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Verfahren und Vorrichtunq zum mindestens zweistufigen
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Spritzgießen von zusammengesetzten Formkörpern aus Polymeren sowie
Anwendung des Verfahrens
Verfahren und Vorrichtung zum mindestens
zweistufigen Spritzgiessen von zusammengesetzten Formkörpern aus Polymeren sowie
Anwendung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss
Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie eine Anwendung des Verfahrens.
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Ein häufig angewandtes Verfahren zur serienmässigen Herstellung von
mehrteiligen, aus mindestens zwei Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften
zusammengesetzten Formkörpern ist das Spritzgiessen, das insbesondere bei der Verarbeitung
thermoplastischer Polymere Anwendung findet.
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Bei den bekannten Spritzgiessverfahren geht man allgemein so vor,
dass man zur Herstellung zusammengesetzter Formkörper die einzelnen Polymere nacheinander
in eine Spritzgiessform einspritzt und dort nacheinander aushärten lässt. Dabei
wird zunächst ein in fester Form, z. B. als Granulat, vorliegendes Polymer auf eine
Temperatur erhitzt, bei der es in flüssiger Form vorliegt, und mittels einer beheizten
Zuführungseinrichtung in eine gekühlte Form eingeführt. Das, üblicherweise thermoplastische,
Polymer härtet in der Form, deren Temperatur unterhalb der Verflüssigungstemperatur
des Polymers liegt, praktisch sofort aus und verliert dabei seine Reaktionsfähigkeit.
Danach wird auf das bereits ausgehärtete Polymer ein weiteres in der gleichen Weise
aufgespritzt. Dieses härtet in der gekühlten Form ebenfalls unmittelbar nach dem
Einbringen aus. Da nach dem Aushärten die zum Aufbau von Bindungen notwendige Reaktionsfähigkeit
der Polymere erschöpft ist, kommt keine Verbindung zwischen den nacheinander in
die Form eingebrachten
Polymeren zustande. Um diese dauerhaft und
fest miteinander zu verbinden, ist die Verwendung von Vulkanisationsmitteln notwendig.
Diese können entweder in einem gesonderten Arbeitsgang zwischen zwei Spritzvorgängen
eingebracht oder mindestens einem der verwendeten Polymere zugemischt werden.
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Bei den bekannten Verfahren wirkt es sich nachteilig aus, dass zahlreiche
Polymere bei den zur Verflüssigung notwendigen Temperaturen, die bei diesen Verfahren
während des gesamten Spritzvorganges aufrechterhalten werden müssen, einem mehr
oder minder starken thermischen Abbau unterliegen oder dass darin enthaltene Füllstoffe,
die thermisch instabil sind, zersetzt oder ausgeschieden werden. Dies hat zur Folge,
dass die zum Zuführen des Polymers verwendeten Zuleitungen und die Spritzdüsen verhältnismässig
rasch durch ausgeschiedenen Kohlenstoff verstopft werden und häufig gereinigt oder
ersetzt werden müssen. Dies führt zu einem erheblichen Materialverschleiss und häufigen
Unterbrechungen im Verfahrensablauf.
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Ausserdem sind die bekannten Verfahren nur für thermoplastische Polymere
anwendbar. Diese miissen überdies aus den erwähnten Gründen bei den in Betracht
kommenden Arbeitstemperaturen eine ausreichende thermische Stabilität aufweisen
und/oder ausreichend stabile Füllstoffe enthalten.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass auf den Einsatz von Vulkanisationsmitteln
nicht verzichtet werden kann. Der Einsatz von Vulkanisationsmitteln führt aber durch
die im fertigen Formkörper verbleibenden Rückstände von unverbrauchtem Vulkanisationsmittel
oder von dessen Zersetzungsprodukten zu einer Beeinträchtigung der Qualität des
hergestellten Produktes. So bestehen beispielsweise erhebliche physiologische Bedenken
bei
der Verwendung solcher Produkte als Implantate, da noch vorhandene Rückstände von
Vulkanisationsmitteln oder deren Zersetzungsprodukten zu einer gesundheitlichen
Beeinträchtigung führen können. Aehnliches gilt für die Anwendung der bekannten
Verfahren zur Herstellung von Verpackungsmaterialien oder Behältern für Lebensmittel.
Bei der Anwendung dieser Verfahren zur Herstellung elektrischer oder elektronischer
Bauteile können vorhandene Rückstände von Vulkanisationsmitteln oder deren Zersetzungsprodukten
zu einer Beeinträchtigung des Leitungsverhaltens oder der Isolationswirkung führen
und/oder eine Korrosion empfindlicher Schaltungselemente bewirken. Da es sich bei
Vulkanisationsmitteln ausserdem um sehr reaktionsfähige Substanzen handelt, können
im fertigen Produkt verbliebene Rückstände dessen vorzeitige Zerstörung bewirken.
