DE102016014065A1

DE102016014065A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils

Info

Publication number: DE102016014065A1
Application number: DE102016014065.8A
Authority: DE
Inventors: Ingo Brexeler
Original assignee: Krallmann Kunststoffverarbeitungs GmbH
Current assignee: Krallmann Kunststoffverarbeitungs GmbH
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-05-30
Also published as: WO2018095571A1; EP3544781A1

Abstract

Zur Herstellung eines aus einem Schaum bestehendes Formteils werden Kunststoff-Partikel in eine Formteil-Kavität eingebracht und dort unter Zuführung von Heißgas aufgeschäumt und/oder Versintert. Dabei wird als Heißgas ein Gas oder eine Gasmischung verwendet, dass/die bei einer Temperatur ≥20° gasförmig ist. Vorzugsweise findet Kohlenstoffdioxid (CO) und/oder Stickstoff (N) Verwendung. Eine entsprechende Vorrichtung besitzt eine Befeuchtungseinheit, mittels der die Kunststoff-Partikel mit einer Flüssigkeit befeuchtbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils, wobei Kunststoff-Partikel in eine Formteilkavität eingebracht werden und dort unter Zuführung von Heißgas aufgeschäumt und/oder versintert werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils, mit mehreren Teilwerkzeugen, die jeweils eine Teilkavität aufweisen, wobei die Teilkavitäten im Zusammenwirken eine Formteilkavität bilden, wobei zumindest eines der Teilwerkezuge einen Zuführkanal, durch den Kunststoff-Partikel in die Formteilkavität einbringbar sind, und einen Gasraum aufweist, aus dem ein Heißgas durch zumindest einen Gaskanal in die Formteilkavität einbringbar ist.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Form- oder Bauteils aus einem Partikelschaum weist üblicherweise zwei Teilwerkzeuge auf, die jeweils eine Teilkavität besitzen und zusammengefahren und auseinandergefahren werden können. Im zusammengefahrenen Zustand bilden die Teilkavitäten eine Formteilkavität, in die Kunststoffpartikel beispielsweise aus EPP (Expandiertes Polyprophylen) oder aus EPS (Expandiertes Polystyrol) eingebracht werden können. In den Teilwerkzeugen ist üblicherweise eine Dampfkammer ausgebildet, die von einem oder mehreren Dampferzeugern mit heißem Wasserdampf versorgt wird. Aus der Dampfkammer kann der heiße Wasserdampf über Dampfdüsen in die Formteilkavität eingebracht werden, was zum Aufschäumen der vorher in die Formteilkavität eingebrachten Schaumpartikel und zu deren Verschweißung oder Versinterung führt.
Der zugeführte heiße Wasserdampf erwärmt nicht nur die in der Formteilkavität angeordneten Kunststoff-Partikel auf die für die Aufschäumung oder Verschweißung oder Versinterung notwendige Temperatur, sondern erwärmt gleichzeitig auch die Teilwerkzeuge, die Wandung der Formteilkavität und auch die Wandung der Dampfkammer. Nach erfolgtem Verschweißen oder Versintern der Kunststoff-Partikel in der Formteilkavität werden die Teilwerkezuge und damit auch die Dampfkammer mit einem Kühlfluid, üblicherweise kaltem Wasser abgekühlt, woraufhin die Teilwerkzeuge auseinandergefahren werden, so dass das Formteil entnommen bzw. entformt werden kann. Wenn in einem neuen Produktionszyklus wieder heißer Wasserdampf zugeführt wird, kondensiert der Wasserdampf an dem vorherigen Verfahrensschritt abgekühlten Bauteilen und das warme Kondensat-Wasser fließt innerhalb des Werkzeugs ab. Die in dem Kondensat-Wasser enthaltene Wärmeenergie wird somit dem Herstellungsprozess entzogen, was zur Folge hat, dass das beschriebene Verfahren einen hohen Energiebedarf und einen sehr hohen Bedarf an heißem Wasserdampf hat, wodurch es relativ teuer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils zu schaffen, das einen verringerten Energiebedarf aufweist.
Ferner soll eine Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils geschaffen werden, mit dem sich das Verfahren in einfacher Weise ausführen lässt.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass als Heißgas ein Gas oder eine Gasmischung verwendet wird, die bei einer Temperatur von ≥20°C gasförmig ist.
