DE60305196T2

DE60305196T2 - Verfahren zum rotationsformen eines werkstücks mit einer schicht aus thermoplastischem schaum

Info

Publication number: DE60305196T2
Application number: DE60305196T
Authority: DE
Inventors: Philippe Mazabraud; Gwenael Doulin; Andre Sanchez; Jean-Francois Cotel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: FR2845028B1; US20060022365A1; JP4434957B2; ATE325694T1; AU2003276369B2; BR0314477B1; AU2003276369A1; DE60305196D1; EP1545854B1; BR0314477A; CN1684807A; EP1545854A1; CN100369732C; NZ538607A; FR2845028A1; CA2500204C; CA2500204A1; WO2004028773A1; JP2006500251A; US7785506B2

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Rotationsformen von Werkstücken mit einer Schicht aus thermoplastischem Schaum.
Die Technik des Rotationsformens dient oft zur Herstellung von hohlen Körpern wie Ballonen bzw. Bällen, Kajaks, Spielzeugen, Töpfen oder Abfallbehältern, Tanks oder Straßen- bzw. Verkehrsausrüstungsteilen. Sie besteht darin, eine bestimmte Menge des zu formenden Materials, aus dem das Werkstück realisiert werden soll, in eine Form hineinzugeben, deren Formhohlraum der Außenform des Werkstücks entspricht, und diese Form ist aufgehängt an einer Vorrichtung, die fähig ist, die Form um zwei Achsen rotieren zu lassen, und die in Betrieb genommen wird, damit die Schwerkraft das Werkstück vorformt, indem sie das zu formende Material über die gesamte Innenoberfläche der Form verteilt. Anschließend wird die Form beheizt, um das Polymer in der Form zu schmelzen. Wenn die Heizung abgeschaltet wird, erstarrt das sich abkühlende Polymer zu der Form des Werkstücks. Die letzten Schritte des Verfahrens bestehen darin, die Bewegung bzw. Rotation der Form anzuhalten und sie zu öffnen, um das Werkstück herauszunehmen.
Wenn das Werkstück mehrere Schichten umfasst, wird das Verfahren entsprechend oft wiederholt, wobei die jeweilige Menge des die sukzessiven Schichten bildenden Materials erst nach der Ausbildung der jeweils vorhergehenden Schicht in die Form eingeführt wird oder von Anfang an in der Form vorhanden ist – in wärmegedämmten Behältern, die so eingestellt sind, dass sie sich im richtigen Moment öffnen, um ihren Inhalt in der Form zu entlassen.
Oft werden Strukturen gewählt, die eine Schicht aus thermoplastischem Schaum umfassen, um die Isolation, die Stoßfestigkeit oder das Gewicht des Werkstücks zu optimieren. Ein Polymer kann durch ein Mittel geschäumt werden, das man ihm zusetzen kann und das sich während einer Erwärmung in Gas zersetzt. Jedoch treten Fabrikationsschwierigkeiten auf, wenn man ein Rotationsformungsverfahren benutzt, da es schwierig ist, den Schäumungsgrad zu beherrschen und die Anwendung der vorhergehenden Verfahren ohne Vorsichtsmaßnahmen führt normalerweise zu einer Schaumschicht von nichtvorhersehbarer und ungleichmäßiger Dicke, deren Qualität und Haftung an den benachbarten Schichten auch fraglich sind.
Eine Variante des an solche Werkstoffe angepassten Verfahrens, dargestellt in dem US-Patent 3 976 821, besteht darin, eine spezielle Form zu verwenden, die einen Hohlraum und eine doppelte Hülle umfasst, gebildet durch eine Hülle, welche die Außenkontur abgrenzt, und eine Hülle, welche den Hohlraum abgrenzt. Das Material der Außenhülle wird allein eingefüllt und durch Rotation wie bei den üblichen Verfahren über die gesamte Innenoberfläche der Form in den beiden Hüllen verteilt. Die Ausbildung der Schicht wird wieder durch ein Schmelzen vollendet, auf das eine Erstarrung folgt, nach der das Schäumungsmaterial durch eine Öffnung in den Hüllen in die Form eingefüllt wird. Das Schäumungsmaterial zerfließt in bzw. über der erstarrten Schicht und besetzt sie während der Schäumung, nachdem die Öffnung wieder verschlossen worden ist. So vermeidet man Ungleichmäßigkeiten der Form und Dicke der Schaumschicht, aber dieses Verfahren hat die hauptsächlichen Nachteile, dass die Form komplizierter ist und die Hüllen zwangsläufig dieselbe Dicke und dieselbe Zusammensetzung haben.
