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Mehrstoffdüse zum Zusammenführen mindestens zweier
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fließfähiger, Kunststoff, insbesondere Schaumstoff bildender Reaktionskomponenten
zum Zwecke des Einleitens der Reaktion durch Vermischung und Verfahren zum Betrieb
dieser Mehrstoffdüse Die Erfindung richtet sich auf eine Mehrstoffdüse zum Zusammenführen
mindestens zweier fließfähiger, Kunststoff, insbesondere Schaumstoff bildender Reaktionskomponenten
zum Zwecke des Einleitens der Reaktion durch Vermischung, bestehend aus einem Gehäuse,
in das Gehäuse führenden Komponentenzuleitungen, einer im Gehäuse angeordneten Gehäusebohrung
mit koaxialem Auslaßkanal in ihrer Stirnfläche, mindestens einer in der Gehäusebohrung
koaxial geführten Nadelhülse, einer in der Nadelhülse koaxial geführten Düsennadel,
einer zwischen der Wandung der Gehäusebohrung und der Nadelhülse sowie einer zwischen
Nadelhtlse und Düsennadel angeordneten Rammer, in welche je eine der Komponentenzuleitungen
einmündet, wobei während des Schließzustandes die Düsennadel mit der inneren Stirnfläche
der Nadelhülse und die äußere Stirnfläche- der Nadelhülse mit der inneren Stirnfläche
der Gehäusebohrung Dichtsitze bilden, wohingegen
während des öffnungszustandes
die Düsennadel eine koaxiale Düsenöffnung der Nadelhülse freigibt, und zwischen
der äußeren Stirnfläche der Nadelhülse und der inneren Stirnfläche der Gehäusebohrung
eine Düsenöffnung gebildet ist. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren
zum Betrieb diese Mehrstoffdüse.
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Mehrstoffdüsen, in Spritzpistolen angeordnet, haben sich in der Lackspritztechnik
für sogenannte Zweikomponentenlacke gut bewehrt. Auf exaktes dosiertes Zusammenführen
der Komponenten auch bei Beginn und Ende des Mischvorganges braucht hierbei kein
besonderer Wert gelegt zu werden.
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Es lag nahe, derartige Mehrstoffdüsen auch für die Herstellung von
massiven oder porösen Kunststoffen einzusetzen. Für einfache Anwendungsgebiete,
wie beispielsweise die Polyurethan-Isolierschaumstoff-Technik, reichen die bekannten
Mehrstoffdüsen auch aus. Für die Fertigung hochwertiger Kunststoffteile, insbesondere
durch Formverschäumung, sind der Verwendung von bekannten Mehrstoffdüsen aus den
verschiedensten Gründen schon bald Grenzen gesetzt.
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Aus DE-PS 1 251 190 ist eine Zweikomponenten-Spritzpistole, insbesondere
zum Verspritzen von Epoxyharzen bekannt, bei welcher zwei koaxiale Flüssigkeitsdüsen
in eine sich erweiternde und dann wieder konisch verengende Mischkammer münden,
wobei an der die koaxialen
Düsenöffnungen aufweisenden Stirnseite
ein Vorsatzstück mit einer Mischkammer angeordnet ist, in welcher ein gegen die
Düsenöffnungen weisender Kegel vorgesehen ist. Schließlich sind noch Druckluftdüsen
innerhalb und außerhalb angeordnet, mit welchen Luft direkt in das Gemisch eingeblasen
wird bzw. der austretende Gemischstrahl beeinflußt wird. Ein dosiertes Zusammentreffen
der Komponenten zu Beginn und auch zu Ende des des Spritzvorganges ist nicht gewährleistet,
weil die Betätigung mit Handhebel erfolgt und damit nicht schnell genug ist. Diese
kompliziert gestaltete Mischkammer läßt sich nur mit Spülmittel reinigen.
