DE69531862T2

DE69531862T2 - System und verfahren zur herstellung von formteilen

Info

Publication number: DE69531862T2
Application number: DE1995631862
Authority: DE
Inventors: L. Fredric ABRAMS; Robert Freund
Original assignee: COMPOSITE TECHNOLOGIES Co DAYTON LLC; Composite Technologies Co LLC
Current assignee: COMPOSITE TECHNOLOGIES Co DAYTON LLC; Composite Technologies Co LLC
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: ATE250980T1; US5591384A; EP0751828B1; EP0751828A1; US5637329A; AU699303B2; WO1995026823A1; DE69531862D1; EP0751828A4; TW267973B; AU2119595A; CA2185809A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Plastifikator und ein Verfahren für das Formen von Teilen und insbesondere einen Plastifikator und ein Verfahren für das Formen von Teilen aus kontaminierten formbaren Materialien unter Zuhilfenahme einer einzigen thermalen Wärmeerhöhung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Auf dem Gebiet der thermoplastischen Verformung ist es allgemein üblich, Formteile entweder mit Hilfe eines Spritzgieß- oder Formpressverfahrens zu formen. Aufgrund der Größe der im Spritzgießgerät verwendeten Öffnungen ist es oft schwierig, das Spritzgießverfahren mit Verstärkungsfasern wie Glasfasern einer Länge von mehr als 3,175 mm (einem Achtel Zoll) durchzuführen, da derartige Fasern sich nicht leicht in das Spritzgießgerät einspritzen und durch dieses hindurchführen lassen. Außerdem ist es schwierig, kontaminierte formbare Materialien wie beispielsweise diejenigen zu verwenden, die bei Kunststoff-Wiederverwertungsprogrammen eingesammelt werden, es sei denn, sie sind vor der Verwendung im Spritzgießgerät stark gereinigt, aufgearbeitet und in eine nützliche Form und Größe überführt worden. Ein derartiges Reinigen und Aufarbeiten ist kostspielig und kann die Kosten der Verwendung der kontaminierten Materialien wesentlich erhöhen und sie dadurch vom wirtschaftlichen Standpunkt her unpraktisch machen.
Ein weiteres Problem bei den bisherigen thermoplastischen Verfahren besteht darin, dass die Thermoplaste sich beispielsweise zersetzen und ihre Festigkeit verlieren, wenn sie mehreren Wärmeerhöhungen ausgesetzt werden.
Im Allgemeinen gibt es zwei grundlegende Typen von Formpressverfahren, die für das Formen von Thermoplasten verwendet werden können. Erstens beinhaltet ein Plattenformverfahren das Einführen einer Verstärkung, wie beispielsweise einer Glasmatte, zwischen Sandwichlagen ei nes Thermoplasts und Erhitzen der Materialien, um eine einzige Materialbahn herzustellen. Die einzige Materialbahn wird daraufhin auf die erwünschte Größe zugeschnitten und dann nochmals auf die Formtemperatur erhitzt, bevor sie in eine Pressform eingegeben wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil höherer Kosten aufgrund des erforderlichen Geräts, der Materialhandhabungskosten, die bei der Herstellung der Platte zu tragen sind, der Handhabung und des Schneidens der Platte und dergleichen. Das zum Herstellen der Platte verwendete Material unterliegt auch drei thermodynamischen Zyklen, nämlich einem ersten Zyklus, bei dem die Thermoplastplatte gebildet wird, einem zweiten Zyklus, bei dem die Thermoplastplatten und die Glasmatte zusammen verformt werden, und einem dritten Zyklus, während dessen die so gebildete Platte vor dem Formen des herzustellenden Teils auf die Schmelztemperatur erhitzt wird.
Die zweite Art des thermoplastischen Pressens beinhaltet lose Formmassen, die durch Herstellen eines Pressrohlings (Billet) aus geschmolzenem Material hergestellt werden, der in eine Pressform eingegeben wird, durch die das geschmolzene Material zu einem fertigen Teil geformt wird. Das wirksame Einführen langer Verstärkungsfasern in den Pressrohling und das Verteilen derselben darin hat bisher die Verwendung komplizierter Maschinen erforderlich gemacht. Beispielsweise offenbart das an Ronald C. Hawley am 24. November 1992 vergebene US-Patent Nr. 5,165,941 ein Extrudiergerät und -verfahren für das Vermischen von thermoplastischem Harz und Fasern. Der Hawley-Extruder umfasst einen Apparat für das Vermischen von thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern, in den ein Harzextruder eingebaut ist, in dem thermoplastisches Harzgranulat in einem zweiten Zumischextruder geschmolzen wird, in dem das geschmolzene thermoplastische Harz in intimem Kontakt mit langen Verstärkungsfasern gemischt wird. Das geschmolzene thermoplastische Harz wird nicht zusammen mit den Fasern in das Gerät eingegeben, sondern wird statt dessen in den Zumischextruder an einer Stelle eingeführt, die sich stromabwärts von der Einlasstelle der Verstärkungsfasern befindet, derart, dass die Fasern mechanisch bearbeitet und erhitzt werden, bevor sie mit erhitzten, geschmolzenen thermoplastischen Harzen in Kontakt kommen.
Das Hawley-Gerät ist gewöhnlich von dem Nachteil behaftet, dass es kompliziert ist, wodurch die Investitions- und Wartungskosten erhöht werden.
Das Formpressen von Produkten unter Verwendung von polymerem Material und Glasfasern hat herkömmlicherweise zu einem Material geführt, das als glasfaserverstärkter Kunststoff bezeichnet wird. Dieses Material weist charakteristische Eigenschaften auf, die besser sind als diejenigen der unverstärkten Kunststoffe, besitzt jedoch keine Festigkeit, Dehnfähigkeit oder Schlagzähigkeit, die mit thermoplastischen Materialien vergleichbar wären, die spezifisch zur Erzielung dieser charakteristischen Eigenschaften entwickelt worden sind. Die meisten glasfaserverstärkten Kunststoffe, die gegenwärtig auf dem Markt verfügbar sind, sind Duroplaste und bestehen im Wesentlichen aus einer verfestigten Mischung von Glasfasern und Kunststoff ohne den Vorteil der chemischen Bindung oder spezifischer Methoden des Verbesserns des Einschließens der Glasfasern im Polymer, weil die Glasfasern in dem Harz, in dem sie eingebettet sind, nur immobilisiert sind.
Außerdem sind Duroplastmaterialien im Allgemeinen nicht wieder verwertbar, außer als Füllmaterialien, während thermoplastische Materialien wieder aufgeschmolzen und verformt werden können.
Was daher notwendig ist, ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Formen thermoplastischer Teile, die bzw. das einfach und wirtschaftlich ist und die Länge der Verstärkungsfasern unverändert lässt, die Verstärkungsfasern oder irgendwelche anderen Füllmaterialien gleichmäßig verteilt, während die Elastizität des Materialtyps in dem hergestellten Produkt beibehalten wird, in der Lage ist, verschiedene kontaminierte Thermoplaste miteinander verträglich zu machen, um die Verwendung von vom Verbraucher kommendem recyceltem Material zu gestatten und die bzw. das ein Misch- und Fabrikationsumfeld bietet, das das chemische Binden und die molekulare Orientierung verbessert, um die charakteristischen Merkmale des geformten Teils zu verbessern.
Das britische Patent GB-1449472, von dem die vorliegende Erfindung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ausgeht, offenbart eine Formpressvorrichtung für das Extrudieren einer viskosen geschmolzenen Masse, die thermoplastische Polymere und Verstärkungsfasern zur Bildung eines Pressrohlings umfasst. Der extrudierte Pressrohling wird durch Verwendung einer Extrusionsdüse und durch Unterwerfen des Pressrohlings einer Druckkraft in der Extrusionsdüse zu einem endgültigen Teil verformt. Die Vorrichtung umfasst eine Beschickungsvorrtchtung für die Aufnahme von Granulat, das thermoplastische Polymere und Verstärkungsfasern umfasst, einen Zylinder, der an die Beschickungsvorrichtung angeschlossen ist, für die Aufnahme des Granulats aus der Beschickungsvorrichtung, wobei der Zylinder einen Speicherbereich an seinem Extrusionsende für das Ansammeln einer geschmolzenen Suspension und eine Schnecke umfasst, die darin drehbar und axial antreibbar ist, zum Bilden und Extrudieren der geschmolzenen Suspension in den Zylinder und aus diesem heraus, sowie ein Antriebssystem für das drehbare und axiale Antreiben der Schnecke, einen Heizer, der mit dem Zylinder assoziiert ist, zum Erhitzen des Zylinders sowie ein Messersystem mit einer Messerklinge, die dem Extrusionsende des Zylinders zugeordnet ist. Das Extrusionsende des Zylinders ist so konstruiert, dass es einen kegelförmigen Endteil darstellt, dessen kleineres Ende eine Düse mit einem geringen Extrusionsdurchmesser für das Extrudieren der viskosen Materialmischung, die im Zylinder gebildet wird, aufweist.
In der Deutschen Patentschrift DE-C-42 11 221 ist ein Kunststoffharz-Speisegerät für eine Pressformmaschine offenbart. Dieses Gerät umfasst einen Speicherbehälter, der das Harz enthält, das schon gemischt und fertig für das Extrudieren ist, einen Beschickungszylinder, der das Harz aus dem Speicherbehälter durch einen Kolben empfängt, der durch einen Antriebszylinder angetrieben wird, und einen Beschickungskanal, der das Harz aus dem Beschickungszylinder durch einen weiteren Kolben empfängt, der durch einen weiteren Antriebszylinder angetrieben ist. Das andere Ende des Beschickungskanals ist mit einem Mundstück ausgestattet, das eine Düse mit einem geringen Extrusionsdurchmesser und ein Messersystem für das Abschneiden einer Länge des extrudierten Harzes enthält. Das Stück Extrudat wird dann in die Formpressmaschine zum Formen eines endgültigen Teils eingegeben.
Die französische Patentanmeldung FR-A-2564 374 offenbart ein Verfahren für das kontinuierliche Herstellen, durch Extrudieren, von festen Extrudaten, die aus Holzschnitzeln, recycelten thermoplastischen Materialien, die in kleine Stücke geschnitten sind, und gewöhnlichen Zusatzmitteln bestehen. Ein für das Ausführen dieses Verfahrens verwendetes Gerät umfasst einen Hauptextruder, der einen Zylinder und eine einzige, darin drehbare Schnecke aufweist. An das erhitzte Beschickungsende des Extruders ist ein Trichter angeschlossen, der die Holzschnitzel enthält, sowie ein Hilfsextruder mit weiteren Trichtern, die jeweils die zerschnittenen recycelten Thermoplastikstücke und die Zusatzmittel enthalten. Der Zylinder weist des Weiteren eine Öffnung für das Ausleiten von Gasen auf, die innerhalb des Zylinders während des Mischens der Holzschnitzel mit den anderen Materialien gebildet werden. Am anderen Ende des Hauptextruders ist ein Düsengerät angeschlossen, das aus drei Düseneinheiten, gefolgt von einer Schneidsäge, besteht. Diese Säge bewegt sich mit einer der Extrusionsgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit an dem Material entlang, das kontinuierlich aus dem Düsengerät extrudiert wird, und schneidet das Material in Stücke erwünschter Länge.
