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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Materialien und Verfahren zur
Herstellung von Kunststoffteilen und insbesondere zur Herstellung
von Kunststoffschalen oder -häuten
durch Aufbringen von Kunststoffpartikeln auf eine geheizte Formoberfläche.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
US-Patent Nr. 5,998,030 beschreibt, dass einzelne Partikel, die
durch das Intensivmischerverfahren hergestellt wurden, eine aufgeraute Oberfläche mit
Fissuren und Rissen besitzen. Dieses Patent beschreibt weiterhin,
dass die Verwendung solcher unregelmäßig geformter Partikel bei
Verfahren zur Zufuhr der Partikel an eine Stelle zur Verwendung
und das Gießen
der Partikel auf eine beheizte Form zum Schmelzfluss der Partikel
und das Abkühlen
dieser, um dünne
Kunststoffschalen zu formen, verschiedene Probleme aufwirft. Bei
Sinterverfahren (Slush Molding) werden die Partikel in einem Pulverbehälter zurückgehalten,
der rotiert wird, um eine Überschussladung
von Material in einen Formhohlraum zu leiten. Solche thermoplastischen,
unregelmäßigen Partikel
fließen
nicht gleichmäßig aus
allen Ecken des Pulverbehälters.
Darüber
hinaus fließen solche
Partikel nicht gleichmäßig in alle
Teile der komplex ausgestalteten Formen, die enge Rücklaufkanäle und sehr
kleine Formoberflächenstrukturen aufweisen,
die Merkmale wie beispielweise Ledernarbung, Nähte oder dergleichen simulieren.
Es ist deshalb im Ergebnis notwendig, den Pulverbehälter und
die Formen während
der verschiedenen Bearbeitungsschritte zu vibrieren, sodass die
Partikel gegen die beheizten Formoberflächen fließen, um zu schmelzen und eine
der Form der beheizten Formoberfläche entsprechende Haut oder
Schale auszubilden. Die unregelmäßige Gestalt
erzeugt auch einen ungleichen Materialaufbau auf der beheizten Formoberfläche, sodass
die Partikel nicht gleichmäßig schmelzen
und gegen die beheizte Formoberfläche fließen. Dies hat zur Folge, dass
das erhaltene gegossene Teil eine unregelmäßige rückseitige Oberfläche (d.
h. gegenüberliegend
der Formoberfläche) aufweist.
Solche Unregelmäßigkeiten
auf der Rückseite
erfordern es, dass die Nenndicke des Teils größer ist als dies für eine gegebene
Anwendung erforderlich ist, wofür
wiederum mehr Material benötigt wird
als für
ein Teil mit einer gleichmäßigen Gestalt auf
seiner Rückseite
erforderlich wäre.
In dem '030-Patent
wird u. a. eine thermoplastische Mikrokugel offenbart, die eine
thermoplastische Kunststoffschmelze umfasst, die mit einem Pigment
gemischt ist, wobei das Pigment weniger als 5 Gewichtsprozent der
Mischung ausmacht, wobei die Mikrokugeln einen äußeren Durchmesser in der Größenordnung von
0,178 mm bis 1,016 mm aufweisen.
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Das
US-Patent Nr. 5,998,030 offenbart kugelförmige Partikel, die in einem
kontinuierlichen Verfahren geformt werden, welches das Extrudieren
eines thermoplastischen Urethans, das Herstellen von TPU-Flocken,
das Zugeben von Pigment, das Aufschmelzen der erhaltenen Mischung,
das Kanalisieren dieser im geschmolzenen Zustand und das Schneiden
dieser in Partikel umfasst, die in einer Wasserkammer abgekühlt werden,
um eine Formung der Partikel in Mikrokugeln zu bewirken.
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Gemäß US-Patent
Nr. 3,229,002 wurde herausgefunden, dass die Fließfähigkeit
von schließlich getrenntem
thermoplastischem Kunststoff dadurch signifikant verbessert werden
kann, dass die Masse der Partikel zur Wärmeerzeugung in dieser aus
Reibung zwischen den Partikeln einer Agitation unterzogen wird,
um die Partikel im Wesentlichen ohne Agglomeration derselben aufzuheizen.