Eine Variante des Verfahrens besteht auch hier darin, das Material der Außenschicht und das Schäumungsmaterial gleichzeitig in die Form einzufüllen, letzteres in einem Behälter oder einem Beutel, der sich öffnet, sobald die Hüllen geformt sind. Weitere Verfahren bestehen darin, die beiden Materialmengen gleichzeitig in Form einer Pulver- oder Granulatmischung in die Form einzufüllen. Die Trennung der beiden Polymerarten erfolgt dank der unterschiedlichen Korngrößen, Viskositäten oder Schmelztemperaturen. Da aber auch bei diesen Verfahren die Schäumung nicht beherrscht wird, muss man eine Form vorsehen, die an den Hohlraum des herzustellenden Werkstücks angepasst ist, und es müssen eine Innenhülle und eine Außenhülle derselben Dicke und derselben Zusammensetzung hergestellt werden.
Zu erwähnen ist auch das Dokument EP-A-0 160 298, das ein Rotationsformungsverfahren beschreibt, bei dem in der Form sukzessive mehrere Schichten ausgebildet werden, darunter eine Schaumschicht, und bei dem die Heizung vor der Ausbildung einer Innenschicht aber nach der Ausbildung der Schaumschicht unterbrochen wird. Auch das Dokument 6B-A-2 288 359 beschreibt die Unterbrechung der Heizung während eines Rotationsformungsverfahrens von mehreren Schichten, aber wieder nicht während der Ausbildung einer Schaumschicht.
Die Erfindung ermöglicht, diese Nachteile zu beseitigen und Werkstücke herzustellen, die mindestens eine erste Schicht aus kompaktem Polymer, eine zweite Schicht aus Polymerschaum und eventuell weitere Schichten umfasst, und dies mit einer Form, die nur an die Außenoberfläche des Werkstücks angepasst ist. Es ist dann möglich, Werkstücke zu konstruieren, die einen ganz oder nahezu ganz geschlossenen Hohlraum umfassen, das heißt, deren Konkavität Hinterschneidungen aufweist, die es unmöglich machen würden, eine an die Oberfläche des Hohlraums angepasste Form herauszunehmen, was bei den früheren Verfahren zwangsläufig möglich sein musste. Die Schichten, und insbesondere die Hüllen, können untereinander von unterschiedlicher Art oder Dicke sein.
Wie man sehen wird, beruht die Neuartigkeit der Erfindung vor allem auf einer speziellen Realisierung des Schritts zur Ausbildung der Schaumschicht, der ermöglicht, diese zu beherrschen. Noch genauer betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form ein Rotationsformungsverfahren für Werkstücke mit wenigstens einer ersten Schicht aus kompaktem Polymer und einer zweiten Schicht aus Polymerschaum, auf einer Seite umgeben von der ersten Schicht, und umfasst Schritte der Platzierung bzw. Einfüllung einer ersten Materialmenge zur Bildung der ersten Schicht in einer Form, der Rotation der Form zur Ausbildung der ersten Schicht und der Erwärmung der ersten Materialmenge, um sie zu schmelzen, sodann der Platzierung bzw. Einfüllung einer zweiten Materialmenge zur Bildung der zweiten Schicht in der Form und der erneuten Rotation der Form, wobei die Rotation der Form aufrechterhalten wird, bis die zweite Materialmenge die Schäumungstemperatur erreicht hat und solange sie auf dieser Temperatur oder über dieser Temperatur bleibt, und sich dabei die zweite Schicht ausbildet, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung unterbrochen wird, bevor die zweite Materialmenge ihre Schäumungstemperatur erreicht hat (und oft, aber nicht notwendigerweise, nachdem die zweite Materialmenge ihre Schmelztemperatur überschritten hat).