Es ist daher eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und einen Plastifikator anzubieten, die es erleichtern, eines oder mehrere der oben erwähnten Probleme zu überwinden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Plastifikator und ein Verfahren für die Verwendung langer Verstärkungsfasern zu bieten, die gleichzeitig mit den verwendeten Thermoplasten eingefüllt werden können.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Bereitstellen eines Plastifikators und eines Verfahrens zu erleichtern, die einfach und wirtschaftlich sind und eine Vorgehensweise bieten, durch die im Allgemeinen die Länge der Verstärkungsfasern während des Plastifizier- und Formverfahrens beibehalten wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Plastifikator anzubieten, durch die jegliche Füllmaterialien wie Verstärkungsfasern, die in dem Plastifikator und bei dem Verfahren verwendet werden, gleichmäßig verteilt werden.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Plastifikator anzubieten, die die Verwendung kontaminierter formbarer Materialien erleichtern, die bisher für die Verwendung unerwünscht gewesen sind wegen ihrer Verschmutzungswirkung oder weil sie nur kostspielig ausreichend zu reinigen sind, um verwendet werden zu können.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Plastifikator anzubieten, die das chemische Binden und die molekulare Orientierung der verwendeten Polymerformmaterialien erleichtern oder verbessern.
Diese und andere Aufgaben werden offensichtlicher, wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und Zeichnungen gelesen wird.
Die Lösungen der Aufgaben sind in den Ansprüchen 1 und 10 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ansicht eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das einen Plastifikator und eine Presse umfasst;
2 zeigt eine Teilansicht des in 1 gezeigten Plastifikators;
3 zeigt einen teilweisen Längsschnitt, der eine sich in einem Zylinder befindende Schnecke zeigt, die in dem in 1 und 2 gezeigten Plastifikator verwendet werden kann;
4 zeigt eine Darstellung, die 3 ähnlich ist und eine Schnecke mit mehreren Schneckensteigungsdurchmessern oder -abständen zeigt;
5 zeigt einen Längsschnitt, der den Anfang des Plastifizierverfahrens zeigt;
6 zeigt einen Längsschnitt, der 5 ähnlich ist und die Schnecke zeigt, während sie aus einem Durchgang durch den Zylinder herausgezogen wird;
7 zeigt eine weitere Darstellung, die die Schnecke zeigt, während sie weiter aus dem Durchgang im Zylinder herausgezogen wird;
8 zeigt eine Darstellung, die 7 ähnlich ist und eine Messerklinge in einer offenen Stellung zeigt;
9 zeigt einen Längsschnitt, der die Schnecke zeigt, während sie als Kolben wirkt und die gemischte Suspension von Formmaterialien aus einem Extrusionsende des Zylinders herausdrückt;
10 zeigt einen Längsschnitt, der 9 ähnlich ist und das Messer in der geschlossenen Stellung zeigt, in der es die gemischte Suspension von Formmaterialien unter Bildung eines Pressrohlings abschneidet;
11 zeigt eine Aufsicht eines Schneckenantriebssystems in einer ursprünglichen Stellung;
12 zeigt eine Aufsicht, die 11 ähnlich ist und das Schneckenantriebssystem zeigt, das die Schnecke aus dem Zylinder zurückzieht;
13 zeigt eine weitere Aufsicht, die das Schneckenantriebssystem zeigt, nachdem es die Schnecke noch weiter aus dem Zylinder herausgezogen hat;
14 zeigt eine Endansicht des Plastifikators, die das in dem Plastifikator verwendete Messersystem zeigt;
15 zeigt eine Endansicht, die 14 ähnlich ist und ein Messer zeigt, das bis in eine vollständig offene Stellung aktiviert worden ist; und
16a und 16b stellen, zusammen betrachtet, schematische Ablaufdiagramme dar, die ein Verfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf 1 ist nun ein System 10 für das Formen eines Teils gezeigt. Das System 10 umfasst einen Plastifikator 12 für die Aufnahme mehrerer formbarer Materialien 14 sowie für das Plastifizieren der formbaren Materialien 14 zu einem Pressrohling 16. Das System 10 umfasst auch eine Presse 18, die dem Plastifikator 12 zugeordnet ist, für die Aufnahme des Pressrohlings 16 und für das Formen des Pressrohlings 16 zu dem Fertigteil (nicht gezeigt), das durch eine Form 20 bestimmt wird.
Der Plastifikator 12 umfasst ein Untergestell 22, das die verschiedenen Komponenten des Plastifikators 12 stützt. Das Untergestell 22 weist eine Stützsäule 24 auf, die einen ortsfesten Block 26 trägt. Der Plastifikator 12 umfasst einen Aufhänger oder Zylinder 28, der ein Beschickungsende 28a aufweist, das an den ortsfesten Block 26 montiert ist. Der Plastifikator 12 umfasst auch eine Schnecke 30 (3), die rotierbar und, wie weiter unten beschrieben, axial im Zylinder 28 montiert ist.
Das System 10 umfasst eine Steuervorrichtung/einen Mikroprozessor 32 für das Steuern des Arbeitens des Plastifikators 12 und der Presse 18. Die Steuervorrichtung 32 umfasst einen Steuerkasten 34 als Schnittstelle mit der Steuervorrichtung 32. Eine geeignete Steuervorrichtung ist das Slick Modell 150, das von Allen Bradley, Fairfield, New Jersey, hergestellt wird, es ist jedoch klar, dass eine jede geeignete Steuervorrichtung, die in der Lage ist, das Arbeiten des Systems zu steuern, verwendet werden kann.
Wie in 1 am besten veranschaulicht, umfasst der Plastifikator 12 des Weiteren eine Beschickungsvorrichtung oder einen Beschickungstrichter 36, der eine Öffnung 38 für die Aufnahme der formbaren Materialien 14 aufweist. Die Öffnung des Beschickungstrichters 38 kann direkt an ein Zuführsystem (nicht gezeigt) für das Transportieren von Materialien von einem Speicher- oder Trocknungsbereich (nicht gezeigt) zum System 10 angeschlossen sein. Der Beschickungstrichter 36 kann einen Rührer 40 (2) zum Erleichtern des Rührens und Mischens der Formmaterialien 14 umfassen. Der Rührer 40 ist an einen Antriebsmotor 42 angeschlossen, der wiederum an einen Steuerkasten 44 angeschlossen ist, der die Geschwindigkeit und das Arbeiten des Antriebsmotors 42 regelt. Bei einer Ausführungsform ist der Steuerkasten 44 an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen, wodurch es der Steuervorrichtung 32 möglich ist, das Arbeiten des Antriebsmotors 42 zu steuern. Der Antriebsmotor besteht aus einem elektrischen Antriebsmotor, er könnte jedoch aus irgendeinem geeigneten Typ Motor für das Antreiben des Rührers wie einem hydraulischen oder pneumatischen Motor bestehen.
Der Beschickungstrichter 36 weist ein Ende 36a auf, das an den ortsfesten Block 26 so angeschlossen ist, dass die Materialien 14 in eine Beschickungsöffnung 46 (3) im Beschickungsende 28a des Zylinders 28 eingespeist werden.
Die Beschickungsvorrichtung oder der Beschickungstrichter 36 kann einen Vorerhitzer 48 (1) umfassen, der an die Steuervorrichtung 32 für das Vorerhitzen der Materialien 14 auf eine Vorerhitzungstemperatur angeschlossen ist, bevor die Materialien 14 in die Beschickungsöffnung 46 im Zylinder 28 eingeführt werden. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Vorerhitzer 48 die Materialien 14 im Beschickungstrichter 36 auf 37,8 bis 149°C (100 bis 300 Grad Fahrenheit), je nach den gewählten und verwendeten Materialien 14, vorerhitzen. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann der Beschickungstrichter 36 isoliert sein, um das Aufrechterhalten der Temperatur im Beschickungstrichter auf der Vorerhitzungstemperatur zu erleichtern.
Der Aufhänger oder Zylinder 28 weist ein Beschickungsende 28a und außerdem ein Extrusionsende 28b, aus dem der Pressrohling 16 extrudiert wird, auf. Bei einer Ausführungsform ist der Zylinder 28 ca. 1,22 m (vier Fuß) lang und weist einen Außendurchmesser von ca. 203 mm (acht Zoll) und einen Innendurchmesser von ca. 102 mm (vier Zoll) auf. Der Zylinder 28 ist aus gehärtetem Stahl gefertigt und wiegt ca. 136 kg (300 Pfund). Der Zylinder kann eine Extrusionsdüse 50 aufweisen, die sich am Extrusionsende 28b befindet. Die Funktion der Düse 50 besteht darin, den zu extrudierenden Pressrohling 16 in eine vorbestimmte Gestalt oder auf einen vorbestimmten Durchmesser zu bringen. Beispielsweise kann der Pressrohling 16 so extrudiert werden, dass sein Querschnittsdurchmesser ca. 50,8 mm (2,0 Zoll) beträgt.
Wie in 3–10 veranschaulicht, umfasst der Zylinder 28 eine Beschickungszone 54, eine Mischzone 56 und eine Extrusionszone 58. Der Plastifikator 12 umfasst außerdem die Schnecke 30, die drehbar und axial in einem durch den Zylinder 28 definierten Durchgang 52 montiert ist. Man beachte, dass die Schnecke 30 ein Beschickungsende 30a und ein Extrusionsende 30b umfasst. Die Schnecke 30 umfasst des Weiteren einen Beschickungsabschnitt 60, der dem Beschickungsende 30a zugeordnet ist, einen Mischabschnitt 62 und einen Extrusionsabschnitt 64, der mit dem Extrusionsende 30b zugeordnet ist. Der Beschickungsabschnitt 60, der Mischabschnitt 62 und der Extrusionsabschnitt 64 der Schnecke 30 sind im Allgemeinen jeweils der Beschickungszone 54, der Mischzone 56 und der Extrusionszone 58 des Zylinders 28 zugeordnet, wenn die Schnecke 30 sich in einer Ursprungsstellung, die allgemein in 3–5 gezeigt ist, befindet.
Der Beschickungsabschnitt 60 umfasst einen ersten Satz von mehreren Gewindegängen 66. Der Mischabschnitt 62 umfasst einen zweiten Satz von mehreren Gewindegängen 68 und das Extrusionsende 64 umfasst einen dritten Satz von mehreren Gewindegängen 70.
Wie in 3 veranschaulicht, weist der erste Satz von mehreren Gewindegängen 66 eine Tiefe auf, die durch den Doppelpfeil 72 identifiziert ist, und die im Allgemeinen größer ist als die durch den Doppelpfeil 74 identifizierte Tiefe des zweiten Satzes von mehreren Gewindegängen 68, der mit dem Mischabschnitt 62 der Schnecke 30 assoziiert ist. Der erste und der zweite Satz von mehreren Gewindegängen 66 und 68 kann eine Tiefe aufweisen, die größer ist als die Tiefe 76 des dritten Satzes von mehreren Gewindegängen 70, der dem Extrusionsabschnitt 64 zugeordnet ist. Man beachte, dass die Schnecke 30 eine Welle oder eine Wurzel oder einen Kern 30c umfasst, um den der erste, zweite und dritte Satz von mehreren Gewindegängen 66, 68 und 70 positioniert ist. Wie in 3 und 4 am besten veranschaulicht, kann der Kern 30c sich im Allgemeinen verjüngen, um eine Schneckentiefe zu bieten, die im Allgemeinen vom Beschickungsende 30a zum Extrusionsende 30b hin abnimmt. Das erleichtert es, sicherzustellen, dass die Tiefe 72 des ersten Satzes von mehreren Gewindegängen 66 im Allgemeinen größer ist als die Tiefe 76 des dritten Satzes von mehreren Gewindegängen 70.
