DE3611687A1

DE3611687A1 - Verfahren zur herstellung von kunststoff-formkoerpern

Info

Publication number: DE3611687A1
Application number: DE19863611687
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Goehring; Hermann Kress
Original assignee: Hansa Metallwerke AG
Current assignee: Hansa Metallwerke AG
Priority date: 1986-04-08
Filing date: 1986-04-08
Publication date: 1987-10-15
Also published as: US4783288A; IT1203436B; FR2596690B1; IT8719959A0; DE3611687C2; FR2596690A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern, bei dem

a) Kunststoff-Granulatkörner mit einem leitfähigen Pulver ver mengt und überzogen werden;
b) ein elektrischer Strom durch die Mischung aus Granulat körnern und leitfähigem Pulver geleitet wird, wobei die Oberflächen der Granulatkörner plastifiziert werden;
c) unter der Einwirkung von Druck die Mischung aus Granulat körnern und leitfähigem Pulver zu einem Vorformling ge sintert wird;
d) der Vorformling unter Ausbildung des Kunststoff-Formkörpers in einen Formhohlraum gepreßt wird.

Die Herstellung von Kunststoff-Formkörpern aus Kunststoff- Granulatkörnern, die oberflächlich plastifiziert, dann unter Druck zu einem Vorformling verdichtet wurden, der dann seiner seits in einen Formhohlraum eingepreßt wird, ist unter der Bezeichnung "Schlagsintern" bekannt geworden. Dieses Ver fahren ist deshalb interessant, weil zum einen der energe tische Aufwand verhältnismäßig gering ist (die Masse des Kunststoffes bleibt bei diesem Verfahren unaufgeschmolzen), und weil zum anderen dickwandige Kunststoff-Formkörper ohne Schwindungen hergestellt werden können, die mit normalen Gieß verfahren nicht herstellbar sind.

Die oberflächliche Plastifizierung der Kunststoff-Granulat körner, die Voraussetzung beim "Schlagsintern" ist, kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. So können die Kunststoff-Granulatkörner oberflächlich durch ein Lösungs mittel erweicht werden; alternativ kommt eine selektive Er wärmung der (geschwärzten) Oberflächen der Granulatkörner durch Mikrowellen in einem Resonator in Betracht. Eine wei tere bekannte Möglichkeit zur Oberflächenplastifizierung, mit der sich die vorliegende Erfindung befaßt, besteht darin, eine Mischung aus den Kunststoff-Granulatkörnern und einem leitfähigen Pulver herzustellen und dann durch diese Mischung elektrischen Strom hindurchzuleiten. Dieser Strom fließt durch das leitfähige Pulver, welches an der Oberfläche der Granulat körner anliegt, und schmilzt bei entsprechender Verfahrens führung die Oberfläche der Granulatkörner in der erwünschten Weise auf.

Bei dem bekannten Verfahren wird dem Kunststoffgranulat reines leitfähiges Pulver in Form von Graphitteilchen ("Leitruß") beigemengt. Hier besteht die große Gefahr, daß sich die rei nen Graphitteilchen im Stromfluß so stark erhitzen, daß der Kunststoff sich zersetzt und keine Sinterung zustande kommt. Das leitende Pulver bildet eine zusammenhängende Schicht zwi schen den einzelnen Granulatkörnern und verhindert so deren innige Verbindung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine zuver lässige, innige Verbindung der Granulatkörner beim Sinter prozeß stattfindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem leitfähigen Pulver ein Kunststoffpulver beigegeben wird.

Das erfindungsgemäß dem leitfähigen Pulver zugesetzte Kunst stoffpulver wird durch den Stromfluß zunächst solange erhitzt, bis seine Schmelztemperatur überschritten wird. Beim Erschmel zeln des Pulvers werden die leitenden Partikelchen von der Schmelze eingebettet und dadurch isoliert. Auf diese Weise kann der Kunststoff nicht mehr durch Überhitzen zerstört wer den. Die leitfähigen Teilchen liegen nicht mehr als zusammen hängende Schicht zwischen den einzelnen Granulatkörnern son dern in einem feinkörnigen Konglomerat, eingebettet in die Schmelze, vor.

Im allgemeinen ist es zweckmäßig, wenn das Kunststoffpulver aus demselben Material besteht, aus dem auch die Granulat körner bestehen. In diesem Falle treten mit Sicherheit keine Schwierigkeiten mit der chemischen Verträglichkeit und/oder thermische Spannungen auf.

