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B e s c h r e i b u n g Verfahren zum Ausformen von Gegenständen aus
thermoplastischen Kunststoffen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausformung von Gegenstanden
aus thermopla'stischem Material und auf die ausgeformten Gegenstände.
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Bei der Formgebung von verschiedenen Kunststoffen in festem Zustand,
wobei sie erweichen, jedoch nicht schmelzen, sind bisher stets betrachtliche Schwierigkeiten
aufgetreten0 Wenn das übliche feste, nicht verschäumte Material zwischen ineinander
eingreifenden harten wormelementen zusammengepreßt wird, entwickelt es einen gewissen
Fließwiderstand durch Reibung an den Formoberflächen, insbesondere in Zonen von
kleinem Querschnitt, und füllt derartige schmale Zwischenräume selbst bei sehr hohen
Drücken nicht völLig aus0 Außerdem zeigen die ausgeformter Gegenstände nach dem
Herausnenmen aus der Form eine derartige Rückfederung, daß die Gr-oßentcleranzen
nicht eingehalten werden können0 rschreitet man beim Erwärmen gewisse Grenzen, um
die Kunststoffe schmiegsamer zu machen und zu bewirken, daß sie enge, komplizierte
Formräume ausfüllen, so zersetzen sie sich und verlIeren die gewünschten Eigenschaften.
Es wurde verschiedentlich versucht, diese Schwierigkeiten zu überwinden, beispielsweise
durch Zusatz
von Lösungsmitteln, Weichmachern und dergleichen zur
Pressmasse, jedoch sind solche Zusätze oft schwierig in der Anwendung oder sie beeinflussen
das Endprodukt oer die Anlage in unerwünschter Weise.
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Bei dem Versuch, feste Kunststoffe zu Gegenständen. von komplizierter
Gestalt auszuformen, wozu eine besonders hohe Schmiegsamkeit notwending ist, ist
es in manchen Fällen ülich gewesen, den Rohling durch mechanische Bearbeitung vorzuformen,
so daß er lose in die engen Zwischenräume paßt. In machen Fällen, besonders wenn
Weichmacher eingearbeitet wurden, ging diese mechanische Formgebung sogar ins Detail.
Aber selbst auf diese weise füllten die Kunststoffe meist die engen Zwischenräume
nicht genau genug aus um den gewünschten Gegenstand mit allen Reinheiten wiederzugeben.
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Ziel der Erfindung ist *o daner ein Verfahren zur usformen von Gegenständen
aus thermoplastischem material in festem Zustand, das insbesondere auch zur Herstellung
von Gegenständen mit Zonen von sehr geringem neuerschnitt geeignet und so ausgestaltet
ist, daß die hergestellten Artikel nach Aufhebung des Formdruckes nicht zurückfedern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausformung vc Gegenständen aus
thermoplastischen Kunststoffen besteht darin, daß man einen Rohling aus verschäumtem
thermoplastischen Kunststoffin in sich zusammenhängendem, festem Zustand bei einer
Temperatur zwischen der Glasübergangstemperatur und der Schmelztemperatur in einem
Presswerkzeug zu der gewünschten Form verpresst, wobei der Pressdruck hoch genug
ist, um den Zellenraum in dem Schaumstoff stark zu reduzieren und eie interzellulare
Struktur auszubilden0 Man geht aus von verhältnismäßig einfachen, vorgaformten Rohlingen
aus einem verschäumten, in sich zusammenhängenden festen Kunststoff (zum Unterschied
von feinverteiltem oder
körnigem Material) und es zeigte sich, daß
derartige Rohstoffe sehr schmiegsam sind, d.h. gute Fließeigenschaften haben, so
daß sie die engen oder komplizierten Details der Form völlig ausfüllen, was bisher
nur erreichbar war durch Anwendung von hohen, das FileFten f'orc:ernoen Temperaturen
oder von Zusützen.
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Dabei müssen eine speziellen Einrichtungen zur Abblasen von Luft oder
zur Aufnahme von übergeflossenem Material in der Form vorgesehen werden, da die
notwendige Volumenverminderung während des Ausformens schon lurch die Kompression
der inneren llohlräume des Schaumstoffes erfolgt0 , Kan hat bereits früher Schaumstoffkörper
komprimiert, um das Volumenverhältnis zwischen den Hohlräumen und den festen Zwischenwänden
zu verringern, jedoch wurde dieses Verfahren bisher noch nicht angewandt auf im
festen Zustand befindliches oder "kalt verarbeitetes" (cold-worked) Material um
daraus die Hohlräume im wesentlichen zu entfernen und eine orientierte Faserstruktur
zu erzeugen, die dem Material einen kalt verstreckten Gharakter gibt, den auch die
Gegenstände in der endgültig verarbeiteten, gebrauchsfertigen Form aufweisen; dieser
Effekt blieb dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehalten.