Eine weitere Ausführungsform der Schnecke 30 ist in 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Satz von mehreren Gewindegängen 68 mit einer größeren Anzahl von Gewinden ausgestattet (d. h. einer geringeren Gewindesteigung oder Entfernung zwischen den Gewindegängen) als der erste Satz von mehreren Gewindegängen 66. Die in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen erleichtern es, die Mischungs- und die Suspensionszeit der formbaren Materialien 14 und des Weiteren das Mischen der Materialien 14 bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Scherspannung zu steuern, ohne die Materialien 14 während des Drehens der Schnecke 30 signifikant zu beschädigen.
Bei einer Ausführungsform ist die Schnecke 30 ca. 254 cm (100 Zoll) lang und weist einen Durchmesser des Kerns 30c von ca. 9,4 cm (3,7 Zoll) auf. Bei der Schnecke 30 handelt es sich um eine linksgängige Schnecke und die Tiefen 72, 74 und 76 betragen 20,3 mm (0,8 Zoll), 15,2 mm (0,6 Zoll) bzw. 19,1 mm (0,75 Zoll). Der Mischabschnitt 62 der Schnecke 30 weist ca. 30% mehr Windungsgänge in 4 auf im Vergleich mit dem Beschickungsabschnitt 60.
Der Plastifikator 12 umfasst außerdem eine Vorrichtung für das Antreiben der Schnecke 30 oder ein Schneckenantriebssystem 75 für das drehbare und axiale Antreiben der Schnecke 30 in einem Durchgang 52 (3) des Zylinders 28. Das Schneckenantriebssystem 75 ist dazu fähig, die Dreh- und Axialbewegung der Schnecke 30 im Zylinder 28 zu steuern, um das Mischen der Materialien 14 zu einer geschmolzenen Suspension und schließlich zu dem Pressrohling 16 mit gewissen vorbestimmten charakteristischen Eigenschaften zu erleichtern. Wenn die gemischte geschmolzene Suspension die vorbestimmten charakteristischen Eigenschaften erreicht wie beispielsweise ein vorbestimmtes Volumen, eine vorbestimmte Dichte, Viskosität oder Größe (Länge), wie durch die vorbestimmte Temperatur und den vorbestimmten Druck angezeigt ist, wird es der Schnecke 30 gestattet, sich in Richtung des Pfeils 77 in 3 zurückzuziehen, um es der Suspension zu gestatten, zu einem teilweise geformten Pressrohling (Vorformling) im Speicher- oder Extrusionsbereich 124 des Zylinders 28 geformt zu werden. Wie weiter unten beschrieben, ist das Schneckenantriebssystem 75 außerdem in der Lage, die Drehgeschwindigkeit der Schnecke 30 und die Axialbewegung der Schnecke 30 so lange zu steuern, bis die erwünschten vorbestimmten charakteristischen Eigenschaften erreicht sind.
Das Schneckenanstriebssystem 75 (2) umfasst eine Vorrichtung, die an die Schnecke 30 angeschlossen ist, für das drehbare Antreiben der Schnecke 30 und außerdem für das axiale Antreiben der Schnecke 30 in den und aus dem Durchgang 52 (2) im Zylinder 28. Die Vorrichtung umfasst einen gleitbaren Block 78, der gleitbar auf einem Paar ortsfester Säulenstützen 80 und 82 montiert ist, die jede ein Ende (wie beispielsweise 92a) aufweist, das an dem ortsfesten Block 26 befestigt ist. Die Vorrichtung umfasst auch geeignete Lager (nicht gezeigt), die in einem gleitbaren Block 78 positioniert sind, für das Erleichtern der axialen Bewegung des gleitbaren Blocks 78 in Richtung des Doppelpfeils 84 in 2.
Das Schneckenantriebssystem 75 umfasst auch einen Blockantrieb 86 für das gleitbare Antreiben des gleitbaren Blocks 78 in Richtung des Doppelpfeils 84. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform umfasst der Blockantrieb 86 ein Paar hydraulischer Druck-Zug-Zylinder 88 und 90 (11–13). Das Schneckenantriebssystem 75 umfasst auch einen Antriebsmotor 92, der an die Schnecke 30 angeschlossen ist und die Schnecke 30 drehbar entweder im Uhrzeigersinn- oder im Gegenuhrzeigersinn, wie erwünscht, antreibt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Antriebsmotor 92 ein hydraulischer Motor, der in der Lage ist, die Schnecke 30 mit einer Geschwindigkeit von ca. 0 bis 100 Ulmin (RPMs) zu drehen.
Das Schneckenantriebssystem 75 kann eine erste Sensorvorrichtung oder einen Sensor 94 für das Erfassen der Umdrehungen pro Minute (RPMs) des Antriebsmotors 92 umfassen. Die erste Senuorvorrichtung 94 kann auch einen Drehmoment-Sensor (nicht gezeigt) umfassen, der an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen ist und die Drehzahl der Schnecke 30, während sie den Vorformling (16) bildet, überwacht oder erfasst.
Der Plastifikator 12 umfasst eine Stromversorgungsvorrichtung oder ein Stromversorgungssystem 96, um den Antriebsmotor 92 und den Blockantrieb 86 in Gang zu setzen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform umfasst das Stromversorgungssystem 96 einen elektrischen Motor 98, der eine hydraulische Pumpe 100 antreibt. Die hydraulische Pumpe 100 pumpt Öl von einem Tank 102 durch ein Filter 104 in eine Steuervorrichtung oder einen Steuerblock 106. Der Steuerblock 106 umfasst Druckventile 108, 110, 112, 114 und 166, die die Zufuhr von Fluid zu den Zylindern 88, 90, zum Antriebsmotor 92 und zu einem Messerantreiber 118, wie weiter unten beschrieben, steuert. Die Druckventile 108, 110, 112, 114 und 116 sind an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen, die in der Lage ist, ihre Funktionsweise, wie weiter unten beschrieben, zu steuern.
Das Stromversorgungssystem 96 kann mehrere regelbare Druckregler, wie den Regler 117, umfassen, der zwischen dem Antriebsmotor 92, den Zylindern 88 und 90 und ihren entsprechenden Druckventilen positioniert sein kann, um das Steuern des hydraulischen, an diese herangeführten Drucks zu erleichtern. Beispielsweise kann der mit den Zylindern 88 und 90 verbundene Druckregler so eingestellt werden, dass der an die Zylinder 88 und 90 geführte Druck variiert werden kann. Ein geeigneter Druckregler ist der Vickers-Druckregler, der von Vickers, Troy, Michigan, hergestellt wird. Er erlaubt es einer Bedienungsperson, die Druckstärke, mit der der gleitbare Block 78 auf den ortsfesten Block 26 hinzu bewegt wird, zu variieren.
Während das Schneckenantrtebssystem 75 die Formmaterialien 14 in einen Vorratsbereich 124 (3) hineintreibt und presst, wobei der Vorratsbereich mit der Extrusionszone 58 des Zylinders 28 verbunden ist, beginnt sich der Druck im Zylinder 28 aufzubauen. Ein derartiger Druck steigt mit der Menge der geschmolzenen Suspension der Formmaterialien 14, die in den Vorratsbereich 124 gedrückt und getrieben wird. Wenn ein derartiger Druck einen vorbestimmten Druck, der den Zylindern 88 und 90 zugeführt wird, erreicht oder übersteigt, so verursacht der Druck, dass die Schnecke 30 sich aus dem Durchgang 52, wie in 3–5 gezeigt, zurückzieht. Durch Einstellen des an die Zylinder 88 und 90 angelieferten Drucks können daher die Dichte, das Volumen und die Viskosität der geschmolzenen Suspension und des Pressrohlings 16 genau gesteuert werden. Durch Einstellen des an die Zylinder 88 und 90 angelieferten Drucks kann die Viskosität, das Volumen und die Dichte der geschmolzenen Suspension und des Pressrohlings 16 so eingestellt werden, dass sie den erwünschten Materialeigenschaften entsprechen und entsprechend gesteuert werden. Obwohl sie nicht gezeigt sind, können andere Reglertypen verwendet werden. Beispielsweise können elektronische oder pneumatische Regler bereitgestellt werden, die zum automatischen Einstellen des den Zylindern 88 und 90 und dem Antriebsmotor 92 zugeführten Drucks an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen sind.
Wie es in 2 am besten veranschaulicht ist, umfasst das System 10 außerdem eine Sensorvorrichtung oder einen zweiten Sensor für das Erfassen des Drucks in dem Stromversorgungssystem 96. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung einen Druckmesser 126 für das Messen des von der hydraulischen Pumpe 100 abgegebenen Drucks. Außerdem umfasst die Sensorvorrichtung auch einen Druckmesser 128 für das Erfassen des den Zylindern 88 und 90 zugeführten Drucks. Obwohl sie nicht gezeigt ist, ist es klar, dass die Sen sorvorrichtung eine jegliche geeignete hydraulische, elektronische oder andere geeignete Vorrichtung sein kann, die in der Lage ist, den durch den Kontrollblock 106 an den Antriebsmotor 92, den Messerantrieb 118 und die Zylinder 88 und 90 angelieferten Drucks zu erfassen.
Der Plastifikator 12 umfasst außerdem einen einstellbaren Entfernungssensor 130, der die Weglänge der Schnecke 30 erfasst, während sie sich aus dem Durchgang 52 des Zylinders 28 zurückzieht. Wenn die tatsächliche Weglänge eine vorbestimmte Entfernung erreicht, so gibt der Entfernungssensor 130 ein Entfernungssignal ab, das von der Steuervorrichtung 32 aufgenommen wird. Nach Aufnahme des Entfernungssignals setzt die Steuervorrichtung 32 die Druckventile 108, 110, 114 und 116 in Gang, um den Fluiddruck, der an die Zylinder 88, 90 und den Antriebsmotor 92 angeliefert wird, zu drosseln. Wie weiter unten beschrieben, kann die Steuervorrichtung 32 daraufhin das Druckventil 112 in Gang setzen, um Fluid dem Messerantrieb 118 zuzuführen, um die Messerklinge 120 in die offene Stellung, wie in 9 und 15 beschrieben, zu bewegen. Die Steuervorrichtung 32 kann daraufhin die Druckventile 106 und 108 in Gang setzen, um hydraulische Zylinder in Betrieb zu setzen, um den gleitbaren Block 78 auf den ortsfesten Block 26 hin zu ziehen oder gleitbar zu bewegen, was dazu führt, dass die geschmolzene Suspension aus der Extrusionsöffnung 132 (9), die dem Extrusionsende 28b des Zylinders 28 zugeordnet ist, extrudiert wird. Die Steuervorrichtung 32 kann daraufhin den Messerantrieb 118 in Gang setzen, um die Messerklinge wieder zurück in die geschlossene Stellung, wie 10 und 16 gezeigt, zu drücken, um dabei die geschmolzene Suspension unter Bildung des Pressrohlings 16 abzuschneiden.
