WO2006136609A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung physikalisch getriebener schäume - Google Patents

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WO2006136609A1
WO2006136609A1 PCT/EP2006/063508 EP2006063508W WO2006136609A1 WO 2006136609 A1 WO2006136609 A1 WO 2006136609A1 EP 2006063508 W EP2006063508 W EP 2006063508W WO 2006136609 A1 WO2006136609 A1 WO 2006136609A1
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plasticizing
foamed
unit
pressure
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Axel Cramer
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Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.- Westf. Technischen Hochschule Aachen e.V.
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Definitions

  • the invention relates to the production of physically foamed materials, in particular polymers which are produced by the injection molding process or by the extrusion process. Furthermore, the invention relates to an apparatus for carrying out such a process.
  • Foam injection molding unlike injection molding of compact moldings, has some significant advantages. These are for example a reduction in density of the molding, an increased specific stiffness by shifting FLAE ⁇ chenträgheitsmomente in the surface layers of the component and an increased insulation effect, for example, to heat ..
  • the Hersannon of Formtei- Icn with large wall thicknesses is possible, greater freedom in Design he ⁇ laubt.
  • the method allows moldings with reduced residual stresses and warpage often cheaper manufacturing tolerances as well as clotting herzus too ⁇ Geren sink marks, such as from Fi. P.
  • the physical blowing agents have significant advantages over chemical ⁇ rule propellants often. Because of their generally stable chemical compounds no increase is the de ⁇ gradation to fear of the material to be processed when they are used. ⁇ physical blowing agents are relatively inexpensive blowing agents .. In addition, larger by using physical blowing agents of foaming can be achieved. These physical blowing agents are also referred to below as physicalmaschinefluh de to account for several forms of the state of matter from liquid to gas ⁇ shaped to supercritical.
  • the mode of action of physical blowing agents which are metered directly into the material to be foamed, is based on the change of the state of aggregation of these substances, such as the evaporation of a liquid (eg: CFC), or on the supersaturation of the material with respect to ei ⁇ nes previously dissolved in the material fluids.
  • a liquid eg: CFC
  • the supersaturation of the polymer and thus the foaming is initiated in almost all cases solely due to the pressure drop at the outlet of the melt from the nozzle of Plastif ⁇ zierü or when entering the cavity.
  • a generic state of the art is known from EP-AO 952 908 and from EP-AI 256 430, DE-A-100 26 757, DE-A-199 32 954 and DE-A-198 53 021.
  • chemical blowing agents are substances which release gas only during the processing process due to a chemical reaction, usually initiated by the application of heat, and thus enable the production of a foam structure in the material.
  • the cause of the gas separation can be either the thermal decomposition of the blowing agent or a chemical reaction of various substances contained in the blowing agent.
  • the resulting gas is usually N 2 , CO 2 or CO.
  • the physical blowing agents include, for example, besides the hydrocarbons, water, nitrogen and carbon dioxide.
  • hydrocarbons are either not compatible with the environment (HCFCs) or because of their flammability they can only be processed under considerable safety conditions (eg "B" pentane), propellants such as carbon dioxide and nitrogen are becoming increasingly important.
  • foam injection molding can be subdivided into two process variants, which can be differentiated with regard to the pressure that is effective during processing in the tool. Both methods are described by G. Trausch in “Physically and Chemically Driven Thcrmoplastschaums - Limitations of the Process and Application”, from “foams of thermoplastic melt” VDI-Verlag Dusseldorf 1981.
  • the intumescent material is in the context of the IMiederdruckmaschine to ⁇ next plasticized in a screw cylinder (Schneckenvorplastäfiztechnik), If a chemical blowing agent are used, this must be added to the material previously in a treatment step. In the case of using a physical blowing agent, this is added to the material to be foamed, for example, after its plasticization in the screw cylinder (2-stage screw). The screw then carries the polymer / blowing fluid mixture into the cavity at high speed. The metered and injected into the cavity polymer volume is less than the volume of the cavity, a hallmark of the low pressure method., Only by the foaming of the Melt the mold cavity is completely filled. The foaming process is triggered by the pressure drop of the melt along the Fl ⁇ eßwegcs.
  • the low-pressure processes for producing foamed molded parts are characterized by cavity pressures of less than 70 bar.
  • Alum ⁇ nium tools with low complexity often meet the requirements.
  • working with little Zuhaltckräftcn possible.
  • the disadvantages of the low-pressure method are mainly the often poor surface quality of the molded parts produced.
  • An improvement in the surface quality of foamed components can be achieved by the use of a so-called high-pressure process, for the production of foamed molded parts .
  • the entire mold cavity with. filled with the melt / Trcibfluid mixture, wherein the tool volume is smaller than the volume of the mold to be produced.
  • the edge layers of the molded part are compressed to achieve a closed edge layer .
  • the foaming is initiated by the enlargement of the mold cavity. This can be done by using a dipping edge tool or pulling the core.
  • the pressure reduction necessary for foaming can be realized by retracting the injection piston, with the excess melt foaming back into the injection cylinder can.
  • measures such as cyclic heating and cooling of the tool (for example, Vanotherm method) or injection in gas back pressure (gas back pressure method) are of particular importance for the improvement of the surface quality.
  • Low pressure processes include the TSG process (thermoplastic foam casting), the UCC process (Union Carbide Corporation) and the Var ⁇ otherm process.
  • the high-pressure processes include the TM process, the TAF process (Xoshiba-Asahi-Foam) or, DOW process, the USM process (United Shoe Machinery) and the TFM process (Thermoplastic Foam Molding),
  • Special plant techniques are also required for this purpose which, by virtue of special dosing techniques of the tre ⁇ b fluid compared to the molten material, mean a high cost and process outlay in addition to the additional need for carrier dosing stations.
  • special plant techniques are also required for this purpose which, by virtue of special dosing techniques of the tre ⁇ b fluid compared to the molten material, mean a high cost and process outlay in addition to the additional need for carrier dosing stations.
  • the use of glass-fiber-filled materials can cause damage to the material due to backflow or melt deflection.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for the production of homogeneous foamed materials with physical blowing fluids in the injection molding or extrusion process, in which the disadvantages of the prior art are avoided and which is easy to use and inexpensive.
  • the object of the present invention is to provide a process for producing homogeneously foamed materials with physical blowing fluids using spray casting machines or extruders.
  • the Tre ⁇ bflu ⁇ d should be zudos ⁇ ert homogeneous and mixed into the material.
  • the process should be easy to use and inexpensive to implement.
  • the first chamber has a pressure-tight lock device, via which the material to be plasticized and foamed can be fed to the dosing unit.
  • a second pressure-tight lock device is arranged between the first and the second chamber.
  • the second chamber has a drive fluid inlet.
  • the dosing unit is arranged in the catchment area of the plasticizing unit.
  • a seal is disposed in the rear portion of the plasticizer cylinder with respect to the main conveyor of the screw between the plasticizing cylinder and the screw. In this way, leakage of the tre ⁇ b fluid at the rear end of the plasticizing unit can be prevented.
  • the closing nozzle prevents the driving fluid from escaping.
  • the Trcibfluidc ⁇ nlass with a drive fluid supply preferably as a ⁇ maschinefluiddosierstation, amaschineflu ⁇ dzu effetssystcm and / or a gas bottle, preferably connected to a pressure reducer.
  • a Treifluidauslass may preferably be provided with a driving fluid pressure guide.
  • the first chamber of the metering unit can be vented via the driving fluid outlet before it is filled with the material to be plasticized and foamed, and the pressure released.
  • the trashfluid may also be recycled to the motive fluid supply for reuse.
  • VerInstitutc can be provided a NadelverBankdüse, a BolzenverInstitutduse or SchiebverBankduse.
  • any insertable in Spritzgief3- or extrusion process plant ⁇ material is usable.
