DE3229762A1

DE3229762A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus expandiertem kunststoffmaterial mit verschiedenen physikalischen eigenschaften

Info

Publication number: DE3229762A1
Application number: DE19823229762
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Saplest SA
Current assignee: Saplest SA
Priority date: 1981-08-13
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1983-02-24
Also published as: FR2511297B1; GB2104831B; GB2104831A; FR2511297A1; US4424180A

Description

Oipl. Phys. H. Seidel „

Patenr.anwältin ▼

Stadtalat?. 27 _O9 . August 1982

Tel. Oa638/2333 _Mein Zeichen: Be-12

SAPLEST S.A., Sainte Marie en Chanois Faucogney et La Mer (Haute Saone), Frankreich

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Kunststoffmaterial mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Kunststoffmaterial mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften, die durch ihren Verwendungszweck vorgegeben sind, z.B. mechanische Eigenschaften, Wärme-und Schallisolation etc.

-JB-

Die Prüfung von Formgegenständen aus einem expandierten Kunststoffmaterial, insbesondere aus expandiertem Polystrol hat gezeigt, daß die expandierten Partikel(Zellen) verschiedene Formen annahmen entsprechend ihrer Entfernung von den Oberflächen des Gegenstandes.

Im allgemeinen haben die Zellen längs der Außenflächen des Gegenstandes die Form von Kugeln, die mehr oder weniger stark zusammengedrückt sind, während die Zellen in dem Teil, der entfernt von den Außenflächen liegt, gestreckt in Form von Reiskörnern sind und in beliebigen Richtungen verlaufen.

Festigkeitsbetrachtungen lassen erkennen, daß die Festigkeit einer Zelle aus expandiertem Material in abgeflachter Form in Richtung ihrer kleineren Dicke schwach ist und daß sie eine gewisse Elastizität aufweist. Bei einer Zelle aus expandiertem Material in Form von Reiskörnern ist die Festigkeit relativ groß in ihrer Längsrichtung.

Es ist bekannt, die Nachgiebigkeit der abgeflachten Zellen bei Platten aus expandiertem Kunststoffmaterial auszunützen.

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Um relativ nachgiebige Platten zu erhalten, walzt man die Oberfläche der Platten unmittelbar nach ihrer Herstellung, um die zuerst kugelförmigen Zellen zusammenzudrücken oder abzuplatten. Dieses Verfahren ist jedoch einerseits auf Platten und andererseits allein auf das Zusammendrücken beschränkt.

Die mehr oder weniger unregelmäßige Streckung der Zellen, die sich bei den hergestellten Gegenständen zeigt, ist nur eine Folge ihrer Expansion:

Die gestreckten Zellen befinden sich nämlich im Inneren des Gegenstandes;

Die Ausrichtung ist willkürlich und verändert die physikalischen Eigenschaften des Stückes nicht; Es existiert bisher kein Mittel, welches es erlaubte, gestreckte Zellen herzustellen, die in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind.

Die vermehrte und verschiedenartige Herstellung von Formstücken aus Kunststoffmaterial macht es wünschenswert, Formstücke mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise mit größerer Härte, größerer Nachgiebigkeit etc. herstellen zu können, wobei diese Eigenschaften entweder das ganze Formstück oder nur Teile desselben erfassen sollten.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt, Gegenstände aus Kunststoffmaterial herzustellen, die, ganz oder teilweise, vorherbestimmbare, physikalische Eigenschaften aufweisen.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Kunststoffmaterial, insbesondere aus expandiertem Bolystrol, wobei man in einer Anfangsphase das Kunststoffmaterial in einer heißen, präzis geformten Form expandiert und dann im Verlauf der Endphase verfestigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Zwischenphase, die zwischen der Anfangs phase und der Endphase liegt,zumindest teilweise das Innenvolumen der Form an der Stelle, wo man die physikalischen Eigenschaften des Gegenstandes verändern will, abwandelt, den Gegenstand in komplementärer Weise expandiert, damit das Kunststoffmaterial das Innenvolumen der Form vollständig ausfüllt und Im Verlauf der Endphase, zumindest teilweise, die Gestalt des Innenraumes der Form relativ zu seiner während der Zwischenphase eingenommenen Gestalt verändert und das Kunststoffmaterial komprimiert und erstarren läßt, um die Gestalt des Gegenstandes zu festigen.