Erfindungsgemäß wird von der Grundüberlegung ausgegangen, die Kondensation des Heißgases dadurch zu verhindern, dass ein Gas verwendet wird, das bei den normalen Betriebstemperaturen der Vorrichtung und insbesondere bei üblichen Umgebungstemperaturen immer gasförmig ist und erst bei sehr viel tieferen Temperaturen, die während des Herstellungsprozesses nicht auftreten, flüssig wird. Auf diese Weise ist verhindert, dass das zugeführte Heißgas an den Bauteilen der Vorrichtung kondensiert, wenn diese ihre tiefste Temperatur innerhalb des Produktionszyklus besitzen. Somit ist ein Abfließen von Kondensat-Flüssigkeit zuverlässig vermieden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Gas Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Stickstoff (N₂) verwendet wird.
Als Gas kann beispielsweise reines Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder eine Gasmischung mit einem Anteil von Kohlenstoffdioxid (CO₂) verwendet werden. Alternativ dazu kann als Gas reiner Stickstoff (N₂) oder eine Gasmischung mit einem Anteil von Stickstoff (N₂) verwendet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das eine Gasmischung verwendet wird, die einen Anteil von Kohlenstoffdioxid (CO₂) ≥30 Mass.% und/oder einen Anteil von Stickstoff (N₂) ≥30 Mass.% aufweist. Vorzugsweise kann der Anteil an Kohlenstoffdioxid (CO₂) und/oder der Anteil an Stickstoff (N₂) ≥50 Mass.% betragen.
Die nach einer Anlaufphase des Produktionsprozesses innerhalb des Werkzeugs bzw. innerhalb der Vorrichtung auftretende Temperatur ist abhängig von der Art des herzustellenden Bauteils und insbesondere von der Art der verwendeten Kunststoff-Partikel. Die tiefste Temperatur wird üblicherweise im Bereich von 70°C bis 90°C liegen. Erfindungsgemäß sollte deshalb ein Gas oder eine Gaschmischung verwendet werden, das/die sich bei der tiefsten innerhalb des Produktionsprozesses auftretenden Temperatur derjenigen Bauteile, mit denen das Gas oder die Gasmischung in Verbindung kommen, im gasförmigen Zustand befindet.
In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Kunststoff-Partikel vor der Einbringung in die Formteilkavität mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, zumindest oberflächlich angefeuchtet werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die die Kunststoff-Partikel befeuchtende Flüssigkeit durch die zugeführte Wärmeenergie innerhalb der Formteilkavität verdampft wird. Auf diese Weise wird innerhalb der Formteilkavität ein Heißdampf erzeugt, der das Aufschäumen der Kunststoff-Partikel und deren Verschweißung oder Versinterung fördert.
Die Heißgas-Temperatur liegt vorzugsweise etwas oberhalb der notwendigen Dampftemperatur, die materialabhängig ist. Bei EPP (expandiertes Polypropylen) liegt diese im Bereich von 150°C bis 180°C.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kunststoff-Partikel nach der Einbringung in der Formteilkavität, d.h. innerhalb der Formteilkavität mit einer entsprechenden Flüssigkeit beispielsweise Wasser, angefeuchtet werden.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Dabei ist eine Befeuchtungseinheit vorgesehen, mittels der die Kunststoff-Partikel mit einer Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, befeuchtbar sind. Die Befeuchtungseinheit, die entweder als Bad oder als Sprühvorrichtung ausgebildet sein kann, kann in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung in dem Zuführkanal angeordnet sein, durch den die Kunststoff-Partikel in die Formteilkavität eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann innerhalb der Formteilkavität und/oder stromauf des Zuführkanals eine entsprechende Befeuchtungseinheit vorgesehen sein.
Die den in der Formteilkavität befindlichen Kunststoff-Partikeln zugeführte Wärmeenergie und die Art und die Menge der die Kunststoff-Partikel befeuchtenden Flüssigkeit sind so aufeinander abgestimmt, dass die die Kunststoff-Partikel befeuchtende Flüssigkeit durch das zugeführte Heißgas innerhalb der Formteilkavität verdampfbar ist. Auf diese Weise wird innerhalb der Formteilkavität ein Heißdampf erzeugt, der die Kunststoff-Partikel aufschäumt und/oder verschweißt oder versintert.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils im geöffneten Zustand,
2 die Vorrichtung gemäß 1 im geschlossenen Zustand bei Einbringung der Kunststoff-Partikel,
3 die Vorrichtung gemäß 2 bei Zuführung des Heißgases und
4 die Vorrichtung gemäß 3 mit ausgebildetem Formteil.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils, die ein oberes 1. Teilwerkzeug 11 und ein unteres 2. Teilwerkzeug 12 besitzt. Das 1. Teilwerkzeug 11 besitzt ein unteres 1. Werkzeugsegment 13, auf dessen Unterseite eine Teilkavität 14 gebildet ist. Dem 1. Werkzeugsegment 13 ist ein 1. Temperiersystem 15 zugeordnet, das einen im 1. Werkzeugsegment ausgebildeten Fluidkanal 16 umfasst, der von einem Temperierfluid, beispielsweise heißem oder kaltem Wasser durchströmt werden kann, wie es durch den Pfeil F₁ angedeutet ist. In dem 1. Werkzeugsegment 13 ist ein 1. Temperatursensor 22 angeordnet, der die Temperatur des 1. Werkzeugsegments 13 erfasst und ein entsprechendes Temperatursignal über eine Leitung 31 an eine 1. Steuerung 32 abgibt, die auf die Zuführung des Temperierfluids Einfluss nehmen kann, wie es gestrichelt dargestellt ist. Mittels des 1. Temperiersystems kann das 1. Werkzeugsegment 13 mit hoher Genauigkeit auf eine gewünschte Temperatur gebracht und auf dieser gehalten werden.
