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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Artikels über
Einspritzung von Plastikmaterial in eine Form hinein.
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Es ist bekannt, eine aufschäumbares, geschmolzenes Plastikmaterial enthaltende Form
zu expandieren. Zum Beispiel ist im U.S.-Patent Nr. 3,793,415 (A. G. Smith), erteilt an
ICI und angemeldet am 16. November 1971, die Bildung von Artikeln beschrieben, die
einen aufgeschäumten Kern besitzen. Eine aufschäumbare Zusammensetzung wird in
eine Form hinein eingespritzt, um diese ohne Aufschäumen zu füllen. Es bildet sich eine
Haut gegen die innere Oberfläche der Form. Bewegliche Einsätze in der Form werden
zurückgezogen. Dies erlaubt es, Bereiche des Formteils aufzuschäumen. Alternativ
werden diese Bereiche ohne Aufschäumen gefüllt und das Volumen der Form wird
durch teilweises Öffnen der Form vergrößert, um es dem Kern des Formteils zu
erlauben, aufzuschäumen. Eine Vielfalt möglicher Treibmittel wird dargelegt. Auf dieses
Verfahren wird hiernach als das "ICI-Verfahren" Bezug genommen.
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Ein komplexeres Verfahren ist das TAF-Verfahren, wie es im japanischen Patent
Nr. 51-27266 (Asahi Dow Limited), angemeldet am 1. Juli 1972, beschrieben ist. Es
spricht das damals vorherrschende Problem exothermer Treibmittel an, namentlich, dass
sich während ihrer Einspritzung in die Form hinein Gasblasen - tatsächlich Stickstoff,
weil Diazobonamid das übliche Treibmittel war - nahe der Oberfläche des Materials
bilden und durch die Oberfläche brechen, bevor sie gegen die Form hin erstarrt ist. Das
TAF-Verfahren spricht dies durch Druckbeaufschlagung der Form mit Stickstoff an, um
so ein Aufschäumen zu verhindern, bis die Form gefüllt wurde und sich eine Haut
gegen die innere Oberfläche der Form gebildet hat. Nach dem Einspritzen wird das Gas
abgelassen, was es erlaubt, dass das Aufschäumen beginnt. Das Formvolumen wird
expandiert und das Material schäumt auf, um es zu füllen. Der Vorteil waren von
Schönheitsfehlern freie Oberflächen des abschließenden Produktes.
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Ein ähnlicher Prozess ist in der britischen Patentanmeldung Nr. 2.010,168 beschrieben,
durch die USM Corporation am 12. Dezember 1978 angemeldet. Wieder wird eine Haut
gegen die Innenfläche der Form gebildet.
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In meiner europäischen Anmeldung EP-A-0 839 084, welche zum Stand der Technik
gemäß Artikel 54(3) EPC gehört, habe ich (wie als Änderungsantrag eingebracht)
beschrieben und beansprucht:
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Ein Verfahren zur Formung eines Artikels über Einspritzung von Plastikmaterial in eine
Form, wobei der fertig geformte Artikel (einen) dünne(n) Wandabschnitt(e) und (einen)
dicke(n), zumindest teilweise aufgeschäumte(n) Wandabschnitt(e) aufweist, wobei das
Verfahren die Schritte umfasst:
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Bereitstellen eines Formwerkzeuges, das in seinem geschlossenen Zustand zwischen
seinem Formhöhlenteil und seinem Kernteil (einen) enge(n) Abschnitt(e) begrenzt,
dessen/deren Formteil-Lücke(n) in dem/den dünnen Wandabschnitt(en) im Wesentlichen
wiederzugeben ist; und (einen) weite(n) Lückenabschnitt(e); dessen/deren Formteil-
Lücke(n) geringer ist als die Stärke des/der dicken Wandabschnitte(s) des fertig
geformten Artikels;
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Schließen des Formenwerkzeuges, um die engen und weiten Lückenabschnitte
abzugrenzen;
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Einspritzen einer ein Grundpolymer und ein Schaum erzeugendes Additiv enthaltenden
Plastikmaterial-Mischung in das Formwerkzeug hinein;
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Zulassen, dass die Plastikmaterial-Mischung in den engen Lückenabschnitten des
Formwerkzeuges zumindest teilweise erstarrt, um die dünnen Wandabschnitte des fertig
geformten Artikels zu erzeugen;
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Zurückziehen mindestens eines Teiles des Formwerkzeuges von dem anderen Teil,
bevor die Plastikmaterial-Mischung in dem/den weiten Lückenabschnitt(en) des
Formwerkzeuges zumindest im Wesentlichen erstarrt ist, um es der Mischung zu erlauben,
durch Aufschäumen zu expandieren und zumindest einen Teil des/der dicken
Wandabschnitte(s) des fertig geformten Artikels zu bilden; und
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Auswerfen des Artikels aus dem Formwerkzeug.
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Auf dieses Verfahren wird hiernach als "mein ursprüngliches Verfahren" Bezug
genommen.
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Es ist möglich, mein ursprüngliches Verfahren in Verbindung mit dem ICI-Verfahren zu
betreiben. In meiner internationalen Anmeldung Nr. PCT/GB96/01706 über mein
ursprüngliches Verfahren sind tatsächlich Alternativen beschrieben, bei denen bewegliche
Formteile zurückgezogen werden, um ein örtliches Aufschäumen von dicken
Wandabschnitten aus zuzulassen.
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Es wurde jedoch nicht erwartet, dass mit diesen Alternativen fertig geformte Artikel mit
einer Schaumstruktur produziert werden, die sich von der anderweitig in meinem
ursprünglichen Verfahren erhaltenen unterscheidet; das bedeutet mit einer klar
wahrnehmbaren Haut und einer Schaumstruktur, die der eines herkömmlichen Schaums
ähnelt.
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In der Entwicklung meines ursprünglichen Verfahrens konstruierte ich - mit Blick
darauf, größere aufgeschäumte Abschnitte herzustellen - die mit Bezug auf die erste
Ausführungsform unten beschriebene Werkzeugausstattung, und erfuhr durch Zurückziehen
des beweglichen Teils sehr früh im Formgebungszyklus die sehr überraschende
"Schnellexpansions-Aufschäumung".
