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Verfahran zur Herstallung von Gegenständen aus porösem plastischem
Material Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Ton porösen
Gegenständen aus pulverisiertem oder granuliertem Plastikmaterial.
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Gegenstände aus port Plastikmaterial werden gewöhnlich mit Hilfe von
Trembmitteln oder Schaummitteln hergestellt, indem dem Ausgangamaterial fremde lösliche
Substanzen beigemischt werden, welche hinterher ausgelaugt werden, oder durch Durchstechen.
Bei der letzteren Methode ist abgesehen von der notwendigen Beglaiterscheinung,
daB die Poren geradlinig durchlaufea, infolge der Nißencchaften der meiaten plastischenMaterialien
mit einem Wiederschlie#en oder zumindest einem Tellweiseschlie#en der durch das
Durchstechen
gebildeten ZwlxehenrAune su rechnen. Die beiden erstgenannten
chemischen Herstellungsverfahren sind einerseits mit sehr hohen Kosten verbunden
und baben andererseits noch don zusätzlichen Nachteil, da# die W§nde zwischan den
Poren uneregelmäßig dick sind und meist su djinn werden.
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Ein einfacherer ProseS zum Herstellen von Gegenständen aus pordsem
plastischem Material wäre dan Sintern, wie es klasslsoherwetse in der metallurgischen#
und keramxachen Industrie benutst wird, und bei dem dam Verschmelzen der tourner
des Pulvers oder des Granulats durch gleichzeitige Anwendung von Wlrme und Druck
erfolgt. Es ist jedoch sofort klar, da# gerrade die Anwendung von Druok im falle
einer porösen Masse völlig verfehlt wäre, da. gerade durch Anwendung eines derartigen
Druckes die Porosität einer plastischen Masse, deren Teilchen in einem halbflüssigen
oder einem erweichten Zustand sich befinden, zumindesteas redusiert wenn nicht vdllig
aufgehoben werden würde. Es sind deshalb bereits Versuche mit thermoplastischen
Werkstoffen unternommen worden, um dieses Problem durch die Vermeidung von Druckanwendung
zu lösen, was jedoch ebenfalls zu keinem Erfolg geführt hat. Las kommt daher, da#
durch die Ausschaltung des Druckes beim Sintern eine e
Verlängerung
der Erwärmungszeit zwingend in Kauf genommen werden muß. Abgesehen von dem sich
hieraus ergebenden wirtschaftlichen Nachteil wird durch eine solche Verlängerung
zusätzlich das Risiko erhöht, da# die durch die Erwärmung erweichten eilchen Zeit
haben, ihre Form durch Fließen zu verändern und sich dann sogar bei Ausschaltung
jeglicher Vibration allein aufgrund der Wirkung ibres eigenen Gewichts aneinanderfügen,
um somit die Porosität zu verringern oder gar gänzlich auszuschalten.
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Aufgrund der beim Sintern stets üblichen Zuführung der Wärme von außen-wobei
wegen der geforderten Wirtschaftlichkeit eines jeden Sinterprozesses die Aufheiszeit
nicht allsu lang sein darf - liegt eine weitere Gefahr in der Bildung einer Haut
oder einer dünnen Schicht von miteinander ohne Porenbildung verschmolzenen Teilchen
in der oberen bzw. unteren OberflScho des herzustellenden pordaen Gegenstandes,
wo die Temperatur notwendigerweise am höchsten ist. Durch diese dichte Haut an der
OberflEche wird gleichzeitig die Hitze davon abgehalten, die groBe Masse der im
Laneret befindlichen Teilchen in genügendem 14aBe zu erweichen, um somit zu einem
Verschmelzen der Teilchen an deren Kontaktpunkten zu führer. Aus diesem Grund können
auf diese Weise lediglich verhältnismä#ig dünne poröse Gegenstände
aus
plastischem Material durch einen druckfreien Sinterproze# bei murer Wärmezufuhr
hergestellt werden. Devon abgesehen, besteht achlie#lich noch die zusätzliche Schwierigkeit
der Zufhrung gleicher Wärmemengen von oben und von unten, wenn die untere OborflEche
beispielsweise auf einem erhitzten Metall ruht und die obere Oberfläche einer erhitzten
gasförmigen Atmosphäre, beispielswise Luft, ausgesetzt ist.
