DE2044682A1 - Verfahren zum Ausformen von Gegen standen aus thermoplastischen Kunst stoffen - Google Patents

Description

(Zusatz zu Patent - Patentanmeldung P 17 04 292.1-16)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausformen von Gegenständen aus thermoplastischen Kunststoffen.

Eine der charakteristischen Eigenschaften von Polypropylen und Polyäthylen mit hoher Dichte ist die starke Schrumpfung beim Kühlen aus dem flüssigen in den festen Zustand. Bei üblichen Verfahren zum Abkühlen einer Schmelze eines derartigen Polymerisats in einer Form härtet die Oberfläche der Polymermasse, während der weiter innen liegende Teil im geschmolzenen Zustand verbleibt. Da das Innere der Masse auch schließlich fest wird, entwickeln sich Einsenkungen an der Oberfläche, innere Hohlräume und innere Spannungen, besonders in dicken Abschnitten. Feste Gegenstände, die derartige innere Hohlräume und Spannungen aufweisen, sind im allgemeinen nicht geeignet, durch Formverfahren oder Bearbeitungeverfahren zu brauchbaren Gegenständen verarbeitet zu werden, wobei das Polymerisat ungeschmolzen bleibt. UbIi-

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ehe Formverfahren sind daher nicht geeignet, um dicke Gegenstände, wie Platten oder Platinen herzustellen, die keine inneren Hohlräume und andere Fehler besitzen.

Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung von Platten und Platinen von thermoplastischen Polymerisaten in wirtschaftlicher Weise, insbesondere von Polypropylen und Polyäthylen hoher Dichte, die keine inneren Hohlräume, Oberflächenabsenkungen, Verwerfungen und andere Fehler besitzen und die zu brauchbaren Gegenständen durch Formgebungsverfahren überführt werden können, wobei das Polymerisat ungeschmolzen bleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus thermoplasbischen Kunststoffen, wobei man eine vorbestimmte Menge an geschmolzenem thermoplastischem PoIy-

eine Pprm oder
merisat in/ein Gesenk bringt, das definiert ist durch eine starre Oberfläche und eine andere Oberfläche eines deformierbaren wärmeisolierenden Körpers, der im wesentlichen starr ist, solange er nicht dem Einfluß von Kräften unterworfen ist, sich jedoch unter dem Verformungsdruck deformiert, worauf man das Gesenke schließt, indem man eine zweite starre Oberfläche auf das Polymerisat und den deformierbaren Körper mit einer Kraft herabsenkt, die dazu ausreicht, das nicht verfestigte Polymerisat in dem Gesenke unter Druck zu halten, wobei mindestens eine der starren Oberflächen wärmeleitend ist und die Polymerisatschmelze, während sie unter dem Verformungsdruck steht, solange über die wärmeleitende Fläche gekühlt wird, bis sie völlig fest ist, worauf man den verfestigten Formkörper aus der Form entnimmt, nach Patent (Patentanmeldung P 17 04 292.1-16), ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen deformierbaren wärmeisolierenden Körper verwendet, dei· mit Entlüftungsöffnungen an der oberen Fläche am offenen Ende des Gesenkes versehen ist und beim Absenken der zweiten starren Oberfläche die eingeschlossene Luft aus dem

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- 3 Gesenk durch die Entlüftungsoffnungen entweichen läßt.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es erläutern:

Fig. 1, 2 und 3 eine Durchführungsweise für die Erfindung,

wobei Fig. 1 ein schematischer senkrechter Schnitt einer Vorrichtung darstellt, in welcher eine geschmolzene Kunststoffmasse in der zum Formen erforderlichen Lage ist, Fig. 2 die Vorrichtungen gemäß Fig. 1 darstellt, während sich die Kunststoffmasse unter Formgebungsdruck befindet und Fig. 3 eine Darstellung der Vorrichtung und eines geformten Gegenstandes nach Beendigung der Formgebung darstellt,