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Gemäß meiner vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Artikels
über Einspritzung von Plastikmaterial in eine Form hinein bereitgestellt, wobei das
Verfahren aus den Schritten besteht:
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Bereitstellung eines Formwerkzeugs, das in seinem geschlossenen Zustand eine
Formhöhle begrenzt, wobei das Formwerkzeug angepaßt ist, um teilweise von einem
Einspritzvolumen zur Aufnahme einer Beladung an Plastikmaterial zu einem
abschließenden, größeren Volumen expandierbar zu sein, das die fertig geformte Gestalt des
Artikels bestimmt; wobei das Formwerkzeug mindestens ein bewegliches Bauteil besitzt,
welches angepaßt ist, um zurückgezogen zu werden, um das Volumen in der Formhöhle
zu erhöhen; und wobei der Unterschied in den Einspritz- und Endvolumina durch einen
in der Formhöhle freigelegten Leeraum dargestellt wird, wenn das bewegliche Bauteil
zurückgezogen wird;
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Schließen des Formwerkzeugs, um das Einspritzvolumen abzugrenzen;
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Einspritzen einer Plastikmaterialmischung in das Einspritzvolumen hinein, die ein -
gelöstes Gas enthaltendes - Grundpolymer umfasst;
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Zurückziehen des beweglichen Bauelements, um es dem Plastikmaterial zu erlauben,
die Form des Endvolumens anzunehmen; und
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Öffnen der Form und Auswerfen des fertig geformten Artikels;
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worin das Zurückziehen des beweglichen Bauelements nach Füllung des Einspritzraums
innerhalb einer Verzögerung bewirkt wird, die ausreichend klein ist, um die Bildung
einer zusammenhängenden Haut auf mindestens einem Teil der Oberfläche des
beweglichen Bauelements zu vermeiden; wodurch auf das Zurückziehen des beweglichen
Bauelements hin ein Aufschäumen mit schneller Expansion erfolgt, um den Hohlraum
mit einem steifen Schaum zu füllen.
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Durch die ganze Beschreibung hindurch wird der Begriff "Schnellexpansions-
Aufschäumung" verwendet, um auf eine Aufschäumung Bezug zu nehmen, die durch
eine spontane Freisetzung gelösten Gases als Ergebnis des schnellen Volumenanstiegs
in der Einspritzhöhle verursacht ist, wobei selbige Aufschäumung aufgrund der
schnellen Expansion und Abkühlung der Zellwände durch endotherme Expansion der
freigesetzten Gasblasen einen geschlossenzelligen Schaum mit geschlossenen Zellen von
hoher Steifigkeit schafft.
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Die tatsächliche Verzögerung, nach welcher eine Schnellexpansions-Aufschäumung
nicht auftreten wird, wird von dem individuell geformten Artikel und Details des
Formwerkzeugs abhängen. Eine zu lange Verzögerung wird darin resultieren dass gegen
das bewegliche Bauelement eine zusammenhängende Haut gebildet wird, welche das
Aufschäumen daran hindert, über das abschließende Volumen der Formhöhle hinweg
aufzutreten. Es ist möglich, dass es einer dünne Haut, welche reißt und auf das
Aufschäumen hin den Zusammenhang verliert, erlaubt wird, sich gegen das bewegliche
Bauelement zu bilden.
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In Begriffen der herkömmlichen Spritzguss-Praxis, in der die Einspritzphase des
Spritzguss-Maschinenzyklus eine Einspritz/Füllphase gefolgt von einer
VerdichtungsfHaltephase umfasst, wird die Haltephase minimiert, wenn nicht gar ganz auf sie verzichtet
wird. Die Verzögerung zwischen der Füllphase und dem Zurückziehen des beweglichen
Bauelements braucht nur ausreichend lang zu sein, um ein Schließen eines
Absperrventils zwischen dem Einspritzzylinder und dem Formwerkzeug zuzulassen, und/oder
ausreichend lang, um das Erstarren des Plastikmaterials im Einlauf des Formwerkzeugs
zuzulassen, um den Rückfluß des Materials aus der Werkzeug heraus zu verhindern.
Daher kann das bewegliche Bauteil sofort nach dem Absperren oder der
Einlaufverfestigung zurückgezogen werden.
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In der Herstellung eines kleinen Artikels, wie etwa eines Kosmetikcreme-Topfes, ziehe
ich das bewegliche Bauelement innerhalb von weniger als einer Sekunde nach Füllung
der Form zurück, d. h., nachdem die Einspritzschnecke ihre Vorwärtsbewegung beendet
hat. Ich habe das bewegliche Bauelement innerhalb einer halben Sekunde nach der
Füllung zurückgezogen. Typischerweise kann ich innerhalb von ein oder zwei
Zehntelsekunden nach dem Füllen zurückziehen und stelle mir vor, dass ich ohne irgendeine
Verzögerung zurückziehen könnte, wobei ein Absperrventil zur gleichen Zeit mit dem
Zurückziehen geschlossen wird. Ich würde nicht erwarten, die Schnellexpansions-
Aufschäumung zu erfahren, wenn das Zurückziehen um beträchtlich mehr als eine
Sekunde verzögert wäre, zumindest nicht ohne dass das bewegliche Bauelement isoliert
ist. Für größere Formstücke kann es sein, dass aufgrund der thermischen Masse an
geschmolzenem Plastikmaterial längere Verzögerungen toleriert werden können.