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Das Verfahren ist sehr zweckmäßig zur Ausformung von Gebrauchsgegenständen
von komplexer Form, die in axialer und/oder radialer Richtung kleine Einzelelemente
von geringer Ausdehnung aufweisen, aus einfachen Rohlingen in festem Zustand und
in sich zusammenhängender Struktur. Erfindungsgemäß wird hierzu ein verschäumter
Kunststoff verwendet, der besonders schmiegsam ist, d.h. der gute Fließeigenschaften
hat, ohne daß ihm Weichmacher zugesetzt werden mussen; das feste, kalt verarbeitete
Endprodukt hat aufgrund seiner Bildung unter sehr hohes Druck im zusammenhängenden,
festen Zustand überlegene physikalische Eingenschaften. Der auf den Kunststoff zwischen
den Zellen ausgeübte "streckende" Druck erzeugt, einerlei ob es sich um einen Schaumstoff
mit offenen oder
geschlossenen Zellen handelt, (insbesondere aber
im letzteren Fall) offensichtlich eine feste, zähe Faserstruktur, die auf die intensive
Bearbeitung im festen Zustand, bei der die Zellen reduziert oder praktisch ausgeschaltet
werden, zurückzuführen ist0 Die Dichte des Rohlings vor dem Verpressen beträgt mlndestens
60 o der Dichte des nicht verschäumten Materials für den Rohling und dieser wird
zusammengepreßt, bis er einen beinahe homogenen Feststoff darstellt, der mindestens
85 % (vorzugsweise sogar mehr) der Dichte des unverschäumten Ausgangsmaterials aufweist,
So werden beispielsweise Rohlinge aus verschäumtem Polypropylen, die zunachst ein
spezifisches Gewicht von 0,68 - 0,70 haben, zusammengepreßt zu einem Produkt mit
einer Dichte von 0,85 - 0,9, was fast an die Dichte von 0,90 für festes, unverschäumtes
Propylen herankommt. Einige Kunststoffe, wie z.B. Polystyrol, scheinen sich quer
durch die ehemaligen Zellen zu vereinitren oder zu verknüpfen, während andere, wie
Polyäthylen und Polypropylen, sich anscheinend nicht über die Zellhohlräume hin
vereinigen, obgleich auch hier praktisch alle Hohlräume ausgefüllt sind und eine
faserartige Struktur entstanden ist, bei welcher sich die Seitenwände der frJheren
Hohlraur.e mindestens berühren.
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Das erfindungsgemäß erhältliche Endprodukt hat neue, überraschende
Higenschaften und ist wesentlich zäher, fester und widerstandfähiger gegen Stoß
und Schlag als ähnliche Produkte, die aus norvralen, nicht verschäumten Kunststoffen
auf übliche eine ausgeformt sind0 Die Erfirdung sei nun anhand der Zeichnung näher
erklärt: Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen representativen Jegenstand, der erfindungsgemäß
hergestellt wurde (im vorllegenden Fall ein Pumpenlaufrad aus verschäumtem Polypropylen).
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Gegenstandes.
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Fig0 3 ist ein axialer Längsschnitt des entsprechenden Rohlings in
der Pressform vor dem Ausformen.
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Fig. 4 ist ein Schnitt entsprechend Fig. 3, jedoch nach der Ausformung
des Gegenstands; der letztere ist in der Zeichnung entlang der Linie 4 - 4 in Fig.
1 geschnitten.
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Fig. 5 ist ein stark vergrößerter Schnitt durch den Rohling entsprechend
dem in Fig. 3 mit 5 bezeichneten Ausschnitt0 Fig. 6 ist ein stark vergrößerter Schritt
durch den ausgeformten Gegenstand, entsprechend dem in Fig. 4 mit 6 bezeichneten
Ausschnitt.
