DE3001513C2 - Verfahren zum Anformen einer eine Innennut aufweisenden Verbindungsmuffe am Endabschnitt eines Rohres aus einem thermoplastischen Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anformen einer eine Innennut aufweisenden Verbindungsmuffe am Endabschnitt eines Rohres aus einem thermoplastischen kristallinen oder teilkristallinen Kunststoff, bei dem der Endabschniit auf Verformungstemperatur erwärmt, danach zur Vergrößerung seiner Wanddicke bis zur Ausfüllung eines Ringspaltes einer erwärmbaren Vorstauchvorrichtung axial vorgestaucht und dann zu der Verbindungsmuffe während axialen Verschiebens in einer Formeinrichtung geformt und schließlich abgekühlt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 23 19 398 und US-PS 38 99 565) erfolgt das Verdicken durch Vorstauchen bei einer oberhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegenden Temperatur. Das Vorstauchen des Endabschnittes verläuft dabei fortschreitend von einem von der Stirnfläche des Endabschnittes entfernten Bereich bis zu der Stirnfläche hin. Der Vorstauchvorgang wird dabei solange fortgesetzt, bis ein zwischen dem Innendorn und einer Außenform der Vorrichtung bestehender Ringspalt mit dem erweichten Kunststoff gefüllt ist, wobei die Füllung des Ringspaltes von der Einschuböffnung zum Ringspaltgrund hin verläuft.

Nach dem Vorstai'chen erfolgt bei diesem bekannten Verfahren das Formen der Verbindungsmuffe durch Verschieben des vorgestauchten Endabschnittes auf einen Aufweitdorn, der eine geringere Temperatur als die Verformungstemperatur des Kunststoffes aufweist. Dadurch erfolgt bereits beim Aufweitvorgang eine gewisse Stabilisierung von Umfangsbereichen der Muffenoberfläche, die noch dadurch verstärkt wird, daß auch die Innenwand der Außenform auf einer unterhalb der Verformungstemperatur des Kunststoffes befindlichen Temperatur während des Aufweitvorganges gehalten wird. In den solcher Art teilstabilisierten, aufgeweiteten Endabschnitt wird danach durch Spreizkörper der Aufweitvorrichuing die ringförmige Innennut eingepreßt. Das Ausformen der Verbindungsmuffe erfolgt bei dem bekannten Verfahren also durch axiales Verschieben des Endabschnittes auf dem Aufweitdorn und nachfolgendes Formen der Inr.ennut Dabei ist wesentlich, daß sowohl der Verdickungs- als auch der Ausformvorgang durch axiales und radiales Verschieben in ein und derselben Vorrichtung erfolgt, wobei die Wandverdickung vor Beginn des Ausformvorganges abgeschlossen sein muß. Beim Ausformvorgang selbst

ίο tritt allenfalls — bedingt durch das Aufschieben auf den Aufweitdorn — ein örtlich begrenztes Befestigen der Muffenwandung ein, während durch das Auspressen der Innennut der Wandquerschnitt im Muffenbereich wieder verschwächt wird, ohne daß dieser Nachteil durch ein weiteres Stauchen behoben werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Anformen einer Verbindungsmuffe an ein Rohr aus kristallinem oder teilkristallinem thermoplastischen Kunststoff auftretenden, im Plastifizierverhalten dieser Kunststoffe begründeten Nachteile zu vermeiden. Diese Nachteile sind insbesondere darin zu sehen, daß die genannten Kunststoffe durch Abbau der Kristallite während zunehmender Erwärmung beim Erreichen der Kristallit-Schmelztemperatur unmittelbar in die Fließphase übergehen. Weiterhin soll mit der Erfindung die beim Abbau der Kristallstruktur der betreffenden Kunststoffe zu beobachtende unkontrollierte Volumenvergrößerung unter Kontrolle gebracht werden.
Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, daß das Erwärmen und Vorstauchen des Endabschnittes von dem Bereich des freien Stirnendes des Endabschnittes ausgehend auf einen verhältnismäßig engen Bereich der Verformungstemperatur nahe unterhalb der Kristallit-Schmelztemperatur des Kunststoffes erfolgt, daß der erwärmte und vorgestauchte Endabschnitt aus der Vorstauchvorrichtung entnommen wird und daß beim Formen der Verbindungsmuffe in der auf Verformungstemperatur gehaltenen Formeinrichtung der Endabschnitt zum Ausgleichen von Wanddickenverluslen beim Aufweiten formgestaucht wird.

Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik sind darin zu sehen, daß durch die Erwärmung des kristallinen oder teilkristallinen Rohrwandmaterials bis nahe unterhalb der Kristallit-Schmelztemperatur das Anquellen des Polyolefins zusätzlich zu dem Vorstauchvorgang zur Ausfüllung des Ringspaltes der Heizeinrichtung ausgenutzt wird. Auf diese Weise läßt sich ein verdickter Endabschnitt eines Polyolefin-Rohres schaffen, der zur

so Weiterverarbeitung aus dem Ringspalt der Heizeinrichtung entnommen wird, wobei dieser Endabschnitt auf Verarbeitungstemperatur bleibt. Das eigentliche Anformen der Verbindungsmuffe erfolgt in der Formeinrichtung, die ebenfalls auf der gleichen Verarbeitungstemperatur wie die Heizeinrichtung gehalten ist, und in die der verdickte Endabschnitt unmittelbar nach der Entnahme aus dem Ringspalt der Heizeinrichtung eingeführt wird. Der verdickte Endabschnitt ist damit sowohl in der Heizeinrichtung als auch in der Formeinrichtung über seine ganze Länge und über den gesamten Wandquerschnitt auf die optimale Verarbeitungstemperatur durchgeheizt.

Beim Anformen der Verbindungsmuffe wird der Endabschnitt gleichzeitig formgestaucht. Dies setzt eine

h5 Formeinrichtung mit einem geschlossenen, nur einseitig mit einer Einführvorrichtung für das verdickte Rohrende versehenen Ringspalt voraus. Wesentlich hierbei ist, daß die gesamte Länge des verdickten Rohrendes in

diesen Ringspalt der Formeinrichtung eingeschoben werden kann. Durch das Formstauchen werden dann die beim Aulweiten entstehenden Wanddickenverluste ausgeglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft demnach in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten ab, nämlich dem Erwärmen des Endabschnittes auf Verformungstemperatur nicht gleichzeitiger Wandverdickung durch das Vorstauchen und dem daran anschließenden Formen der Verbindungsmuffe mit der Innennut unter Formstauchen. Hierbei ist bei dem Erwärmen auf die Verformungstemperatur insbesondere zu beachten, daß der Kristallitanteil der verwendeten Kunststoffe so weit wie möglich durch die Wärmezufuhr abgebaut wird. Soweit wie möglich, heißt in diesem Zusammenhang, daß eine Temperatur nahe unterhalb der Kristallit-Schmelztemperatur des Kunststoffes gewählt wird. Durch diese Reduzierung der Kristallitanteile wird das zu verarbeitende Material weicher und damit leichter verarbeitbar. Als Vorteil stellt sich hierbei dar, daß zu jeder erzielten Rohrtemperatur unterhalb des Kristallit-Schmelzpunktes sich ein konstanter Kristallitanteil in dem zu verarbeitenden Kunststoff einstellt, der bei Beibehaltung der jeweiligen Temperatur konstant bleibt, d. h. über eine Verlängerung der Erwärmungszeiten nicht verändert werden kann.

Bei der Umwandlung der kristallinen Anteile dieser Kunststoffe in den amorphen oder teilamorphen Zustand erfolgt eine Volumenvergrößerung, d. h. eine Quellung des Kunststoffes. Die maximale Quellung wird beim Erreichen oder Überschreiten der Kristallit-Schmelztemperatur erzielt. Probleme bei der Aufheizung von Rohren aus kristallinen oder teilkristallinen Kunststoffen ergeben sich dadurch, daß beispielsweise durch Wanddickenunlerschiede und bedingt durch die Art der Aufheizung des Rohres der Kristallitabbau im Rohrquerschnitt ungleichmäßig erfolgen kann. Dadurch entstehen ungleichmäßige Quellungen, die noch durch freiwerdende innere Spannungen im Rohr unterstützt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bietet sich hier ein Verfahrensablauf an, der auch bei der Verwendung von kristallinen bzw. teilkristallinen Thermoplasten ein auf Verformungstemperatur gebrachtes Rohrende definierter Abmessungen und Durchmessereigenschaften der Endverformung zuführt. Dabei wird mit dem ersten Verfahrensschritt nach der Erfindung durch den temperaturbedingten Abbau der Kristallite, durch die dabei entstehenden Quellvorgänge in der Rohrwand und die gleichzeitig angreifende erste Stauchkraft eine Ausfüllung des gesamten Ringspaltquerschnittes der Heizeinrichtung erzielt, wodurch sich ein formgenaues Rohrende für den Verformungsvorgang ergibt. Durch das temperaturbedingte Anquellen der Rohrwand im Ringspaltquerschnitt des Heizofens und durch den Stauchvorschub wird auch der Kontakt zwischen der Außen- und der Innenwand des Rohres und den Heizofenoberflächen verbessert, so daß durch das allseitige Anliegen eine sehr gleichmäßige Durchwärmung des Rohrwandquerschnittes kontinuierlich bis zum Abschluß des Aufheizvorganges erfolgt. Dadurch ist eine sehr gleichmäßige Restkristallinität im Rohrwandquerschnitt zu erreichen, was für eine gleichmäßige Ausformung der Endkontur mit Verbindungsmuffe und Innennut am Rohrende von besonderer Bedeutung ist.

