DE102009004386A1

DE102009004386A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen

Info

Publication number: DE102009004386A1
Application number: DE200910004386
Authority: DE
Inventors: Jürgen BRUNING
Original assignee: FAGERDALA CAPITAL AB
Current assignee: FAGERDALA CAPITAL AB
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-07-15
Also published as: WO2010079212A3; WO2010079212A2; EP2376268A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils (11), bei dem eine Kavität eines Formwerkzeugs (3) mit aus einem thermoplastischen Material gebildeten Schaumpartikeln (6) gefüllt wird. Die gefüllte Kavität wird mit unter Druck stehendem heißen Wasserdampf (D) beaufschlagt, um eine Expansion der Schaumpartikel (6) zu bewirken, die Schaumpartikel (6) zu erweichen und miteinander thermoplastisch zu verschweißen und eine thermoplastische Oberfläche des aus den verschweißten Schaumpartikeln (6) gebildeten Formteils (11) an einer Wandung der Kavität auszubilden. Die Beaufschlagung mit Wasserdampf (D) wird über mindestens ein Ventil (4.1, 4.8) zeitgesteuert mindestens einmal so durchgeführt, dass der Wasserdampf (D) als weitgehend unkondensierter, trockener Wasserdampf (D) innerhalb einer kurzen Bedampfungszeit eine Mehrzahl der Schaumpartikel (6) erreicht, bevor die thermoplastische Oberfläche des Formteils (11) sich ausbildet. Den Schaumpartikeln (6) wird aus dem Wasserdampf (D) Energie so schnell zugeführt, dass die Schaumpartikel (6) zuerst oberflächlich thermoplastisch werden und erst anschließend expandieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, bei dem eine Kavität eines Formwerkzeugs mit aus einem thermoplastischen Material gebildeten Schaumpartikeln gefüllt wird, wobei die gefüllte Kavität mit unter Druck stehendem heißen Wasserdampf beaufschlagt wird, um eine Expansion der Schaumpartikel zu bewirken, die Schaumpartikel zu erweichen und miteinander thermoplastisch zu verschweißen und eine thermoplastische Oberfläche des aus den verschweißten Schaumpartikeln gebildeten Formteils an einer Wandung der Kavität auszubilden.
Formteilautomaten zur Herstellung von Partikelschaumformteilen sind gewöhnlich mit einer Dampfkammer ausgerüstet, in die über Stellventile Wasserdampf zugeführt wird. In der Dampfkammer ist ein Formwerkzeug mit einer Kavität angeordnet, die mit Schaumpartikeln, beispielsweise in Form kleiner Kügelchen gefüllt wird. Der Wasserdampf fließt über Dampfdüsen durch die Kavität und führt zu einer Verschweißung der darin befindlichen Schaumstoffpartikel. Üblicherweise werden so Schaumstoffformteile aus expandiertem Polypropylen (EPP) und expandiertem Polystyrol (EPS) hergestellt.
Ein derartiger Aufbau bietet die Möglichkeit, im Rahmen einer gestaffelten Maschinengrösse unterschiedliche Formwerkzeuge mittels eines Aufspannrahmens in der Dampfkammer zu befestigen. Zum Einsatz kommen gefräste oder gegossene Formwerkzeuge.
Der überwiegende Teil der in Form von Wasserdampf eingesetzten Energie beim Formteilprozess wird zum zyklischen Aufheizen des Werkzeugs und der umgebenden Dampfkammer benötigt und nach jedem Verschweißungsvorgang durch Kühlung abgeführt. Geringere Anteile gehen als Spül- und Übertragungsverluste oder Abstrahlung verloren.
