DE19637349A1

DE19637349A1 - Vorrichtung zum Sintern von schäumbarem Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE19637349A1
Application number: DE19637349A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Busse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1997-04-10

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sintern von schäumbarem Kunststoffmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Gesintertes blähfähiges Kunststoffmaterial, beispielsweise expandiertes Polystyrol, all gemein auch Partikelschaum, wird üblicherweise hergestellt durch Füllen eines Formhohl raums mit insbesondere vorgeblähten Kunststoffteilchen und Erhitzen der Form. Hierdurch blähen sich die Kunststoffteilchen auf, verdrängen die zwischen ihnen liegende Luft und versintern schließlich oberhalb einer Sintertemperatur. Beim anschließenden Abkühlen ver festigt sich der Kunststoff in dem geblähten Zustand und kann der Form entnommen wer den. Solche Kunststoffteile werden vielfältig eingesetzt, ein bekanntes Einsatzgebiet ist das Herstellen von Metallgußteilen, wobei hier das geblähte Kunststoffteil die früher verwendete Wachsform ersetzt. Aus der DE 32 43 632 A1 ist eine Vorrichtung zur Sinterung schäum barer Kunststoffe bekannt, bei der über Druck- und Temperaturgeber, die mit dem Inneren der Form in Verbindung stehen, der Schäum- und Sintervorgang überwacht wird. Sobald an den Druck- und Temperaturgebern ein Sollwert erreicht ist, wird ein Steuerungssignal aus gelöst, das einen nachfolgenden Prozeßschritt einleitet. Hierbei können auch mehrere Temperaturgeber und Druckgeber in der Form eingesetzt werden, wobei dann aus einem zeitlichen Verlauf der Differenz der Meßwerte auf die erreichte Schaumqualität geschlossen wird.

Aus der EP 0 224 103 B ist eine weitere Schäumvorrichtung bekannt, bei der durch den Einsatz von Druck- und Temperatursensoren in der Form auf die Qualität des eingesetzten Rohmaterials geschlossen wird, um dann diese Erkenntnisse bei einem anschließenden Arbeitszyklus zu verwerten.

In der EP 0 259 597 B wird eine Schäumvorrichtung beschrieben, bei der der zum Aufhei zen der Form verwendete Wasserdampf für ein gutes Schäumergebnis eng definierte Grenzen hinsichtlich seiner Temperatur und seiner Sättigung einzuhalten hat.

Bei einer aus der EP 0 192 054 B bekannten Vorrichtung wird aus einem Druck- und Temperaturverlauf in der Sinterkammer ein Erweichungszeitpunkt des Kunststoffes bestimmt. Nach diesem Erweichungszeitpunkt und einem dazugehörigen Sinterdruck oder eine Sintertemperatur wird eine maximale Entformungstemperatur bestimmt, unterhalb der das Kunststoffteil der Form entnommen werden kann. Hierdurch wird eine besonders schnelle Prozeßabfolge erreicht.

All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie zu qualitativ hochwertigen Sinterprodukten füh ren, wobei jedoch teilweise der Aufwand erheblich ist. Insbesondere kann es jedoch trotz der bekannten aufwendigen Steuerungen lokal zu unterschiedlichen Schaumqualitäten kommen, die die Gesamtqualität des geschäumten Teils beeinträchtigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schäumvorrichtung derart auszugestalten, daß ein geschäumtes Kunststoffteil möglichst gleichmäßiger Qualität und hieraus ein Guß teil mit geringen Toleranzen erhältlich ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung erreicht mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gelöst mit den kennzeichnenden Schritten des Anspruchs 13.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sintern von schäumbarem Kunststoffmaterial, wobei eine Form vorgesehen ist, die aus mehreren Formteilen besteht. Die Formteile sind zum Öffnen und Schließen der Form gegeneinander versetzbar, wobei meist im Betrieb ein Formteil festsitzt und beim Öffnen und Schließen nicht verschoben wird. Die Formteile haben Formwände, die einen Formhohlraum umschließen, der mit dem sinterbaren und schäumbaren Kunststoffmaterial füllbar ist. Im Betrieb erfolgt das Füllen vorzugsweise voll ständig, so daß beim Schäumen (Blähen) des Kunststoffmaterials dieses bereits jeden Winkel des Formhohlraums ausfüllt. Hierzu wird außerdem vorteilhaft bereits vorgeschäum tes Kunststoffmaterial eingesetzt. Die Formwände bilden eine Trennwand zwischen einer seits dem Formhohlraum und andererseits einer mit Dampf beaufschlagbaren Kammer (Dampfkammer), wobei durch Beaufschlagen der Dampfkammer mit Dampf der Formhohl raum erhitzbar ist. Zur besseren Erhitzung des Formhohlraums ist die zugehörige Form wand fein durchlöchert ausgebildet, so daß einerseits Dampf (und auch Flüssigkeiten, ins besondere Wasser) durch die Formwand hindurchtreten kann, das (auch noch nicht auf geschäumte) Kunststoffmaterial wird jedoch in dem Formhohlraum gehalten. Hierdurch kann der Dampf aus einer Dampfkammer durch die zugehörige Formwand hindurch in den Formhohlraum eindringen, so daß eine bessere Verteilung der Dampfenergie in dem Kunststoffmaterial stattfindet. Der Dampf (oder Kondensat) kann dann anschließend vor teilhaft wieder durch eine andere Formwand und die dazugehörige Dampfkammer aus treten, wobei dieser Dampfdurchtritt insbesondere wechselseitig zwischen den Dampf kammern durchgeführt wird. Hierdurch wird ein besonders gleichmäßiges Aufschäumen des Kunststoffmaterials erreicht.

