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Mischvorrichtung für mindestens zwei fließfähige, Kunst-
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stoff, insbesondere Schaumstoff, bildende Reaktionskomponenten Die
Erfindung richtet sich auf eine Mischvorrichtung für mindestens zwei fließfähige,
Kunststoff, insbesondere Schaumstoff, bildende Reaktionskompoenten, bestehend aus
einer Mehrstoffdüse, an deren Auslaßöffnung eine Mischkammer anschließt, in welcher
ein Schieber geführt ist, welcher während des Mischvorganges eine die Mischkammer
freigebende Stellung einnimmt (europäiszhe Patentanmeldung 0 099 045).
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Derartige Mischvorrichtungen sind häufig mit Formwerkzeugen kombiniert
bzw. dienen zum Eintragen des Reaktionsgemisches in das Formwerkzeug. Mit solchen
Einrichtungen lassen sich Formteile aus Polyurethan bzw. - in vergleichbarer Weise
- aus fließfähigen Reaktionskomponenten herstellbaren Kunststoffen fertigen.
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Dabei tritt immer wieder das Problem des Einschlagens der in der Mischkammer
verbleibenden Luft auf, wodurch Fehlerstellen im herzustellenden Formteil entstehen
können. Es wurde schon auf verschiedene Weise versucht, dieses Problem zu lösen.
Man hat bereits vorgeschlagen (DE-PS 24 13 337 entsprechend US-PS 4 013 391), in
die Mischkammer eines Ausstoßkolben-Mischkopfes einen - gegenüber der Mischkammer
- in der anderen Formwerkzeughälfte in einer Bohrung geführten Verdrängerkolben
vor Schußbeginn in die Mischkammer einzuführen, um den Mischkammerraum zu verkleinern
und damit das darin enthaltende Luftvolumen zu verringern. (Das Wort Schuß hat sich
In der Fachsprache durchgesetzt und bedeutet den gesamten Mischvorgang zur Füllung
eines oder mehrer Formwerkzeug-Hohlräume mit einem einzigen Mischvorgang). Bei der
vorbekannten Vorrichtung ist zwischen Verdrängerkolben und Mischkammerwandung ein
erhebliches Spiel vorhanden, damit durch diesen Ringspalt das erzeugte Gemisch abströmen
kann. Das Einschlagen von Luft läßt sich auch hierbei nicht völlig ausschließen.
Da diese Mischvorrichtung mit Gegenstrom-Injektion arbeitet, ist es fraglich, ob
bei Schußbeginn die Gemischteilchen ausreichend vermischt werden, weil der Verdrängerkolben
in die Sprühkegel der eingedüsten Komponenten eingreift, so daß sich Komponententeilchen
zunächst unvermischt am Verdrängerkolben niederschlagen. Unvermischte Komponentenanteile
können aber nicht reagieren und bilden im Fertigteil -ebenso wie Luft - Fehlerstellen.
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Eine weitere Mischvorrichtung (EP-PS 0 000 886 entspre-
chend
US-PS 4 188 356) besteht aus einer in einem Gehäuse angeordneten Mischkammer, welche
Einlaßöffnungen für die Reaktionskomponenten und eine Auslaßöffnung für das Reaktionsgemisch
aufweist, wobei dieser Auslaßöffnung gegenüberliegend eine in Achsrichtung der Auslaßöffnung
einstellbare, nachgiebig gelagerte Prallplatte angeordnet ist, welche zu Beginn
des Mischvorganges die Auslaßöffnung verschließt. Dabei verbleibt aber schädliche
Luft in der Mischkammer. Verwendet man, wie ebenfalls vorgeschlagen wurde, einen
Ausstoßkolben-Mischkopf, so müssen beim Zurückziehen des Ausstoßkolbens sehr hohe
Kräfte aufgebracht werden, weil durch die Abdichtung der Auslaßöffnung mittels der
Prallplatte ein Vakuum entsteht.