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Es ist mein gegenwärtiges Verständnis, dass der Schaum sich auf das Zurückziehen hin
spontan bildet, wobei das bewegliche Bauelement geschmolzenes Plastikmaterial gegen
den Leerraum hin freilegt. Um dies zu unterstützen, sorge ich dafür, dass die
"Originalstärke"-Abmessung von der Oberfläche des beweglichen Bauelements durch das
Material hindurch zu dem Abschnitt des Formwerkzeugs auf dessen gegenüberliegenden
Seite für die Materialmasse ausreichend groß ist, um ihre Wärme zu bewahren, und dass
an dem beweglichen Bauelement ein geringer Kühleffekt erfahren wird. Dies bedeutet
nicht notwendigerweise, dass diese ursprüngliche, expandierende Stärke des Materials
nicht dünn im Vergleich zu der Stärke des Schaums sein kann. Ich nehme an, dass es
möglich ist, auf die Größenordnung von fünf mal der expandierenden Stärke zu
expandieren. Eine geringere Expansion, zum Beispiel in der Größenordnung des Zweifachen
der expandierenden Stärke, ist leicht erreichbar. Die expandierte Stärke kann von
derselben Größenordnung der Stärke des dünnen Wandabschnitts anderer Teile des
Artikels sein, welche nicht aufgeschäumt werden.
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Wo das Aufschäumen, wie unten beschrieben, gegen einen anderen Teil des Artikels
erfolgt, welcher nicht aufgeschäumt wird, sollte dieser dünner sein als die
expandierende Stärke, so dass dieser erstarrt ist, wenn das bewegliche Bauelement von ihm
zurückgezogen wird. Typischerweise kann dies ein Drittel der Dicke der expandierenden
Stärke sein.
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Diese expandierende Stärke kann so dünn sein wie jene von dünnen Wandabschnitten
des Artikels, welche vor Formöffnung und ohne Aufschäumen erstarren - wie in
meinem ursprünglichen Verfahren gelehrt. Um weiterhin die Bildung einer Haut gegen das
bewegliche Bauelement zu vermeiden und um Haftreibung von diesem mit dem
Material zu vermeiden, kann die Oberfläche des beweglichen Bauelements mit einem Material
niedriger Reibung behandelt werden, welches die Wärmeleitung von der Schmelze zu
dem Bauelement hin hemmt. Tatsächlich kann das Bauelement vorteilhaft aus einem
Material sein, das eine geringere Leitfähigkeit aufweist als Metall, zum Beispiel einem
Keramikmaterial. Trotzdem schließe ich nicht aus, dass sich gegen das bewegliche
Bauelement eine Haut bilden kann, zum Beispiel in großen Formteilen, die eine lange Zeit
zur Füllung brauchen.
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Schnellexpansions-Aufschäumung scheint der Aufschäumung ähnlich zu sein, die im
Hals einer Flasche mit kohlensäurehaltigem Getränk auf unkontrolliertes Lösen ihres
Verschlusses hin auftritt. Wäre es möglich, dies zu messen, so würde ich von dem
Plastikmaterial erwarten, dass es - oder zumindest ein Teil von ihm gegen das bewegliche
Bauelement - in dem Einspritzvolumen noch immer flüssig ist, wenn das bewegliche
Bauelement sofort auf die Füllung der Form hin zurückgezogen wird. Weiterhin glaube
ich, dass die Aufschäumung auf das Zurückziehen hin spontan auftritt, was den
Leerraum ohne Verzögerung füllt.
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Schnellexpansions-Aufschäumung erzeugt in dem fertiggestellten Artikel eine
geschlossenzellige Struktur mit überraschender Steifigkeit. Ich glaube, dass die Zellstruktur
resultiert aus der Kombination von:
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Schneller Expansion von die Zellen formenden Gasblasen, schneller Streckung der
Zellwände aufgrund der schnellen Expansion, und
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schneller Kühlung der Zellwände aufgrund der schnellen adiabatischen Expansion der
Gasblasen.
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Die adiabatische Expansion kühlt das Gas ab, was endotherm wirkt, wobei Wärme von
den Zellenwänden absorbiert wird. Es kann sein, dass die Zellenwände durch diesen
Prozess erstarren, d. h., dass die latente Erstarrungswärme auf die endotherm
expandierenden Gasblasen übertragen wird. Selbst wenn dieser Effekt den Schaum nicht vollständig
verfestigt, so vermindert er doch bedeutend die Abkühlzeit -verglichen mit jener
eines soliden Formteils mit gleichen Abmessungen.
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Das am meisten überraschende Merkmal der Schnellexpansions-Aufschäumung ist die
Festigkeit der resultierenden Zellenstruktur. Ich glaube, dass dies daraus resultiert, dass
die Polymermoleküle in Streckrichtung der Zellenwände ausgerichtet werden, mit dem
Ergebnis, dass die Polymerketten im Wesentlichen multidirektional orientiert und
örtlich zu den Zellwänden parallel sind.
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Natürlich besitzt der aufgeschäumte Bereich eine geringe Dichte, welche zu erwarten
ist. Die überraschende Steifigkeit zeigt sich selbst jedoch darin, dass die Zellenstruktur
viel steifer ist als aufgeschäumte Materialien vergleichbarer Dichte. Zum Beispiel habe
ich einen Artikel aus aufgeschäumtem Polypropylen geformt, welcher bei der
Handhabung eine Dichte in der gleichen Größenordnung zu haben scheint wie die von
expandiertem Polystyrol. Normalerweise kann expandiertes Polystyrol zwischen Daumen und
Zeigefinger in ausgeprägtem Ausmaß verdichtet werden. In meinem Artikel ist keinerlei
Nachgeben wahrnehmbar. In der Tat kann das Material kaum mit dem Daumennagel
eingedrückt werden. Das aufgeschäumte Material scheint nahezu so steif zu sein wie
andere Teile des Artikels, welche massiv geformt sind.
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Der Schaum gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Gas, wie etwa Kohlendioxid,
in Lösung in der Plastikmaterial-Mischung erzeugt. Das Gas kann durch Verwendung
eines Schaum erzeugenden Additivs (Treibmittels) eingebracht werden, oder direkt wie
in meiner europäischen Patentanmeldung EP-A-1024938 beschrieben. Der
Mechanismus zur Erzeugung einer Lösung von Gas in dem Plastikmaterial bildet jedoch keinen
Teil dieser Erfindung, welche sich mit der Herstellung von Artikeln unter Verwendung
einer derartigen Lösung befasst.
