Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus Polytetrafluoräthylen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche erlauben, komplizierte vorgeformte Gegenstände aus Polytetrafluoräthylen, ausgehend von einem Polymer in loser Struktur wie Pulver, Granulat und dergleichen - oder in gebundener Struktur - wie z.B. als Paste - herzustellen. Die Erfindung ist von besonderem Vorteil zur Herstellung von Hohlkörpern der genannten Art, d.h. Gegenständen mit wenigstens einer Zone von mehr oder weniger plötzlich änderndem Querschnitt wie z*B. mit einer Verbindungszone zwischen Abschnitten mit konstantem Querschnitt.
Es ist bekannt, dass derartige Hohlkörper dadurch erzeugt werden können, dass man Polytetrafluoräthylenpulver oder -paste in den Zwischenraum einfüllt, welcher zwischen der Innenfläche einer starren Pressform und der Aussenfläche eines in derselben plazierten starren Kerns freibleibt, wonach das eingefüllte Material mittels eines hohlen Kolbens fortschreitend gepresst und schliesslich ein vorgeformter Gegenstand erhalten wird, welcher nach Herausnahme aus der Form einem Sinterprozess durch Hitze unterzogen wird.
Es ist bekannt, dass jeder durch dieses Verfahren erzeugte vorgeformte Gegenstand inhomogen ist, indem verschiedene Schichten des Gegenstandes unvermeidlich unterschiedlich gepresst sind, was nach dem Sintern Anlass zu erheblichen Fehlern, z.B. schädlicher Mangel an Homogenität im Material des Gegenstandes und von Sprüngen, bzw. Rissen gibt.
Solche Nachteile werden besonders offensichtlich, wenn die Gestalt des vorgeformten Gegenstandes eine komplizierte bzw. vielflächige ist, wenn der Gegenstand z.B, eine Zone aufweist, längs welcher ein Querschnitt quer zur Kompressionsrichtung sich mehr oder weniger plötzlich ändert, wie z.B. in der Verbindungszone zwischen zwei Zonen mit konstantem Querschnitt. Das in dieser Zone bereits teilweise komprimierte Material unterliegt Gleit- oder Scherbeanspruchungen, welche, da sie im Gegenstand diskontinuierlich sind, Risse oder Sprünge im vorgeformten oder im fertiggestellten Artikel nach der Sinterung desselben hinterlassen.
Darüber hinaus ist das Entfernen des vorgeformten Gegenstandes aus der Pressform bei diesem Verfahren besonders schwierig, wenn der Gegenstand eine komplizierte Gestalt hat: wenn in konkreto der Gegenstand z.B. eine Verbindungszone zwischen zwei Zonen mit konstantem Querschnitt hat, entwickelt sich eine Druckungleichheit, welche einem Herausziehen des Gegenstandes aus der Form Widerstand leistet, da beim Herausziehen in einer Richtung senkrecht zu dem genannten Querschnitt die freie Oberfläche des Gegenstandes einem Druck (in der Regel dem atmosphärischen Druck) ausgesetzt wird, der verschieden ist von dem Druck (im wesentlichen Null), welcher auf die Aussenseite des Gegenstandes wirkt, die die Innenfläche der Pressform berührt.
Daraus folgt, dass beim Entfernen des Gegenstandes Gewalt angewendet werden muss, was Sprünge oder Brüche und Fehler hauptsächlich in den Zonen des Gegenstandes zur Folge hat, wo die Aussenflächen nicht parallel mit der Austrittsrichtung des Gegenstandes sind, wie z.B. in einer Verbindungszone, deren Oberflächen im wesentlichen derart geneigt sind, dass sie bestrebt sind, eine engere Berührung mit der starren Oberfläche der Pressform herbeizuführen.
Es ist auch eine bekannte Technik, hohle Kunststoffgegenstände durch Einfüllen des Polymers als Pulver, Granulat oder Paste in den Zwischenraum zwischen Innenfläche einer starren Form und Aussenfläche einer Gegenform (Kern) vorzuformen, welche letztere mit einer Membran überzogen ist, die elastisch deformiert werden kann, welche Gegenform im Innern der Pressform angeordnet und vorzugsweise durch eine steife Stütze im Innern der Membran getragen ist. Bei Verwendung einer solchen Vorrichtung wird die Verformung eines Gegenstandes so ausgeführt, dass die Membran durch Einführen einer Flüssigkeit unter Druck auf der Innenseite der Membran nach aussen deformiert wird, wodurch das eingefüllte Material im genannten Zwischenraum gegen die Innenfläche der Form gepresst wird.