  • the Tre ⁇ bfluid may consist of nitrogen, carbon dioxide, water, helium, pentane, butane or other simple or modified hydrocarbons, in particular chlorinated or fluorinated hydrocarbons halogen ⁇ erten, or Mi ⁇ research from these exist.
  • the metering unit is a pressure chamber lock
  • a static mixer may be disposed between the plasticizing unit and the closure nozzle, which further mixes the molten foaming material with the driving fluid.
  • a static mixer may be disposed between the plasticizing unit and the closure nozzle, which further mixes the molten foaming material with the driving fluid.
  • the screw may have mixing and / or shear elements, which also cause a better mixing of material and driving fluid.
  • the inventive method for producing a foamed molded ⁇ partly or semi-finished product in injection molding or extrusion process it is provided that a time required for a to-manufacture molding or semifinished amount of Lucas- continuously to be plasticized and foamed material together with a propellant fluid into the plasticizing a Plastifiziermasch ⁇ ne Thereafter, the material is melted and mixed with the driving fluid at the same time. Subsequently, the molten material driving fluid mixture is applied to form a molded part or semi-finished product. Furthermore, the molten material-Treibfluidgemisch is cooled to a foamed molding or semi-finished.
  • a plasticizing in the continuous introduction of the material together with the driving fluid in the plasticizing a plasticizing can be provided that first a first chamber of a metering unit for introducing to be plasticized and foamed material is opened in the first chamber "Thereafter, the first chamber is closed Open connection between the first chamber and a second chamber of Dosiere ⁇ nheit, wherein in the second chamber is amaschinefluidatmospotrore with a constant or almost constant (on average over time) pressure.
  • the introduction of the material into the second chamber is effected by the action of gravity and the merging by the countercurrent of driving fluid flowing from the second chamber into the first chamber, and by the introduction of the material into the drive fluid-filled chamber.
  • the connection between the first and second chamber of the Dosère unit is closed.
  • the second chamber of the metering unit is in communication with the plasticizing unit and the second chamber contains a buffer quantity of the material adapted to the introduction process of the material into the plasticizing unit. Tre ⁇ bfluidgemisches. In this way it is possible, even with discontinuous introduction of the material into the dosing unit to ensure a continuous introduction of material and driving fluid in the plasticizing a plasticizing machine.
  • the first chamber is vented, so that the drive fluid located in the first chamber is made the first Chamber can escape and the prevailing pressure in the first chamber for the introduction of the material can be lowered.
  • the propellant fluid is preferably removed from the first chamber via a drive fluid outlet, which can return the propellant fluid to a propellant fluid supply.
  • the material Tre ⁇ bfluidgcmisch is homogenized at and / or after melting. This can also be done for example via a static mixer.
  • the material-blowing fluid mixture can be compressed at and / or after melting.
  • Any material which can be used in the injection molding or extrusion process preferably polymeric materials, which are preferably in granular or powder form, can be used as the material to be plasticized and foamed.
  • a propellant fluid of nitrogen, carbon dioxide, water, helium, pentane, butane or other simple or modified hydrocarbons, in particular ⁇ chlorinated, halogenated or fluorinated hydrocarbons, or a mixture of these can be used.
  • the driving fluid in the liquid or in the gaseous or in an over ⁇ critical state zudos ⁇ ert be in the second chamber of the dosing.
  • the motive fluid may be introduced into the second chamber of the dosing unit continuously or in a pulsed manner.
  • the propellant is introduced into the dosing unit and thus into the plasticizing cylinder of the plasticizing unit in such a way that in the second chamber of the dosing unit and in the plasticizing cylinder a propellant atmosphere having constant or nearly constant (constant in time) Pressure is generated.
  • the pressure of the trubfluid atmosphere can be between 1 and 300 bar, preferably between 20 and 50 bar. In this way, during the inventive process a uniform mixing of the material with the driving fluid possible, so that a particularly homogeneous material is formed.
  • the driving fluid content of the smelting material-fluid mixture can preferably be controlled via the supply pressure of the driving fluid and / or the pressure prevailing in the plasticizing cylinder. In Spritzg cordprozcss the control can also be done on the back pressure. Further, the Drehge ⁇ may speed of the screw of the plasticizing the degree of mixing between motive fluid and the molten material determined.
  • the method according to the invention or the plasticizing machine according to the invention can also be used in conjunction with the counter-pressure method, screw-fed drawing process, variothermic temperature-controlling or with variable-cavity tools, preferably with moving core, so-called breathing tools
  • the invention offers the following advantages, in particular in injection molding:
  • FIG. 1 is a schematic representation of an inventive plastifying machine in section
  • Fig. 2 is a schematic representation of a ertindungshielen metering unit in section.
  • the plasticizing machine 1 shows a schematic representation of a plasticizing machine 1 according to the invention in section.
  • the plasticizing machine 1 consists of a plastification unit 21, a static mixer 22, and a needle valve nozzle 23.
  • the plasticizing unit 21 has a plasticizing cylinder 15, in which a worm 19 is arranged.
  • the Plast ⁇ fizierzyl ⁇ nder 15 is with strip heaters 17 to provide the necessary for the Wcrkstoffschmelze thermal energy ⁇ Ener on.
  • the worm 19 has a drive device 16.
  • a metering device 3 for supplying material 5 to be plasticized and foamed is arranged on the plasticizing unit 21 via a filler plug 40.
  • the metering unit 3 has a material supply 24 and amaschinefluidcinlass 37, themaschinefluideinlass 37 is connected via amaschinefluidzu Oberssystem 11, which preferably has a pressure reducer 9, connected to a gas cylinder 7.
  • amaschine ⁇ bfluidski to themaschinefluideinlass 37 also take place otherwise, for example via a Schwarzfluiddosierstation ,
  • a seal 13 is disposed between the screw 19 and the plasticizing 15.
  • the seal 13 is arranged radially to the screw 19 and seals in the axial direction.
  • a metering unit 3 according to the invention is shown schematically in section
  • the metering unit 3 has at its upper portion a material supply 24, which is funnel-shaped in the illustrated embodiment, so that preferably granular or powdery to be plasticized and foamed material 5 by filling the metering unit 3 can be supplied.
  • the metering unit 3 consists of a first chamber 31 and a second chamber 35.
  • the first chamber 31 is connected via a first pressure-tight closure means 25,29, which consists of a passage 29 and a lock 25, connected to the material supply 24.
  • the first chamber 31 is connected to the second chamber 35 via a second pressure-tight lock device 27, 33.
  • the second lock device 27, 33 likewise consists of a passage 33 and a lock 27.
  • the bottom 32 of the first chamber 31 can be connected to the passage 33 of FIG Run second funnel 27.33 funnel-shaped, so that a good debris of the material to be plasticized and mecanicMu ⁇ ing material 5 from the first chamber 31 into the second chamber 35 is
  • the second chamber 35 has a drive fluid inlet 37, via which Examfiuid 38 can be passed into the second chamber 35.
  • the second chamber 35 is connected via a connection stub 40 with the plasticizing unit of a plasticizing machine.
  • the bottom 36 of the second chamber 35 can extend in a funnel shape to the connecting piece 40 in order to also allow a good debris of the material.
  • amaschinefluidauslass 39 may preferably be provided with a valve 41.
  • a valve 41 may be provided at the first chamber 31 of the Dosiere ⁇ nhcit 3.
  • a metering unit 3 as shown in FIG. 2 are initially the pressure-tight lock devices 25,29,27,35 in a closed position, the first pressure-tight lock device 25,29 is opened and on the Materialzu ⁇ drove 24 is plast ⁇ fiz ⁇ erender and réelleMumender material 5 of first chamber 31 is supplied. Subsequently, the first lock device 25,29 sealed pressure-tight.
  • the second chamber 35 of the Dos ⁇ ere ⁇ nheit 3 stands with the Plastif ⁇ zierü 21 in conjunction.