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Wo das Formwerkzeug nur zwei Teile umfasst, welche angeordnet sind, um in der Lage
zu sein, teilweise geöffnet zu werden, ohne die Formhöhle bloßzulegen -
typischerweise, indem sie in der Art eines Kolbens und eines Zylinders gebildet sind -
wird das Zurückziehen durch eine derartige teilweise Öffnung bewirkt, welche den
Leerraum in der Formhöhle schafft. Ich würde erwarten, dass die Mehrzahl von
Formwerkzeugen ein zusätzliches bewegliches Teil einschließen, welches sich in die Formhöhle
hinein erstreckt und auf das Zurückziehen hin zurückgezogen wird, um den
Leerraum in der Formhöhle zu schaffen.
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Das bewegliche Bauelement kann angeordnet sein, um in die Richtung zurückgezogen
zu werden, in welcher das Aufschäumen auftreten wird. Alternativ kann das bewegliche
Bauelement angeordnet sein, um quer zur vorherrschenden Aufschäumrichtung
zurückgezogen zu werden. Wenn das bewegliche Bauelement ein zusätzliches Teil ist, so wird
es typischerweise eine Hülse sein, die angeordnet ist, um in Längsrichtung
zurückgezogen zu werden, was einen umlaufenden Leeraum freigibt, in welchen hinein das
Aufschäumen radial nach außen hin stattfindet. Ich stelle mir auch vor, dass das
Aufschäumen radial nach innen stattfinden kann. Man sollte verstehen, dass dort, wo eine
Richtung der Aufschäumung spezifiziert ist, es die allgemeine Richtung der Aufschäumung
in den Leerraum hinein ist, auf welche Bezug genommen wird, entgegen der genauen
Bewegungsrichtung einzelner Blasen.
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Normalerweise wird es praktisch sein, das zusätzliche bewegliche Bauelement quer zur
Formwerkzeug-Teilungsebene zurückzuziehen, zweckmäßig mit einem hydraulischen
oder pneumatischen Kolben.
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Besonders dort, wo das bewegliche Bauelement ein zusätzlich bewegliches Teil ist, ist
es zweckmäßig angeordnet, um auf die Formöffnung hin wieder nach vorne bewegt zu
werden, um den fertig geformten Artikel aus dem Formwerkzeug auszuwerfen. Dies
kann sowohl dort erreicht werden, wo das Bauelement in der Richtung der
Aufschäumung zurückgezogen wird, wie auch dort, wo die Aufschäumung quer zur Richtung des
Zurückziehens geschieht.
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Wo die Aufschäumrichtung quer zur Richtung des Zurückziehens liegt, kann das
Aufschäumen gegen eine Formfläche hin stattfinden, welche durch das zusätzliche
bewegliche Bauelement auf die Einspritzung hin vollständig verdeckt war. In dieser Anordnung
schäumt die Schmelze über den Leerraum hinweg auf, und trifft auf der Fläche des
Formwerkzeugs auf. Dies wird normalerweise in einer praktisch hautlosen Oberfläche
resultieren, in der sich die Zellwände an der Formfläche zusammenlagern um eine
fortlaufende Oberfläche zu bilden, aber die Haut besitzt keine nennenswerte Tiefe und es
besteht keine nennenswerte Graduierung in der Zellengröße nahe der Haut - obgleich
die Zellen über den Schaumkern hinweg örtlich verschmelzen können. In dieser Anordnung
gibt es zwei Alternativen; entweder das zusätzliche bewegliche Teil weist, wenn
es vorgerückt wird, keine nennenswerte Lücke zwischen sich selbst und der Fläche der
Form auf, wodurch der Schaum nur jenen durch das Teil freigegebenen Leerraum
überwindet; oder es liegt eine Lücke zwischen dem beweglichen Teil und der Fläche vor,
und der Schaum überwindet sowohl den Hohlraum wie auch diese Lücke.
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Es ist dem zusätzlichen beweglichen Teil möglich, die Lücke nicht über sich selbst
hinaus vom Einspritzvolumen abzudecken, wodurch Plastikmaterial an beiden Seiten des
beweglichen Bauelements eingespritzt wird. Entsprechend der Stärke des eingespritzten
Materials an den entsprechenden Seiten und dem Ausmaß, zu welchem sie mit einer
Haut versehen sind, wird eine in Richtung zur anderen hin aufschäumen, oder beide
werden aufeinander zu aufschäumen. Das bewegliche Bauelement wird bevorzugt
isoliert und/oder in einem solchen Ausmaß reibungsbeschichtet sein und/oder ausreichend
früh zurückgezogen, dass der Schaum/die Schäume aneinander oder an dem nicht
aufgeschäumten Material anhaftet/anhaften, zu welchem hin das aufgeschäumte Material
expandiert.
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Besonders dort, wo das bewegliche Teil eine Hülse ist, wird sie normalerweise so
positioniert sein, dass die aufschäumende Expansion radial nach außen auftritt. Dies besitzt
dort einen besonderen Vorteil, wo intern eine höhere Materialdichte erforderlich ist; wie
etwa in einem Behälter, der eine eng begrenzte Innenseite benötigt; oder in einem
"Korken", der einen stabilen Kern benötigt, um es zu ermöglichen, ihn mit einem
Korkenzieher zu ziehen.
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Wo der Artikel ein Konstruktionselement wie etwa eine Kraftfahrzeug-Stoßstange oder
ein Gebäude-Konstruktionssturz ist, wird der bewegliche Teil bevorzugt mindestens
eine zurückzuziehende Stange einschließen, die eine Aufschäumung zur Bildung eines
Riegels auf einer Seite des Artikels zulässt, welcher im Gebrauch nicht zu sehen ist,
während die gegenüberliegende Seite ohne Aufschäumung geformt ist, um eine
nennenswerte Haut mit einer Sichtoberfläche zu erzeugen.
