DE1097127B - Verfahren zum Herstellen grossflaechiger und starkwandiger Hohlkoerper aus thermoplastischem Kunststoff, wonach dieser Kunststoff an die Wandung eines Formwerkzeuges angelagert wird - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von genau gestalteten, großflächigen und starkwandigen Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, die gegebenenfalls als selbsttragende Formteile verwendbar sind.

Es ist bekannt, zur Herstellung von Hohlkörpern ein Modell zu verwenden, an dem das zu verarbeitende Gut formgenau angelagert und verfestigt wird. Hierzu wird im allgemeinen ein der Außengestalt der herzustellenden Gegenstände entsprechendes Hohlmodell zunächst mit einem Überschuß an Rohmaterial gefüllt, der nach Bildung einer am Modell anliegenden Kruste wieder entfernt wird. Man verwendet z. B. bei der Herstellung von Porzellanfiguren ein Gipsmodell, das durch Wasserentzug eine Tonanlagerung entstehen läßt; bei der Herstellung von Zinnwaren ein gekühltes Modell, an dem eine Metallkruste entsteht, oder bei der Verarbeitung von Latex oder thermoplastischen Kunststoffen ein erwärmtes Modell, an dessen Oberfläche sich eine Haut des entsprechenden Stoffes bildet.

Es ist weiterhin bekannt, gewisse Formkörper aus thermoplastischen Kunststoffen derart herzustellen, daß der Kunststoff im geschmolzenen, teigigen oder festen Zustand in eine erwärmte, rotierende Hohlform eingebracht und dann nach Abkühlen der Form auf wenig unterhalb des Schmelzpunktes das gebildete Formteil der Form entnommen wird. Dieses Verfahren ist jedoch vornehmlich für die Herstellung rohrähnlicher Körper geeignet, da dieser Art Formgebung Grenzen gesetzt sind,

Zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen bedient man sich weiterhin in großem Umfang des vielfältig angewandten Spritzgießens oder des Fressens. Bei dem einen Verfahren werden unter Hitze und Druck verflüssigte Kunststoffe in Metallwerkzeuge eingespritzt; bei dem anderen Verfahren werden "Kunststoffe zwischen Werkzeugen unter Hitze und Druck zu Fo'fmkörpern. verpreßt.

Auch diese beiden Verfahren sind zur Herstellung großflächiger Formteile nicht geeignet, da bei Überschreiten einer bestimmten Grenze ein wirtschaftlich nicht vertretbarer apparativer Aufwand erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, daß nach diesem Verfahren herzustellende Formkörper — besonders von großflächiger Art —, eine bestimmte Mindestwandstärke aufweisen müssen, da andernfalls die in der Praxis angewandten Spritzdrücke zu einer absoluten Füllung nicht ausreichen.

Zur Erzielung geringerer Wandstärken wurde auch so verfahren, daß ein erwärmter Kern kurzzeitig in ein im Schmelzbereich filmbildendes Kunststoffpülver getaucht wird; der hierbei auf der Oberfläche des Verfahren zum Herstellen großflächiger und starkwandiger Hohlkörper

aus thermoplastischem Kunststoff,

wonach dieser Kunststoff an die Wandung eines Formwerkzeuges angelagert wird

Anmelder:
Thomas Engel,

Heusenstamm über Offenbach/M.,
Niederröderweg

Beanspruchte Priorität:

Schaustellung auf der am 24. April 1955 eröffneten

Deutschen Industriemesse (Vereinigte Technische Messe

und Mustermesse) in Hannover

Thomas Engel, Heusenstamm über Offenbach/M.,
ist als Erfinder genannt worden

Kerns gebildete Formkörper wird anschließend vom Kern entfernt. Formkörper aus einer einzigen, homogen durchgebildeten Schicht lassen sich nach diesem A^erfahren nur verhältnismäßig dünnwandig herstellen. Schon zur Erzielung einer Schichtdicke von 0,5 mm ist eine erneute Aufheizung des Werkzeuges und eine Wiederholung des Tauchvorganges erforder-

.., lieh. Eine Verstärkung der Schichtdicke ist also nur

4u"durch eine der Zahl der Schichten entsprechende Anzahl von 'Arbeitsgängen möglich. Neben dieser Erschwerung der Herstellung hat sich ein weiterer Nachteil herausgestellt. Praktische Versuche haben ergeben, daß nacheinander aufgebrachte Schichten ein sehr geringes Haftvermögen aufweisen und dazu neigen, sich nach einiger Zeit voneinander zu lösen. Überdies kann durch mehrfaches Aufheizen und Abkühlen des zu beschichtenden Formwerkzeuges das Material in seiner molekularen Struktur geschädigt werden.

