DE19921673A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren KunststoffteilchenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, wobei günstigerweise bereits vorexpandierte Kunststoffteilchen verwendet werden. Mit der Erfindung sollen Möglichkeiten vorgeschlagen werden, um den Energie- und den Wasserverbrauch zu verringern. Erfindungsgemäß wird hierfür die Innenwandung einer Dampfkammer mit einer Wärmedämmung versehen oder ein entsprechendes wärmedämmendes Material als Kammerwandung verwendet und außerdem an den Rückwandplatten Feinstsprühköpfe zur Kühlung von Formwerkzeug und Formkörper angeordnet. Die Feinstsprühköpfe können auch durch Dampfkammerrahmen in die Dampfkammer geführt werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver
fahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandier
baren Kunststoffteilchen, wobei günstigerweise be
reits vorexpandierte Kunststoffteilchen verwendet
werden.
Solche Kunststoffteilchen werden in ein Formwerkzeug
über eine zentrale Befülleinrichtung eingebracht,
dessen innere Formkontur dem zu fertigenden Formkör
per entspricht und nach dem Einbringen mittels Dampf
sowohl das Formwerkzeug, wie auch durch Öffnungen im
Formwerkzeug die im Formwerkzeug enthaltenen Kunst
stoffteilchen erwärmt werden und diese aufschäumen
und miteinander verschweißen, so daß ein relativ
leichter Formkörper gebildet wird. Um den so herge
stellten Formkörper ohne Beschädigung aus dem in der
Regel aus mindestens zwei Teilen gebildeten Formwerk
zeug zu entnehmen, ist ein Blähdruckabbau des aufge
schäumten und verschweißten Formkörpermaterials durch
eine Abkühlung erforderlich. Vor dieser Abkühlung
wird häufig auch eine Druckverringerung in einer das
Formwerkzeug umschließenden Dampfkammer durchgeführt,
um Restdampf sowohl der Dampfkammer, wie auch dem
Formwerkzeug und demzufolge auch dem Formkörper zu
entziehen. Gleichzeitig werden selbstverständlich
auch während des Aufschäumens gebildete Restgase ab
gezogen.
Für die Abkühlung während dieser Stabilisierungsphase
wird normalerweise ein großes Wasservolumen verwen
det, das auf die Außenwand des Formwerkzeuges ge
sprüht bzw. gespritzt wird.
Ist infolge dieser Kühlung eine Stabilisierung des
Formteiles erreicht kann das Formwerkzeug geöffnet
und das Formteil entformt werden, woraufhin ein neuer
Herstellungszyklus für einen entsprechenden Formkör
per durchgeführt werden kann.
Infolge des energieintensiven Herstellungsprozesses
der durch das ständige Aufheizen und Kühlen von
Dampfkammer, Zwischenrahmen und Formwerkzeugen be
dingt ist, sind die Herstellungskosten durch Energie-
und Wasserverbrauch entsprechend hoch. Außerdem sind
sowohl für das Erwärmen zum Aufschäumen und Ver
schweißen, wie auch zum Kühlen während der Stabili
sierungsphase entsprechende Zeiten erforderlich, die
physikalisch bedingt, nicht unterhalb bestimmter
Grenzen verkleinert werden können.
In der Vergangenheit wurden daher vielfältige Bestre
bungen angestellt, um eine Kostensenkung durch Ver
ringerung der erforderlichen Energie und des Wasser
verbrauches, bei möglichst gleichzeitiger Beibehal
tung bzw. sogar Verkleinerung der erforderlichen
Taktzeiten zu erreichen.
So ist in DE 38 36 875 A1 ein Verfahren und eine Vor
richtung zur Herstellung solcher Formlinge aus expan
dierbaren Kunststoffpartikeln bekannt. Dort wird vor
geschlagen, daß bei der Bedampfung anfallende Konden
sat zu sammeln und dem Prozeß wieder zuzuführen. Da
bei soll das Kondensat bei relativ hohen Temperatu
ren, zumindest in der Nähe der druckabhängigen Siede
temperatur in die Dampfkammer eingespritzt bzw. ein
gesprüht werden, so daß der gewünschte Kühlungseffekt
nahezu ausschließlich durch Entzug der erforderlichen
Verdampfungswärme erreicht werden soll.
Für die entsprechende Aufheizung des rückgeführten
Kondensates und für das Einsprühen bzw. Einspritzen
soll nach der dort beschriebenen Lehre wieder heißer
Dampf benutzt werden, da aber der im Prozeß anfallen
de Restdampf durch Kunststoffteilchen kontaminiert
sein kann, ist er hierfür nicht ohne weiteres geeig
net und es wird im wesentlichen zusätzlicher Heiß
dampf verbraucht, so daß die Energiebilanz entspre
chend nachteilig beeinflußt wird.
Die herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung von
entsprechenden Formteilen verwenden nicht nur Form
werkzeuge aus metallischen Werkzeugen, wie z. B. Alu
minium bzw. Aluminiumlegierungen, sondern auch die
Dampfkammern und Zwischenrahmen, in denen die Form
werkzeuge für die Herstellung der Formteile aufgenom
men sind, bestehen ebenfalls aus metallischen Mate
rialien, so daß wegen der relativ guten Wärmeleitfä
higkeit hohe Wärmeverluste auftreten. Außerdem
schlägt sich beim Bedampfen eine relativ große Menge
an Kondensat auch an der Innenwandung der Dampfkammer
nieder.
