DE19921673B4

DE19921673B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen

Info

Publication number: DE19921673B4
Application number: DE19921673A
Authority: DE
Inventors: Kurt Zobel
Original assignee: Schaumaplast Sachsen GmbH
Current assignee: Schaumaplast Sachsen GmbH
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: DE19921673A1; US6454553B1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, bei der ein aus mindestens zwei Teilen gebildetes Formwerkzeug 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 Aufschäumen und Verschweißen erhaltenen Kunststoffformteiles einführbar ist, wobei Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) in der Dampfkammer (1, 2) so angeordnet sind, daß die Rückwände des Formwerkzeuges. (5, 6) allseitig fein besprühbar, Wasser den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) mittels einer Pumpe mit vorgebbarem Druck zuführbar ist und jeweils einem Feinstsprühkopf (8, 9 und 9a) zugeordnet, in Zufuhrleitungen mindestens ein Ventil zur Regelung des Volumenstromes, des Druckes und/oder zum Abschalten angeordnet ist, wobei in den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) Bohrungen mit einem Durchmesser < 1 mm und zusätzliche Verwirbelungselemente vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, wobei günstigerweise bereits vorexpandierte Kunststoffteilchen verwendet werden.
Solche Kunststoffteilchen werden in ein Formwerkzeug über eine zentrale Befülleinrichtung eingebracht, dessen innere Formkontur dem zu fertigenden Formkörper entspricht und nach dem Einbringen mittels Dampf sowohl das Formwerkzeug, wie auch durch Öffnungen im Formwerkzeug die im Formwerkzeug enthaltenen Kunststoffteilchen erwärmt werden und diese aufschäumen und miteinander verschweißen, so daß ein relativ leichter Formkörper gebildet wird. Um den so hergestellten Formkörper ohne Beschädigung aus dem in der Regel aus mindestens zwei Teilen gebildeten Formwerkzeug zu entnehmen, ist ein Blähdruckabbau des aufgeschäumten 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 abgezogen.
Für die Abkühlung während dieser Stabilisierungsphase wird normalerweise ein großes Wasservolumen verwendet, das auf die Außenwand des Formwerkzeuges gesprüht 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 Formkörper durchgeführt werden kann.
Infolge des energieintensiven Herstellungsprozesses der durch das ständige Aufheizen und Kühlen von Dampfkammer, Zwischenrahmen und Formwerkzeugen bedingt ist, sind die Herstellungskosten durch Energie- und Wasserverbrauch entsprechend hoch. Außerdem sind sowohl für das Erwärmen zum Aufschäumen und Verschweißen, wie auch zum Kühlen während der Stabilisierungsphase entsprechende Zeiten erforderlich, die physikalisch bedingt, nicht unterhalb bestimmter Grenzen verkleinert werden können.
In der Vergangenheit wurden daher vielfältige Bestrebungen angestellt, um eine Kostensenkung durch Verringerung der erforderlichen Energie und des Wasserverbrauches, bei möglichst gleichzeitiger Beibehaltung bzw. sogar Verkleinerung der erforderlichen Taktzeiten zu erreichen.

So ist in DE 38 36 875 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Formlinge aus expandierbaren Kunststoffpartikeln bekannt. Dort wird vorgeschlagen, daß bei der Bedampfung anfallende Kondensat zu sammeln und dem Prozeß wieder zuzuführen. Dabei soll das Kondensat bei relativ hohen Temperatu ren, zumindest in der Nähe der druckabhängigen Siedetemperatur in die Dampfkammer eingespritzt bzw. eingesprüht 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 anfallende Restdampf durch Kunststoffteilchen kontaminiert sein kann, ist er hierfür nicht ohne weiteres geeignet und es wird im wesentlichen zusätzlicher Heißdampf verbraucht, so daß die Energiebilanz entsprechend nachteilig beeinflußt wird.