Aufgrund der komplementären Expansion _f auf die di.e

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Kompression folgt, welche mehr oder weniger stark ausgeprägt ist, um das Stück in der endgültigen Form festzulegen, kann man entweder an einzelnen Stellen oder im Ganzen die Festigkeit, oder ganz allgemein, die physikalischen Eigenschaften eines Gegenstandes verändern, um diesen besser an seinen Verwendungszweck anzupassen. Man kann somit relativ geschmeidige Formstücke herstellen, die dazu dienen, die Erschütterungen zu dämpfen, z.B. Formstücke zur Verpackung von zerbrechlichen Gegenständen.

Man kann aber auch in gleicher Weise Formkörper mit einer relativ beträchtlichen Festigkeit herstellen, beispielsweise einen Schutzhelm, dessen oberer Teil hart und dessen Ränder nachgiebig sein müssen.

Vorzugsweise verwendet man eine Form, die zumindest teilweise

einerseits in der Anfangsphase oder der Zwischenphase und andererseits in der Endphase verschieden ausgebildet ist.

Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Form, die man in der Endphase verwendet, zumindest zum Teil verschieden von der Form, die in der Anfangs- und der Zwischenphase verwendet wird.

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-JeC-

<3

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die Änderung des Innenraumes der Form durch eine Bewegung oder eine Verstellung von Teilen der Form relativ zueinander oder durch eine teilweise oder vollständige Änderung der Form selbst erfolgen kann. Auf jeden Fall ist eine solche Änderung nur zwischen der Zwischenphase und der Endphase möglich, da nicht nur eine Änderung der Fgrm vorgenommen wird, sondern es auch notwendig ist, das.Formstück abzukühlen um es endgültig zu verfestigen.Es ist daher besonders vorteilhaft in diesem Augenblick die Form mindestens teilweise zu verändern. Einzelheiten ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung. Hierin zeigen:

Fig. IA, IB, IC die Gestalt eines Gegenstandes aus

expandiertem Kunststoffmaterial während seiner drei Herstellungsphasen,

Fig. 2A, 2B, 2C schematisch eine Form, die beispielsweise für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Fig. IA, IB, IC geeignet ist,

Fig. 3A, 3B, 3C schematisch eine Form während der drei

Herstellungsphasen eines ersten Gegenstandes ,

Fig. 4A, 4B, entsprechend den Fig. 3A,3B,3C die

Herstellung eines anderen Gegenstandes,

Fig. 5A, 5B, 5C die Herstellung eines bauchigen Gegenstandes ,

Fig. 6A, 6B, 6C die Herstellung eines Parallelepipeds,

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SIO

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht allgemein darin, Material in eine Form zu spritzen, dieses Material dann im Verlauf seiner Expansionsphase durch Hitzeeinwirkung zu expandieren, eine wählbare, adiabatische Entspannung hervorzurufen, um durch eine nachfolgende erneute wählbare Kompression dem Gegenstand seine endgültige Gestalt geben zu können.

Die Ausdrücke "Entspannung", "Kompression" und "wählbar" sagen aus, daß sowohl die Stelle_/ an der die Entspannung oder die Kompression vorgenommen wird, als auch ihre Größe abhängig von dem herzustellenden Gegenstand, d.h. von der erwünschten mechanischen Oberflächenfestigkeit des Gegenstandes wählbar sind.

Das bedeutet gleichzeitig, daß die Entspannung an einer Stelle des Gegenstandes unterschiedlich von derjenigen an einer anderen Stelle des Gegenstandes sein kann. Dasselbe gilt auch für die Kompression.

