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Dokumentenidentifikation DE3611687C2 02.11.1989
Titel Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern
Anmelder Hansa Metallwerke AG, 7000 Stuttgart, DE
Erfinder Göhring, Karl, Dipl.-Ing., 7000 Stuttgart, DE;
Kress, Hermann, 7024 Filderstadt, DE
Vertreter Ostertag, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Ostertag, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 08.04.1986
DE-Aktenzeichen 3611687
Offenlegungstag 15.10.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.11.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.1989
IPC-Hauptklasse B29C 67/04
IPC-Nebenklasse B29C 43/00   
Zusammenfassung Kunststoff-Formkörper werden dadurch hergestellt, daß zunächst Kunststoff-Granulatkörner durch Widerstandsheizung oberflächlich plastifiziert und hieraus unter Druck ein Vorformling gebildet wird. Der Vorformling wird dann unter weiterem Druck in einen Formhohlraum eingepreßt. Der Strom fließt bei der Widerstandserwärmung über eine mit den Kunststoff-Granulatkörnern vermischte Mischung, die ihrerseits aus einem leitfähigen Pulver, insbesondere aus Graphit, und aus einem Kunststoffpulver zusammengesetzt ist. Hierdurch wird verhindert, daß eine Überhitzung des Kunststoffes sowie die Ausbildung einer zwischen den einzelnen Granulatkörnern liegenden, kontinuierlichen Graphitschicht auftritt, wie sie bei der Verwendung einer Pulverkomponente auftreten, die ausschließlich aus leitfähigem Pulver besteht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern, bei dem

  • a) thermoplastische Kunststoff-Granulatkörner mit einem leitfähigen Pulver vermengt und überzogen werden;
  • b) ein elektrischer Strom durch die Mischung aus Granulatkörnern und leitfähigem Pulver geleitet wird, wobei die Oberflächen der Granulatkörner plastifiziert werden;
  • c) unter der Einwirkung von Druck die Mischung aus Granulatkörnern und leitfähigem Pulver zu einem Vorformling gesintert wird;
  • d) der Vorformling unter Ausbildung des Kunststoff-Formkörpers in einen Formhohlraum gepreßt wird.


Die Herstellung von Kunststoff-Formkörpern aus Kunststoff- Granulatkörnern, die oberflächlich plastifiziert, dann unter Druck zu einem Vorformling verdichtet wurden, der dann seinerseits in einen Formhohlraum eingepreßt wird, ist unter der Bezeichnung "Schlagsintern" bekannt geworden. Dieses Verfahren ist deshalb interessant, weil zum einen der energetische Aufwand verhältnismäßig gering ist (die Masse des Kunststoffes bleibt bei diesem Verfahren unaufgeschmolzen), und weil zum anderen dickwandige Kunststoff-Formkörper ohne Schwindungen hergestellt werden können, die mit normalen Gießverfahren nicht herstellbar sind.

Die oberflächliche Plastifizierung der Kunststoff-Granulatkörner, die Voraussetzung beim "Schlagsintern" ist, kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. So können die Kunststoff-Granulatkörner oberflächlich durch ein Lösungsmittel erweicht werden; alternativ kommt eine selektive Erwärmung der (geschwärzten) Oberflächen der Granulatkörner durch Mikrowellen in einem Resonator in Betracht. Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Oberflächenplastifizierung, mit der sich die vorliegende Erfindung befaßt, besteht darin, eine Mischung aus den Kunststoff-Granulatkörnern und einem leitfähigen Pulver herzustellen und dann durch diese Mischung elektrischen Strom hindurchzuleiten. Dieser Strom fließt durch das leitfähige Pulver, welches an der Oberfläche der Granulatkörner anliegt, und schmilzt bei entsprechender Verfahrensführung die Oberfläche der Granulatkörner in der erwünschten Weise auf.

