DE4318394A1 - Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus thermoplastischen Kunststoffen durch Verformung in der Wärme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus thermoplastischen Kunststoffen durch Verformung in der Wärme.

Die Herstellung dreidimensionaler Objekte oder Formkörper aus thermoplastischen Kunststoffen durch Formgebung ihrer Schmelzen ist bekannt und wird großtechnisch in großem Umfang durchgeführt. Beispiele für derartige Verfahren sind Extrusion und Spritzguß, um nur zwei Beispiele zu nennen.

Ein weiteres technisches Verfahren bei dem thermoplastische Kunststoffe unter Einwirkung von thermischer Energie, Druck und ggf. Vakuum verformt werden, ist das sog. Tiefziehverfahren, bei dem ein erwärmter Kunststoff durch Einwirkung von Druck und/oder Anlegen von Vakuum eine durch eine geschlossene äußere Form vorgegebene Form annimmt. Nach derartigen Verfahren werden beispielsweise Lebensmittelbehälter hergestellt.

Spritzguß und Extrusion ist gemein, daß die Formgebung gegen eine geschlossene äußere Form stattfindet, was bestimmte Anforderungen an den eingesetzten Kunststoff stellt, um eine gleichmäßige Füllung der vorgegebenen Form zu gewährleisten und die Bildung von Ungleichmäßigkeiten zu verhindern.

Insbesondere wenn als Ausgangsmaterial Mischungen verschiedener Kunststoffe mit unterschiedlichen Erweichungstemperaturen eingesetzt werden, wie sie beispielsweise bei Recyclingmaterial aus der Kunststofffraktion im Hausmüll anfallen, bringt die Anwendung dieser Verfahren große Schwierigkeiten mit sich.

Auch das Tiefziehen erfordert eine gute und über den Querschnitt des flächigen Ausgangsmaterials gleichmäßige Fließfähigkeit, da das Material in erheblichem Maße Scherkräften ausgesetzt wird. Darüber hinaus fallen beim Tiefziehen je nach Form des zu bildenden Objekts erhebliche Mengen an Produkt an, die nicht zur eigentlichen Form des Objekts gehören und demzufolge wieder entfernt werden müssen. Auch wenn diese Abschnitte wieder in den Produktionskreislauf rückgeführt werden, hat dies den Nachteil höherer Kosten und einer zweimaligen thermischen Belastung des Materials. Schließlich ist die Verformung durch Tiefziehen auf Gegenstände mit geringer Schichtdicke beschränkt.

Allen vorstehend genannten Verfahren gemeinsam ist die Tatsache, daß aufwendige apparative Einrichtungen erforderlich sind. Dies erfordert häufig die Herstellung großer Stückzahlen um eine ausreichende Wirtschaftlichkeit zu erreichen, was eine individuelle Gestaltung der einzelnen Objekte bereits bei der Herstellung schwierig macht - es werden stets identische Gegenstände hergestellt.

Aufgabe der vorliegendem Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches mit einer großen Vielzahl von Ausgangsmaterialien, insbesondere auch undefinierten und in der Zusammensetzung schwankenden Kunststofffraktionen aus Haus- und Gewerbemüll, auf einfache Weise eine Herstellung individuelle dreidimensionaler Formkörper bzw. Objekte ermöglicht, ohne daß hierfür aufwendige technische Vorrichtungen zwingend erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei diese Kunststoffe zunächst

• a) in flächiger Form unter Bedingungen bis zur Fließfähigkeit erwärmt werden, die eine Volumenänderung weitgehend ausschließen, anschließend
• b) die in Stufe a) erhaltenen Produkte in erwärmtem Zustand auf Substrate beliebiger Formgebung aufgebracht werden, und
• c) beim Abkühlen der Kunststoffe, ggf. unter Einwirkung äußerer Kräfte eine zumindest teilweise Anpassung an das Substrat erfolgt.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die flächigen Ausgangsmaterialien aus thermoplastischen Kunststoffen unter Bedingungen erwärmt, die eine Volumenänderung zumindest weitgehend ausschließen. Unter weitgehendem Ausschluß von Volumenänderungen soll hier insbesondere eine Begrenzung der Volumenveränderung auf weniger als 20, vorzugsweise weniger als 10% verstanden werden. Hierfür hat sich besonders eine Erwärmung in einer Preßvorrichtung bewährt, bei dem das flächige Material beidseitig erwärmt wird und durch Ausübung von Druck eine Volumenzunahme bzw. Volumenänderung weitestgehend verhindert wird. Durch diese Form der Erhitzung, die sich prinzipiell von der Art der Erhitzung bei Extrusion, Spritzguß oder Tiefziehen unterscheidet, wird bewirkt, daß die Bildung von Lufteinschlüssen und Rissen, die bei Volumenänderungen häufig zu beobachten ist, vermieden werden kann. Die Endtemperatur, die in Stufe a) erreicht wird, liegt im Regelfall unterhalb der Schmelztemperatur der eingesetzten thermoplastischen Kunststoffe bzw. Mischungen, d. h. ein völliges Aufschmelzen ist nicht erforderlich.

