DE19921673A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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

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

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.