Es ist zu beachten, dass der Entfernungssensor 130 einen Bügel 136 umfasst, bei dem ein Ende 136a an dem gleitbaren Block 78 befestigt ist. Der Entfernungssensor 130 weist auch einen Schalter 138 auf, der an dem Bügel 136 befestigt ist. Mehrere Kontaktschalter sind gleitbar auf einer Steuertafel 148 (1) montiert, die an dem ortsfesten Block 26 befestigt ist. Die Steuertafel 148 ist mit Enfernungsanzeigern darauf ausgestattet und die Kontaktschalter 140 können auf der Steuertafel 148 gleitbar eingestellt werden, um im Allgemeinen dem Volumen des Vorformlings (16), der aus dem Zylinder 28 extrudiert werden soll, zu ent sprechen. So kontaktiert der Kontaktschalter 140, während der gleitbare Block 78 sich in Richtung des Pfeils 122 bewegt und dadurch die Schnecke 30 zum Herausbewegen aus dem Durchgang 52 bringt, beispielsweise den Schalter 138 und erzeugt dadurch das Entfernungssignal, das von der Steuervorrichtung 32 aufgenommen wird. Obwohl er nicht gezeigt ist, ist es klar, dass der Entfernungssensor irgendeine geeignete Vorrichtung für das Messen der Größe, einschließlich des Volumens, des Vorformlings (16), der gebildet wird, sein kann. Beispielsweise können andere geeignete elektrische, optische, hydraulische, pneumatische oder andere Typen von Sensoren für das Messen der Entfernung verwendet werden, über die sich die Schnecke 30 und der Block 78 bewegen.
Das System 10 umfasst eine Heizvorrichtung oder einen Heizer 150 für das Plastifizieren der formbaren Materialien 14 unter Anwendung eines einzigen Wärmezyklus vom Einführen der Materialien 14 bis zum Formen eines Teils oder Produkts aus dem Pressrohling 16. Wie in 1 und 2 veranschaulicht, umfasst der Plastifikator 12 in der hier beschriebenen Ausführungsform ein Heizsystem, bzw. Heizer 150, das bzw. der drei Sätze Heizvorrichtungen in Form von Widerstands- oder Heizbändern 152, 154 und 156 umfasst. Die Heizbänder 152, 154 und 156 auf dem Zylinder 28 sind jeweils der Beschickungszone 54, der Mischzone 56 und dem Extrusionszone 58, wie in 3–5 veranschaulicht, zugeordnet. Die Heizbänder 152 erhitzen die Beschickungszone 54 auf eine erste vorbestimmte Temperatur. Desgleichen erhitzen die Heizbänder 154 die Mischzone 56 auf eine zweite vorbestimmte Temperatur und die Heizbänder 156 erhitzen die Extrusionszone 58 auf eine dritte vorbestimmte Temperatur.
Die Heizvorrichtungen bzw. Heizbänder 152, 154 und 156 sind an eine Heizersteuervorrichtung 158 angeschlossen, die in der Lage ist, die Heizbänder 152, 154 und 156 einzuschalten, um den Zylinder 28 jeweils auf die erste, zweite und dritte vorbestimmte Temperatur zu heizen. Die Heizersteuervorrichtung 158 umfasst eine dritte Senuorvorrichtung oder einen dritten Sensor für das Erfassen der tatsächlichen Temperatur der Beschickungszone 54, der Mischzone 56 und der Extrusionszone 58 des Zylinders 28. Die Heizersteuervorrichtung 158 umfasst außerdem eine Anzeigevorrichtung oder eine Anzeige, die aus den Anzeigen 160 ( 2) besteht, für das Anzeigen der tatsächlichen Temperatur, die von der Heizersteuervorrichtung 158 erfasst wird. Die Heizersteuervorrichtung 158 ist an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen, die das Arbeiten des Heizers 150 in den Heizbändern 152, 154 und 156 ebenfalls steuern kann. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform liegt die erste vorbestimmte Temperatur, die mit der Beschickungszone 54 zugeordnet ist, im Bereich von 149°C bis 260°C (300 bis 500 Grad Fahrenheit), je nach den verwendeten Materialien 14. Desgleichen können die zweite und dritte vorbestimmte Temperatur ebenfalls im Bereich von 149 bis 260°C (300 bis 500 Grad Fahrenheit) liegen. Obwohl diese Bereiche gezeigt sind, sollen sie nicht einschränkend sein und andere Bereiche können je nach den Formmaterialien 14 und den erwünschten oder vorbestimmten Merkmalen des Pressrohlings geeignet sein.
Obwohl es nicht gezeigt ist, können der Zylinder 28 und die Heizbänder 152, 154 und 156 isoliert sein, um es zu erleichtern, den Hitzeverlust im Zylinder 28 zu minimieren.
Der Heizer kann auch den Vorerhitzer 48, einen Messerklingenheizer und einen Formheizer 182 umfassen, um es zu erleichtern, eine einzige Wärmeerhöhung herbeizuführen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Formheizer 182 das von Sterl Co., Milwaukee, Wisconsin, hergestellte Sterl-Tronic Temperatursteuergerät, Modell Nr. S-8412 oder 3412, umfassen. Des Weiteren kann auch ein Schneckenheizer (nicht gezeigt) zum Erhitzen der Schnecke 30 verwendet werden, um es noch leichter zu machen, die Formmaterialien 14 in dem Zylinder 28 zu erhitzen.
Der Plastifikator 12 umfasst auch eine Trennvorrichtung oder ein Messersystem 162 (14 und 15) für das Abtrennen der Materialien 14 zum Bereitstellen des Pressrohlings 16. Das Messersystem 162 ist dem Extrusionsende 128b des Zylinders 28 zugeordnet und umfasst ein Paar L-förmige Montierbügel 164 und 166, die einen Kanal 168 bilden. Das Messersystem 162 umfasst auch die Messerklinge oder das Messer 120, die bzw. das gleitbar im Kanal 168 montiert ist. Die Messerklinge 120 ist an den Messerantrieb 118 angeschlossen, der in der Lage ist, das Mes ser von der geschlossenen Stellung in 14 in die offene Stellung in 15 und umgekehrt zu bewegen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform umfasst der Messerantrieb 118 einen Zylinder vom Druck-Zug-Typ, der an das Druckventil 112 angeschlossen ist, das wiederum an die Steuervorrichtung 32, wie oben erwähnt, angeschlossen ist.
Das Messersystem 162 umfasst ein Paar von Schaltern 170 und 172, das mit einer Auslöserstange 174 kooperiert, die sich auf der Messerklinge 120 befindet. Der Auslöser 174 löst den Schalter 170 aus, um ein Signal des geschlossenen Zustands zu bilden, wenn das Messer 120 sich in der geschlossenen Stellung befindet. Desgleichen bringt der Auslöser 174 den Schalter 172 dazu, ein Signal des offenen Zustands zu bilden, wenn das Messer 120 sich in der offenen Stellung befindet. Die Schalter 170 und 172 sind an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen, die die Signale bezüglich des offenen und geschlossenen Zustands aufnimmt.
Es ist klar, dass aufgrund der Nähe des Messers 120 zum Extrusionsende 28b des Zylinders 28 und der Düse 50 das Messer 120 auf ungefähr die gleiche Temperatur erhitzt wird, wie die Extrusionszone 58 des Zylinders 28. Man beachte auch, dass das Messer 120, wenn es sich in der geschlossenen Stellung befindet, den Durchgang 52 (3 und 4) des Zylinders 28 abschließt, so dass die geschmolzene Suspension der formbaren Materialien 14 gegen die Zylinderseite 120a (3) des Messers 120 gedrückt wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann das Messer 120 auch mit dem oben erwähnten Messerheizer ausgestattet sein, der an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen wäre, um das Erhitzen des Messers 120 auf eine vorbestimmte Messerklingentemperatur zu erleichtern, die im Allgemeinen der dritten vorbestimmten Temperatur entsprechen würde.
Das System 10 umfasst die Presse 18 (1) die einen Pressenantrieb 176 umfasst, der an eine Pressensteuervorrichtung 178 angeschlossen ist, die auch an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen sein kann. Die Pressesteuervorrichtung 178 kann den Pressenantrieb 176 in Gang setzen, um die Plattform 180 von einer offenen oder nicht formbildenden Stellung, wie in 1 gezeigt, in eine geschlossene oder formbildende Stellung (nicht gezeigt) zu bewegen. Wie in 1 gezeigt, kann die Plattform 180 ein Formteil 20a aufweisen, das mit einem komplementären Formteil 20b zum Formen des Teils kooperiert oder in diesen eingreift. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform besteht die Presse 18 aus einer Druckpresse wie beispielsweise der 254.000 kg (250 tons) Bipel-Presse, die von Bipel, England, hergestellt wird, und die Pressesteuervorrichtung 178 kann aus einer Steuervorrichtung bestehen, die von Allen Bradley bereitgestellt wird und an die Steuervorrichtung 32 angeschlossen sein kann.
Die Presse 18 umfasst auch den oben erwähnten Presseheizer 182, der an die Pressensteuervorrichtung 178 angeschlossen und in der Lage ist, die Temperatur der Formteile 20a und 20b zu steuern, wenn sie das Fertigteil formen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Formenheizer 182 die Temperatur der Formteile 20a und 20b je nach den verwendeten Formmaterialien 14 zwischen ca. –1,1°C und 177°C (30° Fahrenheit bis 350°F) verändern. Es ist zu beachten, dass es sich bei der Presse 18 um eine Druckpresse handelt, die einen Druckregler 184 umfasst für das Regeln des dem Pressrohling 16 zugeführten Drucks. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Druck zwischen 0 und 276 bar (0 psi bis 4000 psi) liegen. Die Presse 18 umfasst auch einen Druckmesser 186 und einen Zeitzähler 188 für das jeweilige Anzeigen des Drucks und der Formzeit während des entsprechenden Arbeitens der Presse 18.
