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Stützform zur Herstellung von Isolierkörpern aus starrem Kunststoffschaum
Für die Formgebung von Körpern, die aus organischen Kunststoffen oder formbaren
Naturstoffen bestehen, ist es bekannt, unter Vermeidung kostspieliger und nachteiliger
spanabhebender Arbeitsverfahren Preß-, Zieh- und Gießwerkzeuge anzuwenden, die auch
beheizbar sein können. Formschalen für Ober- und Unterstempel sind dabei in bekannter
Weise unter Zuhilfenahme eines Modells hergestellt.
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Bei einem solchen bekannten Werkzeug sind die Formschalen mittels
einer verkitteten Zwischenschicht auf einen druck- und verzugsfesten, biegungssteifen
Stützkörper aufgebracht. Die nichtmetallische Zwischenschicht kann zur Erhöhung
der Wärmeleitfähigkeit eine Beimischung aus Metallpulver enthalten, wodurch die
zur Formoberfläche annähernd parallel verlaufenden Schichten hinsichtlich ihrer
Wärmeleitfähigkeit angeglichen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Isolierkörper, beispielsweise
Platten oder Formkörper, z. B.
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Kühlmöbelgehäuse, aus starrem Kunststoffschaum in Formen herzustellen.
Diese Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, daß das Substanzgemisch, aus dem der
Schaum entsteht, in flüssiger oder zähflüssiger Beschaffenheit in die Stützform
gefüllt wird, daß der Schäumprozeß exotherm abläuft (wobei im einzelnen mehrere
exotherme oder endotherme Prozesse gleichzeitig oder nacheinander ablaufen können)
und wobei außer der Zusammensetzung des genannten Substanzgemisches und der Einfüllmenge,
bezogen auf das Formvolumen, auch die Temperatur während des Schäumprozesses, und
zwar insbesondere deren zeitliche und örtliche Verteilung, maßgebenden Einfluß auf
die Beschaffenheit des Produktes hat. Die Temperatur wirkt sich in Sonderheit auf
die Reaktionsgeschwindigkeit und damit also auch auf die Reaktionszeit, das Raumgewicht,
die Größe und die Wandstärke der Poren sowie auf die örtliche Verteilung dieser
Eigenschaften im fertigen Produkt aus.
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Wie bei vielen Schaumstofferzeugnissen ist es auch bei Kühlmöbelisolierungen
aus Schaumstoff häufig erwünscht, daß nur eine oberflächennahe Schicht im allgemeinen
verhältnismäßig geringer Stärke ein hohes Raumgewicht und dadurch eine besonders
große Festigkeit besitzt, während der Kern ein geringeres, möglichst gleichmäßiges
Raumgewicht sowie Poren möglichst gleichmäßiger Größe und Wandstärke aufweisen soll.
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Eine solche gewünschte Verteilung des Raumgewichtes läßt sich erreichen,
wenn die Temperatur an der dem Schaumstoff zugekehrten Oberfläche der Schäumform
einem bestimmten Zeitgesetzt folgt. Zu Beginn des Schäumprozesses soll die Oberfläche
relativ kalt sein, beispielsweise der Raumtemperatur oder auch der Siedetemperatur
des Treibmittels entsprechen. Nur im Innern des Formhohlraums steigt daher nach
dem Einfüllen des Substanzgemisches die Temperatur infolge der Reaktionswärme, und
dort beginnt sich ein Schaum mit dem gewünschten niedrigen Raumgewicht zu bilden.
Nach kurzer Zeit, beispielsweise nach einer halben Minute bis einigen Minuten, die
neben der Temperatur maßgebend für das Raumgewicht der oberflächennahen Schicht
und deren Dicke ist, wird auch die Oberflächentemperatur der Form auf einen bestimmten
Wert ansteigen. Diese Temperatur wird etwa dem Mittelwert zwischen der anfänglichen
Oberflächentemperatur und der Temperatur im Kern des Schaumkörpers entsprechen.
