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Vorrichtung zum Erzeugen eines insbesondere chemisch re-
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aktionsfähigen Gemisches aus mindestens zwei Kunststoffkomponenten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines insbesondere chemisch
reaktionsfähigen Gemisches aus mindestens zwei Kunststoffkomponenten, die unter
hohem Druck und im Gegenstrom in eine Mischkammer eingebracht, vermischt und mithilfe
eines Steuerkolbens ausgebracht werden.
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Eine solche Vorrichtung wird insbesondere bei der Verschäumung von
Polyurethan-Kunststoff zum Herstellen von Formteilen nach dem Hochdruck-Gegenstrominjektions-Verfahren
eingesetzt.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 20 07 935) hat sich
gezeigt, daß die Mischqualität insbesondere nach längerer Betriebsdauer und t>ei
hoch reaktiven Komponenten mit großen Viskositätsunterschieden nicht immer zufriedenstellend
ist. Dies gilt insbesondere bei Anwendung des sogenannten R-RIM-Verfahrens (reinforced
reaction injection molding), bei dem mit Verstärkungs- oder Füllstoffen wie Glas-
oder Kohlenstoffasern, Glaskugeln, Mineralien, Schmierstoffen, Metallpulvern o.
dgl. gearbeitet wird.
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Die Ursachen für die schlechter werdende Mischqualität können zum
einen darin gesehen werden, daß die einqesprititen tioml)o-
nentenströme
nach relativ kurzer Betriebsdauer (einige Tage) nicht mehr exakt aufeinander treffen,
wodurch sich eine unvollständige bzw. für eine beschleunigte Reaktion nicht genügend
intensive Mischung ergibt. Zum anderen fordert eine Weiterentwicklung der Reaktionsgemische
insbesondere unter Verwendung der genannten Zusatzstoffe eine Verbesserung der Mischqualität;
das bloße Aufeinandertreffen der unter hohem Druck in die Mischkammer eingespritzten
Komponentenströme führt zu längeren Aushärte- bzw. Reaktionszeiten und zu Unterschieden
in der Schaumqualität der Fertigteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der die Mischqualität im oben genannten Sinne verbessert
ist.
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Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
durch ein in die Mischkammer ein- und ausfahrbares Rührwerk gelöst.
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Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird eine verbesserte Mischqualität
mit der Folge verkürzter Reaktionszeiten und gleichmäßiger Schaumqualität der Fertigteile
erreicht.
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Die erzielte zusätzliche Reaktionsbeschleunigung wird nicht durch
Spalt- Verengungen oder Drosselmechanismen wie im bekannten Fall erreicht, sondern
durch die sehr wirksame mechanische Nachvermischung in Kombination mit der bekannten
Hochdruck-Gegenstrom-Vermischung. Dies ermöglicht eine Anwendung der Vorrichtung
zur Herstellung von Formteilen in Großserie, z. B.
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im Automobilbau, mit gleichbleibender Qualität. Ferner ermöglicht
die Vorrichtung nach der Erfindung die Anwendung beim kontinuierlichen Block- und
Plattenschäumen.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird der Steuerkolben
wie
im bekannten Falle als Ventil-, Förder-, Reinigungs- und Rückführorgan für die einzelnen
Komponenten benutzt. Dabei ist eine hohe Funktionssicherheit trotz Benetzung durch
das Gemisch und sehr geringer Bauaufwand gegeben. Viskositätsunterschiede bzw. ungenügende
Vorvermischung der Kunststoffkomponenten haben keinen negativen Einfluß auf Qualität
und Reaktionszeit der Formteile.
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Mit dem Rührwerk nach der Erfindung läßt sich zusätzlich zur exakten
und intensiven Vermischung eine sogenannte "Nuklearisierung", d. h. eine Feinstverteilung
von Luftbläschen im Gemisch erreichen. Dies war bisher nur vor dem Dosieren und
Mischen im Lagerbehälter in unzureichender Weise möglich.