Das System 10 umfasst auch eine Fördervorrichtung oder ein Fördersystem 190 (1). Die Funktion des Fördersystems 190 besteht darin, den Pressrohling 16 in das Formteil 20b einzugeben, nachdem der Pressrohling 16 aus dem Extrusionsende 28b des Zylinders 28 extrudiert worden ist. In dieser Beziehung kann es sich beim Fördersystem 190 um irgendeine geeignete Vorrichtung für das Befördern des Pressrohlings 16 direkt in die Presse 18, wie einen Roboterarm, einen hydraulischen Zylinder, einen pneumatischen Zylinder, einen elektronischen oder mechanischen Förderer oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung handeln, die den Pressrohling 16 dazu bringt, in die Presse 18 eingegeben zu werden. Des Weiteren kann das Fördersystem 190 auch ein Vorrichtung umfassen für das Befördern oder Positionieren des Plastifikators 12 in ein Funktionsverhältnis mit dem Formteil 20b derart, dass der Pressroh ling 16, wenn er aus dem Zylinder 28 extrudiert wird, direkt auf das Formteil 20b fällt. In dieser Beziehung kann das Fördersystem 190 eine Rad-, Schützen- und Bahnanordnung (nicht gezeigt) umfassen, auf der der Pastifikator 12 derart positioniert sein kann, dass der Pastifikator 12 gleitbar auf die Presse 18 zu und von ihr hinweg bewegt werden kann. Beispielsweise wäre das Schützen- und Bahnsystem an die Steuervorrichtung 32 so angeschlossen, dass das Extrusionsende 28b des Zylinders 28 dann, wenn die Presse 18 in die offene Stellung bewegt wird, wie in 1 gezeigt, in ein Funktionsverhältnis unter die Plattform 100 bewegt wird, derart, dass der Pressrohling 16, wenn er extrudiert wird, auf dem Formteil 28b, wie in 1 gezeigt, positioniert wird. Der Plastifikator 12 kann daraufhin von der Presse 18 weg bewegt oder weg geschwenkt und die Plattform 180 nach unten (wie in 1 gezeigt) getrieben werden, um das Fertigteil zu formen. Nach dem Formen des Fertigteils kann dieses von der Presse 18 entfernt werden und während eines derartigen Entfernens kann der Plastifikator 12 wiederum zum Extrudieren des nächsten Pressrohlings 16 zu dem Formteil 20b geschwenkt oder heranbewegt werden. Andere Variationen des Bewegens des Plastifikators 12 können ebenfalls benutzt werden. Beispielsweise kann das Fördersystem 190 den Plastifikator 12 dazu bringen, sich von der Presse 18 langsam zurückzuziehen, so dass der Pressrohling 16 im Wesentlichen gleichmäßig über die Länge des Formteils 20b hinweg extrudiert wird, wenn der Pressrohling 16 in die Form eingegeben wird.
Bevorzugt bestehen die formbaren Materialien 14 aus einem Polyester 192, einer carbocyclischen Substanz oder anderen carbocyclischen Substanzen 194 und einem vorgewählten Füllstoff 196 (1, 16a und 16b). Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Polyester 192 Polyethylenterephthalat (PET) enthalten und die carbocyclischen Substanzen 194 können olefinische Substanzen sein, wie beispielsweise Polycarbonat, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Ethylenvinylacetat (EVA).
Die vorgewählte Verstärkung oder der vorgewählte Füllstoff 196 kann eine Verstärkungsfaser, Glasfaser, Flugasche, Ton, Kohlenstoff oder Graphitfaser, geschnitzeltes Verstärkungsfaser-Verbundmaterial oder ähnliche Materialien umfassen. Es hat sich erwiesen, dass bei diesem Plastifikator und bei diesem Verfahren Fasern verwendet werden können, die zusammen mit den anderen Materialien 14 in den Plastifikator 12 eingegeben werden, ohne dass die Fasern dabei signifikant beschädigt werden. Es ist klar, dass dieser Plastifikator und dieses System mit Verstärkungsfasern verwendet werden können, wie beispielsweise Glasfasern, die im Bereich von den kleinsten verfügbaren bis zu einer Länge von 158 mm (6 Zoll) liegen.
Ein bzw. mehrere die Verträglichkeit verbesserndes) Mittel 198 kann bzw. können ebenfalls als eines der Materialien 14 eingearbeitet werden, das in den Beschickungstrichter 36 eingegeben wird. Es ist klar, dass die Polyester 192, carbocyclischen Substanzen 194, vorgewählten Füllstoffe 196 und die Verträglichkeit verbessernden Mittel 198 irgendeine geeignete Form besitzen können, die fähig ist, im Beschickungstrichter 36 aufgenommen zu werden, wie beispielsweise die Form von Schnitzeln, Granulat, Flocken und Fasern. Außerdem können Verstärkungsfasern die Form eines einzigen Strangs, von Hackseln, Matten, Kantenschneidabfällen oder Schnitzeln annehmen, wie sie in geschnitzelten oder aufgemahlenen Verstärkungsverbundstoffen, die derartige Fasern enthalten, in einer vorhandenen Polymatrix enthalten sein können. Anders ausgedrückt, kann eine vorhandene thermoplastische Polymermatrix mit einem oder mehreren der obigen Materialien 14 beispielsweise geschnitzelt und verwendet werden.
Das bzw. die die Verträglichkeit verbessernde(n) Mittel 198 wird bzw. werden wärmeaktiviert und so ausgewählt, dass sie die Verträglichkeit der thermoplastischen Polymere, wie beispielsweise Glas oder Glasfasern, mit jeglichen anderen Verstärkungsmitteln oder Füllstoffen, die zugesetzt werden können, verbessern. Beispielsweise sind olefinische Polymere, auf die polare funktionelle Anteile wie beispielsweise Acrylsäure oder Maleinsäureanhydrid aufgepfropft sind, zu erwähnen. In dieser Beziehung werden die "Polybond"-Produkte, die von BP Chemicals erhältlich sind, gegenwärtig für die Verwendung bevorzugt.
Vorläufige Studien haben gezeigt, dass die "Polybond"-Produkte der Qualität 1000, 1001, 1002 und 1003 geeignete, die Verträglichkeit verbessernde Mittel 198 sind, die den thermoplastischen Polymeren und Füllstoffen 196 zugegeben werden können. Diese besonderen "Polybond"-Produkte bestehen aus Haftvermittlern auf der Basis von Polypropylen, auf die ca. 6% Acrylsäure aufgepfropft sind. Der einzige Unterschied zwischen diesen vier Qualitäten der "Polybond"-Materialien ist die Schmelzgeschwindigkeitsrate "mfr" (melt flow rate). Sie liegt im Bereich von 100 g/10 min. ("Polybond" 1000) bis 12 g/10 min. ("Polybond" 1003). Der Fachmann kann die spezifische erwünschte mfr auf der Basis der Identität der in den Plastifikator 12 eingegebenen Materialien und der erwünschten anfänglichen Verarbeitungsviskosität derselben wählen. Andere beispielhafte, die Verträglichkeit verbessernde Mittel 198 umfassen "Polybond 1009 und 3009", die beide von BP Chemicals erhältlich sind. Diese Polymere können als Ketten von Hochdruckpolyethylen aufweisend beschrieben werden, auf die entweder Acrylsäure oder Maleinsäureanhydrid aufgepfropft ist. Auf das Produkt 1009 ist ca. 6% Acrylsäure mit einem Schmelzindex von 6 g/10 min aufgepfropft, während auf "Polybond" 3009 ca. 2% Maleinsäureanhydrid aufgepfropft sind und es einen Schmelzindex von ca. 6 g/10 min aufweist.
Andere "Polybond"-Produkte können als Beispiel ebenfalls erwähnt werden. Sie umfassen die Polymere auf der Basis von Polypropylen, auf die verschiedene Mengen Maleinsäureanhydrid aufgepfropft sind. Beispielsweise wird "Polybond" 3001 als Polypropylenpolymer beschrieben, auf das Maleinsäureanhydrid-Verzweigungen aufgepfropft sind, die in einer Menge von weniger als ca. 1/4% vorliegen. Dieses Produkt besitzt eine Schmelzgeschwindigkeitsrate von ca. 5 g/10 min. "Polybond". "Polybond" 3002 ist ebenfalls ein Beispiel und dem Produkt 3001 ähnlich, mit der Ausnahme, dass sein Maleinsäureanhydridgehalt ca. doppelt so hoch ist und dass es einen mfr von 7 g/10 min aufweist.
Außerdem können freie Radikale bildende Polymerisationskatalysatoren wie Peroxide mit ethylenisch ungesättigten Säuren oder Anhydriden vermischt und hier als die Verträglichkeit verbessernde Mittel verwendet werden.
Andere beispielhafte, die Verträglichkeit verbessernde Mittel umfassen die "Epolen"-Polymere, die von Eastman Chemical erhältlich sind, sowie andere Versuchskeimbildner, die ebenfalls von Eastman Chemical erhältlich und spezifisch für Polyester anstatt Olefine formuliert worden sind.
Die die Verträglichkeit verbessernde Mittel 198 werden dem Beschickungstrichter 36 normalerweise in einer Menge von 1 bis 10 (Gew.-%), bezogen auf das Gewicht des verwendeten thermoplastischen polymeren Materials, zugeführt.
Ein Vorteil des Systems 10 liegt darin, dass es in der Lage ist, vom Verbraucher kommende Formmaterialien oder Formmaterialien, die einen relativ hohen Grad an Kontamination aufweisen, zu handhaben. Beispielsweise können die formbaren Materialien 14 zusammengemischtes oder kontaminiertes Polymermaterial, wie es typischerweise in vom Verbraucher kommenden Abfallströmen vorkommt, sein. Während die Natur der Verschmutzungen und der Prozentsatz des Vorkommens von Charge zu Charge als natürliches Merkmal von Abfallmaterialien verschieden sind, enthalten sie im Durchschnitt typischerweise ähnliche Materialien in ähnlichen Mengen. Beispielsweise können vom Verbraucher kommende Polyester (die in Abfallströmen als PET aufgefangen werden), die bei diesem Verfahren verwendet werden, 90% PET, 5 HDPE, 2% PP, 5% EVA enthalten, wobei der Rest aus Verschmutzungen besteht, einschließlich derartiger Dinge wie verschiedene Papierarten und Aluminiumabfälle.
Die Erfindung ist nun mit Bezug auf eine Anzahl spezifischer Beispiele beschrieben, die ausschließlich als veranschaulichend und nicht als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen.
Beispiel 1
Zuerst wurden formbare Materialien ohne ein die Verträglichkeit verbesserndes Mittel 198 verwendet. Sechzig (60) Teile einer gemischten, vom Verbraucher kommenden Polymercharge, die PET, HDPE, PP und Ethylenvinylacetat (EVA) umfasste, und 40 Teile Glasfaser-Kantenschneidabfälle (die für die Deponie bestimmt waren) mit einer Nennfaserlänge von 50,8 mm (2 Zoll) wurden in den einfachen Schubschneckenplastifikator, der in 1 gezeigt ist, eingefüllt. Das Mischen zur Bildung eines Vorformlings (16) fand in einem einzigen thermodynamischen Zyklus bei einer Temperaturerhöhung auf 221°C (430 Grad Fahrenheit) für eine Zeitspanne von 30 Sekunden statt, nach welcher Zeit der aus der geschmolzenen Rohmasse gemischte und zu dem Vorformling gebildete Pressrohling 16 an die Presse geliefert wurde, wo eine Probe von 152 mm × 229 mm (6 Zoll × 9 Zoll) mit einer Dicke von 3,81 mm (0,150 Zoll) bei einem Druck von 207 bar (3000 psi) verformt wurde. Das so geformte Fertigpressteil wurde Prüfungen auf seine physikalischen Eigenschaften hin unterzogen und es zeigte sich, dass es eine Biegefestigkeit von 710 bar (10.300 psi), einen E-modul von 48.261 bar (700.000 psi) und eine IZOD-Kerbschlagzähigkeit von 2,23 kg (0,43) aufwies. Diese charakteristischen Eigenschaften sind für ein starkes, aber brüchiges Material repräsentativ, das bei der Produktherstellung als minimal wünschenswert betrachtet wird.
