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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus expandierbarem thermoplastischen Polyurethan (ETPU).
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Dabei weist das Verfahren die für sich bekannten Verfahrensschritte Füllen, Bedampfen und Entformen auf, wobei vor dem Füllen eine Konditionierung und vor dem Entformen eine Kühlung und/oder eine Stabilisierung erfolgen kann.
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Die Schaumstoffpartikel aus ETPU weisen eine vergleichsweise hohe gegenseitige Adhäsionskraft auf, so dass auch in einer lockeren Schüttung, beispielsweise in einem Vorratsbehälter oder Silo, ein „Aneinanderkleben” der Schaumstoffpartikel erfolgt. Dies beinträchtig insbesondere die Dosierung und den Füllvorgang. So ist insbesondere ein Schwerkraftbefüllen der Form praktisch ausgeschlossen.
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Aus der Verarbeitung von EPS oder EPP ist bekannt, die Füllung der Form durch ein Druckfüllverfahren vorzunehmen. Dabei werden die in einem Füllbehälter unter Druck stehenden Schaumstoffpartikel mittels Füllinjektoren in das Formnest gefördert, wobei zwischen dem Füllgerät und dem Formwerkzeug ein Druckgefälle besteht. Es hat sich bei der Verarbeitung von ETPU allerdings gezeigt, dass die Schaumstoffpartikel sowohl beim Füllvorgang in der Füllstrecke als auch im Formnest zur Brückenbildung, das heißt zum Aneinanderkleben, neigen, wodurch ein vollständiges Füllen des Formnestes behindert wird.
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Um insbesondere eine derartige Brückenbildung zu vermeiden, kann erfindungsgemäß der Schaumstoffpartikelschüttung ein Trenn- oder Gleitmittel zugeführt werden. Dies kann beispielsweise durch Einblasen von Gasen, insbesondere Luft, oder Gas-Festkörpermischungen, beispielsweise Feinstaub, oder aber durch Einsprühen von Wasser oder Wasserdampf erfolgen. Dabei kann dieses Einbringen bereits im Füllbehälter oder unmittelbar in den Füllstrom bzw. in die Füllstrecke erfolgen.
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Eine weitere Möglichkeit, eine unerwünschte Brückenbildung zu verhindern, besteht erfindungsgemäß darin, dass ein Gleitzusatz in Form eines Wachses beigemengt wird. Auch hierbei kann dies sowohl im Silo als auch in der Füllstrecke erfolgen. Die Menge des beigegebenen Wachses beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,5 Gewichts-% bezogen auf die Menge der Schaumstoffpartikel.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch unerwünschte Brückenbildung vermieden oder können bereits gebildet Brücken aufgebrochen werden dadurch, dass die Füllstrecke zumindest abschnittsweise mechanisch bewegt, insbesondere gerüttelt oder mit Schwingungen beaufschlagt wird.
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Darüber hinaus bietet auch die exakte Dosierung der Schaumstoffpartikel in den beschriebenen Förderstrom die Möglichkeit die Brückenbildung zu verhindern.
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Dies geschieht nach einem Beispiel der Erfindung dadurch, dass entweder die Partikel durch zwei gegenläufige Bürstenwalzen gekapselt unterhalb des Füllbehälters zum Dosieren vereinzelt werden.
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Eine andere Art der Vereinzelung der Partikel kann man durch die Anordnung einer ebenfalls gekapselten revolverartig rotierenden Trommel mit in Achsrichtung angeordneten Bohrungen zur Aufnahme der Partikel unterhalb des Füllbehälters in Kammern erreicht werden. Diese Kammern der Trommel können dann exakt befüllt werden, wobei dann nach einer erfolgten Drehung der Trommel der Inhalt der einzelnen Kammern nacheinander in den Förderstrom abgegeben wird. Neben der Vereinzelung kann dadurch auch eine volumenmäßige Dosierung der in die Kavität zu transportierenden Partikel erreicht werden.
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Das Füllen kann bevorzugt als Gegendruckfüllverfahren ausgeführt sein, wobei sowohl das Füllgerät als auch das Formnest bzw. die Kavität druckbeaufschlagt sind. Durch die Einstellung des Differenzdrucks kann dabei die Rohdichte des Formteils gesteuert werden.