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Die g hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung
porösor Gegenstände aus plastischem Material anzugeben, dam diese oben erwähnten
Nachteile und Schwierigkoiten beseitigt. Zur Lösung dieser Aufgabe wirdgemMderJtrfindungbeieinsätVarfahren
der eingange erwähnten Art vorgeschlagen, ass das Pulver oder Gramulat einer Hochfrequenzstrahlung
mit einer Frequenz ausgesetzt wird, bei der das dielektrische Plastikmaterial einen
relativ gro#en Verlustfaktor besitzt und da# die Zeit der Hochfnquenzeinwirkung
(Sinterzeit) so gro# gewählt wird, daB sich die einzelnen Körner des Plaetikmateriale
an ihren Kontaktstellen verbinden, ohne ganz zu schmelson und dabei die Hohlräume
zwischeneinander zu fullen. Dan erfindungsgemä#e Verfahren ähnelt somit einem druckfreien
Prozeß,
wobei jedoch infolge der Tatsache, da# die Hitze jeweils in jedem einzelnen Teilchen
erzeugt wird, die Nachteile vermieden werden, wie sie bei einer Zufuhr der Wärme
von au#en veauftreten, wo die Wärme erat langsam von au#en nach innen in das Pulver
hinein wandern muS. Dauber hinaus kommt man ohne die Benutzung von Zusätzen irgendwelcher
Art aus und es sind auch keinerlei chemische Reaktionen mit diesem HorsteHungsverfahren
verbunden, da die Haftfähigkeit eher durch physikalische als duroh chemische Umformung
hervorgerufen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl fur thermoplastische
als auch thermostatoplastiache Werkstoffe in Pulverform oder in granulierter Forum,
solange die Teilchen nur eine genügende Härte besitzen.
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Andernfalls bestünde nämlieh wiederum die Gefahr, da# beim Erweichen
der Teilchen infolge der entstehenden Wärme diese sofort wieder zusammenlaufen und
dif Hohlrhume, was gerade bei der Herstellung pordeer Plactikkdrper vermieden werden
soll. AU8 diesem Grund ist en auch sofdrt klar, daß thermowtatoplastinche Werkstoffe
in einem sehr stark flüssigen Zustand nicht direkt fUr die Zwecke der Erfindung
benutzt werden können, sondera æunEchst teilweise gohdrtet werden müssen.
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Des s erfindungsgemä#e Verfahren hat u. a. den Vorzug, da# die zum
Zusammenkleben der einzelnen Kdrner an
ihren Kontaktstellen notwendige
Erweichung sehr ranch und sehr gleichmäßig erfolgt, da die Hitze nicht von außen
langsam nach innen "diffundieren" mu#, sondern direkt in jedem einzelnen Korn als
dielektrische Verlustleistung entsteht. Lus diesem Grund könaen Gagenstände gro#er
Stärke hergestellt werden, welche lediglich dadurch begrenzt ist, da# einerseits
die durch die Absorption in den Wußeren Schichten geschwächte Hochfrequenzleistung
in Inneren noch ausreichen mués, um die Kdrner miteinander zu verkleben, andererseits
aber in den Au#enschichten, wo noch die volle Hoc : ifrequensleistung bestent, die
Körner noch nicht völlig gesclmolzen werden düerfen. Die Vorbereitungazeit zur Inbetriebnahme
einer erfindungsgemä#en Anlage ist sehr kurz, da die sonst notwendige Erwärmungszeit
der Apparatur, wie aie beispielsweise bei den Ublichen Ofen odor Tunneln notwendig
ist, Uberhapt nicht existiert. Aus diesem Grund ist auch eine Unterbrechung des
Herstellungsverfahrens. vollkommen unkritisoh.
