DE3611687C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Kunststoff-Formkörpern, bei dem
- a) thermoplastische 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.
In der DE-OS 35 34 279 ist ein Verfahren zur Herstellung von
Kunststoff-Preßplatten beschrieben, bei welchem eine Mischung
aus thermoplastischen Kunststoffpartikeln und leitendem Pulver
homogen bis knapp unterhalb der Glastemperatur der thermoplasti
schen Kusntstoffe erwärmt wird. Bei der unter Druck erfolgenden
mechanischen Verformung in der Preßvorrichtung wird dann ein
möglichst homogenes Endprodukt angestrebt, welches elektrisch
leitfähig sein soll.
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,
deren Abmessungen des effektiven Düsenquerschnitts klei
ner als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind,
wobei 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
Durch
gangsbohrung 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 obenerwähnten 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 obenerwähnt, 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 (13)
1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern, bei
dem
- a) thermoplastische 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, deren
Abmessungen des effektiven Düsenquerschnittes kleiner
als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind, wobei
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).
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