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Ähnliche Nachteile weist die Zweikomponentenspritzpistole für Polyesterharzlacke
gemäß DE-AS 1 086 598 auf. Hier sind die erste und die zweite Düse feststehend hintereinander
angeordnet und mittels einer gemeinsamen Düsennadel verschließbar, wobei auch noch
eine koaxiale Luftdüse vorgesehen ist. Bei einer ersten Ausführungsform dieser Pistole
besteht der Nachteil, daß unmittelbar beim offenen der Düse eine Komponente voreilt
und beim Schließen nacheilt, so daß Komponentenanteile unvermischt bleiben. Bei
der zweiten Ausführungsform besteht neben diesen Nachteilen auch noch die Notwendigkeit
der Reinigung mittels Spülmittel.
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Bei der gemäß DE-OS 2 252 008 offenbarten Technik zum Zusammenführen
von Komponenten, wie Polyol und Isocyanat, sind ebenfalls koaxiale Düsen vorgesehen,
welche
in eine Mischkammer münden, wobei diese Mischkammer entsprechend
dem Druck einer Hauptkomponente durch einen federgelagerten Einsatz vergrößert oder
verkleinert wird und wobei die Düsenöffnungen durch die gegen Druckfedern wirkenden
Komponentendrücke öffnen und schließen.
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Diese Steuerungsweise genügt wegen der Ungenauigkeit der Offnungs-
und Schließzeitpunkte den heutigen Ansprüchen nicht mehr. Mittels des Einsatzes
ist im Schließzustand die Mischkammer völlig verdrängt. Dabei kann aber zwischen
zwei radialen Flächen ein Gemischfilm verbleiben, welcher ausreagiert, so daß die
Mischkammer mit der Zeit zuwachs. Die Hauptkomponente gelangt durch den Steuerspalt
in die Mischkammer. Bei dem vorliegenden Konzept kann für diese Hauptkomponente
nur sehr geringe Verdüsungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Das ist bedingt durch
den relativ großen Durchmesser und die zulässige Steuerspaltbreite, die so gewählt
werden muß, daß keine Partikel in diesem Steuerspalt abgesiebt werden, was zu Funktionsstörungen
führen könnte.
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Schließlich ist aus der DE-AS 2 031 739 (entsprechend US-PS 3 771
963) ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Schaum- oder Homogenstoffen
aus mindes-'gens zwei miteinander reagierenden Komponenten bekannt, wobei die Komponenten
getrennt an die Mischzone herangeführt und unmittelbar vor dem Eindüsen in die Mischzone
zusammengeführt und gemeinsam unter Überdruck verdüst werden, und in der Mischzone
während einer Verweil zeit von mindestens 1/1000 sec. miteinander vermischt werden
und das Gemisch anschließend ausgetragen wird. Bei der zugehörigen Vorrichtung sind
die
Zuführkanäie unmittelbar vor der Düsenmündung zusammengeführt
und enden in einer gemeinsamen Mehrstoffdüse, welche in eine Mischkammer weist.
Diese Vorrichtung besitzt ebenfalls eine gegen Druckfedern arbeitende Drucksteuerung
für die Komponenten mit den bekannten Ungenauigkeiten. Außerdem wird eine Komponente
zentral durch die Düsennadel zugeführt und ist erst stromaufwärts durch ein federbelastetes
Druckventil absperrbar. Ein Nachtropfen ist unvermeidlich und hat Verschmutzung
sowie Nacheilen dieser Komponente zur Folge.
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Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß diese Mehrstoffdüse
zum Einsatz für die RIM-Technik nicht geeignet ist, weil bei dieser Anwendung die
zentrale Zuführbohrung zuwachsen würde.