Wenn die erfahrungsgemäß für den Schäumprozeß und für die Beschaffenheit des Produkts
günstigste Temperaturverteilung im Schaumkörper erreicht ist, wird die weiterhin
entstehende Reaktionswärme durch die Formoberfläche fortgeleitet. Erst wenn die
Reaktion weitgehend abgeschlossen ist und die Reaktionsgeschwindigkeit und dementsprechend
auch die in der Zeiteinheit frei werdende Reaktionswärme geringer geworden ist,
sinkt die Temperatur der Formoberfläche und des Schaumstofferzeugnisses. Ein solcher
für die Herstellung des Produktes erwünschter zeitlicher Ablauf der Temperaturen
wäre zwar durch nach einem Zeitprogramm geregeltes Heizen und Kühlen der Form zu
erreichen. Das würde aber einen großen Aufwand für die Form, für die Heiz-und Kühleinrichtung
und auch einen großen Energieaufwand erfordern.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Stützform zur Herstellung von
Isolierstoffkörpern oder Behältern aus starrem Kunststoffschaum, bei der Formteile,
die dem herzustellenden Isolierkörper zugewendet sind,
zumindest
teilweise aus zwei oder mehreren, zur Formoberfläche annähernd parallelen Schichten
aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind, und zielt darauf ab, den gewünschten
Ablauf der Temperaturen auf einem anderen, wesentlich einfacheren Weg zu erreichen.
Erfindungsgemäß sind in der Stützform von innen nach außen abwechselnd wärmespeichernde
Metall- und wärmedämmende Schaumstoffschichten angeordnet. Dadurch stellt sich der
erwünschte zeitliche Temperaturverlauf allein oder vorwiegend durch den Temperaturausgleich
zwischen dem entstehenden Schaum und der Form mit ihren wärmespeichernden und wärmedämmenden
Schichten in abwechselnder Folge ein, während bei dem bekannten Werkzeug die Schichten
annähernd gleiche Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Bei der Sandwichbauweise einer Stützform nach der Erfindung sind
für den Verlauf des Temperaturausgleichs neben den chemischen und thermischen Eigenschaften
des Schaums und der zu seiner Herstellung benutzten Substanzen bestimmte wärmetechnische
Stoffwerte der einzelnen Schichten der Form und auch die Schichtdicken maßgebend.
Die in diesem Zusammenhang wichtigen Stoffwerte sind die Dichte e, die spezifische
Wärme c und die Wärmeleitzahl sowie zwei durch sinnvolle Kombination dieser Werte
gebildete Größen, nämlich die Temperaturleitzahl # #c und die Wärmeeindringzahl
Die für die Erfindung wesentlichen Merkmale ergeben sich aus den im folgenden behandelten
Ausführungsbeispielen. F i g. 1 zeigt einen Teilbereich einer Schäumform zum Herstellen
eines kastenförmigen Behälters, beispielsweise eines Kühlschrankgehäuses. Der zwischen
dem äußeren Teil der Form (Kasten) und dem inneren Teil (Kern) entstehende Hohlraum
1 dient zur Aufnahme des Schaumstoffs, entspricht also in Form und Größe dem fertigen
Isolierkörper. Der äußere Teil ist aus folgenden Schichten von innen nach außen
aufgebaut: Die Deckschicht2 besteht aus Stahl- oder anderem Blech; ihre Wärmeeindringzahl
b ist daher gegenüber derjenigen des Schaumstoffs (und auch der zu seiner Herstellung
dienenden Substanzen) so groß, daß die Oberflächentemperatur des Bleches sich zu
Beginn des Schäumprozesses zunächst nur unwesentlich ändert. Infolgedessen entsteht
eine relativ dichte oberflächennahe Schaumstoffschicht, deren Dicke aber begrenzt
ist, weil das Blech wegen seiner geringen Dicke keine große Wärmekapazität hat,
seine Temperatur also (wegen der großen Temperaturleitzahl a ohne große Temperaturunterschiede