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Aus den Figuren 1 und 2 ist die Form. eines Gegenstands ersichtlich,
der mit Vorteil durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeformt werden kann; es
handelt sich um ein Pumperlaufrad 10 mit einem scheibenartigen Hauptkörper 11, einer
Nabe 12, einer Bohrung 13 und sich axial erstreckenden gekrümmten Schaufeln 14 an
einer Seite des Scheibenkörpers0 Wie aus den, Figuren 3 und 4 ersichtlich, ist der
Gegenstand 10 (Fig. 4) ausgeformt aus einer einfachen scheibenförmigen Rohling W
mit einer Bohrung 13 W, die im fertigen Gegenstand als Bohrung 13 erhalten geblieben
ist.
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Der Rohling wird bei einer geeigneten Temperatur, bei der er in festem
Zustand, jedoch thermoplastisch ist, in den Zylinder 20 eines Presswerkzeugs eingebracht,
das den unteren Presstisch 21 und den Stempel 22 aufweist, wobei an dem Presstisch
21 ein aufsteigender Zapfen 23 angeordnet ist, der in die Bohrung 13 W des Rohlings
und in den oberen Stempel über eine Bohrung 24 eingreift. Am oberen Stempel 22 sind
Ausnehmungen
25 vorgesehen, welche Material zur Ausbildung der Flügel 14 aufnehmen; falls der
auszuformende Gegenstand es nötig macht, könnte der untere Presstisch 21 ebenfalls
so ausgebildet sein, daß die gewünschte Form entsteht, z.B. ein laufrad mit Schaufeln
an Seiden Seiten der Scheibe Der Rohling kann z.B0 aus eier zusammenhängenden Platte
aus Schaumstoff geschnitten werden oder er kann auch beim 7erschäumen unmittelbar
in die gewünschte Rohform gebracht werden0 Der Rohling ist ein in ach zusammenhängender
fester Körper aus Schaumstoff, wie dies aus dem stark vergrößerten Schnitt In Fig0
5 hervorgeht; er weist in praktisch völlig gleichmäßiger Verteilung Zellen oder
Hohlraume C auf, die von mikroskopischer bis makroskopischer Größe sein können und
z.B. bis zu etwa 3 mm Durchmesser haben0 Vorzugsweise ist das Rohmaterial ziemlich
dicht für einen Schaumstoff und die Zellen können offen und/oder geschlossen sein.
Eine geschlossene Zellstruktur ist bevorzugt, enn der fertige Gegenstand ur Flüssigkeiten
undurchdringlich sein und eine glatte Oberfläche haben soll, wie dies z03. bei künstlichem
Holz der Fall iSto Der Verschäumungsgrad des Ausgangsrohlings hängt bis zu einem
gewissen Grad davon ab, wie stark die Fließfähigkeit szwO Schmiegsamkeit sein muß,
um die kleineren Räume in der Pressform auszufüllen unQ ist ferner abhängig von
der Temperatur und dem angewandten Druck, sowie natürlich von der Beschaffenheit
des Materials selbst. Zur Herstellung des dargestellten Pumpenlaufrads muß der Rohling
lediglich so anpassungsfähig sein, daß er in der Form die zur Ausbildung der 7abe
und der Schaufeln vorgesehenen Räume ausfüllt, und der scheibenförmige Hauptteil
benötigt zu seiner Ausformung nur einen mittleren Druck.
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Der Rohling hat vorzugsweise einfache Dimensionen, so daß er auf
allgemeine Weise das Gesenk des Presswerkzeugs ausfüllt, Im vorliegenden Fall ist
der äußere Durchmesser des Rohlings annähernd so groß wie der innere Durchmesser
der
Kammer im Zylinder 20. Falls der auszuformende Gegenstand z.B.
ein Zahnrad rit Außenzähnen wäre, so könnteein einfacher Rohling verwendet werden,
dessen Außendurchmesser klein genug ist, daß der Rohling frei in die ite eingesetzt
wird, da sich das Formpressen so auswirkt, de das aterial radial nach auen fließt
und die Zähne bildet. Auch Gegenstände mit sowohl axialen wie radialen Vorsprüngen
können aus einem einfach gestalteten Rohling ausgeformt werden, da aufgrund der
Verwendung eines Schammstoffrohlings die kleinen nach außen reichenden Räume während
des Pressvorgangs restlos ausgefüllt werden. Normalerweise wird kein Weichmacher
benötigt; wenn jedoch ein solcher verwendet wird, so wird die Fließfähigkeit des
Rohlings aufgrund seiner Schaumstoffnatur noch verbessert.