Dieses Verfahren erlaubt das Erzielen eines gleichmässigen Formlings, da der durch die elastische Mem bran vermittelte Druck über die ganze Masse des den Zwischenraum ausfüllenden Materials statisch gleich verteilt ist. Selbst wenn es durch dieses Verfahren möglich ist, einen homogenen Formling zu erhalten, werden die oben erwähnten Nachteile nicht beseitigt, da das technische Problem der Entfernung des Formlings aus der Form nicht gelöst ist. Wenn derartige Gegenstände eine verwickelte Gestalt haben, hat die Verbindungszone zweier Zonen mit konstantem Querschnitt in der Tat eine besondere Tendenz, mit der Innenfläche der starren Pressform in Berührung zu bleiben, dies als Folge des oben erläuterten Ungleichgewichtes der Drücke, so dass der Gegenstand mit Gewalt aus der Form entfernt werden muss.
Dies führt zu den bereits geschilderten Nachteilen: Fehler, Risse und Brüche des fertigen Gegenstandes.
Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde versucht, solche Gegenstände mit komplizierten Formen durch mechanische Bearbeitung - durch Hitzebehandlung aus einer Rohform zu erzielen, die durch Extrusion erhalten wurde. Auch dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass es nicht frei von Gleitbeanspruchungen des Materials in jenen Zonen ist, wo die Deformation stattfindet, und dies hat wiederum Sprünge in der Homogenität sowie ungleiche Porosität des fertigen Gegenstandes zu Folge. Daneben ist das Ausmass der Deformationen bei diesen Verfahren eher begrenzt (die Grösse eines in dieser Weise umgeformten Gegenstandes kann höchstens das zweifache der Grösse des Originals betragen).
Aus dem Gesagten geht deutlich hervor, dass es mit den bekannten Verfahren nicht möglich ist, einen Gegenstand von komplizierter Gestalt aus Tetrafluoräthylen herzustellen, welcher in allen Zonen strukturell homogen und frei von Sprüngen und Oberflächenfehlern durch das Herausnehmen aus der Pressform ist.
Diese Nachteile sind in hohem Masse schädlich, da die Verwendungszwecke solcher Tetrafluoräthylen-Gegenstände infolge der physiaklischen und chemischen Eigenschaften dieses Polymers die Freiheit von den oben erwähnten Fehlern erfordern. Es genügt hierbei, sich die schwerwiegenden Nachteile von Sprüngen in der Homogenität zu vergegenwärtigen, wenn solche Gegenstände für elektrische Isolationszwecke verwendet werden sollen.
Es ist auch daran zu denken, dass grosse Ausschusszahlen wegen mangelhafter Entfernung der Kunststoffgegenstände aus ihrer Form infolge des erwähnten Druckunterschiedes, wie oben erläutert, schwere wirtschaftliche Ausfälle sowie merkliche Einschränkungen in der Herstellung dieser teuren Artikel zur Folge haben.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Polytetrafluor äthylen-Gegenständen, die frei von den erwähnten Nachteilen sind.
Ein Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, um ein leichtes Herausnehmen vorgeformter Gegenstände - auch mit komplizierten Formen - ohne irgendwelche Sprünge oder andere Fehler in den Zonen der vorgeformten Gegenstände, welche so geneigt sind, dass sie bestrebt sind, an der Oberfläche der Form zu kleben, zu ermöglichen.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung vorgeformter Gegenstände mit wenigstens einer Zone, welche zur Austrittsrichtung des Gegenstandes geneigt ist, wobei der Querschnitt dieser Zone mehr oder weniger plötzlich ändert, welche Zone zwei Zonen von konstantem Querschnitt und beliebiger Dimension verbindet, wobei die fertigen Gegenstände nach dem Sintern von homogener Struktur sind, so dass die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften gewährleistet werden, wie sie das Ausgangsmaterial - Polytetrafluoräthy len - aufweist.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die leichte und billige Anpassung bereits bekannter Vorrichtungen zur Verformung von Polytetrafluoräthylengegenständen nach dem Verfahren gemäss der Erfindung.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass diese und weitere Vorteile, die aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung für den Fachmann klar hervorgehen, erreichbar sind durch ein Verfahren zur Herstellung von Polytetrafluoräthylengegenständen, bei welchem ein Ausgangspolymer in loser Struktur - z.B. in Form von Pulver, Granulat und dergleichen - oder in gebundener Struktur - wie z.B. als Paste - in eine starre Form eingefüllt wird, dann mittels bekannter Systeme gepresst wird, um den vorgeformten Gegenstand in seiner Form zu erhalten, wonach der Gegenstand aus der Form genommen und schliesslich zwecks Fertigstellung einem Sinterprozess unterworfen wird;
erfindungsgemäss wird zwecks leichteren Herausnehmens des Gegenstandes aus der starren Form ein Druck auf wenigstens eine Zone der Oberfläche ausgeübt, welche die Innenfläche der Form berührt, welcher Druck gleich gross ist, wie der auf die freie Oberfläche des Gegenstandes wirkende Druck.