Fig. 4 und 5 eine andere Verfahrensweise zur Durchführung der Erfindung, wobei Fig. 4 ein schematischer senkrechter Querschnitt einer Vorrichtung ist, wobei eine geschmolzene Kunststoffmasse in Formgebungsstellung ist und Fig. 5 die Vorrichtung gemäß Fig. darstellt, während sich die Kunststoffmasse unter Formgebungsdruck befindet,

Fig. 6 und 7 isometrische Ansichten von erfindungsgemäß

hergestellten Gegenständen,

Fig. 8 eine isometrische Ansicht eines fehler

haften Gegenstandes, der ohne Anwendung der Erfindung hergestellt worden ist und

Fig. 9» 10 und 11 isometrische Ansichten von Formen von deformierbaren Formeinlagen, die nach dem

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erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sowie

12 eine schematische Ansicht einer Vorrich

tung, die das Verfahren zum Ausformen von Gegenständen gemäß der Erfindung erläutert,

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 1, 2 und 3 besteht aus einer starren unteren Druckplatte oder Preßplatte 10 mit einer flachen Oberfläche 11, einer starren oberen Druckplatte oder Preßplatte 12 mit einer flachen Oberfläche 13» einem deformierbaren Formeinsatz 14a, einem starren Stützring 15 und einer Unterlegscheibe 16, die den Stützring trägt.

Die obere und die untere Platte kann jeweils gegeneinander und voneinander fort einzeln bewegt werden oder eine der Platten kann stationär und die andere beweglich angeordnet sein. Ihre Oberflächen verlaufen parallel. Die Oberflächen 11 und 13 stellen die oberen und unteren Oberflächen der Form dar, in der die Platinen aus dem Polymerisat geformt werden. Wenigstens eine und vorzugsweise beide Platten sind dafür eingerichtet, das Polymerisat in der Form abzukühlen.

Der Umfang des Kunststoffgegenstandes wird durch den Formeinsatz 14a definiert, der einen deformierbaren Körper darstellt und aus einem Material hergestellt ist, das, wenn es nicht einer Kraft unterworfen wird, im wesentlichen starr ist und unter dem Formdruck fließen kann und ein schlechter Wärmeleiter ist.

Der deformierbare Formeinsatz wird gewöhnlich aus Gummi oder einem gummiartigen Material oder einer Kautschukmischung hergestellt. Hierzu gehören alle elastomeren Stoffe, wie vul-

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kanisierter Kautschuk und synthetische Elastomere, die ausreichend starr sind, um ihre Form beizubehalten, wenn sie nicht unter Druck stehen, und die innerhalb ihrer Elastizitätsgrenzen fließfähig sind, ähnlich einer Flüssigkeit, wenn sie während des Formverfahrens unter Druck stehen. Die chemische Zusammensetzung des Elastomeren ist für den erfindungsgemäßen Zweck nicht wesentlich, sofern das Elastomere die gewünschten physikalischen Eigenschaften besitzt einschließlich der schlechten Wärmeleitfähigkeit, bei den höchsten Temperaturen, denen es während des Formgebungsverfahrens ausgesetzt wird, nicht abgebaut wird, sowie gegenüber der Füllung aus dem thermoplastischen Kunststoff chemisch inert ist.

Der deformierbare Formeinsatz oder Formring kann kreisförmig oder rechteckig sein oder jede andere gewünschte Konfiguration besitzen. Ein kreisförmiger und ein quadratischer Formeinsatzring sind in den Fig. 9 und 10 als Ringe 14a und 14b dargestellt.

Ein wichtiges Kennzeichen des Formeinsatzringes 14a besteht darin, daß dessen obere Fläche mit Entlüftungsöffnungen in Abständen versehen ist, wie Schlitzen, Kerben oder Nuten 20. Diese dienen dazu, während des Ausformungsverfahrens eingeschlossenen Luft entweichen zu lassen. Es sollten wenigstens vier derartiger Schlitze vorgesehen sein, die im Winkelabstand von etwa 90° voneinander entfernt angeordnet sind. Gegebenenfalls kann jedoch eine viel größere Zahl verwendet werden.

