Die Entbinderung-Entfernung der Kunststoff-Matrix-muß quantitativ sein, damit die PIM-Teile durch eine nachfolgende Sinter-Behandlung die für ihren Bestimmungszweck erforderliche Qualität erreichen können.

Es muß auch sichergestellt sein, daß alle Teile einer dem Entbinderungspro- zeß zu unterwerfenden Charge, die eine Vielzahl von PIM-Teilen umfassen kann, vollständig entbindert sind, damit die Charge nicht unter Gesichtspunk- ten der Qualitätskontrolle schon verworfen werden muß, bevor sie der Sin- terbehandlung als nächster Bearbeitungsstufe unterworfen werden kann.

Um die erforderliche-quantitative-Entfernung der Kunststoffmatrix der PIM- Teile sicher zu stellen, wird in der Regel so vorgegangen, daß nach Ermitt-

lung einer für die jeweiligen Teile und Chargen erforderlichen Behandlungs- zeit die für die Entbinderungsbehandlung geeigneten Prozeßbedingungen wesentlich länger aufrechterhalten bleiben und eine entsprechende Verlän- gerung des Entbinderungsbetriebes hingenommen wird, als es für eine quantitative Entbinderung erforderlich wäre, wodurch zwar der Verlust einer Charge vermieden werden kann, jedoch erhebliche Betriebskosten in Kauf genommen werden müssen, die z. B. aus einem hohen Verbrauch von Schutzgas für die Spülung des Depolymerisationsofens, die längere Zufuhr des Reaktionspartners sowie die Zeitbelastung der Anlage bedingt sind.

Da die Entbinderungszeit von der Größe und Form der PIM-Teile in erhebli- chem Umfang abhängig ist, müssen zur Ermittlung der Entbinderungszeit, einschließlich der Sicherheitszeitspanne aufwendige Vorversuche unter- nommen werden, die ihrerseits zeit-und kostenaufwendig sind und meist mit dem Verlust von Versuchschargen verknüpft sind, deren Qualität für eine weitere Verarbeitung unzureichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine sichere Prozeßführung dahingehend ermöglicht, daß der Entbinderungsprozeß nicht zu früh abgebrochen wird und gleich- wohl mit vergleichsweise kurzen Entbinderungszeitspannen gearbeitet wer- den kann, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage anzugeben.

Diese Aufgabe wird-hinsichtlich des Verfahrens-durch die kennzeichnen- den Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Ausgestaltungen desselben durch die Unteransprüche 2 bis 4 und hinsichtlich der Anlage durch die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 gelöst.

Hiernach wird unter definiert einstellbaren Werten der Reaktionstemperatur Tr im Ofen sowie der Zuführungsrate V des Reaktionspartners fortlaufend

oder periodisch intervallweise die Temperatur im Verbrennungsraum der Fa- ckel überwacht, und es wird nach einem Absinken der Fackeltemperatur auf einen unteren Grenzwert Tfs, der mindestens und annähernd derjenigen Temperatur Tf im Brennraum der Fackel entspricht, die sich unter stationä- ren Betriebsbedingungen des Entbinderungsofens ergibt, solange der Ent- binderungsprozeß noch nicht eingeleitet ist, die Beendigung des Entbinde- rungsprozesses eingeleitet und spätestens nach Ablauf einer relativ kurzen Sicherheitszeitspanne, die klein gegen die Entbinderungszeit insgesamt ist, der Entbinderungsprozeß beendet, vorzugsweise dadurch, daß die Reakti- onspartner-Zufuhr zum Reaktionsraum des Entbinderungsofens beendet wird.

Basierend auf der Erkenntnis, daß die Temperatur im Brennraum der Fackel oder einer Begrenzungswand desselben als Folge der durch die Verbren- nung der Zersetzungsprodukte freigesetzten Wärme ein geeignetes Maß für die Menge anfallenden Zersetzungsprodukte ist, wird diese Temperatur er- findungsgemäß zur Prozeßsteuerung, insbesondere zu einer situationsgerechten Beendigung des Depolymerisierungsprozesses genutzt, wodurch zumindest die folgenden Vorteile erzielt werden : Es wird auf einfache Weise sichergestellt, daß der Depolymerisierungspro- zess nicht zu früh beendet wird, da dessen Beendigung erst eingeleitet wird, nachdem ein Betriebszustand erreicht ist, erkennbar an dem stationären Wert der Fackeltemperatur, der einem"Referenz"-Zustand entspricht, der z. B. vor Beginn des Einleitens des Reaktionspartners in dem Entbinderung- sofen eingestellt und erfaßt worden ist, d. h. dem stationären Betriebszustand des Entbinderungsofens entspricht, wenn Depolymerisationsprodukte noch nicht bzw. nicht mehr vorhanden sind.