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Das Gegendruckfüllverfahren kann erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter Weise mit einer Konditionierung insbesondere nach Art einer Druckbeladung vor dem eigentlichen Füllvorgang verbunden sein. Dabei wird vor dem Befüllen das Schaumstoffpartikelmaterial in Druckbeladungstanks einem Überdruck, vorzugsweise über einen Zeitraum von 6 bis 24 h, ausgesetzt, der wiederum einen Überdruck in den Partikelzellen bewirkt. Beim späteren Bedampfen in der Form führt dies zu einer stärkeren Expandierung der Schaumpartikel, so dass das Endprodukt eine geringere Dichte aufweist. Mit anderen Worten, die Druckbeladung hat letztendlich die Wirkung eines Treibmittels.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die ETPU Partikel vor dem Druckfüllen vorzugsweise in einem separaten Behälter evakuiert. Dies führt zunächst zu einer Volumenvergrößerung der einzelnen Partikel, verbunden mit einer stärkeren Volumenreduzierung beim anschließenden Druckfüllen im Vergleich zum herkömmlichen Druckfüllen, wodurch ein leichteres Füllen ermöglicht wird.
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Alternativ zur Druck- oder Gegendruckfüllung kann nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die Form im Crack-Spalt-Verfahren gefüllt werden. Im Gegensatz zum Druckfüllverfahren, bei dem eine geschlossene Form befüllt wird, erfolgt dabei das Füllen einer zumindest einen geringen Spalt geöffneten Form im wesentlichen drucklos, wobei vor dem Bedampfen oder zu Beginn des Bedampfens die beiden Formhälften unter Verringerung bzw. Schließung des Spaltes gegeneinander gedrückt werden. Dadurch ergibt sich vor dem eigentlichen Schäumvorgang eine Vorkompression der Partikel und damit eine Verdichtung des Schaumstoffpartikelmaterials.
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Die Verdichtung kann dabei über die gesamte Form gleichmäßig erfolgen. Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann zumindest eine Formhälfte jedoch aus mehreren Sektionen bestehen, die getrennt voneinander betätigt, das heißt in Richtung auf die gegenüberliegende Formhälfte bewegt werden können. Dabei können die Verdichtungen in den unterschiedlichen Sektionen unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann als weiteres Füllverfahren eine Schneckenfüllung Anwendung finden. Dabei wird das Schaumstoffpartikelmaterial über einen Schneckenförderer in die Form gefüllt, wobei die Schaumstoffpartikel zudem in Wasser als Trägermaterial dispergiert sein können.
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Um insbesondere ein konstantes Gewicht des fertigen Formteils bei vollständiger und gleichmäßiger Füllung der Form zu erreichen, kann vor dem eigentlichen Füllvorgang vor oder in der Füllstrecke eine Vor- oder Zwischendosierung des Schaumstoffpartikelmaterials erfolgen. Dabei kann die diese Dosierung gravimetrisch, volumetrisch oder mit einem kombinierten Verfahren erfolgen. Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt zunächst die gravimetrischen Bestimmung einer Sollmenge und danach eine Überprüfung, ob das Volumen der abgewogenen Sollmenge zwischen einem vorgegebenen Minimal- und einem ebenso vorgegebenen Maximalwert liegt. Dabei entspricht der Minimalwert der Menge, bei der die Form gerade noch vollständig gefüllt ist und der Maximalwert der Menge, die sich gerade noch in die Form füllen lässt.
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Im Vergleich zu herkömmlichen schäumbaren Materialien weist ETPU eine wesentlich höher Dichte auf. So liegt die Dichte bei ETPU regelmäßig im Bereich zwischen 120 bis 200 g/l, während die Dichte von beispielsweise EPS und EPP im Bereich zwischen 15 und 50 bzw. 20 bis 80 g/l liegt. Dies führt dazu, dass zum Aufschäumen bzw. zum Verschweissen der ETPU Partikel ein erheblich höherer Energie- bzw. Wärmeeintrag notwendig ist. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es daher vorgesehen, die Partikel bereits vor oder während des Füllens vorzuwärmen, wobei dies vorzugsweise mit beim Verarbeitungsprozess anfallender Abwärme erfolgt. Neben der Verringerung des Wärmebedarfs werden die Partikel auch weicher und lassen sich leichter komprimieren.