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Ueberdies macht die Verwendung von Vulkanisationsmitteln die Einschaltung
eines Vulkanisationsvorganges notwendig, was zu einer Erhöhung des Arbeits- und
Zeitaufwandes führt und so die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, durch die eine serienmässige Herstellung von aus mindestens zwei Polymeren
mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammengesetzten Formkörpern ohne Einsatz von
Vulkanisationsmitteln und ohne Beschränkung auf thermisch stabile Polymere und/oder
thermisch stabile Füllstoffe enthaltende Polymere ermöglicht wird.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 definierte Verfahren und die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 9 definierte Spritzgiessvorrichtung gelöst.
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Da bei diesem Verfahren flüssige Polymere verwendet werden, die unter
Kühlung in eine Spritzgiessform eingebracht und dort nur für die Dauer des Vernetzungsvorganges
auf erhöhter Temperatur gehalten werden, entfällt die bei den bekannten Verfahren
unvermeidliche, nachteilige Temperaturbelastung der Polymere durch Erhitzen auf
ihre Verflüssigungstemperatur und Halten auf dieser Temperatur während des gesamten
Spritzvorganges. Aufgrund der geringeren Temperaturbelastung der verwendeten Polymere
bietet das neue Verfahren gegenüber den bekannten den Vorteil, dass es auf eine
grosse Zahl von Polymeren angewandt werden kann, unabhängig von deren thermischer
Stabilität und/oder von der ihrer Füllstoffe. Ausserdem ist das Verfahren nicht
auf die Verwendung von thermoplastischen Polymeren beschränkt, vielmehr ermöglicht
es den Einsatz einer Vielzahl von Polymeren, sofern diese bei niedrigen Temperaturen,
z.B.
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bei Raumtemperatur oder darunter, flüssig sind und durch Wärme vernetzt
werden können.
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Da selbst thermisch instabile und/oder hochgefüllte Polymere bei diesem
Verfahren keinem thermischen Abbau unterliegen, findet keine Verstopfung der zur
Zuführung der Polymere verwendeten Düsen und Zuleitungen statt, so dass die bei
den bekannten Verfahren häufig notwendige Reinigung der Düsen und Zuleitungen und
deren Ersatz entfällt. Dies bringt insbesondere bei der Serienfertigung erhebliche
Vorteile.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass auf den
Einsatz von Vulkanisationsmitteln vollständig verzichtet werden kann, da durch die
gemeinsame Vernetzung von in aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen in eine Spritzgiessform
eingebrachten Polymeren eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen diesen erreicht
wird. Dies war nicht vorauszusehen; vielmehr musste angenommen werden, dass eine
vorzeitige Vernetzung
des in einer ersten Verfahrensstufe in die
beheizte Spritzgiessform eingebrachten Polymers eintritt, so dass dieses seine zum
Aufbau von Bindungen mit einem zweiten Polymer notwendige Reaktionsfähigkeit verliert.
Diese Annahme wurde noch durch die allgemein vertretene Auffassung, eine feste Bindung
könne nur durch Vulkanisation erreicht werden, unterstützt.
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Erst durch geeignete Steuerung des Vernetzungsvorganges durch die
beschriebene Einstellung der Temperatur des in der ersten Verfahrenstufe eingebrachten
Polymers und/oder der Verweilzeit bis zur Durchführung der nächsten Verfahrenstufe
lässt sich eine vorzeitige Vernetzung des in der ersten Verfahrensstufe eingebrachten
Polymers verhindern und eine gemeinsame Vernetzung der in aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen
eingebrachten Polymere erreichen und somit der Einsatz von Vulkanisationsmitteln
vermeiden.
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Die Möglichkeit, auf den Einsatz von Vulkanisationsmitteln verzichten
zu können, bringt nicht nur den Vorteil eines vereinfachten und glatten Verfahrensablaufs
sondern vorallem den einer verbesserten Qualität der hergestellten Formkörper. Da
diese vollständig frei von Vulkanisationsmitteln sind, stehen ihrer Verwendung in
der Medizin, z. B. als Implantate, oder in der Lebensmittelindustrie, z.B. als Behälter
oder Verpackungen, keine physiologischen Bedenken entgegen.
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Bei Verwendung zur Herstellung elektrischer oder elektronischer Bauteile
ist keine schädliche Korrosionswirkung zu erwarten oder eine Beeinträchtigung ihres
Leitungsverhaltens oder ihrer Isolationswirkung zu befürchten.