Die Wandkonfiguration des Formeinsatzrings beeinflußt die Form der Kunststoffplatine, die in dem Verfahren gebildet wird, wenn z.B. die Kunststoffmasse fest wird, während sie nicht eeitlich. von Wänden eingeschlossen ist, wird sich ein Block bilden, der konvexe Seitenwände besitzt. Eine Platine mit konvexen Seitenwänden wird ebe^alls erhalten, wenn der

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erfindungsgemäß verwendete deformierbare Formeinsatzring eine gerade Wand besitzt, insbesondere wenn dieser Ring entweder ohne Stützring oder mit einer Stütze in der vollen Höhe der Wand versehen ist, z.B. wenn der Formeinsatz als Auskleidung für eine geradwandig zylindrische Form verwendet wird.

Der Formeinsatzring wird derart ausgewählt, daß das Volumen, das vom nicht deformierten Formeinsatzring und den starren Formoberflächen umschlossen wird, etwa das gleiche ist, wie das Volumen der Polymerisatschmelze, das gebraucht wird, um die gewünschten Platine herzustellen. Die Höhe des Formeinsatz ringes beträgt im allgemeinen 11.5 bis 135 % der Höhe der fertigen Platine.

Die Kerben im Formeinsatzring können enge Schlitze sein, die beispielsweise einen Querschnitt von 1,6 χ 1,6 mm besitzen. Die Dimensionen sind nicht kritisch. Sie sollten relativ flach sein, z.B. 10 % oder weniger der Höhe des Formeinsatzringes betragen und sie sollten in jedem Fall oberhalb der Oberfläche der fertigen Platine enden.

Bevorzugte Ausführungsformen des Formeinsatzringes sind in den Fig. 1 bis 3 und 9 dargestellt. In diesen Figuren besitzt der Formeinsatzring eine Innenwand, die konkav gebogen ist. Bei der Verwendung mit einem starren Stützring, dessen Höhe etwa die Hälfte der Höhe der fertigen Platine beträgt, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist, hat die Platine vollständig oder im wesentlichen geradlinige Seitenwände. Der Stützring hat eine Höhe von vorzugsweise 1/4 bis 3/4· der Höhe der herzustellenden Platine und sollte senkrecht zentriert sein und von einer geeigneten Unterlegscheibe gemäß der Darstellung gestützt werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der de-

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formierbarer Körper 14c ein hohler, mit Flüssigkeit gefüllter abgeschlossener Körper. Zu diesem Zweck kann sehr zufriedenstellend ein mit Luft aufgeblasener Gummischlauch verwendet werden. Es wurde gefunden, daß der während des Ausformungsverfahrens erforderliche Druck drastisch vermindert värd, wenn eine mit Flüssigkeit gefüllte Auskleidung verwendet wird. Wenn z.B. eine Polypropylenplatine erfindungsgemäß geformt wird, wobei eine feste Gummiauskleidung gemäß Fig. 1 verwendet wird, wird im allgemeinen ein Druck von etwa 3,5 kg/cm benötigt, um zufriedenstellende hohlraumfreie Platinen herzustellen. Wenn die feste Auskleidung durch einen mit Luft gefüllten Gummischlauch ersetzt wird, werden gleich gute Er-

gebnisse bei einem Druck von nur 0,7 kg/cm erhalten.

Die Verwendung eines mit Flüssigkeit gefüllten Formeinsatzes ist in den Fig. 4 und 5 und durch den Formeinsatzring in Fig. 11 erläutert. Die Vorrichtung besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Stempeln mit flacher Oberfläche 10 und 12, die starre ebene Oberflächen 11 und 13 besitzen, und einer hohlen, mit Flüssigkeit gefüllten Form 14c mit geschlossenen Wänden, die mit Kerben 20 vessehen ist und als deformierbarer Formeinsatz arbeitet. Der deformierbare Formeinsatz 14c kann z.B. ein mit Luft gefüllter Toroid aus Gummi sein, dae Entlüftungskerben 20 und ein Ventil 18 besitzt, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. In den meisten Fällen wird ein Schlauch mit dem Aufbau des Innenschlauchs eines Fahrradreifens ausreichend stark sein. Wenn der Schlauch ein Ventil besitzt, liegt dieses natürlich vorzugsweise an der Außenseite, die der Berührungsseite mit der Kunststoffmasse gegenüberliegt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der gekerbte, mit Flüssigkeit gefüllte deformierbare Formeinsatz 14c der Fig. 4, 5 und 11 durch einen solchen mit einer ge-

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kerbten, festen, deformierbaren Gestalt ersetzt werden, wie einem Toroid aus festem Kautschuk.