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Um bei dem Verständnis der Erfindung zu helfen, werden nun verschiedene spezifische
Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Abb. 1 eine Querschnitts-Seitenansicht eines gemäß der Erfindung hergestellten
Gefäßes ist;
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Abb. 2 eine ähnliche Querschnitts-Seitenansicht des Höhlenbereichs eines
Formwerkzeugs zur Bildung des Gefäßes gemäß Abb. 1 in einem
Einspritzschritt des Verfahrens ist, wobei das Werkzeug in
entsprechenden rechten und linken Hälften der Abbildung auf gegenüberliegenden
Seiten der Mittellinie mit zwei Varianten gezeigt ist;
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Abb. 3 eine ähnliche Ansicht in einem Expansionsschritt ist;
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Abb. 4 eine ähnliche, weiterreichende Ansicht des Formwerkzeugs in einem
Öffnungs- und Auswerfschritt ist;
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Abb. 5 eine ähnliche Ansicht eines anderen, in einer alternativen Form
hergestellten Gefäßes mit einer anderen Wandkonfiguration ist, welche auf
gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie variiert;
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Abb. 6 eine ähnliche Querschnittsansicht des Höhlenbereichs des
Formwerkzeugs zur Bildung des Gefäßes von Abb. 5 in einem Einspritzschritt
des Verfahrens ist, wobei das Werkzeug in entsprechenden rechten und
linken Hälften der Abbildung auf gegenüberliegenden Seiten der
Mittellinie in zwei Varianten gezeigt ist;
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Abb. 7 eine Querschnitts-Seitenansicht einer gemäß des Verfahrens der
Erfindung hergestellten Kraftfahrzeug-Stoßstange ist;
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Abb. 8 eine diagrammartige Querschnitts-Seitenansicht eines Formwerkzeugs
für die Stoßstange von Abb. 7 ist;
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Abb. 9 eine zu Abb. 7 ähnliche Ansicht einer anderen gemäß des
Verfahrens der Erfindung hergestellten Stoßstange ist;
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Abb. 10 eine zu Abb. 8 ähnliche Ansicht eines Formwerkzeugs für die
Stoßstange von Abb. 9 ist;
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Abb. 11 eine ähnliche Ansicht eines gemäß des Verfahrens der Erfindung
hergestellten Sturzes ist;
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Abb. 12 eine ähnliche Ansicht eines Formwerkzeugs für den Sturz von
Abb. 11 ist;
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Abb. 13 eine zentrale Querschnitts-Seitenansicht eines gemäß des Verfahrens der
Erfindung hergestellten "Korkens" (d. h. eines Flaschenverschlusses) ist;
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Abb. 14 eine diagrammartige Querschnitts-Seitenansicht eines Formwerkzeugs
für den Korken von Abb. 13 ist;
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Abb. 15 eine zentrale Querschnitts-Seitenansicht eines gemäß des Verfahrens der
Erfindung hergestellten Pinselgriffs ist; und
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Abb. 16 eine diagrammartige Querschnitts-Seitenansicht eines Formwerkzeugs
für den Pinselgriff von Abb. 15 ist.
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Das in Abb. 1 gezeigte Gefäß besitzt einen knolligen Körper 1 mit einem Hals
kleineren Durchmessers 2, der Schraubgewinde 3 für einen Schraubdeckel (nicht
gezeigt) aufweist. Das durch den Durchmesser seiner Innenwand begrenzte Volumen des
Gefäßes - wie es als Behälter für Kosmetika verwendet wird - ist viel kleiner als sein
Gesamtvolumen, wie es durch seinen äußeren Durchmesser 5 begrenzt wird.
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Ein herkömmlicher Weg, um einen Behälter mit diesen Abmessungen herzustellen ist,
die inneren und äußeren Wände als getrennte Spritzguss-Formteile auszubilden, welche
zusammengebaut werden. Dies ist ein teurer Herstellungsprozess.
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Das Verfahren der Erfindung lässt es zu, dass das Gefäß 1 integral mit einer dicken,
durch Schnellexpansion aufgeschäumten Außenwand 6 gebildet wird, welche viel
dicker ist als der Hals 2 und eine dünne Basis, 7, die einen flachen Hohlboden 8 aufweist,
um einen Einspritzpunkt 9 aufzunehmen. Im Gebrauch des Gefäßes ist die äußere Wand
mit einem Schrumpfetikett 10 bedeckt, welches keinen Teil dieser Erfindung bildet.
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Unter Bezug auf Abb. 2, 3 und 4 umfasst das Formwerkzeug 11, in welchem
das Gefäß hergestellt wird, nun einen Kernteil 12 und Formhöhlenteil 13. Der
Kernteil 12 ist herkömmlich und schließt einen Kühlwasser-Durchgang 14 ein. Der
Formhöhlenteil 13 schließt einen Block 15 mit einer Höhlenbohrung 16 ein, um den
Durchmesser 5 des Gefäßes zu begrenzen. Eine axial zurückzuziehende, allgemein mit 17
bezeichnete und zwei alternative Konfigurationen 171, 172 aufweisende Hülse ist zur
Bewegung in die Bohrung hinein und aus ihr heraus angeordnet. Hierzu greift die
Hülse 17 in einer Platte 18 ein, die an zwei pneumatische Stellglieder 19 unter Kontrolle
einer Spritzgussmaschinen-Steuerung (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Die Platte
erstreckt sich lateral durch Schlitze 21 (siehe Abb. 4) in dem Block. Auf der
Mittellinie des Blocks, gegenüber dem Kern, ist ein Stopfen 22 bereitgestellt. Der Stopfen 22
ist eine Verlängerung des Endabschnitts 23 des Blocks und erstreckt sich auf die
Höhlenbohrung 16 hin, um die Basis des Hohlraums zu begrenzen. Der Stopfen 22 besitzt
eine Angussbohrung 24, in welcher sich eine heiße Angussspitze 25 erstreckt, um für
den Hohlboden 8 einen Einlauf 26 an einem Dom 27 in dem Stopfen zu begrenzen. An
jenem dem Dom gegenüberliegenden Ende weist der Stopfen eine Aussparung 28 auf,
um zu einer Standarddüse 29 des Einspritzzylinders 30 der Spritzgussmaschine zu
passen, wobei die Düse ein Absperrventil 31 besitzt und der Zylinder eine
Plastifizierschnecke 32 aufweist.
