DE102020204874A1

DE102020204874A1 - Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils

Info

Publication number: DE102020204874A1
Application number: DE102020204874.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hain; Nina Gerlach; Christian Ohse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils aus thermoplastischen Partikeln (1), insbesondere Partikelschaumperlen, in welchem Verfahren die thermoplastischen Partikel (1) über ein gasförmiges Fördermedium, insbesondere ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (15) eines Aufschäumwerkzeugs (13) injiziert werden, und in einem Aufschäum-Schritt die thermoplastischen Partikel (1) im Aufschäumwerkzeug (13) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formteil aufgeschäumt werden. Erfindungsgemäß werden die Partikel (1) vor dem Injizieren in das Aufschäumwerkzeug (13) bis in einen Heißzustand vorerwärmt. Die Partikel (1) werden im Heißzustand in die Werkzeugkavität (15) injiziert und darin aufgeschäumt, so dass sich der im Aufschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag und/oder eine Aufschäum-Prozessdauer reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Prozessanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß Anspruch 8.
Ein solches Partikelschaum-Formteil kann aufgrund seiner geringen Dichte und seiner guten thermischen Isolierfähigkeit in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden, etwa im Automobilbereich oder für Bauanwendungen.
Die Herstellung des Partikelschaum-Formteils aus zum Beispiel expandiertem Polystyrol (EPS) erfolgt gemäß Stand der Technik industriell im Wesentlichen in zwei Prozessschritten: Im ersten Prozessschritt (Vorschäumen) wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt. Anschließend werden die Schaumperlen im zweiten Prozessschritt (Aufschäumen) in die Werkzeugkavität eines Aufschäumwerkzeugs injiziert und darin unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formteil aufgeschäumt. Im Stand der Technik erfolgt der Energieeintrag in beiden Prozessschritten mittels Wasserdampf: Beim Vorschäumen bewirkt der Wasserdampf, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt Schaumperlen) ausbildet. Im Aufschäum-Schritt wird der Wasserdampf in die Werkzeugkavität zwischen die Schaumperlen geleitet, die aufschäumen und miteinander versintern.
Die Verwendung von Wasserdampf erfordert eine aufwändige Prozessführung. Vor diesem Hintergrund kann in einem gattungsgemäßen Verfahren auf die Verwendung von Wasserdampf verzichtet werden. Anstelle dessen kann der Energieeintrag zum Beispiel durch Wärmestrahlung, etwa Infrarotstrahlung oder elektromagnetische Strahlung, erfolgen. In diesem Fall kann im Aufschäum-Schritt variotherm temperiert werden.
Eine solche dampffreie Prozessführung ist jedoch im Stand der Technik mit höheren Zykluszeiten (das heißt höherer Prozessdauer) verbunden.
Aus der US 3 417 170 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils sowie eine Prozessanordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise die Prozessdauer zur Formteilherstellung reduzierbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, in dem in einem Vorschäum-Prozessschritt ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt wird. Anschließend werden die Schaumperlen in einem Aufschäum-Prozessschritt in eine Werkzeugkavität eines Aufschäumwerkzeugs injiziert und darin unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formteil aufgeschäumt.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass im Stand der Technik die Wärmebeaufschlagung der thermoplastischen Partikel im Aufschäum-Schritt, insbesondere bei einem dampffreien Aufschäum-Schritt, zeitintensiv ist. Vor diesem Hintergrund werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Partikel vor dem Injizieren in das Aufschäumwerkzeug in einen Heißzustand vorerwärmt. Die Partikel können somit im Heißzustand in die Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs injiziert und darin aufgeschäumt werden. Aufgrund der bereits vorerwärmten thermoplastischen Partikel kann der für den Aufschäum-Schritt erforderliche Energieeintrag reduziert werden, wodurch sich auch die erforderliche Aufschäum-Prozessdauer reduziert. Insgesamt kann somit bei einer industriellen Formteil-Herstellung eine reduzierte Zykluszeit erzielt werden.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht im Beheizen der Partikel vor der Befüllung in die Werkzeugkavität. Bei der Erfindung handelt es sich somit um ein Verfahren, bei dem die Partikel für Partikelschaumbauteile vor der Werkzeugbefüllung vorgeheizt werden. Dies ermöglicht kürzere Zykluszeiten. Die Erfindung beinhaltet mehrere Möglichkeiten, um die Partikel vorzuheizen. Diese lassen sich exemplarisch in drei Variationen umsetzen: einem Beheizen des Materialbehälters; einer Heizschleuse in der Ansaugleitung (Materialzufuhr) zum Beispiel mittels IR-Strahlung oder Mikrowellenstrahlung; oder ein Beheizen des Fördermediums (das heißt Luft).
