystem kann einen Materialeinzugstrichter oder ein Materialfördersystem, beispielsweise oder ein Saug- oder Druckfördersystem, aufweisen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Treibmittelzuführvorrichtung mit einer Treibmittelversorgung, vorzugsweise einer Treibmittelbereitstellungsstation, über ein Leitungssystem verbunden ist. In dieser Treibmittelbereitstellungsstation wird im festen Aggregatzustand vorliegendes Treibmittel hergestellt und der Plastifiziermaschine in einer geeigneten Dosiermenge zur Verfügung gestellt. Ein solches Treibmittel ist beispielsweise Kohlenstoffdioxid, das mittels der Treibmittelbereitstellungsstation in einen festen Aggregatzustand überführt oder im festen Zustand gelagert wird.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Treibmittelzuführvorrichtung und/oder das Leitungssystem eine Isolierung gegen Wärmeaustausch und/oder eine aktive Kühlung aufweist. Auf diese Weise kann das Treibmittel auf eine einfache Art und Weise über das Leitungssystem der Treibmittelzuführvorrichtung und somit dem Plastifizieraggregat zugeführt werden, ohne dass eine frühzeitige Vergasung des Treibmittels auftritt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Durchfluss- und/oder Füllstandsmessvorrichtung an der Treibmittelzuführvorrichtung angeordnet, die den Treibmitteldurchfluss durch die Treibmittelzuführung oder den Treibmittelfüllstand an der Treibmittelzuführvorrichtung misst.

Dadurch kann die Treibmittelbereitstellungsstation in Abhängigkeit von dem Treibmitteldurchfluss durch die Treibmittelzuführvorrichtung und/oder den Treibmittelfüllstand in der Treibmittelzuführvorrichtung geregelt werden. Beispielsweise kann dazu eine Regelvorrichtung an der Treibmittelbereitstellungsstation vorgesehen sein.

Der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff kann bei jedem beliebigen Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, sein, wobei er granulat- oder pulverförmig, flüssig oder flächig vorliegen kann.

Als Treibmittel können Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weitere einfache oder modifizierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chlorierte, halogenierte oder florierte Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung aus diesen, eingesetzt werden.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die Treibmittelbereitstellungsstation eine Vorrichtung zur Herstellung von einem festem Aggregatzustand vorliegenden Treibmittel, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid, zu dessen Lagerung und/oder zu dessen Förderung ist.

Um eine besonders gute Durchmischung zwischen Werkstoff und Treibmittel zu erreichen, kann ein statischer Mischer zwischen Plastifizieraggregat und Verschlussdüse angeordnet sein. Zu diesem Zweck kann die Schnecke auch zusätzliche Misch- und/oder Scherelemente aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Formteils oder Halbzeugs im Spritzgieß- oder Extrusionsprozess wird die für ein Formteil oder ein Halbzeug benötigte Menge von zu plastifizierendem und aufzuschäumendem Werkstoff zusammen mit einem im festen Aggregatzustand vorliegenden Treibmittel kontinuierlich oder diskontinuierlich in das Plastifizie raggregat einer Plastifiziermaschine eingebracht. Dabei kann die Plastifiziermaschine eine Spritzgießmaschine oder ein Extruder sein. Durch Wärmeenergiezufuhr wird das Treibmittel in die gasförmige Phase überführt. Der Werkstoff wird geschmolzen und gleichzeitig mit dem Treibmittel gemischt, wodurch das Treibmittel zumindest teilweise in dem Werkstoff gelöst wird. Danach wird das schmelzeflüssige Werkstoff-/Treibmittelgemisch zum Bilden eines Formteils oder eines Halbzeugs ausgebracht. Anschließend wird das schmelzeflüssige Werkstoff-/Treibmittelgemisch zu einem aufgeschäumten Formteil oder Halbzeug abgekühlt oder bei Verwendung von vernetzenden Formmassen aufgeheizt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Überführung des Treibmittels in die gasförmige Phase und das Schmelzen des Werkstoffes und gleichzeitiges Mischen des Werkstoffes mit dem Treibmittel gleichzeitig stattfinden, wobei vorzugsweise die Schmelzenergie für den Werkstoff und/oder die Energie für die Überführung des Treibmittels in die gasförmige Phase von Heizbändern der Plastifiziermaschine und Dissipation bereitgestellt wird.