Um das Verfahren zu erläutern, wird es im Zusammenhang mit den Fig. IA bis IC beschrieben, die schematisch die Gestalt des Gegenstandes im Verlauf seiner drei Herstellungsphasen wiedergeben, nämlich:

die Anfangsphase für die Injektion und Expansion (Fig. IA) die Zwischenphase der komplementären Expansion (Fig. IB) und

die Endphase der endgültigen Verfestigung (Fig. IC).

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stA

Das Verfahren wird im Zusammenhang mit der Herstellung eines Gegenstandes 1 beschrieben, der die Gestalt einer Schachtel mit einem Boden 2 und Wänden hat.

Gemäß der Erfindung beabsichtigt man die mechanischen Eigenschaften der Flächen 21A,31A (Fig. IA) des Gegenstandes 1 zu verändern.

Um die Lage der Oberflächen 21,31 zu definieren, sind diese durch ihren Abstand a bzw. b von der Bodenfläche des Gegenstandes 1 gekennzeichnet.

Die Bezugszeichen 21A, 21B und 21C, bzw. 31A, 31B und 31C kennzeichnen die Lage der Oberflächen 21 und 31 im Verlauf der drei Arbeitsphasen gemäß den Fig. IA, IB und IC. In den Fig. wird die Lage der zu verändernden Oberflächen durch die Abstände a und b, bzw. a + h·, und b + h,, bzw. a + h, und b + h₄ (Fig. IA, IB IC) gekennzeichnet.

Das Verfahren verläuft folgendermaßen: Injektions- und Expansionsphase (Flg. IA)

Sobald die Form geschlossen ist, spritzt man das Kunststoff material, das sich ausdehnen soll, in die Form,

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beispielsweise wird hierzu Polystyrol in Form vorexpandierter Kugeln verwendet. Dann erhitzt man die Form und leitet Dampf ein. Das Material bläht sich durch die Expansion der Kügelchen auf und nimmt die in Fig. IA gezeigte Gestalt an. Die Fläche 21A des Bodens 2 und die Flächen 3IA der Wände 3 befinden sich danach in Abständen a bzw. b von der Bezugslinie.

Komplementäre Expansionsphase (Fig. IB)

Am Ende der Expansionsphase verändert man die Gestalt des Forminnenraumes derart, daß das Kunststoffmaterial noch weiterhin unter Druck bleibt und sich auf das Niveau der Oberflächen 21a und 31Λ ausdehnt, während die anderen Oberflächen des Gegenstandes blockiert bleiben.

Aufgrund dieser Expansion gelangen die Oberflächen 21A 31A in die Positionen 21B und 31B, die sich in den Abständen a + h. und b + h, von der Unterseite des Gegenstandes 1 befinden.

Die Abstände h.. , h_?, h_ bzw. h.geben dabei die Veränderungen der Abmessungen der Form in einer jeweils vorgegebenen Richtung wieder, dabei sind die Änderungen h. und h_ immer null oder positiv, aber die Änderungen h^ und h₄ entweder positiv, null oder negativ.

-lo-

Im Verlauf dieser komplementären Expansion strecken sich die auf dem Niveau der Oberflächen 21B, 31B befindlichen Partikel, die kugelförmig oder abgeflacht waren im Sinne einer Vergrößerung des Innenvolumens der Form.

Stabilisationsphase(Fig. IC)

Nach Abschluß der komplementären Expansionsphase verändert man erneut die Gestalt der Form, um die Oberflächen 21,31 des Gegenstandes so zu komprimieren, daß sie in die Positionen 21C, 3IC gelangen, deren Abstände von der Unterseite des Gegenstandesa + i^ bzw. b + h^ sind.

Dieser Kompression folgt ein mehr oder weniger ausgeprägtes Zusammendrücken der zuvor expandierten Partikel im Bereich der Oberflächen 21,31.