Auf seiner Außenseite ist das 1. Werkzeugsegment 13 mit einer äußeren Wärmeisolierung 28 versehen.
Unter Zwischenschaltung einer wärmeisolierenden Lage 30 ist auf dem 1. Werkzeugsegment 13 ein 2. Werkzeugsegment 19 angeordnet, in dem ein kammerartiger Gasraum 24 ausgebildet ist. Der Gasraum 24 kann von einem nur schematisch dargestellten Gasspeicher oder Gasvorrat 26 über einen Gaszuführkanal 27 mit Heißgas versorgt werden, der aus dem Gasraum 24 über mehrere im 1. Werkzeugsegment 13 ausgebildete Gaskanäle 18 in die Teilkavität 14 eingebracht werden kann. In den Gaskanälen 18 können Absperrventile oder Steuerventile angeordnet sein (nicht dargestellt).
Dem 2. Werkzeugsegment 19 ist ein 2. Temperiersystem 20 zugeordnet, das mehrere in dem 2. Werkzeugsegment 19 angeordnete Fluidkanäle 21 umfasst, die von einer nicht dargestellten Quelle mit einem Temperierfluid, beispielsweise mit heißem oder kaltem Wasser versorgt werden können, wie es durch den Pfeil F₂ angedeutet ist.
Dem 2. Werkzeugsegment 19 ist ein 2. Temperatursensor 23 zugeordnet, der über eine Leitung 33 mit einer 2. Steuerung 34 in Verbindung steht, die auf die Menge und die Temperatur des zugeführten Temperierfluids einwirken kann, wie es gestrichelt angedeutet ist. Auf diese Weise kann das 2. Werkzeugsegment 19 mit einer hohen Genauigkeit auf eine gewünschte Temperatur gebracht und auf dieser gehalten werden.
Das 2. Werkzeugsegment 19 ist außenseitig mit einer Wärmeisolierung 29 versehen.
Der bisher beschriebene Aufbau des oberen 1. Teilwerkzeugs 11 findet sich entsprechend auch beim unteren 2. Teilwerkzeug 12, wobei entsprechende Bauteile mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Das 1. Teilwerkzeug 11 und das 2. Teilwerkzeug 12 sind mit ihren Teilkavitäten 14 einander zugewandt und können zusammengefahren werden, wobei die Teilkavitäten 14 ist geschlossenem Zustand eine Formteilkavität K bilden (s. 2).
Das obere 1. Werkzeugsegment 11 unterscheidet sich vom unteren 2. Werkzeugsegment 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich ein Zuführkanal 35 für Kunststoff-Partikel vorgesehen ist. Der Zuführkanal 35 umfasst einen im 1. Werkzeugsegment 13 ausgebildeten 1. Zuführkanal-Abschnitt 17, der in der Teilkavität 14 mündet und an seinem der Teilkavität 14 abgewandten Ende in einen 2. Zuführkanal-Abschnitt 25 übergeht, der im 2. Werkzeugsegment 19 ausgebildet ist.
In dem Zuführkanal 35 ist eine Befeuchtungseinheit 36 angeordnet, mit der die den Zuführkanal 35 durchströmenden Kunststoff-Partikel zumindest oberflächlich mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, befeuchtet werden können, so dass sie im befeuchteten Zustand in die Formteilkavität K eintreten.
Anhand der 2 bis 4 soll ein Produktionszyklus zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils erläutert werden. Zunächst werden die beiden Teilwerkzeuge 11 und 12 aus dem in 1 dargestellten auseinander gefahrenen Zustand zusammengefahren, wobei die beiden Teilkavitäten 14 die Formteilkavität K bilden. Die beiden 2. Werkzeugsegmente 19 der beiden Teilwerkzeuge 11 und 12 werden über das jeweilige 2. Temperiersystem 20 auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Als Heißgas wird ein Gas oder eine Gasmischung verwendet, das/die bei einer Temperatur von > 20°C, d.h. während des gesamten Herstellungsprozesses, gasförmig ist. Dabei kann es sich insbesondere um Kohlenstoffdioxid CO₂ und/oder Stickstoff N₂ handeln. Hierdurch wird die Kondensation des Heißgases beim Eintreten in den Gasraum 24 vermieden, auch wenn dieser vorher abgekühlt wurde.