innerhalb des Bleches) nach kurzer Zeit ansteigt. Der Zeitpunkt, zu dem das Blech
seine höchste Temperatur erreicht, und die Maximaltemperatur werden durch den Ablauf
des Schäumprozesses durch die Wärmekapazität des Bleches (Dicke, Dichte und spezifische
Wärme), außerdem aber auch durch die Wärmeeindringzahlb, die Temperaturieitzahl
a und die Dicke der Dämmschicht 3 bestimmt, die vorzugsweise aus starrem Kunststoffschaum
besteht. Die
Schicht 3 soll eine kleine Wärmeeindringzahl b und eine kleine Wärmeleitzahl
A haben. Die Dichte, von der diese beiden Größen abhängen, darf aber nicht zu klein
sein, damit die Druckfestigkeit der Schicht 3 zur Übertragung des Schäumdrucks auf
die äußere Schicht 4 ausreicht, denn die Schicht 2 wird im allgemeinen so dünn sein,
daß sie keine großen Kräfte aufnehmen kann. Die tragende Schicht 4 besteht vorzugsweise
aus Metall (z. B. Stahl oder Leichtmetall).
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Sie hat eine so große Temperaturleitzahl a und eine so große Wärmekapazität,
daß in ihr weder zeitlich noch örtlich große Temperaturunterschiede auftreten.
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In Sonderfällen kann die Wärmekapazität bei gleichbleibendem Gewicht
dadurch vergrößert werden, daß die Schicht 4 einen oder mehrere wassergefüllte Hohlräume
erhält. Das Wasser kann ständig in der Form bleiben oder auch kontinuierlich oder
taktweise (z. B. jeweils zwischen zwei Schäumprozessen) zum Temperieren (Kühlen
oder Heizen) der Form erneuert werden.
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Die mit der tragenden Schicht 4 metallisch verbundenen Versteifungsrippen
5 können die Kühlung der Form - vorzugsweise jeweils zwischen zwei Schäumprozessen
- erleichtern.
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Der Stutzen 6 dient zum Einfüllen des Substanzgemisches, aus dem
durch Polymerisation und durch gleichzeitige Expansion eines Treibmittels der Schaum
entsteht.
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Die Schichten 2', 3' und 4' des inneren Teils der Form (des »Kernes«)
sind von ähnlicher Beschaffenheit wie die entsprechenden Schichten 2, 3 und 4 des
äußeren Teils der Form.
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Zwischen zwei Schäumprozessen, d. h. nach dem Herausnehmen des fertigen
Schaumstoffkörpers und vor dem Schließen der Form zur Herstellung des nächsten Werkstücks,
gleichen sich Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Schichten der Form weitgehend
aus. Außerdem kann die Form durch einfache Maßnahmen auf eine bestimmte, für den
Schäumprozeß als optimal erkannte Anfangstemperatur gebracht werden. Sie kann, falls
erforderlich, in einem besonders dafür eingerichteten Raum (»Tunnel«) einem entsprechend
temperierten Luftstrom ausgesetzt werden (oft wird es sogar genügen, die Form mit
Luft von Raumtemperatur anzublasen), sie kann aber auch elektrisch geheizt oder
durch eine Flüssigkeit gekühlt werden, die entweder durch entsprechende Hohlräume
der Form geleitet wird oder an der Formoberfläche herabrieselt. (Der an der Oberfläche
der Form haftende Rest einer Kühl-oder Heizflüssigkeit kann als Trennmittel zum
leichten Herausnehmen des fertigen Werkstückes aus der Form dienen.) Wenn die verdichtete
oberflächennahe Schicht an einzelnen Stellen des Schaumstoffkörpers besonders dick
werden soll, so muß die (Metall-) Schicht 2 bzw. 2' an diesen Stellen der Form verstärkt
sein.