Die Wahl der Expansionen, bzw. Kompressionen hängt von den mechanischen Eigenschaften, die man anstrebt, ab.

Die Fig. 2A, 2B und 2C geben ein Beispiel einer Form, bestehend aus drei Elementen 11,12,13, wieder, mit der das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann.

Die Fig. 2A, 2B und 2C entsprechen den Fig. IA, IB und IC und geben die jeweiligen Stellungen der Formteile wieder.

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Während es sich bei den Fig. 2A, 2B und 2C um die gleiche Form handelt, kann man gleichermaßen auch andere Formen oder Formelemente verwenden.

Die in den Arbeitsphasen 1 und 2 (Fig. IA, 2A; IB, 2B) verwendete Form ist die gleiche. Wenn die Veränderungen hjyh^ verschieden sind, benötigt man entsprechend viele Formelemente, um diese unterschiedlich relativ zueinander bewegen zu können.Sind aber alle Veränderungen die gleichen, d.h. h, = hg, können die Elemente 12, 13 fest miteinander verbunden und aus einem Stück sein. Darüberhinaus ist es unerläßlich, daß sich die Form nicht während der Phasen 1 und 2 verändert, da die komplementäre Expansionsphase bei Hitzeeinwirkung vorzugsweise adiabatisch vor sich gehen soll.

Für die Phase 3 kann die Form zumindest teilweise von der der Phasen 1 und 2 verschieden sein,und zwar nicht nur bezüglich der Abmessungen des Innenvolumens; es kann sich um eine zumindest teilweise neue Form handeln.

Tatsächlich wird die Verfestigung in der endgültigen Gestalt durch Abkühlung des geformten Gegenstandes erreicht. Aus Gründen der Kalorienersparnis ist es wünschenswert, die heiße Form nicht unnötig abzukühlen. Man kann vielmehr

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den Gegenstand aus der heißen Form (Phase 2) in eine andere kalte Form (Phase 3) überführen.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die Formen und Formelemente, die Verschiebungen und relativen Einstellungen der Formelemente in jeder der Phasen 1, 2 und 3 genaue Abmessungen des Forminnenvolumens festlegen. Diese Genauigkeit ist nicht nur für die Formgebung und deren endgültige Stabilisierung, sondern auch für die Gestalt des Gegenstandes am Ende der Arbeitsphasen 1 und 2 notwendig. Tatsächlich hängen die Änderungen der mechanischen Eigenschaften allein von dem Wert der Veränderungen h^hj, h^, h^ und von der Genauigkeit dieser Veränderungen ab.

Da diese Veränderungen in der Größenordnung von einigen mm liegen können, ist die Wichtigkeit der Genauigkeit der Formen in jeder Phase des Verfahrens hervorzuheben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von einigen Ausführungsbeispielen.

Beispiel 1 (Fig. 3A, 3B und 3C)

Für die Ausführung dieses Beispieles verwendet man eine Form bestehend aus den Elementen lol, Io2, wie. man sie zur Herstellung eines Verpackungsmaterials Io3 in Form

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einer Schachtel verwendet. Man beabsichtigt die Festigkeit in ähnlicher Weise zu vergrößern, wie dies bereits gemäß den Fig. 2A, 2B und 2C geschehen ist. Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen schematisch die Form der expandierten Materialpartikel im Verlauf der verschiedenen Verfahrensphasen.

Gemäß Fig. 3A sind die Partikel bei ihrer Expansion in der heißen Form etwa kugelförmig und miteinander verklebt. Anschließend im Verlauf der komplementären Ausdehnung gemäß der Fig. 3B strecken sich die Partikel entsprechend der Veränderung der Abmessungen der Form, d.h. in diesem Fall in Richtung der öffnung der Form, infolge einer Relativ bewegung des Teiles Io2 bezüglich des Teiles Io3. Die am Boden des Gegenstandes und an seinem oberen Rand befindlichen Partikel strecken sich wie dies dargestellt ist.