Bei dem bekannten Verfahren wird dem Kunststoffgranulat reines leitfähiges Pulver in Form von Graphitteilchen ("Leitruß") beigemengt. Hier besteht die große Gefahr, daß sich die reinen Graphitteilchen im Stromfluß so stark erhitzen, daß der Kunststoff sich zersetzt und keine Sinterung zustande kommt. Das leitende Pulver bildet eine zusammenhängende Schicht zwischen den einzelnen Granulatkörnern und verhindert so deren innige Verbindung.

In der DE-OS 35 34 279 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Preßplatten beschrieben, bei welchem eine Mischung aus thermoplastischen Kunststoffpartikeln und leitendem Pulver homogen bis knapp unterhalb der Glastemperatur der thermoplastischen Kusntstoffe erwärmt wird. Bei der unter Druck erfolgenden mechanischen Verformung in der Preßvorrichtung wird dann ein möglichst homogenes Endprodukt angestrebt, welches elektrisch leitfähig sein soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine zuverlässige, innige Verbindung der Granulatkörner beim Sinterprozeß stattfindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem leitfähigen Pulver ein Kunststoffpulver beigegeben wird.

Das erfindungsgemäß dem leitfähigen Pulver zugesetzte Kunststoffpulver wird durch den Stromfluß zunächst solange erhitzt, bis seine Schmelztemperatur überschritten wird. Beim Erschmelzeln des Pulvers werden die leitenden Partikelchen von der Schmelze eingebettet und dadurch isoliert. Auf diese Weise kann der Kunststoff nicht mehr durch Überhitzen zerstört werden. Die leitfähigen Teilchen liegen nicht mehr als zusammenhängende Schicht zwischen den einzelnen Granulatkörnern sondern in einem feinkörnigen Konglomerat, eingebettet in die Schmelze, vor.

Im allgemeinen ist es zweckmäßig, wenn das Kunststoffpulver aus demselben Material besteht, aus dem auch die Granulatkörner bestehen. In diesem Falle treten mit Sicherheit keine Schwierigkeiten mit der chemischen Verträglichkeit und/oder thermische Spannungen auf.

Es ist zweckmäßig, wenn zunächst das leitfähige Pulver und das Kunststoffpulver miteinander vermischt werden und wenn erst danach diese Mischung mit den Granulatkörnern vermischt wird. Hierdurch wird weitgehend vermieden, daß es bevorzugte Strompfade durch den entstehenden Vorformling gibt. Bewährt hat sich, wenn ca. 10 bis 40 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 60 bis 90 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.

Die bisher besten Resultate wurden erzielt, wenn ca. 20 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 80 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.

Weiter empfiehlt es sich, ca. 3 bis 40 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 60 bis 97 Gew.% der Granulatkörner zu vermischen.

Hier wiederum wurden die bisher besten Ergebnisse dann erreicht, wenn ca. 20 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 80 Gew.% der Granulatkörner vermischt werden.

Der Abschluß der Sinterung läßt sich besonders einfach dadurch feststellen, daß bei der Sinterung der durch den entstehenden Vorformling fließende Strom gemessen und die Sinterung dann beendet wird, wenn der Strom auf einen bestimmten Wert abgefallen ist. Der Abfall des Stromes ist nach den obigen Ausführungen vermutlich darauf zurückzuführen, daß die einzelnen leitenden Teilchen des leitenden Pulvers in dem aufschmelzenden Kunststoffpulver sowie in dem aufschmelzenden Oberflächenmaterial des Kunststoffgranulats eingebettet werden.

Das leitfähige Pulver ist zweckmäßigerweise ein Graphitpulver ("Leitruß"); das Kunststoffmaterial ist zweckmäßigerweise ein ultrahochmolekulares Polyäthylen.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Material des Vorformlings auf dem Wege zwischen der Vorkammer und dem Formhohlraum durch mindestens eine enge Düse gepreßt, deren Abmessungen des effektiven Düsenquerschnitts kleiner als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind, wobei die Granulatkörner beim Passieren der Düse verformt werden und der Formhohlraum sukzessive von mindestens einem dünnen Strang aufgefüllt wird, der aus oberflächlich plastifizierten, mechanisch verformten Granulatkörnern besteht.