Zur Reduzierung des erheblichen Energieaufwandes zur Bereitstellung des Heissdampfes wurden bereits verschieden Ansätze verfolgt, beispielsweise die Anordnung einer wärmeisolierenden Auskleidung in der Dampfkammer. In der EP 0 666 796 ist eine wärmeisolierende Auskleidung der Werkzeuge offenbart. Nachteilig ist hierbei insbesondere die deutlich verschlechterte Wärmeleitung bei der Kühlung des Formteiles, vor allem aber die Beschränkung des Einsatzbereiches auf expandiertes Polystryrol. Die Beschichtung des Werkzeuges entspricht nicht den Anforderungen der höheren Schweißdrücke und -temperaturen, die bei der Verarbeitung von EPP gefordert werden. EPS wird bei Temperaturen um 110°C und bei Drücken um 1,5 bar verarbeitet, während EPP entsprechend dem höheren Schmelzpunkt bei ca. 160°C und bei bis zu 7,5 bar verarbeitet wird. Die im Einsatz befindliche Technik verwendet zumeist den beschriebenen Werkzeugaufbau innerhalb einer Dampfkammer. Die Formwerkzeuge müssen dabei auf die Dampfkammerabmessungen angepasst sein.
Während der Energieeinsatz durch die Isolation des Werkzeuges verringert ist, geht die Dampfkammermasse selbst weiterhin in die Wärmebilanz ein. Der in EP 0 666 796 beschriebene Prozess weist jedoch auch auf die Möglichkeit der direkten Dampfzuführung zum Werkzeug hin. Hierbei ist das Werkzeug als konventionelles Werkzeug mit einer Innenbeschichtung aufgebaut. Die Dampfverteilung erfolgt in einem weiteren, vorgeschalteten Dampfverteiler. Der Dampfkammerrahmen ist dabei weithin limitierend für die möglichen Werkzeugabmessungen. Der Dampfverbrauch kann durch die erhöhte Anzahl der Dampfleitungen ebenfalls nicht maßgeblich gesenkt werden. Weiterhin ist eine homogene Durchflutung des Werkzeuges mit Wasserdampf nicht sichergestellt. Eine Kühlung mittels Wasserstrahlkühlung ist bei diesem System nicht mehr möglich. Eine dort beschriebene Kühlung mittels Vakuum ist nur mit EPS möglich. Die erhöhten Kühl- bzw. Stabilisierzeiten erhöhen die gesamte Taktzeit. Weiterhin ist bei EPP neben der zu hohen mechanischen Belastung beim Bedampfen, eine ausschließliche Kühlung mittels Vakuum durch die geringe Restfeuchte (bezogen auf die gesamt notwendige Temperaturdifferenz von 160°C auf ca. 70°C) nicht möglich.
Für den EPS-Bereich werden insbesondere durch die Firmen Hirsch und Kurtz Maschinen nach dem sogenannten Transferverfahren angeboten, bei denen Verschweißung und Kühlung der Formteile in jeweils unterschiedlichen Werkzeugen erfolgen. Hierbei werden die Formteile während des Prozesses automatisiert vom Verschweiß- in das Stabilisierwerkzeug übergeben wird. Das jeweilige Werkzeug mit zugehöriger Dampfkammer muss dabei nicht den gesamten Temperaturwechsel zwischen Verschweißungs- und Entformtemperatur mitmachen, sondern bleibt annähernd auf konstanter Temperatur.
Dieses Verfahren ist ebenfalls auf EPS beschränkt, da andere Partikelschäume nach der Bedampfung bzw. -verschweissung einen hohen Partikelinnendruck, den sogenannten Schaumdruck, aufweisen, der beim zwangsläufigen Öffnen der Form vor der Kühlung zum Aufplatzen der Formteils und der interpartikulären Schweissverbindungen führt.
Aus der DE 10 2004 004 657 A1 ist ein Formteilautomat bekannt, bei dem die Medienverteilung ausschließlich werkzeugseitig erfolgt.
Sämtlichen technischen Ausführungen zur Reduzierung des Energiebedarfes ist gemein, dass diese nur unzureichend den Wirkungsgrad des Formteilprozesses senken. In allen Fällen wird aufgrund des erheblichen Dampfbedarfes bzw. der hohen Dampfentnahmemenge bei nahezu konstantem Druck eine separate, ausreichend große Dampferzeugungseinheit benötigt. Aufgrund der hohen Investitionskosten für einen derartigen Dampferzeuger und -speicher ist eine Formteilfertigung meist nur bei spezialisierten Formteilschäumern mit mehreren Formteilautomaten vorzufinden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren mit geringerem Energiebedarf und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils anzugeben, mit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formteils wird mindestens eine Kavität eines Formwerkzeugs mit aus einem thermoplastischen Material gebildeten Schaumpartikeln gefüllt. Das Formwerkzeug kann eine oder mehrere Kavitäten umfassen. Die gefüllte Kavität wird mit unter Druck stehendem heißen Wasserdampf beaufschlagt, um eine Expansion der Schaumpartikel zu bewirken, eine Thermoplastizität einer Oberfläche der Schaumpartikel zu bewirken, die Schaumpartikel durch Expansionsdruck miteinander thermoplastisch zu verschweißen, sowie eine thermoplastische Oberfläche des aus den verschweißten Schaumpartikeln gebildeten Formteils an einer Wandung der Kavität auszubilden.