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Insbesondere wenn zur Fluidisierung des Partikelmaterials als Transportmedium heißes Wasser Verwendung findet, kann dieses neben der Benetzung und damit gewünschten Fluidisierung auch zur Materialvorwärmung dienen.
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Um die Adhäsionskraft der Partikel gegenüber den Oberflächen der Fülleinrichtung, insbesondere es Füllrohrs, zu verringern und einen unerwünschten Abrieb der Partikel an diesen Oberflächen zu vermeiden, sind vorzugsweise diese Oberflächen glatt ausgebildet und bestehen aus einem oxidationsfreien oder zumindest oxidationsarmen Material oder einer solchen Beschichtung. So kann beispielsweise das Füllrohr aus Edelstahl bestehen und eine polierte Innenfläche aufweisen.
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Die Füllstrecke wird nach einem weiteren Ausführungsbeispiel regelmäßig, insbesondere nach jedem Füllvorgang gereinigt, beispielsweise mit einem Reinigungsfluid gespült.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt nach dem Befüllen ein Rückblasen der Füllleitungen bis in den Füllbehälter, um eine Brückenbildung in diesem Bereich während des Formvorgangs zu verhindern oder zumindest zu erschweren.
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Nach dem Befüllen der Form mit dem Schaumstoffpartikelmaterial erfolgt in für sich bekannter Weise die Einleitung von Dampf, vorzugsweise trockenem Heiß- oder Sattdampf, in die Formkavität. Dabei erfolgt zum Einen eine Spülung des zwischen des Schaumstoffpartikeln verbliebenen Rest- bzw. Zwickelvolumens mit Verdrängung bzw. Entfernung der darin enthaltenen Luft und zum Anderen eine Erhitzung der Schaumstoffpartikel, verbunden mit einer Volumenvergrößerung der Partikel bzw. Verdichtung des Schaumstoffformteils und flächigen Verschweißung der Schaumpartikel miteinander. Das Bedampfen kann dabei erfindungsgemäß insbesondere bei flächigen Formteilen wie Platten, Schuhsohlen oder dergleichen im Querstrom, d. h. im Wesentlichen quer zur Hauptebene des Formteils, erfolgen, wobei in einem ersten Bedampfungsschritt eine Entfernung der Luft und in einem zweiten Bedampfungsschritt ein Aufheizen der Schaumstoffpartikel auf die gewünschte Prozesstemperatur erfolgt. Der Dampfeintrag erfolgt dabei vorzugsweise über eine Mehrzahl von Dampfeinlässen, die beispielsweise mehr oder weniger gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt sind, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Nach Erreichen der Prozesstemperatur erfolgt wird die Form autoklavisch verschlossen und durch Aufschäumen der Partikel verbunden mit gegenseitiger Verschweißung entsteht ein Formteil mit der gewünschten Dichte.
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Insbesondere wenn das Befüllen der Form durch Druckfüllen mit vergleichsweise hohem Fülldruck, das heißt regelmäßig einer Kombination aus Füllbehälterdruck, Fluidisierluftdruck und/oder Staudruck, erfolgt, sind die Volumina der Zwickel, die zur Durchleitung des Dampfes und damit zum Aufheizen der Partikel notwendig sind, stark reduziert. So kann beispielsweise bei einem Kompressionsgrad der ETPU Partikel von mehr als 150% kaum noch mit einem klassischen Querdampfverfahren gearbeitet werden, da der Wärmeeintrag nur noch stark reduziert durch Wärmeübertragung auf die zu den Zwickelvolumina weisenden Flächen der Partikel erfolgt, sonder hauptsächlich durch Wärmeleitung zwischen den Partikeln selbst. Dies führt zum Einen zu stark verlängerten Bedampfungszeiten und zum Anderen können verbrannte Oberflächen an den Stellen, an denen der Dampf in die Form eingeleitet wird, nicht ausgeschlossen werden. Das gleiche Problem kann auftreten, wenn im Crack-Spalt-Verfahren befüllt wird und beim Schließen der Form durch hohe Spaltmaße eine starke Kompression der Partikel erfolgt.