Durch die erfindungsgemäß in der engen Düse bewirkte mechanische Verformung der in ihrer Substanz weitgehend festen Granulatkörner wird eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des letztendlich entstehenden Kunststoff- Formkörpers erreicht. Dieses Verfahren wird durch die erfindungsgemäße Beigabe von Kunststoffpulver zum leitfähigen Pulver besonders erleichtert, da dann der Aufbau des endgültigen Formkörpers aus dem oder den dünnen Strängen im Formhohlraum erleichtert wird.

Verfährt man auf die geschilderte Weise, so empfiehlt es sich, daß die Düse(n) bis zur Fertigstellung des Vorformlings geschlossen bleibt (bleiben). So ist es möglich, den Vorformling unter einem ganz präzisen Druck auszubilden, ohne daß bereits über die enge Düse Material in den Formhohlraum ausgepreßt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffgranulat.

Die dargestellte Vorrichtung macht von einer herkömmlichen Presse Gebrauch, deren Rahmen 1, Pressentisch 2 und Arbeitsstempel 3 nur schematisch und teilweise gezeigt sind. Am Arbeitsstempel 3 ist elektrisch isoliert ein metallener Preßkolben 4 befestigt, der mit einem Pol einer regelbaren Gleichspannungsquelle 5 verbunden ist.

Auf dem Pressentisch 2 ist ein Auflager 6 angeschraubt, der seinerseits einen zwischen zwei seitlichen Wangen 29 stehenden Halteblock 7 trägt. In einer zur Seite und nach unten offenen Ausnehmung 8 des Halteblockes 7 ist eine zweiteilige, beheizte Form 9 angeordnet, die von einem Hilfsstempel 10 formschlüssig gegen die Oberseite der Ausnehmung 8 gedrückt wird. Hierdurch wird die Form 9 gleichzeitig in der Schließstellung verriegelt. Der Hilfsstempel 10 wird über einen Stellmotor 11 betätigt und ist zum Entformen samt der Form 9 nach unten in eine Lage absenkbar, in welcher er an einer Ausnehmung 12 der Auflage 6 zur Anlage kommt. In dieser Stellung kann dann die in der Zeichnung rechte Hälfte der Gießform 9 mittels eines weiteren Stellmotors 13 weggefahren werden.

Ein oberhalb der Gießform 9 liegender und beheizter halsartiger Bereich 14 des Halteblocks 7 wird von einem senkrechten Kanal 15 durchzogen, der in den Formhohlraum 16 mündet. Im Verlauf des Kanals 15 liegt eine einstellbare Düse, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 17 versehen ist und deren genauer Aufbau und Funktion weiter unten beschrieben werden. Der Kanal 15 durchsetzt eine über dem halsartigen Bereich 14 des Halteblocks 7 angebrachte, becherförmige Isolationsschicht 18 sowie innerhalb einer gehärteten Büchse 19 eine weitere Elektrode 20, die mit dem zweiten Pol der geregelten Gleichspannungsquelle 5 verbunden ist.

Die Elektrode 20 bildet den Boden einer Vorformkammer 21, die radial durch einen gehärteten Einsatz 22 begrenzt ist. Dieser ist in ein beheiztes Teil 23 eingeschoben, welches auf einer die Wangen 29 oben verbindenden Querplatte 30 aufgeschraubt ist. Eine auf dem geheizten Teil 23 befestigte Ringplatte 24 fixiert den Einsatz 22 in axialer Richtung.

Die einstellbare Düse umfaßt einen Dorn 25, welcher sich an seinem innenliegenden Ende konisch verjüngt. Der Dorn 25 kann mittels einer Handkurbel 26 in einer komplementären Aufnahmebohrung 27 des Halteblockes 7 verdreht werden. Der sich verjüngende, innenliegende Bereich des Dornes 25 wird von einer Durchgangsbohrung 28 durchzogen, deren Achse senkrecht zur Drehachse des Dornes 25 verläuft.

