DE19741065C2

DE19741065C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Formfixierung eines Werkstückes aus plastischen Massen

Info

Publication number: DE19741065C2
Application number: DE1997141065
Authority: DE
Inventors: Desiderius Zirbus
Original assignee: ZIRBUS APP und MASCHB GmbH
Current assignee: ZIRBUS APP und MASCHB GmbH
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2017-09-19
Also published as: DE19741065A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formfixierung eines Werkstückes, insbesondere von dünnwandigen Keramikkörpern mit Materialstärken bis kleiner 1 mm, das mittels einer Extru derpresse geformt wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch führung des obigen Verfahrens.

Bei vielen Werkstücken ist es erwünscht, eine geringe Materi aldicke zu erreichen. Dem steht entgegen, dass das Werkstück nach der Formgebung aufgrund des Eigengewichtes einer Verfor mung unterliegt.

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft für dünnwandige, instabil ausgepresste Keramik erläutert; die Erfindung ist aber auch für andere Werkstücke anwendbar. Dünnwandige Werkstücke aus Keramik sind bisher nur begrenzt herstellbar. Die Herstellung ist mit sehr hohen und konstruktiven maschi nenmäßigen Aufwand verbunden.

So muss die Feuchte des Materials erheblich herabgesetzt wer den, um eine Stabilität nach dem Auspressen aus einer Vakuum strangpresse zu erzielen. Dies hat einen hohen Abrieb mit entsprechendem Energieaufwand zur Folge. Weiterhin tritt ein hoher Verschleiß an den Schnecken der Vakuumstrangpresse bei entsprechender Wärmeentwicklung auf.

Bedingt durch diese Wärmeentwicklung ist auch eine Maßhaltig keit zumeist nicht gegeben, da die bei der Trocknung auftre tende Schwindung nicht exakt bestimmbar ist.

Dünnwandige Rohre sind bisher nur schwer herstellbar. Durch das Eigengewicht findet eine Verformung nach dem Auspressen statt, so dass das Rohr seine Form verliert und unbrauchbar wird. Es ist bekannt, Rohre senkrecht auszupressen und diese aushängen zu lassen, bis eine Oberflächentrocknung und damit Stabilisierung erfolgt ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass bedingt durch das Aushängen Materialfluss entsteht, aufgrund dessen die Materialstärke in Längsrichtung des Roh res differiert.

Aus der EP 0 098 119 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei nes keramischen Rohres bekannt, dass in einer Extruderpresse stranggepresst und durch einen Härtevorgang formfixiert wird. Das in der Extruderpresse geformte Keramikrohr wird unmittel bar nach dem Extrudieren mit Temperaturen zwischen 300-800 °C zur Formfixierung gehärtet. Bei niedrigeren Temperaturen kommt es dabei zu größeren Abweichungen im Durchmesser bzw. der Wandstärke, die unerwünscht sind. Bei höheren Temperatu ren kommt es zu einer zu schnellen Verdampfung der Feuchtig keit des Materiales des Werkstückes, was mit einer uner wünschten Blasenbildung verbunden ist. Weiterhin kann es zu einer erwünschten Karbonisierung von dem Material zugefügten organischen Substanzen kommen. Um eine unerwünschte Deforma tion infolge von Schwindung zu verringern, wird während des Erhitzens und Aushärtens des Rohres ein unter Druck stehendes Gas in das Innere des Rohres eingeleitet.

Damit ist das bekannte Verfahren relativ aufwendig und mit den oben genannten Nachteilen verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das bekannte Verfahren so zu verbessern bzw. ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Trocknung und gegebenenfalls eine Resttrocknung mit relativ einfa chen Mitteln und auch bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des An spruches 1 dadurch gelöst, dass das Feuchte enthaltende Werk stück unmittelbar in eine Vakuumkammer ausgepresst und über einen werkstoff- und werkstückabhängigen Zeitraum einem Un terdruck so lange ausgesetzt wird, bis das Werkstück zumin dest teilweise tiefgefroren ist.