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Ausserdem zeichnen sich die nach dem Verfahren hergestellten Formkörper
gegenüber den nach bekannten Verfahren erhaltenen durch eine erhöhte Haltbarkeit
aus, da sie keine Rückstände
von unverbrauchten Vulkanisationsmitteln
oder deren Zersetzungsprodukten enthalten.
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Vorteilhafte Verfahrensausgestaltungen sind in den Patentanspriichen
2 bis 8, vorteilhafte Vorrichtungsausbildungen in den Patentansprüchen 10 bis 14
und vorteilhafte Anwendungen in den Patentansprüchen 15 bis 18 beschrieben.
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Für die Auswahl der zu verwendenden Polymere kommen insbesondere die
in den Patentansprüchen 2 bis 5 erwähnten Materialien und Materialkombinationen
in Betracht. Dabei sind, insbesondere für die Herstellung von Formkörpern für die
Verwendung in der Medizin, z.B. für Implantate, oder für die Herstellung elektrischer
oder elektronischer Bauteile, die in den Patentansprüchen 3 und 4 erwähnte Polymere
und Polymerkombinationen bevorzugt.
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Darüberhinaus kann eine Vielzahl weiterer Polymerer, wie beispielsweise
Polyamide, Polyolefine oder Polyurethane, eingesetzt werden. Dabei ist sowohl die
Verwendungs von Einkomponentensystemen als auch von Zweikomponentensytemen möglich.
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Sollen aus mehr als zwei Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften
zusammengesetzte Formkörper hergestellt werden, so kann, wie in Patentanspruch 6
angegeben, die erste Verfahrensstufe ein- oder mehrmals wiederholt werden.
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Die Zuführung des ersten und/oder des zweiten Polymers, und im Falle
der Verfahrenausgestaltung gemäss Patentanspruch 6, jedes weiteren Polymers wird
zweckmässigerweise in der in Patentanspruch 7 beschriebenen Weise vorgenommen.
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Die in Patentanspruch 8 beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens
lässt
sich mit besonderem Vorteil auf die Herstellung von Schaltmatten, z.B. für Telefonapparate
mit Drucktasten oder Taschenrechner, anwenden sowie zur Herstellung von Schaltkreisen
in Hybridtechnik.
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Die Durchführung des Verfahrens unter Verwendung der Spritzgiessvorrichtung
nach Patentanspruch 9 führt zu einem reibungslosen und störungsfreien Verfahrensablauf
und ermöglicht die Herstellung von Formkörpern mit ausgezeichneter Qualität und
hoher Massgenauigkeit.
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Mittels der in den Patentansprüchen 10 und/oder 11 beschriebenen Ausbildungen
der Vorrichtung kann eine exakte Einstellung der Temperatur des ersten und/oder
des zweiten Polymers erreicht werden.
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Durch die Verwendung der in den Patentansprüchen 12 und 13 beschriebenen
Ausbildungen der Vorrichtung kann eine exakte Einstellung auch extrem kurzer Verweilzeiten
erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichungen
näher beschrieben; dabei zeigen: Figur 1: eine Spritzgiessform im Längsschnitt I
- I der Figur 2; Figur 2: die Spritzgiessform im Querschnitt II - II der Figur 1;
Figur 3: eine Schaltmatte im Ausschnitt und in perspektivischer Darstellung; und
Figur 4: die Schaltmatte der Figur 3 im Querschnitt.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Spritzgiessform, die zur Herstellung
einer Schaltmatte 2 gemäss den Figuren 3 und 4 geeignet ist. Eine solche Schaltmatte
2 enthält eine Vielzahl von Kontaktknöpfen 4 aus einem ersten Polymer, die in Vertiefungen
6 einer Matte 8 aus einem zweiten Polymer angeordnet und mit diesem fest verbunden
sind. Das erste Polymer ist beispielsweise ein Siliconkautschuk, der mit elektrisch
leitendem Kohlenstoff gefüllt und somit leitfähig ist. Das zweite Polymer ist ein
ungefüllter oder einen elektrisch isolierenden Füllstoff enthaltender Siliconkautschuk.
Die Kontaktknöpfe 4 sind mit der Matte 8 durch gegenseitige Vernetzung verbunden.
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Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Spritzgiessform ist zweiteilig
und zweistufig ausgebildet. Sie enthält einen Matrizenplattenteil 10 und einen Kernplattenteil
12, der um eine Achse 14 verschwenkbar gelagert ist und mittels einer Antriebsvorrichtung
16 zwischen einer ersten Station A und einer zweiten Station B verschwenkt wird.