Die Anordnung ist derart, daß durch Verdrehung des Dornes 25 die Durchgangsbohrung 28 mehr oder weniger in Fluchtung mit dem Kanal 15 gebracht werden kann. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Kanal 15 und der Durchgangsbohrung 28 eine variable Überlappungszone, die in dem Wege zwischen der Vorkammer 21 und dem Formhohlraum 16 den engsten Querschnitt darstellt. Dieser engste Querschnitt wird hier "effektiver Düsenquerschnitt" genannt.

Die Funktionsweise der oben beschriebenen Vorrichtung wird nachfolgend deutlich werden, wenn die Herstellung eines konkreten Beispieles eines Kunststoff-Formkörpers im Detail beschrieben wird.

Zunächst wird aus 80 Gew.% eines Pulvers, welches aus ultrahochmolekularem Polyäthylen besteht, sowie aus 20 g Graphitpulver (einem elektrisch leitenden Pulver, welches auch "Leitruß" genannt wird) eine gründliche Mischung hergestellt. Von dieser Mischung wiederum werden 20 g mit 80 g Granulatkörnern intensiv vermischt, wobei das Material der Granulatkörner mit dem Material des obenerwähnten ultrahochmolekularen Polyäthylenpulvers übereinstimmt.

Eine entsprechende Menge der zuletzt genannten Mischung, die also aus Granulatkörnern und Pulvermischung zusammengesetzt ist, wird in die Vorkammer 21 der beschriebenen Vorrichtung eingegeben. Die Düse 17 bzw. deren Dorn 25 wird zunächst so verdreht, daß die Durchgangsbohrung 25 quersteht, also kein effektiver Düsenquerschnitt zum Materialdurchgang zwischen der Vorkammer 21 und dem Formhohlraum 16 freigegeben wird. Bei der verwendeten Vorrichtung betrug der Durchmesser der Vorkammer ca. 45 mm; die Länge des Vorformlings beträgt etwa 70 mm.

Nun wird der Preßkolben 4 in die Vorkammer 21 eingefahren, bis ein Druck von etwa 20 kp/mm2 erreicht ist. Dabei wird das in der Vorkammer 21 befindliche, Granulat enthaltende Gemisch verdichtet. Jetzt wird die Gleichspannungsquelle 5 aktiviert. Die Spannung wird so eingestellt, daß bei den erwähnten Dimensionen der Vorkammer ein Strom von etwa 6 A fließt. Die zugehörige Spannung beträgt in der verwendeten Vorrichtung ca. 24 Volt. Durch Widerstandserwärmung werden die Oberflächen der einzelnen Granulatkörner erweicht; gleichzeitig schmilzt das Kunststoffpulver, welches, wie obenerwähnt, mit dem leitenden Graphitpulver vermischt worden war, auf. Hierdurch erfolgt die eigentliche Sinterung des Inhaltes der Vorkammer 21 zu einem Vorformling.

Der Abschluß des Sinterungsprozesses ist an einem Abfall des den Vorformling durchfließenden Stromes erkennbar. Die Gründe für diesen Stromabfall sind noch nicht vollständig geklärt; wahrscheinlich beruht er auf einer "Verdünnung" des leitfähigen Graphitpulvers dadurch, daß Kunststoffmaterial aufschmilzt, in welches das Graphitpulver zunehmend eingebettet wird.