In einem besonders bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass das Treibmittel durch Sublimation in die gasförmige Phase übertritt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Werkstoff-/Treibmittelgemisch beim und/oder nach dem Schmelzen homogenisiert wird.

Auch kann das Werkstoff-/Treibmittelgemisch beim und/oder nach dem Aufschmelzen komprimiert werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Treibmittel zusammen mit dem zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff des Plastifizieraggregates eingebracht wird.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff als zu plastifizierender und aufzuschäumender Werkstoff verwendet wer den. Dabei kann der Werkstoff granulat- oder pulverförmig, flächig oder flächig vorliegen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Treibmittel aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenierten oder florierten Kohlenwasserstoffen oder einer Mischung aus diesen verwendet werden.

Das Treibmittel kann in Treibmitteleinheiten dosiert werden. Dadurch kann beispielsweise über das Volumen der Treibmitteleinheit die Dauer der Phasenumwandlung des Treibmittels von fest nach gasförmig vorgegeben werden. Auch ist eine genaue Dosierung des Treibmittels auf diese Art und Weise möglich.

Das Treibmittel kann kontinuierlich oder diskontinuierlich in den Einzugsbereich des Plastifizieraggregats eingebracht werden.

Mit der erfindungsgemäßen Treibmittelzuführung kann das in der festen Phase vorliegende Treibmittel neben dem Werkstoff dem Einzugsbereich einer konventionellen Plastifiziermaschine zugeführt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine solche Zuführung auf konventionellen Plastifiziermaschinen auf eine einfache Art und Weise nachrüstbar ist. Dadurch ist die Vorrichtung einfach zu installieren und kostengünstig umzusetzen.

Durch das Zuführen des festen physikalischen Treibmittels in unmittelbarer Nähe zur Schnecke im Einzugsbereich soll ein vorzeitiger Phasenübergang des Treibmittels vermieden werden. Eine frühere Zufuhr (beispielsweise von oben in den Materialeinzugstrichter) würde zu einem vorzeitigen Treibmittelverlust und zu variierenden Treibmittelgehalten führen.

In Bezug auf die Hauptförderrichtung der Schnecke am vorderen Ende der Plastifiziermaschine verhindert die Verschlussdüse ein Ausdringen des Treibmittels oder des Schmelze-/Treibmittelgemischs. Als Verschlussdüse kann eine Nadelverschlussdüse, eine Bolzenverschlussdüse, eine Schiebeverschlussdüse oder eine Werkzeugdüse vorgesehen sein.

Der Treibmittelgehalt des schmelzeflüssigen Werkstoff-/Treibmittelgemisches kann vorzugsweise über den Massestrom des Treibmittels und/oder den in dem Plastifizierzylinder herrschenden Staudruck (beim Spritzgießprozess) gesteuert werden. Ferner kann die Drehgeschwindigkeit der Schnecke des Plastifizieraggregats den Grad der Durchmischung zwischen Treibmittel und schmelzflüssigem Werkstoff bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner in Verbindung mit dem Gegendruckverfahren, Schneckenrückzugsverfahren, variothermer Werkzeugtemperaturführung oder mit Werkzeugen mit veränderbarer Kavität, vorzugsweise mit beweglichem Kern, sogenannten „atmenden" Werkzeugen, verwendet werden.