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Allen diesen vorbekannten mehrstoffdüsenartigen vorrichtungen haften
also folgende Nachteile an: Sie müssen mit Spülmittel gereinigt werden, arbeiten
zu Beginn und Ende des Zusammenflusses der Komponenten zu ungenau; demzufolge lassen
sich kleine Gemischmengen nicht reproduzierbar herstellen, Es besteht die Aufgabe,
eine Mehrstoffdüse und ein Verfahren zum Betrieb derselben zu finden, womit der
Zusammenfluß der Komponenten in dosiertem Verhältnis auch zu Beginn und Ende exakt
stattfindet, also kein Voreilen bzw, Nacheilen einer Komponente auftritt, ein spülmitteifreies
Arbeiten und auch das Zusammenführen kleinster Komponentenmengen zum Zwecke des
Einleitens der Reaktion durch Vermischung reproduzierbar möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Mehrstoffdüse der eingangs genannten
Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Düsennadel mit einem koaxialen Zapfen
versehen ist, dessen Querschnittform und -größe derjenigen der Düsenöffnung der
Nadelhülse und derjenigen des Auslaßkanals angepaßt ist und welcher im Schließzustand
den Auslaßkanal bis zum Auslaß ausfüllt, und daß sowohl der Düsennadel als auch
der Nadelhülse an ihrem anderen Ende eine Zwangssteuerung zugeordnet ist.
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Durch die Anordnung des Zapfens an der Spitze der Düsennadel und die
angegebene Gestaltung dieses Zapfens ist es erstmals gelungen, eine Mehrstoffdüse
selbstreinigend auszubilden. Die Zwangssteuerung der Düsennadel und der Nadelhülse
gestattet es, das Freigeben und Schließen der Düsenöffnungen derart exakt aufeinander
abzustimmen, daß die Reaktionskomponenten vom ersten bis zum letzten Tropfen im
genauen Dosiervirhältnis zusammengeführt werden, ohne daß eine der Komponenten vor-
bzw. nacheilt.
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Da einerseits der Auslaßkanal der Mehrstoffdüse, welcher im Schließzustand
von dem Zapfen ausgefüllt ist, sehr gering bemessen sein kann, und andererseits
sämtliche Komponenten durch diesen gemeinsamen Auslaßkanal strömen, gelingt es,
besonders geringe Komponentenmengen pro Zeiteinheit zu verdüsen, so daß auch kleinste
Formteile von wenigen Gramm Gewicht herstellbar sind.
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Damit eröffnet diese neue Technik neue Anwendungsgebiete für die Herstellung
von Formteilen aus Kunststoffen, insbesondere Polyurethan-Schaumstoffen.
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Vorzugsweise haben die Düsenöffnungen der Nadelhülse und der anschließende
Auslaßkanal gleichen Durchmesser, welchem derjenige des Zapfens mit entsprechender
Toleranz angepaßt ist. Die Düsenöffnung kann aber auch größeren Durchmesser als
der Auslaßkanal aufweisen, wobei der Zapfen entsprechend abgesetzt sein muß.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Mehrstoffdüse mehrere
konzentrische Nadelhülsen auf.
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Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, mehr als zwei Komponenten oder
eine oder mehrere Komponenten gleichzeitig durch verschiedene Düsenöffnungen zusammenzuführen,
wodurch sich zwischen den einzelnen Strahlen jeweils Grenzschichten bilden, so daß
mehrere Berührungszonen entstehen.
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Vorzugsweise sind der (den) Nadelhülse(n) und der Düsennadel unabhängig
voneinander einstellbare Hubverstellanschläge zugeordnet. Auf diese Weise lassen
sich die Verdüsungsdrücke und damit die Strahlgeschwindigkeiten besonders leicht
aufeinander abstimmen. Die Verstellbarkeit der Hubverstellanschläge kann mit mechanischen,
hydraulischen oder pneumatischen Mitteln, insbesondere auch während des Vermischungsvorganges,
verwirklicht werden.
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Nach einer besonderen Ausführungsforn besteht die Zwangssteuerung
aus hydraulischen Antrieben.
