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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Hohlkörpern mit einer einschichtigen und einstückig hergestellten Hülle. Solche Hohlkörper kommen beispielsweise in Form von elastischen Spielgeräten wie Spielbällen, Hüpftieren und dergleichen zum Einsatz. Jedoch sind auch andere Einsatzzwecke möglich.
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Derzeit werden weltweit alle Spielbälle vom Typ der eingangs genannten Art aus Plastisol hergestellt. Plastisol ist eine Mischung aus einem pulverförmigen thermoplastischen Polymer, in aller Regel Polyvinylchlorid (PVC), einem Weichmacher sowie gegebenenfalls Füllstoffen, Treibmitteln und weiteren Additiven. Unter Wärmezufuhr geliert die Mischung und wird zu einem dauerhaft zähelastischen Kunststoff.
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Um aus PVC-Plastisol einschichtige Hohlkörper wie Spielbälle und dergleichen herzustellen, wird der Werkstoff in pulverförmigem oder pastösem Zustand in eine Hohlform eingebracht. Mittels biaxialer Rotation sowie durch äußere Wärmezufuhr, beispielsweise in einem Ofen, wird das Plastisol mehr oder weniger gleichmäßig über die Innenwand der Hohlform verteilt und erstarrt, wobei relativ gleichmäßige Wandstärken in der Größenordnung von etwa 1 bis 15 mm erreicht werden. Ein Beispiel hierfür ist in
DE 10 2012 218 858 A1 beschrieben.
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Der Einsatz von PVC-Plastisol ist jedoch aufgrund eines langsamen Ausschwitzens des Weichmachers unter ökologischen Gesichtspunkten kritisch zu bewerten, da viele Weichmacher als gesundheitsbedenklich angesehen werden. Dies ist gerade bei Kinderspielzeug sowie bei Gegenständen, welche mit Lebensmitteln in Kontakt gelangen, von Bedeutung. Eine Abhilfemöglichkeit besteht darin, höher siedende Weichmacher zu verwenden, wodurch die Abgabe von Weichmachern an die Umwelt zwar vermindert, jedoch nicht grundsätzlich beseitigt wird.
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Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Herstellungsverfahrens liegt in der Notwendigkeit der Wärmezufuhr, um ein Gelieren des Werkstoffs zu erzielen. Dies bedingt einen hohen apparativen Aufwand bei der Herstellung, da das Rotationsformen des Hohlkörpers entweder innerhalb eines Ofens durchgeführt oder aber die entsprechende Hohlform beheizt werden muss. Zudem schlägt sich die Wärmezufuhr in einem hohen Energieverbrauch bei der Herstellung nieder.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Hohlkörpern mit einer einschichtigen, einstückig hergestellten Hülle unter ökologischen Gesichtspunkten zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Hohlkörper gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Hohlkörper umfasst eine einschichtige, einstückig hergestellte Hülle, welche einen Hohlraum umschließt, und zeichnet sich dadurch aus, dass die einstückig hergestellte Hülle aus einem ungeschäumten Polyurethan besteht.
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Solche Hohlkörper ermöglichen bei ähnlichen Produkteigenschaften eine erheblich umweltfreundlichere Herstellung als Hohlkörper aus PVC-Plastisol.
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Das ungeschäumte Polyurethan ist bevorzugt weichmacherfrei, so dass sich ein besonders umweltfreundlicher Hohlkörper ergibt. Zudem bleiben die Produkteigenschaften hierdurch über einen langen Zeitraum unverändert, wodurch der Gebrauchswert steigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Holkörpers ist die Hülle aus ungeschäumtem Polyurethan aus einer PUR-Vergußmasse hergestellt.
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Weiterhin kann in der Hülle ein Ventil zum Aufblasen der Hohlform angeordnet sein, wodurch der Hohlkörper mit einem Innendruck beaufschlagt werden kann.
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Die Form des Hohlkörpers ist grundsätzlich nicht beschränkt, solange diese durch Rotationsformen oder Schleuderguß herstellbar ist. Der Hohlkörper kann beispielsweise ein Spielball oder aber auch ein sonstiges hohles elastisches Spielgerät sein.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird die derzeit weltweit gebräuchliche Art und Weise der Herstellung von Hohlkörpern mit einer einschichtigen und einstückig hergestellten Hülle revolutioniert. Die Erfindung bietet eine ökologische Alternative zu den bisherigen Herstellungsverfahren auf PVC-Plastisolbasis.