Bei der anschließenden Kühlphase werden demzufolge
Dampfkammern, Zwischenrahmen und Formwerkzeug herun
ter gekühlt, so daß diese gesamte Masse bei dem nach
folgenden Herstellungszyklus durch die Beaufschla
gung mit frischen Sattdampf wieder erwärmt werden
muß. Hierzu ist selbstverständlich zusätzliche Ener
gie erforderlich.
Da die herkömmlichen Dampfkammern mit entsprechenden
Zwischenrahmen für die verschiedensten Formwerkzeug
konfigurationen, d. h. die verschiedensten Formkör
perdimensionen ausgebildet sind, wobei die Auslegung
in der Regel auf die am größten dimensionierten Form
werkzeuge erfolgt, kommt es bei der Verwendung ent
sprechend kleinerer Formwerkzeuge dazu, daß im Dampf
kammerinnenraum ein entsprechend großes Totvolumen
vorhanden ist, das bei der Erwärmung und Abkühlung
aber mit temperiert werden muß und demzufolge ent
sprechend mehr Energie erforderlich ist, da bei der
Druckabsenkung das entsprechend größere Volumen be
rücksichtigt und demzufolge auch ein größerer Gasvo
lumenstrom aus der Dampfkammer abgezogen werden muß.
Da die entsprechende Druckabsenkung häufig mittels
Vakuumpumpen durchgeführt wird, müssen diese entspre
chend groß bezüglich ihrer Leistungsparameter dimen
sioniert sein.
Ausgehend hiervon, ist es daher Aufgabe der Erfin
dung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschla
gen, mit der die für die Herstellung von Formkörpern
aus expandierbaren Kunststoffteilchen erforderliche
Energie und der Wasserverbrauch verringert werden
können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung
und den Merkmalen des Anspruchs 16 für ein erfin
dungsgemäßes Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestal
tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, erge
ben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen
genannten Merkmalen.
Dabei baut die erfindungsgemäße Lösung auf herkömm
liche Möglichkeiten auf. So werden herkömmliche Form
werkzeuge, die aus mindestens zwei Teilen bestehen,
verwendet, so daß beim Öffnen des Formwerkzeuges eine
Entformung des Formkörper ohne weiteres möglich ist.
Die Befüllung eines geschlossenen Formwerkzeuges kann
über eine zentrale Befüllung, die in Verbindung mit
dem Hohlraum im Formwerkzeug steht, gegebenenfalls
Druck bzw. Unterdruck unterstützt, erfolgen. Über
schüssige Kunststoffteilchen können im Anschluß an
die Befüllung des Formwerkzeuges durch Anlegen eines
Unterdruckes oder durch Rückblasen mit Überdruck aus
den Injektoren wieder entfernt werden.
Im Anschluß an die Befüllung wird Dampf in die Dampf
kammer eingeführt, wobei der Dampf durch geeignete
Öffnungen im Formwerkzeug auch in das Innere des
Formwerkzeuges und demzufolge auch unmittelbar an die
Kunststoffteilchen gelangen kann. Dadurch werden so
wohl das Formwerkzeug, wie auch die im Formwerkzeug
enthaltenen Kunststoffteilchen erwärmt, so daß diese
aufschäumen und miteinander "verschweißen", so daß
sich ein der inneren Kontur des Formwerkzeuges ent
sprechender Formkörper ausbildet.
Nach Beendigung des Dampfzyklusses und des Druckab
baus wird eine Stabilisierung des hergestellten Form
körpers durch Kühlung durchgeführt. Dabei ist es gün
stig, bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdruckes
zu arbeiten, wobei die Druckabsenkung erst nach Kühl
beginn einsetzen kann. Die Kühlung wird durch Ein
sprühung von Wasser in die Dampfkammer durchgeführt.
Dabei werden Feinstsprühköpfe verwendet, durch die
temperiertes Wasser vernebelt auf die Oberfläche des
Formwerkzeuges gesprüht wird. Die Temperierung des
Wassers erfolgt hierzu in einem Temperaturbereich
zwischen 40 und 80°C, wobei eigentlich im gesamten
bezeichneten Temperaturbereich gearbeitet werden
könnte. Die Temperierung auf eine bestimmte Tempera
tur innerhalb dieses Temperaturbereiches ist aber
erforderlich, um reproduzierbare Herstellungsbedin
gungen zu sichern. Dieser Temperaturbereich ist be
sonders günstig, da anfallendes Kondensat aus der
Dampfkammer gesammelt, gereinigt und für eine erneute
Kühlung in die Dampfkammer rückgeführt werden kann.