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Diese Ausführungsform aus Kolben und Zylindern ermöglicht extrem schnelles
Umschalten auf Öffnen oder Schließen der Düsenöffnungen so daß ein Voreilen oder
Nacheilen einer Komponente ausgeschlossen ist.
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Als Hydraulikflüssigkeit können hierbei durchaus auch die Komponenten
selbst verwendet werden. In diesem Falle werden die Düsennadel und die Nadelhülse
durch den Druck der Reaktionskomponenten geöffnet, geschlossen werden sie aber mittels
einer üblichen Hydraulikflüssigkeit. Auch in diesem Fall wird gegen Anschläge gearbeitet,
so daß zs sich um eine Zwangssteuerung handelt.
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Die Komponentendrücke und die Schaltgeschwindigkeiten lassen sich
derart aufeinander abstimmen, daß beim Offnen der Düsenöffnungen die Komponenten
vom ersten Moment an exakt zusammentreffen und auch beim Schließen die Unterbrechung
so exakt erfolgt, daß keinerlei Rest einer der Komponenten allein bleibt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Mehrstoffdüse Komponentenrücklaufleitungen
und Absperrorgane zugeordnet.
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Dadurch läßt sich die bei Polyurethan-Schäummaschinen allgemein bekannte
Technik, die Komponenten während der Pausenzeiten zirkulieren zu lassen, auch auf
die neue Mehrstoffdüse anwenden.
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Vorzugsweise bestehen die Absperrorgane aus hydraulischen Antrieben
und sind mit den hydraulischen Antrieben von Düsennadel und Nadelhülse(n) gekoppelt.
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In vorteilhafter Weise besitzen die Schieber der Absperrorgane Zapfen,
um beim Umschalten von Kreislauf auf Verdüsen und umgekehrt keine gespaltene Förderung
zu erhalten. Diese Absperrorgane lassen sich gleichzeitig auch als Drosselorgane
verwenden, um den Kreislaufdruck einzustellen.
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Alternativ sind Düsennadel und Nadelhülse(n) als Umschaltorgane ausgebildet,
indem sie Ansätze, Nuten oder Kanäle aufweisen, welche nur im Schließzustand der
Düsen-Öffnungen den Weg zu den Rücklaufleitungen freigeben.
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Wenn die DüsenÖ#fnungen für die konzentrisch zuziiführenden Komponenten
eine deutlich seitliche Richtungskomponente aufweisen, etwa zwischen 300 bis 1500,.
vorzugsweise zwischen 450 bis 1350, dichten diese Düsenöffnungen im Schließzustand
sicherer ab.
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Zum Betrieb der Mehrstoffdüse wird vorzugsweise von einem Verfahren
ausgegangen, gemäß welchem die Reaktionskomponenten dosiert zugeführt und eine der
Reaktionskomponenten zentral und die andere(n) jene konzentrisch umhüllend, zusammengeführt
werden.
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Das Neue ist darin zu sehen, daß beim Zusammenführen eine Relativgeschwindigkeit
zwischen dem zentralen und dem(n) konzentrischen Strahl(en) eingehalten wird.
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Diese Maßnahme bringt die besten Voraussetzungen für das Einleiten
einer guten Vermischung.
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Vorzugsweise wird eine so hohe Relativgeschwindigkeit erzeugt, daß
in der Grenzschicht zwischen den Strahlen Turbulenz entsteht.
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Diese Turbulenz sorgt für den guten Austausch der Teilchen zwischen
den beiden Strahlen. Bei Reaktionskomponenten, welche aufgrund ihrer Konstitution
schwer vermischbar sind, kann es erforderlich sein, eine Mischkammer nachzuordnen.
Häufig genagt auch schon der Aufprall des Gemischstrahles auf eine Gegenfläche.
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Nach einer besonderen Durchführungsform des Verfahrens werden bei
mehr als zwei Strahlen weitere Strahlen jeweils zu einem beliebigen Zeitpunkt zugeführt
bzw.