  • a carrier fluid atmosphere with a constant or, on average, constant pressure is maintained via the filter fluid inlet 37. The pressure of this atmosphere is preferably between 20 and 50 bar.
  • the second lock device 27,33 is opened, so that a Caribbean-ren of the driving fluid 38 and the material to be plasticized and foamed up 5 takes place.
  • first blowing fluid 38 flows through the passage 33 of the second Schleusene ⁇ ncardi 27,33 of the second chamber 35 in the first Kam ⁇ mer.
  • the material 5 to be plasticized and foamed in the first chamber 31 falls through the passage 33 from the first chamber 31 into the second chamber 35.
  • the pressure loss in the second chamber 35 occurring as a result of the opening of the second lock device 27, 33 is balanced by the drive fluid inlet 37. Subsequently, the second lock device 27.33 is pressure-tightly closed.
  • the material 5 to be plasticized and foamed together with the driving fluid 38 passes through the filler neck 40 into the draw-in region 20 of the plasticizing unit 21 ".
  • the worm 19 is rotated via the drive 16, so that the material with the blowing agent is conveyed in the main conveying direction of the screw , Due to the shear occurring in the Piastifizierzylinder 15 results Disipations pledge which heats the material together with the introduced by the Schubän 17 in the Piastichalierzylinder 15 thermal energy and melts. It is characterized by the rotational movement the screw 19 clor melting or molten material mixed with the driving fluid. In this case, the material-driving fluid mixture can be compressed with the screw 19.
  • the molten propellant fluid mixture is conveyed from the plasticizer cylinder 15 into a static mixer 22 in which further mixing takes place in order to obtain a particularly homogeneous mixture.
  • the homogeneous scrubbing fluid mixture is removed from the plasticizing machine via the closure nozzle 23 for example, ejected into a tool. Cooling produces the physically foamed material.
  • a drive fluid outlet 39 with a valve 41 can be arranged on the first chamber 31 of the metering unit 3.
  • the first chamber 31 can be vented by opening the valve 41.
  • the drive fluid located in the first chamber 31 can be left out of the first chamber 31 and returned to the drive fluid supply for reuse.
  • the pressure prevailing in the first chamber 31 is reduced in order to enable a feed of the material 5 better.
  • a buffer amount of the materialmaschinefluidgemisches for example in the region of the funnel-shaped bottom 36 to provide, as thereby fed to be plasticized and foamed material of the dosing unit 3 also discontinuously can be.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Bei einer Plastifiziermaschine (1) zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten aufgeschäumten Werkstoffen, mit einer Plastifiziereinheit (21) mit Plastifizierzylinder (15) und Schnecke (19), mit einer Verschlussduse (23), und mit einer Dosiereinheit (3) zum Dosieren und Zufuhren des zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes (5) in den Plastifizierzylinder (15), ist vorgesehen, dass die Dosiereinheit (3) aus einer ersten Kammer (31) und einer zweiten Kammer (35) besteht, wobei die erste Kammer (31) eine erste druckdichte Schlcuseneinrichtung (25,29) aufweist, über die der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (5) der Dosiereinheit (3) zufuhrbar ist, dass eine zweite druckdichte Schleuseneinrichtung (27,33) zwischen der ersten Kammer (31) und der zweiten Kammer (35) angeordnet ist und dass die zweite Kammer einen Treibfluideinlass (37) aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung physikalisch getriebener
Schäume
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von physikalisch aufgeschäumten Werkstoffen, insbesondere Polymere, die im Spritzgicßprozess oder im Extrusi- onsprozess hergestellt werden Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Im Bereich des Spritzgießens existieren neben dem Kompaktspritzgießen ver¬ schiedene Sonderverfahren. Eines dieser SonderveiTahren ist das Schaumspritz- gϊeßcn, das die Herstellung von aufgeschäumten Strukturschaumformtcilen ermöglicht. Solche Formteile haben im Gegensatz zu kompakten Formtcilcn einen sandwichartigen Aufbau, d.h. eine mehr oder minder kompakte Außenhaut mit einem gcschlossenzelligen geschäumten Kern. Ein derartiges Verfahren ist bei¬ spielsweise von H. Eckhardt in „Strukturschaumspritzgießen - gestern und heute, Strukturschaumspritzgießen - Ein- und Mehrkomponcntenspritzgießtechnik", beim IKV-Seminar zur Kunststoffverarbeitung, Aachen, 23.-24. Oktober 1997 beschrieben worden. ?
Das Schaumspritzgießen weist im Gegensatz zum Spritzgießen kompakter Formteile einige wesentliche Vorteile auf. Diese sind beispielsweise eine Dichtereduktion des Formteils, eine erhöhte spezifische Steifigkeit durch Verlagerung der Flä¬ chenträgheitsmomente in die Randschichten des Bauteils und eine erhöhte Dämmwirkung, beispielsweise gegen Wärme.. Auch die Hersteilung von Formtei- Icn mit großen Wanddicken ist möglich, was größere Freiheiten im Design er¬ laubt. Das Verfahren ermöglicht außerdem, Formteile mit geringeren Eigenspannungen, Verzugsarmut und häufig günstigeren Fertigungstoleranzen sowie gerin¬ geren Einfallstellen herzusteilen, wie beispielsweise von Fi. P. Barbey in „Hersteh len von Schaumstoffen nach dem Direktbcgasungsprinzip unter Einsatz alternati¬ ver Treibmittel", „Kunststoffberater 12" ( 1990) S. 26 - 29, beschrieben ist.. Wei¬ terhin ist eine Reduktion von Materialkosten wirtschaftlich interessant.
Für die Herstellung aufgeschäumter Formteile können im Wesentlichen zwei verschiedene Treϊbmittelarten unterschieden werden : physikalische Treibmittel und chemische Treibmittel. Die physikalischen Treibmittel weisen gegenüber chemi¬ schen Treibmitteln oftmals entscheidende Vorteile auf. Aufgrund ihrer zumeist stabilen chemischen Verbindungen ist bei deren Einsatz keine Zunahme der De¬ gradation des zu verarbeitenden Werkstoffs zu befurchten. Physikalische Treib¬ mittel sind verhältnismäßig kostengünstige Treibmittel.. Darüber hinaus sind durch Einsatz physikalischer Treibmittel größere Aufschäumgrade erzielbar. Diese physikalischen Treibmittel werden im Folgenden auch als physikalische Treibfluh de bezeichnet, um mehrere Formen des Aggregatzustandes von flüssig über gas¬ förmig bis überkritisch zu berücksichtigen.
Die Wirkungsweise physikalischer Treibmittel, die dem aufzuschäumenden Werkstoff direkt zudosiert werden, beruht zum einen auf der Änderung des Aggregat- zustandes dieser Substanzen, wie etwa dem Verdampfen einer Flüssigkeit (z.B. : FCKW), oder zum anderen auf der Übersättigung des Werkstoffs hinsichtlich ei¬ nes zuvor im Werkstoff gelösten Fluids. Im Rahmen des Spritzgießprozesses wird die Übersättigung des Polymeren und damit die Schaumentstehung in nahezu allen Fällen allein infolge des Druckabfalls beim Austritt der Schmelze aus der Düse der Plastifϊziereinheit oder bei Eintritt in die Kavität initiiert. Ein gattungsbildender Stand der Technik ist aus EP-A-O 952 908 sowie aus EP-A-I 256 430, DE-A-100 26 757, DE-A-199 32 954 und DE-A-198 53 021 bekannt. Chemische Treibmittel sind im Gegensatz dazu Substanzen, die erst während des Verarbeitungsprozesses aufgrund einer chemischen Reaktion - meist eingeleitet durch Wärmezufuhr - Gas abspalten und dadurch die Erzeugung einer Schaumstruktur im Werkstoff ermöglichen. Ursache für die Gasabspaltung kann entweder die thermische Zersetzung des Treibmittels oder eine chemische Reaktion verschiedener im Treibmittel enthaltener Substanzen sein. Das entstehende Gas ist zumeist N2, CO2 oder CO.