Dieser Druck kann entweder während des Herausnehmens des Gegenstandes aus der Form oder vor Beginn dieses Vorganges angewendet werden.
Eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens bildet ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Diese Vorrichtung besteht aus einer starren Hohlform aus wenigstens einem Stück, welche wenigstens einen Kanal zur Verbindung der Innenfläche mit der Aussenfläche der Pressform aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur in einem schematischen Längsschnitt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt.
Die Vorrichtung weist einen einstückigen Pressformkörper 1 auf, dessen Hohlraum sich aus zwei zylindrischen Abschnitten 2 und 3 und einem diese verbindenden Abschnitt 4 zusammensetzt. Die Form dieses Hohlraums entspricht der Gestalt des herzustellenden Kunststoffgegenstandes, welcher beim vorliegenden Beispiel ein glokkenförmiger Körper zur Herstellung eines elektrischen Hochspannungsisolators ist.
Eine elastische Membran 5 aus Gummi oder einem andern geeigneten Material wie Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder einem ähnlichen deformierbaren Kunststoff ist im Innern des Formkörpers angeordnet. Diese Membran ist von der Innenseite her durch eine starre Stütze 6 getragen, welche Kanäle 7 zum Verteilen der Flüssigkeit aufweist, die unter Druck durch das Rohr 8 zugeführt wird.
Die Membran 5 und ihre starre Stütze 6 bilden die Gegenform zur Verformung des hohlen Kunststoffgegenstandes entsprechend dem an sich bekannten System der Gleichdruck-Verformung.
Mit 9 ist eine Bodenplatte bezeichnet, welche mittels des vorspringenden Randes 10 mit dem Formkörper 1 lösbar verbunden ist. Die starre Stütze 6 ist mittels Schraubenbolzen 11 an der Bodenplatte befestigt. Die Membran 5 ist in der Zone 12 zwischen Bodenplatte 9 und Stütze 6 dichtend eingequetscht.
Mit 22 ist eine Abschlussplatte am oberen Ende der Pressform bezeichnet. Diese Platte ist mittels des Vorsprungs 13 lösbar mit dem Formkörper 1 verbunden.
Das Rohr 8, welches die Druckflüssigkeit nach den Kanälen 7 führt, ist durch eine Stopfbüchse 15 eingeführt, welche an der starren Stütze 6 angeschweisst und mit einer Deckkappe 14 mit Gewinde abgedeckt ist.
Der Kanal 16 des Formkörpers 1 verbindet dessen Innenfläche mit der Aussenfläche. Ein Federventil 17 ist in diesem Kanal untergebracht, dessen Ventilkörper in einem konischen Kopf 18 endet. Die Abdichtung des Ventils 17 gegen den Verformungsdruck wird durch den konischen Ventilkopf 18 gewährleistet, welcher durch die Rückhaltfeder 19 auf dem Ventilsitz festgehalten wird.
Wenn die Rückhaltfeder 19 belastet wird, z.B. infolge eines im Hohlraum des Formkörpers 1 entstehenden Vakuums oder eines mechanischen Drucks, der von Hand oder automatisch auf die Platte 20 ausgeübt wird, wird der Kopf 18 von seinem Sitz abgehoben und bewegt sich etwa gegen das Innere des Formhohlraums, so dass die Luft von aussen eingelassen wird und die Drücke ausgleicht, die auf die freie Oberfläche und auf diejenige Oberfläche des vorgeformten Gegenstandes wirken, welche von der Innenfläche des Hohlraums des Formkörpers 1 losgetrennt werden soll.
Selbstverständlich kann jede andere Vorrichtung bekannter Art anstelle des Federventils 17 zum öffnen und Schliessen des Kanals 16 dienen: der Kanal 16 kann zum Beispiel mit einem Kolben versehen sein, der von der Bedienungsperson beim Herausnehmen des vorgeformten Artikels von Hand verschoben werden kann, um den Lufteintritt in den Hohlraum des Formkörpers 1 zu ermöglichen.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende:
Nach dem Zusammensetzen der Teile 1, 5, 6 und 9 der Vorrichtung wird in den Kanälen 7 durch Verbinden des Rohrs 8 mit einer Wasserpumpe ein Vakuum angelegt. Die elastische Membran wird dadurch an der starren Stütze 6 anliegend festgehalten.