Erfindungsgemäß sind mindestens drei Dampfkammern und entsprechend mindestens drei zugehörige Formwände vorgesehen. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die Erhitzung des Formhohlraums bzw. des hierin enthaltenen Kunststoffmaterial differenzierter durch führen, so daß ein gleichmäßiger geschäumtes Kunststoffteil erhalten wird, als mit den übli chen Schäumautomaten, die zwei Dampfkammern enthalten.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch derart ausgestaltet, daß höch stens eine, vorzugsweise keine der Dampfkammern eine Formhälfte praktisch vollständig umschließt (d. h. keine der Dampfkammern umschließt fünf Seiten des Formhohlraums, wenn dieser als Quader betrachtet wird). Entsprechend ist das Umgreifen des Formhohl raumes durch die Dampfkammern soweit reduziert, daß jede von diesen höchstens vier Seiten, vorzugsweise höchstens drei Seiten des Formhohlraums überdecken. Zur vollstän digen Beaufschlagung aller Seiten des Formhohlraums mit Dampf sind entsprechend eine oder mehrere weitere Dampfkammern angeordnet, die diese Aufgabe übernehmen. Mit einer solchen Ausführungsform wird erreicht, daß das Dampfkammervolumen deutlich reduziert ist gegenüber den bisherigen Ausführungsformen mit zwei Dampfkammern. Hier durch ist es möglich, eine Temperaturführung und die Dampfbeaufschlagung des Form hohlraums wesentlich genauer einzuhalten als im Stand der Technik. In einer besonderen Ausführungsform können die Dampfkammern auch so ausgebildet sein, daß höchstens eine, insbesondere keine Dampfkammer eine der anderen Dampfkammern umschließt. Auch hierdurch wird das Dampfkammervolumen klein gehalten und es ist möglich, das ent stehende Schaumteil sehr gezielt mit Wärme (Dampf) zu versorgen. In einer weiteren Aus gestaltung ist das Werkzeug, das sich aus den einzelnen Formteilen (Formwänden) zusammensetzt, in einer Umhausung angeordnet, die selbst nicht als Dampfkammer genutzt wird. Auch hierdurch wird das niedrige Dampfkammervolumen mit all seinen Vorteilen erreicht. Insbesondere lassen sich diese einzelnen Ausgestaltungen miteinander kombinieren.

Vorteilhaft ist mindestens eine der Dampfkammern als ein Schieber ausgebildet, das heißt hat eine Formkontur, die separat zur Schließbewegung des Werkzeugs beweglich ist. Hier durch wird erreicht, daß mit einfachen Mitteln eine Dampfkammer in das Werkzeug inte griert wird, da ein Schieber grundsätzlich schon die Form einer Kammer hat. Bevorzugt werden deshalb möglichst in vielen Schiebern Dampfkammern integriert, so daß vorteilhaft maximal vier und insbesondere maximal zwei der Dampfkammern in dem Werkzeug nicht als Schieber ausgebildet sind.

Der Anzahl der einzelnen Dampfkammern sind grundsätzlich nur Grenzen hinsichtlich der Machbarkeit gesetzt, vorteilhaft werden vier bis fünfzehn Dampfkammern und insbesondere fünf bis elf Dampfkammern in ein Werkzeug gesetzt. Unter Werkzeug ist hier das Einfach werkzeug zu verstehen, bei einem Werkzeug mit Formhohlräumen für zwei oder drei gleichzeitig herzustellende Schäumlinge sind die einzelnen hier beschriebenen Elemente entsprechend mehrfach anzulegen.

Zumindest die erste und die zweite Dampfkammer (die Hauptdampfkammern), vorteilhaft noch mindestens eine weitere und insbesondere der überwiegende Teil bis alle Dampf kammern verfügen über eine Regelung für die Dampfzufuhr, die es erlaubt, die Dampf zufuhr zu den einzelnen Dampfkammern individuell einzustellen für eine gezielte Erwär mung des Formhohlraums im Bereich der zugehörigen Formwand. Entsprechend sind auch mindestens die Hauptkammern, vorzugsweise jedoch auch (wie eben beschrieben) die weiteren Kammern mit Anschlüssen für Luft und/oder Wasser ausgerüstet, so daß auch diese Medien den einzelnen Dampfkammern individuell zuführbar sind. Je nach Aus führungsform können auch noch entsprechende Vakuumanschlüsse zum Evakuieren der Dampfkammern vorgesehen sein.

