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Dokumentenidentifikation DE3782376T2 19.05.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0256868
Titel Warmformen von Schalen aus flexiblem Kunststoffschaum.
Anmelder McNeil-PPC, Inc., New Brunswick, N.J., US
Erfinder Menard, Michael J.;
Marbach, Philip Joseph, Doylestown, PA 18901, US
Vertreter Strehl, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Schübel-Hopf, U., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Groening, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3782376
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.08.1987
EP-Aktenzeichen 873072078
EP-Offenlegungsdatum 24.02.1988
EP date of grant 28.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse B29C 51/04
IPC-Nebenklasse B29C 51/42   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf schnelles Formen flexibler Schaumstoffschalen aus Ethylen enthaltenden Schaumschichtmaterialien. Sie bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Erhitzen und Preßformen einer ethylenhaltigen Schaumschicht zur Herstellung stabiler gezogener Schalenformen.

US-A-3 923 948 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen, geschäumten Gegenständen durch Vorheizen des thermoplastischen Schichtmaterials, Warmformen der vorerhitzten Schicht durch Berührung derselben mit einem ersten Formelement, Entfernen des warmgeformten Gegenstandes und anschließendes Inberührungbringen mit einem zweiten Formelement, das auf kühlerer Temperatur gehalten wird als das erste Formelement, damit der warmgeformte Gegenstand seine Form auf Dauer beibehält.

Übliches Formen von Kunststoff-Schaumschicht-Materialien, wie Polyethylen und Polystyrol, bei geringerer Geschwindigkeit in verschiedenen Formen und Gestalten unter Verwendung von Vakuumformverfahren ist bekannt. Indessen besteht ein Hauptproblem beim schnellen Warmverformen von Ethylen enthaltenden Schaumschichtmaterialien in gewünschte Formen bei etwa 10 Arbeitszyklen/Minute in der Flexibilität und geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials sowie der Zeit, die zur thermischen Stabilisierung der geformten Schaumstofformen nach dem Erhitzen erforderlich ist, um die gewünschte, geformte Form aufrechtzuerhalten. Da erhöhte Herstellungsgeschwindigkeiten für solche geformten, Ethylen enthaltenden Schaumstofformen erforderlich sind, ist es notwendig, ein schnelles Formen und Stabilisieren der geformten, Ethylen enthaltenden Schaumstoffschalen zu erreichen, wie z. B. mindestens 10 Formzyklen/Minute und sogar bis zu 30 oder mehr Zyklen/Minute. Indessen wurden die mit dem schnellen Erhitzen und Formen von Ethylen enthaltenden Schaumstoffschichten in stabile, tiefgezogene Schaumstoffformen vorteilhaft und unerwartet überwunden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Formen einer flexiblen Kunststoffschaumschicht in geformte Schalen gewünschter stabiler Formen bereit. Gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein geschlossene Zellen aufweisendes, Ethylen enthaltendes polymer-Schaumschichtmaterial, wie Polyethylen, mit einer Dicke von 0,050-0,250 Inch (1,3-6,4 mm) zunächst von Umgebungstemperatur auf eine gewünschte Formtemperatur, wie z. B. 130-250ºF (54-121ºC), unter Verwendung einer Zwillingswärmestrahlungsheizung erhitzt. Die Wärmestrahlungsheizungen bestehen jeweils aus Heizplatten, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der Schaumschicht und nahe genug an der Schichtoberfläche angeordnet sind, um eine schnelle Erhitzungsgeschwindigkeit von mindestens 3ºF/Sek. (1,7ºC/Sek.) und vorzugsweise 10ºF/Sek. (5,5ºC/Sek.) und am meisten bevorzugt 20-60ºF/Sek. (11-33ºC/Sek.) hervorzurufen. Der Abstand zwischen der Heizplatte und Schaumstoffoberfläche beträgt 1-2 Inches (25,4-50,8 mm) in Abhängigkeit von der Erhitzungsgeschwindigkeit und den gewünschten Temperaturen, wobei geringere Abstände zur Erzielung höherer Erhitzungsgeschwindigkeiten angewandt werden. Die Wärmestrahlungsheizungen bestehen vorzugsweise aus keramischen Platten, die elektrisch durch Widerstandselemente erhitzt werden, die in den Platten eingebettet sind. Die Kunststoffschaumschicht wird zwischen den oberen und unteren Heizeinheiten bewegt und während der Erhitzung ortsfest gehalten und dann schrittweise vorwärtsbewegt, wobei die indexierten Vorwärtsbewegungen der Schicht mindestens etwa zehnmal pro Minute und bis zu 20 oder sogar darüber hinausgehende Male/Minute stattfinden.