Thermoplastizität ist ein weicher, klebriger Zustand, den einige Stoffe beim Überschreiten einer Erweichungstemperatur erreichen. Die Beaufschlagung mit Wasserdampf wird über mindestens ein Ventil zeitgesteuert, insbesondere bei einem ungeregelten Maximaldruck mindestens einmal so durchgeführt, dass der Wasserdampf als weitgehend unkondensierter, trockener Wasserdampf innerhalb einer kurzen Bedampfungszeit eine Mehrzahl der Partikel erreicht, bevor die thermoplastische Oberfläche des Formteils sich ausbildet. Mit trockenem Wasserdampf ist solcher Wasserdampf gemeint, der nur wenig Kondensat enthält und zu einem großen Teil aus gasförmigem Wasser besteht. Dabei wird den Partikeln Energie aus dem Wasserdampf so schnell zugeführt, dass die Partikel zuerst oberflächlich thermoplastisch werden und erst anschließend expandieren. Um den Wasserdampf als weitgehend unkondensierten, trockenen Wasserdampf zuzuführen, muss eine Zuleitung zwischen dem Ventil und der Kavität möglichst kurz sein, damit keine Kondensation des Dampfes eintritt. Vorzugsweise ist diese Zuleitung kürzer als 500 mm. Die Zuführung des Drucks erfolgt ungeregelt über einen kurzen Bedampfungszeitraum statt druckgeregelt, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Während bei geregeltem Druck durch intervallartiges Öffnen und Schließen des Ventils die Druckverhältnisse in der Zuleitung ein orts- und zeitabhängiges Kondensieren und wieder Verdampfen im Wasserdampf bewirken und damit Energie aus dem Wasserdampf entweicht, wird bei schnellem Energieeintrag in die Schaumpartikel, wie im erfindungsgemäßen Verfahren, ein wesentlich größerer Anteil der Energie zur Bildung des Formteils verwendet. Das bedeutet, dass weniger Energie als Abwärme frei wird, so dass die Herstellungskosten durch geringeren Dampfverbrauch pro Formteil drastisch sinken. Durch die nur kurzzeitige Beaufschlagung der Kavität mit Wasserdampf erwärmt sich auch das Formwerkzeug nicht in dem Maße wie bei Bedampfung mit geregeltem Druck über einen längeren Zeitraum. Damit verkürzt sich eine Zykluszeit für die Herstellung des Formteils nicht nur durch die kürzere Bedampfungszeit selbst sondern auch durch die kürzere Zeit, die zum Anschließenden Herunterkühlen des Formwerkzeugs erforderlich ist. Eine für das Tempern des Formteils erforderliche Zeit verkürzt sich ebenfalls. Beim Tempern wird durch Kühlen und Stabilisieren ein Innendruck in den Schaumpartikeln abgebaut. Durch das Abkühlen in den Schaumpartikeln enthaltener Flüssigkeit entsteht ein leichtes Vakuum. Da durch die Verwendung von trockenem Wasserdampf weniger Feuchtigkeit in den Schaumpartikeln enthalten ist, kann die Zeit für das Tempern verkürzt werden ohne dass der Formkörper zu sehr schrumpft. Der weitgehend trockene Wasserdampf an den Schaumpartikeln bewirkt, dass die Energie weniger schnell in das Innere der Schaumpartikel vordringt, wodurch die Schaumpartikel zunächst an der Oberfläche thermoplastisch werden und erst anschließend expandieren. Dadurch wird vermieden, dass bei zu früher Expansion der Wasserdampf nicht zu allen Schaumpartikeln gelangt.