Vorteilhaft werden in einzelnen, insbesondere - wie oben ausgeführt - in mehreren oder allen Dampfkammern Schaumqualitätssensoren eingesetzt, die eine Schaumqualität, ins besondere die Schaumtemperatur, den Schaumdruck und/oder den Dampfdruck erfassen und zur individuellen Ansteuerung der zugehörigen Dampfkammer mit Dampf, Luft und/oder Wasser herangezogen werden. Die Schaumqualitätssensoren sind vorzugsweise in oder auf der Formwand untergebracht, wobei ein Schaumdrucksensor vorzugsweise so angeordnet ist, daß er einen Teil der dem Formhohlraum zugeordneten Seite der Form wand einnimmt, um so in direktem Kontakt mit dem zu schäumenden Kunststoffmaterial zu stehen. Der Schaumtemperatursensor ist vorteilhaft in der Formwand untergebracht und ein Dampfdrucksensor kann im Prinzip an jeder beliebigen Stelle innerhalb der Dampfkammer liegen. Über diese Qualitätssensoren wird im Betrieb zuerst der Dampf und später auch Luft und/oder Wasser individuell für die einzelne, zugeordnete Kammer oder auch für mehrere zugeordnete Kammern gesteuert. Mittels der Signale der Schaumqualitätssensoren kann auch eine Prozeßzeit beeinflußt werden, das heißt beispielsweise die Schäumzeit, in der das Kunststoffmaterial dem heißen Dampf ausgesetzt ist.

Die Vorrichtung dient insbesondere zur Herstellung von Teilen aus expandiertem Polystyrol. Vorteilhaft kommt die Vorrichtung zum Einsatz bei der Herstellung von Schaumkernen für die Fertigung von Gußteilen, insbesondere Aluminiumgußteilen und hier wiederum vorteil haft für die Herstellung komplexer Teile, die beispielsweise Motorblöcken von Verbren nungskraftmaschinen.

Das oben bereits erwähnte Verfahren führt zu einem Gußteil aus Metall, wobei das Gußteil eine definierte Form hat. Diese definierte Form wird durch das geschäumte Kunststoffteil bestimmt, die äußere Form des geschäumten Kunststoffteils und des Gußteils sind nahezu identisch. Zur Herstellung des Gußteils wird das geschäumte Kunststoffteil in ein festes, hitzebeständiges Material eingebettet, wobei insbesondere ein Sand (Gießereisand) zum Einbetten verwendet wird. Je nach Verfahren wird der Sand, beispielsweise durch Schütteln verdichtet. Anschließend wird flüssiges Metall auf das Kunststoffteil gegossen oder auch von unten oder von der Seite eingebracht, wobei das flüssige Metall den geschäumten Kunststoff verdampft und dessen Form einnimmt. Nachdem das Gußteil zumindest an den Außenbereichen unter den Schmelzpunkt des Metalls abgekühlt ist, kann das Gußteil aus dem hitzebeständigen Material entnommen werden.

Bei diesem Verfahren wird ein Gußteil nach dem sogenannten Lost-Foam-Verfahren her gestellt, bei dem ein geschäumter Kunststoffkern (insbesondere Partikelschaum), der im wesentlichen die Form des späteren Gußteils hat, in ein hitzebeständiges festes Material, insbesondere einen Sand, eingebettet wird. Anschließend wird flüssiges Metall entweder von oben auf den Kunststoffkern geschüttet oder von der Seite bzw. unten in die Form ein gebracht. Hierbei wird der Kunststoffkern verdampft und das flüssige Metall nimmt dessen Stelle ein, um nach dem Erkalten als Gußteil aus dem Sand entnommen zu werden. Der Sand erfüllt zweckmäßigerweise bestimmte Voraussetzungen, wie sie beispielsweise in der US-A 5, 355, 931 beschrieben sind.