Diese Druckschrift lehrt, die Vorsprünge der Kunststoffpartikel während der
Verarbeitung zu minimieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Nach
einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Kunststoffpartikel vorgesehen,
umfassend einen Kunststoff und mit einem einstückig angeformten hervorstehenden
Ringabschnitt, der an dessen äußerer Fläche angeordnet
ist. Der Ring kann sich kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich
um den Umfang des Kunststoffpartikels erstrecken. Optional weisen
die Partikel einen äußeren Durchmesser
in der Größenordnung
zwischen 0,178 mm und 1,016 mm auf.
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Nach
einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur
Herstellung eines Kunststoffpartikels umfassend einen Kunststoff
und mit einem einstückig
angeformten hervorstehenden Ringabschnitt vorgesehen, der an dessen äußerer Fläche angeordnet
ist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorsehens eines Kunststoffpartikels,
der dazu in der Lage ist, wenigstens einen hervorstehenden Ring
auf dessen äußerer Fläche auszubilden
und das Aufheizen des Kunststoffpartikels, solange bis wenigstens
ein einstückig
angeformter hervorstehender Ring auf der äußeren Fläche des Partikels angeordnet
ist. Das Verfahren kann ebenso den Schritt des Abkühlens des
Kunststoffpartikels umfassen, nachdem der Ring auf der äußeren Fläche des
Partikels ausgebildet wurde. Das Verfahren kann ebenso die Schritte
umfassen, Bereitstellen einer Matrize mit wenigstens einem Matrizenloch,
Extrudieren des Kunstmaterials durch das Matrizenloch, Abtrennen
des Extrudats, um Kunststoffpartikel zu erzeugen, und Abkühlen des
Kunststoffpartikels, bevor der Ring auf der äußeren Oberfläche des
Partikels ausgebildet ist.
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Nach
einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur
Formung eines Kunststoffartikels aus einer Vielzahl von Kunststoffpartikeln bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst die Schritte Bereitstellen einer Vielzahl
von Kunststoffpartikeln, Bereitstellen einer Formfläche zur
Formung des Kunststoffartikels, Aufbringen einer Vielzahl von Kunststoffpartikeln
auf die Formfläche;
Aufheizen der Kunststoffpartikel, während diese auf der Formfläche angeordnet
sind und Verflüssigen
der Kunststoffpartikel, während
diese auf der Formfläche
angeordnet sind, um wenigstens einen einstückig hervorstehenden Ring auf
der äußeren Fläche wenigstens
eines Partikels auszubilden. Das Verfahren kann ebenso die folgenden
Schritte umfassen: Fortsetzen des Fließens der Kunststoffpartikel,
während
die Kunststoffpartikel auf der Formfläche angeordnet sind, um die
Partikel zu verbinden und den Kunststoffartikel auszubilden; Kühlen der
Formfläche
und Entfernen des geformten Artikels aus der Formfläche. Vorzugsweise
ist der Kunststoffartikel als Haut oder Schale einer Innenzierverkleidung
eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verwiesen:
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Unterwasserkunststoffpelletierers mit einem
integrierten Extrusionsmatrizensystem, wobei die Extrusionsmatrize
im Schnitt dargestellt ist und andere Teile des Pelletierers aufgebrochen
dargestellt sind;
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2 zeigt
eine Mikroaufnahme eines hier beschriebenen Partikels umfassend
einen einstückig angeformten,
hervorstehenden Ringabschnitt;
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3 zeigt
eine schematische Ansicht eines Kunststoffpartikels mit einer kontinuierlichen Ringstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt
eine schematische Ansicht eines Kunststoffpartikels mit einer nicht-kontinuierlichen Ringstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des
Sinterformverfahrens (Slush Molding).