Die erhitzte Schaumschicht wird dann intermittierend auf eine benachbarte Preßformanordnung zum schnellen Formen der erhitzten Schicht in die gewünschten Schalenformen bewegt, von denen jede eine Tiefe von mindestens etwa der 10-fachen Dicke der anfänglichen Dicke des Schaumstoffs, und vorzugsweise das 12- bis 25-fache der anfänglichen Schaumstoffdicke aufweist. Die gewöhnliche Schalentiefe beträgt etwa 0,70 Inch (17,8 mm) und überschreitet nicht etwa 2,5 Inch (63,5 mm). Für die Preßformstufe wird die erhitzte, verhältnismäßig flexible Schaumstoffschicht anfänglich zwischen ineinanderpassenden Preßformeinheiten eingeklemmt, und die Schaumschicht wird in einen Hohlraum einer unteren Preßformeinheit pneumatisch teilweise nach unten gezogen. Der passende, formende Matrizenteil einer oberen Preßformeinheit wird dann abwärts bewegt und greift in den Preßformhohlraum ein, während das geformte Schaumstoffmaterial sowohl durch den Preßformkörper als auch durch die Preßformmatrize gleichzeitig schnell abgekühlt wird, um die Dicke der erhitzten Schaumstoffschicht während des Formens auf ein Minimum zu verringern und dadurch eine geformte Schale mit einer Dicke von mindestens etwa 30% der anfänglichen Dicke der Schaumstoffschicht und vorzugsweise 40-60% der ursprünglichen Dicke herzustellen. Der Preßformkörper und die Matrize werden durch Kühlflüssigkeit gekühlt, die durch Durchflußkanäle zirkuliert, welche in dem Preßformkörper und der Matrize für den Durchfluß der Flüssigkeit, wie einer Wasser-Ethylen-Glykol-Lösung, durch die Teile des Preßformkörpers und der Matrize vorgesehen sind. Die Kühltemperatur und der Abstand der Kühlflüssigkeitskanäle werden gewählt, damit die Preßformteile bei einer Temperatur von 20-80ºF (6,6-26,6ºC) gehalten werden und eine Schaumstoffkühlgeschwindigkeit von 5-200ºF/Sek. (2,8-111ºC/Sek.) erreicht wird. Derart schnelle Kühlgeschwindigkeiten ermöglichen eine schnelle Stabilisierung der geformten, flexiblen Schaumstoffschalenform, so daß die Verdünnung des Schaumstoffs während des Formens auf ein Minimum verringert wird und die Herstellung der geformten schaumstoffschalen bei Geschwindigkeiten ermöglicht, die 10 Arbeitszyklen/Min. und vorzugsweise 12-30 Zyklen/Min. überschreiten.

Das Schaumstoffschichtmaterial aus einem Ethylen enthaltenden Polymer wird mittels bekannter Verfahren hergestellt. Eine bevorzugte Formulierung für das Schaumstoffmaterial aus dem ethylenhaltigen Polymer ist Volara Type A, welches ein quervernetzter Polyethylen-Schaumstoff ist, der von der Firma Voltek, Inc., Lawrence, Massachusetts, hergestellt und verkauft wird. Der hier verwendete Ausdruck "Ethylen enthaltender Polymer-Schaumstoff" umfaßt Polyethylen-Homopolymer und Ethylen enthaltende Co-Polymere, die vorzugsweise einen Hauptgewichtsanteil an Ethylen enthalten. Es wird bevorzugt, daß das vorliegende Polymer quervernetzt ist. Bevorzugte Co-Monomere zur Herstellung der Polymere umfassen Vinylacetat, Acryl und Methylacryl-Säuren und Ester, wie Ethylacrylat. Gemische solcher Polymere können auch verwendet werden.

Genauer gesagt, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung geformter Schaumstoffschalen aus einem Ethylen enthaltenden Schaumstoffschichtmaterial bereit und umfaßt die Bereitstellung einer Ethylen enthaltenden, geschlossene Zellen aufweisenden Schaumstoffschicht mit einer Dicke von 0,050-0,250 Inch (1,3-6,4 mm). Eine schnelle Strahlungsbeheizung der Schaumstoffschicht auf eine Temperatur von 130-250ºF (54-121ºC); und dann das Preßformen eines mittleren Teils der erhitzten Schaumstoffschicht zur Herstellung einer gewünschten, konkav geformten Schale während einer schnellen Abkühlung des geformten Schaumstoffs bis unter dessen plastische Umwandlungstemperatur durch Berührung mit der gekühlten Preßform, um eine geformte Schale innerhalb der Schaumstoffschicht mit einer Tiefe von mindestens etwa dem 10-fachen der ursprünglichen Schaumstoffdicke und einer Dicke von mindestens etwa 30% der ursprünglichen Schichtdicke herzustellen. Die geformte Schale hat vorzugsweise eine Tiefe des 12- bis 25-fachen der anfänglichen Schaumstoffschichtdicke und eine Dicke von 40-60% der ursprünglichen Schichtdicke. Die Schaumstofferhitzungs- und -formstufen werden bei 10-30 Arbeitszyklen/Min. vervollständigt.

Die Schaumstoffschicht wird intermittierend und gleichzeitig zunächst durch die Heizstufe und dann durch die Preßformstufe bewegt. Die Schaumstoffschicht wird in zwei oder drei aufeinanderfolgenden Stufen schnell erhitzt, wobei der Schaumstoff auf 130-200ºF (54-93ºC) in einer ersten Stufe, dann auf 200-250ºF (93-121ºC) in einer Enderhitzungsstufe erhitzt wird. Die Erhitzung der Schaumstoffschicht erfolgt durch Strahlungsheizungsflächen, die an jeder Seite der Schaumstoffschicht angeordnet sind und auf einer Temperatur von 400-700ºF (204-371ºC) gehalten werden, wobei die Schaumstoff-Erhitzungsgeschwindigkeit 3-60ºF/Sek. (1,7-33,3ºC/Sek.) beträgt. Der aus Kunststoff bestehende Schaumstoff wird in den zueinander passenden Preßformeinheiten mit einer Geschwindigkeit von 5-200ºF/Sek. (2,8-111ºC/Sek.) gekühlt, um den Schaumstoff schnell zu stabilisieren und das Dünnerwerden während des Preßformens auf ein Minimum zu reduzieren. Die Preßformstufe umfaßt das Abziehen von Luft von der Unterseite des Streifens, um den Streifen teilweise in den Preßformhohlraum hinein zu verformen und anschließend den erhitzten Schaumstoff durch die Matrize nach unten zu ziehen und die Schaumstoffschale um die Matrize herum unter Druck zu setzen, damit ein zusätzlicher seitlicher Druck zum Formen des Schaumstoffmaterials in dem Preßformhohlraum zur Verfügung steht.