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Der hohe periodische Wechselbeanspruchung der Dichtflächen führt bald
zu deren Verschleiß, und die erforderlichen hohen Hydraulikkräfte bzw. -drücke zum
Betätigen des Ausstoßkolbens verursachen entsprechend aufwendige Dimensionierungen
bzw. schaffen zusätzliche Abdichtprobleme.
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Andererseits ist in der die eingangs erwähnte Mischvorrichtung beschreibenden
europäischen Patentanmeldung 0 099 045 das Problem der in der Mischkammer enthaltenen
Luft überhaupt nicht angesprochen.
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Es besteht die Aufgabe, eine Mischvorrichtung zu schaffen, bei welcher
die in der Mischkammer befindliche Luft vollständig eliminiert wird, wobei dies
mit einfachen technischen Mitteln d.h. mit geringen Kraftbedarf bei vertretbarem
konstruktiven Aufwand, und sicherer Produktionsweise möglich ist.
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Dies wird dadurch erreicht, daß der Schieber zu Beginn des Zusainmenführens
der Reaktionskomponenten die Mischkammer ausfüllt und die Auslaßöffnung der Mehrstoffdüse
abdichtend verschließt.
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Ein Schieber, welcher lediglich einen Kopf besitzt, so daß hinter
diesem Kopf in Verschlußstellung ein gewisses Mischkammer-Volumen verbleibt, ist
natürlich einem die Mischkammer vollständig ausfüllenden Schieber äquivalent, weil
dieses hinter dem Kopf verbleibende Mischkammer-Volumen keine Mischfunktion ausüben
kann.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorrichtungen, die sich speziell
mit der Verringerung des Luft-Volunens in der Mischkammer befassen, werden hier
der Komponenten-Zuführungsteil und die Mischkammer im wesentlichen voneinander getrennt.
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Gegenüber der vorbekannten Mischvorrichtung gemäß EP-PS 0 000 886
wird also die Mischkammer nach jenseits der Abdichtfläche verlegt. Erst diese Maßnahme
ermöglicht in Kombination mit einer Mehrstoffdüse die Lösung der gestellten Aufgabe.
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Die Verwendung einer Mehrstoffdüse hat den Vorteil, daß deren Schaltorgane,
wie z.B. Düsennadel und Nadelhülse, mit ihren Spitzen sehr nahe an die Düsenauslaßöffnung
und damit an die Dichtfläche herangeführt werden können. Beim Zurückziehen von Nadelhülse
und Düsennadel können die Komponenten sofort den frei werdenden Raum aufllen, ohne
daß merklicher Unterdruck entsteht.
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Besonders geeignet für die neue Mischvorrichtung sind Mehrstoffdüsen,
wie sie Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldungen P 33 31 840, P 33 35
786, P 33 35 787 sind. Diese konzipierten Mehrstoffdüsen lassen sich samt zugehöriger
hydraulischer Steuerung, Rücklaufsystem usw.
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direkt verwenden, wenn man darauf achtet, die Auslaßöffnungen für
die einzelnen Komponenten möglichst nahe an die Auslaßöffnung in der Abdichtfläche
heranzubringen, so daß das Volumen des Auslaßkanals möglichst klein wird.
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Vorzugsweise ist dem Schieber eine Vorspannfeder zugeordnet. Sie ist
zweckmäßigerweise als mechanische oder -hydraulische Feder ausgebildet und hat eine
dem gewünschten Schließdruck zum Abdichten der Düsenauslaßöffnung bzw.
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dem gewünschten Mischkammerdruck entsprechende Kraft.
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Dadurch gibt der Schieber seine Abdichtstellung erst auf, wenn innerhalb
des Auslaßkanals der Mehrstoffdüse ein solch hoher Druck entsteht, daß die Schließkraft
der Vorspannfeder überwunden wird. Bei dieser Ausführungsform kann sich das Mischkammer-Volumen
über den zeitlichen Verlauf des Mischvorganges in Abhängigkeit von den auftretenden
Druckverhältnissen selbsttätig einstellen. Als Vorspannfeder wird zweckmäßigerweise
eine mechanische gewählt. Man kann sie aber auch hydraulisch oder pneumatisch ausbilden.