Während der Arbeitsphase zur endgültigen Formgebung, die in Fig. 3C dargestellt ist, werden die vorher gedehnten Partikel wieder mehr oder weniger zusammengepreßt. Die Bewegungen des Teiles Io2 der Form sind in den Fig. 3B und 3C durch H. und H._Ί gekennzeichnet.

Der gemäß den Fig. 3A, 3B und 3C hergestellte Gegenstand zeigt eine bessere Festigkeit gegenüber einer Zusammendrükkung in öffungsrichtung der Form, da die Partikel in dieser

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Richtung gestreckt wurden.
Beispiel 2 (Fig. 4A und 4B)

Dieses Beispiel entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, lediglich ist in der Endphase die Kompression stärker ausgeprägt, so daß der Gegenstand auf eine geringere Größe als er sie am Ende der ersten Phase hatte komprimiert wird. (Fig. 4A) Dies wird durch die Abstände H in den Zeichnungen dargestellt.

Durch diese stärker ausgeprägte Kompression werden die kugelförmigen Partikel, nachdem sie gestreckt wurden, zusammengedrückt, so daß sich flache Elemente ergeben, die sehr gute Dämpfungseigenschaften aufweisen, die bei der Herstellung von Schachteln, Unterlagen oder anderen Elementen für die Aufnahme und Aufbewahrung von zerbrechlichen Gegenständen dienen sollen, von Bedeutung sind.

Beispiel 3 (Fig. 5A, 5B und 5C)

Dieses Beispiel zeigt einen Gegenstand, der in Richtung senkrecht zur öffnung der Form widerstandsfähiger als ein herkömmlicher Gegenstand ist. Der Gegenstand ist hier tiegel- oder haubenförmig ausgebildet.Zu seiner Herstellung

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verwendet man eine zweiteilige Form bestehend aus den Elementen 3ol, 3o2. Der zu erzeugende Gegenstand trägt das Bezugszeichen 3o3.

Während einer ersten Phase erfolgt die Expansion in einer heißen Form (Fig. 5A). Während einer zweiten Phase erfolgt die komplementäre Expansion mit adiabatischer Entspannung, indem man die Form etwas öffnet, d.h. indem man das Element 3o2 relativ zu dem-Element 3ol hinaufzieht.

Im Verlauf der letzten Phase erzielt man die endgültige Form mit Hilfe eines Formalementes 3o2', welches sich von der vorher verwendeten Form unterscheidet. Dennoch behält man die Ausrichtung der gestreckten Partikel bei, so daß diese zur Oberfläche 3o2* der Form hin verlaufen.

Beispiel 4

Die Herstellung eines Gegenstandes in Form eines Parallelepipeds mit gleichen Festigkeitseigenschaften wie der Gegen stand nach den Fig. 5A, 5B und 5C ist in den Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt. Hier muß man die Maße des Elementes 4o2' der Form in der Phase 6B verändern, um eine Streckung der Partikel in Richtung senkrecht zur öffnung hin zu erzielen. Bei der dritten Phase verwendet man eine Form

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mit Abmessungen, die dazu geeignet sind, die Partikel mehr oder weniger zusammenzudrücken, wobei diese ihre gleiche Ausrichtung beibehalten, die sie bei der Streckung erzielten, die senkrecht zur Öffnungsrichtung der Form verläuft.

Die Beschreibung der vorstehenden Beispiele hat die herkömmlichen Herstellungsmethoden für Gegenstände aus expandiertem Kunststoff zur Grundlage. Bei der praktischen Durchführung bestehen die Formen aus zwei Teilen, die sich planmäßig entsprechend ihrem Verbindungsgelenk öffnen, welches gemäß den Abmessungen der beiden Formelemente,, entsprechend der Form des herzustellenden Gegenstandes_/gewählt wurde.