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Da bei einem Wechsel zwischen verschieden gro#en herzustellenden Gegenständen
bzw. zwischen Gegenständen ans verschiedenem Plaetikmaterial nicht erat die Temperatur
eines Cfen oder Tunnels nachgeregelt werden muß, so daß ohne weiteres kurzfristig
eine e andere Produktion zwischengeschaltet werden kann, kann die Lagerhaltung
der
herzustellenden Güter stark vermindert werden.
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Sowchl die Form der Matrizen, die benutzt werden, ist unkritisch,
als auch die für die Ntrizen anfallenden Kosten, da sie aufgrund der fehlenden Abnutsungserscheinungen
eine sehr große Lebensdauer besitzen.
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Obwohl die Eigenschaften fur ein punktformiges Zusammenvachsen der
einzelnen Körner bei Polymeren und Copolmeren verscheden sind, können bei einem
erfindungsgemäSen Verfahren in größerem Ausma#e, als bei äu#erer Erwär-SUIlo diese
beide Arten miteinander gemischt werden, da das Verfahren wegen der au#erordentlich
gro#en Geschwindigkeit der dielektrischen Erwärmung weit weniger emfpindlich gegeniber
den unterschiedlichen Lrweichungspunk-. der Polymere und Copolymere ist.
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Ceradezu überragende Bedeutung erlangt das erfindungsgemä#e Verfahren
dann, wenn die beiden Hischungspartneer auf verschiedene Temperaturen erhitzt werden
müssen, ehe sie eine zum Verkleben notwendige Weichheit an ihren Kontaktstellen
erlangen. In diesem Fall kann durch geeignete Walhl der Frequenz der Hochfrequenzstrahlung
dafür gesorgt werden, daß die Verlustfaktoren der verschiedenen deielektrischen
Materialien für diese Frequenz derart voneinander verschieden sind, daß bei
gleicher
Zeitdauer der Hochfrequenzeinwirkung die eine Sorte entsprechend stärker erwärmt
wird.
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Gie bekannt ist, ist die in einem Dielektrikum absorbierte Leistung
durch die folgende Formel gegeben W = I'V = 2 CofV2B Jabeibedeutet : ; die in Watta-usgedrückte,
inWärmeenergie umgewandelte Verlusteleistung, I' den mit der Spannung gleichphasigen
Wirkstromauteil, Y die effektive Spannung, f die Srequenz der Hochfrequenz, Co die
wirksame Kapazität der Heizelektrudenanordnung genas der Beziehung C = C/e, wobei
C die Kapazität des durch die Elektroden gebildeten Kondensators, und e die Dielektrizitätskonstante
des verwendeten Pla3tikmaterials ist, und B den Verlustfaktor des dielektrischen
Materials.
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Bei theoretischer Betrachtungsweise der obigen Beziehung scheint es
lediglich nötig zu sein, die Spannung 7 und die Frequenz zu erhöhen, wobei allerdings
der Frequenzgang des Verlustfaktors B beachtet werden mu#,
um eine
Verkürzung der Herstellungazeit zu erreichen.
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Nne derartige Verkürzung infolge Frequenzerhöhung ist jedocn, wie
bereits angedeutet, dadurch begrenzt, daL ab einer bestimmten Frequenz der Verlustfaktor
B abzunehmen beginnt, wobei es dann darauf ankommt, ob diese Abnahme von B stErlcer
als linear ist und somit die Frequenzerhöhung überkompensieren w'irde. Außerdem
werden beim Erhöhen der Frequenz Liber einen Betrag von etwa 60 z des öfteren Interferrenzwellen
bei grö#eren und komplizierten Elektroden beobachtet, welche dazu fahren, daß an
einzelnen Stellen im dielektrischen Material eine sehr gro#e Erwärmung und an anderen
Stellen fast überhaupt keine Erwärmung hervorgerufen wird.
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Durch einen entsprechend gro#en technischen und finanziellen Aufwand
ist es selbstverständlich auch möglicn, mit huheren Frequenzen zu arbeiten, was
aber nur dann in Frage kommen dürfte, wenn es sich um die Verarbeitung von Materialien
handelt, die weder mit geringeren Frequenzen aufgrund des dort zu geringen Verlustfaktors
noch durch andere Verfahren zu porösen Plastikkörpern verarbeitet werden können.