Temperaturen im Bereich von 120 bis 200, vorzugsweise 130 bis 180 und insbesondere 140 bis 170°C haben sich als ausreichend herausgestellt, wobei die Temperatur im Einzelfall natürlich von der Art des eingesetzten Kunststoffs abhängt.

Erforderlich ist nach dem Erwärmen eine ausreichende Fließfähigkeit des Ausgangsmaterials um eine Anpassung des flächigen Gebildes an eine offene Substratform zu ermöglichen, ohne daß es hierzu einer geschlossenen äußeren Form bedarf.

Unter der Bezeichnung flächig sollen hierin alle Formen verstanden werden, bei denen das Ausgangsmaterial in zwei Dimensionen in einer Fläche signifikant größer ist als in der dritten Dimension senkrecht zu dieser Fläche.

Die flächigen Ausgangsmaterialien können prinzipiell aus beliebigen Formen hergestellt werden; beispielhaft seien hier Granulate, Mahlgut, Schnitzel oder Folienabschnitte aus thermoplastischen Kunststoffen genannt. Grundsätzlich können diese Ausgangsmaterialien auch miteinander gemischt werden, um bestimmte Gestaltungsformen zu erzielen. Dabei können sowohl sortenreine neue Kunststoffe oder deren Mischungen als auch Mischungen, wie sie sich bei der Sammlung von Kunststoffen zur Wiederverwertung ergeben, eingesetzt werden. Selbstverständlich sind auch sortenreine Fraktionen von gebrauchten Kunststoffen geeignet.

In der Stufe b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in Stufe a) erhaltenen Produkte aus der Aufheizvorrichtung entnommen und auf ein Substrat beliebiger Form aufgelegt bzw. übergeworfen. Diese verfahrenstechnisch sehr einfache Methode, die auch sehr einfach bis zu einem gewünschten Grad automatisiert werden kann, ist bei Substraten praktisch beliebiger Form möglich. Im Vergleich zum Tiefziehen besteht der wesentliche Unterschied darin, daß der Kunststoff nicht einen geschlossenen Hohlraum gleichmäßig ausfüllen muß, sondern um die äußere Form des Substrats zu einem gewissen Grad fließt.

Beim Aufbringen des erwärmten Substrats durch "Überwerfen", d. h. der Zufuhr von kinetischer Energie wird auf verfahrenstechnisch einfachste Art und Weise eine Individualisierung der Objekte möglich - jedes Objekt ist ein Einzelstück mit individueller Form. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die nur relativ geringe Dehnung bzw. Formveränderung des Substrats die Oberflächenstruktur bzw. eine evtl. dekorative Ausgestaltung der Oberfläche des flächigen Ausgangsmaterials in einem größeren Maße erhalten bleibt, als dies beim Tiefziehverfahren der Fall ist. Damit ist eine dekorative Gestaltung der Oberfläche des dreidimensionalen Objekts durch einfache Vorgabe des entsprechenden Dekors im flächigen Ausgangsmaterial möglich.