Diese wesentlichen Merkmale sowie andere werden nun in Verbindung mit folgenden beigefügten Figuren beschrieben:
den 1A bis 1D, die ein Rotationsformungsverfahren detaillieren,
der 2, die ein nach der Erfindung hergestelltes Werkstück darstellt,
und der 3, die ein Zeit-Temperatur-Diagramm ist.
Die ersten 1A bis 1D zeigen die wesentlichen Schritte jedes Rotationsformungsverfahrens. Das hier in Betracht gezogene Teil 4 ist ein doppelkegelstumpfförmiger Hohlkörper. Er wird in einer Form 1 hergestellt, die aus zwei Schalen 2 und 3 besteht, die in einer Fugenebene vereinigt werden, die dem größten Durchmesser des Werkstücks 4 entspricht. Eine der Schalen (2) wird am Ende eines gekrümmten Arms 5 befestigt, der in Rotation um eine Achse 6 versetzt werden kann. Außerdem kann ein Träger 7 der Schale 2 auf dem gekrümmten Arm 5 um eine zur ersten Achse 6 senkrechte zweite Achse 8 rotieren.
Zuerst wird das Material, aus dem das Werkstück 4 hergestellt werden soll, in die Schale 2 (A) eingefüllt, dann wird die zweite Schale 3 mit der ersten zusammengebaut und die Schale 1 wird in eine Doppelrotation um die Achsen 6 und 8 versetzt und beheizt, zum Beispiel in einem Ofen 10, oder durch irgendein anderes Mittel (B). Das Material 9 bedeckt unter der Wirkung der Schwerkraft alle Wände der Form 1 und schmilzt unter der Wirkung der Wärme. Die Form 1 lässt man anschließend natürlich abkühlen oder beschleunigt, zum Beispiel durch Luft- oder Flüssigkeitsstrahlen 11 (C), und wenn das Werkstück 4 erstarrt ist, wird die Schale 3 abgenommen und das Werkstück 4 herausgenommen (D).
Man hat gesehen, dass dieses Verfahren wiederholt werden kann, um ein mehrschichtiges Werkstück herzustellen. Die Erfindung ermöglicht eine Ausdehnung auf Werkstücke, die eine Schaumschicht umfassen, sogar mit einer komplizierten Form (12) wie dargestellt in der Figur in Form eines Behälters, kanneliert oder abwechselnd ringförmige Ausbauchungen und Einschnürungen aufweisend. Die Wand wird durch eine Außenhülle 13, eine Zwischenschicht 14 und eine Innenhülle 15 gebildet. Die Hüllen 13 und 15 sind kompakte thermoplastische Polymere, normalerweise in Pulverform eingefüllt, etwa einfache oder gemischte Polyolefine, gefärbt oder nicht, gefüllt oder nicht. Die Zwischenschicht 14 ist aus einem geschäumten Polymer, gebildet durch eine thermoplastische Matrix, die anfänglich in Form eines Pulvers ein Schaum- oder Quell- bzw. Blähmittel und eventuell ein Nukleationsmittel (agent nucléant) enthielt. Auch dieses Polymer kann von einem der oben genannten Typen sein.
Eine spezielle Realisierungsart der Erfindung wird nun mi Hilfe der 3 beschrieben, die ein Zeit-Temperatur-Diagramm einer die Außentemperatur der Form in dem Ofen 10 darstellenden Kurve 16 und einer die in der Form 1 erreichte Temperatur darstellenden Kurve 17 ist. Das betrachtete Werkstück ist das Werkstück 4, das drei Schichten ähnlich den oben beschriebenen Schichten 13, 14 und 15 umfasst.