Die meisten kommerziellen Dielektrizitätsapparate funktionieren jedoch in einem
niedrigen Frequenzbereich, der aufgrund internationalen Abkommens fUr nicht isolierende
Strahlungen genehmigt ist. Fir hdhere Frequenzen wird ein spezielles Abechirmgehäuse
bendtigt,
um eine Störung anderer elektrischer Anordnungen in der Umgebung zu verhindern.
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Line weitere, einer Frequenzerhöhung entgegenstehende Beschränkung
liegt darin, da# bei sehr hohen Frequenzen, beispielaweise bei 600 bis 2500 MHz,
die entsprechenden Gerate erstens sehr teuer in der Anschatfung siad und außerdem
nur eine geringe Ausgangaleistung besitzen, so da3 sie nur eine kleine Elektrodenfläche
wirksam betreiben können. Aus diesem Grund ist das erfindungsgemä#e Verfanren bevorzugt
fir solche plastischen Ma--eLialien geeignet, die bereits in einem Bereich von etwa
10 bis 30 MHz ausreichende Verlustfaktoren besitzen.
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Auch die Hochfrequenzspannung kann nicht beliebig erhöht werden, da
aie durch die Durchbruchsspannung des Flaatikmateriala begrenzt ist. Diese Durchbruohsspannung
ist durch zusätzliche Faktoren mitbestimmt, wie z. B. die Feuchtigkeit, gewisse,
dem Plastikmaterial beigemischte Weichmacher und in diesem enthaltene Fremdkörper,
so z.B. leitende Pigmente und/oder Fullstoffe, sowie schließlich Metallapäne, Xohle
oder Schmutz, welche Kurzshläese verursachen können. In der Praxis halt man deshalb
ototo einen gewiawen Sicherheiteabstand zu dieser maximalen Durchbruchsspannung
ein, da die daraus resultierende Erhöhung der Herstellungszeit
wegen
der aowieso sehr geringen Heratellungszeit kaum ins Gewicht fällt. Dadurch wird
gleichzeitig der Gefaher einer Entfärbung, die bei gewissen Plastikmaterialien gegeben
ist, entgegengetreten.
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Bine andere Begrenzung far die Hochfrequenzspannung liegt in den Bogenentladungen,
welche von den Elektroden ausgehen können, wenn aie Liber den Rand der Plastikmasse
hinausragen oder wenn die Oberfläche der Plastikmasse schlechtnivelliert ist, so
da# sie an einzelnen Stellen weniger dick ist. Der gleiche Effekt tritt auch dadurch
auf, wenn bei einer speziellen Masse infolge der Verschmelzung der Corner an den
Koataktstellen eine Volumenverringerung eintritt, so da# selbst bei Vermeidung jeglichen
Drucks auf die Oberflache der Hasse und aller Vibrationen diese Lberfäche sich beim
Jintern senkt. In diesem lall soll gemäß einer Weiterbildung der Lrfindung die obere
Elektrode der sich* serkenden Cberfläche nachgefährt werden, so da# sie stets dieser
nahe benachbart bleibt, ohne jedoch auf sie zu drücken, ao daB Xnergieverlust durch
Bogenentladungen in einem sich sonst entwickelnden Luftzwischenraum verhindert oder
wenigstens Je klein gehalten werden.
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Der Gefahr von Kurschlüssen und Bogenentladungen kann
auch
dadurch entgegnet werden, da# nicht sofort die volle Leistung an die Elektroden
angelegt wird, sondern die Spannung erst langsam gesteigert wird. Außerdem werden
diese Gefahren durch Abrunden der Kanten der Elektroden vermindert. Eine Verringerung
der Kurzschlußgsfahr ergibt sich auch durch Erhöhung der Frequenz des Generators,
was aber dadurch beschrinkt ist, da9 dabei die Kosten des Geräts sehr starie in
die Höhe schnellen,daß der Benutzung derart hoher Frequenzen internationale Abkonmen
entgesenstehen, sofern nicht teuere Abschirmeinrichtungen zum Zurückhalten der Strahlung
vorgesehen sind und daß bei Elektroden mit groBeren Oberflächen störende Interferrenzwellen
auftreten können.