Auch ist die Verwendung mit einer Kombination der genannten Verfahren möglich.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere beim Spritzgießen folgende Vorteile:

– Herstellung von geschäumten Formteilen niedriger Dichte durch Verwendung eines physikalischen Treibmittels auf einer konventionellen Spritzgießmaschine
– Keine Modifikation vorhandener Spritzgießmaschinen
– Verminderung der Investitionskosten
– Vergrößerung des Einsatzspektrums einer erfindungsgemäßen Spritzgießmaschine (flexible Fertigung: Durchführung des Kompaktspritzgießens durch einfaches Weglassen des Treibmittels)
– geringe Störanfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Zuführung des Treibmittels zum im festen Aggregatzustand vorliegenden Werkstoff
– keine weitere Schädigung von glasfasergefüllten Werkstoffen, durch Vermeidung von zusätzlichen Rückstromsperren und Schmelzeumlenkungen in der Plastifiziereinheit
– einfache Prozessführung durch vorzugsweise konstante Zufuhr des Treibmittels
– homogene großflächige Einmischung des Treibmittels über einen großen Teil der Schnecke im Plastifizieraggregat als dynamischer Mischer
– Realisierung von für das Schaumspritzgießen wichtigen hohen Einspritzgeschwindigkeiten
– Verwendung von Treibmittelbereitstellungsstationen, die deutlich kostengünstiger sind als Treibmitteldosierstationen zur Dosierung von Treibfluiden im gasförmigen oder überkritischen Zustand.
– lange Diffusionszeiten durch Einbringung des Treibmittels im Einzugsbereich der Plastifiziereinheit resultierend in einer sehr homogenen Treibmittelverteilung im Werkstoff

Ähnliche Vorteile ergeben sich auch bei der Schaumextrusion.

Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plastifiziermaschine, sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren näher erläutert:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plastifiziermaschine 13. Die Plastifiziermaschine 13 besteht aus einem Plastifizieraggregat 6, einem statischen Mischer 7 sowie einer Nadelverschlussdüse 8. Das Plastifizieraggregat 6 weist einen Plastifizierzylinder 10 auf, in dem eine Schnecke 9 mit einer Rückstromsperre 15 angeordnet ist.
Über ein Materialzuführsystem 1 wird dem Einzugsbereich 12 der Schnecke 9 ein zu plastifizierender und aufzuschäumender Werkstoff 2 zugeführt.
Beim Zuführen des Treibmittels, das zur Aufschäumung des Werkstoffs bei der Weiterverarbeitung dient, weist die Plastifierziermaschine 13 ein Treibmittelzuführsystem 5 auf. Das Treibmittelzuführsystem 5 führt dem Plastifizierzylinder Treibmittel, beispielsweise Kohlendioxid, im festen Aggregatzustand, beispielsweise als Trockeneis zu. Das Treibmittelzuführsystem 5 weist eine Treibmittelzuführvorrichtung 14 auf, die im Einzugsbereich 12 des Plastifizieraggregats 6 angeordnet ist und somit der Schnecke 9 in unmittelbarer Nähe zu dem Bereich der Werkstoffzufuhr Treibmittel zudosiert. Hierdurch wird der Schnecke ein definiertes Werkstoff-/Treibmittelgemisch zur Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Die Treibmittelzuführvorrichtung 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet, wobei die Treibmittelzuführvorrichtung 14 einen beliebige Querschnittsform, vorzugsweise rund, aufweisen kann. Das Treibmittelzuführsystem 5 weist neben der Treibmittelzuführvorrichtung 14 eine Treibmittelbereitstellungsstation 3 auf, die über ein Leitungssystem 4 mit der Treibmittelzuführvorrichtung 14 verbunden ist. Das in der festen Phase vorliegende Treibmittel wird über das Treibmittelzuführsystem 5 dem Plastifizieraggregat kontinuierlich oder diskontinuierlich in einer geeigneten Dosierung zugeführt. Dabei wird das Treibmittel in einer geeigneten geometrischen Form, vorzugsweise granulatförmig, dem Plastifizieraggregat 6 gravimetrisch oder volumetrisch zugeführt.
Die Treibmittelbereitstellungsstation 3 kann beispielsweise ein sogenannter „Pelletizer" sein, der das Treibmittel in kleinen Treibmitteleinheiten, sogenannten „Pellets" zur Verfügung stellt. Mit Hilfe einer in 1 nicht dargestellten Fördereinrichtung wird das Treibmittel durch das Leitungssystem 4 zu der Treibmit telzuführvorrichtung 14 gefördert. Die Fördereinrichtung kann beispielsweise aus an einer Treibmittelbereitstellungsstation 3 angeordneten Pumpe oder einer an der Treibmittelzuführvorrichtung 14 angeordneten Saugvorrichtung bestehen.
Um ein vorzeitiges Sublimieren oder Schmelzen des Treibmittels in dem Treibmittelzuführsystem 5 zu verhindern, kann das Treibmittelzuführsystem eine Isolierung gegen Wärmeaustausch und/oder eine aktive Kühlung aufweisen.
In dem in 1 dargestellt Ausführungsbeispiel ist die Treibmittelzuführvorrichtung 14 in dem Materialzuführsystem 1 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Materialzuführsystem 1, das einen an eine herkömmliche Plastifiziermaschine angepassten Anschluss aufweisen kann, auf eine einfache Art und Weise zusammen mit der Treibmittelzuführvorrichtung 14 auf eine herkömmliche Plastifiziermaschine aufgesetzt werden kann, so dass diese herkömmliche Plastifiziermaschine mit dem erfindungsgemäßen System nachgerüstet werden kann.
