Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schäumen eines viskosen Materials gemäß der Lehre der unabhängigen Hauptansprüche.

Die gattungsgemäß hergestellten Schäume werden beispielsweise, j edoch keineswegs ausschließlich, verwendet, um geschäumte Dichtungen auf abzudichtenden Bauteilen in frei konfigurierbarer Geometrie auftragen zu können. Dabei sind zum einen sogenannte Zweikomponenten-Schäume bekannt, bei denen zwei chemisch miteinander reaktive Bestandteile miteinander vermischt werden und durch die chemische Reaktion einen - Schaum bilden. Nachteilig an diesen Zweikomponenten- Dichtungssystemen ist es, dass bei Prozessunterbrechungen der chemische Prozess nur mit großen Schwierigkeiten unterbrochen werden kann. Deshalb ist es bei solchen Zweikomponenten-Systemen nach Betriebsunterbrechungen regelmäßig notwendig, die entsprechende Vorrichtung aufwendig zu reinigen. Zur Vermeidung dieser Nachteile von Zweikomponenten-Systemen sind auch sogenannte Einkomponenten-Systeme zum Schäumen von viskosen Materialien bekannt. Die EP 0 286 015 B l beschreibt ein solches gattungsgemäßes Verfahren für ein Einkomponenten-System. Grundlage dieses Verfahrens ist die Mischung eines viskosen Materials mit einem unter hohem Druck stehenden Gas . Nach der Zuführung des Gases in das viskose Material wird das Gemisch in einer Mischeinrichtung sehr intensiv durchgemischt, um für eine ausreichend feine Verteilung des Gases im viskosen Material zu sorgen. Anschließend wird das Gemisch dann unter hohem Druck ausgebracht und bei der Ausbringung druckentlastet. Durch die Druckentlastung wird erreicht, dass die im viskosen Material verteilten Gasblasen aufgrund der Druckdifferenz nach der

Druckentlastung expandieren und dadurch das viskose Material physikalisch aufschäumen. Nachteilig an diesem Verfahren ist es, dass die Größe und Verteilung der Gasblasen im viskosen Material einer statistischen Verteilung entsprechen, so das s das visko se Material neben sehr sehr kleinen Gasblasen auch relativ große Gasblasen enthalten kann, was zu Unregelmäßigkeiten bei der Schaumbildung führt. Durch die statistische Verteilung der Gasblasen nach Qualität und Quantität wird eine prozes ssichere Steuerung bei der Herstellung des gewünschten Schaums erschwert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zum Schäumen eines viskosen Materials vorzuschlagen, mit dem die Prozes s sicherheit bei der Herstellung des Schaums erhöht werden kann . Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach der Lehre der unabhängigen Hauptansprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht auf dem Grundgedanken, dass das Gas , das in das viskose Material eingebracht werden soll, mittels eines Gasinjektionsventils in das viskose Material injiziert wird. Durch die Injektion der Gasblasen unter Verwendung eines Gasinjektionsventils kann die Qualität und Quantität der Gasblasen prozes ssicher gesteuert werden. Die Abweichung der Größe und Verteilung der Gasblasen liegt durch die gezielte Injektion des Gases unter Verwendung des Gasinjektionsventils innerhalb sehr enger Grenzen, so dass ein hochqualitativer Schaum mit sehr gleichmäßigen Materialeigenschaften herstellbar ist.

Abhängig von der Anzahl von Gasinjektionsventilen und dem Quer- schnitt der ersten Förderleitung, in dem das viskose Material beim

Injizieren der Gasblasen strömt, kann es gemäß der Grundform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichen, das s die Gasblasen allein durch die Gasinjektion im viskosen Material verteilt werden . Um eine noch homogenere Verteilung der Gasblasen und gegebenenfalls auch eine Aufteilung der injizierten Gasblasen in noch kleinere Gasblasen zu erreichen, kann eine statisch oder dynamisch arbeitende Mischeinrichtung verwendet werden, die stromabwärts der Mündung sstelle, an der die Gasblasen injiziert werden, angeordnet ist. Durch das Mischen des viskosen Materials mit den injizierten Gasblasen wird das Material homogenisiert und abhängig vom gewählten Mischverfahren auch eine Verteilung der injizierten Gasblasen erreicht. Es können dabei statische Mischer Verwendung finden, die selb st keine Mischbewegung ausführen . Bei diesen statischen Mischern wird die Durchmischung durch die Fließbewegung des viskosen Materials vorbei an entsprechenden Strö- mungsleitelementen erreicht. Eine intensivere Homogenisierung der