Diese Erfindung sieht auch eine Heizeinrichtung für eine Wärmebestrahlungsheizung einer Schaumstoffschicht vor, die zwischen den Beheizungsvorrichtungen intermittierend bewegt wird. Die Heizeinrichtung umfaßt eine obere Heizeinheit, die ein Heizplattenelement enthält, das im wesentlichen parallel zu der Schaumstoffschicht ausgerichtet ist, wobei eine Keramikplatte mittels eines elektrischen Widerstandselementes erhitzt wird und eine untere Heizeinheit, die eine Wärmestahlungsheizplatte enthält, die im wesentlichen parallel zu der Schaumstoffschicht ausgerichtet ist, wodurch die Schaumstoffschicht zwischen den oberen und unteren Heizeinheiten zur schnellen Erhitzung der Schicht bewegt werden kann.

Diese Erfindung stellt zusätzlich eine Preßformeinrichtung zum schnellen Formen einer Schaumstoffschicht zur Verfügung, wobei die Einrichtung eine untere Preßformeinheit, die mindestens einen Hohlraum enthält, umfaßt, wobei die Preßformeinheit Durchflußkanäle für das Durchfließen einer Flüssigkeit durch die Einheit zur Kühlung der Preßformeinheit enthält, und der Hohlraum mit einer Mehrzahl von Kanälen versehen ist, welche die Hohlraumoberfläche schneiden und Leitmittel, die mit den Kanälen verbunden sind und den Hohlraum des Preßformkörpers zum Abziehen von Luft aus dem Hohlraum schneiden, eine obere Preßformeinheit, die ein Gestellteil umfaßt, das zum Einklemmen der Schaumstoffschicht gegen die untere Preßformeinheit dient; und einer Matrize, die Bestandteil der oberen Preßformeinheit ist und genau in den Hohlraum der unteren Preßformeinheit paßt, wobei die Matrize Durchflußkanäle für den Durchfluß einer Kühlflüssigkeit durch die Matrize zur Kühlung der Matrize und des zu formenden Schaumstoffs enthält, wodurch eine Schaumstoffschicht, die zwischen die unteren und oberen Preßformeinheiten bewegt worden ist, durch Luftabzug aus dem unteren Preßformhohlraum deformiert und ferner zwischen dem ineinanderpassenden Preßformkörperhohlraum und dem Matrizenkörper geformt wird, während die Schicht bis unter die plastische Übergangstemperatur abgekühlt wird, damit eine stabil geformte Schalenform innerhalb der Schaumstoffschicht entsteht. Die obere Preßformeinheit dient dem Einlaß von Druckluft in der Nähe der Matrize während des Ausformens der Schicht, damit Rillen in den Seiten einer geformten Schaumstoffschale geformt werden. Der seitliche Abstand zwischen dem oberen Klemmrahmen und der unteren zusammenpassenden Preßformeinheit beträgt 0,010-0,090 Inch (0,25-2,3 mm) und der Abstand zwischen der Matrize und dem passenden Preßformhohlraum beträgt 0,040-0,560 Inch (1,0-14,2 mm). Die untere Preßformeinheit und die obere Preßformeinheit enthalten 2-6 parallele Hohlräume und zusammenpassende Matrizen, die dicht parallel zueinander angeordnet sind.

Die Schaumstoffheizeinheit und die Preßformeinheit sind angeordnet, damit mindestens zwei benachbarte, aus Kunststoff bestehende Schaumstoffschalen bei jedem Preßformhub zwischen der intermittierenden Schaltbewegung der Schaumstoffschicht geformt werden, und sie können vorteilhaft so konstruiert sein, daß vier bis zehn Schalen bei jedem Preßformhub geformt werden. Die sich daraus ergebenden, geformten Schaumstoffschalen aus Kunststoff werden festgehalten, wobei sie als Ganzes an ihren Umfängen an der sie umgebenden Schicht für anschließendes Ausschneiden der Schalen aus der Schicht, wie gewünscht, als Ganzes befestigt sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese Erfindung wird weiterhin unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Schaumstoffschicht, die durch eine Beheizungsstrecke und eine Preßformstrecke zur Erzeugung geformter Schaumstoffschalen aus Kunststoff gemäß der Erfindung bewegt wird;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Heizeinheiten, die oberhalb und unterhalb der Schaumstoffschicht zur schnellen Erhitzung der Schicht angeordnet sind, und auch der Preßformeinrichtung, die oberhalb und unterhalb der Schaumstoffschicht zum Erhitzen und Preßformen der geformten Kunststoffschalen vorgesehen ist;

Fig. 3 eine detaillierte, perspektivische Ansicht der Preßformeinrichtung;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt einer aufeinander abgestimmten Preßformeinheit, bevor die Schaumstoffschicht dazwischen eingeklemmt wird;

Fig. 4A, 4B und 4C weitere Querschnitte der Preßformeinheit während aufeinanderfolgender Stufen der Schalenformschritte;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der unteren Preßformeinheit und von Hohlräumen, wobei die Vakuum- und Kühlkanäle gezeigt sind, die innerhalb der Preßformeinheit vorgesehen sind;

Fig. 5A eine perspektivische Ansicht der Unterseite der oberen Preßformeinheit einschließlich des Klemmrahmens und Matrizenteils, wobei die darin vorgesehenen Kühlkanäle gezeigt sind;

Fig. 6 ein Zeitfolgediagramm für die Preßformschritte gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der fertigen, geformten Schaumstoffschale, die einheitlich an der sie umgebenden Schaumstoffschicht angebracht ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie allgemein in Fig. 1 schematisch veranschaulicht ist, wird eine Materialschicht 10, die eine Dicke von 0,050-0,250 Inch (1,3-6,4 mm) und vorzugsweise von 0,060-0,200 Inch (1,5-5,1 mm) aufweist, von einer Vorratsrolle 11 zugeführt. Die Schicht wird über Steuerrollen 12 auf eine bewegliche Transportkette 13 geführt, die Seitenklemmen 13a zum Klemmen und Stabilisieren der Ränder der Schaumstoffschicht aufweist. Die Schicht 10 wird mittels des Förderers 13 über eine Heizstrecke 14 bewegt, die zwei Strahlungsheizeinheiten 16 und 18 umfaßt, die oberhalb bzw. unterhalb der Schicht angeordnet sind. Die Zwillingsheizeinheiten heizen die Schaumschicht 10 von der Umgebungstemperatur schnell auf 130-250ºF (54-121ºC) auf, während sie schrittweise zwischen den Einheiten hindurchbewegt wird.