Die physikalischen Treibmittel umfassen beispielsweise neben den Kohlenwasserstoffen, Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid. Da Kohlenwasserstoffe jedoch entweder nicht umweltverträglich sind (HFCKW) oder aufgrund ihrer Brennbarkeit nur unter erheblichen Sicherheitsaufiagen verarbeitet werden können (z„B„ Pen- tan), gewinnen Treibmittel wie Kohlendioxid und Stickstoff zunehmend an Bedeutung.
Das Schaumspritzgießen lässt sich prinzipiell in zwei Verfahrensvarianten gliedern, die hinsichtlich des Drucks, der während der Verarbeitung im Werkzeug wirksam ist, unterschieden werden können. Beide Verfahren sind von G. Trausch in „Physikalisch und chemisch getriebene Thcrmoplastschäume - Grenzen der Verfahren und Anwendung", aus „Schäume aus thermoplastischer Schmelze" VDI-Verlag Düsseldorf 1981, beschrieben.
Niederdruckverfahren :
Der aufschäumende Werkstoff wird im Rahmen der IMiederdruckverfahren zu¬ nächst in einem Schneckenzylinder plastifiziert (Schneckenvorplastäfizierung), Soll ein chemisches Treibmittel eingesetzt werden, muss dieses dem Werkstoff zuvor in einem Aufbereitungsschritt zugesetzt werden. Im Falle der Verwendung eines physikalischen Treibmittels wird dieses dem aufzuschäumenden Werkstoff beispielsweise nach dessen Plastifizierung in dem Schneckenzylinder zudosiert (2-stufige Schnecke). Die Schnecke befördert dann das Polymer/Treibfluid- Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in die Kavität. Das dosierte und in die Kavi- tat eingespritzte Polymervolumen ist geringer als das Volumen der Kavität, ein Kennzeichen der Niederdruckverfahren., Erst durch das Aufschäumen der Schmelze wird das Formnest vollständig aufgefüllt. Der Aufschäumvorgang wird dabei durch den Druckabfall der Schmelze entlang des Flϊeßwegcs ausgelöst.
Die Niederdruckverfahren zur Herstellung geschäumter Formteile zeichnen sich je nach Aufschäumgrad durch Werkzeuginnendrücke von weniger als 70 bar aus. So genügen oftmals schon Alumϊniumwerkzeuge mit geringer Komplexität den gestellten Anforderungen. Außerdem ist ein Arbeiten mit geringen Zuhaltckräftcn möglich. Die Nachteile der Niederdruckverfahren liegen vor allem in der oftmals schlechten Oberflächcnqualität der hergestellten Formteilc.
Hochdruckverfahren :
Eine Verbesserung der Oberflächenqualität geschäumter Bauteile lässt sich durch den Einsatz eines so genannten Hochdruckverfahrens, zur Herstellung geschäumter Formteile erzielen wird.. Hierbei wird der gesamte Werkzeughohlraum mit. dem Schmelze/Trcibfluid-Gemisch gefüllt, wobei das Werkzeugvolumen kleiner als das Volumen des herzustellenden Formtcilcs ist. In einer sich an die Einspritzphase anschließenden Nachdruckphase werden die Randschichten des Formteiles komprimiert, um eine geschlossene Randschicht zu erzielen.. Das Aufschäumen wird durch die Vergrößerung des Werkzeughohlraumes initiiert. Dies kann durch Verwendung eines Tauchkantenwerkzeuges oder durch Ziehen des Kerns umgesetzt werden. Ein derartiges Werkzeug wird auch als „atmendes" Werkzeug bezeichnet. Alternativ kann der zum Schäumen notwendige Druckabbau durch Zurückziehen des Spritzkolbens realisiert werden, wobei die überschüssige Schmelze in den Spritzzylinder zurück schäumt. Hochdruckverfahren arbeiten mit Werkzeuginnendrücken, die Werte in der Größenordnung wie beim Kompaktspritzgießen annehmen können.
Varianten beider Verfahren haben jeweils eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualitäten der geschäumten Bauteile zum Ziel Insbesondere Maßnahmen wie zyklisches Heizen und Abkühlen des Werkzeuges (z.B. Vanotherm -Verfahren) oder Einspritzen bei Gasgegendruck (Gasgegendruck-Verfahren) sind für die Verbesserung der Oberflächenqualität von besonderer Bedeutung.
Beim zyklischen Heizen und Abkühlen des Werkzeuges bewirkt eine Erwärmung der Werkzeugwandung nach dem Einspritzvorgang auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Werkstoffs ein Anschmelzen der Formtciloberfla- che. Somit werden Oberflächenfehler, die vom Einspritzen herrühren, beseitigt. Danach muss die Werkzeugwandung gekühlt werden, um ein Erstarren des Werkstoffs zu ermöglichen. Nachteile des Verfahrens sind lange Zykluszeiten, die komplizierte Werkzeugtechnik sowie ein hoher spezifischer Energieverbrauch.
Beim Gasgegendruck-Verfahren wird ein Aufschäumen des Polymer/Treibfluids- Gemischcs während des Einspritzens dadurch vermieden, dass zuvor ein Gasdruck von etwa 20 bis 30 bar im Werkzeug erzeugt wird. Somit tritt der zur Blasenbildung fuhrende Druckabfall nicht mehr auf. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die hohen Werkzeugkosten, da die Werkzeughälften gasdicht und mit einer hohen Oberflächenqualität gefertigt werden müssen.
Diese Maßnahmen werden einzeln oder auch kombiniert sowohl beim Niederdruck- als auch beim Hochdruckverfahren angewendet, so dass eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren eingesetzt wird. Zu den Niederdruckverfahren zählen das TSG-Verfahren (Thermoplast- Schaum-Guß), das UCC- Verfahren (Union Carbide Corporation) und das Varϊotherm-Verfahren. Zu den Hochdruckverfahren gehören das TM-Verfahren, das TAF-Verfahrcn (Xoshiba-Asahi-Foam) bzw, DOW- Verfahren, das USM-Verfahren (United Shoe Machinery) und das TFM-Verfahren (Thermoplastic Foam Moiding) ,
Bisher ist eine Kosteneinsparung beim Schaumsprϊtzgicßen nicht immer möglich, da in der Kalkulation der Rohstoffeinsparung zusätzliche Kosten für Treibmittel, längere Fertigungszeiten bzw. eine eventuelle Nachbehandlung der Oberfläche entgegenstehen. Die Herstellung von geschäumten Werkstoffen erfordert den Einsatz von speziell zu diesem Zweck konstruierten bzw. stark modifizierten Ma¬ schinen wie z.B. Niederdruck-Spritzgießmaschinen, die durch eine Schnecken- vorplastifizierung mit Kolbeneϊnspritzung charakterisiert sind oder aber von spe¬ ziellen Plastifiereinheiten, über die das Gas eingemischt und homogenisiert wird. Weiterhin sind Ausführungen bekannt, die zwischen Einspritzdüse und Plastifizie- reinheit montiert sind. Auch hierfür sind spezielle Anlagentechniken notwendig, die durch spezielle Dϊchttechniken des Treϊbfluids gegenüber dem schmelzeför- migen Werkstoff neben der zusätzlichen Notwendigkeit von Trcibfiuiddosierstati- onen einen hohen kosten- und verfahrenstechnischen Aufwand bedeuten. Darüber hinaus kann es bei einigen Maschinentypen bei der Verwendung von glasfascrgefullten Werkstoffen durch Ruckstromspcrrcn oder Schmelzumlenkun- gen zu Schädigungen des Werkstoffes kommen.