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Wegen des geringen Verlustfaktors der meisten Plastikmaterialien missen
große Strommengen durch die Elektroden fließen, um eine Erweichung oder Erhärtung
an den.
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Kontaktpunkten zwischen den Teilchen zu erreichen. Die Stromstärke
und seine Dauer werden derart eingestellt, das einerseits zwar erreicht wird, da3
die Kronchen an ihren Kontaktstellen aneinander haften, da8 aber anderereeite ein
Schmelsen oder Erweichen in größerem Umfang vermieden wird, da dadurch nur eine
Verstopfung der Zwischenräume und Poren zu befürchten wtre ; was die Porosität zu
stark verringern vurds. Sowohl
technische als auch wirtschaftliche
Betrachtungen notigen dazu, die Sinterzeit auf Mindestmaße zu beschränken, ohne
da3 dabei gleichzeitig eine grole Zahl von AusschuSstUcken entsteht, bei denen die
Teilchen ungenigend aneinander haften. Es ist jedoch zu bemerken, da. in letzterem
Fall ein Teil oder das gesamte Produkt noch in Pulverform vorliegt und demzufolge
wiedergewonnen werden kann, während bei einer Cberhitzung, d. h. einer zu gro#en
Sinterzeit eine unDor se oder nicht Genügend poröse Masse produziert wird oder aber
die Plstikmasse entfärbt werden könnte, as in vielen Fällen ohne daS die Porosität
verschlechtert w"rde, sehr unerwunscht ist.
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Für die Wahl der Sinterzeit sol'te auch der Grad der Plestifizierung,
einschlie#lich der sogenannten inneren Plastifizierung der Copolymere, Rechnung
getragen werden, sofern er eine leichtere Umbildung oder leichtere Erhitzung hervorruft.
Man erhält eine große Porosität viel leichter mit nichtplaatifisierten (d. h. härteren)
Materialien, da sich unter der Wirkung der Weichmacher die Teilchen viel leichter
verformen.
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Bei der Dielektrizitätsheizung gemß der Erfindung erreicht das Arbeitsgut
seine hohoate Temperatur an den Eontaktpunkten zwischen den Teilchan, da diese Punkte
einen
größeren Betrag des flieCendenStromes als die restlichen Gebiete der Teilchen erhalten.
Diese vermutlich auf einer stdrkerea Gruppierung der elektrischen Feldlinien an
den Kontaktste Den beruhende Tendenz des Stromes vorzugsweise aber die tontaktpunkte
abzuflie-#en, führt zu einer früheren Erweichung dieser Kontaktpunkte, noch ehe
der Rest der Teilchen erweicht ist und dabei ungebührend deformiert werden könnte
Im halle eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses, bei dem das pulverisierte
oder granulierte Ausgangsmatcrial auf einem bewegtenFörderband verteilt ist, kann
die flastikoasse von den Metallunterlagen durch genägend dicke Schichten aus Isoliermaterial
getrennt sein, welche ausreichen, um Kurz schlüsse zu diesen Metallunterlagen su
vermeiden. Diese Schichten können beispielsweise bestehen aus Asbestschieferpappe
mit Phenolharz getrhnkten Papierlaminaten, mit Polytetrafluoräthylen (Teflon, llsoglon,
Fluon, Soreflon, Hostaflon F, usw.) imprägnierte oder oberflächlich beschichtete
Papiere odbr auch elnfache geschichte Isolationspappe, welche aber autgrund der
ranch anoteigenden Temperatur nur beachrdakt Verwendung finden kann bei der Verarbeitung
von thermoplastischen oder thermostatoplastischen Werkstoffen mit relativ hohen
Erweichungspunkten.