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Soll der Schaumstofftörper ein Blechgehäuse erhalten, so kann auf
die Deckschicht2 in der Form verzichtet werden, weil das vor dem Schäumen in die
Form gelegte Blechgehäuse die wärmespeichernde und -leitende Funktion der Schicht
2 übernimmt.
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Eine noch bessere Annäherung an den optimalen zeitlichen Temperaturverlauf
(nämlich rascher Anstieg der Oberflächentemperatur nach vorbestimmter Zeit und langes
Verharren dieser Temperatur in der Stufe ihres Maximalwertes) als mit einer dreischichtigen
Form,
ähnlich F i g. 1, läßt sich mit Formen erzielen, die aus noch mehr Schichten bestehen;
auch dann wird es im allgemeinen sinnvoll sein, die innere (an den entstehenden
Schaum angrenzende) Schicht aus einem Werkstoff mit großer Wärmeeindringzahl b herzustellen,
die folgenden Schichten abwechselnd aus Werkstoffen mit kleiner und mit großer Wärmeeindringzahl,
wobei die Schichten mit kleiner Wärmeeindringzahl wesentlich dicker (einige Millimeter)
als die Schichten mit großer Wärmeeindringzahl (einige Zehntelmillimeter) sind.
Die Wärmekapazität der gesamten Schicht konzentriert sich dementsprechend im wesentlichen
auf die Lagen mit großer Wärmeeindringzahl (2, 8, 10, 4 und 2', 8', 10', 4' in F
i g. 2), der Wärme- und Temperaturleitwiderstand auf die Schichten mit kleiner Wärmeeindringzahl
(7, 9, 11 und 7', 9', 11' in Fig. 2). Die größte Wärmekapazität hat auch bei mehr
als dreischichtigen Formen die äußere (tragende, beim Kern also die innere) Schicht
4.
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Die dünnen metallischen Schichten können aus Blech bestehen, sie
können aber auch in an sich bekannter Weise aufgespritzt, aufgedampft oder galvanisch
aufgetragen sein.
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Formen der beschriebenen Bauart können mit Vorteil auch zur Herstellung
von Schaumstoffgegenständen aus solchen Werkstoffen benutzt werden, die nicht erst
während des Schäumprozesses polymerisiert werden. So kann z. B. bei der Herstellung
von Polystyrolschaum mit Hochfrequenzerwärmung eine der wärmespeichernden metallischen
Schichten in jedem Teil der Form als Elektrode benutzt werden. Andere metallische
Schichten, die gegebenenfalls auch unterteilt sein können, stellen dann Squipotentialflächen
dar und dienen dazu, die Heizleistung in der gewünschten Weise zu verteilen. Insbesondere
bei diesem Verfahren kann es zweckmäßig sein, außer den metallischen auch nichtmetallische
(z. B. keramische) wärmespeichernde Schichten in der Form anzuordnen.
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Bei der Stützform werden die Schichtdicken mit kleiner Wärmeeindringzahl
vorzugsweise wesentlich dicker (z. B. zehnfach) als die innenliegenden Schichten
mit großer Wärmeeindringzahl gewählt. Die einzelnen Schichtdicken werden so bemessen,
daß ein für den jeweiligen Werkstoff als optimal erkannter zeitlicher Temperaturverlauf
erreicht wird.
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Patentansprüche: 1. Stützform zur Herstellung von Isolierkörpern
oder Behältern aus starrem Kunststoffschaum, bei der Formteile, die dem herzustellenden
Isolierkörper zugewendet sind, zumindest teilweise aus zwei oder mehreren zur Formoberfläche
annähernd parallelen Schichten aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind, d a
-durch gekennzeichnet, daß in der Stützform von innen nach außen abwechselnd wärmespeichernde
Metall- und wärmedämmende Schaumstoffschichten angeordnet sind.