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Das "Nuklearisieren" läßt sich bei der Vorrichtung nach der Erfindung
aufgrund des absolut sicheren und beschleunigten Funktionsablaufes gezielt steuern,
ohne daß Störungen auftreten können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen
unter Schutz gestellt. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung der Erfindung,
bei welcher das Rührelement eine mit der Rührwelle koaxiale Abschlußplatte axial
verschieblich durchsetzt, welche eine Begrenzungswand für die Mischkammer bildet,
wobei das Rührelement vorzugsweise ein glattwandiger Stift mit in Achsrichtung gleichbleibender
Querschnitt ist, der in einer passenden Ausnehmung der Abschlulsplatte mit allseitigem
Gleitspiel zum Erzielen einer Abstreifwirkung versenkbar geführt ist.
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Diese Ausgestaltung ergibt außer der vollautomatischen Reinigung der
Mischkammer aufgrund der Abstreifwirkung des Steuerkolbens eine vollautomatische
Reinigung des Rührwerkes durch die Abstreifwirkung zwischen dem glattwandigen Stift
und der Ausnehmung in der Abschlußplatte.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist der Mischvorgang auch durch
extreme Viskositätsunterschiede der Kunststoffkomponente, durch Zusatzstoffe, durch
Verschleiß, durch unexakte Gegenstrominjektion oder durch hochreaktive Gemische
nicht beeinträchtigt.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen: Figur
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
wobei Figur 1 a eine Abwandlung darstellt, und Figur 2 einen Längsschnitt durch
eine zweite Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und Figur 3a-d Querschnitte
verschiedener Rührelemente.
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Der Einfachheit halber sind für funktionsgleiche Teile in den Figuren
gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung weist ein Zylindergehäuse 1, das
an einem Mischgehäuse 2 befestigt ist, auf. Das Zylindergehäuse 1 weist eine Stufenbohrung
mit zwei Bohrungsabschnitten 3 und 4 auf, wobei der Bohrungsabschnitt 3 größeren
Durchmesser hat In der Stufenbohrung ist ein Steuerkolben 5 mit zwei Kolbenabschnitten
6 und 7 verschieblich, wobei der Kolbenabschnitt 6 größeren Durchmessers in den
Bohrungsabschnitt 3 und der Kolbenabschnitt 7 in den Bohrungsabschnitt 4 mit Gleitspiel
passen.
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Der Bohrungsabschnitt 4 fluchtet mit einem Bohrungsabschnitt 8 gleichen
Durchmessers im Mischgehäuse 2. In diesemBohrungsabschnitt 8 ist eine Mischkammer
9 gleichen Durchmessers vor
dem Stirnende des in den Bohrungsabschnitt
8 des Mischgehäuses 2 hineinragenden Kolbenabschnittes 7 gebildet.
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In diese Mischkammer 9 münden zwei Speiseleitungen 10, 11 für zwei
Kunststoff-Ströme, die über nicht gezeigte Zerstäuber in die Speiseleitungen 10,
11 mit hohem Druck in die Mischkammer 9 eingespritzt werden.
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Die Steuerkolben 5 hat eine Längsbohrung, in der eine Welle 12 eines
insgesamt mit dem Bezugszeichen 13 bezeichneten Rührwerkes axial verschieblich und
drehbar aufgenommen ist. Zum Rührwerk 13 gehört ein in eine Bohrungserweiterung
14 des Kolbenabschnittes 7 gleitend passender Bund 15, an dem exzentrisch und achsparallel
mit der Welle 12 ein Stift 16 angebracht ist. Der Stift 16 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel
mittels einer Halteplatte 15' am Bund 15 gehalten, kann jedoch auch durch eine Verschraubung
o. dgl. direkt daran befestigt sein. Dieser Stift 16 durchsetzt mit Gleitspiel eine
Bohrung in einer drehbar im freien Ende des Kolbenabschnittes 7 untergebrachten
Abschlußplatte 17. Diese Abschlußplatte 17 bildet zusammen mit einem Haltering 18
am Kolbenende eine bündige Abschlußfläche der Mischkammer 9. Alternativ könnte die
Abschlußplatte 17 auch im Mischgehäuse 2 gelagert sein.
