DE2726787A1

DE2726787A1 - Verfahren zur herstellung von geformten, mit strukturellen stegen oder rippen versehenen gegenstaenden aus plastisch oder thermoplastisch verformbarem kunststoffmaterial, und nach diesem verfahren hergestellte gegenstaende

Info

Publication number: DE2726787A1
Application number: DE19772726787
Authority: DE
Inventors: Olagoke Olabisi
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1978-01-19
Also published as: NL7706540A; AU2690877A; DE2726787B2; FR2358250A1; DE2726787C3; SE7706873L; CA1098273A; ES459748A1; BE855664A; US4136220A; GB1585554A; JPS539870A

Description

PATENTANWÄLTE 9 7 9C7Q7

Dipl.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK . Dipl.-lng. G. DANNENBERG ■ Dr. P. VVElNHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (0811)

287014 GR. ESCHENHEIMER STRASSE 3β

C-10916-G

10 Juni 1977 '
FW/Ar

Union Carbide Corporation

270 Park Avenue

New York, N.Y. 10017 / USA

Verfahren zur Herstellung von geformten, mit strukturellen Stegen oder Rippen versehenen Gegenständen aus plastisch oder thermoplastisch verformbarem Kunststoffmaterial, und nach diesem Verfahren hergestellte Gegenstände.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen von plastisch verformbarem Kunststoffmaterial und zur Herstellung von Gegenständen nach diesem Verfahren.

Man hat bisher versucht, Verfahren zur Herstellung struktureller, d.h. mit einer die Festigkeit erhöhenden Innenstruktur versehener Kunststoffgegenstände zu schaffen, die nicht über ihre ganze Dicke aus plastisch oder thermoplastisch verformbarem Kunststoff bestehen, gleichwohl aber Struktur- und Festigkeitseigenschaften z.B. als Bauteile besitzen, die grosser als diese Eigenschaften bei massiven (über ihre ganze Dicke voll ausgefüllten) Kunststoffgegenständen gleichen Gewichts sind.

In erster Linie sind unter den bekannten Verfahren diejenigen

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bemerkenswert, die zur Herstellung von strukturellen, als Bauteile dienenden Schäumen vorgesehen sind. In der Broschüre "Structural Foam" (Struktureller bzw. Baustoff schaum) definiert die •Society of the Plastics Industry" auf Seite 2 einen sich aus solchem strukturellen Schaum ergebenden Gegenstand als ein plastisch verformbares Kunststoffprodukt, das mit einstückig damit verbundenen Häuten versehen ist und bei dem das Verhältnis der Festigkeit zum Gewicht als "strukturell" zu klassifizieren ist.

Dieses Verfahren zur Herstellung eines strukturellen Schaums und der sich daraus ergebende Gegenstand sind typische Ergebnisse der in den USA-Patenten 3 268 636 und 3 436 446 beschriebenen Lehren.

Das nun nachstehend behandelte Ziel der Technik der Formgebung von plastisch verformbarem Kunststoff besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen zu schaffen, die einen grösseren Biegeelastizitätsmodul besitzen, als er bei gleicher Dichte (spezifischem Gewicht in g/cm ) für einen Gegenstand aus strukturellem Schaum erzielbar ist, wobei solche verbesserten Gegenstände auch geringere Dichten als massive Gegenstände der gleichen äusseren Gestalt und Zusammensetzung haben.

Gemäss einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines geformten, mit einem oder mehreren Stegen oder Rippen versehenen strukturellen Gegenstands aus plastisch verformbarem Kunststoff geschaffen, und zwar mit folgenden Verfahrensstufen:

(a) Einbringen des plastischen Materials in eine Form;

(b) Einspritzen eines strömenden Druckmittels geringer Viskosität in den Formhohlraum;

(c) Koordinieren des in der Zeiteinheit strömenden Druckmittels, des Volumens und des Verhältnisses der Länge der Strömungsbahn zur Dicke des Formhohlraumes des Werkstücks, der Viskosität des plastischen Kunststoffs, seiner Elastizität, seiner Dichte und seines Volumens, der Viskosität des Druckmittels und seiner Dichte, und der Grenzflächen- oder Oberflächen-

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spannung zwischen Druckmittel und Kunststoff, mit derartiger Abstimmung dieser Grossen aufeinander, dass das Druckmittel in das plastische Kunststoffmaterial eindringt und dieses die Umrissform des Formhohlraumes annimmt und dass dadurch ein mit einem oder mehreren strukturellen Stegen oder Rippen versehener geformter Gegenstand geformt wird, ohne dass das Druckmittel geringer Viskosität die Vorderfront des plastischen Materials durchbricht und ohne dass das plastische Material gehindert wird, praktisch vollständig die Umrissform des Formhohlraumes anzunehmen, und

(d) Aufrechterhalten eines positiven Drucks in der Form bis der Gegenstand sich selbst-tragend geworden ist.

Der sich auf diese Weise ergebende erfindungsgemässe Gegenstand mit ein oder mehreren strukturellen Stegen besitzt einen einstückigen Grundkörper aus Kunststoffmaterial mit einer äusseren Haut und einem im grossen und ganzen durchlaufenden hohlen Mittelteil, sowie mindestens einen in diesem angeordneten und an die Haut angeschlossenen Steg oder Stegen, wobei ein in der Nähe der Einspritzstelle angeordneter Steg im grossen und ganzen In einer Richtung zu dieser Einspritzstelle hin verläuft und in diese Richtung ein mit einem sog. Bauteilsteg bzw. tragenden, strukturellen Steg (structural web) versehener Körper oder Gegenstand gebildet wird.

Vorstehend ist unter dem Ausdruck "plastisches Material" oder "plastisch verformbarer Kunststoff (plastic material) eine plastisch oder thermoplastisch verformbare Kunststoffzusammensetzung, z.B. thermoplastischer Kunststoff, zu versehen, der plastische Fliesseigenschaften bei der Temperatur und den Druckbedingungen besitzt, wie sie gemäss der Erfindung in Verbindung mit Strangpressen, Mischen und Formen in einer Form anzuwenden sind. Somit sind unter dem Ausdruck "plastisch verformbarer Kunststoff" alle organischen und anorganischen Materialien zu verstehen, die mit oder ohne Zuschläge thermoplastische Eigen-

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schäften besitzen und sich unter einer solchen Temperatur und solchen Drücken strangpressen, mischen und in einer Form formen lassen, bei denen die Materialien verhältnismässig hohe Viskositätseigenschaften zeigen. So ist es bekannt, dass synthetische organische Kunstharze, wie z.B. Polyäthylen und Polyvinylchlorid selbst dann allgemein thermoplastische Eigenschaften besitzen, wenn sie einen hohen Anteil an Füllstoffen besitzen. Andere Kunstharze, wie z.B. Phenolharze, werden allgemein als wärmehärtende Kunstharze bezeichnet. Es ist jedoch zu beachten, dass auch diese Harze thermoplastische Eigenschaften besitzen, solange bis sie eine Temperatur und für eine Zeitdauer zur Reaktion gebracht werden, die die notwendige Vernetzung herbeiführt, nach der diese Harze als im wesentlichen durch Erwärmung gehärtet anzusehen sind. Es ist daher selbstverständlich, dass diese wärmehärtbaren, aber noch in unvernetztem Zustand befindlichen Materialien als "plastisch verfonnbare Materialien" im Rahmen der Erfindung zu betrachten sind.

Unter "hoher Viskosität" ist eine Viskosität zu verstehen, die grosser als ungefähr 1000 Zentipoise (cP) ist.

Unter einem nach der Erfindung verwendeten "Druckmittel geringer Viskosität" sind sowohl für gewöhnlich gasförmige als auch flüssige Druckmittel (pressurizing fluids) zu verstehen. Beispiele solcher gasförmiger Druckmittel sind Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Luft, Methylchlorid, Propylen, Butylen und gasförmige Fluorkohlenstoffe. Beispiele solcher flüssiger Druckmittel sind Pentan, Wasser und flüssige Fluorkohlenstoffe. Es versteht sich, dass solche Druckmittel geringer Viskosität entweder mit dem plastisch verformbaren Material unter den bei dem erfindungsgemässen Verfahren angewendeten Bedingungen von Druck und Temperatur nicht reagieren oder aber, wenn sie überhaupt mit diesem Material reagieren, eine solche ReaköLon nicht mit solcher Geschwindigkeit stattfindet, dass die Strömungsfähigkeit des Druckmittels vollständig verhindert würde.