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Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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In 1 sind
ein Unterwasserpelletierer 10 und eine Extrusionsmatrize 12 dargestellt,
die so ausgebildet ist, wie es in den US-Patenten Nr. 4,728,276
und 5,597,586 beschrieben ist, die hiermit durch Bezugnahme offenbart
sind. Das Pelletierer-Matrizensystem umfasst im Wesentlichen eine Überleitungsvorrichtung 14,
die geschmolzenen Kunststoff von einer Quelle (nicht gezeigt), wie
beispielsweise einem Extruder durch einen Durchlass 16 zu
dem Durchlass 36 der Matrize 12 führt. Aus dem
Durchlass 36 tritt der Kunststoff in die Kavitäten 52 und
dann in die Matrizenlöcher 42 der
Matrizenplatte 46 ein. Beim Austritt aus den Matrizenlöchern 42 trennt
ein mit mehreren Klingen versehener Schneider 18, der über die
Welle 20 durch einen Motor 22 angetrieben ist,
den aus dem Matrizenlöchern 42 in
der Matrizenplatte 46 austretenden Kunststoff in Partikel.
Ein im Allgemeinen mit 26 bezeichnetes Wasserzirkulationssystem
umfasst einen Wasserbehälter 28,
der den Schneider 18 und die Stirnfläche 30 der Matrize 12 umschließt. Gekühltes Wasser
wird dem Wasserbehälter 28 durch
eine Zufuhrleitungspassstück 32 zugeführt, wo
dieses zur Verfestigung des extrudierten Kunststoffs zum Schneiden
beiträgt und
die in einer solchen Unterwasserumgebung geschnitten Artikel dann
mit dem nun aufgewärmten Wasser
durch ein Rücklaufleitungspassstück 34 gefördert werden.
Die Partikel werden dann aus der Rücklaufleitung in herkömmlicher
Art und Weise gesammelt, bevor das Wasser wieder gekühlt und durch
den Wasserbehälter 28 rezirkuliert
wird.
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Was
die Verarbeitungstemperaturen anbelangt, so wird ein thermoplastischer
Kunststoff, wie beispielsweise ein flexibles Polyvinylchlorid im
Allgemeinen in dem Extruder auf eine Temperatur von etwa 163°C aufgeheizt.
Beim Übergang
durch die Matrize 12 wird die Kunststofftemperatur im Allgemeinen
um etwa 10°C
auf etwa 191°C
angehoben.
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Wenn
der Kunststoff aus der Matrize 12 austritt, ohne an eine
bestimmte Theorie gebunden zu sein, verursacht das Fließen der
Grenzschichten des Kunststoffmaterials, dass der Fluss des Kunststoffmaterials
in der Mitte der Matrizenlöcher 42 schneller von
Statten geht als der Fluss des Kunststoffmaterials angrenzend an
die Plattenfläche,
die die Matrizenlöcher 42 definiert.
Folglich, als Ergebnis dieser Unterschiede in den Relativgeschwindigkeiten, nimmt
das Profil des anfänglich
aus den Matrizenlöchern 42 austretenden
Kunststoffmaterials eine gekrümmte äußere Fläche an,
wie beispielsweise die einer Halbkugel. Eine Klinge an dem mehrklingigen Schneider 18 trennt
dann den Teil des Extrudats, der über die Stirnfläche 30 der
Platte 46 der Matrize 12 hinaustritt, um einen
einzelnen Partikel zu bilden. Dann wirkt die Oberflächenspannung
auf den Partikel, um ein Kügelchen
zu formen. Mit anderen Worten, die Moleküle an der Oberfläche des
Partikels erfahren eine Netzspannung in Richtung auf das Innere des
Partikels. Diese zentral gerichteten Kräfte zwingen den Partikel eine
kugelförmige
Gestalt anzunehmen. Das Kügelchen
wird dann durch das Wasser aus dem Wasserbehälter 28 mit einer
Temperatur von etwa 82°C
gekühlt.