Übliche Teile der Vorrichtung, die zur Erläuterung der Erfindung nicht erforderlich sind, sind in den Zeichnungen nicht dargestellt; z.B. sind übliche Heiz- und Kühlvorrichtungen, die die Regelung der Temperatur der starren Teile der Form erlauben, fortgelassen. Ebenfalls nicht dargestellt ist die Presse, die zum Gegeneinanderdrucken der Formoberflächen während des Formgebungsverfahrens verwendet wird, sowie damit verbundene Vorrichtungsteile, wie Vorrichtungen zur Entfernung des fertigen Gegenstandes.

Fig. 1 erläutert die Stellung der Formteile, nachdem eine geschmolzene Kunststoffmasse M auf die Oberfläche 11 der Platte aufgebracht ist. Die Platten 10 und 12 werden dann gegeneinander gedrückt. Die eine Platte kann stationär sein oder beide Platten können bewegt werden. Wenn die obere Oberfläche 13 die Stoffmasse berührt, drückt sie die Masse entsprechend der Form in das Gesenke, das durch die Formflächen 11 und 13 und den deformierbaren Formeinsatz 14a definiert ist. Wenn die Höhlung des Gesenkes geschlossen ist, berührt die obere Plattenoberfläche 13 zuerst die Kunststoffmasse M und veranlaßt die Abplattung der Masse und das Ausfließen der Masse in den Formeinsatz 14a. Wenn die obere Plattenfläche 13 zuerst die Oberfläche 1? des Formeinsatzringes berührt, hat die Kunststoffmasse nicht den verfügbaren Raum vollständig gefüllt. An diesem Punkt würde Luft in dem Gesenk eingeschlossen werden, wenn keine Entlüftungsschlitze 20 vorgesehen wären. Wenn jedoch Entlüftungsschlitze vorliegen, kann die eingeschlossene Luft entweichen, wenn der Spalt zwischen den Platten immer kleiner wird. Wenn das Polymerisat den verfügbaren Raum der Form vollständig gefüllt hat, wird der Druck aufrechterhalten, jedoch tritt kein weiterer wesentlicher sofortiger Bewegungsablauf auf.

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Das Kühlen wird dann durch Zirkulieren von Kühlflüssigkeit durch wenigstens eine und vorzugsweise beide Platten bewerkstelligt. Das elastomere Material der Auskleidung wirkt als Isolierfläche und verhütet oder verlangsamt das Härten der geschmolzenen Kunststoffmasse, mit der es in Berührung steht, solange, wie noch ein erheblicher Teil der gesamten Kunststoffmasse M im geschmolzenen Zustand vorliegt. Wenn die Kunststoffmasse abkühlt und schrumpft, härten dementsprechend diejenigen Teile zuerst, die an den gekühlten Gesenkgflachen anliegen. Der Druck wird aufrechterhalten, während die Kunststoffmasse kühlt und schrumpft. Dieser Formgebungsdruck zwingt den elastomeren Einsatz 14a allmählich zu einer Deformierung durch ein flüssigkeitsähnliches Fließen in die Konfiguration, die in Fig. 2 erläutert ist. Da der geschmolzene Teil der Kunststoffmasse sich unter kontinuierlichem Formgebungsdruck befindet, verfestigt es sich zu einem hohlkörperfreien, praktisch spannungsfreien festen Körper B.

Das Formgebungsverfahren, das in den Fig. 4 und 5 erläutert wird, entspricht im wesentlichen demjenigen der Fig. 1 und 2. Fig. 4 erläutert die Vorrichtung mit der geschmolzenen Kunststoffmasse M an Ort und Stelle und Fig. 5 nach dem Aufbringen des vollen Formgebungsdrucks. Wie oben angegeben, erlaubt die Verwendung eines mit Flüssigkeit gefüllten deformierbaren Formeinsatzrings das Formen hervorragender, hohlstellenfreier

Gegenstände bei Drücken bis herunter zu 0,7 kg/cm .