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unterbrochen.
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Dadurch gelingt es, während des Mischvorganges das Dosierverhältnis
zu ändern oder durch Zugabe oder Wegnahme weiterer Komponenten somit die Voraussetzungen
für besondere Eigenschaften des Fertigproduktes zu schaffen. Dies setzt natürlich
voraus, daß für diesen Fall die entsprechenden Nadelhülsen separat zwangssteuerbar
sind.
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In der Zeichnung ist die neue Mehrstoffdüse in mehreren Ausführungsbeispielen
rein schematisch im Längsschnitt dargestellt und nachstehend näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 Eine Mehrstoffdüse mit einer Nadelhülse im Schljeßzustand
der Düsenöffnungen, Fig. 2 Die Mehrstoffdüse gemäß Fig. 1 im offnungszustand der
Düsenöffnungen, Fig. 3 eine Mehrstoffdüse mit mehreren konzentrischen Nadelhillsen
im Schließzustand der Düsenöffnungen und Fig. 4 die Mehrstoffdüse gemäß Fig. 3 im
offnungszustand der Düsenöffnungen.
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In Fig. 1, 2 besteht die Mehrstoffdüse aus einem Gehäuse 1, in welches
Komponentenzuleitungen 2, 3 hineinführen. Innerhalb des Gehäuses 1 ist eine Gehäusebohrung
4 angeordnet, in welcher eine Nadelhülse 5 geführt ist, welche konzentrisch eine
in ihr geführte Düsennadel 6 umgibt. Die Komponentenzuleitung 2 mündet in eine Kammer
7, welche zwischen der Innenwand 8 der Gehäusebohrung 4 und der Nadelhülse 5 gebildet
ist. Die Komponentenzuleitung 3 mündet in eine innerhalb der Nadelhülse 5 angeordnete,
von der Düsennadel 6 durchzogene Kammer 9. Die Düsennadel 6 besitzt eine konische
Dichtfläche 10, welche im Schließzustand (Fig. 1) mit der inneren Stirnfläche 11
der Nadelhülse 5 einen Dichtsitz 12 bildet, während auch die äußere Stirnfläche
13 der Nadelhülse 5 und die innere Stirnfläche 14 der Gehäusebohrung 1 einen Dichtsitz
15
bilden. In dieser Stellung der Düsennadel 6 füllt ein an ihrer
Spitze angeordneter Zapfen 16 einen Ausströmkanal 17 völlig aus und reicht bis zum
Auslaß 18.
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Während des öffnungszustandes (Fig. 2) gibt die Düsennadel 6 bzw.
ihr Zapfen 16 eine Düsenöffnung 19 frei und zwischen äußerer Stirnfläche 12 der
Nadelhülse 5 und innerer Stirnfläche 13 der Gehausebohrung 4 ist eine ringförmige
Düsenöffnung 20 gebildet. Der Nadelhülse 5 und der Düsennadel 6 ist eine Zwangssteuerung
21 zugeordnet. Diese besteht aus hydraulischen Antrieben 22, 23, welche aus einem
in der Nadelhülse 5 angeordneten Zylinderraum 24 und einem an der Düsennadel 6 angeordneten
Kolben 25 bzw. einem einer Erweiterung der Gehäusebohrung 4 darstellenden Zylinderraum
26 mit einem an der Nadelhülse 5 angeordneten Kolben 27, sowie Zu- und Abläufen
28, 29 gebildet sind. Auf die Kolben 25, 27 wirken nicht dargestellte, relativ schwache
Federn ein, welche die Düsennadel 6 und die Nadelhülse 5 bei nicht anstehendem Hydraulikdruck
im Schließzustand halten. Sowohl der Nadelhülse 5 als auch der Düsennadel 6 sind
Hubverstellanschläge 30, 31 zugeordnet, welche in einem die Gehäusebohrung 4 bzw.
den hydraulischen Zylinderraum 26 verschließenden Deckel 32 einstellbar gelagert
sind. Von den Kammern 7, 9 führen Rücklaufleitungen 32, 33 ab, welche durch im Gehäuse
1 angeordnete Ventile 34, 35 absperrbar sind. Diese sind ebenfalls mit hydraulischen
Antrieben 36, 37, bestehend aus Kolben 38 bzw. 39 und Zylindern 40 bzw. 41 aufgebaut.