Dieses Kondensat fällt jedoch bei entsprechenden Tem
peraturen an, so daß eine zusätzliche Erwärmung, wie
sie nach dem in der Beschreibungseinleitung bezeich
neten Stand der Technik erforderlich war, entfallen
und die prozeßimmanente Abwärme weitestgehend ausge
nutzt werden kann. Für die Temperierung des rückzu
führenden Kondensates kann bei Bedarf durch einen
Wärmetauscher geführter Restdampf, der aus der Dampf
kammer abgesaugt worden ist, durch entsprechende Re
gelung, benutzt werden, so daß auch hierfür keine
zusätzliche Energie erforderlich ist.
Durch die gewählte Temperatur des eingesprühten Was
sernebels erfolgt die Kühlung für die Stabilisierung
zum einen durch die Wärmeleitung, also Aufnahme von
Wärmeenergie des zuerst kühleren Wassers vom Form
werkzeug und bei Erreichen der Siedetemperatur durch
Entzug der entsprechenden Verdampfungswärme. Dabei
kann der entsprechende Temperaturbereich ausgehend
von der Einsprühtemperatur bis hin zur Siedetempera
tur relativ schnell durchschritten werden, da die
entsprechende Temperaturdifferenz relativ klein ist.
Vorteilhaft wird das eingesprühte, entsprechend tem
perierte Wasser in feinstverteilter Form auf die
Oberfläche des Formwerkzeuges versprüht, so daß mög
lichst ein gleichförmiger Wassernebel auf der Ober
fläche des Formwerkzeuges ausgebildet wird. Hierfür
können mehrere Feinstsprühköpfe entsprechend in einer
Dampfkammer angeordnet sein. Da, wie bereits erwähnt,
verschiedene Formwerkzeugkonfigurationen, sowohl in
ihrer Größe, wie auch in ihren äußeren Konturen in
eine entsprechende Dampfkammer eingebracht werden
können, ist es notwendig mittels in Zuführleitungen
angeordneten Ventilen den jeweiligen Kühlwasservolu
menstrom für die verschiedenen Feinstsprühköpfe zu
regeln. So können zu den verschiedenen Feinstsprüh
köpfen unterschiedliche Volumenströme gegebenenfalls
auch mit unterschiedlichen Drücken geführt werden, so
daß sich lokal gezielt, die Kühlung des Formwerkzeu
ges beeinflussen läßt. So können beispielsweise Teile
des Formwerkzeuges, in denen formbedingt große Mate
rialanhäufungen vorhanden sind, entsprechend intensi
ver gekühlt werden, als beispielsweise dünnwandige
Formwerkzeugbereiche. Dies kann so weit führen, daß
einzelne Feinstsprühköpfe für die Kühlung bestimmter
Formwerkzeuge ausgeschaltet bleiben und lediglich nur
einige wenige Feinstsprühköpfe benutzt werden, so daß
der Wasserverbrauch formkörper- und demzufolge auch
formwerkzeugspezifisch minimiert werden kann.
Da erfindungsgemäß die Innenwandung der Dampfkammern
bzw. Rückwandplatten mit einer Wärmeisolierung aus
einem wärmedämmenden Material versehen oder die Wände
der Dampfkammer und die Rückwandplatten aus einem
solchen wärmedämmenden Material bestehen können, wer
den die Wärmeverluste infolge von Wärmeabstrahlung
über die Dampfkammerwände bzw. Rückwandplatten ver
ringert und außerdem kann die Menge am an der Innen
wandung der Dampfkammer gebildeten Kondensat verrin
gert werden, so daß auch der eingesprühte Kühlwasser
nebel effektiver genutzt und demzufolge auch der Was
serverbrauch erheblich verringert werden kann.
Für eine solche Wärmedämmung können günstigerweise
Werkstoffe aus Keramik oder Kunststoff verwendet wer
den. Wird lediglich eine innen angeordnete Isolierung
aus einem solchen wärmedämmenden Material verwendet,
die auf einem beispielsweise metallischen Wandmateri
al aufgebracht worden ist, sollte die Anordnung und
Befestigung dieses wärmedämmenden Materials so erfol
gen, daß Wärmebrücken weitestgehend vermieden werden.
Die erforderlichen Zuleitungen für das Kühlwasser
können zumindest teilweise in diesem wärmedämmenden
Material integriert oder mit Hilfe dessen isoliert
sein. Günstig kann es sein, zumindest die im Inneren
der Dampfkammer angeordneten Teile der Feinstsprüh
köpfe zumindest teilweise aus einem entsprechenden
Material geringer Wärmeleitfähigkeit auszubilden oder
eine entsprechende Beschichtung zu verwenden.
Die wärmedämmenden Materialien sollten eine Wärme
leitfähigkeit von 0,5 W/mK nicht überschreiten, be
vorzugt einen k-Wert von 0,25 W/mK und kleiner auf
weisen.
Um die bereits erwähnte feine Versprühung des in die
Dampfkammer eingesprühten Kühlwassernebels zu errei
chen, sollten die Feinstsprühköpfe eine möglichst
hohe Anzahl von Bohrungen aufweisen, deren Durchmes
ser unterhalb 1 mm, bevorzugt bei 0,8 mm liegen soll
te.