Die Maschinenkosten sowie die Maschinenstundensätze liegen bei diesen Maschinen deutlich über denen normaler Spritzgießmaschinen. Außerdem vermindern stark spezialisierte Maschinen die Flexibilität deren Einsatzes, da der Artikel das mögliche Verfahren zur Herstellung bestimmt. Des Weiteren erfordern bisherige Verfahren ein hohes bis sehr hohes verfahrenstechnisches Know-How, um eine reproduzierbare Herstellung von geschäumten Werkstoffen zu ermöglichen
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von homogenen aufgeschäumten Werkstoffen mit physikalischen Treibfluiden im Spitzgieß- oder Extrusionsprozess, bei der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und die einfach zu bedienen und kostengünstig ist.
Ferner ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von homogen aufgeschäumten Werkstoffen mit physikalischen Treibfluiden unter Verwendung von Sprϊtzgießmaschinen oder Extrudern, bereitzustellen. Insbesondere soll das Treϊbfluϊd homogen zudosϊert und in den Werkstoff eingemischt werden. Dabei soll das Verfahren einfach zu bedienen und kostengünstig realisierbar sein.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 13 gelöst.
Es ist vorgesehen, dass bei einer Plastifiziermaschine zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten aufgeschäumten Werkstoffen mit einer Plastifizϊereϊnheit mit Plastifizicrzylinder und Schnecke, mit einer Verschlussdüse und mit einer Dosiereinheit zum Dosieren und Zufuhren des zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes in den Plastϊfizierzylinder die Dosiereinheit aus einer ersten und einer zweiten Kammer besteht. Dabei weist die erste Kammer eine druckdichte Schleuseneinrichtung auf, über die der zu plastifizicrende und aufzuschäumende Werkstoff der Dosiereinheit zuführbar ist. Eine zweite druckdichte Schleuseneinrichtung ist zwischen der ersten und der zweiten Kammer angeordnet. Darüber hinaus weist die zweite Kammer einen Treibfluideinlass auf.
Mit einer derartigen Dosiereinheϊt ist es möglich, einen zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff zusammen mit einem Treibfluid in den Plastifizier- zylinder einer Plastifizicrcinheit einzubringen, ohne dass Treibfluid während des Einbringvorgangs aus der Dosiereϊnheit unkontrolliert entweichen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine derartige Dosicrcinheit an konventionellen Plastifizicrmaschinen auf eine einfache Art und Weise nachrustbar ist. Dadurch ist die Vorrichtung einfach zu bedienen und kostengünstig.
Darüber hinaus ist es durch den Treibfluidcϊnlass möglich, in der zweiten Kammer der Dosiereinheit einen konstanten bzw. nahezu konstanten (im zeitlichen Mittel konstanten) Druck zu erzeugen, so dass in der zweiten Kammer und in dem Plastifizierzylindcr der Plastifiziereinheit eine Trcibfluidatmosphäre vorliegt. Auf diese Weise ist eine einfache Prozessfuhrung während des Einbringens des Werkstoffes in den Plastifizierzylinder möglich.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dosicreinheit im Einzugsbereich der Plastifiziereinheit angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem in bezug auf die Hauptförder- vorrichtung der Schnecke hinteren Abschnitt des Plastifizϊerzylinders zwischen dem Plastifizierzylinder und der Schnecke ein Dichtung angeordnet, Auf diese Weise kann ein Entweichen des Treϊbfluids am hinteren Ende der Plastifiziereinheit verhindert werden.
In bezug auf die Hauptförderrichtung der Schnecke am vorderen Ende der Plasti- fiziermaschine verhindert die Verschlussdüse ein Entweichen des Treibfluids.
Vorzugsweise ist der Trcibfluidcϊnlass mit einer Treibfluidversorgung, vorzugs¬ weise einer Treibfluiddosierstation, einem Treibfluϊdzuleitungssystcm und/oder einer Gasflasche, vorzugsweise mit einem Druckminderer verbunden. An der ersten Kammer der Dosiereinheit kann ein Treifluidauslass vorzugsweise mit einer Treibfluidruckführung vorgesehen sein . Über den Treibfluidauslass kann die erste Kammer der Dosiereϊnheit vor dem Bcfüllen mit dem zu plastifizieren- den und aufzuschäumenden Werkstoff entlüftet sowie der Druck abgelassen werden. Das Trcϊbfluid kann ferner in die Treibfluidversorgung zur Wiederverwendung ruckgeführt werden.
Als Verschlussdusc kann eine Nadelverschlussdüse, eine Bolzenverschlussduse oder eine Schiebeverschlussduse vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist der zu plastifizierende, aufzuschäumende Werkstoff granulat- oder pulverförmig und vorzugsweise ein polymerer Werkstoff.. Es ist vorgesehen, dass jeder beliebige im Spritzgief3- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werk¬ stoff verwendbar ist.
Das Treϊbfluid kann aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenϊerten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mi¬ schung aus diesen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dosiereinheit eine Druckkammerschleuse,
Ferner kann ein statischer Mischer zwischen der Plastifiziereinhcit und der Ver- schlussduse angeordnet sein, der den geschmolzenen, aufzuschäumenden Werkstoff weiter mit dem Treibfluid vermischt. Auf diese Weise ist ein besonders ho¬ mogenes Gemisch zwischen Werkstoff und Treibfluid möglich. Auch kann die Schnecke Misch- und/oder Scherelemente aufweisen, die ebenfalls eine bessere Durchmischung von Werkstoff und Treibfluid bewirken.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Form¬ teils oder Halbzeugs im Spritzgieß- oder Extrusionsprozess ist vorgesehen, dass eine für ein anzufertigendes Formteil oder Halbzeug benötigte Menge von zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff zusammen mit einem Treibfluid in die Plastifiziereinheit einer Plastifiziermaschϊne kontinuierlich einge- bracht wird , Danach wird der Werkstoff geschmolzen und gleichzeitig mit dem Treibfluid durchmischt. Anschließend wird das schmelzflüssige Werkstoff- Treibfluidgemisch zum Bilden eines Formteils oder Halbzeugs ausgebracht. Ferner wird das schmelzflüssige Werkstoff-Treibfluidgemisch zu einem aufgeschäumten Formteil oder Halbzeug abgekühlt..
Bei dem kontinuierlichen Einbringen des Werkstoffes zusammen mit dem Treibfluid in die Plastifiziereinheit einer Plastifiziermaschine kann vorgesehen sein, dass zunächst eine erste Kammer einer Dosiereinheit zum Einbringen von zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff in die erste Kammer geöffnet wird„ Anschließend wird die erste Kammer geschlossen Danach wird eine Verbindung zwischen der ersten Kammer und einer zweiten Kammer der Dosiereϊnheit geöffnet, wobei in der zweiten Kammer eine Treibfluidatmosphäre mit einem konstant bzw. nahezu konstanten (im zeitlichen Mittel konstanten) Druck vorliegt. Dadurch wird der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff mit dem Treibfluid zusammengeführt und gleichzeitig der Werkstoff in die zweite Kammer eingebracht. Vorzugsweise geschieht das Einbringen des Werkstoffes in die zweite Kammer durch das Einwirken der Schwerkraft und die Zusammenführung durch den Gegenstrom von Treibfluid, das von der zweiten Kammer in die erste Kammer strömt, sowie durch das Einbringen des Werkstoffs in die mit Treibfluid gefüllte Kammer.
Anschließend wird die Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer der Dosϊercinheit geschlossen.. Während des Befüllvorganges der Dosicreinheit steht die zweite Kammer der Dosiereinheit mit der Plastifiziereinheit in Verbindung und die zweite Kammer beinhaltet eine an den Einbringvorgang des Werkstoffes in die Plastifiziereinheit angepasste Puffermenge des Werkstoff-Treϊbfluidgemisches. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei diskontinuierlichem Einbringen des Werkstoffes in die Dosiereinheit ein kontinuierliches Einbringen von Werkstoff und Treibfluid in die Plastifiziereinheit einer Plastifiziermaschine zu gewährleisten.