In der industriellen Fertigung von Partikelschaumbauteilen werden die Partikel oftmals mit Injektoren in das Werkzeug eingebracht. Dabei erzeugt ein Luftstrom (Fördermedium) durch eine Venturidüse einen Unterdruck und saugt die Partikel an. Ein Partikel-Luft-Gemisch wird somit in das Werkzeug eingeblasen. Über Tauchkanten oder Entlüftungsbohrungen kann die Luft aus dem Werkzeug entweichen. Die Erfindung sieht ein Vorwärmen des Luftstroms vor. Dies kann zum Beispiel durch ein kleines Heizelement (Widerstandsheizung) kurz vor dem Injektor in der Luftleitung umgesetzt werden. Dabei dürfen die zu erreichenden Temperaturen eine gewisse Temperatur nicht überschreiten. Dies führt ansonsten zu einem Anschmelzen der Partikeloberfläche und somit zu einem Verkleben der Partikel. Dabei ist die Temperatur des Luftstroms je nach Material anzupassen. Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt können somit nur gering vorgewärmt werden. Andere Materialien haben wiederum einen höheren Schmelzpunkt, sodass ein Vorwärmen der Partikel mit heißerem Luftstrom uneingeschränkt erfolgen kann.
Mit Hilfe von heißer Luft oder einem Heizelement im Materialbehälter kann also die Materialtemperatur vor dem Befüllungsvorgang gesteigert werden. Alternativ können die Partikel während des Ansaugvorgangs auf dem Weg vom Materialbehälter zum Injektor erwärmt werden. Dies kann zum Beispiel durch eine Art Schleuse geschehen. In dieser Schleuse werden die Partikel mittels Mikrowellenstrahlung oder IR-Strahlung bestrahlt, so dass diese sich erwärmen.
Zusammengefasst verringert das erfindungsgemäße Vorwärmen der Partikel für die Formteilherstellung speziell bei großen sowie komplexen Bauteilen die Aufheizdauer des Werkzeuges. Dies führt zu kürzeren Zykluszeiten. Außerdem kommt es bei der Verwendung von heißer Luft als Fördermedium zu einem geringeren Kühleffekt des Werkzeuges durch den Luftstrom.
Der erfindungsgemäß hergestellte Partikelschaum ist vielfältig einsetzbar und bietet ein hohes Leichtbaupotential. Beispiele hierfür sind: Türinnenverkleidungen, Fußraumverkleidungen, Hutablage oder dergleichen. Von daher können die erfindungsgemäß hergestellten Partikelschaum-Formteile überall dort eingesetzt werden, wo Leichtbauthemen eine wichtige Rolle spielen, etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Schienen- und Schiffsverkehr. Auch weiße Ware und Standalone-Energieerzeuger, wo Temperatur- und Schallabsorption benötigt werden, können Anwendung finden.
Nachfolgend werden relevante Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So ist das erfindungsgemäße Vorwärmen insbesondere bei einer dampffreien Formteilherstellung von Vorteil. In diesem Fall erfolgt der beim Vorwärmen und/oder im Aufschäum-Schritt erforderliche Energieeintrag dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf. Anstelle dessen kann beim Vorwärmen der Energieeintrag beispielhaft durch Wärmeeinstrahlung erfolgen, etwa Infrarotstrahlung oder elektromagnetische Strahlung. Der beim Aufschäum-Schritt erforderliche Energieeintrag in die thermoplastischen Partikel kann über ein Heizmedium stattfinden, das in Heizmedium-Kanälen der Werkzeughälften des Aufschäumwerkzeugs strömt. Die Heizmedium-Kanälen der Werkzeughälften können Bestandteil einer Temperierungsanlage sein.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Betriebssicherheit ist es bevorzugt, wenn die Partikel bis auf eine Temperatur vorerwärmt werden, die unterhalb einer partikelmaterialspezifischen Aufschmelztemperatur liegt. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass in dem Material der vorerwärmten Partikel keine Phasen-Änderung erfolgt, die gegebenenfalls zu einem frühzeitigen Verkleben der Partikel noch vor Injektion in die Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs verhindert.