Die beiden 1. Werkzeugsegmente 13 der beiden Teilwerkzeuge 11 und 12 werden mittels der jeweiligen 1. Temperiersysteme 15 auf eine gewünschte Temperatur erwärmt, die beispielsweise entweder der Temperatur des Heißgases entspricht oder geringfügig oberhalb von dieser liegt.
Wenn die beiden 1. Werkzeugsegmente 13 und damit die Wandung der Formteilkavität 14 das gewünschte Temperaturniveau haben, werden die Kunststoff-Partikel durch den Zuführkanal 25 in die Formteilkavität K eingefüllt, wie es durch den Pfeil P in 2 angedeutet ist. Beim Durchlaufen der Befeuchtungseinheit 36 werden die Kunststoff-Partikel mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oberflächlich angefeuchtet, wie es in 2 schematisch dargestellt ist.
Nach vollständiger Füllung der Formteilkavität K wird das Heißgas aus dem Gasvorrat 26 durch den jeweiligen Gaszuführkanal 27 in den Gasraum 24 eingebracht und durch die Gaskanäle 18 in die Formteilkavität K eingeleitet, wie es in 3 dargestellt ist. Da ein Gas oder eine Gasmischung verwendet wird, die bei einer Temperatur von ≥20°C oder sogar bei ≥80°C gasförmig ist, tritt das Problem der Kondensation des Gases nicht auf. Somit kann das Heißgas ohne zu kondensieren in die Formteilkavität K gelangen. Die auf dem angefeuchteten Kunststoff-Partikeln befindliche Flüssigkeit verdampft und es wird ein Heißdampf erzeugt. Durch Zusammenwirken des Heißgases und des Heißdampfes werden die Kunststoff-Partikel verschweißt oder versintert.
Nach erfolgter Verschweißung oder Versinterung der Kunststoff-Partikel in der Formteilkavität K wird die Zuführung des Heißgases abgestellt (s. 4) und die beiden 1. Werkzeugsegmente 13 der beiden Teilwerkzeuge 11 und 12 werden durch das jeweilige 1. Temperiersystem 15 auf eine Entformungstemperatur von beispielsweise 80°C abgekühlt (s. 4). Nach Erreichen der Entformungstemperatur öffnet die Vorrichtung 10 und das stabilisierte Formteil kann entnommen werden. Es ist somit wieder der in 1 dargestellte Zustand erreicht, von dem aus der vorgenannte Zyklus nochmals abläuft.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils, wobei Kunststoff-Partikel in eine Formteilkavität (K) eingebracht werden und dort unter Zuführung von Heißgas aufgeschäumt und/oder versintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Heißgas ein Gas oder eine Gasmischung verwendet wird, das/die bei einer Temperatur ≥ 20°C gasförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas reines Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder eine Gasmischung mit einem Anteil von Kohlenstoffdioxid (CO₂) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Gas reiner Stickstoff (N₂) oder eine Gasmischung mit einem Anteil von Stickstoff (N₂) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffpartikel vor der Einbringung in die Formteilkavität (K) mit einer Flüssigkeit angefeuchtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffpartikel nach der Einbringung in die Formteilkavität (K) mit einer Flüssigkeit angefeuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit zum Anfeuchten der Kunststoff-Partikel Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kunststoff-Partikel befeuchtende Flüssigkeit durch das zugeführte Heißgas innerhalb der Formteilkavität (K) verdampft wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Partikelschaum bestehenden Formteils, mit mehreren Teilwerkzeugen (11, 12), die jeweils eine Teilkavität (14) aufweisen, wobei die Teilkavitäten im Zusammenwirken eine Formteilkavität (K) bilden, wobei zumindest eines der Teilwerkzeuge (11, 12) einen Zuführkanal (35), durch den Kunststoff-Partikel in die Formteilkavität (K) einbringbar sind, und einen Gasraum (24) aufweist, aus dem ein Heißgas durch zumindest ein Gaskanal (18) in die Formteilkavität (K) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befeuchtungseinheit (36) vorgesehen ist, mittels der die Kunststoff-Partikel mit einer Flüssigkeit befeuchtbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinheit (36) in dem Zuführkanal (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kunststoff-Partikel befeuchtende Flüssigkeit durch das zugeführte Heißgas innerhalb der Formteilkavität (K) verdampfbar ist.