Der Kernplattenteil 12 enthält Formausnehmungen 18 zur Herstellung der Kontaktknöpfe
4 an der ersten Station A, an der eine erste Zuführungseinrichtung 20 ein erstes
Polymer zuführt. Der Matrizenplattenteil 10 enthält eine Formausnehmung 22, die
an der zweiten Station B angeordnet ist und zur Herstellung der Matte 8 dient. Mit
dieser Formausnehmung 22 ist eine zweite Zuführungseinrichtung 24 an der zweiten
Station B verbunden, mittels der ein zweites Polymer zugeführt wird, welches Materialeigenschaften
aufweist die von denen des ersten Polymers der ersten Zuführungseinrichtung abweichen.
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Der Kernplattenteil 12 der Spritzgiessform enthält eine Grundplatte
26 mit einer koaxial zur Achse 14 angeordneten Achse 28, an der ein Zahnrad 30 mit
einem Zahnkranz 32 drehbar angeordnet ist und sich auf einem Axiallager 34 abstützt.
Das Zahnrad
30 trägt die mit einer Heizvorrichtung 35 versehene
Kernplatte 36, welche entsprechend den zwei Stationen A und B zwei Sätze der Formausnehmungen
18 aufweist. Die Antriebsvorrichtung 16, die beispielsweise aus einem pneumatischen
Kolben/Zylinder-Aggregat besteht, enthält eine Zahnstange 38, die mit dem Zahnkranz
32 des Zahnrades 30 kämmt und die Kernplatte 36 zwischen den zwei Stationen A und
B hin und her verschwenkt.
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Anschläge 40 dienen zur Begrenzung des Schwenkweges des Zahnrades
30 und damit der Kernplatte 36. Der Kernplattenteil 12 wird zum Verschwenken beim
Oeffnen der Form mittels Federpaketen 42 angehoben, wobei diese Federpakete 42 über
das Axiallager 34 auf das Zahnrad 30 und damit auf die Kernplatte 36 einwirken.
Der Hub wird begrenzt durch eine Anschlagschraube 44, welche mit der Kernplatte
36 verschraubt ist und die Achse 28 durchgreift. Der Schraubenkopf 46 stützt sich
auf der Rückseite der Grundplatte 26 ab.
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Der Kernplattenteil 12 ist überdies mit einer Auswerfvorrichtung 48
ausgestattet, mittels der die fertigen Formkörper bei geöffneter Spritzgiessform
an der zweiten Station B ausgeworfen werden können. Hierzu sind den Formausnehmungen
18 Auswerfstifte 50 zugeordnet, die an der der Formebene abgewandten Seite jeweils
über eine Verbindungsplatte 52 miteinander verbunden sind. Mit dieser Verbindungsplatte
52 wirkt eine Rückholfeder 54 zusammen, welche die Auswerfstifte 50 in die zurückgezogene
Stellung vorspannen. An der zweiten Station B ist in der Grundplatte 26 eine Betätigungsvorrichtung
56, beispielsweise ein Kolben/Zylinder-Aggregat angeordnet, welche mit der Verbindungsplatte
52 zusammenwirkt und zum Ausstossen der Auswerfstifte 50 dient. Bei Ausschaltung
der Betätigungsvorrichtung 56 werden die Auswerfstifte 50 mittels der Rückholfeder
54 wieder in ihre zurückgezogene Stellung gebracht.
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Der Matrizenplattenteil 10 enthält wiederum eine Grundplatte 58, an
der über eine Kühlplatte 60 die Matrizenplatte 62 angeordnet ist, die mittels einer
Heizvorrichtung 64 beheizt ist.
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Der Matrizenplattenteil 10 enthält die erste Zuführungseinrichtung
20 für das erste Polymer, die eine Anspritzdüse 66 aufweist, welche koaxial zur
Achse 14 mit einem Zufuhrkanal 68 zusammenwirkt, der zur ersten Station A führt
und über Zweigkanäle 70 zu den Formausnehmungen 18 führt. Mindestens im Bereich
der Matrizenplatte 62 und der Kühlplatte 60 sind der Zufuhrkanal 68 und die Zweigkanäle
70 mit einer Kühlvorrichtung 72 versehen, welche eine den Zufuhrkanal 68 und die
Zweigkanäle 70 umgebende Ringkammer 74 aufweist, in die eine Zuleitung 76 für ein
Kühlmittel mündet. Mittels der Kühlvorrichtung 72 kann das zugeführte Polymer auf
einer Temperatur gehalten werden, bei der noch keine nennenswerte Vernetzung des
in die Formausnehmungen einzubringenden Polymers stattfindet.