Gasblasen im visko sen Material kann mit dynamischen Mischern erreicht werden, bei denen das Gemisch aus Gasblasen und viskosem Material durch aktiven Antrieb eines Mischelements durchmischt wird. Insbesondere Schermischer sind zum Mischen des viskosen Materials mit den injizierten Gasblasen sehr gut geeignet, da durch die im Schermischer aufgebrachten Scherkräfte eine besonders feine Verteilung der Gasblasen erreicht wird. Der Schermischer kann dabei aus einer sich drehenden Welle mit daran befestigten Mischblättern oder Mischscheiben bestehen.

Das Gemisch aus viskosem Material und den injizierten Gasblasen muss zum Aufschäumen der Gasblasen an der Ausströmvorrichtung druckentlastet werden. Erfolgt die Druckentlastung beispielsweise dadurch, das s die Mischung aus viskosem Material und Gasblasen mittels der Ausströmvorrichtung auf ein Werkstück unter Normalatmo sphäre aufgebracht werden wird, so muss der Druck des viskosen Materials unter darin eingemischten Gasblasen vor der Aus strömvorrichtung deutlich oberhalb des Normaldrucks von 1 bar liegen. Um einen guten Schäumeffekt zu ermöglichen sollte der Druck des Gemischs aus viskosem Material und injizierten Gasblasen deutlich oberhalb des Normaldrucks von 1 bar liegen. Es hat sich deshalb als besonders vorteilhaft erwiesen im Hochdruckbereich zu arbeiten und die Gasblasen unter Hochdruck in das bereits unter Hochdruck stehende viskose Material zu injizieren. Besonders vorteilhaft ist es deshalb, wenn die Fördereinrichtung das viskose Material mit einem Förderdruck von mindestens 50 bar, insbesondere mit einem Förderdruck von mindesten 80 bar, durch die erste Förderleitung zur Mündungsstelle fördert. In das bereits unter Hochdruck stehende visko se Material kann dann das Gas durch die zweite Förderleitung mit einem Förderdruck von mindestens 55 bar, insbesondere von mindestens 90 bar, durch die zweite Förderleitung zum Gasinjektionsventil gefördert und dort in das bereits unter Hochdruck stehende viskose Material injiziert werden. Dabei ist zu beachten, dass zwischen dem bereits unter Hochdruck stehenden viskosen Material und dem darin zu injizierenden Gas bei der Gasinjektion eine ausreichende Druckdifferenz im Bereich von 1 bis 20 bar vorhanden sein mus s . Wird also beispielsweise das viskose Material mit einem Förderdruck von 50 bar zur Mündungsstelle gefördert, so mus s das darin zu injizierende Gas einen Druck von mindestens 5 1 bar aufweisen .

Vorteilhafter ist dabei eine größere Druckdifferenz, so das s bei einem Förderdruck des viskosen Materials von beispielsweise 100 bar das zu injizierende Gas einen Druck von beispielsweise 1 10 bar aufweisen sollte. Welche Art von Gasinjektionsventil zur Injektion der Gasblasen in das viskose Material verwendet wird, ist grundsätzlich beliebig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, das s das Gasinjektionsventil einen Nadelverschlus s umfas st.