Unter "geringer Viskosität?¹ ist eine Viskosität bis zu ungefähr

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einigen Zentipoise zu verstehen, wobei das Verhältnis d. er Viskosität des plastisch verformbaren Materials hoher Viskosität zu der geringen Viskosität des Druckmittels grosser als 10 : 1 ist.

Die hier verwendeten Ausdrücke "im ganzen durchlaufender oder ununterbrochener hohler Mittelteil" und "hohler Mittelteil" beziehen sich auf denjenigen Teil eines mit einer oder mehreren strukturellen Stegen oder Rippen versehenen Gegenstands, der in der genannten Weise an mindestens einer Einspritzstelle hergestellt wird und mindestens einen an die Haut angeschlossenen Steg bzw. eine solche Rippe (one skin-connecting web) besitzt.

Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens hat sich gezeigt, dass die folgenden Variablen des Verfahrens dafür bestimmend sind, dass das gewünschte verbesserte strukturelle, mit einem Steg versehene Produkt erzielt wird:

(a) Volumen des Formhohlraums;

(b) Verhältnis der Länge der Strömungsbahn zur Dicke des Werkstücks;

(c) Volumen des Kunststoffmaterials;

(d) Dichte (= spezifisches Gewicht in g/cm ) des Kunststoffmaterials;

(e) Viskosität des Kunststoffmaterials;

(f) Elastizität des Kunststoffmaterials;

(g) in der Zeiteinheit strömende Menge des strömungsfähigen Druckmittels;

(h) Druck des Druckmittels;

(i) Dichte bzw. spezifisches Gewicht des Druckmittels; (j) Viskosität des Druckmittels, und

(k) Grenzflächen- bzw. Oberflächenspannung zwischen Druckmittel und Kunststoffmaterial.

Die Grossen dieser variablen Verfahrensparameter müssen gemäss der Erfindung miteinander so koordiniert werden, dass das Druckmittel in das plastisch verformbare Kunststoffmaterial eindringt und dieses veranlasst, die Umrissform des Formhohlraums anzunehmen,

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wodurch ein geformter Gegenstand mit einem oder mehreren strukturellen Stegen geformt wird, ohne dass das Druckmittel geringer Viskosität dazu veranlasst wird, durch die Vorderfront des Kunststoffs durchzubrechen und den Kunststoff daran zu hindern, im wesentlichen vollständig die Umrissform des Formhohlraumes anzunehmen. Der Ausdruck "im wesentlichen vollständig die Umrissform des genannten Formhohlraumes anzunehmen" wird dazu angewendet, um anzuzeigen, dass die Anbringung eines relativ kleinen Auslasskanals an dem Formhohlraum erwünscht sein kann, indem man mindestens einen kleinen Auslass in den Wänden des Formhohlraumes an gewünschten Stellen anbringt.

Es ist ferner ersichtlich, dass das Volumen des gewählten Form hohlraumes nicht auf die Grosse festgelegt zu werden braucht, mit der er zwischen den beiden Formhälften eingeschlossen ist. Zum Beispiel kann man ein anfänglich befestigtes Paar von Form hälften durch das Druckmittel zur Expansion auf ein Volumen bringen, das grosser ist als das ursprünglich zwischen den Form hälften eingeschlossene Volumen. Statt dessen können bewegliche Formwände vorgesehen sein, die dafür eingerichtet sind, das Formvolumen gegenüber dem anfangs bei Beginn der Einspritzung des plastischen Kunststoffmaterials und der Zufuhr des Druckmittels vorhandenen Volumen zu vergrössern.

Bei der Ausführungsform des Verfahrens ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass eine Menge des Kunststoffmaterials in den Formhohlraum eingeführt wird, die vorzugsweise bei Umgebungstemperatur gehalten wird.

Das Formhohlraumvolumen und die Formgestalt werden durch die Gestalt und die Grosse des mit einem oder mehreren strukturellen Stegen versehenen, durch das erfindungsgemässe Verfahren herzustellenden Gegenstands bestimmt. Das Verhältnis der Länge zur Werkstoffdicke des Formhohlraumes wird durch die Gestalt (Geometrie) des Formhohlraumes bestimmt.

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Das Volumen des plastisch verformbaren Kunststoffmaterials wird so bemessen, dass es den Innenraum des Formhohlraumes nach der späteren vollen Expansion dieses Materials füllt, die durch das Druckmittel hervorgerufen wird, damit das Material die Umrissform der Wände des Formhohlraumes annimmt und der erwünschte, mit Steg oder mit Stegen versehene strukturelle Gegenstand erzeugt wird. Bei gegebenen Temperatur- und Druckarbeitsbedingungen werden die Dichte des Kunststoffmaterials, seine Viskosität und seile Elastizität durch die Wahl des verwendeten Kunststoffmaterials bestimmt, die nach Maßgabe der gewünschten Festigkeit oder sonstiger gewünschter physikalischer / oder chemischer Eigenschaften des fertigen, mit Steg oder Stegen versehenen gewünschten strukturellen Produkts getroffen wird. Die Dichte des Kunststoffmaterials, seine Viskosität und seine Elastizität sind jedoch stark zu beachtende Parameter der praktischen Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung, wenngleich diese Parameter durch die Wahl des Kunststoffmaterials bestimmt werden.

Die in der Zeiteinheit strömende Menge des Druckmittels ist im Verfahren nach der Erfindung ein bedeutungsvoller Parameter, und das gleiche gilt für den Druckmitteldruck. Sowohl diese Strömungsgeschwindigkeit als auch der Druckmitteldruck werden nachstehend im einzelnen in Verbindung mit der Erzeugung von geeigneten, mit einem Steg oder Stegen versehenen strukturellen Gegenständen behandelt. Für gegebene Temperatur- und Druckarbeits bedingungen werden die Dichte und die Viskosität des Druckmittels durch die Wahl eines geeigneten Druckmittels bestimmt, wie dies im Falle der Wahl des Kunststoffmaterials zur Bestimmung seiner Dichte, Viskosität und Elastizität der Fall ist. Jedoch kann man dabei die Wahl des Druckmittels in einem weiteren Bereich treffen.

Die Wahl eines speziellen Druckmittels und eines plastisch verformbaren Kunststoffmaterials sind für die praktischeJÖurchführung des erfindungsgemässen Verfahrens von grosser Bedeutung zur Bestimmung einer kritischen Variablen bei der Durchführung des Verfahrens, nämlich der Grenzflächenspannung zwischen Druckmittel und Kunststoff. Es ist ersichtlich, dass zwischen zwei Systemen

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verschiedener Phasenzustände eine Grenzflächenspannung besteht, solange sich die Systeme (chemisch und / oder physikalisch) voneinander unterscheiden.

Demgemäss wird nach dem Eintritt des Kunststoffmaterials in das Innere des Formhohlraumes das Druckmittel verhältnismässig geringer Viskosität an mindestens einer Stelle in das Kunststoffmaterial eingespritzt, so dass die Grenzfläche zwischen Druckmittel und Kunststoff zu einer Wellenform gegebener Wellenlänge durch geeignete Koordinierung von Druck, Strömungsgeschwindigkeit und geometrischen Eigenschaften der Form verformt wird. Sobald die oben behandelten Variablen des Verfahrens koordiniert sind, lässt das Druckmittel die Front des Kunststoffmaterials derart strömen, dass es die Umrissform der Wände des Formhohlraumes annimmt. Dieser Vorgang geht zugleich mit einer Fortsetzung oder Fortpflanzung der Formänderungen vor sich, wobei jede der Formänderungen an der Grenzfläche zwischen Druckmittel und Kunststoff einen Vorsprung in Form eines länglichen Stegs ("web") oder einen stegartigen Vorsprung in der Richtung des Kunststoff stromes erzeugt. Da der Druck des Druckmittels eine Variable ist, wird bei seiner Anwendung Nutzen aus dem von dem Kunststoffmaterial der Strömung entgegengesetzten Widerstand gezogen. Demzufolge bringt ein erhöhter Druck des Druckmittels grössere Grenzflächen-Formänderungen des Kunststoffmaterials und die Erzeugung von mehr wellenförmigen Vorsprüngen oder Stegen ("webs") mit sich.

Während der Strom des Kunststoffmaterials die Stege erzeugt und schliesslich die Wände des Formhohlraumes erreicht, wird ein hohler Kunststoffgegenstand erzeugt, der eine Aussenhaut und einen im ganzen ununterbrochenen hohlen Mittelteil sowie mindestens einen darin angeordneten und sich an die Haut anschliessenden Steg besitzt, wobei der Steg oder einer der Stege, der in der Nähe einer Einspritzstelle angeordnet ist, in einer im allgemeinen zur Einspritzstelle hin verlaufenden Richtung verläuft, wäh rend diejenigen Stege, die von der Einspritzstelle abliegen, im allgemeinen in der Richtung des Druckmittel stromes verlaufen.