Der Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Formkörpers 1 und der Aussenfläche der Membran 5 ist mit einer Ladung von 120 g körnig-pulveriges Polytetrafluoräthylen gefüllt worden mit einer durchschnittlichen Korngrösse von ca. 300 Il. Um beim Einfüllvorgang das Feststopfen des Pulvers im Hohlraum zu begünstigen, ist die Form einer Vibration unterworfen worden. Der Ventilkopf 18 ist während des Einfüllens geschlossen, um den Luftweg abzuschliessen.
Die Form wurde nach dem Einfüllen durch Aufsetzen der Platte 22 geschlossen, und das Ganze wurde zwischen die Platten einer Presse eingebracht, welche einen Schliessdruck von ca. 30 t auf die Form ausübte.
Dann wurde Wasser unter einem Druck von 320 kg/cm2 während 30 sek durch das Rohr 8 in die Kanäle 7 eingelassen.
Nach der Zuführung des Wassers wurde dessen Druck in den Kanälen 7 während weiterer 30 sek aufrechterhalten.
Infolge des Wasserdrucks wurde die Membran 5 nach aussen in die gestrichelt dargestellte Lage deformiert und drückte die Kunststoffmasse gegen die Innenfläche des Formkörpers 1, wodurch der Gegenstand in die Gestalt der Form 1 vorgeformt wurde.
Nach dieser Vorverformung wurde der Druck aus den Kanälen 7 entfernt und in denselben mittels einer an das Rohr 8 angelegten Wasserpumpe ein Vakuum aufgebaut, so dass die Membran 5 dadurch wieder bis zum Anliegen an die starre Stütze 6 zurückgeholt wurde.
Dann wurde die Form aus der Presse herausgenommen und die Schliessplatte 22 und die Bodenplatte 9 mit dem Stützkörper 6 und der Membran 5 weggenommen: die Innenfläche des vorgeformten Hohlkörpers wurde auf diese Weise freigelegt. Der Gegenstand 21 verblieb indessen im Formkörper 1.
Mittels eines geeigneten, als Hohlzylinder ausgebildeten Auswerfers wurde der geformte Gegenstand aus der Öffnung des Formkörpers 1 herausgestossen, nachdem die Schliessplatte 22 entfemt wurde, welche vorher die Form abgeschlossen hatte, um den Gegenstand von der Innenfläche des Formkörpers zu lösen und ihn zu entfemen.
Während des Herausnehmens glitt die Aussenfläche des vorgeformten Gegenstandes längs den zylindrischen Oberflächen 2 und 3 der Form und löste sich von der Zone 4 derselben.
In dieser Zone 4 entstand daher ein leichtes Vakuum und verursachte das automatische Öffnen des Ventils 17, so dass die Luft in die Zone 4 eintreten konnte und das Druckgleichgewicht auf beiden Seiten des vorgeformten Artikels hergestellt wurde.
Der Artikel 21 konnte auf diese Weise ohne jede Schwierigkeit aber auch ohne Zerstörung seiner Aussenfläche aus der Form genommen werden.
Der vorgeformte Gegenstand, der eine Wandstärke von etwa 2 mm aufweist, wurde anschliessend einem Sinterprozess während einer Stunde in einem Ofen bei einer Temperatur von 3800C und anschliessend einer Kühlung von etwa 2,50C/min untenvorfen.
Der so hergestellte glockenförmige Gegenstand hatte unveränderte dielektrische Eigenschaften im Vergleich mit dem anfänglichen Polytetrafluoräthylen. Er zeigte ausserdem eine vollkommene Homogenität der Masse und wies keine Sprünge oder Oberflächenfehler auf.
Selbstverständlich kann das Ventil 17 während des Herausnehmens des Gegenstandes 21 aus dem Formkörper auch von Hand geöffnet oder mit einer Hilfssteuerung verbunden werden, die seine Öffnung bewirkt, anstelle der automatischen Öffnung des Ventils durch das im Innern der Zone 4 auftretende Vakuum.
Die vorstehende Beschreibung lässt die Vorteile der Erfindung für den Fachmann offensichtlich werden.
Selbstverständlich sind Modifikationen und Änderungen denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, z.B. hinsichtlich der Anzahl der Kanäle zur Verbindung zwischen der Innenfläche des starren Formkörpers und seiner Aussenfläche. Entsprechend der jeweiligen Gestalt des herzustellenden Gegenstandes kann z.B. mehr als ein Verbindungskanal erforderlich sein.