Eine Polymermenge (5 kg Metallocene-Polyethylen der Handelsklasse bzw. Handelsqualität RM 8343 der Firma BOREALIS) wird als Pulver in die Form 1 eingefüllt, die in eine biaxiale Rotation versetzt wird, mit vier Umdrehungen pro Minute um die Achse 6 und einer Umdrehung pro Minute um die Achse 8. Die Temperatur des Ofens 10 beträgt 250°C. Wenn die Temperatur in der Form 145°C erreicht, wird die Form 1 aus dem Ofen genommen und geöffnet, und es wird eine Menge von 3 kg Schäumungspolymer (Polyethylen des Grads M 532 der Firma MATRIX POLYMERS) wird als Pulver in die Form eingefüllt, die anschließend verschlossen wird, wieder in Rotation versetzt und in dem Ofen 10 angeordnet wird, dessen Temperatur dann auf 240°C festgelegt wird. Wenn die Temperatur des Materials 150°C erreicht, wird die Form 1 aus dem Ofen 10 genommen, lässt jedoch die Form 1 außerhalb des Ofens weiter rotieren, bis die Temperatur die Schäumungstemperatur (hier 170°C) durch thermische Trägheit erreicht. Man lässt die als ausreichend beurteilte Schäumungszeit verstreichen, die eventuell durch die Kühleinrichtungen unterbrochen werden kann. Wenn die Temperatur des Materials unter die Schäumungstemperatur sinkt, wird die Rotation der Form 1 angehalten, dann wird die Form 1 geöffnet und eine Menge von 2 kg Polymer (Metallocene-Polyethylen der Handelsklasse bzw. Handelsqualität RM 8343 der Firma BOREALIS) wird als Pulver in die Form 1 eingefüllt. Die Form wird geschlossen, wieder in Rotation versetzt und wieder in den Ofen eingeführt, dessen Temperatur auf 240°C festgelegt wird. Wenn die Temperatur des Materials 120°C erreicht, wird die Form 1 wieder aus dem Ofen genommen, um sie unter Rotation natürlich abkühlen zu lassen, bis das Material eine Temperatur erreicht hat, die durch thermische Trägheit ausreichend seine Schmelztemperatur überschreitet, so dass das zuletzt eingefüllte Material entsprechend geformt wird. Wenn diese Formungstemperatur erreicht ist, kühlt man die Form ab, bis das Werkstück erstarrt ist. Die Form kann dann angehalten und geöffnet werden, um das Werkstück 4 zu entnehmen. Die Schichten 13, 14 und 15 haben hier Dicken von 5, 8 und 2 Millimetern.
Die Schmelztemperaturen dieser drei Polymere betrugen 132°C, 130°C und 129°C. Die Erwärmungen waren selbstverständlich ausreichend, um die Schmelztemperaturen zu erreichen, so dass sich die Schichten entsprechend geformt haben. Die Schaumschicht 14 war von guter Qualität, gleichmäßig, und haftete gut an den anderen Schichten.

Claims

Verfahren zum Rotationsformen eines Werkstücks mit wenigstens einer ersten Schicht (13) aus kompaktem Polymer und einer zweiten Schicht (14) aus Polymerschaum, auf einer Seite umgeben von der ersten Schicht (13), mit Schritten der Platzierung einer ersten Materialmenge zur Bildung der ersten Schicht in einer Form (1), der Rotation der Form zur Ausbildung der ersten Schicht und der Erwärmung der ersten Materialmenge, um sie zu schmelzen, sodann der Platzierung einer zweiten Materialmenge zur Bildung der zweiten Schicht in der Form und der erneuten Rotation der Form, wobei die Rotation der Form aufrechterhalten wird, bis die zweite Materialmenge die Schäumungstemperatur erreicht hat und solange sie auf dieser Temperatur oder über dieser Temperatur bleibt, und sich dabei die zweite Schicht ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung unterbrochen wird, bevor die zweite Materialmenge ihre Schäumungstemperatur erreicht.
Verfahren zum Rotationsformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung unterbrochen wird, sobald die Form eine bestimmte Temperatur erreicht hat, enthalten zwischen einer Schmelztemperatur und der Schäumungstemperatur der zweiten Materialmenge.
Verfahren zum Rotationsformen eines Werkstücks nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es auch noch Schritte zur Platzierung einer dritten Materialmenge zur Bildung einer dritten Schicht (15) aus kompaktem Polymer, nachdem die zweite Schicht ausgebildet worden ist, sodann der erneuten Rotation der Form und der Erwärmung der Form umfasst.
Verfahren zum Rotationsformen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Form nach der Platzierung der dritten Materialmenge unterbrochen wird, bevor diese ihre Schmelztemperatur erreicht.
Verfahren zum Rotationsformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und angewandt bei einem einen Hohlraum umfassenden Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (1) keine Formungskontur des Hohlraums aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und angewandt bei einem Werkstück, bei dem die Dicke oder die chemische Natur der die Schaumschicht umgebenden Schichten unterschiedlich ist.