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Es
wird angenommen, dass während
des Trennvorgangs des einzelnen Partikels von der Matrize 12,
der Stoß des
mehrklingigen Schneiders 18 auf den Kunststoff eine einwärts gerichtete
(beispielsweise verdichtende) Spannung erzeugt, die von dem Kunststoffmaterial
aufgrund dessen elastischer Eigenschaften absorbiert wird. Bei der
Ausbildung des Kügelchens
ist offensichtlich nur unzureichend Zeit vorhanden, um die während der
Herstellung aufgebaute Spannung vollständig abzubauen und aus dem
Kunststoffmaterial zu entfernen, bevor der Partikel abgekühlt wird
und zum Stillstand gelangt, sodass dieser in das Material eingefroren
wird. Folglich werden Spannung und Belastung und die zugehörige Energie,
die in dem Partikel aus dem Trennvorgang durch den mehrklingigen
Schneider 18 induziert wurden, während der Ausbildung des Kügelchens
eingefangen.
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Nach
der Ausbildung und Abkühlung
der Kügelchen
können
diese aufgeheizt werden, um eine ausgeprägte Ringstruktur um einen Teil
des Kügelchens
auszubilden, wie dies in 2 gezeigt ist. Durch Aufheizen
des Kügelchens
werden die Spannung und Dehnung, die in dem Partikel durch den Trennvorgang
des mehrklingigen Schneiders während
der Ausformung des Kügelchens
induziert wurden, offensichtlich freigegeben. Die Freigabe der Spannung
und Dehnung und zugehörige
Dekompression von verdichteten Bereichen des Kügelchens stellt sich in Form
eines Fließvorgangs
des Kunststoffs dar, welcher eine Ringstruktur erzeugt, die den Partikel
umgibt. Es wird angenommen, dass der Ring mit dem Teil des Partikels übereinstimmt,
der an die durch den Schneider verursachte Trennung angrenzt. Der
Ring kann kontinuierlich oder diskontinuierlich um den Partikel
angeordnet sein.
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Kügelchen,
von denen sich herausgestellt hat, dass sie eine umgebende Ringstruktur
während der
Aufheizung bilden, umfassen Polyvinylchloridkügelchen, die von Teknor Apex
unter der Klassenbezeichnung 93-A0901 C-59 verkauft werden. Insbesondere
wurden Polyvinylchloridkügelchen
von Raumtemperatur auf einer heißen Platte bei einer Rate von
etwa 2,2°C
pro Minute aufgeheizt. Bei etwa 78°C wurde die Bildung einer Ringstruktur,
die bestimmte Kügelchen
umgab, anfänglich
sichtbar. Bei Fortsetzen des Aufheizens auf etwa 88°C wurde die Bildung
einer umgebenden Ringstruktur bei weiteren Kügelchen sichtbar sowie die
fortlaufende Bildung und Definition der diese Kügelchen umgebenden Ringstruktur,
die zuerst die Ringstruktur zeigten. Selbstverständlich ist die hier beschriebene Ringstruktur
zugunsten eines viskosen fluidalen Zustandes nicht mehr vorhanden,
wenn die betreffenden Kügelchen
bis zu ihrer entsprechenden Fließtemperatur aufgeheizt werden
und zu geschmolzenem Plastik konvertieren.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Ringstruktur nach deren Bildung durch
Abkühlen
des Partikels beibehalten werden kann. Insbesondere Polyvinylchloridpartikel,
die auf 93°C
aufgeheizt wurden, wurden sofort mit Wasser auf eine Temperatur von
16°C abgekühlt. Alternativ
wurden die Kügelchen mit
Umgebungsluft auf eine Temperatur von 24°C aufgekühlt. Mit dieser Ringstrukturgeometrie
können die
Partikel als Rohmaterial für
zukünftige
Kunststoffformverfahren verwendet werden. Die Partikel können ebenso
für dekorative
Zwecke bei Schmuckwaren wie beispielsweise Perlenhalsketten, Unterhaltungsvorrichtungen
wie beispielsweise Kaleidoskopen oder künstlerischen Gegenständen wie
beispielsweise Kerzen und Kugeltürmen
verwendet werden. Es wird nun Bezug genommen auf 2,
die eine tatsächliche
Mikrofotographie des hierin beschriebenen Partikels umfassend einen
einstückig vorstehenden
Ringabschnitt zeigt. 3 zeigt eine schematische Ansicht
eines Kunststoffpartikels 80 umfassend einen fortlaufenden
einstückig
angeformten vorstehenden Ring 82, der auf dessen Fläche angeordnet
ist. Erfindungsgemäß wurde
festgestellt, dass der Ring 82 etwa 0,00508 mm von der
Oberfläche
des Partikels 80 hervorsteht.