Besonders vorteilhaft ist es , wenn der Nadelverschluss des Gasinjektionsventils eine Verstellung des Hubs des Nadelverschlusses erlaubt, um dadurch die Größe der injizierten Gasblasen verändern zu können.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bewegungsfrequenz des Nadelverschlusses verändert werden kann, um durch die Änderung der Frequenz der Nadelhübe die Anzahl der injizierten Gasblasen pro Zeit variieren zu können. Um den Inj ektionsprozess der erfindungsgemäßen Vorrichtung überwachen zu können, sollten an der Vorrichtung geeignete Drucksensoren vorgesehen werden. So sollte der Druck des viskosen Materials vor der Mündungsstelle mit einem ersten Drucksensor überwacht werden können. Alternativ bzw. additiv dazu ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Druck im Gas vor dem Gasinjektionsventil mit einem zweiten Drucksensor gemes sen werden kann . Ebenfalls alternativ oder additiv dazu ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Druck in der Mischung aus viskosem Material und Gasblasen stromabwärts des Gasinj ektionsventils mit einem dritten Drucksensor gemes sen werden kann. Im Hinblick auf eine optimierte Prozess sicherheit ist es besonders vorteilhaft, wenn an der Vorrichtung ein Regelkreis zur Regelung des an der Mündungsstelle in das viskose Material einmündenden Gasblasenstroms durch Ansteuerung des Gasinj ektionsventils in Abhängigkeit eines mit einem Sensor gemes senen Mes swerts vorgesehen ist. Dies bedeutet also mit anderen Worten, dass das Gasinjektionsventil als

Regelglied im Regelkreis dient und die Ansteuerung des Gasinjektionsventils in Abhängigkeit eines im Regelkreis vorgesehenen Sensors entsprechend einer vorgegebenen Regelstrategie verändert wird. Beispielsweise können der Druck des viskosen Materials vor der Mündungs- stelle und der Druck des Gases vor dem Gasinjektionsventil gemes sen und die Stellparameter des Gasinjektionsventils in Abhängigkeit dieser beiden Sensorwerte entsprechend einer vorgegebenen Regelstrategie geregelt werden.

Um das Gemisch aus viskosem Material und Gasblasen an der Ausström- Vorrichtung gleichmäßig auszubringen, ist es besonders vorteilhaft, wenn stromabwärts der Mündungsstelle zumindest eine Förderpumpe vorgesehen ist, mit der die unter Druck stehende Mischung zur Aus strömvorrichtung hin gefördert werden kann. Als Förderpumpe kann dabei beispielsweise eine Kolbenpumpe eingesetzt werden. Insbesondere bei Verwendung von Kolbenpumpen als Förderpumpe zur Förderung des Gemischs aus viskosem Material und Gasblasen zur Ausströmvorrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn stromabwärts der Mündungsstelle nicht nur eine, sondern zumindest zwei Förderpumpen in parallelen Leitungsabschnitten vorgesehen sind. Mit den beiden parallel zueinander angeordneten Förderpumpen kann dann die unter Druck stehende Mischung aus viskosem Material und Gasblasen abwechselnd zur Aus strömvorrichtung gefördert werden, so das s insbesondere auch bei Erreichen der Endlage einer Kolbenpumpe der Förderstrom nicht abreißt, sondern das Gemisch gleichmäßig zur Aus strömvorrichtung gefördert wird.

Als Aus strömvorrichtung zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben sich insbesondere Nadelverschlus sdüsen als besonders geeignet erwiesen. Diese sollten bevorzugt pneumatisch angetrieben sein. Derartige Nadelverschlus sdüsen erlauben eine prozes s sichere und geregelte Ausdosierung der Mischung aus viskosem Material und Gasblasen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch charakterisiert, das s das unter einem Förderdruck stehende Gas mittels eines Gasinjektionsventils in das unter einem Förderdruck stehende viskose Material injiziert wird. Die dadurch gebildete Mischung aus viskosem Material und Gasblasen wird dann stromabwärts der Mündungs stelle an eine Aus strömvorrichtung unter Druckentlastung ausgebracht, so dass das viskose Material durch Expansion der darin eingemischten Gasblasen durch die Druckentlastung aufschäumt. Zur Erhöhung der gleichmäßigen Verteilung der Gasblasen im viskosen Material ist es vorteilhaft, wenn die Mischung aus viskosem Material und Gasblasen nach dem Injizieren der Gasblasen und vor dem Aus strömen mit einer Mischeinrichtung homogenisiert wird.