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Zwar ist die Verwendung von Polyurethan bei der Herstellung von Spielbällen bereits in Erwägung gezogen worden. Bisherige Umsetzungen beschränken sich jedoch auf die Verwendung von Polyurethanschaum – vgl.
DE 78 14 995 U1 . Ungeschäumtes Polyurethan kam zu diesen Zwecken bisher nie zum Einsatz.
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Ein einschichtiger Hohlkörper kann insbesondere hergestellt sein durch ein Verfahren, umfassend:
- – Vorbereiten eines Werkstoffs in Form eines treibmittelfreien PUR-Systems,
- – Einspritzen des Werkstoffs in eine Hohlform,
- – Rotieren der Hohlform zur Herstellung des Hohlkörpers bei gleichzeitiger exothermer Reaktion des Werkstoffs, und
- – Entformen des Hohlkörpers aus der Hohlform nach Erstarren des Werkstoffs durch Öffnen der Form und Entnehmen des Hohlkörpers.
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Im Vergleich zu Herstellungsverfahren auf Plastisolbasis wird durch Einsatz eines treibmittelfreien PUR-Systems eine äußere Wärmezufuhr stark vermindert, da die Reaktion des PUR-Systems exotherm verläuft. Hierdurch ergibt sich ein deutliches Energieeinsparpotential mit erheblichen ökologischen Vorteilen.
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Zudem verkürzt sich die Prozesszeit, d. h. die Zeit, welche für die Herstellung eines Hohlkörpers bis zur Entformung benötigt wird, deutlich gegenüber Herstellungsverfahren auf Plastisolbasis. Die Reaktionszeit bis zum Erstarren des Werkstoffs kann über die Komponenten des PUR-Systems eingestellt werden.
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Der Entfall der Notwendigkeit einer äußeren Wärmezufuhr bei der Fertigung ermöglicht weiterhin eine Verringerung des apparativen Aufwands, da die herkömmlicherweise benötigten Heizeinrichtungen entfallen können. Zudem vereinfacht sich die Handhabung, da sich ein Beschicken und Entleeren eines Ofens erübrigt.
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Ferner kann das Rotieren ganz ohne Zufuhr von äußerer Wärme erfolgen.
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Gegebenenfalls kann ferner das Vorbereiten des Werkstoffes und/oder das Rotieren unter äußerer Kühlung vorgenommen werden, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Beeinflussung der Reaktionsbedingungen des Werkstoffs besteht.
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Das PUR-System kann weichmacherfrei sein, wodurch die hergestellten Hohlkörper strengen Umweltanforderungen genügen. Diese eignen sich insbesondere als Kinderspielzeug. Eine lebensmittelechte Ausführung ist ohne Weiteres möglich. Entsprechende elastische Spielgeräte können weiterhin mit einem Ventil versehen und aufgeblasen werden.
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Als PUR-System kann beispielsweise eine Zusammensetzung in Form einer PUR-Vergußmasse verwendet werden, wodurch hohe Oberflächengüten erzielt werden können.
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Gemäß einer optionalen vorteilhaften Ausgestaltung basiert das PUR-System auf Polyetherpolyolen und Diphenylmethan-Diisocyanat.
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Vorzugsweise wird das treibmittelfrei PUR-System unter wasserfreien Bedingungen zur Reaktion gebracht, wodurch sich ein hochfester, zähelastischer, kompakter Kunststoff ohne Einschlüsse von Gasblasen oder dergleichen ergibt, welcher gas- und wasserdicht ist.