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Nun
wird Bezug genommen auf 4, die einen Partikel 80 umfassend
eine nicht-kontinuierliche Ringstrukutur 84 auf dessen
Oberfläche
zeigt. Ähnlich
wie zuvor fällt
ein solcher Vorsprung in die Größenordnung
von zwischen 0,00508 bis 0,0127 mm. Im Rahmen der Erfindung kommen
jedoch auch Vorsprünge
zwischen 0,00508 bis 0,0254 mm einschließlich 0,00254 mm Inkrementen
dazwischen in Betracht.
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Wie
hier in Erwägung
gezogen, ist die Verwendung von Kunststoffpartikeln, die eine Ringstruktur
beim Aufheizen ausbilden, insbesondere vorteilhaft bei solchen Kunststoffformverfahren,
bei welchen der feste Kunststoffpartikel direkt auf die Formfläche aufgebracht
wird, wie beispielsweise beim Roto-Casting oder Slush Molding. Beim
Slush Molding (Sinterverfahren), wie dies in 5 gezeigt
ist, wird eine Überschussladung
an Material in einer Charge oder in einem Pulverbehälter 60 platziert.
Der Pulverbehälter 60 ist
mit einer Form 62 mit einem Formhohlraum 64 verbunden,
der teilweise durch eine Formoberfläche 66 gebildet wird,
die durch ein geeignetes Heiz- 68 oder Luftkühlsystem 70 geheizt
oder gekühlt wird.
Wenn der Behälter 60 mit
der Form 62 verbunden ist, werden der Behälter 60 und
die Form 62 umgekippt, sodass die Überschussladung an Materialien
in den Formhohlraum 64 gekippt wird. Eine typische Slush
Molding-Vorrichtung
ist beispielsweise den US-Patenten Nr. 4,722,678; 4,878,827 und 5,046,941
zu entnehmen, die alle dem Zessionär der vorliegenden Erfindung
gehören
und die hier inhaltlich einbezogen sind. Die zuvor genannten US-Patente
umfassen die Beibehaltung eines statischen Materialkopfs über der
Materialschicht, die auf die Formfläche 66 des Formhohlraums 64 gekippt
wird. Das Heizsystem 68 stellt aufgeheizte Luft bereit
(es können
andere geeignete Heizer zur Verwendung im Rahmen der Erfindung vorgesehen
werden, wie beispielsweise das Heißölheizgerät nach US-Patent Nr. 4,389,177
oder die elektrischen Heizgeräte,
wie sie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,979,888 gezeigt sind).
Die Formfläche 66 wird
aufgeheizt, um ein Schmelzen der Kunststoffpartikel zu bewirken, wenn
diese die Formfläche 66 berühren und
auf dieser durch den statischen Kopf des überlagernden Materials kompaktiert
werden.
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Der
Formhohlraum 64 wird durch geeignete Luft- oder Flüssigkühlsysteme,
wie diese beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,621,995; 4,623,503 und
5,106,285 gezeigt sind, abgekühlt.
Diese Patent gehören
alle dem Zessionär
der vorliegenden Erfindung und werden hier durch Bezugnahme inhaltlich einbezogen.
Die Schale wird gleichzeitig gekühlt
und der Pulverbehälter 60 und
der Formhohlraum 64 werden so voneinander getrennt, dass
die Form 62 zur Entnahme der Schale geöffnet wird.