Das Materialzuführsystem 1 weist einen Materialeinzugstrichter auf, über den der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff 2 in den Einzugsbereich 12 des Plastifizieraggregats 6 gelangt. Die Schnecke 9 wird über einen Antrieb 16 gedreht, so dass der Werkstoff mit dem Treibmittel in die Hauptförderrichtung der Schnecke gefördert wird. Durch die in dem Plastifizierzylinder 10 auftretende Scherung entsteht Dissipationswärme, die zusammen mit der durch Heizbänder 11 in dem Plastifizierzylinder 10 eingebrachte thermische Energie den Werkstoff erwärmt, zum Schmelzen bringt und das Treibmittel entsprechend der Wärmekapazität des Treibmittels in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise sublimiert dabei das Treibmittel. Über die Größe oder die geometrische Form (Oberflächen- zu Volumenverhältnis) der Treibmitteleinheiten kann dabei die Dauer der Phasenumwandlung bestimmt werden.
Durch die Drehbewegung der Schnecke 9 wird der aufzuschmelzende bzw. geschmolzene Werkstoff mit dem Treibmittel durchmischt. Dabei wird das Treibmittel zumindest teilweise in dem geschmolzenen Werkstoff gelöst.
Im in Bezug auf die Hauptförderrichtung der Schnecke 9 vorderen Bereich des Plastifizieraggregats 6 gewährleistet die Nadelverschlussdüse 8 im geschlossenen Zustand, dass das Treibmittel nicht aus dem Plastifizierzylinder 10 entweicht.
Im in Bezug auf die Hauptförderrichtung vorderen Bereich der Schnecke 9 verhindert die Rückstromsperre 15 beim Spritzgießprozess ein ungewolltes Zurückfließen des Werkstoff-/Treibmittelgemischs entgegengesetzt zu Förderrichtung während der Einspritzphase und während der Nebenzeiten.
Im in Bezug auf die Hauptförderrichtung hinteren Bereich kann die Schnecke 9 bzw. der Antrieb 16 gegenüber dem Plastifizierzylinder 10 mit einer radial angeordneten, axial dichtenden Dichtung 17 abgedichtet sein, sodass ein Entweichen von gasförmigem Treibmittel aus dem Plastifizierzylinder verhindert wird.
Durch diese Maßnahmen wird der Verlust an Treibmittel minimiert, wodurch eine Kostenersparnis erreicht wird.
Das schmelzflüssige Werkstoff-/Treibmittelgemisch wird aus dem Plastifizierzylinder 10 in einen statischen Mischer 7 befördert, in dem eine weitere Durchmischung stattfindet, um ein besonders homogenes Gemisch zu erhalten. Über die Verschlussdüse 8 wird das homogene Treibmittel-Werkstoffgemisch aus der Plastifiziermaschine beispielsweise in ein Werkzeug ausgestoßen. Durch Abkühlen oder durch Aufheizen bei der Verwendung von vernetzenden Werkstoffen entsteht der physikalisch aufgeschäumte Werkstoff.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens im Spritzgießverfahren ist vorgesehen, dass mindestens die zum Bilden eines Formteils oder eines Halbzeugs benötigte Menge eines zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffs 2 in den Plastifizierzylinder 10 kontinuierlich oder diskontinuierlich eingebracht wird. Gleichzeitig wird das Treibmittel 2 im festen Zustand über das Treibmittelzuführsystem dem Plastifizierzylinder zugeführt. Nach dem Ausbringen des aufgeschäumten Werkstoffes, die durch eine Druckbewegung der Schnecke 9, dem so genannten Schuss beim Spritzgießprozess, unterstützt wird, wird während des Rückziehens der Schnecke 9, der so genannten Dosierphase, mindestens die für den nächsten Schuss benötigte Menge an Werkstoff mit Treibmittel dem Einzugsbereich 12 der Schnecke 9 zugeführt.