Die Heizeinheiten 16 und 18 sind jeweils mit einer Heizplatte 15 bzw. 17 versehen, die sich aus gegenüber Hitze widerstandsfähigem, elektrisch isolierendem Material, wie Aluminium, Keramik oder Quarz, mit einer Dicke von etwa 0,250 Inch (6,4 mm) zusammensetzen. Jede Platte wird auf die gewünschte Temperatur durch elektrische Widerstandselemente erhitzt, die in Rillen in den Rückseiten der Keramikplatte eingebettet sind. Im Abstand zwischen den Heizplatten 15 und 17 und der Schaumschicht 10 sollte mindestens etwa 1 Inch (25 mm) aus praktischen Konstruktionsgründen vorgesehen sein und gewöhnlich nicht etwa 2 Inches (51 mm) überschreiten, um die erwünschten Heizgeschwindigkeiten von 3-60ºF/Sek. (1,7-33,3ºC/Sek.) für die Schaumstoffschicht zu erreichen. Die Heizeinheiten 16 und 18 sind gewöhnlich so bemessen, daß zumindest ein Teil der Länge der Schaumstoffschicht erhitzt wird, der dem durch die Preßform geformten Teil entspricht, d. h. die Heizvorrichtungen haben eine Gesamtlänge, die mindestens der Schaltlänge für die Schaumstoffschicht entspricht.

Wie weiterhin in der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 2 gezeigt ist, wird die Erhitzung des Schaumstoffs gewöhnlich durch abgestufte Infrarot-Heizeinheiten vorgesehen, die in Reihe längs der Schaumstoffschicht 10 angeordnet sind, wobei die Erste-Stufe-Einheiten 16a, 18a der Erhitzung der Schaumstoffschicht von der Umgebungstemperatur bis auf eine Anfangstemperatur von etwa 130-200ºF (54-93ºC) und die Heizeinheiten 16b, 18b der zweiten Stufe der Erhitzung des Schaumstoffs auf eine höhere Temperatur, wie 200-250ºF (93-121ºC), dienen. Es wurde festgestellt, daß Infrarotstrahlenheizung mit einer Wellenlänge von 3-6 Mikrons eine schnelle und vorteilhafte Beheizung der Ethylen enthaltenden und geschlossene Zellen aufweisenden Schaumstoffmaterialschicht ermöglicht. Die Heizeinheiten 16 und 18 sind in geeigneter Weise jeweils oberhalb und unterhalb der Schaumstoffschicht 10 mittels eines querverlaufenden Stützrahmens abgestützt, so daß, wenn immer die regelmäßige, intermittierende Vorwärtsbewegung der Schaumstoffschicht aus irgendeinem Grunde unterbrochen wird, die Heizeinheiten beide zur Seite in eine Position 19, wie gezeigt, bewegt werden, damit irgendeine zu lange, übermäßige Beheizung und eine mögliche, thermische Beschädigung der benachbarten Kunststoffschaumschicht verhindert wird.

Nach der Strahlungsbeheizung der Schaumschicht 10 wird diese weiter zu der Preßformstrecke 20 bewegt, die der Schaumstoffbeheizungsstrecke 14 dicht benachbart ist, so daß die beheizte Schaumstoffschicht 10a zu den Schalen 21 der gewünschten Form geformt wird, die einheitlich an der Schicht mittels der Preßformstrecke 20 angebracht werden, wie Fig. 1 und 2 allgemein zeigen. Die Preßformstation 20 für die erhitzte Schaumstoffschicht 10a umfaßt eine untere Preßformeinheit 22, die mehrere geformte Hohlräume 23 enthält, und eine obere Preßformeinheit 24 mit mehreren Matrizen 25 in paralleler Anordnung, die genau in die unteren Preßformhohlräume 23 passen. Wie Fig. 2 allgemein zeigt, sind vorzugsweise mindestens zwei zusammenpassende Preßformgruppen vorgesehen, die seitlich Ende an Ende quer zur Breite der Schaumstoffschicht angeordnet sind, wobei vorzugsweise 4-10 Preßformgruppen in zwei oder drei parallelen Reihen vorgesehen sind, die sich längs der Schaumstoffschicht 10 erstrecken, wie Fig. 2 allgemein zeigt.