Die Zuführung des Dampfes erfolgt insbesondere so kurzzeitig, dass das thermoplastische Material der Schaumpartikel nicht durch Überhitzung zerstört wird.
Vorzugsweise werden Schaumpartikel aus expandierbarem Polystyrol (EPS) und/oder aus expandierbarem Polypropylen (EPP) und/oder aus expandierbarem Polyethylen (EPE) und/oder aus einem anderen expandierbaren Polyolefin verwendet. Weiter können Schaumpartikel aus mindestens einem bioplastisches Material, insbesondere Stärke, Maisstärke oder anderen nachwachsenden Rohstoffen oder thermolastisch beschichtete Materialien verwendet werden.
Es können auch Gemische mehrerer der genannten Stoffe verwendet werden. EPP weist eine höhere Expansionsgeschwindigkeit auf als EPS. Der vergleichsweise hohe Druck des Dampfes bewirkt, dass die EPP-Partikel nicht zu sehr expandieren, wenn ihre Oberfläche thermoplastisch ist.
Der für die Bedampfung verwendete Maximaldruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bar bis 10 bar, insbesondere bei etwa 7 bar und entspricht dem ungeregelten Vordruck aus einer Vorrichtung für die Erzeugung des Dampfes. Somit entfällt anderenfalls erforderlicher Aufwand für die Druckreduzierung.
Die Bedampfungszeit liegt vorzugsweise zwischen 0,2 s und 3 s, insbesondere bei etwa 1,5 s.
Die Schaumpartikel werden bevorzugt mehrmals von verschiedenen Seiten bedampft (Querbedampfung). Dies hat den Vorteil, dass im Wesentlichen alle Schaumpartikel vom Wasserdampf erreicht werden auch wenn sich auf einer der Seiten bereits eine thermoplastische Oberfläche ausgebildet hat und das Einströmen von Wasserdampf von dieser Seite entsprechend behindert wird. Hierzu sind bevorzugt an verschiedenen Seiten des Formwerkzeugs mehrere Dampfzuleitungen mit entsprechenden Ventilen vorgesehen.
Vorzugsweise werden die Kavität und/oder die zur Bedampfung vorgesehenen Dampfzuleitungen mittels Druckluft gespült um Kondensat zu entfernen. Da die Ausbildung von Kondensat sich nicht vollständig verhindern lässt, sollen die Dampfzuleitungen und/oder die Kavität beispielsweise nach der Bedampfung mit Druckluft gespült, das heißt getrocknet werden, damit die Vorteile des Verfahrens auch in einem nachfolgenden Zyklus bestehen bleiben.
Insbesondere werden mit einem Treibmittel versehene Schaumpartikel verwendet. Beispielsweise wird bei Verwendung von EPS Pentan als Treibmittel verwendet. Dieses dehnt sich beim Erwärmen aus und sorgt für die Expansion des durch die Erwärmung erweichten thermoplastischen Materials. Zumindest ein Teil des Treibmittels wird dabei vom Wasserdampf aufgenommen.
Das Einbringen der Schaumpartikel in die Kavität erfolgt vorzugsweise mittels Einblasen, insbesondere unter Druck so, dass die Schaumpartikel komprimiert werden. Durch die Vorkompression wird ein Expansionsgrad der Schaumpartikel bei späterer Beaufschlagung mit Wasserdampf erhöht. Ebenso können die Schaumpartikel eingeschüttet werden.
Eine das Formwerkzeug aufnehmende Dampfkammer kann mit einer Wärmeisolierung versehen ist, so dass ein Wärmeübergang vom Wasserdampf auf das Formteil und auf die Kavität konzentriert und auf eine Umgebung verringert wird. Auf diese Weise wird der Energiebedarf und der Dampfverbrauch weiter reduziert.
Weiter kann eine zwischen dem Ventil und dem Formwerkzeug angeordnete Dampfleitung an einer Innenseite wärmeisoliert sein, insbesondere dann, wenn das Ventil zu weit vom Formwerkzeug entfernt ist, um auf andere Weise sicherzustellen, dass der Wasserdampf als trockener Wasserdampf in die Kavität gelangt.