Die genannten Verfahren haben es aus den aufgeführten Gründen nicht gestattet großflächige und starkwandige, gegebenenfalls selbsttragende Formkörper in einem Arbeitsgang herzustellen; insbesondere war es bisher nicht möglich, die hierfür erforder-

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liehe homogene Schicht in weitgehend festlegbarer Dicke sowie auch die Verstärkung bestimmter Stellen des Formkörpers zu erzielen.

Nach der Erfindung werden großflächige und starkwandige Formkörper durch einen einmaligen Erwärmungsvorgang bei minimalem apparativem Aufwand und bei verhältnismäßig geringen Formkosten in einem einem Taktverfahren ähnlichen Fabrikationsprozeß hergestellt, bei welchem als hervorstechendes Merkmal die Schichtdicke im vorhinein bestimmbar ist und mithin sehr variabel und den praktischen Erfordernissen entsprechend gestaltet werden kann.

Das Verfahren eignet sich zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, die unter Wärmeeinwirkung filmbildend sind, z. B. Polyäthylen. Die Kunststoffe können in grob- oder feinkörnigem oder pulverförmigem Zustand der Verarbeitung zugeführt werden. Den Kunststoffen können — falls es zweckmäßig erscheint —, Füllstoffe, Pigmente und/oder Farbstoffe zugemischt werden. Hierdurch kann man einerseits die Produkteigenschaften in bestimmter Richtung verbessern, andererseits die Rohstoffkosten ermäßigen.

Das Verfahren der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß grob- oder feinkörniger bzw. pulverförmiger Kunststoff im Überschuß in ein Formwerkzeug, gegebenenfalls unter Verwendung eines Kernwerkzeugs, eingefüllt und das Formwerkzeug dann einer Hitzeeinwirkung ausgesetzt wird, derzufolge der unter Wärmeeinwirkung filmbildende Kunststoff in ein geschlossenes, nicht poröses und keine Lufteinschlüsse enthaltendes Gebilde übergeführt wird, wobei die Stärke des Gebildes zufolge der von seiner Außenseite herantretenden Wärme nach Maßgabe von deren Dauer und Intensität bestimmt wird. Die Wärmeeinwirkung auf das Formwerkzeug geht von einem Heizwerkzeug aus, über das weiter unten Aussagen gemacht werden.

Nach Herstellung des Formkörpers wird der Überschuß an Kunststoff entfernt, gegebenenfalls wird die Oberfläche des entstandenen Formkörpers noch durch weitere Wärmeeinwirkung verbessert.

Zur Durchführung des Verfahrens werden ein Formwerkzeug, ein Heizwerkzeug und gegebenenfalls ein Kernwerkzeug verwendet. Diese Werkzeuge sind in ihrer Gestaltung ihren spezifischen Aufgaben entsprechend aufeinander abgestimmt. Das Formwerkzeug weist die Flächengestaltung des herzustellenden Gegenstandes auf und wird mit dem zu verarbeitenden Kunststoff angefüllt. Die Innenwandung bzw. die Innenkonturen des Formwerkzeuges entsprechen der Außenwandung bzw. den Außenkonturen des darin herzustellenden Formkörpers..