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In der folgenden Diskussion wird der Versuch gemacht, die bei der Durchführung der Erfindung erzielten Wirkungen theoretisch zu erläutern; selbstverständlich ist jedoch die hier offenbarte und beanspruchte Erfindung nicht auf diese theoretische Analyse beschränkt.

Nach dem Einspritzen des plastisch verformbaren Kunststoffmaterials in den Formhohlraum und während der Bildung eines mit einem Steg oder mehreren versehenen strukturellen Gegenstands wird das Druckmittel in das Kunststoffmaterial durch mindestens eine Einspritzstelle hindurch eingespritzt. Der Druck des Druckmittels setzt eine von der Einspritzstelle weg gehende Bewegung des Kunststoffmaterials derart in Gang, dass die Vorderfront des Kunststoff stromes sich zum Umfang der Form hin bewegt, wobei eine fortgesetzte Bildung von Stegen an der hinteren Grenzfläche zwischen dem Druckmittel und dem Kunststoff stattfindet. Die Länge dieser Stege nimmt mit der Zeit zu, wenn seine Wachstumsrate R positiv ist, und zwar gemäss der Gleichung:

Steglänge = c e^^R"*\

wobei R sich gemäss der nachstehenden Gleichung berechnet. Wenn die Wachstumsrate sich auf Null verringert, verbleibt die Länge der Stege ungeändert (konstant), und wenn die Wachstumsrate negativ wird, verschmilzt die Hinterseite des Steges mit der Vorderseite des Steges und wird der Steg schliesslich verschwinden.

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- -ve -

Demgemäss erfordert die gewünschte Stegbildung, durch die in dem erzeugten geformten Gegenstand zuletzt die Bildung der gewünschten Stege vor sich geht, in dem nachstehenden Ausdruck eine positive Wachstumsrate von R:

i-ti

S3 Η»

Q. Ό I

CU

Hi

"ti

3* t> ν l<

709883/0681 ORIGINAL INSPECTED

Die Zeichen in der vorstehenden Formel bedeuten:

R = Wachstumsrate eines gegebenen Stegs U = Viskosität des plastisch verformbaren Kunststoffs Viskosität des Druckmittels

ν = Geschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen Druckmittel und Kunststoff

d = Dichte bzw. spezifisches Gewicht des plastisch verformbaren Kunststoffs

d~ = Dichte bzw. spezifisches Gewicht des Druckmittels

b = charakteristische Dicke des Werkstücks

g = durch Schwerkraft bedingte Beschleunigung

V = Wellen- bzw. Periodenzahl = 2Tr/^

Ji = charakteristische Wellenlänge

L = charakteristische Länge des Werkstücks

ρ = Druckmitteldruck

X = Abstand zwischen zwei Kunststoffstegen oder Rippen

Δ,ν = Geschwindigkeitsdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Stellen der gleichen Seite des Kunststoffstegs

h = Abstand zwischen den gleichen verschieden liegenden Stellen

7* = charakteristische Grenzflächen-Shear-Geschwindigkeit (Interface shear rate) *~ v/b

^f « Grenzflächenspannung

χ β Entspannungszeit des plastisch verformbaren Kunststoffmaterials.

Es ist zu beachten, dass die Viskosität μ eine Funktion der Shear-Geschwindigkeit ist; es wurde eine Ausführungsform geprüft, und es ergab sich, dass im allgemeinen ein sog. Leistungsgesetzmodell (power-law model) erfolgreich ist, nämlich

ORIGINAL INSPECTED

wobei μ> « Null-Scherviskosität (zero shear viscosity)

η =1 Newtonsches Kunststoffmaterial η > 1 Kunststoffmaterial mit Längendehnung η < 1 Pseudo-plastisch verformbares Kunststoffmaterial.

Der letzte Ausdruck in der Gleichung (1) bezeichnet einen visko-elastischen Funktionsbeitrag zu der Wachstumsrate eines charakteristischen Kunststoffstegs. Bei dieser Darstellung wurde der visko-elastische Beitrag in Ausdrücken einer Dimensionsanalyse dargestellt, die innerhalb der Klammer vier dimensionslose Zahlen enthält. Die erste der Zahlen ist die Deborah-Zahl, die zweite Zahl ist die Weissenberg-Zahl ,und die verbleibenden zwei Zahlen sind bisher unbekannt, stellen aber Abwandlungen der beiden ersten Zahlen dar, welche sich aus der Betrachtung des Mechanismus der plastischen Stegbildung ergeben und im vorliegenden Verfahren als wichtig angesehen werden. Die funktionelle Abhängigkeit der Grosse R von diesen Zahlen ändert sich von einem Kunststoffmaterial zum anderen; jedoch sind sowohl die Gesamtwirkung als auch die Einzelwirkungen nicht quantitativ bekannt. Aus qualitativen Überlegungen ist zu erkennen, dass der visko-elastische Beitrag entweder positiv oder negativ sein kann. Ferner ist es a priori nicht bekannt, ob die visko-elastische Komponente dominiert oder nicht. Demgemäss lässt sich nicht voraussagen, ob ein gegebener plastisch verformbarer Kunststoff eine Stegbildung auftreten lässt oder nicht.

Da die Bedingungen hier so gewählt wurden, dass bei den Arbeitsgängen keine extrem gross en Schergeschwindigkeiten (shear rate) auftreten, bei denen ein visko-elastisches Material sich wie ein massiver Stoff oder Feststoff mit anschliessendem "Zersplittern" (•shattering") verhalten könnte, wurde hier für den visko-elastischen Beitrag ein beliebiger konstanter Wert angenommen, um das Studium des Einflusses der Viskosität, der Geschwindigkeit, der Spannung an den Grenzflächen, der Dicke des Werkstücks und der Dichte des Kunststoffs studieren zu können, wie sie in den ersten drei Ausdrücken der Gleichung (1) auftreten.

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Für bestimmte Bedingungen wird die Wachsturnsrate R als Funktion der Wellen- bzw. Periodenzahl stets negativ, wodurch sich ergibt, dass unter diesen Bedingungen Stege oder Rippen nicht geformt werden können. Unter anderen Bedingungen ist R anfänglich positiv, wächst auf ein Maximum an und nimmt dann zu negativen Werten hin ab. Dies bringt mit sich, dass ein Wachsen bzw. Bildung von Stegen nur innerhalb des Bereichs derjenigen Periodenzahl auftritt, in dem R positiv ist. Stege mit sehr hoher Periodenzahl nehmen an Menge ab, und nur Stege mit massiger oder geringer Periodenzahl wachsen an. In einem dritten Fall von Arbeitsbedingungen. , wird R während der Stegbildung positiv. Bei allgemeinem Verhalten wird die Wachstumsrate bei einem bestimmten Wert zu einem Maximum und wird bei noch höheren Werten negativ. Demzufolge ergibt sich das gleich^ wie es sich für den zweiten unmittelbar hier vorstehend diskutierten Fall von Arbeitsbedingungen ergeben hat.

Zufolge dieser Analyse lässt sich das Folgende ableiten: Parameter Stegbildung

Die Viskosität des Kunststoffes nimmt zu Zunahme

Die Viskosität des Druckmittels nimmt ab Zunahme

Die Grenzflächengeschwindigkeit nimmt zu Zunahme

Die Grenzflächenspannung nimmt ab Zunahme

Die Dicke des Gegenstandes nimmt ab Zunahme

Die Dichte des Kunststoffs minus die Zunahme Dichte des Druckmittels nimmt zu

Im Falle einer positiven Wachstumsrate R wurde gefunden, dass eine Erhöhung der Länge der Strömungsbahn eine Erhöhung der Länge der Stege mit sich bringt. Wenn jedoch die Wachstumsrate negativ ist, führt die Zunahme der Länge der Strömungsbahn zu einer Abnahme der Länge der Stege und gegebenenfalls sogar zu einem Verschwinden der Stege.

Demgemäss ist eine grosse Länge der Strömungsbahn des Kunststoffs nur dann günstig, wenn die übrigen Variablen oder Parameter

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bereits für die Bildung der Stege günstig sind. Wenn ungünstige Bedingungen vorliegen, sind grosse Längen der Strömungsbahn für die Aufrechterhaltung der Stege hinderlich.