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Ein
geeignetes Beispiel des zuvor beschriebenen Slush Molding-Verfahrens
umfasst PVC-Kügelchen
umfassend die vorerwähnte
Ringstruktur mit der folgenden Zusammensetzungsverteilung: 52,5
% PVC-Harz; 31,5 % Plastifizierer; 9,3 % Stabilisatoren; 1,5 % Pigment
und 4,5 % Fließhilfsmittel
(alle Prozentangaben in Gewichtsprozent) und weiterhin einen Durchmesser
von 0,178 mm bis 1,016 mm aufweisend. Das Verfahren umfasste das
Platzieren einer Ladung solcher Kügelchen mit einem Gewicht größer als
das Gewicht des fertigen Artikels in einen Ladungsbehälter und
Kippen des Inhalts des Ladungsbehälters in den Formhohlraum;
das Aufheizen der Gussoberfläche,
um eine Schicht von Kügelchen zu
schmelzen, welche die Gussoberfläche
berühren und
um das Material in eine Form fließen zu lassen, die diejenigen
der geheizten Gussoberfläche
entspricht; das anschließende
Abkühlen
des geformten Teils und das Entfernen desselben aus der Form.
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Roto-Casting
(d. h. Rotationsgießen
und Rotationsformen) unterscheidet sich vom Slush-Molding (Sintern)
dadurch, dass die Ladung der dort verwendeten Kügelchen, die dem Gewicht des
zu formenden Artikels entspricht, in eine geschlossene, hohle, beheizte
Form eingebracht wird, gefolgt vom zentrifugalen Schmelzfließen des
Materials in eine Gestalt, die der geheizten Formoberfläche entspricht;
anschließend
wird das zentrifugal geformte Teil abgekühlt und aus der geschlossenen,
hohlen, beheizten Form entnommen.
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Die
Verwendung von Kügelchen,
die eine Ringstruktur beim Aufheizen bilden, wird als besonders
vorteilhaft in Verbindung mit dem Slush-Molding-Verfahren und dem
Roto-Casting-Verfahren angesehen, und zwar als Fließhilfe in
die Zwischenräume
zwischen den schmelzenden Partikeln. Slush Molding mit trockenen
Partikeln und zugehörigen
unausgefüllten
Zwischenräumen
kann zu geformten Artikeln führen,
die eine Porosität
aufweisen. Um diesem Problem zu begegnen, ist ein Schmelzpartikel wünschenswert,
der in jedem Ausmaß aufgrund
eigener Kraft in solche Zwischenräume fließen kann. Die Verwendung von
Kügelchen,
die eine Ringstruktur beim Aufheizen umfassen oder bilden, bietet
solche Fließcharakteristika
mit der Bildung der Ringstruktur. Durch Erzeugen der Ringstruktur
fließt der
Kunststoff in eine Gestalt mit einem vergrößerten Oberflächenbereich,
wodurch der Oberflächenbereich
des Partikels, der zur Bedeckung der Formoberfläche zur Verfügung steht,
vergrößert wird,
wodurch die Bildung von porösen
geformten Artikeln, wie vorstehend erwähnt, vermieden wird.
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Die
vorstehende Beschreibung soll Beispiele der Erfindung unter Verwendung
von beschreibenden anstelle von einschränkenden Begriffen veranschaulichen.
Es gibt offensichtlich viele Wege, diese Ausführungsbeispiele zu modifizieren
und gleichzeitig innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche zu verbleiben.
Mit anderen Worten, es gibt viele Wege, die vorliegende Erfindung
auszuüben,
ohne den Schutzumfang der Ansprüche
zu verlassen. Beispielsweise umfassen Kunststoffmaterialien zusätzlich zu
der Verwendung von Polyvinylchlorid z. B. Polyurethan, Polyolefine
(z. B. Polypropylen, Polyethylen), Polystyrol und Polyester; diese
sind jedoch nicht beschränkt
auf thermoplastische Materialien. Noch weitere Kunststoffmaterialien
umfassen wärmehärtende Materialien.