Da das Metall, abgesehen von in der oben erwähnten US-A beschriebenen Effekten und abgesehen von eventuellen Wärmeschrumpfungen, im wesentlichen die Form des Kunst stoffschaumteils übernimmt, ist es wichtig, daß zur Herstellung von Gußteilen mit niedrigen Toleranzen auch das Kunststoffschaumteil in engen Toleranzen gefertigt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß nach dem Einfüllen des schäumbaren und sinter baren Kunststoffrohmaterials in einen Formhohlraum, der die Form des fertigen Kunststoff schaumteils bestimmt, dieser mittels Dampf gezielt erhitzt wird. Hierzu wird der Formhohl raum von mindestens zwei Formwänden begrenzt, die die Form des Formhohlraums bestimmen und die je mit mindestens einem Temperatur- und/oder Schäumdruck- und/oder Dampfdrucksensor ausgerüstet sind. Der Schäumdrucksensor steht mit dem Formhohlraum in Verbindung und bildet vorteilhaft einen Teil der zugehörigen Formwand und damit einen Teil der Kontur des Kunststoffschaumteils. Der Temperatursensor ist vorzugsweise in die Formwand integriert und liegt insbesondere nahe oder direkt an dem Kunststoffmaterial, um möglichst verzögerungsfrei dessen Temperatur zu erfassen. Ein Erfassen der Temperatur des Dampfes ist weniger genau. Der Dampfdrucksensor ist vorzugsweise in einer Dampf kammer angeordnet, die zu der Formwand gehört. Durch Beaufschlagen der Dampf kammern mit Dampf wird auch die Formwand erhitzt, wobei zu Beginn des Verfahrens der Dampf meist durch eine Vielzahl von Öffnungen in der Formwand hindurch in den Form hohlraum und in das Kunststoffmaterial hineingedrückt wird, um als Dampf oder Kondensat über entsprechende Öffnungen in einer anderen Formwand wieder auszutreten. Durch wechselseitiges Beaufschlagen der Formwände wird eine besonders gleichmäßige Erwär mung des Kunststoffmaterials erreicht. Zur endgültigen Versinterung des Kunststoffmate rials wird dann anschließend Dampf in alle Dampfkammern eingebracht, so daß dieser die zugehörige Formwand erhitzt, ohne wesentlich durch sie durchzutreten.

Das Kunststoffmaterial wird während seines Schäum- und Sintervorganges durch die Sen soren und eine zugehörige Steuerung überwacht, wobei vorzugsweise folgender Regel prozeß abläuft:

- wenn ein oder mehrere Signale von Sensoren, die zu einer Formwand gehören einen Sollwert kennzeichnen, dann wird über die Steuerung die Dampfzufuhr zu dieser Form wand bzw. der dazugehörigen Dampfkammer entsprechend vorbestimmter Parameter geändert, ohne den Schäum- und Sintervorgang selbst zu beenden;
- das gleiche gilt für Sollwertsignale von Sensoren weiterer Formwände;
- das Ende des Schäum- und Sintervorganges wird gekennzeichnet durch ein letztes Sollwertsignal einer letzten Formwand und/oder durch Ablauf einer vorbestimmten Maximalzeit und/oder durch Ablauf einer Vorgabe, die durch eines der Sollwertsignale ausgelöst wird.

Anschließend läßt man das geschäumte Kunststoffteil erkalten, wobei dieses vorzugsweise durch Abkühlen der Dampfkammern durch Einbringen von Wasser erfolgt. Nach dem Abkühlen des Kunststoffteils wird der Formhohlraum geöffnet und das Kunststoffteil ent nommen, das ggf. nach einer Zwischentrocknung und weiteren Prozeßschritten, wie bei spielsweise nach Bearbeitung, Zusammenkleben mit anderen Schaumkernen, Überziehen mit einer Schlichte etc. zum Gießen des Gußteils eingesetzt wird.

Grundsätzlich können hierbei alle Signale, die von irgendeinem Sensor irgendeiner Form wand (oder Dampfkammer) ausgehen, als letztes Signal gewertet werden. Dies hat zur Folge, daß sämtliche Sensoren, die eingesetzt werden, den ihnen zugeordneten Sollwert signalisieren müssen, um den Prozeß in einen nächsten Schritt überzuleiten. Es ist jedoch zweckmäßig entweder eine Auswahl der Sensoren vorzubestimmen, die als letzte Sensoren in Betracht kommen, und/oder eine Anzahl von Sensoren hierfür festzulegen. Der letzte Sensor ist dann derjenige, mit dessen Meldung die Auswahl bzw. Anzahl erreicht ist. So kann beispielsweise festgelegt werden, daß an bestimmten Formwänden (Dampfkammern) immer der Sollwert erreicht werden muß, und/oder daß eine bestimmte Zahl (beispielsweise sieben von zehn eingesetzten Sensoren) der Sensoren den Sollwert erreicht haben muß, um in den nächsten Schritt überzuleiten. Hierbei können außerdem noch unterschiedliche Sensoren berücksichtigt werden, das heißt beispielsweise ist es möglich, das Kriterium des letzten Sensors auf Sensoren für die Temperatur und/oder den Dampfdruck zu legen, wo hingegen Schäumdrucksensoren zwar auch bei Erreichen des Sollwertes zu einer entspre chenden Beeinflussung der Dampfzufuhr zu der zugehörigen Dampfkammer führen, selbst jedoch nicht oder unter anderen Bedingungen als letzte Sensoren gewertet werden.