Zwar wurde theoretisch gezeigt, dass geringe Grenzflächenspannung die Bildung langer Stege begünstigt und dass geringe Grenzflächenspannung auch verhältnismässig breite Stege verursacht, woraus sich eine geringere Anzahl von Stegen für jeden mit einem oder mehreren Stegen versehenen strukturellen geformten Gegenstand ergibt. Deshalb sollte man einen Kompromiss derart suchen, dass die beiden vorgenannten Effekte maximiert werden.

Die Einwirkung der Dichte (des Kunststoffs und des Druckmittels) ist minimal. Es kann aufgezeigt werden, dass eine Differenz der Dichten in der Grössenordnung von 10 g/cm notwendig ist, um eine Erweiterung der Stegbildung zu erhalten. Im allgineinen liegt die Dichte von plastisch verformbaren Kunststoffmaterialien in der Grössenordnung von 1 g/cm und diejenige eines Druckmittels, wie Stickstoff gas, in der Grössenordnung von 10 g/cm . Wenn nun die Stegbildung unter diesen Bedingungen herbeigeführt wird, ist es klar, dass sie nicht durch die Differenz der Dichten, sondern durch eine geeignete Koordinierung der übrigen Verfahrensvariablen hervorgerufen wird, nämlich der Viskositäten, der Elastizitäten, des Drucks und/oder der Geschwindigkeit oder der Strömungsgeschwindigkeit, der Grenzflächenspannung, der Dicke des Formhohlraumes, der Länge des Formhohlraumes und des Kunststoffvolumens .

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 - teilweise im Schnitt - eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung bei der Herstellung von mit Steg oder Stegen versehenen strukturellen Gegenständen;

Fig. 2 - teilweise im Schnitt - eine schem^ische Seitenansicht einer Vorrichtung der bei der Herstellung von Gegenstän-709883/0681

den mit strukturellem Schauia als kräfteaufnehmenden Bauteilein der bisherigen Bauart, hier jedoch in einer Ausführung, die hier zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung für die Herstellung von mit einem Steg oder Stegen versehenen strukturellen Gegenständen abgeändert ist;

Fig. 3a eine Draufsicht auf ein mit Steg oder Stegen versehenen geformten Gegenstand;

Fig. 3b einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 3a nach der Linie 3b-3b;

Fig. 4a eine Draufsicht eines anderen geformten^ mit Steg oder Stegen versehenen strukturellen Gegenstandes nach der Erfindung;

Fig. 5und 6 schematisch im Schnitt je eine Seitenansicht der inneren Fonnkonstruktion zur Ausführung weiterer Merkmale des Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 7 eine Ansicht eines Querschnitts des geformten Gegenstandes, wobei der Schnitt nahe dem einen Stirnende des Gegenstandes verläuft, und

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine Formanordnung, die zur Durchführung der Erfindung verwendet wird und zwei Einspritzstellen besitzt.

In der Zeichnung ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 eine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Vorrichtung schematisch dargestellt; hier trägt eine Presse 10 eine Form 12 und wird dem Formhohlraum 18 einerseits durch einenMehrfach-Anschlusskopf 14 hindurch plastisch verformbares Kunststoffmaterial und andererseits durch eine hohle Düsenstange 16 hindurch und in das Kunst stoff material hinein Druckmittel zugeführt. Das Kunststoffmaterial wird von einer Fördervorrichtung 20 aus zugeführt, die eine zum Schmelzen dienende Strangpresse mit grosser Scherfestigkeit, eine Kombination der Strangpresse mit einem Sammler (wie sie bei dem strukturellen Schaumverfahren verwendet wird), eine Einspritzvorrichtung mit Kolben in Kombination einee ·

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Zylinders mit einem Sammler oder eine übliche Einspritzformvorrichtung aufweisen kann, die eine heizbare Strangpresse und eine Einspritzformkammer besitzt, in der das Schmelzen und die Ansammlung des plastisch verformbaren Kunststoffs erfolgt.

Der Kunststoff wird von der Fördervorrichtung 20 dem Mehrfach-Anschlusskopf 14 durch eine Leitung 22 hindurch zugeführt. Das Druckmittel wird durch eine Einlassleitung 24 der inneren Bohrung 17 des hohlen Düsenstabes 16 zugeführt und durch eine Ventilvorrichtung 26 zweckentsprechend geregelt.

Eine pneumatische Antriebsvorrichtung 28, die einen Druckmittel-Einlass 30 und einen Druckmittel-Auslass 32 besitzt, ist durch einen Schaft 34 mechanisch mit dem hohlen Düsenstabaggregat verbunden, das derart beweglich gelagert ist, dass es innerhalb des Anschluss-Kopfes 14 gehoben und gesenkt werden kann.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Kunststoffleitung 22 und der Durchtrittskanal 36 des Anschlusskopfes mit dem Kunststoffmaterial gefüllt. Der Formhohlraum 18 wird teilweise mit dem Kunststoffmaterial 38 gefüllt. Der hohle Düsenstab 16 wurde durch Betätigung des pneumatischen Antriebskopfes 28 soweit gesenkt, dass er den Strom des Kunststoffes durch den Kanal 36 des Anschlusskopfes unterbricht und sich das untere Ende des Stabes 16 nahe bei oder innerhalb des Formhohlraumes befindet, In welchem das Verfahren des Unterdrucksetzens durch das Druckmittel begonnen werden kann.

Das Druckmittel wird durch geeignete Steuerung der Ventilvorrichtung 26 zum Eintritt in den aus Kunststoffmaterial bestehenden Körper 38 zugelassen, der sich in dem Formhohlraum 18 befindet. Das plastisch verformbare Kunststoffmaterial nimmt die Umrissform der Wände des Formhohlraumes an und erzeugt den mit ein oder mehreren Stegen versehenen strukturellen Gegenstand gemäss der Erfindung, der eine Aussenhaut, einen durchlaufenden hohlen

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Mittelteil und in diesem Mittelteil angeordnet mindestens einen an die Haut angeschlossenen Steg oder eine solche Rippe besitzt.

Der Druck auf das Druckmittel wird aufrechterhalten, bis der mit Steg versehene strukturelle Gegenstand sich selbst trägt. Hierauf wird die Ventilvorrichtung 26 betätigt und der hohle Düsenstab 16 bis über die Ventilvorrichtung 30 mittels des pneumatischen Antriebs 28 angehoben, wobei diese Ventilvorrichtung einen nach aussen führenden Kanal 42 öffnet und das Austreten des Druckmittels aus dem in der Form befindlichen geformten Gegenstand gestattet.

Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gezeigt, wurde hier die Strangpress- und Sammlervorrichtung der gewöhnlich zum Formspritzen von strukturellem Schaum verwendeten Art so abgeändert, dass sie als Fördervorrichtung 20 für den plastisch formbaren Kunststoff dient. Dem Einlasstrichter einer üblichen Strangpresse 21, die zum Plastifizieren des plastisch verformbaren Kunststoffes dient, können massive Kunststoffteilchen zugeführt werden. Das Kunststoff material wird dann durch die Leitung 22 hindurch einem Sammler 42 zugeführt, der einen beweglichen Kolben 44 besitzt und eine Kammer bildet, die zur Aufnahme des Kunststoffmaterials 38 dient, bevor dieses durch den Durchtrittskanal 36 des Mehrfach-Anschlusskopfes zu dem hohlen Düsenstab-Aggregat 16 durchtritt. Alle anderen T_eile der Vorrichtung in der Ausführung nach Fig. 2 sind die gleichen wie in der Ausführung nach Fig. 1. Durch die Verwendung eines Strangpress-Sammlers der zum Formspritzen strukturellen Schaumes bekannten Bauart lässt sich das Kunststoffmaterial zu dem Anschlusskopfsystem 14 fördern, aus dem es zu der Form hin in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 abgegeben wird.

Flache, rechteckige, mit einem Steg oder Stegen versehene strukturelle Gegenstände wurden durch Anwendung des erfindungs-

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gemässen Verfahrens bei einer Vorrichtung nach der allgemeinen, in Fig. 2 gezeigten Bauart hergestellt. Fig. 3a zeigt in Draufsicht einen solchen mit Stegen versehenen strukturellen Gegenstand 45, der für allgemeine Zwecke aus nichtmodifiziertem Kristall-Polystyrol in einer flachen rechteckigen Form mit den Kantenlängen 76,2 cm · 25,4 cm · 0,95 cm hergestellt wurde. Wie in der Zeichnung ersichtlich, wird eine Vielzahl von an die Haut angeschlossenen strukturellen Stegen 46 hergestellt, deren Richtung im allgemeinen zu der Einspritzstelle 48 hin verläuft.