Es kann vorgesehen sein, dass vor dem Öffnen der ersten Kammer der Dosiereϊnheit zum Einbringen des Werkstoffes bzw. nach dem Schließen der Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer, die erste Kammer entlüftet wird, so dass das sich in der ersten Kammer befindliche Treibfluid aus der ersten Kammer austreten kann und der in der ersten Kammer herrschende Druck für das Einbringen des Werkstoffes abgesenkt werden kann. Dabei wird das Treibflu- id vorzugsweise über einen Treibfluidauslass, der das Treibfluid zu einer Treibflu- idversorgung zurückfuhren kann, aus der ersten Kammer entnommen.
Vorzugsweise wird das Werkstoff-Treϊbfluidgcmisch beim und/oder nach dem Schmelzen homogenisiert. Dies kann beispielsweise auch über einen statischen Mischer erfolgen.
Ferner kann das Werkstoff-Treibfluidgemisch beim und/oder nach dem Schmelzen komprimiert werden.
Als zu plastifizierender und aufzuschäumender Werkstoff kann jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise poly- mere Werkstoffe, verwendet werden, die vorzugsweise granulat- oder pulverför- mig vorliegen.
Ferner kann ein Treibfluid aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbe¬ sondere chlorierten, halogenierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mischung aus diesen verwendet werden.
Dabei kann das Treibfluid im flüssigen oder im gasförmigen oder in einem über¬ kritischen Zustand in die zweite Kammer der Dosiereinheit zudosϊert werden.
Das Treibfluid kann in die zweite Kammer der Dosiereinheit kontinuierlich oder gepulst einbracht werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Treibmittel derart in die Dosϊereinheit und somit in den Plastifizierzylinder der Plastifϊzϊereinheit eingebracht wird, dass in der zweiten Kammer der Dosiereinheit und in dem Plastifizierzylinder eine Treibflui- datmosphäre mit konstanten, bzw. nahezu konstanten (in zeitlichen Mitteln konstanten) Druck erzeugt wird. Der Druck der Trcibfluidatmosphäre kann zwischen 1 und 300 bar, vorzugsweise zwischen 20 und 50 bar, liegen. Auf diese Weise ist während des crfϊndungsgemäßen Verfahrens eine gleichmäßige Durchmischung des Werkstoffes mit dem Treibfluid möglich, so dass ein besonders homogener Werkstoff entsteht.
Der Treibfluidgehalt des schmclzflussϊgen Werkstoff-Treibfluidgemisches kann vorzugsweise über den Zufuhrdruck des Treibfluides und/oder den in dem Plasti- fizierzylinder herrschenden Druck gesteuert werden. Beim Spritzgießprozcss kann die Steuerung auch über den Staudruck erfolgen. Ferner kann die Drehge¬ schwindigkeit der Schnecke der Plastifiziereinheit den Grad der Durchmischung zwischen Treibfluid und schmelzflüssigen Werkstoff bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Plastifiziermaschine kann ferner in Verbindung mit dem Gegendruckverfahren, Schneckenruckzugs- verfahren, variothermer Wcrkzcugtemperaturfuhrung oder mit Werkzeugen mit veränderbarer Kavität, vorzugsweise mit beweglichem Kern, sogenannten atmenden Werkzeugen, verwendet werden
Auch ist die Verwendung mit einer Kombination der genannten Verfahren möglich.
Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere beim Spritzgießen folgende Vorteile:
Herstellung von geschäumten Formteilen niedriger Dichte durch Verwendung eines physikalischen Treibmittels auf einer konventionellen Spritzgießmaschine
Verminderung der Investitionskosten
Vergrößerung des Einsatzspektrums einer erfindungsgemäßen Spritzgießmaschine (flexible Fertigung : Durchfuhrung des Kompaktspritzgießens durch einfaches Weglassen des Treibfluiddrucks)
geringe Störanfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Zufuhrung des Treibfluϊds zum im festen Aggregatzustand vorliegenden Werkstoff keine weitere Schädigung von glasfasergefullten Werkstoffen, durch Vermeidung von zusätzlichen Rückstromsperren und Schmelzeumlenkungen in der Plastifiziereinheit
einfache Prozessführung durch vorzugsweise konstante Druckverhältnisse während der Beladung vor und/oder während und/oder nach der Dosierphase (Rückführphase der Schnecke nach Werkstoffausstoß-Schuss)
homogene großflächige Einmischung des Treibfluids durch eine Treibflui- datmosphäre mit vorzugsweise konstantem Druck
geringe Treibfluidbcladungsdrücke und dadurch resultierend geringe Anforderungen an Dichtungen und Anlagenausfuhrung„
Realisierung von für das Schaumspritzgießen wichtigen hohen Einspritzgeschwindigkeiten
Verwendung einfacher Treibfluidzufuhrmöglichkeiten (Gasflaschen evtl. mit Druckminderventil) durch niedrigere vorzugsweise konstante Treibfluiddrü- cke im Vergleich zu bisher existierenden Verfahren.
homogene Einmischung des Treibfiuids durch Nutzung eines großen Teils der Schnecke als dynamischen Mischer.
lange Diffusionszeiten durch Einbringung des Treibfluids im Einzugsbercich der Plastifiziereinheit resultierend in einer sehr homogenen Treibfluidvertei- lung im Werkstoff
Ähnliche Vorteile ergeben sich auch bei der Schaumextrusion.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plastϊfϊziermaschine, sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren näher erläutert: π
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematischc Darstellung einer erfϊndungsgemäßen Plastifizicrma- schine im Schnitt, und
Fig. 2 eine schematischc Darstellung einer ertindungsgemäßen Dosiereinheit im Schnitt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plastifizier- maschinc 1 im Schnitt, Die Plastifiziermaschine 1 besteht aus einer Piastifizic- rcinheit 21, einem statischen Mischer 22, sowie einer Nadelverschiussduse 23. Die Piastiftziereinheit 21 weist einen Plastifizierzylindei 15 auf, in dem eine Schnecke 19 angeordnet ist. Der Plastϊfizierzylϊnder 15 wird mit Heizbändern 17 zur Bereitstellung der für die Wcrkstoffschmelze notwendigen thermischen Ener¬ gie auf.
An dem in bezug auf die Hauptfόrderrichtung der Schnecke hinteren Ende weist die Schnecke 19 eine Antriebscinrichtung 16 auf. An dem Einzugsbereich 20 der Schnecke 19 ist über ein Einfullstutzcn 40 eine Dosiereinrichtung 3 zum Zufuhren von zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff 5 an der Plastifizie- reinheit 21 angeordnet.
Die Dosiereinheit 3 weist eine Werkstoffzufuhr 24 sowie einen Treibfluidcinlass 37 auf, Der Treibfluideinlass 37 ist über ein Treibfluidzuleitungssystem 11 , das vorzugsweise einen Druckminderer 9 aufweist, mit einer Gasflasche 7 verbunden Selbstverständlich kann die Treϊbfluidversorgung zu dem Treibfluideinlass 37 auch anderweitig erfolgen, beispielsweise über eine Treibfluiddosierstation.