Zusätzliche Verwirbelungselemente können integriert
sein und die Austritte trichterförmig ausgebildet
sein, wobei deren trichterförmige Aufweitung einen
Durchmesser von ca. 1,5 mm aufweisen sollte. Dies
führt zu einer feinen Vernebelung des eingesprühten
Kühlwassers, was eine gleichmäßige Verteilung des
eingesprühten Kühlwassers auf der Oberfläche des
Formwerkzeuges unterstützen kann.
Außerdem sind die Feinstsprühköpfe in Anzahl, Rich
tung und Dimensionierung so ausgebildet, daß sämtli
che formwerkzeugspezifischen Ausbildungen optimal be
sprüht werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dadurch
vorteilhaft weitergebildet werden, indem mindestens
eine Wand der Dampfkammer verschiebbar ausgebildet
ist, so daß das Dampfkammervolumen entsprechend der
eingestellten Stellung der einen oder auch weiteren
Wand vergrößert oder verkleinert werden kann. Dadurch
kann eine optimale Anpassung, durch Minimierung des
Totvolumens, an die jeweilige Formwerkzeuggröße vor
genommen werden. So kann ein nahezu konstanter Ab
stand der Formwerkzeugoberfläche zu den Feinstsprüh
köpfen eingehalten werden und es ist außerdem ein
nahezu konstantes Volumen zu beheizen, zu kühlen und
zu evakuieren, so daß die hierfür erforderlichen Zu
satzkomponenten auf einen engeren Bereich, als dies
bisher der Fall war, ausgelegt werden können und die
se effizienter betrieben werden können.
Die Verschiebung der Dampfkammerwand bzw. der Dampf
kammerwände kann je nach Ausführungsform, sowohl eine
stufenlose, wie auch eine in vorgebbaren Abständen
gestufte Verschiebung, beispielsweise unter Verwen
dung von Zahnstangenführungen sein. Selbstverständ
lich besteht auch die Möglichkeit, die Verschiebung
der Dampfkammerwände mit einem Antrieb durchzuführen,
wobei hier ein Linearantrieb für die translatorische
Verschiebung eingesetzt werden kann. Werden zwei sich
gegenüberliegende Dampfkammerwände verschiebbar aus
gebildet, so sollte die Möglichkeit bestehen, unter
schiedliche Verschiebewege zu realisieren, so daß
auch unsymmetrisch ausgebildete Formwerkzeuge in ei
ner solchen Dampfkammer ohne weiteres verwendet wer
den können und auch in diesem Fall das Totvolumen
nahezu vollständig minimiert werden kann.
Eine Verschiebung kann aber auch erfolgen, um das
Dampfkammervolumen zu verkleinern und so die ent
sprechende Druckerhöhung zum Entformen der Formkörper
aus dem Formwerkzeug zu nutzen.
Da während des Herstellungszyklusses eines Formkör
pers in der Dampfkammer über bestimmte Zeiträume ein
Druck eingestellt werden soll, der unterhalb des Um
gebungsdruckes, d. h. also außerhalb der Dampfkammer,
liegt, ist auch hierfür eine entsprechende Energie
menge erforderlich. Diese kann dadurch verringert
werden, daß das Dampfkammervolumen durch ent
sprechende Verschiebung der einen bzw. mehrerer
Dampfkammerwände vergrößert wird. Je nach ent
sprechendem Dampfkammervolumen und erforderlicher
Druckabsenkung kann dies allein ausreichen, um die
gewünschte Druckabsenkung im Inneren der Dampfkammer
zu realisieren. Zumindest kann aber die entsprechende
Unterdruck erzeugende Einrichtung, also eine entspre
chend ausgebildete Vakuumpumpe kleiner dimensioniert
werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindungs
gemäßen Lösung, gegenüber dem jetzigen Stand der
Technik, kann durch Verminderung des Dampfkammer-Tot
volumens erreicht werden, wenn die Dampfkammerwand
bzw. die Dampfkammerwände translatorisch verschiebbar
ausgeführt sind und nicht, wie in Fig. 1 darge
stellt, über separate Dampfkammerzwischenrahmen die
relativ wenig an die Außenabmessungen des Formwerk
zeuges zur Verminderung des Dampfkammer-Totvolumens
starr ausgebildet und so nicht angepaßt werden kön
nen. Durch die translatorische Verschiebbarkeit der
Dampfkammerwand bzw. Dampfkammerwände kommt es zu
einer wesentlichen Aufwandsverkürzung beim Formwerk
zeugwechsel gegenüber dem Formwerkzeugwechsel mit
formwerkzeugspezifischem Dampfkammerzwischenrahmen.
Für den Fall der translatorischen Verschiebung der
Dampfkammerwand bzw. Dampfkammerwände kann es zweck
mäßig sein, die Feinstsprühköpfe, die an diesen ver
schiebbaren Wänden angeordnet sind, nicht starr mit
diesen Wänden zu verbinden, sondern diese von außen
in das Innere der Dampfkammer zu führen, wofür an den
Kühlwasserzuführleitungen zu den Feinstsprühköpfen
und/oder in der Führung der Kammerwandung entspre
chend geeignete Dichtelemente Verwendung finden soll
ten, um einen Austritt von Dampf zu vermeiden. Eine
solche Ausführungsform sichert, daß auch bei einer
Verschiebung diese Wände während des Kühl- und Sta
bilisierungsprozesses der Abstand Feinstsprühkopf zur
Oberfläche des Formwerkzeuges konstant gehalten wer
den kann.