Die untere Preßformeinheit 22 ist mittels einer Kolbenvorrichtung 26 senkrecht aufwärts bewegbar und wird durch zwei senkrechte Führungsstangen 27 und eine Stützplatte 27a geführt, so daß die Oberseite der Preßformeinheit die Unterseite der Schaumstoffschicht 10a berührt. Die Kolbenvorrichtung 26 umfaßt eine Stabilisierungsvorrichtung (nicht gezeigt), die die untere Preßformeinheit 22 starr positioniert, damit sie der abwärts gerichteten Verformungskraft der oberen Preßformeinheit 24 widerstehen kann. Die obere Preßformeinheit 24 wird von einer oberen, ortsfesten Platte 30 abgestützt, die an den beiden Stangen 27 befestigt ist, und kann mittels einer Kolbenvorrichtung 28 senkrecht abwärts bewegt und durch Stangen 30a dabei so geführt werden, daß die erhitzte Schaumstoffschicht 10a gegen den unteren Pressenteil 22 geklemmt wird. Danach werden die Matrizenteile 25 weiterhin durch die Wirkung des Matrizenkolbens 29 abgesenkt, damit sie in die unteren Formhohlräume 23 eingreifen und die Schaumstoffschalen 21 formen, die an der Schicht 10a einheitlich angebracht werden. Die obere Preßformeinheit 24 wird durch die ortsfeste, obere Stützplatte 30 so abgestützt, daß die Preßformeinheit 24 in bezug auf die obere Platte 30 senkrecht bewegbar ist, während sie durch die senkrechten Führungsstangen 30a eng geführt wird. Die senkrechte Ausrichtung zwischen der oberen Preßformeinheit 24 und der unteren Preßformeinheit 22 wird durch die beiden senkrechten Führungsstangen 27 aufrechterhalten, die mittels einer Grundplatte 27b verankert sind.

Die Preßformeinrichtung 20 ist in der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 3 näher dargestellt. Die untere Preßformeinheit 22 ist mit Verbindungen 31 für den Kühlflüssigkeitsstrom in den Preßformkörper 22b und aus diesem heraus sowie für Vakuumverbindungen 31 zu den Hohlräumen 23 versehen. Außerdem enthält die obere Stützplatte 30 Verbindungen, die für den Kühlflüssigkeitsstrom durch den (die) Matrizenteil(e) 25 und den Luftstrom zu den pneumatischen Kolben 28 zum Bewegen der oberen Preßformeinheit 24 und zum Kolben 29 zum Bewegen der Matrizen 25 in bezug auf die obere Preßformeinheit 24 erforderlich sind.

Nachdem die erhitzte Schaumstoffschicht intermittierend in die Preßformstation vorgeschoben worden ist, wird die Preßform in einem vierstufigen Verfahren betätigt. Die Konfiguration und Betätigung der zusammenpassenden Preßformeinrichtung 20 ist außerdem in dem Querschnitt gemäß Fig. 4 dargestellt. Zunächst wird der untere, den Hohlraum 23 enthaltende Preßteil 22 nach oben gegen die Schaumstoffschicht 10a bewegt, und die Schicht wird zunächst in den Hohlraum in dem Preßformkörper mittels des an den Kanälen 32 und 32a anliegenden Vakuums teilweise nach unten gezogen. Danach wird der obere Pressenteil 24, der den inneren Matrizenteil 25 und das äußere Rahmenteil 34 umfaßt, abgesenkt und ein äußerer Teil 34 geschlossen, um die Schaumstoffschicht 10a gegen den unteren Preßformkörper 22 zu klemmen. Danach wird die Matrize 25, die zunächst oberhalb der Unterkante des Rahmenteils 24b in einem Abstand "h" positioniert ist, abgesenkt, um das erhitzte, zum Teil verformte Schaumstoffmaterial in den Preßformhohlraum 23 zu drücken, wie Fig. 4A zeigt. Die Matrize 25 wird auf 30 bis 70ºF (-1 bis +21ºC) abgekühlt, um eine hinreichende Temperaturdifferenz zwischen der Matrize und der erhitzten Schaumstoffschicht 10a aufrechtzuerhalten, damit der Schaumstoff schnell abgekühlt und stabilisiert und eine exzessive Verdünnung der Schaumstoffschicht während des Ziehvorgangs vermieden wird. Außerdem wird Druckluft bei 36 um die Matrize 25 herum eingeführt, um den Schaumstoff seitlich nach außen gegen die Wände des Preßformhohlraums 23 zu drücken, um dadurch weiterhin die Seitenrillen 21a der Schale 21 zu formen. Nach einer kurzen Pause von 0,5-4 Sekunden zum Kühlen und Stabilisieren der geformten Kunststoffschalen 21 wird die obere Preßformeinheit 24 senkrecht von den geformten Schalen 21 in der Schicht 10b weggezogen, wie Fig. 4B zeigt. Auch der untere Preßformteil 22 wird von der Schicht 10b und der Schale 21 nach unten weggezogen, wie Fig. 4C zeigt. Die Schaumstoffschicht 10b, welche die darin einheitlich geformten Schalen 21 mitführt, wird dann intermittierend zwischen der Preßformeinrichtung 20 vorwärtsbewegt und es werden die Verformungsstufen, wie gewünscht, wiederholt.

Die zusammenpassenden Teile der Preßformeinrichtung 20 passen dicht ineinander, um eine angemessene Kontrolle hinsichtlich der Abmessung für den geformten Schaumstoffteil zu ermöglichen, wie es in Fig. 4 und 4A gezeigt ist. Der gesamte Zwischenraum zwischen dem Preßformflansch sollte nicht etwa 0,090 Inch (2,3 mm) überschreiten und vorzugsweise 0,010-0,080 Inch (0,25-2,0 mm) betragen. Der gesamte Zwischenraum zwischen dem Hohlraum und der Matrize sollte 0,060 Inch (15 mm) nicht überschreiten und vorzugsweise 0,040-0,560 Inch (1,0-14,2 mm) betragen.

Die untere Preßformeinheit 22 ist ferner in der perspektivischen Ansicht in Fig. 5 gezeigt, die eine bevorzugte Form für den Preßformhohlraum 23 darstellt, um eine besonders erwünschte Form des Schalenerzeugnisses zu formen. Der Preßformhohlraum 23 in dem Preßformelement 22a enthält Löcher oder Kanäle 32 kleinen Durchmessers, die einheitlich innerhalb des Hohlraums und der Kanäle 32a entlang der Längsränder des Hohlraums angeordnet sind, damit die Schaumstoffschicht durch Vakuum in den Hohlraum teilweise hineingezogen werden kann. Die Preßformkörper 22a sind jeweils abnehmbar mit einer unteren Platte 22b verbolzt und durch eine Dichtung 22c abgedichtet, um, falls erforderlich, einen Austausch zu ermöglichen. Außerdem sind Strömungskanäle 35 für den Kühlflüssigkeitsstrom durch die untere Platte 22b vorgesehen, damit die Preßformeinheit 22 gekühlt wird.