In dem in bezug auf die Hauptförderrichtung der Schnecke 19 hinteren Bereich oder mit anderen Wol fen dem antriebsseitigen Bereich der Schnecke 19 ist zwischen der Schnecke 19 und dem Plastifizierzylindcr 15 eine Dichtung 13 angeordnet. Die Dichtung 13 ist radial zu der Schnecke 19 angeordnet und dichtet in axialer Richtung. Durch die Dichtung 13 ist gewährleistet, dass sich in dem Plastifizicrzylinder 15 befindliches Tt cibfluid im antriebsseiligen Bereich der Schnecke 19 nicht aus dem Plastifizierzylindcr 15 entweichen kann. Im in bezug auf die Hauptförderrichtung der Schnecke 19 vorderen Bereich der Plastifizϊerma- schϊnc 1 gewährleistet die Nadclvcrschlussduse 23 im geschlossenen Zustand, dass das Treibfluid nicht aus der Plastifiziercinrichtung 21 bzw. der Plastifizier- maschine 1 entweichen kann.,
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Dosiereinheit 3 schematisch im Schnitt dargestellt Die Dosiereinheit 3 weist an ihrem oberen Abschnitt eine Werkstoffzufuhr 24 auf, die in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel trichterförmig ausgeführt ist, damit der vorzugsweise granulat- oder pulverförmige zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff 5 durch Schüttung der Dosiereinheit 3 zugeführt werden kann. Selbstverständlich kann die Zufuhr auch über Fördereinrichtungen erfolgen.. Die Dosiercϊnheit 3 besteht aus einer ersten Kammer 31 und einer zweiten Kammer 35. Die erste Kammer 31 ist über eine erste druckdichte Schlcuseneϊnrichtung 25,29, die aus einem Durchlass 29 und einer Schleuse 25 besteht, mit der Werkstoffzufuhr 24 verbunden. Die erste Kammer 31 ist über eine zweite druckdichte Schleuseneinrichtung 27,33 mit der zweiten Kammer 35 verbunden, Die zweite Schleuseneinrichtung 27,33 besteht ebenfalls aus einem Durchlass 33 sowie einer Schleuse 27. Der Boden 32 der ersten Kammer 31 kann zu dem Durchlass 33 der zweiten Schlcuscneinrichtung 27,33 trichterförmig zulaufen, so dass eine gute Schuttung des zu plastifϊzierenden und aufzuschäu¬ menden Werkstoffes 5 von der ersten Kammer 31 in die zweite Kammer 35 möglich ist.
Die zweite Kammer 35 weist einen Treibfluideinlass 37 auf, über den Treibfiuid 38 in die zweite Kammer 35 geleitet werden kann. Die zweite Kammer 35 steht über einen Verbindungsstutzen 40 mit der Plastifiziereinheit einer Plastifizierma- schine in Verbindung. Dabei kann der Boden 36 der zweiten Kammer 35 trichterförmig zu dem Verbindungsstutzen 40 verlaufen, um ebenfalls eine gute Schuttung des Werkstoffes zu ermöglichen..
An der ersten Kammer 31 der Dosiereϊnhcit 3 kann ein Treibfluidauslass 39 vorzugsweise mit einem Ventil 41 vorgesehen sein. Zum besseren Verständnis wird im folgenden die Verwendung der in Fig. 1 und 2 dargestellte Plastifiziermaschine bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert:
Tn einer Dosiereinheit 3 gemäß Fig. 2 befinden sich zunächst die druckdichten Schleuseneinrichtungen 25,29,27,35 in einer geschlossenen Stellung, Die erste druckdichte Schleuseneinrichtung 25,29 wird geöffnet und über die Werkstoffzu¬ fuhr 24 wird zu plastϊfizϊerender und aufzuschäumender Werkstoff 5 der ersten Kammer 31 zugeführt. Anschließend wird die erste Schleuseneinrichtung 25,29 druckdicht verschlossen. Die zweite Kammer 35 der Dosϊereϊnheit 3 steht dabei mit der Plastifϊziereinheit 21 in Verbindung. In dem Plastifizicrzylϊndcr 15 und der zweiten Kammer 35 der Dosiereinheit 3 wird über den Trcibfluideinlass 37 eine Trcibfluidatmosphäre mit konstanten bzw. im zeitlichen Mittel konstanten Druck aufrechterhalten. Der Druck dieser Atmosphäre liegt dabei vorzugsweise bei zwischen 20 und 50 bar.
Die zweite Schleuseneinrichtung 27,33 wird geöffnet, so dass ein Zusammenfüh ren des Treibfluids 38 und des zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes 5 erfolgt. Dabei strömt zunächst Treibfluid 38 durch den Durchlass 33 der zweiten Schleuseneϊnrichtung 27,33 von der zweiten Kammer 35 in erste Kam¬ mer. Gleichzeitig fällt der sich in der ersten Kammer 31 befindliche zu plastifizie- rende und aufzuschäumende Werkstoff 5 durch den Durchlass 33 von der ersten Kammer 31 in die zweite Kammer 35. Der durch das Öffnen der zweiten Schleuseneinrichtung 27,33 auftretende Druckverlust in der zweiten Kammer 35 wird über den Treibfluideinlass 37 ausgeglichen. Anschließend wird die zweite Schleuseneϊnrichtung 27,33 druckdicht verschlossen.
Der mit dem Treibfluid 38 zusammengeführte, zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff 5 gelangt durch den Einfüllstutzen 40 in den Einzugsbereich 20 der Plastifiziereinheit 21„ Die Schnecke 19 wird über den Antrieb 16 gedreht, so dass der Werkstoff mit dem Treibmittel in die Hauptförderrichtung der Schnecke gefördert wird. Durch die in dem Piastifizierzylinder 15 auftretende Scherung entsteht Disipationswärme, die zusammen mit der durch die Heizbän der 17 in dem Piastifizierzylinder 15 eingebrachte thermische Energie den Werkstoff erwärmt und zum Schmelzen bringt. Dabei wird durch die Drehbewegung der Schnecke 19 clor schmelzende bzw. geschmolzene Werkstoff mit dem Treibfluid durchmischt. Dabei kann das Werkstoff-Treibfluidgemisch mit der Schnecke 19 komprimiert werden.
Das schmelzflüssige Treibfluid-Werkstoffgemisch wird aus dem Plastifizicrzylinder 15 in einen statischen Mischer 22 befördert, in dem eine weitere Durchmischung stattfindet, um ein besonders homogenes Gemisch zu erhalten.. Über die Ver- schlussdusc 23 wird das homogene Treibfluid-Werkstoffgemisch aus der Plastifi- ziermaschine beispielsweise in ein Werkzeug ausgestoßen. Durch Abkühlen entsteht der physikalisch aufgeschäumte Werkstoff.
Um einen Verlust von Treibfluid zu vermeiden und somit eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, kann an der ersten Kammer 31 der Dosiereinheit 3 ein Treibfluidauslass 39 mit einem Ventil 41 angeordnet sein. Nach dem Verschließen der zweiten Schleuseneinrichtung 27,33 und vor dem Öffnen der ersten Schleuseneinrichtung 25,29 zum Zuführen von zu plastifiziercndcn und aufzuschäumenden Werkstoff 5 kann durch Öffnen des Ventils 41 die erste Kammer 31 entlüftet werden. Dadurch kann das sich in der ersten Kammer 31 befindliche Treibfluid aus der ersten Kammer 31 gelassen werden und der Treibfluidversor- gung zur Wiederverwendung zurückgeführt werden. Gleichzeitig wird der in der ersten Kammer 31 herrschende Druck herabgesetzt um ein Zufuhren des Werkstoffs 5 besser zu ermöglichen.
Um ein kontinuierliches Zufuhren des Werkstoff-Treibfluidgemisches zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, in der Kammer 35 eine Puffermenge des Werkstoff- Treibfluidgemisches, beispielsweise im Bereich des trichterförmigen Bodens 36, vorzusehen, da dadurch der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff der Dosiereinheit 3 auch diskontinuierlich zugeführt werden kann.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens im Spritzgießverfahren ist vorgesehen, dass mindestens die zum Bilden eines Formteils oder eines Halbzeugs benötigte Menge eines zu plastϊfizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff 5 in die Schnecke 19 kontinuierlich eingebracht wird. Nach dem Ausbringen des aufgeschäumten Werkstoffes, die durch eine Drückbewegung der Schnecke 19, dem sogenannten Schuss beim Spritzgϊcßprozess, unterstutzt wird, wird während des Ruckziehens der Schnecke 19, der sogenannten Dosierphase, mindestens die für den nächsten Schuss be- nötigte Menge an Werkstoff mit Treibfluid dem Eϊnzugsbereich 20 der Schnecke 19 zugeführt.