Das Feuchte enthaltende Werkstück, bzw. der jeweilige Teil des Werkstückes, wird unmittelbar in ein Vakuum ausgepresst. Bedingt durch die entzogene Verdampfungsenergie erfolgt ein Einfrieren und damit eine Formfixierung. Die Formstabilität wird bei diesem Verfahren gerade durch seine niedrigen Tempe raturen gewährleistet. Die erst später durchzuführende Rest trocknung kann dabei ebenfalls bei relativ niedrigen Tempera turen durchgeführt werden, so dass die mit hohen Temperaturen verbunden Probleme, wie zu schnelles Austrocknen und Karboni sieren, vermieden werden.

Der Unterdruck wird derart gewählt, dass die Feuchte in dem Werkstück verdampft. Bedingt durch diese Verdampfung wird E nergie freigesetzt, die Verdampfungsenergie, wodurch das Werkstück rasch abgekühlt wird. Es erfolgt ein Einfrieren des Werkstückes, beginnend an der Oberfläche. Der Unterdruck wird über einen werkstoff- und werkstückabhängigen Zeitraum so lange aufrecht erhalten, bis das Werkstück zumindest teilwei se, beispielweise an der Oberfläche, tiefgefroren ist. Dadurch wird das Werkstück fixiert und kann anschließend einer Resttrocknung zugeführt werden.

Der Unterdruck wird in einer Vakuumkammer bereitgestellt, in die das Werkstück unmittelbar nach seiner Formgebung eingebracht wird. Soll beispielsweise ein Rohr mittels einer Extruderpresse hergestellt werden, ist die Vakuumkammer direkt an dem Mundstück der Extruderpresse angeordnet. Nach dem Austritt aus dem Mundstück wird das Rohr damit tiefgefroren und stabilisiert sich. Das Rohr kann somit auch waagerecht ausgepreßt werden. Die Länge der Vakuumkammer ist dabei der gewünschten Länge des Werkstückes angepaßt.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist weiterhin, daß die Feuchte des Materials nicht herabgesetzt werden muß; es kann beispielsweise durchaus mit Feuchten von 20% bis 30% und darüber gearbeitet werden. Dadurch wird der Abrieb und Verschleiß an den Schnecken verringert.

Eine Resttrockeneinrichtung ist der Vakuumkammer nachgeordnet, in der die Resttrocknung erfolgt, worauf später eingegangen wird.

Der Unterdruck in der Vakuumkammer kann 0,5 mbar bis 0,1 mbar betragen. Es ergibt sich dann aufgrund der Verdampfung der Feuchte eine Temperatur von -20°C bis -40°C. Diese Temperaturen sorgen für eine rasche Abkühlung und stellen somit eine schnelle Fixierung sicher.

Zwischen der Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe kann ein Kondensator mit tiefen Temperaturen, insbesondere -40°C bis -196°C, vorgesehen sein. Der Kondensator dient dazu, den sehr hohen Wasserdampfanteil während der Trocknung zu entfernen. Die nachgeschaltete Vakuumpumpe braucht somit lediglich nicht kondensierbare Dämpfe und Leckagen abzupumpen, wodurch die Leistungsbilanz erheblich verbessert wird.

Die Resttrocknung in der Resttrockeneinrichtung kann in einem Warmluft- oder Lufttrockner, unter Unterdruck oder Verdampfung von sich im Werkstück befindlichen Eises unter Umgehung der Flüssigkeitsphase erfolgen, also in einem Gefriertrockner. Es ist natürlich auch möglich, bei ein und demselben Werkstück verschiedene Resttrocknungsverfahren anzuwenden.

Wird der sich ergebene Trocknungsgrad als ausreichend erachtet, so kann die Trocknung in dem Warmlufttrockner oder einem Lufttrockner erfolgen. Dabei tritt die übliche Schwindung des Materials auf.

Eine Verringerung der Schwindung kann erreicht werden, wenn das Werkstück der Vakuumtrocknung mit sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird. Da auch mit geringer Wärme eine Sublimation nicht möglich ist, kommt es zu einer Antauung des Produktes.

Mittels der Gefriertrocknung ist eine Resttrocknung ohne Schwindung möglich. Dabei wird das sich in dem Material bzw. Werkstück befindliche Eis unter Umgehung der Flüssigkeitsphase verdampft. Es hat sich herausgestellt, daß eine Temperatur bei der Gefriertrocknung von -40°C bis -80°C gute bis sehr gute Ergebnisse liefert.