Durch die Wahl der richtigen Aufheiztemperatur bis in die Nähe der Kristallit-Schmelztemperatur des verwendeten kristallinen bzw. teilkristallinen Werkstoffes und durch die temperaturbedingte Verquellung kombiniert mit der mechanischen Stauchung im optimalen Temperaturbereich werden die im Rohrende vorhandenen Spannungen weitgehend abgebaut, so daß das erwärmte, verdickte Rohrende nach der Abnahme von der Heizeinrichtung bis zur Einführung in die Vormeinrichtung ausreichend formstabil bleibt.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß das Anformen in der Nähe der Kristallit-Schmelztemperatur des verwendeten Kunststoffes erfolgt. Bei Polyäthylen-hart liegt diese Temperatur bei 130°C, wenn die Kristallit-Schmelztemperatur der verwendeten Materialtype bei 133°C liegt

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner zu beachten, daß der Temperaturbereich für die thermische Verformbarkeit kristalliner bzw. teilkristalliner Kunststoffe im Vergleich zu amorphen Kunststoffen relativ schmal ist. Erfahrungsgemäß steht hier eine Bandbreite von ca. 5° C als mögliche Abweichung zur Verfügung. Dies erfordert eine optimale Regelbarkeit der Heizeinrichtung. Aus dieser Einschränkung ergibt sich auch, daß bei der Aufheizung von kristallinen bzw. teilkristallinen Werkstoffen die Heizofentemperatur nicht wesentlich höher gewählt werden darf, als die gewünschte Rohrtemperatur für die Verformung, da sonst ein zu großes Gefalle im Kristallitabbau zwischen den inneren und äußeren Umfangsflächen des Rohres und dem Kern der Rohrwand eintritt. Die außenliegenden Umfangsflächen der Rohrwandung, die in mehr oder weniger direktem Kontakt zu den Oberflächen des Heizofens stehen, würden in diesen Fällen zu schnell plastisch, was zur Verschiebung von Oberflächenbereichen gegenüber inneren Bereichen der Rohrwandung führen und damit Festigkeitsverluste im Muffenbereich herbeiführen würde.

Zur Durchführung des ersten Verfahrensschrittes der Erfindung ist. daher eine sorgfältige Abstimmung zwischen dem Tempcraturverlauf während der Aufheizung und dem Einsetzen und dem Kraftaufwand der Stauchkraft erforderlich. Hierbei ist zu beachten, daß das in den Ringspalt der Heizeinrichtung eingeführte Rohrende aufgrund der Temperatureinwirkung von der Stirnseite her aufzuquellen beginnt und sich dabei kontinuierlich von der Stirnseite in Richtung zum Eintrittsende an den Muffenkern und die Außenhülse anlegt. Die dosierte Vorschubkraft des Vorstauchvorganges ergibt dabei, daß sich der Ringspalt der Heizeinrichtung mit fortlaufender Erwärmung des Rohrendes von innen nach außen mit dem Rohrwandmaterial auffüllt, wobei dieser Auffüllvorgang sowohl einen Ausgleich des bei der Erwärmung auftretenden Längsschrumpfes als auch eine Aufhebung der unkontrollierten Verquellung des Rohrwandrnaterials bewirkt. Am Ende des Aufheizvorganges liegt das Rohrende mit einer durchgehenden Temperatur unterhalb der Kristallit-Schmelztemperatur in dem Ringspait der Heizeinrichtung, wobei die bei der Aufheizung erfolgte Verquellung in Kombination mit der Stauchkraft bewirkt hat, daß das Rohrende mit seinen inneren und äußeren Umfangsflächen am Umfang des Kerns der Heizeinrichtung genauso anliegt wie am inneren Umfang der Außenhülse. Es ist selbstverständlich, daß sowohl der Kern als auch die Außenhülse der Heizeinrichtung die gleiche Temperatur aufweisen, die zur Übermittlung der optimalen Verformungstemperatur an den Rohrwandquerschnitt erforderlich ist.