Der Querschnitt nach Fig. 3b zeigt die hohle innere Konstruktion des mit strukturellem Steg versehenen Gegenstands nach Fig. 3a und die Gestalt der strukturellen Stege 46, von denen einige im Querschnitt als die Teile 46a, andere in Seitenansicht als die Teile 46b im Schnitt nach der Linie 3b-3b derFig. 3b in Fig. 4b dargestellt sind. Der für die Herstellung des Gegenstands nach Fig. 3a und 3b verwendete Druckmitteldruck betrug 28 kp/cm .

Fig. 4a zeigt eine Draufsicht eines mit einem anderen strukturellen Steg in der gleichen Weise hergestellten Gegenstandes wie der mit strukturellem Steg oder Stegen hergestellte Gegenstand nach Fig. 3a und 3b, wobei jedoch ein geringerer Druckmitteldruck

in Grosse von 14 kp/cm angewendet wurde. Wie aus der Draufsicht nach Fig. 4a und dem Querschnitt nach Fig. 4 b ersichtlich, hat der Druck des Druckmittels nicht dazu ausgereicht, denjenigen Grad von Stegbildung zu erreichen, wie er bei den Gegenständen nach Fig. 3a und 3b erreicht wurde. Dies ergab sich aus einer Verringerung der Grenzschichten-Scherspannung, der Geschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit, die sich ihrerseits aus dem angewendeten geringeren Druckmitteldruck bei der Herstellung des Gegenstandes nach Fig. 4a und Fig. 4b ergaben.

Es wurde gefunden, dass die Anordnung der Stege eine deutliche Variable in dem Verfahren der Herstellung struktureller Stege darstellt. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass eine Durchführung des Arbeitsganges mit einer Mehrfachdüse nicht zur Vergleichmässi-

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gung und Verteilung bzw. zur regelmässigen Anordnung der Stege beiträgt, sondern dass die erzeugten Stege vorzugsweise gegen die Düse der Quelle des Druckmittels gerichtet sind. Wie vorstehend angewendet, bedeuten die Ausdrücke "regelmässige Anordnung" (regularized) und "im wesentlichen regelmässige Anordnung¹¹, dass mindestens ein Steg in dem mit strukturellem Steg oder Stegen versehenen Gegenstand in einer vorgegebenen Stellung angeordnet ist.

Es wurde jedoch gefunden, dass mit strukturellen Stegen versehene Gegenstände auf folgende zwei Arten mit regelmässiger Steganordnung hergestellt werden können:

(1) Durch Verwendung massiver Kunststoffeinsätze. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich durch Anwendung dieses Hilfsmittels zufolge örtlicher Schwäche um den Einsatz herum ein unerwünschter Gegenstand bildete.

(2) Durch Verwendung eines Formhohlraumes mit vielfacher Wandstärke. Die Verwendung einer Form mit einer Wandungsgestalt gemäss Fig. 5 lässt das Druckmittel vorzugsweise durch das Kunststoffmaterial durchströmen, das sich in dem dickeren Kanal befindet, statt durch den dünneren Kanal zu strömen. Die Verwendung einer Form mit einer Einkerbung 51, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, lässt den Strom der Kunststoffströmung so verlaufen, dass die Dicke des Polymers um die Einkerbung herum abgeändert und die Dicke des Werkstückes sowie die mechanischen Charakteristika um die Rippe herum begünstigt werden.

Im Fall des zweiten Weges der Vergleichmässigung (regularization) der Ausbildung, wie in Fig. 5 dargestellt ist, veranschaulicht der Querschnitt nach Fig. 7 das mit den Längenabmessungen 91,8 cm . 38,1 cm · 1,27 cm erhaltene Werkstück, wobei die Form in zwei Abschnitte zerlegt war, bei denen Keilstangen 50 mit 0,§5 cm · 0,95 cm in unterschiedlichen Längen verwendet wurden. Die Rippen 52 werden um die Keilstangen herum gebildet,und die hohlen inneren Taschen 54 werden nur in den dicken Abschnitten aufrechterhalten. Es wurde gefunden, dass das Druckmittel nie-

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mais über die Keilstangen hinweg strömte und durch das polymere Material wirksam blockiert wurde.

Bei einer zusätzlichen abgeänderten Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung wird ein fertig gestellter Gegenstand mit strukturellem Steg oder Stegen nach seiner Herstellung nachträglich gefüllt. Der hohle Innenraum dieses Gegenstandes kann durch die offene Einspritzstelle 48 hindurch derart gefüllt werden, dass ein gefüllter Gegenstand mit inneren strukturellen Stegen und einer Aussenhaut gebildet wird. In gleicher Weise können mit einem oder mehreren strukturellen Stegen versehene Gegenstände mit aufgeschäumtem Kunststoff durch Einspritzen einer aufschäumbaren Kunststoff mischung durch die öffnung der Einspritzstelle 48 oder eine andere Stelle hindurch gefüllt werden, wobei die Mischung in den hohlen Innenraum des mit strukturellem Steg versehenen Gegenstandes eingefüllt wird. Im Falle einer Füllung des Innenraumes des mit strukturellem Steg oder Stegen versehenen Gegenstandes mit aufgeschäumtem Kunststoff, empfiehlt es sich,eine geeignete Zahl von Auslasskanälen durch die Aussenhaut oder die Seitenwände des Gegenstandes hindurch zu führen, um den Druck abzubauen und den Austritt des Aufschäummittels zuzulassen.

Es ist natürlich möglich, die massiv gefüllten oder mit Schaum gefüllten Inre nräume der mit strukturellen Stegen versehenen Gegenstände aus dem gleichen oder einem anderen Kunststoffmaterial herzustellen, das zur Herstellung des mit strukturellem Steg oder Stegen versehenen Gegenstandes dient. Jedoch sind die gemäss der Erfindung hergestellten, mit strukturellen Stegen versehenen Gegenstände entweder in der Aussenhaut oder bei einer Vielzahl von an die Haut angeschlossenen und in dem Gegenstand enthaltenen Stegen vorzugsweise im wesentlichen frei von aufgeschäumten Teilen.

Bei der Vorrichtung der in Fig. 2 gezeigten Bauart wurden zwölf Formen zur Herstellung einer Anzahl mit strukturellen Stegen ver sehenen Gegenstände verwendet, um die Bedeutung der Abmessungen der Form für die Stegbildung zu veranschaulichen. Die Abmessungen des Formhohlrauares betrugen 15,24 cm · 15,24 cm . Dicke t oder

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25,4 cm . 25,4 cm · Dicke t und 71,2 cm · 20,3 cm ♦ Dicke t, wobei t = 0,314 cm bzw. 0,63 cm bzw. 1,27 cm. Ferner wurden einige Werkstücke mit den Abmessungen 71,2 cm * 20,3 cm · 5,08 cm dadurch hergestellt, dass zwei Rahmen (Formhälften) mit 2,54 cm Dicke aufeinander gesetzt wurden. Die nachstehenden Zahlentafeln gejt>en die als Ergebnis insgesamt erhaltenen Zahlen an.

Strukturelle Stege wurden aus Polyäthylen hoher Dichte bei verhältnismässig geringem Druck bei allen Beispielen bis zu 2,54 cm Dicke gebildet. Bei den Mustern mit 5,08 cm Dicke oder bei dicken Mustern mit kleiner bemessenen Quadratseiten ist die Anwendung höherer Drücke im allgemeinen erforderlich, um die Stegbildung zu bewirken.