Während der Kühl- und Stabilisierungsphase sollte
unter den gegebenen Bedingungen, d. h. bei Verwendung
von Kühlwasser im vorab bereits bezeichneten Tempera
turbereich ein Druck unterhalb des Umgebungsdruckes
von 0,5 bis 0,8 bar eingestellt werden, um zum einen
die Siedetemperatur entsprechend abzusenken und zum
anderen weiter Restfeuchtigkeit und Restgase aus dem
Formwerkzeug und Formkörper abzuziehen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung zum Herstellen von
Formkörpern aus geschäumten Kunststoff kann in kon
sequenter Form der für die Herstellung erforderliche
Energie und Wasserbedarf stark reduziert und die für
die Herstellung eines Formkörpers erforderliche Takt
zeit ebenfalls erheblich verringert werden. Dieses
Verfahren hat zur Folge, daß der Formkörper eine ge
ringere Restfeuchtigkeit aufweist.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher
erläutert werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstel
lung von Formkörpern aus expandierbaren
Kunststoffteilchen, in schematischer Dar
stellung und
Fig. 2 ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zur
Herstellung von Formkörpern aus expandier
baren Kunststoffteilchen, in schematischer
Darstellung.
Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel einer er
findungsgemäßen Vorrichtung, ist ein aus zwei Teilen
gebildetes Formwerkzeug 5, 6 in den Dampfkammern 1, 2
aufgenommen. Dabei sind bei diesem Beispiel, die Tei
le des Formwerkzeuges 5, 6 jeweils mit einem der bei
den Dampfkammerrahmen 1a oder 2a starr verbunden. Die
Dampfkammer 2 kann, wie mit dem Hydraulikzylinder und
dem Doppelpfeil W3 angedeutet, entlang einer Achse
hin und her bewegt werden, so daß die Dampfkammern und
demzufolge auch das Formwerkzeug 5, 6 geöffnet und
wieder geschlossen werden können. In Fig. 1 und 2
ist die geschlossene Stellung dargestellt.
Das hier linke Teil 6 des Formwerkzeuges in Fig. 2
ist mit einer zentralen Fülleinrichtung 7 als Füll
einrichtung verbunden, durch die vorexpandierte
Kunststoffteilchen in das Formwerkzeuginnere einge
füllt werden können. Mit einer zentralen Befüllvor
richtung kommt es zu einer wesentlichen Verringerung
der Dampfkammerabdichtungen für Einzelfüller.
In Fig. 1 sind drei Füller (16) dargestellt, wobei
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2
nur eine zentrale Befülleinrichtung (7) vorhanden
ist.
Die Befüllung kann dabei vorteilhaft unter Ausnutzung
von entsprechenden Druckdifferenzen erfolgen, d. h.
im Inneren des Formwerkzeuges 5, 6 kann während der
Befüllung ein Unterdruck eingestellt werden, so daß
die Befüllung zumindest unterstützt werden kann.
Mit dem an der zentralen Fülleinrichtung 7 angedeute
ten Stutzen kann nach ausreichender Befüllung des
Formwerkzeuges 5, 6 eine Entleerung der Zuführung
durch Anlegen eines entsprechenden Druckes und demzu
folge die Entfernung der überschüssigen Kunststoff
teilchen aus den Zuführungen erfolgen.
Nach der Befüllung des Formwerkzeuges 5, 6 und der
Verriegelung des geschlossenen Formwerkzeuges wird in
das Innere der Dampfkammer über die Zuführungen 12
und 13 Dampf eingeleitet, der sowohl das Formwerkzeug
5, 6 wie auch die Kunststoffteilchen im Inneren des
Formwerkzeuges 5, 6 erwärmt, wobei für die Erwärmung
der Kunststoffteilchen im Inneren des Formwerkzeuges
5, 6 entsprechende Durchlässe (z. B. Loch- bzw.
Schlitzdüsen) im Formwerkzeug 5, 6 vorhanden sind.
Die Kunststoffteilchen schäumen auf und versintern
miteinander, so daß eine innige Verbindung der ein
zelnen Kunststoffteilchen und demzufolge auch ein
relativ stabiler Formkörper erhalten werden kann.
Zur Überwachung dieses Prozeßschrittes und auch ande
re nachfolgende Prozeßschritte können in der Dampf
kammer, hier nicht dargestellte Temperatur- und
Drucksensoren und am Formwerkzeug 5, 6 ebenfalls
Druck- und Temperatursensoren vorhanden sein, deren
Meßwerte für die Prozeßsteuerung genutzt werden kön
nen. So kann beispielsweise so vorgegangen werden,
daß bei Erreichen bestimmter vorgebbarer Druck- und/oder
Temperaturwerte ein Signal an eine, hier eben
falls nicht dargestellte Steuerung, gegeben wird, die
eine Zeittaktsteuerung auslöst, mit der die Erwärmung
über einen bestimmten formteilspezifischen Zeitraum
durchgeführt wird. Nach Ablauf dieser Zeit werden die
Kondensatventile 14 und 15 geöffnet, so daß zumindest
der bis dato im Inneren der Dampfkammer herrschende
Überdruck abgebaut werden kann. Spätestens zu diesem
Zeitpunkt sind die Einlässe für den Sattdampf 12 und
13 geschlossen.