Durch die Ausfüllung des Ringspaltes der Heizeinrichtung mit dem Rohrwandmaterial ergibt sich eine definierbare Verdickung der Ausgangswanddicke des Endabschnittes, da der Ringspalt der Heizeinrichtung in seinen lichten Abmessungen wenigstens geringfügig über der Querschnittsfläche des Rohres liegen muß, damit ein leichtes Einschieben des Rohrendes in den Ringspalt möglich ist In einem Beispielsfall betrug bei der Bearbeitung eines Rohres mit einer Nennweite von 100 mm die Rohrwanddicke 10 mm. Während des Vorstiiuchens wurde dieser Querschnitt aufgrund der Auslegung des Ringspaltes in der Heizeinrichtung auf 12,5 mm erhöht Das Vorstauchen gemäß der Erfindung bewirkt jedoch dabei nicht nur diese Erhöhung der Wanddicke, sondern gleichzeitig die Beibehaltung der für das Formen der Verbindungsmuffe erforderlichen Länge der aufgewärmten Zone des Rohrendes mit allseitiger und durchgehender Wanddickenerhöhung der angegebenen Größenordnung.

Das angewärmte, vorgestauchte F.ohrende, das sich im BespielsfaJJ auf einer Temperatur um 130° C befand, wurde danach aus der Vorstauchvorrichtung so entnommen, daß weder eine Beeinträchtigung der Kontur, noch der erzielten Wandverdickung eintrat. Das Rohrende wurde unmittelbar danach in die Formeinrichtung eingebracht. Es ist wesentlich, daß diese Formeinrichtung auf die gleiche Temperatur aufgeheizt ist wie sie das aufgeheizte Rohrende besitzt um eine Abschreckung des aufgeheizten Rohrendes und damit eine negative Verfestigung von Außenwandbereichen des Rohres zu vermeiden.

Nach dem Formen und dem Abkühlen der Verbindungsmuffe erfolgt die Entnahme der Verbindungsmuffe durch öffnen der Formeinrichtung und Abziehen der ausgeformten Verbindungsmuffe vom Werkzeugdorn.

ίο Vor dem öffnen der Formeinrichtung kann bereits ein indirekter Kühlvorgang einsetzen der Art, daß die Heizkanäle der Formeinrichtung durch Beschicken mit einem Kühlmedium die Verbindungsmuffe oberflächlich abkühlen. Dieser Kühlvorgang ist solange aufrecht zu erhalten, bis die gekühlte Innen- und Außenhaut im Bereich der Verbindungsmuffe dick genug ist, um diese beim Abziehen vom Werkzeugdorn formstabil zu halten.

Unmittelbar nach dem Abziehen der Verbindungsmuffe empfiehlt sich eine direkte Nachkühlung, z. B. durch Aufsprühen von Kühlmedium auf die inneren und äußeren Umfangsflächen des Rohrendes. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Wärme aus dem Mittelbereich der Rohrwandung die abgekühlte Randzone wieder erwärmt und dadurch einen Schrumpf der Verbindungsmuffe bewirkt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Anformen einer eine Innennut aufweisenden Verbindungsmuffe am Endabschnitt eines Rohres aus einem thermoplastischen kristallinen oder teilkristallwien Kunststoff, bei dem der Endabschnitt auf Verformungstemperatur erwärmt, danach zur Vergrößerung seiner Wanddicke bis zur Ausfüllung eines Ringspaltes einer erwärmbaren Vorstauchvorrichtung axial vorgestaucht und dann zu der Verbindungsmuffe während axialen Verschiebens in einer Formeinrichtung geformt und schließlich abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen und Vorstauchen des Endabschnittes von dem Bereich des freien Stirnendes des Endabschnittes ausgehend auf einen verhältnismäßig engen Bereich der Verformungstemperatur nahe unterhalb der Kristallit-Schmelztemperatur des Kunststoffes erfolgt, daß der erwärmte und vorgestauchte Endabschnitt aus der Vorstauchvorrichtung entnommen wird und daß beim Formen der Verbindungsmuffe in der auf Verformungstemperatur gehaltenen Formeinrichtung der Endabschnitt zum Ausgleichen von Wanddickenverlusten beim Aufweiten formgestaucht wird.