Zahlentafel I

	Dicke	Muster	48	mit 15,2 cm ·	15,2 cm ·	Dicke t
Länge	t in		24	Druckmittel	Stegbil	Zahl der
L in cm	0,314	cm	12	druckpin kp/cm	dung	Stege
15,2	0,628	12	56	da	zahlreich
15,2	1,27	12	56	da	zahlreich
15,2	1,27	6	14	nein	0
15,2	1,27	56	da	1
15,2	2,54	84	da	3
15,2	(28-112)	da	1

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- 2ß -

Zahlentafel II

	Dicke t in cm	25	',4 cm · 25,4 cm · Dicke	cm · 71,24 cm	Stegbil dung	t	Zahl der Stege
Länge L in cm	0,314	L/t	Druckmittel druckpin kp/cm	Druckmittel druckpin kp/cm	ja	zahlreich
25,4	0,628	80	42	14-28	ja	zahlreich
25,4	1,27	40	28-70	28	ja	zahlreich
25,4	2,54	20	7-70	28	nein	0
25,4	2,54	10	7	28-42	ja	2
25,4	2,54	10	14	42	ja	2
25,4	2,54	10	21	ja	2
25,4	2,54	10	28	ja	4
25,4	2,54	10	56	ja	5
25,4		10	84
		Zahlentafel III	• Dicke t
	Dicke t in cm	20,3	Stegbil dung	Zahl der Stege
Länge L in cm	0,314	L/t	ja	zahlreich
71,2	0,628	224	ja	zahlreich
71,2	1,27	112	ja	8£Ahzahl N ^ 12
71,2	2,54	56	ja	3 :£Anzahl N < 6
71,2	5,08	28	ja	1
71,2	14

Strukturelle Werkstücke mit einem oder mehreren Stegen wurden auch geformt aus Styrol-Acrylnitrilmischpolymerisat (Copolymerisat C-11), Polypropylen, Polycarbonat, Polysulfon, hoch-schlagfestem oder mittel-schlagfestem kristallinen Polystyrol, Äthyl en-Vinylacetatmischpolymerisat und mit Kalziumcarbonat-Füilstoff gefülltem Polyäthylen hoher Dichte. 5,08 cm dicke Stücke zeigten deutlich, dass mit strukturellen versehene Gegenstände zur Herstellung von Türen, Möbeln und auf anderen Absatzgebieten verwendet werden können, wobei eine wesentlich höhere Dicke verlangt wird.

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Die folgenden Beispiele behandeln unterschiedliche Aspekte der Erfindung.

Beispiel 1

Pellets (Kugelchen) aus Polyäthylen hoher Dichte, die in massivem Zustand eine Dichte von 0,962 g/cnr bei 25°C und einen Schmelzbet wert von 0,8 g/min haben, wurden in den Fülltrichter einer zweistufigen Strangpresse eingefüllt. Die Strangpresse enthielt eine Schnecke von 6,35 cm Durchmesser, bei der sich Li-D= 24 : 1 verhielt und deren wirksame Gangtiefe in der ersten Stufe 0,28 cm und in der zweiten Stufe 0,343 cm betrug; das Verdichtungsverhältnis betrug in der ersten Stufe 4/1 und in der zweiten Stufe 3,26/1. Das Kunstharz wurde bei Umlauf der Strangpreßschnecke mit 18,0 U/min plastifiziert und einem Sammler der Bauart nach Fig. 2 zugeführt, der ein Gesamtvolumen von 7550 cm³ besass.

Aus dem teilweise gefüllten Sammler wurde das Kunstharz bei einer Temperatur von 250⁰C in einen Formhohlraum mit den Abmessungen 0,95 cm · 25,4 cm · 94,3 cm eingespritzt, dessen Volumen 2210 cm betrug. Das Volumen des Kunststoffes betrug 1639 cnr bezogen auf Polyäthylen mit hoher Dichte im massiven Zustand bei 25°C. Die Form wurde auf 25⁰C gehalten.

In die Form wurde Sti ckstoffgas mit einem Druck von 28 kp/cm eingespritzt. Durch den inneren Druck wurde die Form zur Expansion gebracht, während der Kunststoff sich abkühlte; der Gasdruck wurde abgebaut,und das endgültige Produkt besass die Abmessungen von 1,68 cm · 25,4 cm * 91 »4 cm, was einer WerkstUckdichte von 42,6 % derjenigen im massiven Zustand des Kunstharzes entspricht. Das Produkt besass eine massive einstückige Hülle mit einer Vielzahl von an die Haut angeschlossenen Verstärkungsstegen und einem ununterbrochenen hohlen Mittelteil.

Beispiel 2

Für allgemeine Verwendungszwecke nicht modifizierte kristalline Polystyrolpellets mit einer Dichte im massiven Zustand von 1,05 g/cm⁵ bei 25°C und einer Strangpress-Plastometerleistung

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(extrusion plastometer) von 750,0 ng/min wurden in den Fülltrichter der zweistufigen Strangpresse nach Beispiel 1 eingefüllt. Das Kunstharz wurde durch die mit 33 U/min umlaufende Strangpreßschnecke plastifiziert und einem Sammler zugeführt, der ein Gesamtvolumen von 460 cm besass.

Von dem teilweise gefüllten Sammler wurde das Kunstharz bei einer Temperatur von 255°C in einen Formhohlraum mit den Abmessungen 0,95 cm · 25,4 cm · 78,4 cm (wobei eine der Formwandungen Strukturgefüge besass) und der ein Volumen von 1840 cm besass, eingespritzt. Das Kunststoff voIumen betrug 1750 cm bezogen auf die Dichte des kristallinen Polystyrols bei 25°C in massivem Zustande Die Form wurde auf 21⁰C gehalten.

Das Gas wurde in die Form mit einem Druck von 28 kp/cm eingespritzt. Die Form wurde zur Expansion gebracht, während der Kunststof^kühlte; der Gasdruck wurde abgebaut und das Endprodukt hatte die Abmessungen 1,35 cm . 25,4 cm · 76,3 cm, was einer Dichte des Werkstücks von 63 % des massiven Kunstharzes entspricht. Das Produkt war durchsichtig und besass eine massive einstückige Hülle mit einer spiegelbildlichen Struktur und mit einer Vielzahl von an die Haut und einen im allgemeinen durchlaufenden hohlen Mittelteil angeschlossenen Stegen oder Rippen.

Beispiel 3

Pellets aus Bisphenol-A-polycarbonat mit einer Dichte von 1,57 g/cnr bei 25⁰C im massiven Zustand wurden in den Fülltrichter der zweistufigen Strangpresse nach Anspruch 1 eingefüllt. Das Kunstharz wurde durch die mit 33 U/min umlaufende Strangpreßschnecke plastifiziert und zu einem Sammler überführt, dessen Gesamtvolumen 7540 cnr betrug.

Von dem teilweise gefüllten Sammler wurde das Kunstharz bei einer Temperatur von 270⁰C in einen Formhohlraum (einer s'einer Wandun gen war strukturiert) mit den Abmessungen 0,95 cm · 25,4 cm · 78,4 cm und einem Volumen von 2060 cm⁵ eingespritzt. Das Kunst-

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stoffvolumen betrug 78,75 cnr bezogen auf die Dichte des PoIycarbonats im massiven Zustand bei 25⁰C. Die Form wurde auf 16O°C gehalten.

Das Gas wurde in die Form unter einem Druck von 28 kp/cm eingespritzt. Das Werkstück wurde auf eine. Temperatur von 25°C gekühlt; der Gasdruck wurde abgebaut,und das Endprodukt hatte die Abmessungen 0,95 cm * 25,4 cm · 78,4 cm, was einer Dichte des Werkstücks von 70 % des massiven Kunstharzes entspricht. Das Produkt war durchsichtig und besass eine einstückige massive Hülle mit spiegelbildlicher Strukturierung und mit einer Vielzahl von an die Haut und einen im allgemeinen durchlaufenden hohlen Mittelteil angeschlossenen Stegen.

Beispiel 4

Pellets für allgemeine Verwendungszwecke aus hoch-schlagfestem Polystyrol mit einer Dichte von 1,04 g/cm bei 25 C wurden mit einer Strangpressleistung (extrusion plastometer) von 450 mg/min mit 1 % Magenta-Farbstoff gemischt und dem Fülltrichter der Zweistufen-Strangpresse nach Beispiel 1 zugeführt. Das Kunstharz wurde durch die mit 33 U/min umlaufende Strangpreßschnecke plastifiziert und in einen Sammler übergeführt, der ein Gesamtvolumen von 7560 cnr besass.