Das Heizwerkzeug dient der Wärmeübertragung und ist so gestaltet bzw. eingerichtet, daß die auf das Formwerkzeug gerichtete Wärmestrahlung in ihrer Intensität regelbar ist, gegebenenfalls auch·'"" In der Weise; "daß bestimmte Stellen des Formwerkzeuges einer überhöhten Wärmestrahlung ausgesetzt werden können. Das Formwerkzeug wird in das jeweils nach ihm zu gestaltende Heizwerkzeug eingesetzt, so daß es sich — ähnlich wie eine Patrize dn die Matrize — einpaßt. Je nach Art des herzustellenden Gegenstandes kann auch umgekehrt das Heizwerkzeug in das Formwerkzeug eingesetzt werden.

In bestimmten Fällen ist es zweckmäßig, sich eines Kernwerkzeuges, welches in das Formwerkzeug eingesetzt wird, zu bedienen. Die Aufgabe des Kernwerkzeuges besteht in erster Linie darin, die Menge des in das Formwerkzeug einzufüllenden Kunststoffes herabzusetzen. Das Kernwerkzeug kann in an sich bekannter Weise starr oder elastisch ausgebildet sein, wobei es in letzterem Falle durch Füllen mit Flüssigkeit oder Luft einen Druck auf den eingefüllten Kunststoff ausüben kann. Auch das Kernwerkzeug kann bei Bedarf heizbar eingerichtet sein.

Zum Bau der Werkzeuge können Metall, Holz, Glas sowie keramische oder sonstige mineralische Werkstoffe Verwendung finden. Die verschiedenen Werkzeuge eines Formensatzes brauchen nicht aus demselben Werkstoff zu bestehen. So kann z. B. das Heizwerkzeug aus dünnwandigem Blech bestehen, während für das Formwerkzeug Glas und für das Kernwerkzeug Holz verwendet wird. Auch Kunststoffe können eingesetzt werden, sofern sie eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweisen.

Da die Werkzeuge entweder gar keinen oder, wenn man sich eines unter Druck stehenden elastischen Kernwerkzeuges bedient, nur dieses und das Formao werkzeug einen relativ sehr geringen Druck aushalten müssen, kann die Herstellung der Werkzeuge preisgünstig vorgenommen werden; Heizwerkzeug und Formwerkzeug können in jedem Fall aus dünnwandigem Blech bestehen. Zur Erzielung einer glatten Oberfläche kann das Formwerkzeug innen z. B. verchromt sein. Feuerfestes Glas hat sich als Werkstoff für das Formwerkzeug ebenfalls gut bewährt.

In das Formwerkzeug können Ausbuchtungen eingearbeitet sein, die an dieser Stelle zu einem stärkeren bzw. schwächeren Kunststoffniederschlag führen. Auch können Gravuren, Schriftzeichen, Zahlen, Rillen u.dgl. eingearbeitet sein, die sich auf dem herzustellenden Formkörper abprägen.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird zunächst das kalte Formwerkzeug bis zum Rand mit Kunststoff angefüllt. Zur Erzielung gleichmäßiger Wandstärken sowie zur störungsfreien und rationellen Durchführung des Verfahrens ist es ein wesentliches Erfordernis, daß das Formwerkzeug außerhalb des Heizwerkzeuges, also in kaltem Zustand, gefüllt wird. Sollten sich Trennmittel, z. B. Paraffin, als zweckmäßig erweisen, dann werden diese wie üblich vor Beginn des Füllvorganges auf die Innenseite des Formwerkzeuges aufgetragen oder aufgesprüht. Will man sich eines Kernwerkzeuges bedienen, dann wird es zuerst in das Formwerkzeug eingesetzt und der' so entstehende Zwischenraum zwischen Form- und Kern werkzeug mit Kunststoff gefüllt.

Das so vorbereitete Formwerkzeug wird in das Heizwerkzeug eingesetzt. Im Heizwerkzeug wird die Wärme, welche dem Formwerkzeug die nötige Tempe-

. ratur übermittelt, erzeugt und vom Formwerkzeug

wei-tergetertet-unci'verfeilt. Als Wärmequelle kann eine Anordnung von Wärmestfahlen, ein Ölbad, ein Heißluftz bzw.'-Gäsitrom oder ähnliches dienen.