Die herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung von entsprechenden Formteilen verwenden nicht nur Formwerkzeuge aus metallischen Werkzeugen, wie z. B. Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, sondern auch die Dampfkammern und Zwischenrahmen, in denen die Formwerkzeuge für die Herstellung der Formteile aufgenommen sind, bestehen ebenfalls aus metallischen Materialien, so daß wegen der relativ guten Wärmeleitfähigkeit 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 herunter gekühlt, so daß diese gesamte Masse bei dem nachfolgenden Herstellungszykluss durch die Beaufschlagung mit frischen Sattdampf wieder erwärmt werden muß. Hierzu ist selbstverständlich zusätzliche Ener gie erforderlich. Da die herkömmlichen Dampfkammern mit entsprechenden Zwischenrahmen für die verschiedensten Formwerkzeugkonfigurationen, d. h. die verschiedensten Formkörperdimensionen ausgebildet sind, wobei die Auslegung in der Regel auf die am größten dimensionierten Formwerkzeuge erfolgt, kommt es bei der Verwendung entsprechend kleinerer Formwerkzeuge dazu, daß im Dampfkammerinnenraum ein entsprechend großes Totvolumen vorhanden ist, das bei der Erwärmung und Abkühlung aber mit temperiert werden muß und demzufolge entsprechend mehr Energie erforderlich ist, da bei der Druckabsenkung das entsprechend größere Volumen berücksichtigt und demzufolge auch ein größerer Gasvolumenstrom aus der Dampfkammer abgezogen werden muß. Da die entsprechende Druckabsenkung häufig mittels Vakuumpumpen durchgeführt wird, müssen diese entsprechend groß bezüglich ihrer Leistungsparameter dimensioniert sein.

Daneben ist von R. Gellert in "Schäumbares Polystyrol (EPS)"; Kunststoffe; 77 (1987) Heft 10, Seiten 977 bis 981 auf die mögliche Verwendung von Innenisoierungen in Dampfkammern zur Herstellung von Produkten aus expandierendem Polysterol hingewiesen worden.

Aus DE-OS 20 11 270 A ist es bekannt, das Innenvolumen von Dampfkammern durch Verschiebung von mindestens einer Wand der Dampfkammer zu variieren, um eine Volumenvergrößerung oder -verkleinerung zu erreichen.

Ausgehend hiervon, ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, 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 12 für ein erfindungsgemäßes Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Dabei baut die erfindungsgemäße Lösung auf herkömmliche Möglichkeiten auf. So werden herkömmliche Formwerkzeuge, 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 durch Druck bzw. Unterdruck unterstützt, erfolgen. Überschüssige 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 Dampfkammer 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 sowohl 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 entsprechender Formkörper ausbildet.

Nach Beendigung des Dampfzyklusses und des Druckabbaus wird eine Stabilisierung des hergestellten Formkörpers durch Kühlung durchgeführt. Dabei ist es günstig, bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdruckes zu arbeiten, wobei die Druckabsenkung erst nach Kühlbeginn einsetzen kann. Die Kühlung wird durch Einsprühung 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 Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereiches ist aber erforderlich, um reproduzierbare Herstellungsbedingungen zu sichern. Dieser Temperaturbereich ist besonders 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 Temperaturen an, so daß eine zusätzliche Erwärmung, wie sie nach dem in der Beschreibungseinleitung bezeichneten Stand der Technik erforderlich war, entfallen und die prozeßimmanente Abwärme weitestgehend ausgenutzt werden kann. Für die Temperierung des rückzuführenden Kondensates kann bei Bedarf durch einen Wärmetauscher geführter Restdampf, der aus der Dampfkammer abgesaugt worden ist, durch entsprechende Regelung, benutzt werden, so daß auch hierfür keine zusätzliche Energie erforderlich ist.

Durch die gewählte Temperatur des eingesprühten Wassernebels erfolgt die Kühlung für die Stabilisierung zum einen durch die Wärmeleitung, also Aufnahme von Wärmeenergie des zuerst kühleren Wassers vom Formwerkzeug und bei Erreichen der Siedetemperatur durch Entzug der entsprechenden Verdampfungswärme. Dabei kann der entsprechende Temperaturbereich ausgehend von der Einsprühtemperatur bis hin zur Siedetemperatur 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 möglichst ein gleichförmiger Wassernebel auf der Oberfläche 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 Kühlwasservolumenstrom für die verschiedenen Feinstsprühköpfe zu regeln. So können zu den verschiedenen Feinstsprühköpfen unterschiedliche Volumenströme gegebenenfalls auch mit unterschiedlichen Drücken geführt werden, so daß sich lokal gezielt, die Kühlung des Formwerkzeuges beeinflussen läßt. So können beispielsweise Teile des Formwerkzeuges, in denen formbedingt große Materialanhäufungen vorhanden sind, entsprechend intensiver 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, werden die Wärmeverluste infolge von Wärmeabstrahlung über die Dampfkammerwände bzw. Rückwandplatten verringert und außerdem kann die Menge am an der Innen wandung der Dampfkammer gebildeten Kondensat verringert werden, so daß auch der eingesprühte Kühlwassernebel effektiver genutzt und demzufolge auch der Wasserverbrauch erheblich verringert werden kann.