Im letzten Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens paßt sich das flächige Gebilde beim Abkühlen in mehr oder weniger großem Umfang der Umrißform des Substrats an, wobei diese Anpassung ggf. durch Einwirkung äußerer Kräfte unterstützt bzw. gefördert werden kann. Es sei allerdings betont, daß eine Einwirkung äußerer Kräfte nicht zwingend erforderlich ist, da das Material sich bereits unter dem Einfluß der Schwerkraft zu einem bestimmten Grad der äußeren Form oder dem Profil des Substrats anpaßt. Der Grad der Anpassung hängt natürlich von der Komplexität des Substratprofils einerseits und der Fließfähigkeit des Substrats andererseits ab. Durch Erhöhung der Fließfähigkeit, d. h. Erhöhen der Temperatur in Stufe a) oder durch gezielte Einwirkung äußerer Kräfte, z. B. durch mechanisches Ziehen des flächigen Gebildes über das Substrat kann der Grad der Formanpassung beliebig beeinflußt werden, was wiederum eine große Vielfalt individueller Objektgestaltungen nach dem gleichen einfachen Verfahren ermöglicht. Andererseits ist auch die Herstellung großer Stückzahlen identischer Objekte durch Konstanthalten der Verfahrensparameter einfach möglich.

Das Abkühlen kann auch durch an sich bekannte Maßnahmen beschleunigt (z. B. durch Anblasen mit Kühlluft) oder verlangsamt werden (z. B. durch Anblasen mit Warmluft), wodurch sich weiter Möglichkeiten der Einflußnahme auf die Endform des Objekts bieten. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind dem Fachmann an sich bekannt, so daß sich hier nähere Angaben erübrigen.

Als thermoplastische Kunststoffe, die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können eignen sich prinzipiell alle unter dem Einfluß von Wärme reversibel verformbaren Kunststoffe. Nur beispielhaft seien hier die Klasse der Polyolefine (die bekanntesten Vertreter sind Polyethylen und Polypropylen bzw. Copolymere auf der Basis von Ethylen und Propylen), Polystyrol und Styrol-Copolymere, Polyamide, Polyester (beispielsweise Polyalkylenterephthalate oder Polymethylmethacrylat, besser bekannt als Plexiglas) oder beliebige Mischungen derartiger Kunststoffe genannt.

Insbesondere ermöglicht das Verfahren auf wirtschaftliche Weise die Wiederverwertung von in ihrer Zusammensetzung schwankenden Kunststoffmischungen, wie sie z. B. im Hausmüll oder Gewerbemüll anfallen, da keine speziellen Anforderungen hinsichtlich Zusammensetzung gestellt werden. Damit wird die gesetzlich geforderte stoffliche Wiederverwertung auf einfache Art und Weise möglich, wobei die Endprodukte aufgrund der Individualisierbarkeit als Wertprodukte angesehen und vermarktet werden können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen dreidimensionalen Objekte ist darin zu sehen, daß nach Gebrauch auf einfache Weise durch Zufuhr thermischer Energie eine Rückumwandlung in flächige Gebilde möglich ist, die dann ihrerseits wieder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu neuen dreidimensionalen Objekten verarbeitet werden können.

Beispiel

Eine Platte aus thermoplastischen gebrauchten Kunststoffen mit einer Dicke von 10 mm wurde in einer Vorrichtung zwischen zwei beheizbaren Platten, die mechanisch zusammengehalten wurden, auf eine Temperatur von 160 C erhitzt und dann in warmem Zustand aus dieser Vorrichtung entnommen und über ein Substrat in Form eines Stuhles gelegt. Unter dem Einfluß der Schwerkraft entstand aus der Platte beim Abkühlen ein dreidimensionales Objekt in Form eines Stuhles, welches die Form des Substrates widerspiegelte.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe zunächst

• a) in flächiger Form unter Bedingungen bis zur Fließfähigkeit erwärmt werden, die eine Volumenänderung weitgehend ausschließen, anschließend
• b) die in Stufe a) erhaltenen Produkte in erwärmtem Zustand auf Substrate beliebiger Formgebung aufgebracht werden, und
• c) beim Abkühlen der Kunststoffe, ggf. unter Einwirkung äußerer Kräfte eine zumindest teilweise Anpassung an das Substrat erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe a) die Erwärmung in einer Preßvorrichtung unter Einwirkung von Druck erfolgt.

3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastische Kunststoffe Mischungen verschiedener Kunststoffe wechselnder Zusammensetzung eingesetzt werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe c) äußere Kräfte angewandt werden, um den Grad der Formanpassung an das Substrat zu erhöhen.

5. Dreidimensionale Objekte, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.