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Um dieses Problem zumindest zu verringern erfolgt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Füllen und Schließen der Form der Wärmeintrag nicht durch eine keine herkömmlicher Querbedampfung von einer Seite, sondern es wird Querdampf von zwei gegenüberliegenden Seiten der Form in den Forminnenraum unter Bildung einesw Staudrucks eingeleitet. Der Druck auf Fahr- und Festseite wird aktiv durch Öffnen der Dampfventile auf Fahr- und Festseite gleichzeitig aufgebaut. Dadurch werden die Partikel zunächst etwas komprimiert, sodass wieder Zwickel entstehen und die Partikelschüttung wieder dampfdurchlässig wird. Die nötige Durchströmung wird wie beim üblichen Querbedampfen durch unterschiedliche Drücke auf Fahr- und Festseite erzeugt. Über die Druckdifferenz und das Druckniveau werden Temperatur, Kompressionsgrad der Partikel und Dampffluss, das heißt der Energieeintrag in das Material, gesteuert. Das gleichzeitige Öffnen der Dampfventile auf Fahr- und Festseite ist nötig, da sonst der auf der Staudruckseite erforderliche Dampf aufgrund der Kondensation an kalten Werkzeugwänden und Volumenfüllung das Formteil durchströmt und schon die Oberfläche verschweißt, bevor die Partikel durch den Druckaufbau komprimiert sind, die gewünschten Zwickel also schon nicht mehr erzeugt werden können.
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Damit die Querströmung nicht nur aufgrund von Kondensation entsteht, kann der Auslass auf der Seite mit dem niedrigeren Druck taktend auf einen noch etwas niedrigeren Druck (0,1 ... 0,3 bar) als der Einlassdruck dieser Seite geregelt bzw. geschlossen werden. Während der Auslass auf den niedrigen Druck geregelt wird, wird der Einlass geschlossen, damit der Dampf nicht innerhalb der Kammer von oben nach unten strömt, sondern von der zweiten Dampfkammer quer durch das Formteil.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Einleitung des von beiden Seiten der Hauptebene des Formteils eingebrachten Querdampfs entweder auf beiden Seiten gleichzeitig oder aber zeitlich versetzt erfolgen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Querbedampfung von beiden Seiten nach Art eines Ping-Pong-Effektes intermittierend erfolgen kann. Dies bedeutet insbesondere, dass die Dampfströmung ihre Richtung im Formteil mehrfach ändert. Dadurch kann eine besonders gute Spülung und eine besonders homogene Temperaturverteilung erreicht werden.
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Eine weitere Homogenisierung der Temperaturverteilung kann erreicht werden, wenn nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Dampf über mindestens einen nadelartigen Dampfinjektor unmittelbar in den Forminnenraum eingebracht wird. Dies kann insbesondere bei komplexen Formteilgeometrien von Vorteil sein, um an sonst schwer zugänglichen Stellen ausreichend Dampf zur Verfügung zu stellen.
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Insbesondere wenn die Füllung im Crack-Spalt-Verfahren erfolgt, kann auch die Bedampfung über den Spalt erfolgen. Dabei kann die Verdichtung während des Bedampfens oder aber im autoklavischen Zustand, d. h. nach Abschluss der Bedampfung erfolgen, wobei zudem die Verdichtung wiederum sektional erfolgen kann.
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Nach dem Abschluss des Bedampfungsvorgangs kann weiter in für sich bekannter Weise eine Abkühlung und eine Stabilisierung des Formteils erfolgen, bevor dieses nach dem Öffnen der Form aus dieser entnommen wird. Dabei kann insbesondere die Kühlung intervallartig erfolgen und Kühlung und/oder Stabilisierung können auch unter Vakuumunterstützung erfolgen.
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Das Entformen kann in grundsätzlich bekannter Weise beispielsweise über Saugerplatten erfolgen, die durch Unterdruck einen Kraftschluss zu den Formzeilen herstellen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass ETPU Formteile sehr fest in der Form sitzen können, so dass die durch Sauger aufgebrachte Kraft nicht zuverlässig ausreicht. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Entformung über mechanische Greifer erfolgt oder Nadeln mit Spreizeffekt, die in dass fertige Formteil eindringen und sich dort lösbar verhaken.