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Mittels Hubverstellanschlägen 42, 43 lassen sich die Durchströmquerschnitte
einstellen.
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Die Mehrstoffdüse gemäß Fig. 3, 4 unterscheidet sich von derjenigen
gemäß Fig. 1, 2 lediglich Dadurch, daß in der Gehäusebohrung 51 des Gehäuses 52
die Düsennadel 53 neben der Nadelhülse 54 noch von zwei weiteren, ineinander konzentrisch
geführten Nadelhülsen 55, 56 umgeben ist. Nach Kenntnisnahme der Beschreibung der
in Fig. 1, 2 dargestellten Mehrstoffdüse bedarf es für den Fachmann keiner weiteren
Erläuterungen über den Aufbau und die Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß Fig.
3, 4.
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Verfahrensbeispiel: Verwendet wird die Mehrstoffdüse gemäß Fig. 1,
2. Von Vorratsbehältern werden die Komponenten Polyol und Isocyanat mittels Hochdruckdosierpumpen
im Verhältnis 2:1 über Zuleitungen 2, 3 zur Mehrstoffdüse gefördert und gelangen
bei geschlossener Mehrstoffdüse zunächst dank der geöffneten Absperrorgane 34, 35
über die Rücklaufleitungen 32, 33 wieder zurück in die Vorratsbehälter.
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Die Absperrorgane 34, 35 sind so eingestellt, daß durch Androsselung
sich Kreislaufdrücke von 200 bar für die Polyolkomponente und 40 bar für die Isocyanatkomponente
einstellen. Zur Herstellung eines Formteils wird eine Gemischmenge von 20 g benötigt.
Die Dosierpumpen fördern 30 g/sec polyol und 15 gisec Isocyanat, so daß die Zwangssteuerung
21 auf eine Verdasungszeit von 0,44 sec.
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einzustellen ist. Nun wird die Zwangssteuerung 21 betätigt, so daß
die Kolben 25 ,27 derart beaufschlagt werden, daß Nadelhülse 5 und Düsennadel 6
schlagartig angehoben und die Düsenöffnungen 19, 20 freigegeben werden.
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Die Düsenöffnung 20 ist offen, wenn die Nadelhülse 5 gegen den Anschlag
30 schlägt. Die Düsenöffnung 19 ist offen, wenn die Düsennadel 6 gegen den Anschlag
31 schläg Unter Berücksichtigung der konstruktiven Abmessungen und der unterschiedlichen
Viskositäten der Komponenten läßt sich durch entsprechende Wahl der Injektionsdrücke
erreichen, daß beide Komponenten nach dem öffnen der Düsenöffnungen 19, 20 bereits
mit den ersten Tropfen exakt im Dosierverhältnis im Auslaßkanal 17 aufeinandertreffen.
Beim Schließen macht sich dieser
Effekt in gleicher vorteilhafter
Weise bemerkbar. Die Verdüsung des Polyols bzw. des Isocyanates erfolgt mit Geschwindigkeiten
von 120 m/sec bzw. 30 m/sec unmittelbar beim Austritt, so daß zwischen dem zentralen
Polyol-Strahl und dem konzentrischen Isocyanatstrahl eine Relativgeschwindigkeit
von 90 m/sec herrscht. Dadurch wird in der Grenzschicht zwischen den beiden Strahlen
Turbulenz erzeugt.
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- L e e r s e i t e