Der Wasserdampf kann dem Formwerkzeug direkt zugeführt werden. Alternativ kann das Formwerkzeug in einer Dampfkammer angeordnet sein. Die Dampfkammer ist vorzugsweise möglichst klein im Verhältnis zur Größe der Kavität, um den Wasserdampf am Kondensieren zu hindern und die Energieverluste gering zu halten.
Das Formwerkzeug wird nach der Bedampfung bevorzugt mit Wasser gekühlt.
Nach der Bedampfung kann eine Kühlung des Formteils mit Vakuum durchgeführt werden. Dabei wird noch vorhandenes Kondensat verdunstet und dessen Verdunstungskälte zum Kühlen des Formwerkzeugs genutzt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils mit einem geöffneten Formwerkzeug,
2 die Vorrichtung mit geschlossenem Formwerkzeug,
3 die Vorrichtung
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Formteils. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Dampfkammer 2, die aus zwei Dampfkammerteilen 2.1, 2.2 gebildet ist. In der Dampfkammer 2 ist ein Formwerkzeug 3 angeordnet, das ebenfalls zwei Formwerkzeugteile 3.1, 3.2 umfasst, von denen jedes je einem der Dampfkammerteile 2.1, 2.2 zugeordnet ist. Die Formwerkzeugteile 3.1, 3.2 sind so perforiert, dass Wasserdampf und Luft, jedoch keine größeren Partikel ein- und austreten können. Die Dampfkammer 2 kann über Ventile 4.1 bis 4.8 mit Dampf, Druckluft, Wasser oder Vakuum versorgt werden. Weiter ist ein Vorratsbehälter 5 vorgesehen, in dem Schaumpartikel 6 aus einem thermoplastischen Material bevorratet sind. Der Vorratsbehälter ist ebenfalls mit Ventilen 4.9, 4.10 versehen. Aus dem Vorratsbehälter 5 können dem Formwerkzeug 3 Schaumpartikel 6 über Schläuche 7 und Füllzylinder 8 zugeführt werden. Eine Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter 5 und den Schläuchen 7 ist durch einen Schieber 9 herstellbar oder unterbrechbar. Der Füllzy linder weist ebenfalls zwei Ventile 4.11, 4.12 auf. Das Formwerkzeug 1 ist zu Beginn eines Zyklus zur Herstellung des Formteils in einem Zustand gezeigt, in dem die Dampfkammerteile 2.1, 2.2 mit den Formwerkzeugteilen 3.1, 3.2 geöffnet sind.
Als nächstes werden die Dampfkammerteile 2.1, 2.2 und die Formwerkzeugteile 3.1, 3.2 zusammengeführt und geschlossen, wie in 2 dargestellt ist. Die Formwerkzeugteile 3.1, 3.2 schließen nun eine Kavität ein, die die Form des herzustellenden Formteils aufweist.
In 3 sind alle Ventile 4.2 bis 4.7 geschlossen während die Ventile 4.1 und 4.8 geöffnet sind um die Dampfkammer 2 und das Formwerkzeug 3 mit Druckluft L zu befüllen um einen Staudruck von beispielsweise 2 bar aufzubauen.
In 4 wird das Ventil 4.9 am Vorratsbehälter 5 geöffnet während das Ventil 4.10 geschlossen ist. Dabei wird der Vorratsbehälter mit Druckluft L beaufschlagt und auf einen etwas höheren Druck, beispielsweise 2,5 bar, gebracht als die Dampfkammer 2 mit dem Formwerkzeug 3.
In 5 wird das Ventil 4.11 an den Füllzylindern 8 geöffnet während das Ventil 4.12 geschlossen wird. Dadurch werden Füllkolben 10 in den Füllzylindern 8 durch Druckluft so bewegt, dass in den Füllzylindern 8 ein Fülldruck, beispielsweise von 5 bar entsteht. Der Druck im Vorratsbehälter 5 ist hierzu höher als der Druck in der Kavität des Formwerkzeugs 3.