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Zum Bedrucken des Hohlkörpers kann dieser vor einem Bedrucken einer Corona-, Plasma- und/oder Flammbehandlung unterworfen oder mit einem Haftgrund beschichtet werden. Hierdurch wird eine gute Haftung der Druckfarbe erzielt. Im Vergleich zu Hohlkörpern aus PVC-Plastisol kann hierbei der Gehalt an Lösungsmittel in der Druckfarbe zumindest erheblich oder sogar vollständig bis auf Null reduziert werden, wodurch bei bedruckten Hohlkörpern eine weitere Verbesserung der Umwelteigenschaften bei der Herstellung erzielt wird. Wird eine solche Druckvorbehandlung nicht vorgenommen, kann die Haltbarkeit eines Drucks, der in diesem Fall auch mit einer wasserlöslichen Druckfarbe vorgenommen werden kann, durch eine anschließende Lackierung erhöht werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von einschichtigen Hohlkörpern,
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2 eine Schnittansicht eines Spielballs als Beispiel für einen erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörper, und in
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3 eine Außenansicht des Spielballs aus 2.
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Mit dem nachfolgend näher erläuterten Verfahren gemäß 1 lassen sich Hohlkörper 1, welche eine einschichtige, einstückige Hülle 2 aufweisen, besonders umweltfreundlich herstellen.
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Die Herstellung beruht auf der Verwendung eines treibmittelfreien PUR-Systems als Werkstoff. Ein solches PUR-System umfasst als Ausgangskomponenten Polyole und Polyisocyanate, aus welchen durch Polyadditionsreaktion Polyurethane entstehen. Diole und Diisocyanate führen zu linearen Polyurethanen. Vorliegend werden bevorzugt vernetzte Polyurethane angestrebt, welche beispielsweise durch Umsetzung von Triisocyanat-Diisocyanat-Gemischen mit Polyolen entstehen. Das treibmittelfreie PUR-System kann optional weitere Zuschlagstoffe wie Stabilisatoren, Farbpigmente und dergleichen enthalten.
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Insbesondere kann das PUR-System weichmacherfrei sein. Bevorzugt kommt eine PUR-Vergußmasse zum Einsatz. Besonders geeignete PUR-Systeme basieren, ohne Beschränkung hierauf, auf Polyetherpolyolen und Diphenylmethan-Diisocyanat.
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Es sind jedoch auch andere PUR-Systeme verwendbar.
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Geeignete Dichten (bei 20°C) liegen etwa im Bereich von 0,9 g/cm3 bis 1,3 g/cm3.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der Werkstoff durch Vermischen der Komponenten des treibmittelfreien PUR-Systems vorbereitet. Dies kann je nach Topfzeit des PUR-Systems und Layout der Fertigungseinrichtung entweder für jeden Hohlkörper separat oder aber auch für eine Gruppe von Hohlkörpern gemeinsam erfolgen. Das Vermischen erfolgt außerhalb der Hohlform, d. h. des Formwerkzeugs mit dem der Hohlkörper anschließend gefertigt wird.
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In einer Ausführungsvariante wird der Werkstoff unter wasserfreien Bedingungen zur Reaktion gebracht.
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Der so vorbereitete Werkstoff wird in einem zweiten Schritt S2 präzise in eine Hohlform eingespritzt, welche die Außenkontur des zu fertigenden Hohlkörpers vorgibt.
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Durch Rotieren der Hohlform in einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird der eingespritzte Werkstoff über die Innenwand derselben verteilt. Das Rotieren kann wie beim Schleudergießen um eine Achse erfolgen. Vorzugsweise wird die Hohlform um zwei oder gegebenenfalls auch um mehr als zwei Achsen rotiert, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Werkstoffs über die Innenwand der Hohlform erzielt wird.
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Während des Rotierens erfolgt die Reaktion der Komponenten des PUR-Systems unter Ausbildung eines ungeschäumten Polyurethans. Da die Reaktion der Komponenten des PUR-Systems exotherm verläuft, ist hierbei keine äußere Wärmezufuhr erforderlich. Dementsprechend werden bei der Fertigung keinerlei Öfen oder sonstige Heizeinrichtungen an der Hohlform benötigt. Vielmehr erstarrt das Gemisch von selbst innerhalb einer Zeit von ca. 15 bis 90 s nach Einspritzen in die Hohlform.
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Unter Umständen kann es erforderlich sein, Reaktionswärme abzuführen. Dazu kann während des Vorbereitens des Werkstoffes, während des Rotierens oder während beider Verfahrensschritte S1 und S2 eine äußere Kühlung vorgenommen werden. Über eine solche zusätzliche Kühlmöglichkeit lassen sich die Reaktionsparameter noch besser beherrschen.