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Die zweite Zuführungseinrichtung 24 wirkt mit der zweiten Station
B zusammen und enthält eine Anspritzdüse 78, die in der Trennebene 80 der Spritzgiessform
liegt und in einen Kanal 82 mündet, der zur zweiten Formausnehmung 22 in der Matrizenplatte
62 führt. Die zweite Zuführungseinrichtung 24 ist ebenfalls mit einer Kühlvorrichtung
84 ausgestattet, um das zweite zuzuführende Polymer auf einer Temperatur zu halten,
bei der noch keine nennenswerte Vernetzung stattfindet.
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Die zum Oeffnen der Form erforderlichen Betätigungseinrichtungen sind
von üblicher Art und im einzelnen nicht näher dargestellt.
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Es sind noch eine Reihe weiterer Ausführungsbeispiele möglich.
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So kann die Spritzgiessform pro Station mehrere Formausnehmungen zur
gleichzeitigen Herstellung mehrerer Formkörper aufweisen.
Auch
ist eine Spritzgiessform möglich, die lediglich eine Station besitzt, in die beide
Zuführurgseinrichtungen münden. Dabei kann die Form mit beweglichen Formteilen ausgestattet
sein, die für die erste Verfahrensstufe erste Formausnehmungen bildet, in die aus
einer ersten Zuführungseinrichtung ein erstes Polymer zugeführt wird. Durch Verschieben
der Formteile kann eine zweite Formausnehmung gebildet werden, die mit der zweiten
Zuführungseinrichtung in Verbindung steht und zum Einbringen des zweiten Polymers
dient.
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Bei der Herstellung einer Schaltmatte, wie in den Figuren 3 und 4
dargestellt, unter Verwendung der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung
geht man so vor, dass man in einer ersten Verfahrensstufe Kontaktknöpfe 4 herstellt
und diese in einer zweiten Verfahrensstufe mittels einer Matte 8 entsprechend einem
vorgegebenen Muster verbindet.
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Zur Herstellung der Kontaktknöpfe 4 in der Spritzgiessform der Figuren
1 und 2 wird in der ersten Verfahrensstufe an der ersten Station A ein mit elektrisch
leitendem Kohlenstoff gefüllter, bei Raumtemperatur flüssiger Siliconkautschuk mittels
der Zuführungseinrichtung 20 in die Formausnehmungen 18 eingebracht, die in der
auf annähernd 1800C beheizten Kernplatte 36 angeordnet sind. Dabei wird die Temperatur
des Siliconkautschuks während der Zuführung mittels der Kühlvorrichtung 72 auf annähernd
20°C gehalten. Nach dem Einbringen des Siliconkautschuks in die Ausnehmungen 18
wird die Spritzgiessform geöffnet und der Kernplattenteil 12 mittels der Federpakete
42 angehoben und mittels der Antriebsvorrichtung 16 zu der zweiten Station B verschwenkt.
Die Dauer des Schwenkvorganges von der Station A zur Station B beträgt dabei wenige
Sekunden und kann zur Einstellung der jeweils gewünschten Verweilzeit variiert werden.
Die in Station A gebildeten, bei der dort herrschenden
Temperatur
zu ausreichender Formstabilität erhärteten Kontaktknöpfe 4 bleiben während des Schwenkvorganges
in den Formausnehmungen 18 hängen.
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In der zweiten Verfahrensstufe wird an der Station B mittels der Zuführungseinrichtung
24 ein ungefüllter oder einen elektrisch isoliernden Füllstoff enthaltender, bei
Raumtemperatur flüssiger Siliconkautschuk, der während des Einbringens bei einer
Temperatur von annähernd 20°C gehalten wird, in die Formausnehmung 22 in der Matrizenplatte
62 eingebracht. Die Temperatur der Matrizenplatte wird dabei mittels der Heizvorrichtung
64 auf annähernd 1800C gehalten. Der an Station B in die Formausnehmung 22 eingebrachte,
die Matte 8 bildende Siliconkautschuk und der an Station A eingebrachte, die Kontaktknöpfe
4 bildende Siliconkautschuk vernetzen durch die Einwirkung der in der Formausnehmung
22 herrschenden Temperatur miteinander.
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Dabei kommt es zur Ausbildung einer unlösbaren Verbindung zwischen
den Kontaktknöpfen 4 und der Matte 8 in den aneinander grenzenden Bereichen innerhalb
der Vertiefungen 6 in der Matte 8.
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Danach wird die fertige Schaltmatte mittels der Auswerfvorrichtung
48 ausgestossen und der Kernplattenteil 12 in die Ausgangslage zurückgeschwenkt.
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- L e e r s e i t e -