Für eine solche Wärmedämmung können günstigerweise Werkstoffe aus Keramik oder Kunststoff verwendet werden. Wird lediglich eine innen angeordnete Isolierung aus einem solchen wärmedämmenden Material verwendet, die auf einem beispielsweise metallischen Wandmaterial aufgebracht worden ist, sollte die Anordnung und Befestigung dieses wärmedämmenden Materials so erfolgen, 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 Feinstsprühköpfe zumindest teilweise aus einem entsprechenden Material geringer Wärmeleitfähigkeit auszubilden oder eine entsprechende Beschichtung zu verwenden.

Die wärmedämmenden Materialien sollten eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/mK nicht überschreiten, bevorzugt einen k-Wert von 0,25 W/mK und kleiner aufweisen.

Um die bereits erwähnte feine Versprühung des in die Dampfkammer eingesprühten Kühlwassernebels zu erreichen, sollten die Feinstsprühköpfe eine möglichst hohe Anzahl von Bohrungen aufweisen, deren Durchmesser unterhalb 1 mm, bevorzugt bei 0,8 mm liegen sollte.

Zusätzlich sind Verwirbelungselemente integriert und die Austritte können 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, Richtung und Dimensionierung so ausgebildet, daß sämtliche formwerkzeugspezifischen Ausbildungen optimal besprüht 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 vorgenommen werden. So kann ein nahezu konstanter Abstand der Formwerkzeugoberfläche zu den Feinstsprühköpfen eingehalten werden und es ist außerdem ein nahezu konstantes Volumen zu beheizen, zu kühlen und zu evakuieren, so daß die hierfür erforderlichen Zusatzkomponenten auf einen engeren Bereich, als dies bisher der Fall war, ausgelegt werden können und diese effizienter betrieben werden können.

Die Verschiebung der Dampfkammerwand bzw. der Dampfkammerwände kann je nach Ausführungsform, sowohl eine stufenlose, wie auch eine in vorgebbaren Abständen gestufte Verschiebung, beispielsweise unter Verwendung von Zahnstangenführungen sein. Selbstverständlich 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 ausgebildet, so sollte die Möglichkeit bestehen, unterschiedliche Verschiebewege zu realisieren, so daß auch unsymmetrisch ausgebildete Formwerkzeuge in einer solchen Dampfkammer ohne weiteres verwendet werden 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 entsprechende Druckerhöhung zum Entformen der Formkörper aus dem Formwerkzeug zu nutzen.

Da während des Herstellungszyklusses eines Formkörpers in der Dampfkammer über bestimmte Zeiträume ein Druck eingestellt werden soll, der unterhalb des Um gebungsdruckes, d. h. also des Druckes außerhalb der Dampfkammer, liegt, ist auch hierfür eine entsprechende Energiemenge erforderlich. Diese kann dadurch verringert werden, daß das Dampfkammervolumen durch entsprechende Verschiebung der einen bzw. mehrerer Dampfkammerwände vergrößert wird. Je nach entsprechendem 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 entsprechend ausgebildete Vakuumpumpe, kleiner dimensioniert werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung, gegenüber dem jetzigen Stand der Technik, kann durch Verminderung des Dampfkammer-Totvolumens erreicht werden, wenn die Dampfkammerwand bzw. die Dampfkammerwände translatorisch verschiebbar ausgeführt sind und nicht, wie in 1 dargestellt, über separate Dampfkammerzwischenrahmen, die relativ wenig an die Außenabmessungen des Formwerkzeuges zur Verminderung des Dampfkammer-Totvolumens starr ausgebildet sind und so nicht angepaßt werden können. Durch die translatorische Verschiebbarkeit der Dampfkammerwand bzw. Dampfkammerwände kommt es zu einer wesentlichen Aufwandsverkürzung beim Formwerkzeugwechsel gegenüber dem Formwerkzeugwechsel mit formwerkzeugspezifischem Dampfkammerzwischenrahmen.