Nun wird der in der Vorkammer 21 auf den Vorformling wirkende Druck auf etwa 60 kp/mm2 erhöht. Der Dorn 25 der Düse 17 wird in eine Drehposition gebracht, die vorher entsprechend der Korngröße des Granulats, die bei etwa 3 mm lag, so bestimmt war, daß die Granulatkörner diese Stelle nur unter mechanischer Verformung passieren können. Der frühere Vorformling tritt nunmehr unter dem weiter wirkenden Druck des Preßkolbens 4 in den Formhohlraum 16 als dünner Strang ein, der aus mechanisch verformten, aber festen Granulatkörnern mit erweichter Oberfläche besteht. Dieser Strang füllt den Formhohlraum 16 auf, wobei sich die Oberfläche verschiedener Strangbereiche aneinanderlegen und miteinander verbinden. Unter dem Einfluß des durch den Kanal 15 und die Düse 17 hindurchwirkenden Druckes des Preßkolbens 4 bildet sich so im Formhohlraum 16 ein in sich zusammenhängender, einschlußfreier Formkörper aus, dessen mechanische Festigkeit diejenige des Kunststoff-Ausgangsmaterials erheblich übersteigt.

Nachdem der Aufbau des Kunststoff-Formkörpers in dieser Weise abgeschlossen ist, wird die Form 9 sofort mittels des Hilfsstempels 10 in die Entformungsposition abgesenkt. Nach Wegfahren der in der Zeichnung rechten Hälfte der Form 9 kann die Form 9 unverzüglich entleert werden, ohne daß der Formkörper thermische Schäden erleidet. Bei dem geschilderten Herstellungsverfahren wurde nämlich der Kunststoff auf eine derart homogene Temperatur gebracht, daß innerhalb des Formkörpers keine internen Spannungen auftreten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern, bei dem
    1. a) thermoplastische Kunststoff-Granulatkörner mit einem leitfähigen Pulver vermengt und überzogen werden;
    2. b) ein elektrischer Strom durch die Mischung aus Granulatkörnern und leitfähigem Pulver geführt wird, wobei die Oberflächen der Granulatkörner plastifiziert werden;
    3. c) unter der Einwirkung von Druck die Mischung aus Granulatkörnern und leitfähigem Pulver zu einem Vorformling gesintert wird;
    4. d) der Vorformling unter Ausbildung des Kunststoff-Formkörpers in einen Formhohlraum gepreßt wird,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß dem leitfähigen Pulver ein Kunststoffpulver beigegeben wird.
  3. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffpulver aus demselben Material besteht, aus dem die Granulatkörner bestehen.
  4. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das leitfähige Pulver und das Kunststoffpulver miteinander vermischt werden und daß danach diese Mischung mit den Granulatkörnern vermischt wird.
  5. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 10 bis 40 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 60 bis 90 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.
  6. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 20 Gew.% des leitfähigen Pulvers mit ca. 80 Gew.% des Kunststoffpulvers vermischt werden.
  7. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 3 bis 40 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 60 bis 97 Gew.% der Granulatkörner vermischt werden.
  8. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 20 Gew.% der Mischung aus leitfähigem Pulver und Kunststoffpulver mit ca. 80 Gew.% der Granulatkörner vermischt werden.
  9. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sinterung der durch den entstehenden Vorformling fließende Strom gemessen und das Sintern beendet wird, wenn der Strom auf einen bestimmten Wert abgefallen ist.
  10. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Pulver ein Graphitpulver ("Leitruß") ist.
  11. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein ultrahochmolekulares Polyäthylen ist.
  12. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Vorformlings auf dem Wege zwischen der Vorkammer (21) und dem Formhohlraum (16) durch mindestens eine enge Düse (17) gepreßt wird, deren Abmessungen des effektiven Düsenquerschnittes kleiner als die Abmessungen der einzelnen Granulatkörner sind, wobei die Granulatkörner beim Passieren der Düse (17) mechanisch verformt werden und der Formhohlraum (16) sukzessive von mindestens einem dünnen Strang aufgefüllt wird, der aus oberflächlich plastifizierten, mechanisch verformten Granulatkörnern, aufgeschmolzenem Kunststoffpulver und leitfähigem Pulver besteht.
  13. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse(n) (17) bis zur Fertigstellung des Vorformlings geschlossen bleibt (bleiben).






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