Die Klemmrahmen- und Matrizenteile der oberen Preßformeinheit 24 sind in der unteren perspektivischen Ansicht der Fig. 5A dargestellt. Der äußere Klemmrahmenteil 34, der Rillen 34a enthält, senkt die Schaumstoffschicht zunächst ab und kommt mit dieser in Berührung, um die Schicht zu stabilisieren, woraufhin der geformte Matrizenteil 23 abgesenkt wird und in den Hohlraum 23 eingreift, um die Schalen 21 zu formen und schnell abzukühlen. Der äußere Rahmenteil 34 enthält einen Strömungskanal 36 für das Hindurchleiten einer Kühlflüssigkeit durch den Rahmen zwecks wirksamer Kühlung der Oberflächen, und es ist ein ähnlich geformter Strömungskanal 37 in der Matrize 25 zum Hindurchleiten eines Kühlmittels durch die Matrize zur Kühlung ihrer Oberfläche vorgesehen.

So sind sowohl der Preßformkörper 22 und die Preßformmatrize 26 mit inneren Durchflußkanälen versehen, durch die eine Kühlflüssigkeit zirkuliert, um diese Preßformteile auf etwa 40-60ºF (4,4-15,6ºC) abzukühlen.

Daher wird die Preßformmatrize 25 in den Preßformkörperhohlraum 22a zum Formen des erhitzten Schaumstoffs eingesetzt und die fertig geformte Schaumstoffschale wird schnell bis unter ihre plastische Temperatur abgekühlt, so daß sie eine bleibende Formänderung annimmt. Es wurde festgestellt, daß die Schaumstoff-Abkühlungsgeschwindigkeit in dem Schalenbereich mindestens etwa 10ºF/Sek. (5,5ºC/Sek.) und vorzugsweise 5-200ºF/Sek. (2,8-111ºC/Sek.) betragen sollte, damit eine angemessene Stabilisierung des Schaumstoffs erreicht und die Verdünnung auf ein Minimum reduziert sowie Schalen mit einer Dicke von mindestens etwa 30% der ursprünglichen Schaumstoffdicke hergestellt und Schalenformgeschwindigkeiten von 10-30 Arbeitszyklen pro Minute erreicht werden können.

Die für die Preßformstufen zum Formen der Schaumstoffschalen erforderliche Zeitfolge ist in dem Diagramm gemäß Fig. 6 dargestellt und wird wie folgt beschrieben:

Stufe 1 Bewegen der unteren Preßformeinheit nach oben zur Berührung der Schaumstoffschicht, wonach der obere Rahmen für die Preßformeinheit abgesenkt und die Schaumstoffschicht zwischen den beiden zusammenpassenden Preßformeinheiten eingeklemmt wird.

Stufe 2 Anlegen eines Vakuums an die untere Preßformeinheit und teilweises Herabziehen der Schaumstoffschicht in den Preßformhohlraum.

Stufe 3 Ein gekühlter Matrizenteil der oberen Preßformeinheit wird abgesenkt und kühlt den Schaumstoff, während das erhitzte Schaumstoffmaterial weiterhin nach unten in die untere Preßformeinheit hineingedrückt wird und Luftdruck gleichzeitig um die Matrize herum angelegt wird, um den Schaumstoff seitlich nach außen in alle Teile des Preßformhohlraums zu drücken.

Stufe 4 Nach einer kurzen Pause von etwa 1 Sekunde für die Kühlung und Stabilisierung der geformten Schaumstoffschicht durch die gekühlte Matrize und die untere Preßformeinheit werden sowohl die untere als auch die obere Preßformeinheit von der Schaumstoffschicht im wesentlichen gleichzeitig zurückgezogen, und es wird die geformte Schicht schrittweise vorwärtsbewegt und die Preßformfolge wird wiederholt, wie gewünscht.

Eine bevorzugte Schalenform, die in der Schaumstoffschicht 10 integral geformt ist, ist in der perspektivischen Darstellung der Fig. 7 zu sehen. Die Ränder der Schaumstoffschicht werden durch Klammern 13a gehalten, die an dem Förderer 13 befestigt sind. Die geformten Schalen haben Abmessungen von 6-12 Inches (152-305 mm) Länge, 2-5 Inches (51-127 mm) Breite und eine maximale Tiefe von 0,5-2,5 Inches (12,7-63,5 mm).

Nachdem die Mehrzahl von Schalenformen auf diese Weise in der Schaumstoffschicht geformt worden ist und die Schicht intermittierend vorwärtsbewegt wurde, können die fertig geformten Schalen anschließend aus der Schaumstoffschicht in Abhängigkeit von den gewünschten, nachfolgenden Herstellungsschritten ausgeschnitten werden.

Diese Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Beispiele von Heiz- und Preßformeinheiten beschrieben, die jedoch nicht als eine Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen sind.

Beispiel 1

Eine sich längs erstreckende Schicht eines Polyethylen- Schaumstoffs mit einer Dicke von 0,125 Inch (3,2 mm) und 16 Inch (406 mm) Breite wird längs ihrer Ränder durch Klammern erfaßt, die an einer Förderkette angebracht sind und zwischen zwei Strahlungsheizeinheiten bewegt werden, die oberhalb und unterhalb der Schicht angeordnet sind. Jede Heizeinheit enthält eine elektrisch erhitzte Keramikplatte im Abstand oberhalb und unterhalb des Schaumstoffstreifens. Leistungskennwerte für die Heizeinheiten sind folgende:

Abstand der Heizvorrichtung von der Schaumstoffschicht 1,5 Inch (38 mm)

Heiztemperatur 500ºF (260ºC)

Temperatur der erhitzten Schaumstoffschicht 150ºF (66ºC)

Schaumstofferhitzungsgeschwindigkeit 30ºF/Sek. (16,7ºC/Sek.)