Nach der Resttrocknung kann dann ggf. das Werkstück gebrannt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin die Struktur des Materials verändert werden, wodurch das spezifische Gewicht des Endmaterials variiert werden kann. Die Porosität kann über den Feuchtegehalt des Materials eingestellt werden. Weiterhin wird die Größe der Eiskristalle im Material durch die Temperatur in der Vakuumkammer bestimmt. Durch eine Vergrößerung des Feuchtegehaltes des Ausgangsmaterials und entsprechender Wahl der Temperatur in der Vakuumkammer, welche stets materialbezogen zu ermitteln ist, wird eine Vergrößerung der Porosität und damit eine Verringerung des spezifischen Gewichtes des Endproduktes erreicht und umgekehrt.

Es besteht somit auch die Möglichkeit, in die Poren ein anderes Material einzubringen, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.

In der Figur ist eine Extruderpresse 1 mit einem Mundstück 2 angedeutet, dem sich eine Vakuumkammer 3 unmittelbar anschließt. Der Vakuumkammer 3 zugeordnet ist ein Kondensator 4 und eine Vakuumpumpe 5. Weiterhin ist ein Meßgerät 6 vorgesehen.

Plastisches Material wird gemäß einem Pfeil 7 durch die Extruderpresse 1 transportiert und aus dem Mundstück 2 direkt in die Vakuumkammer 3 gepreßt. In der Vakuumkammer 3 herrscht ein Druck von 0,5 mbar bis 0,1 mbar, wodurch sich eine Temperatur von -20°C bis -40°C ergibt. Das Material bzw. Werkstück wird somit unmittelbar nach dem Mundstück 2 tiefgefroren und fixiert.

Der Kondensator 4, der eine Temperatur zwischen -40°C und -196°C aufweist, entfernt den Wasserdampfanteil, so daß die Vakuumpumpe 5 lediglich nicht kondensierbare Dämpfe und Leckagen abzupumpen hat.

Ist in der Vakuumkammer 3 der gewünschte Enddruck erreicht, so ist das tiefgefrorene Werkstück entnehmbar. Dafür wird die Vakuumkammer 3 belüftete.

Das tiefgefrorene Werkstück wird nun einer Resttrockeneinrichtung 8 zugeführt, wie es durch einen Pfeil 9 symbolisiert ist.

Die Resttrockeneinrichtung 8 besteht aus einem Gefriertrockner, in dem eine Verdampfung von sich im Werkstück befindlichen Eises unter Umgehung der Flüssigkeitsphase erfolgt. Dadurch wird ein Schwund des Werkstückes vermieden und eine hohe Maßgenauigkeit sichergestellt.

Aber auch ein Warmluft- oder Lufttrockner oder ein Vakuumtrockner kann die Resttrockeneinrichtung 8 aufweisen.

Nach der Resttrocknung kann ein Brennen des Werkstückes erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Extruderpresse

2

Mundstück

3

Vakuumkammer

4

Kondensator

5

Vakuumpumpe

6

Meßgerät

7

Pfeil

8

Resttrockeneinrichtung

9

Pfeil

Claims

1. Verfahren zur Formfixierung eines Werkstückes, insbeson dere von dünnwandigen Keramikkörpern mit Materialstärken bis kleiner 1 mm, dass mittels einer Extruderpresse geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchte enthaltende Werk stück unmittelbar in eine Vakuumkammer ausgepresst und über einen werkstoff- und werkstückabhängigen Zeitraum einem Un terdruck solange ausgesetzt wird, bis das Werkstück zumindest teilweise tiefgefroren ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck 0,5 mbar bis 0,1 mbar beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resttrocknung in einem Warmluft- oder Lufttrockner erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resttrocknung im Unterdruck erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resttrocknung durch Verdampfung von sich im Werk stück befindlichem Eis unter Umgehung der Flüssigkeitsphase erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Va kuumkammer (3) vorgesehen ist, die sich unmittelbar an eine Extruderpresse (1) anschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vakuumkammer (3) und einer Vakuumpumpe (5) ein Kondensator (4) mit tiefen Temperaturen, insbesondere -40°C bis -196°C, vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, dass eine Resttrockeneinrichtung (8) vorgesehen ist, die einen Warmluft- oder Lufttrockner aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, dass eine Resttrockeneinrichtung (8) vorgesehen ist, der ein Vakuumtrockner zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, dass eine Resttrockeneinrichtung (8) vorgesehen ist, die einen Gefriertrockner aufweist.