Der Förderdruck des visko sen Materials zur Mündungs stelle hin, an der die Gasblasen mittels des Gasinjektionsventils injiziert werden, sollte bevorzugt oberhalb von 50 bar liegen, um eine Hochdruckverarbeitung zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es , wenn der Förderdruck des viskosen Materials zur Mündungsstelle hin oberhalb von 80 bar, beispielsweise 100 bar, beträgt. Das in das viskose Material injizierte Gas sollte ebenfalls unter Hochdruck stehen, wobei der Gasdruck zumindest geringfügig höher sein mus s als der Förderdruck des visko sen Materials , da ansonsten eine Gasinj ektion nicht möglich ist. Als besonders geeignet hat sich eine Hochdruckverarbeitung erwiesen, bei der das Gas einen Förderdruck von mindestens 55 bar, insbesondere einen Förderdruck von mindestens 90 bar, aufweist.

Die Druckdifferenz zwischen dem Förderdruck des viskosen Materials einerseits und dem Förderdruck des Gases andererseits sollte mindestens 1 bar betragen, um eine prozes ssichere Injektion der Gasblasen in das viskose Material zu ermöglichen.

Im Hinblick auf eine prozes ssichere Steuerung bzw . Regelung des

Injektionsprozes ses ist es besonders vorteilhaft, wenn die Größe der Gasblasen während des Inj izierens der Gasblasen verändert werden kann. Dies kann beispielsweise durch Änderung des Hubs eines Nadelver- Schlus ses im Gasinj ektionsventil erfolgen . Alternativ oder additiv dazu kann die Größe der Gasblasen während des Injizierens der Gasblasen auch durch die Änderung der Druckdifferenz zwischen dem ersten

Förderdruck im viskose Material und dem zweiten Förderdruck im Gas verändert werden.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anzahl der Gasblasen pro Zeit während des Inj izierens der Gasblasen verändert werden kann. Dies kann beispielsweise durch Änderung der Hubfrequenz des Nadelverschlusses in einem Gasinjektionsventil erreicht werden. Die höchste Prozess sicherheit bei der Erzeugung des gewünschten

Schaums wird erreicht, wenn die Inj ektion der Gasblasen mit dem Gasinjektionsventil in einem Regelkreis in Abhängigkeit zumindest eines mit einem Sensor gemes senen Mes swerts verändert wird.

Als Sensoren können dabei Sensoren zur Messung des Drucks im visko- sen Material bzw. Sensoren zur Mes sung des Drucks im Gas und/oder

Sensoren zur Mes sung des Drucks in der Mischung aus viskosem Material und Gas eingesetzt werden.

Welche Art von viskosem Material für das erfindungs gemäße Verfahren verwendet wird, ist grundsätzlich beliebig und hängt von den Anforde- rungen an das zu schäumende Material ab . Im Hinblick auf die Verar- beitbarkeit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Inj ektion der Gasblasen mit dem Gasinj ektionsventil bei einem Druck von mindestens 50 bar, insbesondere bei einem Druck von mindesten 80 bar, erfolgt, wobei als viskoses Material ein Härter-Pastenmaterial vom Einkomponententyp verwendet wird. Das Härter-Pastenmaterial sollte dabei bei 20° C eine Viskositätscharakteristik aufweisen, die innerhalb einer von den Punkten A, B , C und D definierten Zone liegt. Der Punkt A der vorzugswürdigen Viskositätszone zeigt dabei bei einer Schergeschwindigkeit von 0,43 s ^{" 1} eine scheinbare Viskosität von 5 Pa s auf. Der Punkt B weist bei einer Schergeschwindigkeit von 0,43 s ^{" 1} eine scheinbare Viskosität von 3000 Pa s auf. Der Punkt C weist bei einer Schergeschwindigkeit von 783 s ^{" 1} eine scheinbare Visko sität von 2 Pa s und der Punkt D weist bei einer Schergeschwindigkeit von 783 s ^{" 1} eine scheinbare Visko sität von 200 Pa s auf. Die angegebenen Viskositätswerte können nach der Maßga- be der DIN EN IS O 3219 bestimmt werden.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematisierter Prinzipdarstellung ;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematisierter Prinzipdarstellung ;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung in schematisierter Prinzipdarstellung .