Claims

I SPatentansprüche
1. Plastifiziermaschinc ( 1) zur Herstellung von mit physikalischen Treibmitteln hergestellten aufgeschäumten Werkstoffen,
mit einer Plastifiziereinheit (21) mit Plastifizierzylinder (15) und
Schnecke ( 19), mit einer Vcrschlussduse (23), und mit einer Dosiereinhcit (3) zum Dosieren und Zufuhren des zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoffes (5) in den
Plastifizierzylinder (15),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dosiereinheit (3) aus einer ersten Kammer (31 ) und einer zweiten Kammer (35) besteht, wobei die erste Kammer (31) eine erste druckdichte Schleuseneinrichtung (25,29) aufweist, über die der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (5) der Dosicreinheit (3) zufuhrbar ist, dass eine zweite druckdichte Schleuseneinrϊchtung (27,33) zwischen der ersten Kammer (31) und der zweiten Kammer (35) angeordnet ist und dass die zweite Kammer einen Treibfluidcinlass (37) aufweist.
2 Plastifizicrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dosiereinheϊt (3) im Einzugsbereich (20) der Plastifiziereinheit (21) angeordnet ist
3. Plastifiziermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem in bezug auf die Hauptfördcrrichtung der Schnecke (19) hinteren Abschnitt des Plastifizicrzylinders (15) zwischen dem Plastifi- zierzyiinder (15) und der Schnecke (19) eine Dichtung ( 13) angeordnet ist.
4. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teibfluideinlass (37) mit einer Treibf Iu id Versorgung (7,9,11), vorzugsweise einer Treibfluiddosierstation, einem Treibfluidzulcitungssystcm (11) und/oder einer Gasflasche (7), vor¬ zugsweise mit einem Druckminderer (9), verbunden ist.
5. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (31) der Dosiereinheit (3) einen Treibfiuidauslass (39,41), vorzugsweise mit Treibfluidrückführung, aufweist.
6. Piastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussduse (23) eine Nadelverschlussduse, eine Bolzenverschlussduse oder eine Schϊebeverschlussduse ist.,
7. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (5) granulat- oder pulverförmig ist.
8„ Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dass zu plastfiizierendcr und aufzuschäumender Werkstoff (5) jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, ist.
9. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid (38) aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Helium, Pentan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mischung aus diesen besteht.
10. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Dosiereinheϊt (3) eine Druckkammerschleuse ist.
11 Plastifϊzicrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ein statischer Mischer (22) zwischen Plastifizierein- heit und Verschlussduse angeordnet ist.
12. Plastifiziermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Schnecke zusätzlich Misch- und/oder Scherelemente aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Formteils oder Halbzeugs im Spritzgieß- oder Extrusionsprozess, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) kontinuierliches Einbringen einer für ein Formteil oder ein Halbzeug benötigten Menge von zu plastifizicrendem und aufzuschäumendem Werkstoff (5) zusammen mit einem Treibfluid (38) in die Plastifiziereinheit (21) einer Plastifiziermaschine (1 ) , vorzugsweise einer Spritzgießmaschine oder eines Extruders; b) Schmelzen des Werkstoffes und gleichzeitiges Mischen des Werkstoffes mit dem Treibfluid; c) Ausbringen des schmelzeflussigen Werkstoff-/ Treibfluid - gemisches zum Bilden eines Formteils oder Halbzeugs; d) Abkühlen des schmclzflüssϊgen Werkstoff-/ Treibfluidgemi- sches zu einem aufgeschäumten Formteil oder Halbzeug.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) folgende Unterschritte aufweist: al) Öffnen einer ersten Kammer (31) einer Dosϊercinheit (3) zum Einbringen von zu plastifizierendem und aufzuschäumendem Werkstoff (5) in die erste Kammer (31); a2) Schließen der ersten Kammer (31); a3) Öffnen einer Verbindung zwischen der ersten Kammer (31) und einer zweiten Kammer (35) der Dosicreinheit (3), wobei in der zweiten Kammer (35) eine Treibfluϊdatmosphäre mit vorzugsweise konstantem oder nahezu konstantem Druck vorliegt; a4) Zusammenfuhrung von zu piastifizerendem und aufzuschäumendem Werkstoff (5) mit dem Treϊbfluϊd (38) bei gleichzeitigem Einbringen des Werkstoffes (5) in die zweite Kammer (35); a5) Schließen der Verbindung zwischen der ersten Kammer (31) und zweiten Kammer (35);
wobei die zweite Kammer (35) während des Schrittes a) mit der Plasti- fiziercinheit (21) in Verbindung steht und eine an den Einbringvorgang des Werkstoffes in die Plastifiziereinheit (31) angepasste Puffermenge des Werkstoff-/ Trcϊbfluidgemisches beinhaltet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt al ) und/oder nach Schritt a5) die erste Kammer (31) entlüftet wird, vorzugsweise über einen einen Treibfluidauslass (39,41), wobei vorzugsweise das Treibfluid (38) zu einer Treϊbfluidversorgung (7,9,11) zurückgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoff /Treibfluidgemisch beim und/oder nach dem Schmelzen homogenisiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoff-/Treibfluϊdgemisch beim und/oder nach dem Schmelzen komprimiert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid (38) zusammen mit dem zu plastifizierenden und aufzuschäumenden Werkstoff (5) in den Einzugsbereich (20) einer Plastifiziereinheit (21) eingebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als zu plastfizierender und aufzuschäumender Werkstoff (5) jeder beliebige im Spritzgieß- oder Extrusϊonsverfahren einsetzbare Werkstoff, vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, verwendet wird. 00
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeich net, dass der zu plastifizierende und aufzuschäumende Werkstoff (5) granulat- oder pulverförmig ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Treibfluid (38) aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser, Heli¬ um, Pcntan, Butan oder weiteren einfachen oder modifizierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten, halogenierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, oder einer Mischung aus diesen verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid (38) in flüssigem oder in gasförmigem oder in einem überkritischen Zustand zudosiert wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluids (38) kontinuierlich oder gepulst in die zweite Kammer (35) der Dosiereinheit (3) eingebracht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeich¬ net, dass in dem Plastifizierzylinder (15) der Plastifiziereinheit (21) eine Treibfluidatmosphäre mit vorzugsweise konstantem oder nahezu konstantem Druck erzeugt wird.
25. Verfahren nach einem jeder Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass über den Zufuhrdruck des Treibfluides (38) und/oder den in dem Plastifizierzylinder (15) herrschenden Druck der Treibfluid- gehalt des schmelzflüssigen Werkstoff-/Treibfluidgemischcs gesteuert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass über die Drehgeschwindigkeit der Schnecke der Plastifiziereinheit (21 ) der Grad der Durchmϊschung zwischen Treibfluid und schmelzeflüssigen Werkstoff bestimmt wird.
27 Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26 gekennzeichnet durch die Verwendung einer Plastifiziei maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
28. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 27 und/oder eine Plastϊfizicrmaschine (1) nach einem der Anspr üche 1 bis 12 in Verbindung mit Gasgegendruckverfahren, Schneckenruckzugsver- fahren, variothermer Wcrkzeugtemperaturfuhrung oder Werkzeugen mit veränderbarer Kavität, vorzugsweise durch einen beweglichen Kern, oder einer Kombination dieser Verfahrensarten.
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