Den Kriterien des letzten Signals kann auch eine Zeitsteuerung übergelagert sein, so daß entweder das letzte Signal oder ein vorgegebener Zeitablauf oder beide zusammen erfüllt sein müssen, damit der nächste Schritt eingeleitet wird. Weiterhin kann auch noch eine Vorgabe dem letzten Signal bzw. der Zeitsteuerung übergelagert sein, wobei diese Vorgabe wiederum mit den Sensorsignalen verknüpft ist. Dies ermöglicht dann eine Steuerung der art, daß wenn ein oder mehrere vorbestimmter Sensoren einen Sollwert erreichen, bei spielsweise eine Zeitvorgabe ausgelöst wird, die wiederum wie oben beschrieben mit den Sollwertsignalen verknüpft werden kann. Zusätzlich oder anstatt einer solchen Zeitvorgabe kann auch eine bestimmte Auswahl an Sensoren durch die Vorgabe ausgewählt werden, die dann hinsichtlich des letzten Signals abgefragt werden. Schließlich kann auch noch als Vorgabe eine Veränderung des Sollwertes bei einem oder mehreren der vorhandenen Sen soren festgelegt werden.

Der Begriff "Sollwert" steht hier nicht nur für einen einzelnen Wert, sondern beinhaltet auch einen zeitlichen Verlauf des Meßwertes (des Sensorsignals) bzw. kann durch einen zeitli chen Verlauf des Meßwertes bestimmt sein.

Durch diese Verfahrensweise wird erreicht, daß der Schäumprozeß besonders gleichmäßig und/oder definiert vollzogen durchgeführt wird. Vorzugsweise werden mit dem Verfahren drei bis fünfzehn Dampfkammern angesteuert. Entsprechend werden bei dem erfindungs gemäßen Verfahren vorzugsweise Signale von Sensoren von mindestens drei Form wänden, die individuell mit Dampf beaufschlagbar sind, zur Beaufschlagung dieser Form wände individuell mit Dampf verarbeitet.

Bevorzugt wird das Verfahren derart durch geführt, daß der Verlauf der Temperatur an der Formwand, der Schäumdruck und/oder der Dampfdruck nach Erreichen des Sollwertes in etwa konstant, das heißt bei +/- 10% und insbesondere bei +/- 5%, bei der Temperatur auf +/- 10 K und insbesondere auf +/- 5 K, gehalten wird. Hierdurch wird wiederum erreicht, das der Schäumling ausgesprochen homogen ist, das heißt er ist praktisch in all seinen Berei chen genügend geschäumt und gesintert und nirgends überhitzt. Mit den bisherigen Ver fahren, bei denen beispielsweise auch sehr aufwendig das Schäumende aus einem Kurvenverlauf, beispielsweise des Schäumdrucks oder der Temperatur, ermittelt wird, ist eine solche gleichmäßige Schäumung nur selten zu erreichen. Dennoch können die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren, die beispielsweise bestimmte Dampftempera turen beinhalten bzw. das Schäumende aus einem Kurvenverlauf ermitteln, mit der vor liegenden Verfahrensweise kombiniert werden. So können auch bei der vorliegenden Erfin dung aus einem zeitlichen Verlauf von Schaumqualitätsmeßwerten (insbesondere Schäum druck bzw. Temperatur) steuerungsrelevante Größen (Zeiten, Drücke) hergeleitet werden, die mit für die Steuerung des Prozesses (den Fortgang des Prozesses) herangezogen wer den. Diese neuen steuerungsrelevanten Größen können beispielsweise zu einer Verände rung von Sollwerten (auch an dem Sensor, an dem die Schaumqualitätsmeßwerte ab gefragt werden) verwendet werden, auch eine Überlagerung im Sinne einer Prozeßzeit (wie oben beschrieben) ist möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Schäum- und Sintervorrichtung; und

Fig. 2 ein Diagramm mit Druck- und Temperaturverläufen in Dampfkammern.

Ein Schäumautomat 1 ist aufgebaut aus einem ersten Werkzeugteil 2 und einem zweiten Werkzeugteil 3, die eine Schäum- und Sinterkammer 4 umschließen, die die Form eines Motorblocks (zwei Zylinder) hat. In dem ersten Werkzeugteil 2 sind zwei Schieber 5 und 6 angeordnet, die über Stellglieder 7 und 8 separat zu einer Schließbewegung des Werk zeugs 1, 2 beweglich sind. Das Werkzeug 1, 2 selbst ist über ein Stellglied 9, das auf das zweite Werkzeugteil 3 wirkt, zu Öffnen und schließbar, das erste Werkzeugteil 2 ist ortsfest montiert. In das zweite Werkzeugteil 3 ist ein Füllrohr 10 eingesetzt, über das gesteuert von einem Ventil 11 und gefördert von einer Pumpe 12 aus einem Vorratsbehälter 13 vor geblähtes Polystyrol in die Sinterkammer 4 eingefüllt wird. Die Sinterkammer 4 wird hierbei randvollgefüllt, wobei die Schieber 5 und 6 bereits in die Sinterkammer 4 eingefahren sein können oder nach dem Füllvorgang eingeschoben werden.