Solche Formen sind bis zu einem gewissen Maße für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbar. Die Expansionsphase oder komplementäre Entspannungsphase umfaßt somit ein teilweises öffnen der Form, um deren Innenraum zu vergrößern und die komplementäre Ausdehnung zu ermöglichen. Doch sind solche Formen nur in relativ begrenzten Fällen verwendbar,. nämlich nur in solchen, bei denen die Veränderung ihrer mechanischen Eigenschaften, die man für den Gegenstand benötigt, in den Zonen liegt, die für eine komplementäre Dehnung geeignet sind oder durch eine öffnung mindestens eines Teiles der Form komprimiert werden können.

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Hingegenbenötigt man bei der Herstellung von komplizierteren Gegenständen mit einer unterschiedlichen mechanischen Festigkeit in Zonen, die nicht durch eine Öffnungsbewegung der Form erreicht werden, Formelemente mit einer komplizierten Form, , die relativ zueinander beweglich und einstellbar sind, und zwar in einer Richtung, die sich von der Öffnungsbewegung der Form unterscheidet.

Das beschriebene Verfahren kann gleichermaßen auch kontinuierlich für die Herstellung von Platten oder von Bahnen, die erst nachträglich in Platten oder in flache Elemente unterteilt werden, angewendet werden.

In diesem Fall genügt es, die Formen oder die entsprechenden Formvarianten, die den drei Arbeitsphasen entsprechen, durch Kalander oder Förderbänder zu ersetzen, zwischen denen man die Expansion des Materials bewirkt, durch Bänder, deren Abstand so gewählt ist, daß man zuerst eine Expansion und dann eine komplementäre Expansion und schließlich eine Kompression entsprechender Größe erhält, um anschließend eine Bahn oder Platten herstellen zu können, deren Oberflächen eine größere Festigkeit haben oder geschmeidiger sind als diejenigen der Platten oder Bahnen, die auf herkömmliche Art hergestellt wurden.

Claims

Dipl. Phys. H.

Patentanwältin °⁹· August 1982

Stadtplan 27 _{Mein Ze}ichen: Be-12

Tel. ü 8638/2333
ΠΡ54 Waldkraiburn

Patentansprüche

( IJ Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Kunststoffmaterial,insbesondere aus Polystyrol, bei dem man in einer Anfangsphase das Kunststoffmaterial in einer heißen Form mit genauen Abmessungen expandiert und während einer Endphase den Gegenstand verfestigt, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Zwischenphase, die zwischen Anfangsphase und der Endphase liegt, zumindest teilweise den Innenraum der Form an der Stelle, wo man die physikalischen Eigenschaften des Gegenstandes während seiner Herstellung verändern will, abwandelt, den Gegenstand in komplementärer Weise expandiert, damit das Kunststoffmaterial den Innenraum der Form vollständig ausfüllt und im Verlauf der Endphase zumindest teilweise die Gestalt des Innenraumes der Form relativ zu seiner während der Zwischenphase eingenommenen Gestalt verändert und das Kunststoffmaterial komprimiert und erstarren läßt, um die Gestalt des Gegenstandes zu festigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Form verwendet,

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die, zumindest teilweise, einerseits j_n ^_0r ^nfenas-

oder der Zwischenphase und andererseits in der Endphase verschieden ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form, die man in der Endphase verwendet zumindest zum Teil verschieden von der Form ist, die in der Anfangs- und der Zwischenphase verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen der Anfangs- und der Zwischenphase die Form verändert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der für die Endphase verwendeten Form die Teile.der Form, die vorspringen oder zurückgesetzt sind, mehr hervorgehoben, bzw. abgeschwächt sind als die entsprechenden Teile der Form, die in der Anfangsphase verwendet werden.
6. Form für die Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Kunststoffmaterial, insbesondere aus Polystyrol, mit unterschiedlicher mechanischer Festigkeit an verschiedenen Stellen, dadurch gekennzeichnet, daß

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sie zumindest aus drei Teilen besteht, deren Relativlage zueinander entsprechend den Phasen des Herstellungsverfahrens zur Änderung des Innenraumes der Form mindestens an einzelnen Stellen, einstellbar ist.