Es ist zweckmäßig, wenn zunächst das leitfähige Pulver und das Kunststoffpulver miteinander vermischt werden und wenn erst danach diese Mischung mit den Granulatkörnern vermischt wird. Hierdurch wird weitgehend vermieden, daß es bevorzugte Strompfade durch den entstehenden Vorformling gibt. Bewährt hat sich, wenn ca. 10 bis 40 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 60 bis 90 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt wer den.

Die bisher besten Resultate wurden erzielt, wenn ca. 20 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 80 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.

Weiter empfiehlt es sich, ca. 3 bis 40 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 60 bis 97 Gew.% der Granulatkörner zu vermischen.

Hier wiederum wurden die bisher besten Ergebnisse dann er reicht, wenn ca. 20 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 80 Gew.% der Granulatkörner ver mischt werden.

Der Abschluß der Sinterung läßt sich besonders einfach dadurch feststellen, daß bei der Sinterung der durch den entstehenden Vorformling fließende Strom gemessen und die Sinterung dann beendet wird, wenn der Strom auf einen bestimmten Wert abge fallen ist. Der Abfall des Stromes ist nach den obigen Aus führungen vermutlich darauf zurückzuführen, daß die einzel nen leitenden Teilchen des leitenden Pulvers in dem auf schmelzenden Kunststoffpulver sowie in dem aufschmelzenden Oberflächenmaterial des Kunststoffgranulats eingebettet wer den.

Das leitfähige Pulver ist zweckmäßigerweise ein Graphitpulver ("Leitruß"); das Kunststoffmaterial ist zweckmäßigerweise ein ultrahochmolekulares Polyäthylen.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Material des Vorformlings auf dem Wege zwischen der Vorkammer und dem Formhohlraum durch mindestens eine enge Düse gepreßt, wobei die Abmessungen des effektiven Düsenquerschnitts klei ner als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind, derart, daß die Granulatkörner beim Passieren der Düse ver formt werden und der Formhohlraum sukzessive von mindestens einem dünnen Strang aufgefüllt wird, der aus oberflächlich plastifizierten, mechanisch verformten Granulatkörnern be steht.

Durch die erfindungsgemäß in der engen Düse bewirkte mecha nische Verformung der in ihrer Substanz weitgehend festen Granulatkörner wird eine weitere Verbesserung der mechani schen Eigenschaften des letztendlich entstehenden Kunststoff- Formkörpers erreicht. Dieses Verfahren wird durch die erfin dungsgemäße Beigabe von Kunststoffpulver zum leitfähigen Pulver besonders erleichtert, da dann der Aufbau des end gültigen Formkörpers aus dem oder den dünnen Strängen im Formhohlraum erleichtert wird.

Verfährt man auf die geschilderte Weise, so empfiehlt es sich, daß die Düse(n) bis zur Fertigstellung des Vorformlings ge schlossen bleibt (bleiben). So ist es möglich, den Vorform ling unter einem ganz präzisen Druck auszubilden, ohne daß bereits über die enge Düse Material in den Formhohlraum aus gepreßt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an hand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffgranulat.

Die dargestellte Vorrichtung macht von einer herkömmlichen Presse Gebrauch, deren Rahmen 1, Pressentisch 2 und Arbeits stempel 3 nur schematisch und teilweise gezeigt sind. Am Ar beitsstempel 3 ist elektrisch isoliert ein metallener Preß kolben 4 befestigt, der mit einem Pol einer regelbaren Gleich spannungsquelle 5 verbunden ist.

Auf dem Pressentisch 2 ist ein Auflager 6 angeschraubt, der seinerseits einen zwischen zwei seitlichen Wangen 29 stehen den Halteblock 7 trägt. In einer zur Seite und nach unten offenen Ausnehmung 8 des Halteblockes 7 ist eine zweiteilige, beheizte Form 9 angeordnet, die von einem Hilfsstempel 10 formschlüssig gegen die Oberseite der Ausnehmung 8 gedrückt wird. Hierdurch wird die Form 9 gleichzeitig in der Schließ stellung verriegelt. Der Hilfsstempel 10 wird über einen Stellmotor 11 betätigt und ist zum Entformen samt der Form 9 nach unten in eine Lage absenkbar, in welcher er an einer Ausnehmung 12 der Auflage 6 zur Anlage kommt. In dieser Stel lung kann dann die in der Zeichnung rechte Hälfte der Gieß form 9 mittels eines weiteren Stellmotors 13 weggefahren werden.