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Alternativ kann aber auch dem Schieber ein Zwangsantrieb zugeordnet
sein. In diesem Falle läßt sich ein bestimmter Schaltzeitpunkt vorgeben, bei welchem
der Schieber nach Schußbeginn zurückfährt. Auf diese Weise ist man von den sich
aufbauenden Drücken unabhängig.
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In vorteilhafter Weise ist gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform
dem Zwangsantrieb ein Programmgeber zugeordnet. Damit kann man die Hubgeschwindigkeit
des Schiebers über den gesamten Mischvorgang steuern.
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Es ist sogar möglich, beispielsweise im Hinblick auf eine möglichst
gleichbleibende Fließfront-Geschwindigkeit des Reaktionsgemisches im Formhohlraum,
die Mischkammer zeitweise zu verkleinern.
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Vorzugsweise ist dem Schieber ein einstellbarer Anschlag zugeordnet.
Auf diese Weise läßt sich der r5aximalhub - und damit das Maximalvolumen - der Mischkammer
begrenzen. Dies kann wichtig sein, wenn beispielsweise nacheinander verschiedenartige
Reaktionsgemische unterschiedlicher Viskosität verarbeitet werden müssen und damit
entsprechende Anforderungen an das Mischkammer-Volumen gestellt sind oder wenn Mehrstoffdüse
und Mischvorrichtung eine bauliche Einheit bilden und zum Füllen unterschiedlicher
Formwerkzeuge geeignet sein sollen.
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Schließlich läßt sich der Schieber vorzugsweise noch mit einem Pulsator
koppeln. Die Pulsationsenergie trägt zur besseren Vermischung der Reaktionskomponenten
bei. Es versteht sich, daß der Pulsator erst zu arbeiten beginnen darf, wenn der
Schieber seine Abdichtstellung verlassen hat.
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Bei Beendigung des Mischvorganges fungiert der Schieber in an sich
bekannter Weise vorzugsweise als Ausstoßkolben, um die Mischkammer zu entleeren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Mischvorrichtung ist der
Schieber in einem Hohlschieber geführt,
wobei der Hohlschieber
zu Beginn des Zusammenführens der Komponenten die Auslaßöffnung der Mehrstoffdüse
abdichtend umgibt und während des Formfüllvorganges einen Durchströmspalt definierter
Höhe freigibt.
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Auf diese Weise läßt sich zunächst durch das einströmende Gemisch
und Zurückfahren des Schiebers ohne jeglichen Lufteinschluß die Mischkammer bilden
und auch die in der Vermischung kritische Anfangsmenge durchwirbeln. Erst dann fährt
auch der Hohlkolben zurück und gibt den eingestellten Durchströmspalt frei, wodurch
gewünschte Strömungseffekte erzielbar sind.
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Eine weitere besondere Ausführungsform schlägt vor, daß sowohl die
Mehrstoffdüse als auch die Mischkammer gemeinsam in einer der Formwerkzeughälften
angeordnet sind, wobei die Trennebene durch den die Mischkammer mit dem Formhohlraum
verbindenden Angußkanal verläuft.
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Es versteht sich, daß hierbei der Angußkanal auch die Ausdehnung "null"
haben kann, d.h. die Mischkammer öffnet unmittelbar in den Formhohlraum.
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Dadurch daß die Mischkammer nur einseitig mit der Formtrennebene Berührung
hat bzw. von ihr nur einseitig durchzogen wird und Mehrstoffdüse und Mischkammer
in der gleichen Formwerkzeughälfte angeordnet sind, ist das gesamte System steifer
und die Austriebgefahr herabgesetzt. Es findet in vorteilhafter Weise im Bereich
der Mischkammer auch keine hier unerwünschte Entlüftung durch die Formtrennebene
statt.