Von dem teilweise gefüllten Sammler wurde das Kunstharz bei einer Temperatur von 270⁰C in den Formhohlraum einer Form eingespritzt, die zur Herstellung von Batteriegehäusen oder Batteriebehältern dient, wobei die Abmessungen des quadratischen Bodens 42,0 cm · 42,0 cm betrugen. Der Boden stand senkrecht zu den kontinuierlich angeschlossenen vier Seitenwänden, von denen jede 88 cm hoch war. Der Bodenhohlraum war 0,95 cm dick, während alle vier Seitenwände 0,635 cm Wandstärke besassen. Ein dicker Wandhohlraum von 1,59 cm. 2,54 cm lief um die Oberkante der Seitenwände herum. Das Gesamtvolumen des Hohlraumes betrug ungefähr 171,60 cm⁵. Das Kunststoffvolumen betrug 2330 cnr bezogen auf die Dichte in massivem Zustand des hoch-schlagfesten Polystyrols bei 25 C. Die Form wurde

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bei 22°C gehalten. Das Gas wurde in die Form mit einem Druck von 21 kp/cm eingespritzt. Das Werkstück wurde auf eine Temperatur von 22°C gekühlt; der Gasdruck wurde abgebaut, und das Endprodukt war ein Magenta-farbiges Batteriegehäuse oder Batteriebehälter von gleicher geometrischer Abmessung wie der Formhohlraum. Das Produkt entspricht einer Dichte des Werkstückes von 83 % derjenigen des massiven Kunstharzes. Ein in Teile zerlegtes Muster zeigte eine massive einstückige Hülle mit einer Mehrzahl von mit der Haut und einem im allgemeinen ununterbrochenen hohlen Mittelteil verbunden Stegen oder Rippen.

Beispiel 5

Pellets aus Polyäthylen hoher Dichte, die in massivem Zustand bei 25⁰C 0,962 g/cm' beträgt, und mit einem Schmelzbei .wert (melt index) von 0,8 g/min wurden mit 1 % Magenta-Farbstoff gemischt und in den Fülltrichter der zweistufigen Strangpresse nach Beispiel 1 eingefüllt. Das Kunstharz wurde durch die Strangpress-Schnecke bei einer Drehzahl von 30 U/min plastifiziert. Zu Beginn der zweiten Stufe wurde Stickstoffgas in den Kunststoff mit einem Differenzdruck von 28 kp/cm eingespritzt. In der zweiten Stufe wurde die Mischung von Gas und Polymer homogenisiert und einem Sammler zugeführt, der ein Gesamtvolumen von 7560 cm besass. Die Strangpresse und der Sammler wurden unter einem höheren Druck gehalten als der Aufschäumdruck.

Aus dem teilweise gefüllten Sammler wurden 682 g der aufschäumbaren Mischung bei einer Temperatur von 250 C in den im allgemeinen ununterbrochenen hohlen Mittelteil des mit strukturellen Stegen versehenen Produkts nach Beispiel 2 durch den offenen Einspritzkanal hindurch eingespritzt. Um den Austritt des aufschäumenden Polyäthylens hoher Dichte zu gestatten, war eine Anzahl von Austrittskanälen vorab durch die Aussenkanten gebohrt worden.

Das Werkstück wurde gekühlt und dann geprüft. Der Magenta-farbige Schaum füllte im wesentlichen den durchgehenden Hohlraum, der

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eingesprengt zwischen der Vielzahl von Stegen hindurchging.

Beispiel 6

Pellets aus hoch-schlagfestem, für allgemeine Anwendungszwecke dienendem Polystyrol mit einer Dichte von 1,04 g/cnr bei 25°C wurden in den Fülltrichter der zweistufigen Strangpresse nach Beispiel 1 eingefüllt, wobei die Plastifizierungsleistung der Strangpresse 450 mg/min betrug. Das Kunstharz wurde durch die Schnecke der Strangpresse, die mit 35 U/min umlief, plastifiziert und zu einem Sammler überführt, der ein Gesamtvolumen von 460 cnr besass.

Von dem teilweise gefüllten Sammler wurde das Kunstharz durch zwei Einspritzstellen hindurch bei einer Temperatur von 220⁰C in einen Formhohlraum mit den Abmessungen 1,27 cm · 38,2 cm · 91»7 cm eingespritzt, der in zwei Abschnitte durch Verwendung von einem Satz von regelmässig angeordneten Keilstangen mit den Abmessungen 0,95 cm · 0,95 cm · Länge L der Keilstangen zerlegt war. Es wurden vier Keilstangen mit der Länge L^ = 12,7 cm und eine mit der Länge L₂ = 17,8 cm und zwei Keilstangen mit der Länge L, = 24,2 cm benutzt, die alle wie in Fig. 8 gezeigt angeordnet waren. Das gesamte Hohlraumvolumen betrug ungefähr 4320 cnr. Das Volumen des Kunststoffes betrug 3870 cnr bezogen auf die Dichte in massivem Zustand des hoch-schlagfesten Polystyrols bei 25°C. Die Form wurde bei 22°C gehalten.

Das Gas wurde in die Form unter einem Druck von 14 kp/cm eingespritzt. Die Form wurde, während der Kunststoff kühlte, zu geringfügiger Expansion gebracht; der Gasdruck wurde abgebaut, und das Endprodukt hatte die Abmessungen 1,43 cm · 38,2 cm · 91,7 cm, wobei das Volumen der eingesetzten Keilstangen unverändert blieb. Dieses Ergebnis entspricht einer Dichte des Werkstückes von 78 % derjenigen des Kunstharzes im massiven Zustand. Ein zerlegtes Muster zeigte eine massive einstückige Hülle (Aussenhaut) mit einer Mehrzahl von Verstärkungsstegen,

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die an die Haut und an das im allgemeinen durchlaufende hohle Mittelstück angeschlossen waren. In jedem Falle wurden (ähnlich wie nach Fig. 7) Stege rings um die vorgegebene Anordnung der Keilstangen herum gebildet.

Das Verfahren nach der Erfindung wurde erfolgreich zur Herstellung von in weitem Maße unterschiedlicher Ausführungen von industriell herstellbaren Erzeugnissen mit strukturellen Stegen verwendet. Gegenstände mit einer komplizierten Geometrie, z.B. Reisefutterale (trip kits) und Batteriegehäuse oder Batteriebehälter wurden auf diese Weise geformt. Die mit strukturellen Stegen versehenen Gegenstände finden auch Anwendung in Form von Türen, Möbeln, Baldachinen und Bedachungsteilen, genormten Baueinheiten, Kisten und Kühlern, Schalen für Esswaren, Teilen für den Kraftfahrzeug- und Flugzeugbau, Telefongehäuse, Musikinstrumentenbehälter und dergleichen.

Da sowohl die erfindungsgemässen Gegenstände mit strukturellem Steg oder Stegen als auch die zum Stand der Technik gehörigen Gegenstände mit strukturellem Schaum Erzeugnisse geringer Dichte sind, werden die Biegeeigenschaften von beiden nachstehend mit denjenigen von massivem Material aus dem gleichen Kunststoff, d-rh. aus Polyäthylen hoher Dichte, gemäss der folgenden Zahlentafel verglichen.

Die Dichte D von nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Körpern mit strukturellen Stegen erhält in der nachstehenden Zahlentafel den Zusatz SW. Die Dichte von mit im inneren Hohlraum mit aufgeschäumtem strukturellen Material gefüllten Körpern erhält in der nachstehenden Zahlentafel den Zusatz SF. Die angegebenen Dichtezahlen bezeichnen das Verhältnis der Dichte einer Probe zu der für einen massiven Körper mit 1,0 angegebenen Dichte.

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Zahlentafel

Dichte (D) für nach dem Verfahren SW oder SF ausgebildete Körper

Streckgrenze in kp/cm

Biegemodul (flexural modulus) nach ASTM-D-790 bei 1 % Sekante (secant) in kp/cm²

O,45/SW 0,45/SF 0,68/SW 0,68/SF

74,76 72,1 112,0 114,80

1,0 bei massivem Körper 28,0

524,3 459,9 833,0 744,0 105,0

c.t£ Es ist somit ersichtlich, dass bei identischen Dichten'für SF und SW die Streckgrenzen ungefähr einander gleich sind, der Biegemodul für SW jedoch 14 % grosser ist. In gleicher Weise sind für die Dichte D = 0,68 die Streckgrenzenwerte wiederum nahezu einander gleich, während der Biegemodul für SV/ 12 % grosser ist. Die Bedeutung der höheren Werte für die Biegemoduli lässt sich besser verständlich in Form der Biegefestigkeit bzw. Steifigkeit ausdrucken:

Biegefestigkeit =c »(Dicke) »Modul

Für Anwendungsfälle, in denen äquivalente Biegefestigkeit verlangt wird, würde durch die Ausführungsform SV/ ein gutes Ergebnis bei einer Dichte von 0,39 geliefert, welche eine Ausführungsform SF bei einer Dichte von 0,45 liefern würde; die Ausführungsform SW würde bei einer Dichte von 0,6 das gleiche Ergebnis \Le die Ausführungsform SF bei einer Dichte 0,68 liefern.