Die thermoplastischen Partikel können in gängiger Praxis in einem Partikel-Reservoir einer Prozessanordnung vorgehalten sein. Das Partikel-Reservoir ist über eine Saugleitung mit einem werkzeugseitigen Injektor verbunden. In einem Injektionsschritt können die Partikel aus dem Partikel-Reservoir zusammen mit dem gasförmigen Fördermedium in den Injektor gesaugt und von dort über eine Injektordüse in die Werkzeugkavität injiziert werden. Die thermoplastischen Partikel können Schaumperlen sein, die in einem vorgelagerten Vorschäum-Schritt aus einem mit Treibmittel beladenen Mikrogranulat vorgeschäumt worden sind.
In einer bevorzugten technischen Umsetzung ist der Injektor an seiner Saugseite mit einer Heißgas-Leitung, insbesondere Heißluft-Leitung, strömungstechnisch verbunden. Über die Heißgas-Leitung wird Heißgas (das heißt Heißluft) in den Injektor geführt. Das Heißgas kann in den Injektor gesaugt oder auch gedrückt werden (heiße Druckluft). Im Injektor wärmt das Heißgas die Partikel vor, so dass die Partikel im vorerwärmten Zustand in die Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs injiziert werden können.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der Saugleitung zwischen dem Partikel-Reservoir und dem Injektor eine Vorwärm-Einrichtung zugeordnet sein. Mittels der Vorwärm-Einrichtung können die in der Saugleitung zum Injektor geförderten Partikel vorerwärmt werden.
Alternativ und/oder zusätzlich kann unmittelbar das Partikel-Reservoir eine Vorwärm-Einrichtung aufweisen. In diesem Fall kann die Vorwärm-Einrichtung die darin gelagerten Partikel vorwärmen. Die Partikel werden daher bereits im Heißzustand über die Saugleitung sowie über den Injektor in die Werkzeugkavität injiziert.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 3 jeweils Anlagenskizzen von Prozessanordnungen unterschiedlicher Ausführungsvarianten.

In der 1 ist eine Prozessanordnung zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils aus thermoplastischen Partikeln 1 gezeigt. Die thermoplastischen Partikel 1 sind in der 1 als bereits vorgeschäumte Partikelschaumperlen in einem Partikel-Reservoir 3 vorgehalten. Das Partikel-Reservoir 3 ist über eine Saugleitung 5 mit einem Sauganschluss 7 eines werkzeugseitigen Injektors 9 verbunden. Der Injektor 9 ist in der 1 Bestandteil einer Werkzeughälfte 11 eines Aufschäumwerkzeugs 13. Die Werkzeughälfte 11 begrenzt zusammen mit einer weiteren Werkzeughälfte 12 eine Werkzeugkavität 15, in die eine Injektordüse 17 des Injektors 9 mündet.
In der 1 weist der Injektor 9 an seiner Saugseite einen weiteren Sauganschluss 7 auf, an dem eine Heißluft-Leitung 19 angeschlossen ist. In der Heißluft-Leitung 19 wird die mittels einer Vorwärm-Einrichtung 21 (zum Beispiel mittels Mikrowellen oder IR-Strahlung) vorerwärmte Heißluft in den Injektor 9 gesaugt und darin mit den über die Saugleitung 5 angesaugten Partikel 1 vermischt. Das im Injektor 9 erzeugte, vorerwärmte Partikel-Luft-Gemisch wird im weiteren Prozessverlauf im Heißzustand über die Injektordüse 17 in die geschlossene Werkzeugkavität 15 des Aufschäumwerkzeugs 13 injiziert. Die zusammen mit den Partikeln 1 in die Werkzeugkavität 15 einströmende Luft kann über nicht gezeigte Tauchkanten oder Entlüftungsbohrungen aus der Werkzeugkavität 15 entweichen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Partikel 1 vor der Befüllung der Werkzeugkavität 15 vorerwärmt werden. Die Vorwärmung erfolgt bis auf eine Partikeltemperatur, die unterhalb einer materialspezifischen Aufschmelztemperatur der Partikel 1 liegt. Die in die Werkzeugkavität 15 im Heißzustand injizierten Partikel 1 werden anschließend in einem Aufschäum-Schritt unter Druck und Wärme aufgeschäumt. Aufgrund der vorerwärmten Partikel 1 reduziert sich der im Aufschäum-Schritt erforderliche Energieeintrag und damit auch eine Aufschäum-Prozessdauer. Der Energieeintrag erfolgt in der 1 dampffrei, das heißt ohne Wasserdampf. Anstelle dessen kann im Aufschäum-Schritt die erforderliche Wärmeenergie zum Beispiel durch ein Heizmedium zugeführt werden, das durch nicht gezeigte Heizmedium-Kanäle in den Werkzeughälften 11, 12 strömt. Diese können Bestandteil einer Temperierungsanlage sein, mittels der der Aufschäum-Schritt variotherm temperiert werden kann.