In 6 ist der Schieber 9 geöffnet. Durch das Druckgefälle werden die Schaumpartikel 6 aus dem Vorratsbehälter 5 in das Formwerkzeug 3 gefüllt.
In 7 wird das Ventil 4.9 geschlossen und die Ventile 4.10 und 4.12 geöffnet. Der Fülldruck in den Füllzylindern 8 bewirkt nun, dass noch in den Schläuchen befindliche Schaumpartikel 6 in den Vorratsbehälter 5 zurückgeblasen werden, da dort der Druck über das Ventil 4.10 entweichen kann. Der dabei abfallende Füll druck in den Füllzylindern 8 bewirkt ein Rückstellen der Füllkolben 10 so dass das Formwerkzeug 3 verschlossen ist.
In 8 wird die Zufuhr von Druckluft L in die Dampfkammer 2 durch Schließen der Ventile 4.1, 4.8 unterbrochen. Durch Öffnen der Ventile 4.4, 4.5 wird der Staudruck in der Dampfkammer und im Formwerkzeug 3 auf Umgebungsdruck abgesenkt. Die Schaumpartikel 6 im Formwerkzeug 3 füllen sind bei Umgebungsdruck komprimiert und Füllen die Kavität des Formwerkzeugs 3 so sicher aus.
In 9 werden die Ventile 4.1, 4.8 zur Zuführung von Wasserdampf geöffnet, der über die ebenfalls geöffneten Ventile 4.4, 4.5 wieder entweicht. Das Formwerkzeug 3 wird dabei mit Wasserdampf gespült. Dadurch wird Luft aus dem Formwerkzeug 3 verdrängt, die anderenfalls als Wärmeisolator wirken würde.
In 10 wird eine so genannte Querbedampfung durchgeführt. Hierzu wird über das geöffnete Ventil 4.1 nur dem Dampfkammerteil 2.1 Wasserdampf D unter hohem, nicht durch das Ventil 4.1 geregelten Druck zeitgesteuert über einen kurzen Zeitraum zugeführt. Die Ventile 4.2 bis 4.8 sind geschlossen. Der Wasserdampf D durchströmt die im Formwerkzeug 3 befindlichen Schaumpartikel 6 dem Druckgefälle folgend in Richtung des Dampfkammerteils 2.2. Anschließend wird das Ventil 4.1 geschlossen und die Dampfzufuhr unterbrochen. Der Druck in der Dampfkammer 2 wird durch Öffnen des Ventils 4.5 abgebaut.
In 11 erfolgt in gleicher Weise eine Querbedampfung aus der anderen Richtung durch Beaufschlagen mit unter Druck stehendem Wasserdampf über das Ventil 4.8. Anschließend entweicht der Druck durch Öffnen des Ventils 4.4. Durch die Bedampfung wird eine Erweichung und Expansion der Schaumpartikel 6 bewirkt. Dabei verschweißen die Schaumpartikel 6 thermoplastisch miteinander und bilden das Formteil 11 mit einer thermoplastischen Oberfläche an einer Wandung der Kavität des Formwerkzeugs 3. Die Bedampfung in den 10 und 11 erfolgt zeitgesteuert so, dass der Wasserdampf D als weitgehend unkondensierter, trockener Wasserdampf innerhalb einer kurzen Bedampfungszeit eine Mehrzahl der Schaumpartikel 6 erreicht, bevor die thermoplastische Oberfläche des Formteils 11 sich ausbildet. Dabei wird den Schaumpartikeln 6 aus dem Wasserdampf D Energie so schnell zugeführt, dass die Schaumpartikel 6 zuerst oberflächlich thermoplastisch werden und erst anschließend expandieren.
In 12 erfolgt durch Öffnen der Ventile 4.1, 4.8 und nochmalige Beaufschlagung der gesamten Dampfkammer 2 mit Wasserdampf eine so genannte Autoklavbedampfung. Die Kavität wird dabei mit Wasserdampf so erwärmt, dass die Oberfläche des gebildeten Formkörpers verbacken wird. Der Druck wird anschließend über die Ventile 4.4, 4.5 abgelassen.
In 13 werden die Ventile 4.3 und 4.6 geöffnet und das Formwerkzeug 3 von außen mit Wasser besprüht, um es abzukühlen, beispielsweise von etwa 140°C auf etwa 80°C.