Fig. 6 erläutert eine kreisförmige Platine B, die erfindungsgemäß hergestellt worden ist. Ein Segment ist ausgeschnitten, um die Form leichter zu erkennen. Die oberen und unteren Flächen sind flach und glatt und entsprechen den Gesenkeflächen 11a und 12a. Die Kanten sind im wesentlichen geradlinig als Ergebnis der Verwendung eines Formeinsatzrings 14 mit konkaven Wänden und des Stützrings 15. Fig. 7 erläutert eine Platine B¹

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mit konkaven Seiten, wie sie beispielsweise durch das Verfahren gemäß den Pig. 4- und 5 oder durch Verwendung eines festen Formeinsatzrings mit geradlinigen Innenwänden hergestellt werden kann.

Fig. 8 erläutert das Ergebnis, wenn eine Kunststoffmasse unter Druck in einem starren Gesenk mit einer geradlinigen starren Gesenkjiwandfläche geformt wird. Nachdem die Masse sich verfestigt hat, wird gefunden, daß sie innere Hohlräume 19 und konkave Seitenwände und konkave, mehr oder weniger hülsenförmige obere und untere Oberflächen 18 besitzt.

Verschiedene mögliche Formen des elastomeren isolierenden Gesenk^formteils sind in den Fig. 9, 10 und 11 erläutert. Fig. 9 erläutert einen Ringeinsatz 14a mit einer konkaven Innenwand, wie sie nach dem Verfahren gemäß Fig. 1 bis 3 verwendet v/ird. Fig. 11 erläutert ein liohles, mit Flüssigkeit gefülltes Toroid 14c, das für die Verwendung nach dem Verfahren gemäß Fig. 4 und 5 geeignet ist. Dieser kann ein luftgefüllter Gummischlauch sein, wie der Innenschlauch eines Fahrradreifens, der mit Kerben oder wellenförmigen Einschnitten 20 versehen ist und ein Ventil 18 besitzen kann. Er kann auch ein verstärkter Schlauch sein mit einem Aufbau ähnlich einem ringförmigen Reifen. Fig. 10 erläutert einen quadratischen röhrenförmigen Formeinsatz.

Fig. 12 erläutert ein bevorzugtes Durchführungsverfahren des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein thermoplastisches Polymerisat, das geformt werden soll, wird in jeder gewünschten Form durch die Leitung 21 in einen Schneckenextruder 22 gefüllt, in welchem das Polymerisat in eine geschmolzene Masse überführt wird. Ein Strom 23 dieser gebildeten Schmelze wird in Portionen 24 von vorbestimmtem Gewicht aufgeteilt. Die Schmelze.wird auf einer Platte 25 gesammelt, die eine Ober fläche besitzt, an der das Polymerisat nicht haftet, z.B. einer

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mit Polytetrafluorethylen beschichteten Oberfläche. Die Platte 25 liegt auf einem Tisch 26, der ein Wägetisch oder ein tragbarer Tisch auf einer Dosierwaage sein kann. Die Oberfläche des Tisches 26 oder der Platte 25 wird erhitzt oder stark isoliert, um ein vorzeitiges Abkühlen der Polymerisatschmelze zu verhindern. Die Platte 25 oder der Tisch 26 wird entfernt und durch einen anderen ersetzt, nachdem ein Vorformling von vorbestimmtem Gewicht darauf angesammelt ist. Die Polymerisatmasse 24 ist dicker, hat jedoch eine kleinere Fläche als die Form. Sie wird zum Formgebungsarbeitsplatz überführt, wo sie auf die Oberfläche der Platte 10 gebracht wird. Der Formeinsatζring 14a aus Gummi, die Unterlegscheibe 15 und der Stützring 16 werden dann auf die Gesenkjiflache 11 gebracht. Die GesenkjSform wird dann geschlossen und die Schmelze wird zu einem hohlraumfreien spannungsfreien Gegenstand geformt, wie dies eingangs beschrieben ist. Die Form wird geöffnet und der Gegenstand wird von der Oberfläche der Platte 10 entfernt.