Durch die Druckabsenkung im Inneren der Dampfkammer,
die durch Aktivierung der bereits mehrfach erwähnten
Unterdruck erzeugenden Einheit unterstützt werden
kann, wird die Temperatur im Inneren der Dampfkammer
verringert und der bis dahin noch vorhandene Rest
dampf abgezogen.
Vor der Druckabsenkung, gleichzeitig oder im Anschluß
kann der Kühl- und Stabilisierungsprozeß eingeleitet
werden. Dazu kann eine weitere Absenkung des Druckes
im Inneren der Dampfkammer durchgeführt werden, wobei
vorteilhaft dem Formkörper die noch verbliebene Rest
feuchtigkeit entzogen wird. Über die Feinstsprühköpfe
8, 9 und 9a wird temperiertes Wasser auf die Oberflä
che des Formwerkzeuges 5, 6 in möglichst feinverteil
ter Form, als Sprühnebel aufgebracht.
Dabei sind bei dem hier gezeigten Beispiel einer er
findungsgemäßen Vorrichtung an den sich gegenüberlie
genden Rückwandplatten 3 und 4 der Dampfkammern je
weils mehrere Feinstsprühköpfe 8 angeordnet, mit de
nen Sprühnebel auf die Oberfläche des Formwerkzeuges
5, 6 gerichtet werden kann. An den oberen und unte
ren Rändern der Wände der Dampfkammer sind jeweils
zusätzliche Feinstsprühköpfe 9, 9a angeordnet, die
Kühlnebel gezielt auf die oberen und unteren Bereiche
des Formwerkzeuges 5, 6 richten, in denen, wie dies
in der Fig. 1 deutlich erkennbar ist, entsprechende
Materialanhäufungen des Formwerkzeuges 5, 6 vorhanden
sind, um dem Formwerkzeug 5, 6 dort gezielt entspre
chend mehr Wärme zu entziehen und eine relativ
gleichmäßige Abkühlung des Formwerkzeuges, unter Ver
meidung größerer Temperaturgradienten am Formwerkzeug
5, 6 zu sichern.
Am Boden der Dampfkammerrahmen 1a und 2a sind mit
Ventilen verschließbare Abflüsse 14 und 15 vorhanden,
über die abgeschiedenes Kondensat in einen Kondensat
sammelbehälter B1 gelangen kann. Das Kondensat kann
im Kondensatsammelbehälter B1 gespeichert und, wie
bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt,
entsprechend auf die gewünschte Temperatur, die gün
stigerweise zwischen 60 und 80°C liegen sollte, tem
periert werden. Dabei ist auf die Darstellung eines
im Kondensatsammelbehälter B1 und an diesem vorhan
denen Wärmetauscher für diese Temperierung in Fig. 1
verzichtet worden. Am Kondensatsammelbehälter B1
kann aus Sicherheitsgründen ein Überlauf C1 vorhan
den sein.
In Fig. 2 ist angedeutet, daß der Kondensatsammelbe
hälter B1 mit einer Pumpe verbunden ist, die das
Wasser aus dem Kondensatsammelbehälter B1 über die
angedeutete Leitung P absaugt und mit einen Druck
zwischen 3 und 7 bar über nicht gezeigte Zuleitungen
zu den Feinstsprühköpfen 8, 9 und 9a führt. Dabei
können in den Zuleitungen zu den Feinstsprühköpfen 8,
9 und 9a entsprechend regelbare Ventile A1 vorhanden
sein, mit denen Druckschwankungen ausgeglichen werden
können. Diese Ventile A1 können außerdem Verwendung
finden, um an den einzelnen Feinstsprühköpfen 8, 9
und 9a unterschiedliche Drücke und Volumenströme so
wie gegebenenfalls ein Abstellen einzelner Feinst
sprühköpfe 8, 9 bzw. 9a vorzunehmen.
In Fig. 2 ist außerdem erkennbar, daß die beiden
Teile des Formwerkzeuges 5, 6 mittels formwerkzeug
spezifischen Elementen an den beiden Dampfkammerrah
men 1a und 2a der Dampfkammer befestigt sind. Diese
Elemente sollten günstigerweise ebenfalls aus einem
wärmedämmenden Material bestehen, um die Wärmeverlu
ste entsprechend zu senken.
Die beiden Dampfkammerrahmen 1a und 2a und Rückwand
platten 3 und 4 bestehen bei diesem Beispiel aus wär
medämmenden Material. Es wurde hierbei ein wärmedäm
mendes Material aus einem verstärkten Kunststoff mit
einem k-Wert von 0,2 W/mK verwendet. Durch diese Wär
medämmung wird die Menge an Kondensat, die sich an
der Dampfkammerinnenwandung niederschlagen kann, ge
genüber herkömmlichen Vorrichtungen verringert. Eben
so ist in diesem Bereich während der Kühl- und Stabi
lisierungsphase die Temperaturabsenkung geringer, als
dies ebenfalls bei herkömmlichen Vorrichtungen der
Fall ist.
Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel sind zumin
dest die beiden Rückwandplatten 3 und 4 der Dampfkam
mer translatorisch bewegbar, wie dies mit den Doppel
pfeilen W1 und W2 angedeutet ist. Da die beiden Rück
wandplatten 3 und 4 unabhängig voneinander verschoben
werden können, besteht die Möglichkeit das Dampfkam
mervolumen optimal an das jeweils verwendete Form
werkzeug 5 und 6 anzupassen, so daß Toträume weitest
gehend vermieden werden können. Aus diesem Grunde
wird auch eine zentrale Befüllung 7 des Formwerkzeu
ges vorgesehen, die so angeordnet ist, daß sie den
Bewegungsspielraum der beiden Rückwandplatten 3 und 4
nicht einschränkt.
Die Feinstsprühköpfe 8 sind bei diesem Beispiel durch
die Rückwandplatten 3 und 4 geführt, wobei die Zufüh
rungen in die Dampfkammern 1 und 2 zumindest teilwei
se flexibel ausgebildet sein können, um die Verschie
bewege der Rückwandplatten 3 und 4 ausgleichen zu
können.
Durch die Verschiebemöglichkeit der Rückwandplatten 3
und 4 besteht außerdem die Möglichkeit, wie im all
gemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert,
Einfluß auf den Innendruck innerhalb der Dampfkammer
1 und 2 zu nehmen, so daß der Innendruck gezielt er
höht bzw. abgesenkt werden kann, je nachdem wie dies
im Verfahrensablauf bei der Herstellung der Formkör
per erforderlich ist. Dadurch kann auf die Unterdruck
erzeugende Einheit ganz verzichtet oder eine entspre
chend geringer dimensionierte unterdruckerzeugende
Einheit erforderlich sein, so daß die erforderliche
Energie weiter verringert werden kann.
1
a Dampfkammerrahmen stehend
2
a Dampfkammerrahmen fahrend
1
Dampfkammer stehend
2
Dampfkammer fahrend
3
Rückwandplatte stehende Seite
4
Rückwandplatte fahrende Seite
5
Formhälfte fahrende Seite
6
Formhälfte stehende Seite
7
zentrale Fülleinrichtung
8
zentrale Feinstsprühköpfe
9
separat zuschaltbare Sprühköpfe
9
a separat zuschaltbare Sprühköpfe verschiebbar
10
Entlüftungsventil stehende Seite
11
Entlüftungsventil fahrende Seite
12
Dampf und Drucklufteinführung stehende Seite
13
Dampf und Drucklufteinführung fahrende Seite
14
Kondensatventil stehende Seite
15
Kondensatventil fahrende Seite
A1 Zuführung Kühlwasser
B
A1 Zuführung Kühlwasser
B
1
Kondensatsammelbehälter
Z1 möglicher Zulauf Prozeßwasser
P Druckerzeugung Kühlwasser
V Vakuum
C1 Überlauf/Ablauf
W1 Relativbewegung der Rückwandplatte in der Dampfkammer stehende Seite
W2 Relativbewegung der Rückwandplatte in der Dampfkammer fahrende Seite
W3 Bewegung der Dampfkammer fahrende Seite
W4 Bewegung der separat zuschaltbaren beweglichen Feinstsprühköpfe
Z1 möglicher Zulauf Prozeßwasser
P Druckerzeugung Kühlwasser
V Vakuum
C1 Überlauf/Ablauf
W1 Relativbewegung der Rückwandplatte in der Dampfkammer stehende Seite
W2 Relativbewegung der Rückwandplatte in der Dampfkammer fahrende Seite
W3 Bewegung der Dampfkammer fahrende Seite
W4 Bewegung der separat zuschaltbaren beweglichen Feinstsprühköpfe
16
Einzelfüller
17
Dampfkammerzwischenrahmen
18
Kühlschlange
19
Werkzeugabstützungen
20
Formkörper (technisches Formteil)
Claims (27)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus
expandierbaren Kunststoffteilchen, bei der ein
aus mindestens zwei Teilen gebildetes Formwerk
zeug in einer Dampfkammer aufgenommen ist, in
die Dampf zum Aufschäumen und Verschweißen der
Kunststoffteilchen mittels Aufheizen u. a. der
Formwerkzeuge sowie Kühlwasser zum Abbau des
Blähdruckes und Stabilisieren des durch Auf
schäumen und Verschweißen erhaltenen Kunststoff
formteiles einführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwandung der Dampfkammer (1, 2) mit
einer Wärmedämmung versehen oder die Dampfkam
merwandung aus einem wärmedämmenden Material
gebildet ist und an Rückwandplatten (3, 4)
Feinstsprühköpfe (8), zur Kühlung von Form
werkzeug (5, 6) und Formkörper, angeordnet oder
durch Dampfkammerrahmen (1a, 2a) in die
Dampfkammer (1, 2) geführt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a)
in der Dampfkammer (1, 2) so angeordnet sind,
daß die Rückwände des Formwerkzeuges (5, 6) all
seitig fein besprühbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß Wasser den Feinstsprühköpfen
(8, 9 und 9a) mittels einer Pumpe mit vorgebba
rem Druck zuführbar ist und mindestens jeweils
einem Feinstsprühkopf (8, 9 und 9a) zugeordnet,
in Zufuhrleitungen Ventile angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kon
densatablaß (14, 15) in der Dampfkammer (1, 2)
vorhanden ist, von dem Kondensat zu einem Kon
densatsammelbehälter (B1) gelangt, in dem eine
Temperiereinrichtung vorhanden ist und der Kon
densatsammelbehälter (B1) mit der Pumpe, zur
Rückführung von Kondensat als Kühlwasser, ver
bunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Feinstsprüh
köpfen (8, 9 und 9a) Bohrungen mit einem Durch
messer < 1 mm und zusätzliche Verwirbelungsele