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Die Hülse 17 ist befindet sich in enger Gleitpassung auf dem Stopfen und in dem
Block 15. Sowohl der Block 15 wie der Stopfen 22 weisen Kühlwasserdurchgänge 33,
34 auf. Im Gegensatz dazu ist die Hülse ungekühlt, außer durch Kontakt mit den
anderen Bauelementen des Werkzeugs. Die Formhöhle abschließend begrenzende Teile des
Werkzeugs sind sich radial teilende, den Hals begrenzende Platten 35, die
Kühldurchgänge 36 aufweisen. Stellorgane (nicht gezeigt) sind bereitgestellt, um diese Platten zu
bewegen. Der Kern 12 kann durch den Klammermechanismus (nicht gezeigt) der
Spritzgussmaschine von dem Hohlraumteil 13 fortbewegt werden.
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Die Hülse 171, wie auf der linken Seite der Abbildungen konfiguriert, befindet sich in
enger Gleitpassung in der Höhlenbohrung 16, und lässt keine Lücke zwischen sich
selbst und der Bohrung. Wenn mit geschlossenem Formwerkzeug voranbewegt, stößt
das Ende 173 der Hülse abdichtend an jenen den Hals begrenzenden Platten 35 an.
Wenn zurückgezogen, ist das Ende 173 bündig mit dem Ende 3 8 des Stopfens 22.
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Wie auf der rechten Seite der Abbildungen konfiguriert ist die Hülse 172 dünner und
begrenzt eine nennenswerte Lücke 174 mit der Bohrung 16, und der Block besitzt einen
nach innen gerichteten Rand 39, mit welchem die Hülse sich in enger Gleitpassung
befindet. Die Formhöhlen-Oberfläche 40 des Randes ist mit dem Ende 38 des Stopfens
coplanar. Das Ende 175 der dünneren Hülse stößt an die Halsplatten an, wenn sie
vorgerückt wird, und ist mit dem Stopfenende 38 bündig, wenn zurückgezogen.
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Mit geschlossenem Formwerkzeug werden die Halsteile nach innen bewegt, um
aneinander anzustoßen, der Kern 12 wird gegen sie angestoßen, und die Hülse 17 wird
vorgerückt, um an ihnen von der anderen Seite her anzustoßen, und es wird in dem Werkzeug
ein Einspritzvolumen 50 bereitgestellt.
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Das Einspritzvolumen 50 umfasst:
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- einen ringförmigen Halsabschnitt 51 zwischen dem Kern 15 und den
Halsplatten 35, welcher gefüllt wird und herkömmlich erstarrt;
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- einen ringförmigen, expandierbaren Abschnitt 52 zwischen dem Kern 15 und
Hülse 17; und
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- einen Basisabschnitt 53 zwischen dem Kern 15 und dem Stopfen 22.
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Wird die Hülse zurückgezogen, so wird der expandierbare Abschnitt 52 im
Durchmesser auf jenen der Bohrung 16 expandiert. Die zwei Varianten 171, 172 sind
diesbezüglich im Wesentlichen gleich. Mit der Variante 171 legt das Zurückziehen des Rings
einen ringförmigen Leerraum 176 frei, welcher vollständig durch die Hülse eingenommen
wurde, und sich heraus bis zur Bohrung 16 erstreckt. Dieser Leerraum verbindet sich
mit dem ringförmigen Formhöhlenabschnitt 52, um das Volumen der Formhöhle auf
das Zurückziehen der Hülse hin zu erhöhen. Mit der Variante 172 legt ein Zurückziehen
der Hülse einen kleineren ringförmigen Hohlraum 117 frei, welcher vollständig durch
die Hülse eingenommen wurde, sich aber nicht heraus bis zur Bohrung 16 erstreckt. Der
Leeraum 177 verbindet sich jedoch mit der ringförmigen Lücke 174, um das Volumen
der Formhöhle auf das Zurückziehen der Hülse hin um denselben Betrag zu erhöhen,
und sorgt selbstverständlich dafür, dass die andere Abmessung unverändert bleibt.
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Ich erwarte, in der Lage zu sein, Schnellexpansions-Aufschäumung mit einem
Dickenverhältnis des anfänglichen Einspritzvolumens zum abschließenden Volumen von
mindestens zwei zu eins bis fünf zu eins zu erreichen. In anfänglichen Versuchen wurde
eine Dicke von 3 mm auf 7 mm expandiert. Die anfängliche Dicke wurde auf 1,7 mm
vermindert, und ich erwarte, in der Lage zu sein, dies weiter auf 1,5 mm zu reduzieren.
Dies ist die Wandstärke des Halses 2. Der letztere bleibt nicht aufgeschäumt, selbst mit
relativ hohen Konzentrationen von Treibmittel.
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Es wird nun die Verwendung des Formwerkzeugs beschrieben, um den in Abb. 1
gezeigten Artikel herzustellen. Die Form wird geschlossen, um das Einspritzvolumen
auf jenes des Halsabschnitts 51 und des expandierbaren Abschnitts 52 zu begrenzen.
Das Absperrventil 31 wird geöffnet und die Einspritzschnecke 32 wird vorgerückt, um
das Einspritzvolumen mit einer Plastikmaterial-Mischung zu füllen, die ein Gas in
Lösung enthaltendes Grundpolymer umfasst, wobei das Gas durch ein Schaum
erzeugendes Additiv erzeugt wird. Ist die Form einmal gefüllt, so wird die herkömmliche
Verdichtungsphase des Einspritzzyklus auf ein Minimum reduziert oder weggelassen. Die
Hülse wird dann zurückgezogen, um es dem Plastikmaterial, zu erlauben die Gestalt des
abschließenden Volumens - d. h. des anfänglichen Volumens plus des zusätzlichen
Leeraumvolumens, das durch Zurückziehen der Hülse für das Material freigelegt wird -
durch Schnellexpansions-Aufschäumung in den Leerraum hinein einzunehmen. Dann,
möglicherweise nach einer kurzen Verzögerung, um eine Abkühlung des Materials
zuzulassen, wird die Form geöffnet. Der fertig geformte Artikel wird durch Vorrücken der
Hülse aus der Formhöhle ausgeworfen.