Es ist zu beachten, dass Produkte mit gewöhnlichem strukturellem Schaum, die in einer kalten Form erzeugt werden, üblicherweise einejDrall-Oberflache (swirl surface) haben. Ein Körper, der mit einer kürzlich entwickelten Technologie hergestellt ist, erlaubt die Produktion von Gegenständen mit strukturellem Schaum und glatter Oberfläche, erfordert aber die Verwendung einer heissen Form, was eine ungefähr 50 %-ige Erhöhung der Dauer einer Arbeitsperiode und bis zu einer ungefähr 25 96-igen Erhöhung der

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Formkosten mit sich bringt. Die gemäss der Erfindung hergestellten Gegenstände mit strukturellem Steg oder Stegen haben glatte Werkstückoberflächen bei Verwendung einer kalten Form, wobei wesentliche Ersparnisse bei der Herstellung der Form, bei der Dauer einer Arbeitsperiode und an Energieverbrauch erzielt werden.

Es ist selbstverständlich, dass die gemäss der Erfindung hergestellten Gegenstände mit strukturellem Steg durchsichtig sind, wenn sie aus durchsichtigem Kunststoff hergestellt werden. Dieser Faktor ist für Anwendungsgebiete wichtig, bei denen Lichtdurchlässigkeit verlangt wird.

Die Werkstücke mit strukturellem Steg oder Stegen können aus thermisch unstabilem Kunstharz (z.B. Polyvinylchlorid) und aus vernetzbaren und wärmehärtenden Kunstharzen hergestellt werden, wie es oben erläutert wurde. Bauteile können auch aus zur Erhöhung der Festigkeit verstärktem thermoplastischen Material hergestellt werden.

Gemäss der Innenkonstruktion, die bei dem Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer struktureller Stege angewendet wird, werden ungefähr 50 % der geformten Dicke gekühlt, während etwa 100 % der geformten Wandstärken im Falle des Verfahrens mit Herstellung eines strukturellen Schaumes gekühlt werden müssen. Ausserdem erhöht die verringerte Wärmeleitfähigkeit eines mit strukturellem Schaum versehenen Produkts gegenüber einem mit strukturellem Steg oder Stegen versehenen Produkt gleicher Dichte die erforderliche Kühlzeit. Zufolge der Möglichkeit, bei dem Verfahren zur Herstellung struktureller Stege Produkte mit glatter Oberfläche in einer kalten Form herzustellen, kann ferner eine kostengünstige Bearbeitung mit Werkzeugen und Formgestaltung angewendet werden. Die gesamte Summe all dieser Unterschiede von dem Verfahren zur Herstellung strukturellen Schaumes besteht darin, dass die nach dem Verfahren mit strukturellem Steg oder Stegen geschaffenen Produkte mit wesentlichen Ersparnissen beim

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Entwurf der Formgestalt und der Foraherstellung und bei der Dauer der Arbeitsperiode und dem Energieverbrauch entstehen, wobei die Arbeitsperiode als die zur Herstellung eines Produkts notwendige Gesamtzeit definiert ist.

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Claims

Dipl.-Ing. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dlpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEiNHOLD · Dr. D. GUDEL

²⁸¹¹³⁴ β FRANKFURT AM MAIN

C-10916-G

TELEFON (0611)

287014 GB. ESCHENHEIMER STRASSE 3»

Union Carbide Corporation 270 Park Avenue

10. Juni 1977 New York, N.Y. 10017/USA

Patentansprüche

1.J Verfahren zur Herstellung von geformten, mit je einem oder >—' mehreren strukturellen Stegen oder Rippen versehenen Gegenständen aus plastisch oder thermoplastisch verformbarem Kunststoff, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensstufen:

(a) Einbringen des plastischen Materials in einen Formhohlraum;

(b) Einspritzen eines strömenden Druckmittels geringer Viskosität in den Formhohlraum;

(c) Koordinieren der in der Zeiteinheit strömenden Menge des strömenden Druckmittels, des Volumens und des Verhältnisses der Länge der Strömungsbahn zur Dicke des Formhohlraums des Werkstücks, der Viskosität des plastischen Kunststoffs, seiner Elastizität, seiner Dichte und seines Volumens, der Viskosität des Druckmittels und seiner Dichte und der an der Grenzfläche zwischen dem Druckmittel und dem Kunststoff herrschenden Spannung, derart, dass die Abstimmung dieser Grossen ein Eindringen des Druckmittels in den Kunststoff verursacht und diesenveranlasst, die Umrissform des Formhohlraumes anzunehmen, und dass dadurch ein mit einem oder mehreren strukturellen Stegen oder Rippen versehener geformter Gegenstand geformt wird, ohne dass das Druckmittel geringer Viskosität die Vorderfront des Kunststoffmaterials durchbricht und ohne dass das Kunststoffmaterial gehindert wird, praktisch vollständig die Umrissform des Formhohlraumes anzunehmen, und

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ORIGINAL INSPECTED

(d) Aufrechterhalten eines positiven Drucks in der Form bis der Gegenstand sich selbst-tragend geworden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial in einer Strangpresse plastifiziert und in der Zone eines Sammlers gesammelt wird, bevor es in den Formhohlraum übergeht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel geringer Viskosität in das Kunststoff material an mehr als einer Stelle eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Stegs oder mehrerer Stege in dem herzustellenden Gegenstand dadurch gleichmässig gestaltet wird, dass zwischen den Wandungen des Formhohlraumes zusätzlich sich verändernde Dicken vorgesehen werden.

5. Mit einem strukturellen Steg oder Stegen versehener Gegenstand aus plastisch verformbarem Kunststoffmaterial, insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand um seine Aussenseite herum eine im wesentlichen durchgehende umhüllende Haut besitzt, dass ferner in dem Gegenstand ein im wesentlichen durchgehender hohler Mittelteil (18) und in diesem mindestens ein einstückiger Steg (46) angeordnet und an die Haut angeschlossen ist.

6. Mit einem oder mehreren Stegen versehener Gegenstand, insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand einen einstückigen Körper aus plastisch verformbarem Kunststoffmaterial besitzt, der mit einer Aussenhaut versehen ist und einen im allgemeinen ununterbrochenen hohlen Mittelteil besitzt und dass in diesem mindestens ein mit einer Haut verbundener Steg (46) vorgesehen ist, der an die Aussenhaut angeschlossen ist, wobei ein in der Nähe der Einspritzstelle angeordneter Steg im allgemeinen in einer Richtung zum Einspritzkanal

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hin verläuft.

7. Gegenstand mit strukturellem Steg oder mehreren solchen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) massives Kunststoffmaterial enthält.

8. Gegenstand mit einem oder mehreren Stegen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) aufgeschäumtes Kunststoff material enthält.

9. Gegenstand mit einem oder mehreren strukturellen Stegen, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass^ ein^instUckig geformten Körper aus plastisch verformbarem Kunststoffmaterial besteht und eine Aussenhaut und einen im allgemeinen hohlen Mittelteil (18) besitzt, in dem eine Vielzahl von an die Aussenhaut angeschlossenen Stegen (46) angeordnet ist, und dass diese Stege in der Nähe des Einspritzkanals im allgemeinen in einer zum Einspritzkanal (17) hin verlaufenden Richtung verlaufen, während die von dem Einspritzkanal abliegenden Stege im allgemeinen in der Richtung des Druckmittelstroms verlaufend angeordnet sind.

10. Mit strukturellem Steg oder Stegen versehener Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) massiven polymeren Kunststoff enthält.

11. Mit strukturellem Steg oder Stegen versehener Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) aufgeschäumten polymeren Kunststoff enthält.

12. Mit Steg oder Stegen versehener Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens eines der Mehrzahl von Stegen (46) innerhalb des Gegenstandes im wesentlichen gleichmässig ist.

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13. Mit Steg oder Stegen versehenes Kunststoffmaterial, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Ausssnseite des Gegenstands kontinuierlich umhüllende Haut und ein im wesentlichen kontinuierlicher hohler Mittelteil (18) in dem Gegenstand vorgesehen sind und dass in dem hohlen Mittelteil mindestens ein an die Haut angeschlossener Steg und ausgehend von der Aussenseite des Gegenstands mindestens ein Eintrittskanal zu dem hohlen Mittelteil durch die umhüllende Haut hindurchgeht.

14. Mit strukturellem Steg oder Stegen versehener Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) massiven Kunststoff enthält.

15. Mit einem strukturellen Steg versehener Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Mittelteil (18) aufgeschäumten Kunststoff enthält.

16. Mit einem strukturellen Steg oder Stegen versehener Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens eines der Stege (46) innerhalb des Gegenstands gleichmässig ausgeführt ist.

Der Patent

Dr. DL Gudel

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