Fig. 1 stellt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 01 zum Schäumen eines viskosen Materials im Prinzip dar. Das viskose Material 02 wird aus einem Behälter 03 unter Verwendung einer Fördereinrichtung 04, nämlich einer Kolbenpumpe, durch eine erste Förderleitung 05 gepumpt. Das viskose Material 02 steht dabei in der Förderleitung 05 unter einem Druck von 100 + - 20 bar.

In einem Behälter 06 befindet sich Gas 07 , beispielsweise Luft. Das Gas 07 wird mittels eines nicht dargestellten Hochdruckkompres sors unter Hochdruck von beispielsweise 1 10 + - 20 bar gesetzt. Der Gasdruck des Gases 07 wird dabei jeweils so gewählt, dass der Gasdruck zumindest geringfügig größer ist als der Förderdruck des viskosen Materials 02 in der Förderleitung 05. Durch eine zweite Förderleitung 08 gelangt das Gas 07 zu einem Gasinjektionsventil 09 mit Nadelverschlus s . Der Nadel- verschluss des Gasinjektionsventils wird dabei durch eine Regeleinrichtung 10 geregelt angesteuert. Die Regeleinrichtung 10 wertet dabei in einem Regelkreis die Mes swerte der Sensoren 1 1 , 12 und 13 aus, mit denen der Druck des Gases 07 in der zweiten Förderleitung 08 bzw. der Druck des viskosen Materials 02 in der Förderleitung 05 bzw. der Druck der Mischung 14 gemessen werden kann. Abhängig von diesen Messwerten wird der Antrieb 26 des Nadelverschlusses im Gasinjektionsventil 09 von der Regeleinrichtung 10 angesteuert, um den Gasinjektionsprozes s entsprechend der voreingestellten Sollwerte zu regeln . Durch Gasinjektion werden an der Mündungs stelle 15 , an der die zweite Förderleitung 08 in die erste Förderleitung 05 einmündet, durch Betrieb des Gasinjektionsventils 09 Gasblasen 25 in definierter Größe und Anzahl in das viskose Material 02 injiziert, um dadurch die Mischung 14 aus Gasblasen 25 und viskosem Material 02 zu erzeugen. In den Zeich- nungen sind die Gasblasen überproportional vergrößert dargestellt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Durch Betrieb einer Förderpumpe 16 wird die Mischung aus viskosem Material 02 und Gasblasen 25 zu einer Ausströmvorrichtung 17 mit einer pneumatisch angetriebenen Nadelverschlussdüse 18 gefördert, wo die Mischung 14 unter Druckentlastung ausdo siert und auf ein Werkstück aufgebracht werden kann. Die ausdosierte Mischung 14 schäumt dabei nach Verlas sen der Nadelverschlussdüse 18 auf, da die in der Mischung 14 enthaltenen Gasblasen 25 durch die Druckentlastung in der Normalatmo sphäre stark expandieren. Fig. 2 zeigt eine zweite Vorrichtung 19 zum Aufschäumen des viskosen Materials 02, die weitgehend mit der Vorrichtung 01 übereinstimmt. Zusätzlich zur Vorrichtung 01 umfas st die Vorrichtung 19 eine Mischeinrichtung 20, die stromabwärts der Mündungs stelle 15 angeordnet ist, um die Mischung 14 aus viskosem Material 02 und die darin injizierten Gasblasen 25 zu homogenisieren und die Gasblasen 25 zu zerkleinern. Die Mischeinrichtung 20 weist dabei eine Antriebswelle 21 auf, mit der die Mischblätter 22 rotatorisch angetrieben werden. Die Mischeinrichtung 20 wird dabei von der Mischung 14 parallel zur Rotationsebene der Mischblätter 22 angeströmt.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 23 zum Schäumen des viskosen Materials 02, die weitgehend der Vorrichtung 19 entspricht. Zusätzlich zur Vorrichtung 19 umfas st die Vorrichtung 23 eine zweite Förderpumpe 24, so das s die Förderpumpen 16 und 24 jeweils in parallel zueinander verlaufenden Leitungsabschnitten angeordnet sind. Durch abwechselnden Betrieb der Förderpumpen 16 und 24 kann die Mischung aus viskosem Material 02 mit den darin injizierten Gasblasen 25 unterbrechungsfrei zur Aus strömvorrichtung 17 gefördert werden.