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In der Zeichnung ist die neue Mischvorrichtung in mehreren Ausführungsbeispielen
rein schematisch dargestellt, und zwar in Verbindung mit einem Formwerkzeug. Die
Mehrstoffdüse ist dabei nur angedeutet. Sie entspricht in ihrem Aufbau im wesentlich
derjenigen gemäß der älteren deutschen Patentanmeldung P 33 31 840. Es zeigen jeweils
im Längsschnitt: Fig. 1 eine Mischvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
vor Schußbeginn, Fig. 2 die Mischvorrichtung gemäß Fig. 1 bei Schußbeginn, Fig.
3 die Mischvorrichtung gemäß Fig. 1 während des Mischvorganges, Fig. 4 die Mischvorrichtung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vor Schußbeginn, Fig. S die Mischvorrichtung
gemäß Fig. 4 bei Schußbeginn und Fig. 6 die Mischvorrichtung gemäß Fig. 4 während
des Mischvorganges, Fig. 7 die Mischvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
und
Fig. 8 die Mischvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
als Angußbaustein.
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Bei der Mischvorrichtung nach den Fig. 1 bis 3 ist eine Mehrstoffdüse
1 in Form eines Anbausteines in der oberen Hälfte 2 eines Formwerkzeuges 3 angeordnet.
Diese Mehrstoffdüse 1 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 4, einer Düsennadel
5 und einer Nadelhülse 6. Die beiden letztgenannten sind in an sich bekannter Weise
hydraulisch betätig- und steuerbar. Ihre Hubweite ist durch einstellbare Anschläge
(nicht dargestellt) justierbar.
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Zwischen Düsennadel 5 und Nadelhülse 6 sowie zwischen Nadelhülse 6
und Gehäuse 4 münden Komponenten-Zuleitungen 7, 8 ein bzw. führen Komponenten-Rückleitungen
9, 10 ab, denn bei geschlossener Mehrstoffdüse 1 werden die Komponenten im Kreislauf
geführt. Die Spitze 11 der Düsennadel 5 sowie die Spitze 12 der Nadelhülse 6 sind
möglichst nahe an die innere Wandung 13 der Formwerkzeughälfte 2 herangeführt, damit
der Auslaßkanal 14 möglichst wenig Volumen besitzt. Beim Zurückfahren der Düsennadel
5 und der Nadelhülse 6 werden die inneren Düsenöffnungen 15, 16 freigegeben, so
daß die Komponenten in den Auslaßkanal 14 in Richtung Auslaßöffnung 17 strömen können.
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Dabei umhüllt die konzentrisch zugeführte Komponente die zentral zugeführte
Komponente. In der anderen Formwerkzeughälfte 18 ist in einem als Einbaustein ausgebildeten
Gehäuse 19 eine Mischkammer 20 - der Auslaßöffnung 17 gegenüberliegend - angeordnet
(Fig. 3). In ihr ist ein Schieber 21 geführt. Er liegt vor bzw. bei Schußbeginn
(Fig. 1 bzw. Fig. 2) gegen die innere Wandung 13 der
Formwerkzeughälfte
2 im Bereich der Auslaßöffnung 17 an.
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In diesem Bereich ist die innere Wandung 13 - ebenso wie die Stirnfläche
des Schiebers 21 - als Dichfläche ausgeführt. Ein gegebenenfalls erforderlicher
Anlegedruck wird durch eine dem Schieber 21 zugeordnete mechanische Vorspannfeder
22 gewünschter Kraft erzeugt. Bei Schußbeginn baut sich im Auslaßkanal 14 der Mehrstoffdüse
1 schnell ein Druck auf, welcher die Kraft der Vorspannfeder 22 überwindet und den
Schieber 21 zurückdrückt, so daß die Mischkammer 20 freigegeben wird. Das Volumen
der Mischkammer 20 ist durch eine Anschlagschraube 23 einstellbar.