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Für den beschriebenen Cremetopf würde ich nicht erwarten, das Zurückziehen der
Hülse über eine Sekunde nach der Füllung der Form hinaus zu verzögern. Dies zu tun
würde eine Hautbildung gegen die Hülse riskieren, wodurch die Schnellexpansions-
Aufschäumung gehemmt würde. Das Zurückziehen der Hülse kann zeitlich eingestellt
werden, um mit der erwarteten Materialerstarrung in dem heißen Ausgusseinlauf
zusammenzufallen. Zweckmäßig kann das Zurückziehen der Hülse zeitlich eingestellt
werden, um mit dem Schließen des Absperrventils zusammenzufallen. Wo eine kurze
Verdichtungsphase als wünschenswert erachtet wird, sollte zwischen der Füllung und
dem Zurückziehen der Hülse eine Verzögerung von zwei bis fünf Zehntel Sekunden
angemessen sein. Ich erwarte, für größere Artikel keine wesentlich längere Verzögerung
bereitstellen zu müssen, zumindest bis Schritte unternommen werden, um eine
Abkühlung und Hautverfestigung an der Hülse oder ihrem Äquivalent zu vermeiden.
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Derartige Schritte schließen die Polytetrafluorethylen-Beschichtung der Hülse ein. Dies
vermindert nicht nur den Reibungswiderstand auf das Zurückziehen hin und jegliche
Neigung des Plastikmaterials, an der Hülse zu haften, es stellt auch einen Grad von
Isolierung zwischen der Hülse und dem Plastikmaterial bereit, Alternativ kann
Wärmeleitung von dem Material durch die Hülse zu dem Hohlblock vermindert werden, indem
män die Hülse aus einem keramischem Material bildet.
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Ich habe mit kommerziell verfügbaren, endothermen Kohlendioxid-Treibmitteln ein
Gefäß aus Polypropylenmaterial geformt. Ich nehme jedoch an, dass ich ähnliche
Ergebnisse mit anderen Plastikmaterialien und anderen Gas erzeugenden, endotherm
Schaum erzeugenden Additiven hätte erreichen können.
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Wendet man sich nun dem in Abb. 5 gezeigten Gefäß und seinem in Abb. 6
geschlossen gezeigten Formwerkzeug zu, so schließt es eine Alternative ein, bei der die
Schnellexpansions-Aufschäumung gegen einen getrennt geformten Abschnitt des
Artikels hin stattfindet. Diese Abbildungen zeigen, wie mit den Abb. 2 bis 4, eine
Variante auf ihrer linken Seite und eine andere auf ihrer rechten Seite.
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Bezieht man sich zuerst auf die linke Seite, so ist die Hülse 117 ähnlich der
Variante 172 auf der rechten Seite, außer dass sie kürzer ist. Somit stößt sie nicht an den
Halsplatten an, was einen Abstand 1741 läßt und die Lücke 1742 mit dem Einspritzvolumen
in Verbindung bringt. Tatsächlich bilden sowohl der Abstand 1741 wie auch die Lücke
1742 einen Teil von diesem. Wo die Lücke 1742 wie gezeigt dünner ist als der
ringförmige Abschnitt 521, kann das Plastikmaterial im ersteren erstarren, um durch Kontakt
mit der Höhlenbohrung 161 eine zusammenhängende äußere Wand 116 bis zur
Hülse 117 zu schaffen; während das Material im Einspritzvolumen-Abschnitt 521 gegen die
Hülse hin für eine Schnellexpansions-Aufschäumung - auf das Zurückziehen der Hülse
hin - zur Wand 116 hinaus aufgeschmolzen bleibt. Diese Alternative besitzt den Vorteil,
eine äußere Wand mit einem besseren Finish zum Drucken bereitzustellen. Indem man
die Stärke der Lücke und/oder des ringförmigen Abschnitts ändert, kann das Material
dazu gebracht werden, sowohl nach innen wie auch nach außen hin aufzuschäumen;
d. h., indem man die Stärken ungefähr gleich macht und nur nach innen hin richtet, d. h.,
indem man die Stärke der Lücke größer macht als jene des ringförmigen Abschnitts. Die
rechten Seiten der Abb. 5 und 6 zeigen letztere Alternative, in welcher der
ringförmige Abschnitt 522 dünner ist als die Lücke 1743. In diesen Alternativen kann ein
frühes Zurückziehen der Hülse die Haftung des Materials der beiden Abschnitte des
Artikels innerhalb jenes durch die Hülse freigegebenen Leerraums verursachen.
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Das Verfahren der Erfindung ist nicht auf Behälter mit künstlich großem Durchmesser
begrenzt, wie etwa ein Kosmetikagefäß. Zum Beispiel ist es besonders geeignet, um
isolierte Behälter zu bilden, die einen Leerraum zwischen inneren und äußeren Häuten
besitzen. Weiterhin ist es denkbar, dass Artikel geformt werden können, die keinen Hals
besitzen. Eine Anzahl anderer Anwendungen wird nun kurz beschrieben werden.