Die Wärmeerzeugung kann-innerhalb oder außerhalb des eigentlichen-Jleizwerkzeuges, d.h. der für die Wärmeübertragung auf das Formwerkzeug vorgesehenen Teile erfolgen. Es kann zweckmäßig sein, die Wärme direkt auf das Formwerkzeug, d. h. gleichmäßig verteilt oder auch auf einzelne Teile verschieden stark einwirken zu lassen. Für letzteren Fall kann die dem Formwerkzeug benachbarte Wandung des Heizwerkzeuges die notwendige Anzahl von Durchbrüchen aufweisen; hierbei kann ein Ölbad nicht verwendet werden.

Durch die Wärmeeinwirkung schlägt sich der Kunst-

r stoff an. der Innenwandung des Formwerkzeuges zu einem; Film nieder. Die Schichtstärke des Nieder-Schlages wird durch Intensität und Dauer der Wärme-

einwirkung und durch den Abstand des Formwerkzeuges vom Heizwerkzeug bestimmt und gegebenenfalls auch durch die auf bestimmte Stellen des Formwerkzeuges richtbare Intensität der Wärmeeinwirkung. Der Grad der Wärmeeinwirkung kann durch Meß- und Regelinstrumente gesteuert werden und wird so eingestellt, daß eine Strukturschädigung des zu verarbeitenden Materials durch Depolymerisation, Zersetzung usw. nicht eintritt.

Nach Erreichen der gewünschten Schichtstärke wird in jedem Fall das Kern werkzeug — sofern man sich seiner bedient hat — aus 'dem Formwerkzeug herausgenommen. An der Innenwandung des Formteiles eventuell nicht niedergeschlagenes Material wird z. B. durch Absaugen entfernt, wobei das Formwerkzeug im allgemeinen in dem Heizwerk verbleibt. Durch die gegebenenfalls auf das Formwerkzeug weiterhin einwirkende Wärme kann eine besonders glatte Oberfläche am Formkörper erzielt werden. Es ist als ein wesentliches Merkmal des Verfahrens zu betrachten, daß infolge der Wärmeeinwirkung von außen nach innen, also in Richtung auf die jetzt freiliegende Oberfläche des Formkörpers, Blasenbildungen bzw. Lufteinschlüsse vermieden werden.

Das Formwerkzeug wird dann dem Heizwerkzeug entnommen und z. B. bei Raumtemperatur abgekühlt. Es kann auch zweckmäßig sein, durch eine nachfolgende Kühlung eine Schrumpfung bzw. Verfestigung des Materials zu erreichen.

Der so hergestellte Formkörper wird der Form entnommen und gegebenenfalls einer weiteren Verarbeitung zugeführt.

Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich herstellen z. B. Kühlschrankbehälter, Bootsteile, Karosserieteile, Säureballone, Bojen, Rührwerksbehälter, Pontons, Exhaustorengehäuse, Rohre, Abdeckhauben für Maschinenaggregate, Wannen, Kisten, Beizkörbe, Eimer, Platten, Vollstäbe, Blöcke, Fässer.

Beispiel 1

Es wird die Herstellung einer Badewanne mit den Maßen

Höhe 600 mm,
Breite 600 mm,
Länge 1500 mm,
Wandstärke 2,5 bis 4 mm

unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Als Material dient Polyäthylenpulver einer Körnung bis zu 0,5 mm.

Das Heizwerkzeug wird durch ein Flüssigkeitsbad beheizt. Fig. 1 zeigt die hierzu verwendete Vorrichtung in einem Längsschnitt.

Es wird ein nach außen isoliertes Heizwerkzeug 1 mit Diphylfüllung verwendet, welches durch eine in Boden und Wandnähe angeordnete elektrische Heizschlange 4 auf eine Temperatur von etwa 270° C aufgeheizt wird. Diphyl ist ein Wärmeübertragungsmittel (vgl. Blücher, Auskunftsbuch für die chemische Industrie, 18. Auflage, S. 247). In dieses Heizwerkzeug, welches den Konturen der Wanne entspricht, wird als Formwerkzeug 2 eine dünnwandige Blechform in Stärke von 0,5 mm eingesetzt. Diese Blechform ist nach oben hin offen. Das Formwerkzeug 2 entspricht auf seiner formgebenden Seite genau den Konturen der herzustellenden Wanne und ist in der Weise in das Heizwerkzeug eingepaßt, daß der Zwischenraum zwischen Heizwerkzeug und Formwerkzeug so gering wie möglich ist. An dem Formwerkzeug 2 ist eine Halterung 3 angebracht, mit deren Hilfe es in das Heizwerkzeug eingesetzt und herausgenommen werden kann; außerdem wird das Kernwerkzeug 6 verwendet.