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Der Formhohlraum ist mit 24 beziffert. Bei Schußende verdrängt bei
genügend starker Vorspannfeder 22 der Schieber 21 den in der Mischkammer 20 befindlichen
Gemischrest.
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Nach Schußende oder nach dem Entformen des hergestellten Formteiles
und vor erneutem Verschließen des Formwerkzeuges 3, also vor Beginn des nächsten
Formfüllzyklus, d.h. in jedem Falle vor erneutem Schußbeginn, wird der Schieber
21 wieder in Schließstellung gefahren.
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Auch bei der Mischvorrichtung gemäß Fig. 4 bis 6 ist eine Mehrstoffdüse
41 in Form eines Anbausteines in der oberen Hälfte 42 eines Formwerkzeuges 43 angeordnet.
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Sie besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 44, einer Düsennadel
45 und einer Nadelhülse 46. Düsennadel 45 und Nadelhülse 46 sind in an sich bekannter
Weise hydraulisch betätig- und steuerbar. Ihre Hubweite ist durch einstellbare Anschläge
(nicht dargestellt) Dustierbar.
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Zwischen Düsennadel 45 und Nadelhülse 46 sowie zwischen Nadelhülse
46 und dem Gehäuse 44 münden Komponenten-Zuleitungen 47, 48 ein.
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Es sind auch Komponenten-Rücklaufleitungen 49, 50 vorgesehen, denn
bei geschlossener Mehrstoffdüse 41 werden die Komponenten im Kreislauf geführt.
Die Spitze 5i der Düsennadel 45 sowie die Spitze 52 der Nadelhülse 46 sind möglichst
nahe an die innere Wandung 53 der Formwerkzeughälfte 42 herangeführt, damit das
Volumen des Auslaßkanals 54 möglichst klein ist. Beim Zurückfahren der Düsennadel
45 und der Nadelhülse 46 werden die inneren Düsenöffnungen 55, 56 freigegeben, so
daß die Komponenten in den Auslaßkanal 54 in Richtung Auslaßöffnung 57 strömen können.
Dabei umhüllt die konzentrisch zugeführte Komponente die zentral zugeführte Komponente.
In der unteren Formwerkzeughälfte 58 ist in einem als Einbaustein ausgebildeten
Gehäuse 59 eine Mischkammer 60 -der Auslaßöffnung 57 gegenüberliegend - angeordnet.
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In der Mischkammer 60 ist ein Schieber 61 geführt. Der Bereich der
Wandung 53 um die Auslaßöffnung 57 herum ist - ebenso wie die Stirnfläche des Schiebers
61 - als Dichtfläche ausgebildet. Dem Schieber 61 ist ein hydraulischer Antrieb
62 zugeordnet, welcher den Schieber 61 in Abhängigkeit von den Signalen eines Programmgebers
63 betätigt. Dieser ist so ausgebildet, daß er das gewünschte jeweilige Programm
in Form von Impulsen an den hydraulischen Antrieb 62 weitergibt. Die entsprechenden
Elektronik- und Hydraulik-Elemente sind nicht näher dar-
gestellt,
weil sie dem Regel- und Steuertechniker geläufig sind. Zur Hubbegrenzung des Schiebers
61 dient eine einstellbare Anschlagschraube 64. Dem Schieber 61 ist ein Pulsator
65 zugeordnet, welcher über den hydraulischen Antrieb 62 einwirken kann. Bei Schußende
gibt der Programmgeber 63 dem hydraulischen Antrieb 62 den Befehl, den Schieber
61 vorzuschieben, um die Mischkammer 60 zu entleeren. Nach dem Aushärten des Formteils
und öffnen des Formwerkzeuges kann der Schieber 61 aufgrund eines weiteren Befehls
auch die Funktion eines Auswerfers für das Formteil übernehmen. Nach Schußende bzw.