Ein oberhalb der Gießform 9 liegender und beheizter halsarti ger Bereich 14 des Halteblocks 7 wird von einem senkrechten Kanal 15 durchzogen, der in den Formhohlraum 16 mündet. Im Verlauf des Kanals 15 liegt eine einstellbare Düse, die ins gesamt mit dem Bezugszeichen 17 versehen ist und deren ge nauer Aufbau und Funktion weiter unten beschrieben werden. Der Kanal 15 durchsetzt eine über dem halsartigen Bereich 14 des Halteblocks 7 angebrachte, becherförmige Isolationsschicht 18 sowie innerhalb einer gehärteten Büchse 19 eine weitere Elektrode 20, die mit dem zweiten Pol der geregelten Gleich spannungsquelle 5 verbunden ist.

Die Elektrode 20 bildet den Boden einer Vorformkammer 21, die radial durch einen gehärteten Einsatz 22 begrenzt ist. Dieser ist in ein beheiztes Teil 23 eingeschoben, welches auf einer die Wangen 29 oben verbindenden Querplatte 30 aufgeschraubt ist. Eine auf dem geheizten Teil 23 befestigte Ringplatte 24 fixiert den Einsatz 22 in axialer Richtung.

Die einstellbare Düse umfaßt einen Dorn 25, welcher sich an seinem innenliegenden Ende konisch verjüngt. Der Dorn 25 kann mittels einer Handkurbel 26 in einer komplementären Aufnahme bohrung 27 des Halteblockes 7 verdreht werden. Der sich ver jüngende, innenliegende Bereich des Dornes 25 wird von einer Durchgangsbohrung 28 durchzogen, deren Achse senkrecht zur Drehachse des Dornes 25 verläuft.

Die Anordnung ist derart, daß durch Verdrehung des Dornes 25 die Durchgangsbohrung 28 mehr oder weniger in Fluchtung mit dem Kanal 15 gebracht werden kann. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Kanal 15 und der Durchgangsbohrung 28 eine vari able Überlappungszone, die in dem Wege zwischen der Vorkammer 21 und dem Formhohlraum 16 den engsten Querschnitt darstellt. Dieser engste Querschnitt wird hier "effektiver Düsenquer schnitt" genannt.

Die Funktionsweise der oben beschriebenen Vorrichtung wird nachfolgend deutlich werden, wenn die Herstellung eines kon kreten Beispieles eines Kunststoff-Formkörpers im Detail be schrieben wird.

Zunächst wird aus 80 Gew.% eines Pulvers, welches aus ultra hochmolekularem Polyäthylen besteht, sowie aus 20 g Graphit pulver (einem elektrisch leitenden Pulver, welches auch "Leit ruß" genannt wird) eine gründliche Mischung hergestellt. Von dieser Mischung wiederum werden 20 g mit 80 g Granulatkörnern intensiv vermischt, wobei das Material der Granulatkörner mit dem Material des oben erwähnten ultrahochmolekularen Poly äthylenpulvers übereinstimmt.

Eine entsprechende Menge der zuletzt genannten Mischung, die also aus Granulatkörnern und Pulvermischung zusammengesetzt ist, wird in die Vorkammer 21 der beschriebenen Vorrichtung eingegeben. Die Düse 17 bzw. deren Dorn 25 wird zunächst so verdreht, daß die Durchgangsbohrung 25 quersteht, also kein effektiver Düsenquerschnitt zum Materialdurchgang zwischen der Vorkammer 21 und dem Formhohlraum 16 freigegeben wird. Bei der verwendeten Vorrichtung betrug der Durchmesser der Vorkammer ca. 45 mm; die Länge des Vorformlings beträgt etwa 70 mm.

Nun wird der Preßkolben 4 in die Vorkammer 21 eingefahren, bis ein Druck von etwa 20 kp/mm² erreicht ist. Dabei wird das in der Vorkammer 21 befindliche, Granulat enthaltende Gemisch verdichtet. Jetzt wird die Gleichspannungsquelle 5 aktiviert. Die Spannung wird so eingestellt, daß bei den erwähnten Di mensionen der Vorkammer ein Strom von etwa 6 A fließt. Die zugehörige Spannung beträgt in der verwendeten Vorrichtung ca. 24 Volt. Durch Widerstandserwärmung werden die Oberflächen der einzelnen Granulatkörner erweicht; gleichzeitig schmilzt das Kunststoffpulver, welches, wie oben erwähnt, mit dem lei tenden Graphitpulver vermischt worden war, auf. Hierdurch er folgt die eigentliche Sinterung des Inhaltes der Vorkammer 21 zu einem Vorformling.