Beispiel 2
Eine Mischung, die zur Hälfte aus vom Verbraucher kommendem Polyethylenterephthalat (PET), das aus Flaschen für alkoholfreie Getränke erhalten worden war, und zur anderen Hälfte aus zerkleinerten Abfällen eines 40%igen glasfaserverstärkten Polypropylen-Verbundmaterials bestand, das kurzgeschnittene Glaslängen ergab, wurde in den in 1 gezeigten Plastifikator 12 eingefüllt. Das Vermischen im Zylinder 28 fand bei 260°C bis 288°C (500 Grad Fahrenheit bis 550 Grad Fahrenheit) über eine Zeitspann von 60 Sekunden statt. Die Probe (Fertigpressteil) wurde geprüft und besaß im Durchschnitt eine Biegefestigkeit von 861 bar (12.500 psi), einen E-modul von 29.991 bar (435.000 psi) und eine IZOD-Kerbschlagzähigkeit von 31 kg (5,7 Fuß-Pfund/Zoll). Das stellt ein Material dar mit einer Leistungsfähigkeit, die für einen breiten Bereich von Produktanwendungen ausreichend ist.
Beispiel 3
Ein weiteres Beispiel umfasst die Verwendung des die Verträglichkeit verbessernden Mittels 198. Sechzig (60) Teile einer gemischten (zusam mengemischten und kontaminierten) vom Verbraucher kommenden Polymercharge und 40 Teile von aus Glasfaser-Kantenschneidabfällen bestehenden Abfällen (die für die Deponie bestimmt waren) mit einer Nennfaserlänge von 50,8 mm (2 Zoll) wurden in den in 1 gezeigten Plastifikator 12 eingefüllt. Das Polymermaterial bestand hauptsächlich aus PET, enthielt jedoch auch Polycarbonat, HDPE, Polypropylen, EVA und Nichtpolymermaterial wie beispielsweise Abfallmaterial aus Aluminiumdosen und Papier. Ein die Verträglichkeit verbesserndes Mittel 198 (Polybond 3009) wurde der Mischung in dem Plastifikator 12 im Verhältnis von 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des eingegebenen Polymermaterials, zugesetzt. Die erste, zweite und dritte vorbestimmte Temperatur wurde jeweils in dem Beschickungs-Plastifizierungsbereich auf 254°C (490 Grad Fahrenheit), 271°C (520 Grad Fahrenheit), 282°C (530 Grad Fahrenheit) und auf 540 Grad Fahrenheit im Anstoßbereich eingestellt. Der Messerkopf 96 wurde auf 288°C (550 Grad Fahrenheit) eingestellt. Der Längensensor wurde auf 110 mm eingestellt. Der Plastifikator 12 wurde mit einer Schneckengeschwindigkeit von 20–40 U/min (rpm) betrieben, und die Zylinder 88 und 90 wurden auf einen Druck von 21 bar (300 psi) derart eingestellt, dass der sich von 3,45 bar (50 psi) auf 20,28 bar (300 psi) erhöhende Druck dazu führte, dass die hin und her bewegliche Schnecke 42 durch den Rückdruck des Zylinders in die 110 mm-Stellung gedrückt wurde. Zu diesem Zeitpunkt (nach insgesamt ca. drei Minuten vom Einführen der Materialien in den Plastifikator 12 an) wurde daraufhin ein aus einer gemischten und erschmolzenen Masse gewonnener Pressrohling 16 an die Presse 18 geliefert, wobei die formenden Flächen der Formteile 20a und 20b der Presse 18 auf 27°C (80 Grad Fahrenheit) erhitzt wurden. Eine Rohpressling von 152 mm × 229 mm (6 Zoll × 9 Zoll) mit einer Dicke von 381 mm (0,150 Zoll) wurde daraufhin bei einem Druck von 206,8 bar (3.000 psi) verformt. Das Fertigpressteil als Probe wurde geprüft und wies eine Biegefestigkeit von 1,400 bar (20.310 psi), einen E-modul von 980.000 und eine IZOD-Kerbschlagzähigkeit von 16,5 kg (3,03 Fuß-Pfund/Zoll) auf. Dieses Material ist für einen breiten Bereich von Produktanwendungen geeignet, denn es weist eine Festigkeit und Moduleigenschaften auf, die den im Handel erhältlichen und auf breiter Basis verwendeten glasfaserverstärkten thermoplastischen Bahnmaterialien analog sind.
Es ist nun ein Verfahren für die Verwendung des Systems 10 und für das Bilden eines Rhopresslings 16 für das Formen eines Fertigteils beschrieben. Zuerst wird ein vom Verbraucher kommender wieder verwertbarer Kunststoff, wie beispielsweise PET, Polypropylen, Polyethylen und Ethylenvinylacetat, wie in Schritt 200 gezeigt, gesammelt. Falls erwünscht, können diese wieder verwertbaren Polymere (beispielsweise) durch Flotationstrennung (wie in Block 202 gezeigt) getrennt werden. Die kontaminierten Polyester 192 und carbocyclischen Stoffe 194 werden zusammen mit den vorher gewählten Verstärkerstoffen und Füllstoffen 196 in den Beschickungstrichter 36 (1) des Plastifikators 12, wie in Block 204 gezeigt, eingefüllt. Wie oben schon erwähnt, kann das die Verträglichkeit verbessernde Mittel 198, falls erwünscht, ebenfalls zu diesem Zeitpunkt hinzugegeben werden.
Eventuell ist es wünschenswert, die formbaren Matertalien 14 (Block 206) vorzuerhitzen, in welchem Falle die Steuervorrichtung 32 den Vorerhitzer 48 in Gang setzt, um die Materialien 14 (Block 208) auf ca. 37,8°C – 177 °C (100° bis 350°F), je nach den ausgewählten Materialien 14, zu erhitzen. Die Steuervorrichtung 32 setzt dann den Antriebsmotor 42 in Gang, um den Rühren 40 drehbar anzutreiben, um das Mischen der Materialien 14 im Beschickungstrichter 36 zu beginnen.
Die formbaren Materialien 14 werden bei Block 210 plastifiziert. Je nach dem zu formenden Teil werden die vorbestimmten charakteristischen Eigenschaften des Pressrohlings 16 bestimmt. So werden beispielsweise das Volumen, die Dichte und die Länge D des Vorformlings (16) bestimmt. Auf das Bestimmen hin wird der einstellbare, mit den Zylindern 88 und 90 assoziierte Druckregler 117 auf einen Druck eingestellt, der im Allgemeinen den ausgewählten charakteristischen Eigenschaften des Pressrohlings entspricht. Außerdem werden einer oder mehrere der Kontaktschalter 140 des Längensensors 134 so eingestellt, dass sie der erwünschten Länge und dem erwünschten Volumen des Vorformlings entsprechen. Außerdem wird der mit dem Antriebsmotor 92 assoziierte einstellbare Druckregler 117 ebenfalls so eingestellt, dass der Antriebsmotor 92 die Schnecke 32 mit geeigneten U/min antreibt. Die Steuervorrichtung 32 ist außerdem mit der ersten, zweiten und dritten vorbestimmten Temperatur so programmiert, dass die Heizsteuervorrichtung 158 die mehreren Heizbänder 152, 154 und 156 so in Gang setzt, dass sie die Beschickungs-, Misch- und Extrusionszonen 54, 56 und 58 auf die entsprechende Temperatur erhitzen. Ausschließlich zum Zweck der Veranschaulichung wird angenommen, dass der Druckregler 117 auf 20,7 bar (300 Pfund psi), der Druck des Stromversorgungssystems 96 auf 68,9 bar (1000 psi) und der mit dem Antriebsmotor 92 assoziierte Druckregler auf 25 U/min eingestellt wurde, wobei der Kontaktschalter 140 auf ca. 110 Millimeter eingestellt wurde.
Die Materialien 14 werden daraufhin in die Beschickungsöffnung 46 (5) eingeführt. Wie durch 4–10 am besten veranschaulicht ist, setzt die Steuervorrichtung 32 den Antriebsmotor 92 des Schneckenantriebssystems 75 so in Gang, dass die Schnecke 30 derart drehbar angetrieben wird, dass die Materialien 14 allmählich miteinander zu einer gemischten geschmolzenen Suspension vermischt werden.
Die formbaren Materialien 14 sind auf ungefähr die erste vorbestimmte Temperatur erhitzt, wenn sie zwischen die Beschickungszone 54 des Zylinders 28 und den Beschickungsabschnitt 60 der Schnecke 30 eingeführt werden. Man beachte, dass wegen der Tiefe 72 (3) und der Steigung des ersten Satzes von mehreren Gewindegängen 66 die formbaren Materialien 14 beginnen, derart vermischt zu werden, dass die Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glasfasern, nicht beschädigt werden. Während die Schnecke 30 sich in Richtung des Pfeils 31 in 5 dreht, werden die Materialien 14 aus dem Beschickungsabschnitt 60 der Schnecke 30 in den Mischabschnitt 62 gedrückt, der der Mischzone 56 des Zylinders 28 zugeordnet ist, wenn die Schnecke 30 sich in der ursprünglichen Stellung (nicht der zurückgezogenen Stellung), wie in 3 und 4 gezeigt, befindet. Man bemerke auch, dass die Materialien 14 wegen der Verjüngung des Kerns 30c der Schnecke 30 zu einer homogeneren Suspension im Mischabschnitt 62 gemischt werden, wo die Suspension ungefähr auf die oben erwähnte zweite vorbestimmte Temperatur erhitzt wird. Zum weiteren Erleichtern des Ver- und Zusammenmischens der Materialien 14 kann die Schnecke 30 mit einem Mischabschnitt 62 ausgestattet sein, der einen zweiten Satz von mehreren Gewindegängen 68 (4) mit einer Steigung aufweist, die im Allgemeinen geringer ist, als die Steigung des ersten Satzes von mehreren Gewindegängen 66. Durch Verändern der Anzahl der Gewindegängen pro Zoll, der Gewindesteigung und der Gewindetiefe wird das genaue Regeln der Suspensions- und Mischzeit der Materialien 14, das Steuern des Volumens und der Dichte des Vorformlings und das Steuern der Geschwindigkeit, mit der die Materialien 14 plastifiziert werden, erleichtert.
Während das Schneckenantriebssystem 75 wie oben erwähnt die Schnecke 30 weiter antreibt, wird die gemischte Suspension auf den Sammelbereich 124, der mit der Extrusionszone 58 des Zylinders 28 assoziiert ist, zu gedrückt. Im Sammelbereich 124 wird die geschmolzene Suspension angesammelt, weiter vermischt und ungefähr auf die dritte vorbestimmte Temperatur erhitzt. Schließlich kommt die gemischte geschmolzene Suspension in Eingriff mit der Seite 120a (5) des Messers 120 und ein Vorformling, wie in 6 gezeigt, wird gebildet. Während die geschmolzene Suspension weiter im Sammelbereich 124 angesammelt wird, beginnt sich der Druck aufzubauen.