In der 2 ist eine alternative Prozessanordnung gezeigt, bei der auf eine separate Heißluft-Leitung 19 verzichtet wird. Anstelle dessen ist in der 2 der zwischen dem Partikel-Reservoir 3 und dem Injektor 9 verlaufenden Saugleitung 5 eine Vorwärm-Einrichtung 21 zugeordnet. Mit Hilfe der Vorwärm-Einrichtung 21 werden die in der Saugleitung 5 geförderten Partikel 1 vorerwärmt.
In der 3 ist eine weitere alternative Prozessanordnung gezeigt, bei der die Vorwärm-Einrichtung 21 unmittelbar dem Partikel-Reservoir 3 zugeordnet ist. Mittels der Vorwärm-Einrichtung 21 werden die Partikel 1 unmittelbar im Partikel-Reservoir 3 vorerwärmt. Bei der Formteil-Herstellung können somit die Partikel 1 bereits im Heißzustand über die Saugleitung 5 sowie über den Injektor 9 in die Werkzeugkavität 15 des Aufschäumwerkzeugs 3 injiziert werden.
Bezugszeichenliste

1: thermoplastische Partikel
3: Partikel-Reservoir
5: Saugleitung
7: Sauganschluss
9: Injektor
11, 12: Werkzeughälften
13: Aufschäum-Werkzeug
15: Werkzeugkavität
17: Injektordüse
19: Heißluft-Leitung
21: Vorwärm-Einrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3417170 A [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils aus thermoplastischen Partikeln (1), insbesondere Partikelschaumperlen, in welchem Verfahren die thermoplastischen Partikel (1) über ein gasförmiges Fördermedium, insbesondere ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (15) eines Aufschäumwerkzeugs (13) injiziert werden, und in einem Aufschäum-Schritt die thermoplastischen Partikel (1) im Aufschäumwerkzeug (13) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formteil aufgeschäumt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (1) vor dem Injizieren in das Aufschäumwerkzeug (13) bis in einen Heißzustand vorerwärmt werden, und dass die Partikel (1) im Heißzustand in die Werkzeugkavität (15) injiziert und darin aufgeschäumt werden, so dass sich der im Aufschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag und/oder eine Aufschäum-Prozessdauer reduziert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Vorwärmen und/oder im Aufschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag in die Partikel (1) dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (1) bis auf eine Temperatur vorerwärmt werden, die unterhalb einer partikelmaterialspezifischen Aufschmelztemperatur liegt, so dass insbesondere im Material der vorerwärmten Partikel (1) keine Phasen-Änderung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (1) in einem Partikel-Reservoir (3) vorgehalten werden, der über eine Saugleitung (5) mit einem werkzeugseitigen Injektor (9) verbunden ist, und dass in einem Injektionsschritt die Partikel (1) aus dem Partikel-Reservoir (3) zusammen mit dem gasförmigen Fördermedium in den Injektor (9) gesaugt und von dort in die Werkzeugkavität (15) injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (9) an seiner Saugseite mit einer Heißgas-Leitung, insbesondere mit einer Heißluft-Leitung (19), verbunden ist, über die Heißgas in den Injektor (9) gesaugt oder gedrückt wird, und dass im Injektor (9) das Heißgas die Partikel (1) vorwärmen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Saugleitung (5) zwischen dem Partikel-Reservoir (3) und dem Injektor (9) eine Vorwärm-Einrichtung (21) zugeordnet ist, mittels der die in der Saugleitung (5) geförderten Partikel (1) vorerwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikel-Reservoir (3) eine Vorwärm-Einrichtung (21) aufweist, mittels der die darin gelagerten Partikel (1) vorerwärmt werden und im Heißzustand über die Saugleitung (5) sowie über den Injektor (5) in die Werkzeugkavität (15) injiziert werden.
Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.