Die . Herstellung einer Wanne geht auf folgende Weise vor sich:

Das Diphylbad wird auf etwa 270° C aufgeheizt. Nach Einbringung des Kernwerkzeuges 6 wird das Polyäthylenpulver 7 in das sich außerhalb des Heiz-Werkzeuges befindliche Formwerkzeug randvoll eingefüllt, nachdem dieses mit einem Trennmittel 5 (z. B. Paraffinöl) an seinen Innenwandungen eingestrichen wurde. Anschließend wird das Formwerkzeug von Hand oder durch Flaschenzug in das Heizwerkzeug

is eingesetzt. Das Formwerkzeug kann zur Vermeidung von Wärmeverlusten und zum Schutz des pulvrigen Materials gegen Verschmutzung beliebig abgedeckt werden.

Die von dem Heizwerkzeug ausgehende Wärme-

ao strahlung bringt das im Formwerkzeug befindliche Polyäthylenpulver zum Schmelzen, und zwar dergestalt, daß sich an den Innenwandungen des Formwerkzeuges eine zusammenhängende Schmelzschicht bildet, welche unter der permanenten Wärmeeinwirkung langsam wachsend stärker wird. 6 Minuten nach Einsetzen des Formwerkzeuges hat das pulverförmige Polyäthylen eine durchgehende Schicht in Stärke von 2,5 mm gebildet; 7 Minuten nach Einsetzen des Formwerkzeuges hat der Kunststoff eine Schichtstärke von 3 mm erreicht, während nach 10 Minuten die durchgehende Schichtstärke bereits 4 mm beträgt. Dies sind Schichtstärken, wie sie bei selbsttragenden Konstruktionsteilen erforderlich sind.
. Nach Erreichen der gewünschten Schichtstärke wird, falls verwendet, die auf dem Formwerkzeug befindliche Abdeckung abgenommen. Das Kernwerkzeug wird von Hand oder durch Flaschenzug herausgehoben. Das noch in der Form befindliche, nicht aufgeschmolzene Polyäthylenpulver wird mit Hilfe einer Absaugvorrichtung entfernt. Das an der Innnenseite der herausgebildeten Schicht anhaftende lose Kunststoffpulver wird mit einem Besen abgekehrt und ebenfalls abgesaugt. Bereits hierdurch wird eine Glättung des Polyäthylenfilmes erreicht. Diese Glättung wird vervollständigt, wenn man das Formwerkzeug noch weitere 5 Minuten im Heizwerkzeug beläßt. Anschließend wird das Formwerkzeug entnommen und zur Erzielung einer Verdichtung und damit Schrumpfung des Filmes in einem Wasserbad von etwa 15° C 3 Minuten lang gekühlt. Nach Erkalten läßt sich der Formkörper herausnehmen; dann kann es seiner Verwendung bzw. einer weiteren Zurichtung zugeführt werden (Anbringen von Abflußstutzen).

Nach Herausnehmen des Formwerkzeuges ist das Heizwerkzeug, welches auf konstanter Temperatur gehalten wird, für die Aufnahme eines weiteren Formwerkzeuges bereit. Im allgemeinen wird man bei einem Heizwerkzeug mindestens mit zwei Formwerkzeugen arbeiten, um eine fortlaufende Produktion zu erreichen. Während das erste Formwerkzeug nach Beendigung des Füllvorganges in das Heizwerkzeug eingesetzt und dem Schmelzprozeß ausgesetzt wird, füllt man das zweite Werkzeug und stellt es bereit.