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Wichtig für das erflndungsgemäße Verfahren ist der Umstand, das der
Gegenstand in zusammenhängendem festen Zustand und nicht in feinverteiltem oder
körnigem Zustand ausgeformt wird und dabei in den ersten Phasen des Pressvorgangs
seine zellförmige Struktur aufrecht erhält. Hierdurch werden die Zwischenwände zwischen
den Zellen zunächst um diese herum komprimiert, so daß verstreckte, faserähnliche
Elemente zwischen den Zellen entstehen, wie diejenigen, die in Fig. 5 mit "C1" bezeichnet
werden. Obgleich die e Zellen im Endprodukt praktisch nicht mehr vorhanden sind,
spielen sie doch beim Ausformen de-s Rohlings in Zusatmenaroeit mit der Pressform
eine wesentliche Rolle und tragen dazu bei, daß ein besonders zähes, faseriges Produkt
entsteht.
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Grundsätrlich wird der Rohstoff, wie mehrfach erwähnt, im festen
Zustand ausgeformt, jedoch wird bei der Bearbeiten das Material auf eine Temperatur
gebracht, die, je nach dem betreffenden Rohstoff, so nahe wie möglich ch an der
oberen Grenze des festen Zustandes liegt. So wurde beispielsweise für Propylen eine
Temperatur von etwa 150 C angewandt. Ein Bereich von 65 - 165°C ist anwendbar, wobei
143 - 163°C bevorzugt sind.
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Zur Herstellung des Pumpenlaufrade bei etwa 1500C erwies sich ein
Druck von etwa 560 kg/cm² geeignet. Der Druck wurde ausreichend lange aufrecht erhalten
und die Temperatur wurde konstant gehalten, so daß der Gegenstand seine Borm behielt
ohne zurückzufedern. Die zweckmäßige Arbeitstemperatur für den Gegenstand wird selbstverständlich
stets unter dem Schmelzpunkt des betreffenden Kunststoffes gehalten und die Temperatur,
bei welcher der Gegenstand aus der Presse entnommen wird, wird so gewählt, daß es
beim Herausnehmen nicht zu einem merklichen Zurückfedern des Gegenstands kommt.
Der Gegenstand ist dann formbeständig bei allen zu erwartenden Verarbeitungstemperaturen.
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Der Druck kann über einen beträchtlichen Bereich schmanken, je nach
dem für den Gegenstand erforderlichen Fließgrad, der Art des verwendeten Materials,
der Formtemperatur und dergleichen; allgemein gesagt soll der Druck hoch genug sein,
um das vollständige Ausfüllen aller Formräume und eine praktisch vollkommene Abwesenheit
von Hohlstellen zu gewährleisten; mindestens soll er dazu ausreichen, daß sich eine
verstärkete interzellulare Faserstruktur ausbildet. Die Formgegenstände haben eine
verbesserte Schlag- und Stoßfestigkeit und absorbieten Schall und Energie. Besonders
die erfindungsgemäß aus Poly-/propylen ausgeformten Gegenstände entsprechen weitgehend
im Aussehen natürlichem Holz und fühlen sich auch so ane Praktisch wurde bisher
hauptsächlich Polypropylen verarbeitet; allgemein gesagt sind Polyolefine von vorwiegend
kristalliner Natur bevorzugt.
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Während in der Zeichnung ein völlig starres Presswrkzeug dargestellt
ist, ist es ohne weiteres möglich, in besonderen Fällen federnde oder elastische
Formelemente zu verwenden, um den Fluß des materials zu erleichtern, je nach der
Ausgestaltung und den sonstigen Änforderungen, die an den herzustellenden Gegenstand
gestellt werden und je nach dem Material, aus dem er geformt wird*
Auch
Schichtstoffe aus gleichem oder verschiedenem a.taterial und Gegenstände mit metallischen
oder anderen Einlagen lassen sich ohne weiteres erfindungsgemäß ausformen. Wrundsätzlich
lassen sich alle Arten von Gegenständen, wie sie aus festen, nicht verschäumten
Thermoplasten oder sogar aus körnigem oder plastifiziertem Material hergestellt
werden, auch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten, wobei dann der
Materialfluß während des Pressens besonders verbessert ist.
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Aufgrund ihrer zähen und sehr festen inneren Faserstruktur, die sich
aus dem Zusammenwirken der interzellularen Wände beim Verpressen ergibt, sind die
erfindungsgemäß hergestellten Produkte außerdem wesentlich besser als die nach den
bekannten Verfahren erzeugten.
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Patentansprüche