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Des gleichen können die Matrizen aus erweichtem Silika (Siliciumdioxid),
Polytetrafluoräthylen, gewissen Phenolkunstharzen oder Holzfaserstoffpappen (Masonite)
bestehen.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, treten bei Elektroden mit großer Oberfläche
Intereferrenzphänomene auf, was durch ungleichmä#ige Beheizung in verschiedenen
Zonen bewiesen wird. Das Auftreten bzw. die Wirkung derartiger Interferrenzwellen
kann dadurch vermieden abgeschwächt werden, da# die Elektrode beispielsweise um
90° geschwenkt wird, wodurch störende Nebenkapazitäten und Induktivitäten an den
Hochfrequenzgenerator gelegt werden. Eine andere Methode ist die Verwendung kleiner
Induktivitäten entlang des äußeren Randes der Elektrode, um Spannungsanstiege aufgrund
von Tranamissionaeffekten auszugleichen. In diesem Fall wird die Anordnung und die
Zahl der kleinen Induktivitäten empirisch bestimmt.
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Zur besseren Handhabung der fertigen Plastikkörper und zur Verhinderung
eines weiteren Verflie#ens der erwärmten Teilchen aber den Grad hinaue, der notwendigerweise
beim Verbinden der einzelnen Teilchen an ihren Kontaktstellen in Kouf genommen werden
mu#, sollten die fertig gesinterten K rper nach Austreten aus der Elektrodenstrecke
noch eine Sihlzone durchlaufen.
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Bei kommerziellen Maschinen, welche eine Leistung von etwa 10 bis
30 KW erreichen, sollte die Sinterzeit im allgemeinen unterhalb einer Viertelsekunde
liegen, und ein Maximalwert von vier Sekunden nicht überschreiten.
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Darüber hinaus sind die Wärmeverluste an die Umgebung derartig gros,
dans das Verfahren, von Ausnahmefällen abgesehen, unwirtschaftlich wird, wobei derartig
lange Sinterzeiten sich auch nachteilig auf die Porosität auswirken können. Wenn
ein zufriedenstellendes Aufheizen und damit eine gute Haftung der Teilchenuntereinander
nicht innerhalb von vier Sekunden erreicht wird, so ist es eher vorzuziehen, die
Stromstärke zu erhohen, als die Sinterzeit zu verlängern. Bei Geräten mit einer
Leistung unterhalb 10 KW kann jedoch hNufig eine längere Sinterzelt erforderlich
sein, so da es nach Möglichkeit ansuetreben ist, mit Generatoren zu arbeiten, welche
eine grdßere Ausgangsleistung als 10 LI besitzen.
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Mit Hilfe dea erfindungsgemä#en Verfahrens wurden in den folgenden
beispielsweise augeführten Fällen u nd unter den den dabei angegebenen Bedingungen
recht befriedigende Ergebnisse erreicht, wobei die Frequens jeweils 20 EIz : Copolymer
von Vinylchlorazetat bei eider Sinterzeit
zwischen 12 Sekunden
und einer Hoohfrequenzleistuag von 600 W, Copolymer von Acrylaitril-Butadien-Styren
bei einer Sinterzeit zwischen 60 bis 70 Sekungden und einer Hochfrequenzleistung
von 200 W, und Polyvinylchlorid. bei einer Sinterzeit von 12 Sekunden mit einer
Hochfrequenzlaistung von LOO W bzw. einer Sinterzeit von 70 Sekunden mit einer Hochfrequensleistung
200W.
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Bei Beachtung aller Vorsichtama#regeln, wozu insbesondere auch eine
sofortige Abkühlung der gesinterten Produkte nachDurchlaufen der Elektrodenstrecke
zählt, kann eine sehr hohe Porosität bia zu 40 und 50 % erreicht werden, wobei allerdings
in vielen Fällen die sehr unregelmä#ige From der Handelsüblichen Pulver und Granulate
die Erreichung disse Maximums, dan fUr identlwehe kugelförmige Teilchen gilt, verhindert.
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- Patentansprüche -