Für den Fall der translatorischen Verschiebung der Dampfkammerwand bzw. Dampfkammerwände kann es zweckmäßig sein, die Feinstsprühköpfe, die an diesen verschiebbaren 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 entsprechend geeignete Dichtelemente Verwendung finden sollten, um einen Austritt von Dampf zu vermeiden. Eine solche Ausführungsform sichert, daß auch bei einer Verschiebung dieser Wände während des Kühl- und Stabilisierungsprozesses der Abstand Feinstsprühkopf zur Oberfläche des Formwerkzeuges konstant gehalten werden kann.

Während der Kühl- und Stabilisierungsphase sollte unter den gegebenen Bedingungen, d. h. bei Verwendung von Kühlwasser im vorab bereits bezeichneten Temperaturbereich 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 konsequenter Form der für die Herstellung erforderliche Energie und Wasserbedarf stark reduziert und die für die Herstellung eines Formkörpers erforderliche Taktzeit ebenfalls erheblich verringert werden. Dieses Verfahren hat zur Folge, daß der Formkörper eine geringere Restfeuchtigkeit aufweist.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, in schematischer Darstellung und
2 ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, in schematischer Darstellung.
Bei dem in der 2 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist ein aus zwei Teilen gebildetes Formwerkzeug 5, 6 in den Dampfkammern 1, 2 aufgenommen. Dabei sind bei diesem Beispiel, die Teile des Formwerkzeuges 5, 6 jeweils mit einem der beiden 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 Dampkammern und demzufolge auch das Formwerkzeug 5, 6 geöffnet und wieder geschlossen werden können. In 1 und 2 ist die geschlossene Stellung dargestellt.
Das hier linke Teil 6 des Formwerkzeuges in 2 ist mit einer zentralen Fülleinrichtung 7 als Fülleinrichtung verbunden, durch die vorexpandierte Kunststoffteilchen in das Formwerkzeuginnere eingefüllt werden können. Mit einer zentralen Befüllvorrichtung kommt es zu einer wesentlichen Verringerung der Dampfkammerabdichtungen für Einzelfüller.
In 1 sind drei Füller (16) dargestellt, wobei bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 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 angedeuteten Stutzen kann nach ausreichender Befüllung des Formwerkzeuges 5, 6 eine Entleerung der Zuführung durch Anlegen eines entsprechenden Druckes und demzufolge die Entfernung der überschüssigen Kunststoffteilchen 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 einzelnen Kunststoffteilchen und demzufolge auch ein relativ stabiler Formkörper erhalten werden kann. Zur Überwachung dieses Prozeßschrittes und auch andere nachfolgende Prozeßschritte können in der Dampfkammer, hier nicht dargestellte Temperatur- und Drucksensoren und am Formwerkzeug 5, 6 ebenfalls Druck- und Temperatursensoren vorhanden sein, deren Meßwerte für die Prozeßsteuerung genutzt werden können. So kann beispielsweise so vorgegangen werden, daß bei Erreichen bestimmter vorgebbarer Druck- und/oder Temperaturwerte ein Signal an eine, hier ebenfalls 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 Restdampf 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 Restfeuchtigkeit entzogen wird. Über die Feinstsprühköpfe 8, 9 und 9a wird temperiertes Wasser auf die Oberfläche des Formwerkzeuges 5, 6 in möglichst feinverteilter Form, als Sprühnebel aufgebracht.