Beispiel 2

Die erhitzte Schaumstoffschicht wird zu einer benachbarten Preßformeinrichtung vorwärtsbewegt, die eine untere, mit zwei Hohlräumen versehene Preßformeinheit und eine obere Preßformeinheit umfaßt, die zwei Matrizen hat, welche in die unteren Preßformhohlräume hineinpassen. Beide Preßformeinheiten werden durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt, die in Strömungskanälen zirkuliert, die in den Preßformeinheiten vorgesehen sind. Ein mittlerer Teil der Schaumstoffschicht wird zunächst teilweise in jeden Preßformhohlraum durch ein Vakuum hineingezogen, woraufhin die obere Preßformeinheit abgesenkt und geschlossen wird, um den Schaumstoff dazwischen einzuklemmen. Die Matrize wird daraufhin abgesenkt und verformt den erhitzten, flexiblen Schaumstoff nach unten in den Preßformhohlraum, während die Schaumstoffschicht durch die Berührung mit den beiden Preßformteilen abgekühlt wird. Im wesentlichen gleichzeitig mit der Absenkung der Matrize wird Druckluft in einen freien Zwischenraum zwischen der Matrize und der verformten Schaumstoffschicht zugeführt, um die Schaumstoffschicht seitlich in die Seitenrillen des Preßformhohlraums hineinzudrücken und eine Schale zu formen. Daraufhin werden nach einer kurzen Pause von 0,5 Sekunden für eine weitere Abkühlung und Formstabilisierung der geformten Schaumstoffschale die Preßformeinheiten getrennt und die die geformte Schale enthaltende, geformte Schicht wird intermittierend vorwärtsbewegt und die Verformungsstufe wiederholt.

Wichtige Leistungskennwerte für die Preßformeinrichtung sind folgende:

Temperatur der Schaumstoffschicht 150ºF (66ºC)

Wandtemperatur des Preßformhohlraums 50ºF 10ºC)

Temperatur der Preßformmatrize 70ºF (21ºC)

Abkühlungsgeschwindigkeit der Schaumstoffschale 50ºF/Sek. (27,8ºC/Sek.)

Verhältnis der maximalen Schalentiefe zur ursprünglichen Dicke der Schaumstoffschicht 15

Verhältnis der Mindestdicke der Schale zur Dicke der Schaumstoffschicht 0,4

Lichter Abstand zwischen oberem Klemmrahmen und unterer Preßform 0,090 Inch (2,3 mm)

Seitlicher lichter Abstand zwischen Matrize und Preßformhohlraum 0,060 Inch (1,5 mm)

Eine geformte, hergestellte Schale hat eine Abmessung von 4 Inches (102 mm) Breite mal 7,5 Inches (191 mm) Länge und 1 Inch (25,4 mm) Tiefe.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch eine Heizeinrichtung für Strahlenbeheizung einer intermittierend bewegten Schaumstoffschicht, umfassend:

(a) eine obere Heizeinheit, die ein Heizplattenelement enthält, das parallel zu der Schaumschicht ausgerichtet ist, wobei die Platte durch ein benachbartes elektrisches Widerstandselement beheizt wird; und

(b) eine untere Heizeinheit, die eine Heizplatte enthält, welche parallel zu der Schaumstoffschicht ausgerichtet ist, wodurch die Schicht zwischen der oberen und unteren Einheit zwecks schneller Beheizung der Schicht bewegt werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht ferner eine Preßformeinrichtung zum schnellen Formen einer Schaumstoffschicht vor, bestehend aus:

(a) einem unteren Preßformkörper, der mindestens einen Hohlraum enthält, wobei der Körper Strömungskanäle für den Durchfluß einer Flüssigkeit durch den Körper zwecks Abkühlung des Preßformkörpers enthält und der Hohlraum mit einer Mehrzahl von Kanälen versehen ist, welche die Hohlraumoberfläche schneiden;

(b) Leitungsmittel, die mit den den Preßkörperhohlraum zum Abziehen von Luft aus dem Hohlraum schneidenden Kanälen verbunden sind;

(c) eine obere Preßformeinheit, die einen Rahmen zum Klemmen der Schaumstoffschicht gegen den unteren Preßformkörper umfaßt; und

(d) eine Matrize, die ein Bestandteil der oberen Preßformeinheit ist und zum dichten Eingreifen in den Hohlraum des unteren Preßformkörpers geformt ist, wobei die Matrize Kanäle für den Durchfluß einer Kühlflüssigkeit durch die Matrize zur Abkühlung der Matrize enthält, wodurch eine Schaumstoffschicht, die zwischen den unteren Preßformkörper und den oberen Preßformkörper bewegt wurde, durch Luftabzug aus dem unteren Preßformhohlraum nach unten verformt wird und ferner zwischen dem Körperhohlraum und der darin passenden Matrize verformt wird, während die Schicht unter ihre plastische Übergangstemperatur abgekühlt wird, um eine stabile, geformte Schalenform innerhalb der Schaumstoffschicht vorzusehen.