Der Abschluß des Sinterungsprozesses ist an einem Abfall des den Vorformling durchfließenden Stromes erkennbar. Die Gründe für diesen Stromabfall sind noch nicht vollständig geklärt; wahrscheinlich beruht er auf einer "Verdünnung" des leitfähi gen Graphitpulvers dadurch, daß Kunststoffmaterial aufschmilzt, in welches das Graphitpulver zunehmend eingebettet wird.

Nun wird der in der Vorkammer 21 auf den Vorformling wirkende Druck auf etwa 60 kp/mm² erhöht. Der Dorn 25 der Düse 17 wird in eine Drehposition gebracht, die vorher entsprechend der Korngröße des Granulats, die bei etwa 3 mm lag, so bestimmt war, daß die Granulatkörner diese Stelle nur unter mechani scher Verformung passieren können. Der frühere Vorformling tritt nunmehr unter dem weiter wirkenden Druck des Preßkol bens 4 in den Formhohlraum 16 als dünner Strang ein, der aus mechanisch verformten, aber festen Granulatkörnern mit er weichter Oberfläche besteht. Dieser Strang füllt den Form hohlraum 16 auf, wobei sich die Oberfläche verschiedener Strangbereiche aneinanderlegen und miteinander verbinden. Unter dem Einfluß des durch den Kanal 15 und die Düse 17 hin durchwirkenden Druckes des Preßkolbens 4 bildet sich so im Formhohlraum 16 ein in sich zusammenhängender, einschluß freier Formkörper aus, dessen mechanische Festigkeit dieje nige des Kunststoff-Ausgangsmaterials erheblich übersteigt.

Nachdem der Aufbau des Kunststoff-Formkörpers in dieser Weise abgeschlossen ist, wird die Form 9 sofort mittels des Hilfs stempels 10 in die Entformungsposition abgesenkt. Nach Weg fahren der in der Zeichnung rechten Hälfte der Form 9 kann die Form 9 unverzüglich entleert werden, ohne daß der Form körper thermische Schäden erleidet. Bei dem geschilderten Her stellungsverfahren wurde nämlich der Kunststoff auf eine der art homogene Temperatur gebracht, daß innerhalb des Formkör pers keine internen Spannungen auftreten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern, bei dem

a) Kunststoff-Granulatkörner mit einem leitfähigen Pulver vermengt und überzogen werden;
b) ein elektrischer Strom durch die Mischung aus Granulat körnern und leitfähigem Pulver geführt wird, wobei die Oberflächen der Granulatkörner plastifiziert werden;
c) unter der Einwirkung von Druck die Mischung aus Granu latkörnern und leitfähigem Pulver zu einem Vorformling gesintert wird;
d) der Vorformling unter Ausbildung des Kunststoff-Form körpers in einen Formhohlraum gepreßt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß dem leitfähigen Pulver ein Kunststoffpulver beigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffpulver aus demselben Material besteht, aus dem die Granulatkörner bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das leitfähige Pulver und das Kunststoffpul ver miteinander vermischt werden und daß danach diese Mischung mit den Granulatkörnern vermischt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 10 bis 40 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 60 bis 90 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 20 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 80 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ca. 3 bis 40 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 60 bis 97 Gew.% der Granulatkörner vermischt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 20 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunst stoffpulver mit ca. 80 Gew.% der Granulatkörner vermischt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sinterung der durch den ent stehenden Vorformling fließende Strom gemessen und das Sintern beendet wird, wenn der Strom auf einen bestimmten Wert abgefallen ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Pulver ein Graphit pulver ("Leitruß") ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein ultrahoch molekulares Polyäthylen ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Vorformlings auf dem Wege zwischen der Vorkammer (21) und dem Formhohlraum (16) durch mindestens eine enge Düse (17) gepreßt wird, wobei die Abmessungen des effektiven Düsenquerschnittes kleiner als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind, der art, daß die Granulatkörner beim Passieren der Düse (17) mechanisch verformt werden und der Formhohlraum (16) suk zessive von mindestens einem dünnen Strang aufgefüllt wird, der aus oberflächlich plastifizierten, mechanisch verformten Granulatkörnern, aufgeschmolzenem Kunststoff pulver und leitfähigem Pulver besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse(n) (17) bis zur Fertigstellung des Vorformlings geschlossen bleibt (bleiben).