Dabei sind bei dem hier gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an den sich gegenüberliegenden Rückwandplatten 3 und 4 der Dampfkammern jeweils mehrere Feinstsprühköpfe 8 angeordnet, mit denen Sprühnebel auf die Oberfläche des Formwerkzeuges 5, 6 gerichtet werden kann. An den oberen und -unteren 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 1 deutlich erkennbar ist, entsprechende Materialanhäufungen des Formwerkzeuges 5, 6 vorhanden sind, um dem Formwerkzeug 5, 6 dort gezielt entsprechend mehr Wärme zu entziehen und eine relativ gleichmäßige Abkühlung des Formwerkzeuges, unter Vermeidung 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 Kondensatsammelbehälter B1 gelangen kann. Das Kondensat kann im Kondensatsammelbehalter B1 gespeichert und, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, entsprechend auf die gewünschte Temperatur, die günstigerweise zwischen 60 und 80° C liegen sollte, temperiert werden. Dabei ist auf die Darstellung eines im Kondensatsammelbehälter B1 und an diesem vorhandenen Wärmetauscher für diese Temperierung in 1 verzichtet worden. Am Kondensatsammelbehälter B1 kann aus Sicherheitsgründen ein Überlauf C1 vorhanden sein.
In 2 ist angedeutet, daß der Kondensatsammelbehälter 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 sowie gegebenenfalls ein Abstellen einzelner Feinstsprühköpfe 8, 9 bzw. 9a vorzunehmen.
In 2 ist außerdem erkennbar, daß die beiden Teile des Formwerkzeuges 5, 6 mittels formwerkzeugspezifischen Elementen an den beiden Dampfkammerrahmen 1a und 2a der Dampfkammer befestigt sind. Diese Elemente sollten günstigerweise ebenfalls aus einem wärmedämmenden Material bestehen, um die Wärmeverluste entsprechend zu senken.
Die beiden Dampfkammerrahmen 1a und 2a und Rückwandplatten 3 und 4 bestehen bei diesem Beispiel aus wärmedämmenden Material. Es wurde hierbei ein wärmedämmendes Material aus einem verstärkten Kunststoff mit einem k-Wert von 0,2 W/mK verwendet. Durch diese Wärmedämmung wird die Menge an Kondensat, die sich an der Dampfkammerinnenwandung niederschlagen kann, gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen verringert. Ebenso ist in diesem Bereich während der Kühl- und Stabilisierungsphase die Temperaturabsenkung geringer, als dies ebenfalls bei herkömmlichen Vorrichtungen der Fall ist.
Bei dem in der 2 gezeigten Beispiel sind zumindest die beiden Rückwandplatten 3 und 4 der Dampfkammer translatorisch bewegbar, wie dies mit den Doppelpfeilen W1 und W2 angedeutet ist. Da die beiden Rückwandplatten 3 und 4 unabhängig voneinander verschoben werden können, besteht die Möglichkeit das Dampfkammervolumen optimal an das jeweils verwendete Formwerkzeug 5 und 6 anzupassen, so daß Toträume weitestgehend vermieden werden können. Aus diesem Grunde wird auch eine zentrale Befüllung 7 des Formwerkzeuges 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 Zuführungen in die Dampfkammern 1 und 2 zumindest teilweise flexibel ausgebildet sein können, um die Verschiebewege der Rückwandplatten 3 und 4 ausgleichen zu können.
Durch die Verschiebemöglichkeit der Rückwandplatten 3 und 4 besteht außerdem die Möglichkeit, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert, Einfluß auf den Innendruck innerhalb der Dampfkammer 1 und 2 zu nehmen, so daß der Innendruck gezielt erhöht 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 entsprechend geringer dimensionierte unterdruckerzeugende Einheit erforderlich sein, so daß die erforderliche Energie weiter verringert werden kann.

1a: Dampfkammerrahmen stehend
2a: 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
9a: 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
B1: 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

Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen, bei der ein aus mindestens zwei Teilen gebildetes Formwerkzeug 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 Aufschäumen und Verschweißen erhaltenen Kunststoffformteiles einführbar ist, wobei Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) in der Dampfkammer (1, 2) so angeordnet sind, daß die Rückwände des Formwerkzeuges. (5, 6) allseitig fein besprühbar, Wasser den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) mittels einer Pumpe mit vorgebbarem Druck zuführbar ist und jeweils einem Feinstsprühkopf (8, 9 und 9a) zugeordnet, in Zufuhrleitungen mindestens ein Ventil zur Regelung des Volumenstromes, des Druckes und/oder zum Abschalten angeordnet ist, wobei in den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) Bohrungen mit einem Durchmesser < 1 mm und zusätzliche Verwirbelungselemente vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensatablaß (14, 15) in der Dampfkammer (1, 2) vorhanden ist, von dem Kondensat zu einem Kondensatsammelbehälter (B1) gelangt, in dem eine Temperiereinrichtung vorhanden ist und der Kondensatsammelbehälter (B1) mit der Pumpe, zur Rückführung von Kondensat als Kühlwasser, verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritte der Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) trichterförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung der Dampfkammer (1, 2) mit einer Wärmedämmung versehen ist oder die Dampfkammerwandung aus einem wärmedämmenden Material gebildet ist, deren Wärmedämmwert < 0,5 W/mK ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführungen für Wasser zu den Feinstsprühköpfen (8, 9 und 9a) in den Dampfkammerrahmen (1a, 2a) aufgenommen oder in die Rückwandplatten (3, 4) integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand der Dampfkammmerwandung mit einem Antrieb zur Variation des Dampfkammervolumens translatorisch verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer (1, 2) mit einer einen Druck unterhalb des Umgebungsdruck erzeugenden Einheit verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Unterdruck erzeugende Einheit eine Vakuumpumpe ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) zumindest teilweise aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet oder mit einem solchem Material, als Wärmeisolierung beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) formwerkzeugspezifisch-ausgebildet und austauschbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Befülleinrichtung (7) in die Dampfkammer zum Formwerkzeug (5, 6) geführt ist.
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus expandierbaren Kunststoffteilchen unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem – vorexpandierte Kunststoffteilchen in ein aus mindestens zwei Teilen gebildetes Form Werkzeug (5, 6) eingebracht, die eingebrachten Kunststoffteilchen durch Erwärmung . mittels Dampf erwärmt und durch Aufschäumen und Verschweißen Formkörper bilden, – zur Stabilisierung des Formkörpers die Außenwandung des Formwerkzeuges (5, 6) mit im Temperaturbereich zwischen 40 und 80 °C temperiertem Wasser in feinverteilter Form so besprüht wird, daß sich ein Wassernebel auf der Oberfläche des Formwerkzeuges (5, 6) niederschlägt und eine Kühlung sowohl durch Wärmeleitung vom Form werkzeug (5, 6) zum Wasser, wie auch Kühlung durch Verdampfung des Wassers erreicht wird, wobei mit Ventilen der Druck und/oder der Volumenstrom des eingesprühten Wassers in Abhängigkeit der jeweiligen Formwerkzeugkonfiguration für die einzelnen Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) variabel eingestellt wird und einzelne Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser über Feinstsprühköpfe (8, 9 und 9a) mit einem Druck zwischen 3 und 7 bar in die Dampfkammer (1, 2) gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Dampfkammer (1, 2) rückgeführtes Kondensat in einem Kondensatsammelbehälter (B1) mittels eines Wärmetauschers temperiert und über eine Pumpe in die Dampfkammer (1, 2) zu Kühlzwecken rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung Abwärme und/oder Abdampf verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder gleichzeitig mit dem Einsprühen oder im Anschluß an das Einspritzen des Wassers der Druck in der Dampfkammer (1, 2) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dampfkammer (1, 2) während der Kühl- und Stabilisierungsphase ein Druck von 0,5 bis 0,8 bar unterhalb des Umgebungsdruckes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkammervolumen, zur Minimierung des Totvolumens, durch translatorische Verschiebung mindestens einer der Wände der Dampfkammer (1, 2), die äußeren Abmessungen des Formwerkzeuges (5, 6) berücksichtigend, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kühl- und Stabilisierungsphase das Dampfkammervolumen durch Verschiebung mindestens einer der Wände der Dampfkammer (1, 2) vergrößert und der Druck in der Dampfkammer (1, 2) abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kühl- und Stabilisierungsphase das Dampfkammervolumen, durch Verschiebung mindestens einer der Wände der Dampfkammer (1, 2) verkleinert und die entsprechende Druckerhöhung zum Entformen der Formkörper benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (5, 6) über eine zentrale Befülleinheit befüllt wird.