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Nach einem Erstarren des Gemischs folgt in einem weiteren Verfahrensschritt S4 das Entformen des Hohlkörpers aus der Hohlform durch Öffnen der Form und Entnehmen des Hohlkörpers. Das Entnehmen kann sowohl manuell als auch automatisiert erfolgen.
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Je nach Verwendungszweck kann in den Hohlkörper ein Ventil eingebracht werden, welches ein einmaliges oder wiederholtes Aufblasen des Hohlkörpers gestattet.
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Weiterhin kann der Hohlkörper in einem weiteren Verfahrensschritt S6 bedruckt werden. Das Bedrucken kann beispielsweise mittels Tampondruck erfolgen, wie dies in
DE 10 2012 218 858 A1 beschrieben ist. Jedoch sind auch andere Druckverfahren möglich. Die Bedruckbarkeit von ungeschäumtem Polyurethan ist jedoch eingeschränkt. Zur Verbesserung der Haftung der Druckfarbe kann daher der entformte Hohlkörper vor einem Bedrucken einer Corona-, Plasma- und/oder Flammbehandlung unterworfen oder mit einem Haftgrund beschichtet (Verfahrensschritt S5) werden. Insbesondere bei der Verwendung von wasserlöslichen und ansonsten lösungsmittelfreien Druckfarben wird nach dem Bedrucken zusätzlich eine Lackierung vorgenommen. Das Bedrucken kann auch mit lösungsmittelhaltigen Druckfarben erfolgen, wobei im Vergleich zu Hohlkörpern aus PVC-Plastisol ein deutlicher geringer Gehalt an Lösungsmittel in der Druckfarbe erforderlich ist.
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2 und 3 zeigen einen mit dem vorstehenden Verfahren hergestellten Hohlkörper 1 am Beispiel eines Spielballs.
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Dieser Hohlkörper 1 besteht im Wesentlichen aus einer einschichtigen, einstückig hergestellten Hülle 2, welche einen Hohlraum 3 umschließt. Gegebenenfalls kann in der Hülle 2 ein Ventil 4 angeordnet sein, welches bei Bedarf ein Aufblasen des Hohlkörpers, hier des Spielballes ermöglicht. Mehrschichtige Verbundsysteme aus unterschiedlichen Werkstoffen sind nicht Gegenstand der Erfindung. Dies schließt jedoch nicht aus, dass erfindungsgemäß hergestellte einschichtige Hohlkörper im Kontext weiterer Bauteile verwendet werden.
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Die einstückig hergestellte Hülle 2 des Hohlkörpers 1 besteht aus einem ungeschäumten Polyurethan, welches aus dem oben erläuterten PUR-System resultiert. Die Hülle 2 wird somit durch einen hochfesten, zähelastischen und kompakten Kunststoff gebildet, der gas- und wasserdicht ist.
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Die Außenkontur des Hohlkörpers 1 zeichnet sich durch eine hohe Oberflächengüte aus.
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Das ungeschäumte Polyurethan ist weichmacherfrei und damit gesundheitlich unbedenklich und umweltfreundlich. Insbesondere ist eine Ausführung möglich, welche den strengen Anforderungen der Lebensmittelechtheit genügt.
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Die Hülle 2 aus ungeschäumtem Polyurethan kann insbesondere aus einer PUR-Vergußmasse hergestellt sein.
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2 und 3 zeigen einen Hohlkörper in Form eines Spielballs. Jedoch ist die Formgebung nicht auf Balle oder Kugeln beschränkt. Vielmehr sind alle hohlen Formen darstellbar, welche durch Rotationsformen oder Schleuderguß gefertigt werden können.
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Weiterhin kann der Hohlkörper 1 an seiner Außenseite mit einem Aufdruck 5 versehen sein. Gegebenenfalls ist der Hohlkörper 1 mit einer Lackschicht 6 überzogen, um die Haltbarkeit des Aufdrucks 5 zu verbessern und/oder einen optischen Effekt zu erzielen.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele sowie weiterer Abwandlungen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Insbesondere können im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen und deren Abwandlungen beschriebene Einzelmerkmale ausdrücklich auch dann miteinander kombiniert werden, wenn dies oben nicht erwähnt ist, solange dies technisch möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218858 A1 [0003, 0043]
- DE 7814995 U1 [0014]