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Der Bohrungsabschnitt 3 bildet mit dem Kolbenabschnitt 7 des Steuerkolbens
5 einen ersten Druckraum, der über einen Druckmittelkanal 19 mit Druckmittel versorgbar
ist. Mit der Welle 12 bildet der Bohrungsabschnitt 3 oberhalb des Kolbenabschnittes
6 (in Figur 1 gesehen) einen zweiten Druckraum, der über einen Druckmittelkanal
20 mit Druckmittel versorgbar ist. Auf diese Weise kann der Steuerkolben 5 durch
Druckmittel auf und ab bewegt werden. Bei dieser Bewegung nimmt der Steuerkolben
5 die Welle 12 des Rührwerkes 13 über den Bund 15 mit. Die Abwärtsbewegung des Kolbens
5 ist durch einen Endanschlag 22 in Form eines Sacklochs im oberen Ende des Zylindergehäuses
1 begrenzt, während die Aufwärtsbewegung der'Welle 12 des Rührwerkes durch einen
gegenüber dem Zylinder-
w w B w w w w * w w * gehäuse 1 fixierten
Anschlag 21 begrenzt ist. Den Drehantrieb der Welle 12 gesorgt ein stufenlos regelbarer
elektrischer Getriebeniotur 23.
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Der Steuerkolben 5 kann die Welle 12 anstatt über den Bund 15 beispielsweise
auch über eine Madenschraube 23 mitnehmen, die seitlich in den Kolbenabschnitt 7
eingeschraubt ist und in eine Umfangsnut 24 in der Welle 12 eingreift. Der Bund
15 und die Bohrungserweiterung 14, deren Grund mit dem Bund 15 zur Mitnahine zusammenwirkt,
sind dann entbehrlich (Figur la).
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Die Vorrichtung nach Figur 1 arbeitet wie folgt: Gemäß Figur 1 befindet
sich der Steuerkolben 5 in Mischstellung, wobei er die Mischkammer9 für das Einströmen
der beiden Kunststoffkomponenten über die Kanäle 10 und 11 freigibt. Da die Uffnungen
der Kanäle 10, 11 miteinander fluchtend gegenüberliegen, vermischen sich die unter
hohem Druck in die Mischkammer 9 eintretenden Komponenten-Ströme beim Aufeinanderprallen
vor. Im gezeichneten Zustand ist der Stift 16 des Rührwerkes 13 in die Mischkammer
ausgefahren. Die Welle 12 des Rührwerkes wird vom Motor 23 angetrieben, so daß der
Stift 16 zur Nachvermischung in der Mischkammer 9 rotiert. Um das fertige Gemisch
aus der Mischkammer 9 zur Austrittsöffnung 25 des Mischgehäuses 2 hin auszutreiben,
wird der Steuerkolben 5 hydraulisch nach unten bewegt. Nach Oberwinden des Hubes
HR ist der Stift 16 bei inzwischen abgeschaltetem Motor 23 völlig in das Innere
des Steuerkolbens versenkt. Während des Versenkens wird der Stift 16 durch Abstreifen
an der Bohrung der Abschlußplatte 17 vom Reaktionsgemisch gereinigt. Gleichzeitig
reinigt der SteuerkolbenS mit dem Haltering 18 die zylindrische Wand der Mischkammer
9.
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Nach Oberwinden des Gesamthubes HM, wonach die Welle 12 den Hub AH
bis zum Anschlag 22 zurückgelegt hat, ist ein ebener Abschluß der Mischkammer 9
mit der Formteiloberfläche 26 erreicht.
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Das Gemisch strömt überwiegend frei, d.h. unter der Wirkung der Zuströmdrucke
der beiden Komponenten aus der Mischkammer in den Formhohlraum aus. Der Steuerkolben
5 schiebt bei seinem Vorwärts-
hub nur den Rest des Gemisches in
den Formhohlraum.