Wenn der Druck (d. h. der in den Zylindern 88 und 90 aufgebaute Druck) sich 20,68 bar (300 psi) annähert, oder diesen übersteigt, so wird der Vorwärtsdruck des Zylinders 88 und 90 überwunden und die Schnecke 30 beginnt, sich aus dem Durchgang 52 zurückzuziehen, wobei sie den gleitbaren Block 78 dazu bringt, sich in Richtung des Pfeils 122 (1, 6 und 12) zu bewegen. Wie in den 6–8 gezeigt, beginnt sich die geschmolzene Suspension im Sammelbereich 124 anzusammeln. Der gleitbare Block 78 bewegt sich in Richtung des Pfeils 122, bis der Kontaktschalter 140 den Schalter 138 kontaktiert, um das Längensignal zu bilden, das von der Steuervorrichtung 32 aufgenommen wird. Die. Steuervorrichtung 32 setzt dann die Druckventile 114 und 116 in Gang, um den Antriebsmotor 92 abzuschalten. Die Steuervorrichtung 32 betätigt auch das Druckventil 110 zum Ingangsetzen des Messerantriebs 118, um die Messerklinge 120 dazu zu bringen, sich von der geschlossenen Stellung (8 und 14) in die offene Stellung (9 und 15) zu bewegen. Die Steuervorrichtung 32 setzt daraufhin die Druckventile 108 und 110 in Gang, um die Zylinder 88 und 90 in Bewegung zu setzen, um den gleitbaren Block 78 in einer dem Pfeil 122 entgegengesetzten Richtung zu ziehen, um dabei zu verursachen, dass die geschmolzene Suspension (Vorformling) durch die Extrusionsöffnung 132 (9 und 15) extrudiert wird. Die Steuervorrichtung 32 kann daraufhin das Druckventil 112 in Gang setzen, um den Messerantrieb 118 in Bewegung zu setzen, um die Messerklinge 120 in die geschlossene Stellung zu drücken und dabei die geschmolzene Suspension bzw. den Vorformling unter Bildung des endgültigen Pressrohling 16 abzutrennen.
Obwohl es nicht gezeigt ist, ist es klar, dass die Steuervorrichtung 32 den Schneckenantrieb 75 und das Messersystem 162 dazu bringen kann, mehrere der Pressrohlinge 16 in einer einzigen Weglänge der Zylinder 88 und 90 bereitzustellen.
Der Pressrohling 16 kann daraufhin durch das Fördersystem 190 (1) zum Formteil 20b in der Presse 18 befördert werden (Block 212 in 16). Andere Materialien, wie beispielsweise Plattenbeschichtungsmaterial oder Verstärkungsmaterial, können vorher (Block 211), vor Einführen des Pressrohlings 16 in das Formteil 20b, in das untere Formteil 20b eingegeben werden. Sobald sie sich in der Presse 18 befinden, kann die Steuervorrichtung 32 die Pressesteuervorrichtung in Gang setzen, um wiederum den Pressenantrieb 176 in Gang zusetzen, um die Plattform 180 nach unten zu treiben (wie in 1 gezeigt), um das Fertigteil zu formen. In dem hier beschriebenen Beispiel erhitzt der Presseheizer 182 die Formteile 20a und 20b auf ca. 26,7°C (80 Grad Fahrenheit). Außerdem ist die Presse 18 so eingestellt, dass sie den Pressrohling 16 bei ca. 206,8 bar (3000 psi) mit einem genau gesteuerten Druckgradienten komprimiert.
Bei Block 214 (16b) wird das Fertigteil daraufhin durch die Presse 18 geformt.
Wie im Entscheidungsblock 216 gezeigt, kann es wünschenswert sein, einen zweiten Arbeitsvorgang an dem Fertigteil auszuführen, bevor es aus der Presse 18 entfernt oder während der Pressrohling 16 geformt wird. Ist ein derartiger Arbeitsgang erwünscht, so wird er durchgeführt (Block 218) und das Fertigteil daraufhin aus der Presse 18 (Block 220) entfernt. In dieser Beziehung kann ein zweiter Arbeitsgang das Lackieren oder Aufbringen einer Beschichtung auf andere Weise auf das Fer tigteil, das Heißaufstanzen eines Abziehbilds auf das Fertigteil, das teilweise Zusammenbauen des Fertigteils oder das Formen oder Einprägen eines Symbols an dem Fertigteil umfassen. Wird kein zweiter Arbeitsgang an dem Fertigteil durchgeführt, so wird dieses Teil bei Block 222 aus der Presse 18 entfernt.
Man beachte, dass es wünschenswert sein kann, eine Oberflächentextur oder -veredelung während des Formvorgangs in das Fertigteil integral einzuformen. Beispielsweise kann eine Kunststoffplatte oder -folie, wie beispielsweise die Teslin-Platte, die von PPG Industries, Pittsburgh, Pennsylvania, hergestellt wird, integral in die Oberfläche des Fertigteils eingeformt werden. Würde beispielsweise die Kunststoffplatte gewählt, so würde sie auf die Größe der Form zugeschnitten und vor dem Formen in die Form eingelegt. Die Seite der Platte, die mit der Form in Berührung kommt, kann zum Verhindern des Anhänges der Platte an die Form während des Formvorgangs mit einem Acrylanstrich beschichtet werden. Nachdem die Platte in die Form eingelegt worden ist, kann der Pressrohling 16 auf die Platte aufgegeben und das Fertigteil wie beschrieben geformt werden. Falls erwünscht, könnte eine Platte auf beide Formteile 20a und 20b gelegt werden, bevor der Pressrohling 16 auf den Formteil 20a aufgegeben wird. Der Pressrohling 16 würde dann auf die Platte aufgegeben und wie oben beschrieben verformt. Das erleichtert das Herstellen eines Fertigteils, das eine erwünschte Oberflächentextur oder -veredelung auf beiden Seiten aufweist. Es ist zu beachten, dass die Polymerplatte nach dem Formvorgang mit dem Fertigteil integral ist.
Es ist klar, dass andere Materialtypen integral in das Fertigteil oder in die Oberfläche dieses Teils eingeformt werden können. Beispielsweise können Holzfurnierbahnen, Sackleinwand oder Metallmaschendraht in das Fertigteil oder in die Oberfläche dieses Teils eingeformt werden.
Um auf Block 224 in 16b zurückzukommen, so kann der Vorgang für ein anderes Fertigteil wiederholt werden, sobald der Formvorgang abgeschlossen und dieses Teil aus der Presse entfernt worden ist. Bei Block 226 können darauffolgende Arbeitsvorgänge wie zusätzliche graphi sche Aufdrücke, Bahnenmaterial oder Bedrucken, Zusammenbauen, Verpacken und dergleichen an dem Fertigteil durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise bietet diese Erfindung einen Plastifikator und ein Verfahren für die Verwendung relativ stark kontaminierter, vom Verbraucher kommender Polyester und carbocyclischer (wie olefinischer) Substanzen. Der Plastifikator und das Verfahren erleichtern auch das gleichmäßige Mischen der Verstärkungsfasern einer Länge von 50,8 mm (2,0 Zoll) oder mehr, ohne die Fasern während des Mischungs-, Plastifizier-, Extrusions- und Formpressvorganges zu beschädigen.
Bei derartigen, vom Verbraucher kommenden Abfallstoffen wäre normalerweise vor der Verwendung eine zusätzliche Reinigung und Trennung erforderlich. Diese Erfindung bietet einen Plastifikator und ein Verfahren für die Verwendung der kontaminierter, vom Verbraucher kommenden Materialien zur Herstellung eines Fertigteils, das physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweist, die denjenigen von nicht wiederverwerteten Materialien ähnlich sind.
Des Weiteren bieten das Verfahren und der Plastifikator ein System für das Formen der formbaren Materialien 14 zu einem Fertigteil unter Verwendung ausschließlich einer einzigen thermalen Wärmeerhöhung durch Steuern, Koordinieren und Sequenzieren der Temperaturerhöhung der Materialien 14, während sie das System 10 durchlaufen. Die Verwendung einer einzigen thermalen Wärmeerhöhung erleichtert die Verbesserung der molekularen Orientierung der Polymere, was wiederum dazu führt, dass das so entstehende Fertigteil im Vergleich mit anderen Typen von Formverfahren eine verbesserte Festigkeitscharakteristik aufweist. Auch erleichtert eine einzige Wärmeerhöhung das Reduzieren des Materialsabbaus, der bei thermoplastischen Materialien beim Erhitzten stattfindet. Des Weiteren kann aufgrund der Tatsache, dass der Druck in der Presse 18 einstellbar ist, die Oberflächentextur oder Veredelung oder das dabei entstehende Fertigteil so reguliert werden, dass das ästhetische oder funktionelle Anziehungsvermögen dieses Teils verbessert wird.
Die Erfindung bietet auch ein Verfahren und einen Plastifikator an, die vorteilhaft sind, weil dadurch viele der Zwischenhandhabungen und Thermozyklen zwischen dem Empfang der vom Verbraucher kommenden Materialien und dem Formen des Fertigteils reduziert oder eliminiert werden.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren und Plastifikator kann ein die Verträglichkeit verbesserndes Mittel 198 verwendet werden, das beispielsweise die chemische Bindung durch Erhöhen des Vorliegens von Hydroxylgruppen und der Verstärkungsfasern verbessert, während es das Dispergieren der Verstärkung innerhalb der geschmolzenen Suspension verbessert.
Schließlich wird die molekulare Orientierung innerhalb des Pressrohlings 16 durch Steuern des Verdichtungsdrucks und der Temperatur der Presse 18 verbessert.
Vorteilhaft ist besonders, dass lange Faserlängen durch Reduzieren der komplizierten Natur des Materialwegs, der in vielen Vorrichtungen und Verfahren des Stands der Technik existiert, beibehalten werden können. Diese Verbesserung des Wegs ist das Ergebnis der Schneckengewindetiefen, die es den Fasern erlauben, sich intakt, d. h. unbeschädigt, zu bewegen, was es der Schnecke erlaubt, auf einem Film von geschmolzenem Material zwischen der Schnecke selbst und dem Zylinder zu schwimmen. Die Abwesenheit geringer Öffnungen zum Abgeben des Materials durch den Plastifikator 12 während des Formvorgangs ermöglicht das Formen eines Fertigteiles, ohne die Bewegung der Fasern einzuschränken.