In dem zweiten Werkzeugteil 3 sitzt eine Dampfkammer 15, in dem ersten Werkzeugteil 2 sind eine Vielzahl von Dampfkammern 16-20 vorgesehen, wobei noch (ober- und unter halb der Bildebene) über bzw. unterhalb der Sinterkammer 4 je noch eine weitere (nicht dargestellte) Dampfkammer liegt. Außerdem ist jeder Schieber 5, 6 als Dampfkammer 21 22 ausgebildet. Die Dampfkammern umschließen die Sinterkammer 4 praktisch ringsum. Von den Dampfkammern führt eine Vielzahl kleiner Kanäle 23 in das Innere der Sinter kammer 4. Außerdem ist jede Dampfkammer mit Sensoren 24 bestückt, die mit einer Steue rung 25 verbunden sind. Über die Sensoren 24 werden die im Bereich jeder einzelnen Dampfkammer herrschende Temperatur an der Sinterkammer 4, der dort herrschende Schäumdruck sowie der in der Sinterkammer vorliegende Dampfdruck an die Steuerung 25 weitergegeben, die mit Ventilmitteln 26 verbunden 27 ist, die entsprechend den Steuer befehlen aus der Steuerung 25 jede einzelne Dampfkammer mit Dampf Luft oder Kühl wasser versorgen bzw. diese Medien entsorgen. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise gezielt Dampf von einer oder mehreren Dampfkammern zu einer oder mehreren anderen Dampfkammern durch die Sinterkammer 4 und den hier eingebrachten Kunststoff hindurch zuführen sowie auch alle Dampfkammern mit unterschiedlichen Dampfdrücken zu ver sehen, um entsprechend der Geometrie der Sinterkammer eine möglichst gleichmäßige Schaumqualität innerhalb der Sinterkammer zu erreichen.

Durch die Übermittlung der einzelnen Parameter von den einzelnen Dampfkammern an die Steuerung 25 ist es möglich, einzelne Bereiche der Sinterkammer (über die dazugehörigen Dampfkammern) im Schäumprozeß zu kontrollieren und dahingehend zu beeinflussen, daß beispielsweise in einzelnen Bereichen der Schäumdruck nicht weiter erhöht wird, bis auch in anderen Bereichen der Schäumdruck genügend weit fortgeschritten ist. Ein solches Ver fahren wird im folgenden beschreiben.

In dem Beispiel werden alle Dampfkammern gleichzeitig mit Dampf beaufschlagt. In einem (nicht dargestellten) Schäumautomaten sind um eine Sinterkammer herum vier Dampf kammern angeordnet, die ausgebildet sind, ein in die Sinterkammer angebrachtes schäum- und sinterbares Kunststoffmaterial zum Schäumen und Sintern zu erhitzen. Die vier Dampf kammern sind individuell ansteuerbar und sind ausgerüstet mit eigenen Zuleitungen für Dampf, Wasser und Luft sowie Entsorgungsleitungen für diese Medien. Jede Dampf kammer ist außerdem ausgerüstet mit einem Temperatursensor, der in einer Formwand angeordnet ist, die die Dampfkammer von der Sinterkammer trennt. Hierdurch mißt der Temperatursensor im wesentlichen die Temperatur des mit der Formwand in Kontakt stehenden Kunststoffschaums. Weiterhin sitzt in jeder Formwand ein Schäumdrucksensor der den Druck des sich expandierenden Kunststoffschaums auf die jeweilige Formwand aufnimmt. In jeder Dampfkammer selbst ist ein Dampfdrucksensor angeordnet zur Ermitt lung des jeweils an der zugehörigen Formwand vorherrschenden Dampfdruckes.

In einer Steuerung wird ein Sollwert für jeweils die Temperatur ST, den Schäumdruck SSD und den Dampfdruck SDD für jede Dampfkammer DK1-4 individuell vorgegeben. Die Steuerung ist hierbei derart programmiert, daß wenn einer der Sollwerte S in einer der Dampfkammern DK erreicht ist, sie den Dampfdruck zu der jeweiligen Dampfkammern DK derart beeinflußt, daß der erreichte Sollwert innerhalb geringer Toleranzen beibehalten wird. Hierdurch ergibt sich für die Temperatur (durchgezogene Kurve), den Schäumdruck (Strichpunktkurve) und den Dampfdruck (gestrichelte Kurve) ein Verlauf derart, daß dieser von einem Grundwert (Raumtemperatur, Umgebungsdruck) je nach weiteren Vorgaben in der Steuerung steiler oder flacher auf den Sollwert S ansteigen, um dann auf diesem zu verharren. Dies wird für alle vorgegebenen Werte bei den Dampfkammern DK1 und DK2 bei x erreicht, bei den Dampfkammern DK3 und DK4 würde der Schäumdruck SD den zugehörigen Sollwert SSD erst außerhalb des Prozeßschrittes erreichen (I), dessen Ende mit t_PS gekennzeichnet ist. Das Ende des Prozeßschrittes t_PS des Bedampfens der Dampfkammern und damit des Schäumens und Sinterns des Kunststoffmaterials wird der Steuerung signalisiert durch Erreichen (o) des Sollwertes der Temperatur ST4 in der Dampfkammer DK4. Ferner ist noch eine Zeitsteuerung t_max vorgesehen. Das Ende des Prozeßschrittes t_PS wird also erreicht, wenn entweder in allen Dampfkammern DK die Temperatur T und der Dampfdruck DD die zugehörigen Sollwerte S erreicht haben oder wenn die Maximalzeit für den Prozeßschritt t_max abgelaufen ist. Die Schäumdrücke SD spielen nur insofern eine Rolle, als daß sie ihre Sollwerte SSD nicht überschreiten sollen, ein Nichterreichen dieser Sollwerte ist verhältnismäßig unkritisch.