Obwohl die Erfindung breit und im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist es verständlich, daß Modifikationen und Variationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vorgenommen werden können, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche bestimmt ist.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen einer geformten Schaumstoffschale in einem Ethylen enthaltenden Schaumstoffschichtmaterial, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Zurverfügungstellen einer Ethylen enthaltenden, geschlossene Zellen aufweisenden Schaumstoffschicht mit einer anfänglichen Dicke von 0.050-0.250 inch (1,3-6,4 mm);

(b) Strahlungserhitzen der Schaumstoffschicht auf eine Temperatur von 130-250ºF (54-121ºC); und anschließend

(c) Formen eines mittleren Teils der erhitzten Schaumstoffschicht in einer Matrize zur Erzeugung einer gewünschten konkav geformten Schale mit einer Tiefe des mindestens etwa Zehnfachen der anfänglichen Schaumstoffdicke, während das geformte Schaumstoffmaterial bis unter seine plastische Übergangstemperatur während der Verformung im Formwerkzeug durch Berühren der Schicht mit einer Formwerkzeugeinheit schnell abgekühlt wird, die unter die Temperatur des erhitzten Schaumstoffs gekühlt wird, so daß eine geformte Schale innerhalb eines mittleren Teils der Schaumstoffschicht erzeugt wird, wobei die Schale eine Dicke von mindestens etwa 30% der anfänglichen Dicke der Schaumstoffschicht hat, wodurch die Verfahrensschritte der Erhitzung der Schaumstoffschicht und des Formens im Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit von 10-30 Zyklen/Minute vervollständigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erhitzung der Schaumstoffschicht durch intermittierendes Bewegen der Schicht zwischen benachbarten Strahlungsheizflächen ausgeführt wird, wobei die Heizflächen auf jeder Seite der Schaumstoffschicht angeordnet sind und auf einer Temperatur von 400-700ºF (204-371ºC) gehalten werden, um eine Erhitzungsgeschwindigkeit der Schaumstoffschicht von 3-60ºF/sec (1,7-33ºC/sec) zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Erhitzung der Schaumstoffschicht in zwei oder drei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt wird, wobei die Schaumstoffschicht in einer ersten Erhitzungsstufe auf 130-200ºF (54-93ºC) und nachfolgend bis auf 200-250ºF (93-121ºC) in einer letzten Erhitzungsstufe erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erhitzte Schaumstoffschicht intermittierend bewegt und zwischen der Formwerkzeugeinheit eingeklemmt wird, welche die Schalenränder stabilisiert, und die Formwerkzeugeinheit einen Verformungskörper und einen Stempel umfaßt, die durch ein Kühlmittel gekühlt werden, das durch darin enthaltene Flüssigkeitskanäle umläuft, während die konkav geformte Schale innerhalb der Schaumstoffschicht geformt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die im Formwerkzeug geformte Schale eine Tiefe von dem 12- bis 25-fachen der ursprünglichen Dicke des Schaumstoffschichtmaterials aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Verformungsstufe in dem Formwerkzeug das Abziehen von Luft unter der Schaumstoffschicht zum teilweisen Verformen der Schicht in eine untere Matrize der Formwerkzeugeinheit umfaßt, die Schaumstoffschicht durch den Stempel weiter nach unten verformt wird und Luft die konkave Schaumstofform um den Stempel herum an diesen andrückt, um eine zusätzliche seitliche Verformung der Schaumstoffschicht in der unteren Matrize der Formwerkzeugeinheit zu erzielen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erhitzte Schaumstoffschicht in der Formwerkzeugeinheit mit einer Geschwindigkeit von 5-200ºF/sec (2,8-111ºC/sec) gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Schaumstoffschichtmaterial geschlossene Zellen aufweisendes Polyethylen mit einer Anfangsdicke von 0.060-0.200 inch (1,5-5,1 mm) ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem 2-10 geformte Schaumstoffschalen gleichzeitig aus der Schaumstoffschicht hergestellt werden.

10. Verfahren zum Herstellen geformter Schaumstoffschalen in einem Ethylen enthaltenden Schaumstoffschichtmaterial, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Zurverfügungstellen einer geschlossene Zellen aufweisenden, Polyethylen enthaltenden Schaumstoffschicht mit einer Anfangsdicke von 0.060-0.200 inch (1,5-5,1 mm);

(b) intermittierendes Bewegen der Schaumstoffschicht zwischen benachbarten Strahlungsheizflächen und Strahlungsbeheizung der Schaumstoffschicht von Umgebungstemperatur bis 130-250ºF (54-121ºC) bei einer Heizgeschwindigkeit von 3-60ºF/sec (1,7-33,3ºC/sec);

(c) Klemmen der erhitzten Schaumstoffschicht zwischen ineinander passenden Formwerkzeugeinheiten zum Stabilisieren der Schichtränder, und Formen der erhitzten Schaumstoffschicht im Formwerkzeug zur Erzeugung der gewünschten konkavförmigen Schale mit einer Ziehtiefe von etwa dem 12- bis 25-fachen der Anfangsdicke der Schaumstoffschicht, während gleichzeitig der Stempelteil der Formwerkzeugeinheit schnell gekühlt wird, um das erhitzte Schaumstoffmaterial während der Verformungsstufe im Formwerkzeug zu stabilisieren und dadurch die Dicke der geformten Schale bei mindestens etwa 30% der Anfangsdicke der Schaumstoffschicht zu halten;

(d) Unterdrucksetzen der konkaven Schaumstofform um den Stempel herum, um die Schaumstoffschicht zusätzlich seitlich innerhalb der unteren Matrize der Formwerkzeugeinheit zu formen; und

(e) Kühlen der Matrizen- und Stempelteile der Formwerkzeugeinheit, um die Schaumstoffschicht bei 5-200ºF/sec (2,8-111ºC/sec) zu kühlen und die geformte Schaumstoffschale zu stabilisieren und dadurch eine Mehrzahl geformter Schaumstoffschalen innerhalb eines mittleren Teils der Schaumstoffschicht zu erzeugen, wodurch die Verfahrensschritte der Erhitzung der Schaumstoffschicht und der Formung im Formwerkzeug bei 10-30 Zyklen/Minute vervollständigt werden.







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