Die Dauer des gesamten Herstellungsprozesses für die Wanne mit einem Gesamtgewicht von etwa 10 kg beträgt 14 Minuten.

Beispiel 2

Es wird die Herstellung eines 350-Liter-Behälters mit verstärktem Boden in selbsttragender Konstruk-

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tion beschrieben. Die hierzu verwendete Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.

Das Formwerkzeug 1 wird in an sich bekannter Weise mit Trennmittel besprüht, das Kernwerkzeug 2 wird eingehängt, und anschließend wird der entstandene Zwischenraum mit Polyäthylenpulver, einer Körnung bis zu 1 mm, gefüllt. Das Formwerkzeug 1 mit Kernwerkzeug 2 wird nunmehr in das Heizwerkzeug 4 eingeführt. Zur Beheizung dient ein heißes Gas. Dieses Gas durchspült das Heizwerkzeug 4 und tritt durch die Lochblende 5 an das Formwerkzeug 1 heran. Die Lochblende 5 ist so eingerichtet, daß sie eine stärkere Beheizung der Bodenfläche des Formwerkzeuges 1 gestattet, da hier wegen der höheren Beanspruchung des Formteilbodens bei der späteren Verwendung die Ausbildung einer größeren Schichtdicke erforderlich ist. Bereits nach 2 Minuten ist ein Kunststoffniederschlag von 1,5 mm Stärke festzustellen, der nach weiteren 3 Minuten eine Stärke von 4 mm erreicht. In diesem Zeitpunkt wird das Kernwerkzeug 2 ao herausgezogen, das verbliebene Pulver entfernt, wobei jedoch das Formwerkzeug 1 noch im Heizwerkzeug 4 verbleibt. Nach weiteren 2 Minuten sind die verbliebenen Lufteinschlüsse durch die rückseitige Bestrahlungswärme an die Oberfläche und aus der erzeugten Schicht ausgetrieben und gleichzeitig ein außerordentlicher Hochglanz erzielt worden, ohne daß der thermoplastische Kunststoff dabei einer Temperatürschwankung ausgesetzt wurde. Das Formwerkzeug i - wird dann mittels eines Hebewerkzeugs dem Heizwerkzeug 4 entnommen. Nach dem Erkalten wird der fertiggestellte Formkörper entformt und seiner Weiterverarbeitung zugeführt. Zwischenzeitlich wird ein zweites und drittes Formwerkzeug vorbereitet, so daß etwa alle 7'Minuten ein 350-Liter-Behälter mit 4 mm starker Seitenwand und 5,5 nun starkem Boden fertiggestellt wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen großflächiger und starkwandiger Hohlkörper aus einem bei Wärmeeinwirkung filmbildenden thermoplastischen Kunststoff, wonach der Kunststoff in grob- oder feinkörnigem oder in pulverförmigem Zustand, gegebenenfalls mit einem Zusatz an Füllstoff, Farbstoff oder Pigment, in ein als Modell ausgebildetes Formwerkzeug eingebracht und an dessen Wandung zum Anlagern gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff in Überschuß in ein kaltes Formwerkzeug, gegebenenfalls unter Mitverwendung eines Kernwerkzeuges, eingefüllt und

. dieses Formwerkzeug von der dem eingebrachten Kunststoff abgewandten Seite her der Wärmeeinwirkung unterworfen und daß nach Ausbildung einer zusammenhängenden Kunststoffschicht an der Oberfläche des Formwerkzeuges der überschüssige Kunststoff entfernt wird, worauf noch eine kurzzeitige Wärmeeinwirkung erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Heizwerkzeug auf das Formwerkzeug einwirkende Wärme bezüglich ihrer Intensität und/oder Menge kontrolliert und geregelt wird, gegebenenfalls in der Weise, daß an bestimmten Stellen eine verstärkte Wärmeeinwirkung eintritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach beendeter Wärmeeinwirwirkung das Formwerkzeug mit dem gebildeten Formkörper, z.B. in einem Wasserbad, gekühlt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 835 061;
USÄ.-Patentschrift Nr. 2 673 371, 1 547 399;
britische Patentschrift Nr. 647 492.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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