Die Erfindung erlaubt die leichte Herstellung von Platinen von 6 mm oder größerer Dicke. Platinen von 12 mm bis 51 mm Dicke sind besonders brauchbar. Der zur Herstellung zufriedenstellender hohlraumfreier Gegenstände erforderliche Formgebungsdruck liegt im allgemeinen im Bereich von 0,7 bis

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28 kg/cm . Während höhere Drücke ohne nachteilige Wirkungen verwendet werden können, werden diese doch nicht üblicherweise benötigt. Mit einer aufgeblasenen Auskleidung, wie dem Formeinsatz 14c werden im allgemeinen Formgebungs-

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drücke von 0,7 bis 14 kg/cm bevorzugt und es können selbst geringere Drücke ausreichen. Bei einer festen Gummiauskleidung liegt der zur Formung hohlraumfreier Gegenstände erforderliche Druck im allgemeinen zwischen etwa 0,55 und 7 kg/cm^, jedoch

können auch niedrigere Drücke bis herunter zu etwa 0,14 kg/cm als Mindestgrenze ebenfalls brauchbare Ergebnisse ergeben und höhere Drücke können gegebenenfalls verwendet werden.

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Nachdem die Form geschlossen ist und unter Druck steht, werden wenigstens eine, vorzugsweise beide wärmeleitende Gesenkgflachen gekühlt, z.B. durch Zirkulieren von Kühlwasser durch Innenkanäle in bekannter Weise. Der Gegenstand muß in der Form unter Druck verbleiben, bis er sich vollständig verfestigt hat. Bei Polypropylen bedeutet dies, daß der gesamte Gegenstand auf eine Temperatur von 168⁰C oder darunter gekühlt wird. Bei kristallinen Polymerisaten werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn das Polymerisat in der Form verbleibt, bis es im wesentlichen voll auskristallisiert ist. w Bei Polymerisaten, wie Polypropylen, die leicht unterkühlt werden, erfordert dieses ein Kühlen erheblich unterhalb der Verfestigungstemperatur.

PATENTANSPRÜCHE :

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Claims (3)

1A-38 415 2 04-' "82 - 13 - PATENTANSPRÜCHE

1) Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei man eine vorbestimmte Menge an geschmolzenem thermoplastischem Polymerisat in ein Gesenk-._: bringt, das definiert ist durch eine starre Oberfläche und eine andere Oberfläche eines deformierbaren wärmeisolierenden Körpers, der im wesentlichen starr ist, solange er nicht dem Einfluß von Kräften unterworfen ist, sich jedoch unter dem Verformungsdruck deformiert, worauf man das Gesenk schließt, indem man eine zweite starre Oberfläche auf das Polymerisat und den deformierbaren Körper mit einer Kraft herabsenkt, die dazu ausreicht, das nicht verfestigte Polymerisat in dem Gesenk unter Druck zu halten, wobei mindestens eine der starren Oberflächen wärmeleitend isti und die Polymerisatschmelze, während sie unter dem Verformungsdruck steht, solange über die wärmeleitende Fläche gekühlt wird, bis sie völlig fest ist, worauf man den verfestigten Formkörper aus der Form nimmt, nach Patent (Patentanmeldung P 17 04 292.1-16), dadurch gekennzeichnet , daß man einen deformierbaren wärmeisolierenden Körper verwendet, der mit Entlüftungsöffnungen an der oberen Fläche am offenen Ende des Gesenkes versehen ist· und beim Absenken der zweiten starren Oberfläche die eingeschlossene Luft aus dem Gesenk durch die Entlüftungsöffnungen entweichen läßt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Entlüftungsöffnungen durch wenigstens vier Kerben einer Tiefe, von nicht mehr als 15 % der Höhe des zu formenden Gegenstandes gebildet werden.

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3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der isolierende Körper ein Hing aus einem elastomeren Material ist, der eine konkave Innenwand besitzt.

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