Mit diesen Vorgaben für die Steuerung wird ein sehr gleichmäßig geschäumtes Kunststoff teil bei einer sehr kurzen, meist unterhalb der maximalen Prozeßzeit liegenden Schäumdauer erreicht. Wie in der Fig. 2 nach unten gestrichelt angedeutet ist, kann die ses Verfahren auf praktisch beliebig viele Dampfkammern DK erweitert werden, wobei wiederum jede Dampfkammer nahezu optimal hinsichtlich der erforderlichen Dampfmenge für den an der jeweiligen Kammer stattfindenden Schäumprozeß angesteuert werden kann.

Das Verfahren ist auch in einem Bedampfungsschritt anwendbar, bei dem nur eine oder ein zelne Dampfkammern mit Dampf beaufschlagt werden und eine oder weitere andere Dampfkammern der Aufnahme von Dampf und Kondensat dienen und diese Abführen. Nach dem Ende der Bedampfung schließen sich die verfahrensüblichen Schritte des Abkühlens (Einbringen von Wasser in die Dampfkammern), das Entformen und das Ein setzen des Schaumstoffkörpers in eine mit Sand gefüllte Gießbox an, in der dann das Gußteil, vorteilhaft ein Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, gegossen wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Sintern von schäumbarem Kunststoffmaterial in einem, dem Kunst stoffmaterial eine bestimmte Form gebenden Formhohlraum, mit
Formwänden, die den Formhohlraum bilden, der mit dem sinterbaren und schäum baren Kunststoffmaterial füllbar ist,
einer ersten mit Dampf beaufschlagbaren Kammer, die durch eine erste Formwand begrenzt ist, deren von der ersten Kammer abgewandte Seite einen ersten Teil des Formhohlraums bildet,
einer zweiten mit Dampf beaufschlagbaren Kammer, die durch eine zweite Formwand begrenzt ist, deren von der zweiten Kammer abgewandten Seite einen zweiten Teil des Formhohlraums bildet,
der Formhohlraum ist durch Versetzen der einen der Kammern bezüglich der anderen oder beider Kammern zu Öffnen bzw. zu Schließen,
der Formhohlraum ist durch Beaufschlagen mindestens einer der Kammern mit Dampf erhitzbar auf eine Temperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufschäumt und sintert,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine weitere mit Dampf beaufschlagbare Kammer (16, 17, 19-22), die durch eine weitere Formwand (29, 30, 32-35) begrenzt ist, deren von der weiteren Kammer (16, 17, 19-22) abgewandten Seite einen weiteren Teil des Formhohlraums (4) bildet, vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens eine, ins besondere keine der mit Dampf beaufschlagbaren Kammern (15-22) eine der ande ren mit Dampf beaufschlagbaren Kammern (15-22) umschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf kammern (15; 16-22) in mindestens zwei Werkzeugteilen (3; 2) untergebracht sind, und daß mindestens ein Werkzeugteil (2; 3) eine Umhausung (36; 37) für die Dampf kammern (16-22; 15) bildet, die selbst nicht als Dampfkammer ausgebildet bzw. genutzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß mindestens eine der mit Dampf beaufschlagbaren Kammern (21, 22) als Schie ber (5, 6) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß maximal vier, insbeson dere zwei der mit Dampf beaufschlagbaren Kammern nicht als Schieber ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu fünfzehn mit Dampf beaufschlagbarer Kammern (15-22) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste (18) und zweite (15) Kammer, insbesondere noch minde stens eine der weiteren Kammern (16, 17, 19-22) über eine Regelung (25) für die Dampfzufuhr (26) verfügen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste (18) und zweite (15) Kammer, insbesondere noch minde stens eine der weiteren Kammern (16, 17, 19-22) auch mit Luft und/oder Wasser beaufschlagbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, insbesondere alle der Formwände (28-35) durchlöchert sind, und daß zumindest die erste (18) und zweite (15) Kammer, insbesondere noch mindestens eine der weiteren Kammern (16, 17, 19-22) über einen Ablauf für durch die zugehö rige durchlöcherte Formwand (28-35) empfangenes Wasser und/oder Dampf verfü gen.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu mindestens zweien, insbesondere mindestens dreien der mit Dampf beauf schlagbaren Kammern (15-22) je mindestens ein Schaumqualitätssensor (24) zu geordnet ist, über die die Beaufschlagung mit Dampf, Luft und/oder Wasser für die jeweils zugehörige Kammer individuell beeinflußbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumqualitäts sensoren (24) den Schaumdruck und/oder die Schaumtemperatur erfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Signale der Schaumqualitätssensoren (24) auch eine Prozeßzeit beeinflußbar ist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Gußteils aus einem Metall mit einer bestimmten Form mit den Schritten:

Herstellen eines geschäumten Kunststoffteils, das eine Form hat, die die Form des Gußteils bestimmt;
Einbetten des Kunststoffteils in ein festes, hitzebeständiges Material;
Einbringen des Metalls in flüssigem Zustand in das Kunststoffteil;
Substituieren des Kunststoffteils durch das Metall unter Bildung des Gußteils;
Abkühlenlassen des Gußteils zumindest an dessen Außenbereichen auf eine Tempe ratur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls; und
Entnehmen des abgekühlten Gußteils aus dem hitzebeständigen Material, gekennzeichnet durch die Schritte:

Einfüllen von schäumbarem und sinterbarem Kunststoffmaterial in einen Formhohl raum, der die Form des Kunststoffteils bestimmt und mindestens drei separat mit Dampf beaufschlagbare Formwände hat;
Beaufschlagen der mindestens drei Formwände wechselseitig oder gleichzeitig mit Dampf;
Erhitzen der mindestens drei Formwände und des Kunststoffmaterials mit dem Dampf;
Schäumen und Sintern des Kunststoffmaterials durch das Erhitzen unter Bildung des geschäumten Kunststoffteils;
Abkühlenlassen des geschäumten Kunststoffteils;
Öffnen des Formhohlraums; und
Entnehmen des geschäumten Kunststoffteils für Schritt 2.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Dampf kammern vorgesehen sind, die durch je eine der Formwände begrenzt sind, und daß der Dampf zum Beaufschlagen der Formwände in die zugehörigen Dampfkammern eingebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Dampfkammern ein Schieber ist, der separat zum Öffnen des Formhohlraums aus dem abgekühlten beschäumten Kunststoffteil gezogen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens eine, insbesondere keine der Dampfkammern eine oder mehrere der anderen Dampf kammern umschließt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß höch stens eine, insbesondere keine der Dampfkammern eine Umhausung für eine oder mehrere der anderen Dampfkammern ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen der Formwände mit Dampf an mindestens drei Formwänden getrennt geregelt erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß min destens drei der Formwände mit Luft und/oder Wasser zum Abkühlen beaufschlagt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung einzelner Formwände mit Dampf individuell entsprechend von Signa len von den jeweiligen Formwänden zugeordneten Schaumqualitätssensoren erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Schaumquali tätssensoren der Schaumdruck und/oder die Schaumtemperatur erfaßt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Signale der Schaumqualitätssensoren auch eine Prozeßzeit beeinflußt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-22, gekennzeichnet, durch die Schritte:
Einfüllen von schäumbarem und sinterbarem Kunststoffmaterial in einen Formhohl raum, der die Form des Kunststoffteils bestimmt und mindestens drei separat mit Dampf beaufschlagbare Formwände hat, die je mit mindestens einem Temperatur- und/oder Schäumdruck- und/oder Dampfdrucksensor korrespondieren;
Schäumen und Sintern des Kunststoffmaterials durch das Erhitzen unter Bildung des geschäumten und gesinterten Kunststoffteils in Abhängigkeit von Signalen aus den Sensoren derart, daß

- wenn ein oder mehrere Signale von Sensoren einer Formwand einen Sollwert erreicht haben, dann wird über eine Steuerung, die die Signale der Sensoren emp fängt und die Dampfzufuhr beeinflußt, die Dampfzufuhr zu dieser Formwand ent sprechend vorgegebenen Parametern geändert,
- eine entsprechende Veränderung der Dampfzufuhr erfolgt auch an den anderen Formwänden bei Signalen derer Sensoren,
- bis von einem Sensor ein letztes Signal (o, ST4) an die Steuerung gelangt, und/oder bis eine Maximalzeit (t_max) abgelaufen ist, und/oder bis eine Vorgabe abgelaufen ist, die durch Erreichen eines der Sollwerte (S) initiiert wird, an schließend Abkühlenlassen des gesinterten und geschäumten Kunststoffteils.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß Signale von mindestens der Temperatur und dem Dampfdruck in der Steuerung verwendet werden.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebe nen Parameter derart sind, daß der erreichte Sollwert bei Drücken innerhalb von +/- 10%, insbesondere innerhalb von +/- 5% und/oder bei der Temperatur innerhalb von +/- 10 K und insbesondere innerhalb von +/- 5 K gehalten wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem zeitlichen Verlauf der oder einzelner Signale steuerungsrelevante Größen her geleitet werden, die zur Steuerung des weiteren Prozesses herangezogen werden.