In 14 wird über die geöffneten Ventile 4.4, 4.5 ein Vakuum in der Dampfkammer 2 erzeugt. Dabei wird das Formteil 11 stabilisiert. Gleichzeitig wird noch vorhandenes Kondensat verdunstet und dessen Verdunstungskälte zum Kühlen des Formwerkzeugs 3 genutzt.
In 15 wird das Ventil 4.1 geöffnet und Druckluft eingefüllt, die ein Entformen des Formteils 11 aus dem Formwerkzeugteil 3.1 bewirkt. In gleicher Weise erfolgt ein Entformen aus dem Formwerkzeugteil 3.2 durch Öffnen des Ventils 4.8 und Beaufschlagen mit Druckluft in 16.
In 17 sind die Dampfkammerteile 2.1, 2.2 auseinandergezogen und das Formteil 11 aus dem Formwerkzeug 3 herausgestoßen.
Die Vorrichtung 1 ist nun bereit für einen neuen Zyklus, beginnend mit 1.
Es kann eine andere Anzahl Ventile 4.1 bis 4.12 vorgesehen sein.
Die Zuführung des Dampfes D erfolgt insbesondere so kurzzeitig, dass das thermoplastische Material der Schaumpartikel 6 nicht durch Überhitzung zerstört wird.
Vorzugsweise werden Schaumpartikel 6 aus expandierbarem Polystyrol (EPS) und/oder aus expandierbarem Polypropylen (EPP) und/oder aus expandierbarem Polyethylen (EPE) und/oder aus einem anderen expandierbaren Polyolefin verwendet. Es können auch Gemische mehrerer der genannten Stoffe verwendet werden.
Der für die Bedampfung verwendete Maximaldruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bar bis 10 bar, insbesondere bei etwa 7 bar und entspricht dem ungeregelten Vordruck aus einer Vorrichtung für die Erzeugung des Dampfes D.
Die Bedampfungszeit liegt vorzugsweise zwischen 0,2 s und 3 s, insbesondere bei etwa 1,5 s.
Die Kavität und/oder die zur Bedampfung vorgesehenen Dampfzuleitungen können mittels Druckluft L gespult werden, um Kondensat zu entfernen.
Insbesondere werden mit einem Treibmittel versehene Schaumpartikel 6 verwendet. Beispielsweise wird bei Verwendung von EPS Pentan als Treibmittel verwendet.
Das Formwerkzeug 3 kann mit einer Wärmeisolierung so versehen sein, dass ein Wärmeübergang vom Wasserdampf D und/oder von den Schaumpartikeln 6 auf das Formwerkzeug 3 und/oder auf eine Umgebung verringert wird.
Der Wasserdampf D kann dem Formwerkzeug 3 alternativ direkt ohne eine Dampfkammer 2 zugeführt werden.

1: Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils
2: Dampfkammer
2.1, 2.2: Dampfkammerteil
3: Formwerkzeug
3.1, 3.2: Formwerkzeugteil
4.1 bis 4.n: Ventil
5: Vorratsbehälter
6: Schaumpartikel
7: Schlauch
8: Füllzylinder
9: Schieber
10: Füllkolben
11: Formteil
D: Dampf
L: Druckluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0666796 [0005, 0006]
- DE 102004004657 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formteils (11), bei dem mindestens eine Kavität eines Formwerkzeugs (3) mit aus einem thermoplastischen Material gebildeten Schaumpartikeln (6) gefüllt wird, wobei die gefüllte Kavität mit unter Druck stehendem Wasserdampf (D) beaufschlagt wird, um eine Expansion der Schaumpartikel (6) zu bewirken, eine Thermoplastizität einer Oberfläche der Schaumpartikel (6) zu bewirken, die Schaumpartikel durch Expansionsdruck miteinander thermoplastisch zu verschweißen und eine thermoplastische Oberfläche des aus den verschweißten Schaumpartikeln (6) gebildeten Formteils (11) an einer Wandung der Kavität auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit Wasserdampf (D) über mindestens ein Ventil (4.1, 4.8) zeitgesteuert mindestens einmal so durchgeführt wird, dass der Wasserdampf (D) als weitgehend unkondensierter, trockener Wasserdampf (D) innerhalb einer kurzen Bedampfungszeit eine Mehrzahl der Schaumpartikel (6) erreicht, bevor die thermoplastische Oberfläche des Formteils (11) sich ausbildet, wobei den Schaumpartikeln (6) aus dem Wasserdampf (D) Energie so schnell zugeführt wird, dass die Schaumpartikel (6) zuerst oberflächlich thermoplastisch werden und