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vor erneutem Schließen des Formwerkzeuges, in jedem Falle aber vor
dem nächsten Schußbeginn, wird der Schieber 61 wieder in Schließstellung gefahren,
um die Auslaßöffnung 57 abzudichten.
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Bei der Mischvorrichtung gemäß Fig. 7 ist eine Mehrstoffdüse 71 in
Form eines Anbausteines in der oberen Hälfte 72 eines Formwerkzeuges 73 angeordnet.
Ihr Aufbau entspricht im wesentlichen denjenigen in dem vorstehenden Ausführungsbeispielen.
In der unteren Formwerkzeughälfte 74 ist in einem als Anbaustein ausgebildeten Gehäuse
75 ein Hohlkolben 76 angeordnet, in welchem eine Mischkammer 77 mit Schieber 78
vorgesehen ist. Der Hohlkolben 76 sowie der Schieber 78 sind in Mischstellung dargestellt.
Ein Mitnehmeransatz 79 des Schiebers 78 hat den Hohlkolben 76 entgegen der Kraftrichtung
einer auf ihn einwirkenden Feder 80 zurückgezogen, der Schieber 78 selbst ist hydraulisch
betätigbar. Vor Schußbeginn (nicht dargestellt) liegen Schieber 78 und Hohlkolben
76 gegen die die Auslaßöffnung 81 der Mehrstoffdüse 71 umgebende
Dichtfläche
82 an. öffnet man die Mehrstoffdüse 71, so entsteht durch Zurückfahren des Schiebers
78 die Mischkammer 77, und zwar ohne jegliches Vorhandensein von Luft.
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Erst wenn der Mitnehmeransatz 79 den Hohlkolben 76 mitnimmt, wird
die Strömung in den Formhohlraum 83 freigegeben. Durch Einstellung der Hubweite
des Schiebers 78 ist die Höhe des Durchströmspaltes 84 zwischen Hohlkolben 76 und
Dichtfläche 82 einstellbar. Vorzugsweise ist auch der Mitnehmeransatz 79 auf dem
Schieber 78 einstellbar, so daß die Weite des Durchströmspaltes 84 erforderlichenfalls
unabhängig von der Einstellung der Tiefe der Mischkammer 77 einjustierbar ist.
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Es versteht sich, daß der Hohlkolben 76 nach einer anderen Ausführungsform
völlig unabhängig vom Schieber 78 bewegbar sein kann, indem man auf den Mitnehmeransatz
79 verzichtet und anstelle dessen dem Hohlkolben 76 einen hydraulischen Antrieb
zuordnet. Dabei lassen sich die hydraulischen Antriebe von Hohlkolben 76 und Schieber
78 vorzugsweise mit einem Programmsteuergerät verbinden.
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Bei der Mischvorrichtung gemäß Fig. 8 sind sowohl die Mehrstoffdüse
91 als auch die (nicht sichtbare) Mischkammer 92 mit Schieber 93 als Baustein in
der oberen Formwerkzeughälfte 94 angeordnet, wobei die Formtrennebene 95 durch den
Angußkanal 96 verläuft und im Bereich der Mischkammer 92 abknickt. Der Formhohlraum
ist mit 97 bezeichnet, die untere Formwerkzeughälfte mit 98.
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Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung ist
die Mischkammer 20 bzw. 60, 77, 92, vorzugs-
weise als zylindrischer
Hohlraum mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und in ihrem Querschnitt größer
als der Auslaßkanal 14 bzw. 54.
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Neben der in Fig. 1-8 skizzierten koaxialen Anordnung des Düsenauslaßkanals
14 bzw. 54 und der Mischkammer 20, bzw. 60, 77, 92 ist oft eine Vorrichtung mit
versetzten Achsen von Mehrstoffdüse 1 bzw. 41, 71, 91 und Mischkammer 20 bzw. 60,
77, 92 von Vorteil, wobei die größere Ausdehnung der Mischkammer 20 bzw. 60, 77,
92 vorzugsweise in Richtung Formhohlraum weist.
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