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Wendet man sich nun den Abb. 7 und 8 zu, so ist dort diagrammartig ein Träger
- wie etwa eine Kraftfahrzeug-Stoßstange 200 - im Querschnitt gezeigt, mit einer
Frontfläche 201 und zwei hinteren Riegeln oder Flanschen 202. In der Praxis wäre die
Stoßstange in zwei - wenn nicht gar drei - Dimensionen konturiert, und kann derart ohne
weitere Erfindung eingeschlossen werden. Die Form für den Träger ist eine Zweiteil-
Form 203, 204. Der Teil 203 begrenzt die äußere, vordere Fläche des Trägers und ist auf
einen hohen kosmetischen Standard fertigbearbeitet. Der andere Teil 204 begrenzt die
innere Fläche, welche nicht von solch hohem Standard sein muß. Das Teil 204
beinhaltet bewegliche Bauelemente 205, 206 um die Bildung von Flanschen 2027, 2028 durch
Schnellexpansions-Aufschäumung zu erlauben. Der in den Abbildungen linke Flansch
wird in einem sich längs entlang der Stoßstange erstreckenden und mit einem
beweglichen Riegel 210 ausgerüsteten Trog 209 gebildet. Ein Stellorgan 211 oder eine Reihe
von Stellorganen ist angeordnet, um den Riegel von einer vorgerückten Stellung nahe
der Oberseite des Trogs zu einer zurückgezogenen Stellung an seinem Grund zu
bewegen. Auf das Füllen der Form hin wird der Riegel 210 zurückgezogen und die
Aufschäumung tritt in Richtung des Rückzugs auf. Ein erneutes Vorrücken des Riegels
wirft das Produkt nach Formöffnung aus. Der rechte Flansch wird in einem ähnlichen
Trog 219 geformt, der ebenfalls mit einem zurückzuziehenden Riegel 220 ausgerüstet
ist. Dieser Riegel ist in einem Seitenkanal 2191 außerhalb Trogs untergebracht und
angeordnet, um durch das Stellorgan 221 von einer vorgerückten, den Trog
abschließenden Stellung zu einer zurückgezogenen Stellung bewegt zu werden, was den Trog für
eine Schnellexpansions-Aufschäumung in ihn hinein öffnet. Bei dieser Anordnung
verläuft die Aufschäumung quer zur Bewegungsrichtung des sie verursachenden
Bauelements. Während dieser Flansch nicht durch sein bewegliches Bauelement ausgeworfen
werden kann, erlaubt die Anordnung die Gestaltung des Grundes des Troges 2191, um
zum Beispiel für die Befestigung der Stoßstange in ihrem Gebrauch zu sorgen. Man
kann sich vorstellen, dass jeder Trog die volle Breite der Stoßstange einnehmen könnte,
um einen Riegel über ihre volle Breite hinweg bereitzustellen.
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Wie in der Variante der Abb. 9 und 10 gezeigt, kann die kosmetische
Frontfläche 301 an einer oder beiden Kanten 301 l, 3012 der Stoßstange zurückgezogen werden,
um sie als einen Kanal zu bilden, wobei Schnellexpansions-Aufschäumung den Kanal
füllt und einen Riegel 302 schafft. In dieser Anordnung erstreckt sich das bewegliche
Bauelement - während der Flansch in einem Trog 309 gebildet wird - während der
Einspritzung aus dem Trog heraus und wird für die Schnellexpansions-Aufschäumung in
ihn zurückgezogen.
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Ein anderes ähnliches Konstruktionsprodukt, welches unter Verwendung der Erfindung
hergestellt werden kann, ist ein Sturz 400, der eine einzige kosmetische Fläche 401
besitzt, wie in Abb. 11 und 12 gezeigt ist. Dieses einfache Produkt kann in einer
als verlängerter Kolben 403 und Zylinder 404 konfigurierten Form hergestellt werden.
Das Plastikmaterial wird mit zu einem solchen Ausmaß geschlossener Form
eingespritzt, dass sie nur ein kleines Einspritzvolumen 441 läßt, wobei das Kolben-
Bauelement 403 weit in das Zylinder-Bauelement 404 eingesetzt ist. Auf das
Zurückziehen für die Schnellexpansions-Aufschäumung hin werden die beiden Bauelemente zu
einem expandierten Volumen 442 auseinanderbewegt, mit gerade noch in dem
Zylinder-Bauelement 404 angreifendem Kolben-Bauelement. Für den Auswurf - unter
Verwendung herkömmlicher Vorrichtungen - wird das Kolbenbauteil dann vollständig
zurückgezogen.
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Unter Bezug auf die Abb. 13 und 14 dient die dort gezeigte Form zur
Herstellung von "Korken" 500. Die Formhöhle 503 weist eine zurückzuziehende Hülse 5031
und einen zentralen Stopfen 5032 auf. Der andere Formteil 504 ist tatsächlich ein
Deckel für die Höhlung und schließt einen Einspritzeinlauf 5041 ein. Das Plastikmaterial
wird in die anfänglich in der Mitte der Hülse zwischen dem Stopfen 5032 und dem
Deckel 504 gebildete Höhlung hinein eingespritzt, wobei die Hülse gegen den Deckel
anliegt. Die Hülse wird zur Schnellexpansions-Aufschäumung zurückgezogen, um mit
dem Stopfen bündig zu sein, und wird zum Auswerfen des Produkts erneut vorgerückt.
Der resultierende "Korken" besitzt eine aufgeschäumte Außenseite 501 zur Abdichtung
mit der Flasche und einen dichten Kern 507 - von welchem aus der Schaumexpandiert
hat - welcher durch einen Korkenzieher leicht gegriffen wird.
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Unter Bezug auf die Abb. 15 und 16 ist der dort gezeigte Schnellexpansions-
Schaumartikel nun ein Pinselgriff 600. Im Gegensatz zu dem "Korken" 500 ist er nach
innen hin aufgeschäumt. Die Formhöhle 603 liefert die Gestalt des Griffs; der andere
Formteil 604 ist ein Verschluß für die Höhlung und trägt zwei zurückzuziehende
Bauelemente 6041, 6042. Der erste ist eine Stange 6041, die angeordnet ist, um sich weit in
die Höhlung hinein zu erstrecken und sie im Griffbereich 6001 zu begrenzen, damit sie
eine dünne Einspritzstärke besitzt. Das zweite zurückzuziehende Bauelement 6042 ist
ein Block, durch welchen hindurch sich der Stab erstreckt, und welcher sich im Bereich
des Kopfes 6002 des Griffs, an welchem die Borsten befestigt werden, viel weniger weit
in die Höhlung hinein erstreckt. Wieder schafft der Block eine geringe Einspritzstärke
in diesem Bereich des Griffs. Die Bauelemente sind angeordnet, um durch einen
Hebelmechanismus (nicht gezeigt) zusammen um verschiedene Beträge zurückgezogen zu
werden, wodurch ihre Enden auf das zurückziehen hin bündig mit dem Ende 6003 des
Kopfes 6002 sind.