Während die Erfindung vorstehend mit Bezug auf gewisse spezifische Ausführungsformen beschrieben ist, dient diese Beschreibung ausschließlich der Veranschaulichung und ist nicht als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend aufzufassen. Verschiedene andere Modifikationen und Änderungen können von Fachleuten vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Plastifikator (12) für das Bilden eines Pressrohlings (16) aus formbaren Materialien für das Formen eines Fertigteils, umfassend – eine Beschickungsvorrichtung (36) für die Aufnahme formbarer Materialien (14), wobei die Materialien thermoplastische Polymere und Verstärkungsfasern umfassen; – einen Zylinder (28), der an die Beschickungsvorrichtung (36) angeschlossen ist, für die Aufnahme der formbaren Materialien aus der Beschickungsvorrichtung, wobei der Zylinder (28) eine Beschickungszone (54), eine Mischzone (56) und eine Extrusionszone (58) umfasst sowie einen Sammelbereich (124) am Extrusionsende (28b) für das Ansammeln einer geschmolzenen Suspension; – eine Schnecke (30), die sich in dem Zylinder (28) befindet, wobei die Schnecke drehbar und axial antreibbar ist, zum Bilden und Extrudieren der geschmolzenen Suspension in dem Zylinder (28) und Extrudieren aus diesem heraus; – wobei die Schnecke einen Beschickungsabschnitt (60), einen Mischabschnitt (62) und einen Extrusionsabschnitt (64) umfasst, der jeweils der Beschickungszone (54), der Mischzone (56) bzw. der Extrusionszone (58) des Zylinders zugeordnet ist, wenn die Schnecke sich in einer Stellung am Extrusionsende des Zylinders befindet; – ein Antriebssystem (75) für das drehbaren und axiale Antreiben der Schnecke (30); – einen Heizer (150), der dem Zylinder (28) zugeordnet ist, zum Erhitzen des Zylinders; und – ein Messersystem (162) mit einer Messerklinge (120), die dem Extrusionsende (28b) des Zylinders zugeordnet ist; – dadurch gekennzeichnet, dass – die Messerklinge (120) des Messersystems (162) eine Schließvorrichtung für den Durchgang (52) des Zylinders (28) an dem Sammelbereich (124) des Zylinders bildet, wenn die Messerklinge sich in ihrer Schließstellung befindet; – der Heizer (150) mehrere Heizvorrichtungen (152, 154, 156) umfasst, die jeweils der Beschickungszone (54), der Mischzone (56) bzw. der Extrusionszone (58) des Zylinders (28) zugeordnet sind, für das Heizen des Formmaterials (14) in dem Zylinder; – ein Heizerregler (158), der an die mehreren Heizvorrichtungen angeschlossen ist, für das Erfassen der Temperatur in den jeweiligen Zonen (54, 56, 58) des Zylinders (28) und das Einstellen der Heizvorrichtung bereitgestellt ist; und – dass der Plastifikator (12) ein Erfassungssystem (88, 90; 126, 128; 130) für das Bestimmen und Steuern mindestens einer der charakteristischen Eigenschaften des Volumens, der Dichte, Viskosität und Länge (D) der gemischten Suspension in dem Zylinder (28) umfasst.
Plastifikator nach Anspruch 1, bei dem die Beschickungsvorrichtung einen Beschickungstrichter (36) aufweist und der Heizer (150) des Weiteren einen Vorerhitzer (48) für das Vorerhitzen der formbaren Materialien (14) in dem Beschickungstrichter umfasst.
Plastifikator nach Anspruch 2, bei dem der Beschickungstrichter (36) einen Rühren (40) und einen Rührerantrieb (42) umfasst, der an den Rühren (40) für das drehbare Antreiben des Rührers angeschlossen ist.
Plastifikator nach Anspruch 1, bei dem die Heizvorrichtungen (152, 154, 156) mehrere Widerstandsbänder umfassen, die um den Zylinder (28) herum angebracht sind.
Plastifikator nach Anspruch 1, bei dem der Beschickungsabschnitt (60) der Schnecke (30) eine erste Mehrzahl von Gewindegängen (66) umfasst, die eine Beschickungsgewindetiefe (72) aufweisen, wobei der Mischabschnitt (62) eine zweite Mehrzahl von Gewindegängen (68) umfasst, die eine Mischgewindetiefe (74) aufweisen, und der Extrusionsabschnitt (64) eine dritte Mehrzahl an Gewindegängen (70) umfasst, die eine Extrusionsgewindetiefe (76) aufweisen, wobei die Beschickungsgewindetiefe größer ist als die Extrusionsgewindetiefe.
Plastifikator nach Anspruch 5, bei dem die zweite Mehrzahl von Gewindegängen (68) eine Steigung aufweist, die im Allgemeinen geringer ist als die Steigung der ersten Mehrzahl von Gewindegängen (66).
Plastifikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schnecke (30) ein Beschickungsende (30a), ein Extrusionsende (30b) und einen Kern (30c) umfasst, der sich im Allgemeinen derart verjüngt, dass die Tiefe der sich an dem Beschickungsende befindenden Gewindegängen wesentlich größer ist als die Tiefe der sich am Extrusionsende befindenden Gewindegänge.
Plastifikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Zylinder (28) auf einem stationären Block (26) montiert ist, wobei das Antriebssystem (75) einen verschiebbaren Block (78) umfasst, der an einen Blockantrieb (86) angeschlossen ist für das axiale Antreiben der Schnecke (30) innerhalb des Zylinders (28), wobei das Erfassungssystem einen Entfernungssensor (130) für das Messen der Entfernung (D), über die sich die Schnecke im Zylinder (28) axial bewegt hat, umfasst.
Plastifikator nach Anspruch 8, bei dem das Antriebssystem (75) einen Antriebsmotor (92) umfasst, der an die der Schnecke (30) für das drehbare Antreiben der Schnecke angeschlossen ist.
Plastifikator nach Ansprüchen 8 und 9, bei dem der Antriebsmotor (92) und der Blockantrieb (86) hydraulisch sind, wobei der Plastifikator (12) des Weiteren ein Stromversorgungssystem (96) für das Antreiben des Blockantriebs und des Antriebsmotors (92) umfasst, wobei das Stromversorgungssystem (96) einen Blockantriebsdruck-Regler (117) und einen Antriebsmotordruck-Regler (117) für das Regeln des Druck umfasst, der jeweils dem Blockantrieb (86) und dem Antriebsmotor (92) zugeführt wird.
Plastifikator nach Anspruch 10, bei dem das Antriebssystem (75) eine Mehrzahl von Druckventilen (108, 110, 112, 114, 116) umfasst, die an das Stromversorgungssystem (96) und den Blockantrieb (86) und den hydraulischen Motor (92) funktionsfähig angeschlossen sind für das Regeln des Fluids, das dem Blockantrieb und dem Antriebsmotor zugeführt wird.
Plastifikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Plastifikator des Weiteren einen Messerantrieb (118) für das Antreiben der Messerklinge (120) und eine Steuervorrichtung (32) umfasst, die in der Lage ist, den Messerantrieb (118) einzuschalten, um die Messerklinge axial in die offene Stellung zu führen, das Antriebssystem (75) einzuschalten, um die Schnecke (30) in Richtung zu der Messerklinge (120) axial anzutreiben, um die geschmolzene Suspension, die sich im Sammelbereich (124) angesammelt hat, aus dem Zylinder (28) zu extrudieren, und den Messerantrieb (118) einzuschalten, um die Messerklinge in die geschlossene Stellung zu bewegen.
Methode für das Bilden eines Pressrohlings (16) aus formbaren Materialien für das Formen eines Fertigteils, wobei die Methode folgende Schritte umfasst: – Beschicken eines Zylinders (28) eines Plastifikators (12) mit formbaren Materialien (14), die thermoplastische Polymere und Verstärkungsfasern umfassen, wobei der Zylinder (28) eine darin angeordnete, drehbar und axial antreibbare Schnecke (30), eine Beschickungszone (54), einen Mischzone (56) und eine Extrusionszone (58) für die formbaren Materialien aufweist; – Erhitzen der Materialien in dem Zylinder (28), – Vermischen der thermoplastischen Polymere und der Verstärkungsfasern durch drehbares Antreiben der Schnecke (30) unter Bildung einer geschmolzenen Suspension, – Ansammelns der geschmolzenen Suspension in einem Sammelbereich (124) am Extrusionsende des Zylinders durch axiales Zurückziehen der Schnecke (30) in einer ersten Richtung, – Extrudieren der angesammelten Suspension aus dem Sammelbereich durch axiales Antreiben der Schnecke in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung der ersten Richtung entgegengesetzt ist, und – Abschneiden der extrudierfen Suspension zur Erzielung des Pressrohlings (16); gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: – Beschicken des Zylinders (28) mit langen Verstärkungsfasern, die eine Länge im Bereich bis zu 157 mm (6 Zoll) aufweisen; – Erhitzen der formbaren Materialien (14) in der Beschickungszone (54), in der Mischzone (56) und in der Extrusionszone (58) des Zylinders (28) jeweils auf eine erste Temperatur, eine zweite Temperatur und eine dritte Temperatur unter Anwendung insgesamt nur einer einzigen thermalen Wärmeerhöhung für mindestens alle drei Temperaturen, wobei die erste, zweite und dritte Temperatur zwischen ca. 149–288°C (300–550 Grad Fahrenheit) liegt; und – Erfassen der Temperaturen und des Drucks im Zylinder (28) für das Bestimmen mindestens einer der charakteristischen Eigenschaften von Volumen, Dichte, Viskosität und Länge (D) der gemischten geschmolzenen Suspension in dem Zylinder, um einen in dem Sammelbereich (124) des Zylinders teilweise ausgebildeten Pressrohling anzusammeln.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren den Schritt des Regelns des Drucks der geschmolzenen Suspension, bei der die Schnecke (30) die geschmolzenen Suspension zum Sammelbereich (124) im Zylinder (28) führt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren den Schritt des Regelns des Drucks und der Geschwindigkeit der Suspension, bei der die Schnecke (30) die geschmolzenen Suspension zum Sammelbereich (124) im Zylinder (28) führt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelschritt den Schritt des Vorspannens der Schnecke (30) in einer Stellung am Extrusionsende (28b) des Zylinders umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzungsschritt den Schritt des Regelns der Temperaturen im Plastifikator (12) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzungsschritt des Weiteren den Schritt des Vorerhitzens der formbaren Materialien (14) umfasst, bevor sie in den Plastifikator (12) eingefüllt werden, so dass die vorerhitzten Matertalien und die formbaren Materialien im Zylinder (28) zusammen eine einzige thermale Wärmeerhöhung erfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gemäß dem der Plastifikator (12) einen Beschickungstrichter (36) mit einem drehbar darin montierten Rühren (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschickungsschritt des Weiteren den Schritt des Befüllens des Beschickungstrichters (36) mit den formbaren Materialien (14) und das Rühren und Vorerhitzen der formbaren Materialien umfasst, während sie sich in dem Beschickungstrichter befinden, derart, dass die formbaren Materialien im dem Zylinder und in dem Beschickungstrichter zusammen eine einzige thermale Wärmeerhöhung erfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschickungsschritt des Weiteren den Schritt des Einfüllens eines die Kompatibilität verbessernden Mittels in den Plastifikator (12) oder Trichter (36) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, gemäß dem der Zylinder (28) eine Messerklinge (120) aufweist, die an dem Extrusionsende (28b) des Zylinders (28) angeordnet und erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren den Schritt des Regelns der Temperaturen vom Beschickungstrichter (36) zur Messerklinge (120) umfasst, um die einzige thermale Wärmeerhöhung der formbaren Materialien, die in den Zylinder (28) und den vorerwärmten Trichter (36) eingefüllt sind, noch besser zu vervollständigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch Erfassen des Drucks und der Temperatur im Sammelbereich (124) des Zylinders (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren den Schritt des Erfassens des Drucks im Zylinder (28) und das Zurückziehen der Schnecke (30) umfasst, wenn der tatsächliche Druck der zu bildenden Suspension im Sammelbereich (124) des Zylinders eine obere Druckgrenze erreicht oder übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur der formbaren Materialien (14) höher ist als die erste Temperatur der formbaren Materialien und dass die dritte Temperatur der formbaren Materialien (14) höher ist als die zweite Temperatur der formbaren Materialien.