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Hat das Stirnende des Abschnittes 7 des Steuerkolbens 5 die Mündungen
der Kanäle 10, 11 überstrichen, so können die ausströmenden Kuns ts toff kompoilenten
über axiale Kanäle 28 im Kolbenabschnitt 7 und Rücklaufkanäle 29 im Bereich der
Trennfuge zwischen Zylindergehäuse 1 und Mischgehäuse 2 in nicht gezeigte, getrennte
Behälter für die beiden Kunststoffkomponenten zurückströmen. Anschließend wird der
Steuerkolben 5 hydraulisch wieder zurückgefahren, und gleichzeitig versetzt der
Motor 23 das Rührwerk 13 wieder in Drehung. Spätestens nach Oberwinden des Hubes
A H wird der Stift 16 wieder ausgefahren und aufgrund einer Drehung um die Wellenmitte
der Welle 12 zum Nachvermischen wieder wirksam. Der Steuerkolben 5 wirkt also als
Förder-, Reinigungs-, Ventil- und Rückführeinrichtung.
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Die Ausführung nach Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen nach
Figur 1 hauptsächlich dadurch, daß das Rührwerk 13 nicht in den Steuerkolben 2 integriert
ist sondern entgegengesetzt dazu im Mischgehäuse 2- angeordnet'ist.
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In diesem Fall kann der Stift 16 des Rührwerkes nicht durch Mitnahme
mittels des Steuerkolbens 5 ausgefahren werden. Vielmehr ist eine eigene hydraulische
Betätigungsvorrichtung erforderlich. Diese hydraulische Betätigungsvorrichtung umfaßt
einen mehrfach abgesetzten, die Rührwerkswelle 12 umgebenden Ringkolben 30, der
beidseitig über Ringräume 31, 32 und daran angeschlossene Druckmittel kanäle 33,
34 mit Druck versorgbar ist. Ein weiterer Unterschied ist, daß zum Austreiben des
fertigen Gemisches nach dem Versenken des Stiftes 16 in der drehbaren Abschlußplatte
17 das fertige Gemisch mittels einem cesonderten, quer zur Bohrung 3, 4 zur Mischkammer
9 angeordneten, hydraulisch betätigbaren Ausschiebkolben 35 ausschiebbar ist. Dieser
hydraulische Ausschiebkolben 35 trägt an seiner Stirnseite einen Querschieber 36,
welcher das Rührwerk 13 und den Steuerkolben 5 von einander trennt. Beim Ausschieben
reinigt der Querschieber sowohl den ihn führenden Kanal 37 als auch die Mischkammer
9 und die Stirnflächen von
Steuerkolben 5 und Rührwerk t3.
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In Figur 2 ist das Rührwerk 13 in voll ausgefahrenem Zustand gezeichnet.
Dabei ist ein Drosselspalt 38 zwischen dem Ende des Ringkolbens 30 und dem Auschiebkanal
37 erkennbar. Bei entsprechender konstruktiver Gestaltung dieses Drosselspaltes,
der sich mit unterschiedlichen Hüben beim Ausfahren des Rührwerkes 13 verändert,
sowie durch entsprechende konstruktive Gestaltung des Querschnitts des Ausschiebkanales
37 lassen sich in einfacher Weise die Ausström-Geschwindigkeit und der Druck in
der Mischkammer 9 beeinflussen.
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Die Anordnung des Rührwerkes nach Figur 2 kann mit derjenigen nach
Figur 1 kombiniert werden, d. h. zusätzlich zu dem durch den Steuerkolben 5 axial
verschieblichen Rührwerk 13 gemäß Figur 1 kann dort auch noch ein weiteres Rührwerk
mit eigenem Antrieb gemäß Figur 2 vorgesehen sein, oder in dem Steuerkolben 5 gemäß
Figur 2 könnte ein zusätzliches Rührwerk gemäß Figur 1 integriert sein.
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Die in der Figur 3 gezeigten Rührelemente 16 sind sämtlich glattwandig
und haben über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt, so daß sie in einer entsprechend
geformten Uffnung axial verschoben werden können.
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Figur 3a zeigt einen Kreisquerschnitt, Figur 3b einen quadratischen
Querschnitt, Figur 3c einen flachen Rechteckquerschnitt und Figur 3d einen rhombenförmigen
Querschnitt.