mente vorhanden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Austritte der Feinstsprühköpfe
(8, 9 und 9a) trichterförmig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmung
oder das wärmedämmende Material der Dampfkammer
wandung aus einem Kunststoff oder einer Keramik
mit einem Wärmedämmwert < 0,5 W/mK besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß Zuführungen für Was
ser zu den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) in
den Dampfkammerrahmen (1a, 2a) aufgenommen oder
in die Rückwandplatten (3, 4) integriert sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand
der Dampfkammerwandung mit einem Antrieb zur
Variation des Dampfkammervolumens translatorisch
verschiebbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß an den äußeren Rändern der ver
schiebbaren Rückwandplatten (3, 4) Dichtelemente
vorhanden sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer (1,
2) mit einer einen Druck unterhalb des Umge
bungsdruck erzeugenden Einheit verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Ansprach 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die einen Unterdruck erzeugende
Einheit eine Vakuumpumpe ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstsprühköpfe
(8, 9 und 9a) zumindest teilweise aus einem Ma
terial geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet oder
mit einem solchem Material, als Wärmeisolierung
beschichtet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstsprühköpfe
(8, 9 und 9a) formwerkzeugspezifisch ausgebildet
und austauschbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Be
fülleinrichtung (7) in die Dampfkammer zum Form
werkzeug (5, 6) geführt ist.
16. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus
expandierbaren Kunststoffteilchen, bei dem vor
expandierte Kunststoffteilchen in ein aus minde
stens zwei Teilen gebildetes Formwerkzeug (5, 6)
eingebracht die eingebrachten Kunststoffteilchen
durch Erwärmung mittels Dampf erwärmt und durch
Aufschäumen und Verschweißen Formkörper bilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Stabilisierung des Formkörpers die Au
ßenwandung des Formwerkzeuges (5, 6) mit im Tem
peraturbereich zwischen 40 und 80°C temperier
tem Wasser besprüht und eine Kühlung sowohl
durch Wärmeleitung vom Formwerkzeug (5, 6) zum
Wasser, wie auch Kühlung durch Verdampfung des
Wassers erreicht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß das Formwerkzeug (5, 6) mit Wasser in
feinverteilter Form so besprüht wird, daß sich
ein Wassernebel auf der Oberfläche des Formwerk
zeuges (5, 6) niederschlägt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß Wasser über Feinstsprühköpfe
(8, 9 und 9a) mit einem Druck zwischen 3 und 7
bar in die Dampfkammer (1, 2) gesprüht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, der
Druck und /oder der Volumenstrom des eingesprüh
ten Wassers in Abhängigkeit der jeweiligen Form
werkzeugkonfiguration für die einzelnen Feinst
sprühköpfe (8, 9 und 9a) variabel eingestellt
wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß aus der Dampfkammer
(1, 2) rückgeführtes Kondensat in einem Konden
satsammelbehälter (31) mittels eines Wärmetau
schers temperiert und über eine Pumpe in die
Dampfkammer (1, 2) zu Kühlzwecken rückgeführt
wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß zur Temperierung Abwärme und/oder Ab
dampf verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß vor oder gleichzei
tig mit dem Einsprühen oder im Anschluß an das
Einspritzen des Wassers der Druck in der Dampf
kammer (1, 2) abgesenkt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich
net, daß in der Dampfkammer (1, 2) während der
Kühl- und Stabilisierungsphase ein Druck von 0,5
bis 0,8 bar unterhalb des Umgebungsdruckes ein
gestellt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkammervolu
men, zur Minimierung des Totvolumens, durch
translatorische Verschiebung mindestens einer
der Wände der Dampfkammer (1, 2), die äußeren
Abmessungen des Formwerkzeuges (5, 6) berück
sichtigend, eingestellt wird.
25. Verfähren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich
net, daß während der Kühl- und Stabilisierungs
phase das Dampfkammervolumen durch Verschiebung
mindestens einer der Wände der Dampfkammer (1,
2) vergrößert und der Druck in der Dampfkammer (1, 2)
abgesenkt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kühl- und
Stabilisierungsphase das Dampfkammervolumen,
durch Verschiebung mindestens einer der Wände
der Dampfkammer (1, 2) verkleinert und die ent
sprechende Druckerhöhung zum Entformen der Form
körper benutzt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, da
durch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (5,
6) über eine zentrale Befülleinheit befüllt
wird.
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