Claims

Plastifiziermaschine (13) zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten aufgeschäumten Werkstoffen, – mit einem Plastifizieraggregat (6) mit Plastifizierzylinder (10) und Schnecke (9), – mit einer Verschlussdüse (8), – mit einem Treibmittelzuführsystem (5) zum Dosieren und Zuführen eines Treibmittels in den Plastifizierzylinder (10) und – mit einem Materialzuführsystem (1) zum Zuführen eines zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes (2) in den Plastifizierzylinder (10), dadurch gekennzeichnet, – dass das Treibmittelzuführsystem (5) ein im festen Zustand vorliegendes physikalisches Treibmittel dem Plastifizierzylinder (10) zuführt, wobei das physikalische Treibmittel im Plastifizierzylinder (10) in die gasförmige Phase übergeht, vorzugsweise indem der Übergang in die gasförmige Phase durch Sublimation stattfindet.
Plastifiziermaschine (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittelzuführsystem (5) und das Materialzuführsystem (1) das physikalische Treibmittel und den zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff gleichzeitig dem Plastifizierzylinder (10) zuführen.
Plastifiziermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittelzuführungssystem (5) eine Treibmittelzuführvorrichtung (14) aufweist, die in den Plastifizierzylinder (10) mündet.
Plastifiziermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelzuführvorrichtung (14) an einer beliebigen Position am Umfang des Plastifizierzylinders (10), vorzugsweise im Einzugsbereich (12) des Plastifizieraggregates (6), angeordnet ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelzuführvorrichtung (4) rohrförmig ausgebildet ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelzuführvorrichtung (14) in dem Materialzuführsystem (1) angeordnet ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialzuführsystem (1) einen Materialeinzugstrichter aufweist oder mit einem Materialfördersystem verbunden ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im in Bezug auf die Hauptförderrichtung vorderen Bereich der Schnecke 9 eine Rückstromsperre 15 angeordnet ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelzuführvorrichtung (14) mit einer Treibmittelversorgung, vorzugsweise einer Treibmittelbereitstellungsstation (3), über ein Leitungssystem (4) verbunden ist.
Plastifiziermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelzuführvorrichtung (14) und/oder das Leitungssystem (4) eine Isolierung gegen Wärmeaustausch und/oder eine aktive Kühlung aufweist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchfluss- und/oder Füllstandsmessvorrich tung an der Treibmittelzuführvorrichtung (14) angeordnet ist, die den Treibmitteldurchfluss durch die Treibmittelzuführvorrichtung (14) oder den Treibmittelfüllstand in der Treibmittelzuführvorrichtung (14) misst.
Plastifiziermaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung die Treibmittelbereitstellungsstation (3) in Abhängigkeit von dem Treibmitteldurchfluss durch die Treibmittelzuführvorrichtung (14) und/oder den Treibmittelfüllstand in der Treibmittelzuführvorrichtung (14) regelt.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussdüse (8) eine Nadelverschlussdüse, eine Bolzenverschlussdüse, eine Schiebeverschlussdüse oder eine Werkzeugdüse ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (5) granulat- oder pulverförmig, flüssig oder flächig ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (2) jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mischung aus diesen besteht.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelbereitstellungsstation (3) eine Vorrichtung zur Herstellung, zur Lagerung und/oder zur Förderung von im festen Aggregatzustand vorliegenden Treibmitteln, vorzugsweise Koh lenstoffdioxid, ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass ein statischer Mischer (7) zwischen Plastifizieraggregat (6) und Verschlussdüse (8) angeordnet ist.
Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke zusätzlich Misch- und/oder Scherelemente aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Formteils oder Halbzeugs im Spritzgieß- oder Extrusionsprozess, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) kontinuierliches oder diskontinuierliches Einbringen einer für ein Formteil oder ein Halbzeug benötigten Menge von zu plastifizierendem und aufzuschäumendem Werkstoff (2) in das Plastifizieraggregat (6) einer Plastifiziermaschine (13), vorzugsweise einer Spritzgießmaschine oder eines Extruders; b) Einbringen eines im festen Aggregatzustand vorliegenden Treibmittels in das Plastifizieraggregat (6) einer Plastifiziermaschine (13); c) Überführung des Treibmittels in die gasförmige Phase durch Wärmeenergiezufuhr; d) Schmelzen des Werkstoffes und gleichzeitiges Mischen des Werkstoffes mit dem Treibmittel, derart, dass das Treibmittel zumindest teilweise in dem Werkstoff gelöst wird; e) Ausbringen des schmelzflüssigen Werkstoff-/Treibmittelgemischs zum Bilden eines Formteils oder Halbzeugs; f) Abkühlen oder Aufheizen des schmelzflüssigen Werkstoff-/Treibmittelgemischs zu einem aufgeschäumten Formteil oder Halbzeug.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) gleichzeitig stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) gleichzeitig stattfinden, wobei vorzugsweise die Schmelzenergie für den Werkstoff und/oder die Energie für die Überführung des Treibmittels in die gasförmige Phase von Heizbändern (11) der Plastifiziermaschine (13) und/oder durch Dissipation bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Treibmittel sublimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoff-/Treibmittelgemisch beim und/oder nach dem Aufschmelzen homogenisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoff-/Treibmittelgemisch beim und/oder nach dem Aufschmelzen komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel zusammen mit dem zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff (2) in den Einzugsbereich (12) des Plastifizieraggregats (6) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als zu plastifizierender und aufzuschäumender Werkstoff (2) jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (2) granulat- oder pulverförmig, flüssig oder flächig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Treibmittel aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mischung aus diesen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel in Treibmitteleinheiten zudosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel kontinuierlich oder diskontinuierlich in den Einzugsbereich (12) des Plastifizieraggregates (6) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibmittelgehalt des schmelzflüssigen Werkstoff-/Treibmittelgemisches über den Volumenstrom oder über den Massestrom des Treibmittels (38) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass über die Drehgeschwindigkeit der Schnecke der Plastifizieraggregats (6) der Grad der Durchmischung zwischen Treibmittel und schmelzeflüssigen Werkstoff bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass über die geometrische Form, im besonderen das Oberflächen- zu Volumenverhältnis, der Treibmitteleinheiten die Dauer der Phasenumwandlung des Treibmittels von fest nach gasförmig vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34 gekennzeichnet durch die Verwendung einer Plastifiziermaschine (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 34 und/oder einer Plastifiziermaschine (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in Verbindung mit Gasgegendruckverfahren, Schneckenrückzugsverfahren, variothermer Werkzeugtemperaturführung oder Werkzeugen mit veränderbarer Kavität, vorzugsweise durch einen beweglichen Kern, oder einer Kombination dieser Verfahrensarten.