anschließend expandieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schaumpartikel (6) aus mindestens einem der Materialien expandierbares Polypropylen, expandierbares Polystyrol, anderes expandierbares Polyolefin, bioplastisches Material, insbesondere Stärke, Maisstärke, anderer nachwachsender Rohstoff, thermolastisch beschichtetes Material verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximaldruck in einem Bereich von 5 bar bis 10 bar liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedampfungszeit zwischen 0,1 s und 3 s liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumpartikel (6) mehrmals von verschiedenen Seiten bedampft werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Treibmittel versehene Schaumpartikel (6) verwendet werden, wobei zumindest beim Erreichen einer Erweichungstemperatur des thermoplastischen Materials das Treibmittel die Expansion der Schaumpartikel (6) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumpartikel (6) in die Kavität eingeblasen oder eingeschüttet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumpartikel (6) unter Druck so in die Kavität eingeblasen werden, dass sie komprimiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Formwerkzeug (3) aufnehmende Dampfkammer mit einer Wärmeisolierung versehen ist, so dass ein Wärmeübergang vom Wasserdampf (D) auf das Formteil und auf die Kavität konzentriert und auf eine Umgebung verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4.1, 4.8) so in der Nähe des Formwerkzeugs (3) angeordnet ist, dass eine Kondensation des Dampfes (D) zwischen dem Ventil (4.1, 4.8) und dem Formwerkzeug (3) minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen dem Ventil und dem Formwerkzeug angeordnete Dampfleitung an einer Innenseite wärmeisoliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität nach der Bedampfung mit Wasser gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabilisierung des Formteils (11) mit Vakuum durchgeführt wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Formteils (11), umfassend ein Formwerkzeug (3) mit mindestens einer Kavität, die mit aus einem thermoplastischen Material gebildeten Schaumpartikeln (6) füllbar ist, wobei die gefüllte Kavität mit unter Druck stehendem heißen Wasserdampf (D) beaufschlagbar ist, um eine Expansion der Schaumpartikel (6) zu bewirken, die Schaumpartikel (6) zu erweichen und miteinander thermoplastisch zu verschweißen und eine thermoplastische Oberfläche des aus den verschweißten Schaumpartikeln (6) gebildeten Formteils (11) an einer Wandung der Kavität auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dampfzuleitung zur Kavität und/oder zu einer das Formwerkzeug (3) aufnehmenden Dampfkammer (2) vorgesehen ist, wobei mindestens ein Ventil (4.1, 4.8) vorgesehen ist, wobei die Kavität über das Ventil (4.1, 4.8) und die Dampfzuleitung zeitgesteuert so mit dem Wasserdampf (D) beaufschlagbar ist, dass der Wasserdampf (D) als weitgehend unkondensierter, trockener Wasserdampf (D) innerhalb einer kurzen Bedampfungszeit eine Mehrzahl der Schaumpartikel (6) erreicht, bevor die thermoplastische Oberfläche des Formteils (11) sich ausbildet, wobei den Schaumpartikeln (6) aus dem Wasserdampf (D) Energie so schnell zuführbar ist, dass die Schaumpartikel (6) zuerst oberflächlich thermoplastisch werden und anschließend expandieren, wobei das Ventil (4.1, 4.8) so in der Nähe des Formwerkzeugs (3) angeordnet ist, dass eine Kondensation des Dampfes (D) zwischen dem Ventil (4.1, 4.8) und dem Formwerkzeug (3) minimiert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) so ausgebildet ist, dass die Schaumpartikel (6) von verschiedenen Seiten bedampfbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dampfzuleitungen und mehrere Ventile (4.1, 4.8) vorgesehen sind.