Da die erfindungsgemäße Art der Prozeßsteuerung unabhängig vom Mat- rixmaterial der PIM-Teile, deren Form und Größe und auch unabhängig von

der Größe einer Charge, die zu entbindern ist, zuverlässig zu einer vollstän- digen Entbinderung führt, können auch zeitaufwendige Vorversuche zur Er- mittlung einer geeigneten Entbinderungszeit entfallen und insoweit erhebli- che Kosten angespart werden. Eine aus Gründen der Qualitätssicherung gleichwohl als zweckmäßig erscheinende Sicherheitszeitspanne, für die die Entbinderungsanlage über den Zeitpunkt hinaus, zu dem von einer vollstän- digen Entbinderung ausgegangen werden kann, noch im"Entbinderungs"- Betrieb gehalten wird, kann ohne weiteres in dem durch die Merkmale des Anspruchs 3 angegebenen zeitlichen Rahmen gehalten werden, was im Er- gebnis zu einer gegenüber bekannten Verfahrensweisen signifikanten Er- niedrigung der Entbinderungszeiten führt, die für ein quantitatives Entbindern benötigt werden.

Eine"zusätzliche", die Betriebskosten der Anlage senkende Verkürzung der Entbinderungszeit ist auch durch ein Vorgehen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 erreichbar.

Eine zur Durchführung des erfindungsgmäßen Verfahrens geeignete Entbin- derungsanlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 erfordert, verglichen mit einer konventionellen Anlage nur einen geringen Zusatzaufwand, der durch die Einfügung des Temperatursensors, in der Regel eines Thermo- elements, in die Fackel-Konstruktion und die geeignete Programmierung ei- ner zur verfahrensgemäßen Auswertung des Sensor-Ausgangssignals ge- eigneten elektronischen Steuereinheit bedingt ist, im Vergleich zu den für die Gesamtanlage aufzuwendenden Investitionskosten jedoch marginal ist.

Die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Auslegung dieser elektronischen Steu- ereinheit ermöglicht eine gleichsam selbst-adaptive, automatische Führung des Entbinderungsprozesses im Sinne einer effektiven Verkürzung der er- forderlichen Entbinderunszeiten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- schreibung des Aufbaus und der Funktion einer erfindungsgemäßen Entbin- derungsanlage anhand der Zeichnungen. Es zeigen : Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Entbinderungsanlage in schematisch vereinfachter Darstellung ihrer Funktionskomponen- ten ; Fig. 2 ein Temperatur/Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betrieb der Anlage gemäß Fig. 1.

Die in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Entbinderungsanlage ist da- für gedacht, in einem Pulver-Spritzgußverfahren (PIM-Powder-Injection- Molding) realisierte CIM (Ceramic Injection Molding)-oder MIM (Metall Injec- tion Molding)-Teile zu entbindern.

"Entbindern"bedeutet, daß eine aus einem polymeren Kunststoff bestehen- de Matrix, die die Herstellung der genannten Teile in einem Spritzgußvefah- ren ermöglicht hat und die Metall-bzw. Keramikteile in einer relativ dichten Packung enthält, quantitativ entfernt werden soll, bevor die"reinen"Keramik- bzw. Metallteile einer z. B. sinternden Nachbearbeitung unterwerfen werden, durch die sie erst ihre endgültige dem Keramik-oder Metall-Material weitge- hend entsprechenden Eigenschaften erhalten, derart, daß das spezifische Gewicht der"fertigen"Teile nahezu dem spezifischem Gewicht des jeweils verwendeten Metalls oder der jeweiligen Keramik entspricht.

Zum Zweck der Erläuterung sei vorausgesetzt, daß die zu entbindernden, in dem Pulver-Spritzgußverfahren hergestellten Bauteile 11 unter Verwendung eines Polyacetals als Matrix-Material hergestellt worden sind, das durch den Entbinderungsprozeß entfernt werden soll.

Die Entbinderung erfolgt in einem Reaktionsraum 12 eines insgesamt mit 13 bezeichneten Entbinderungsofens, in dem mittels einer-nicht dargestellten- Heizeinrichtung des Ofens 13 eine Reaktionstemperatur T eingestellt wird, die einen typischen Wert zwischen 110 und 120 °C hat, und in den als Reak- tionspartner hochkonzentrierte Salpetersäure eingebracht wird, die mit dem Matrixmaterial im Sinne einer Depolymerisierung desselben reagiert, derart, daß als Endprodukte dieser Reaktion monomere und dimere Bestandteile des Matrixmaterials in gasförmigen Zustand anfallen, die in einer insgesamt mit 14 bezeichneten Fackel verbrannt werden. Während des Entbinde- rungsprozesses wird der Reaktionsraum 12 des Entbinderungsofens ständig mit Stickstoff als Schutzgas gespült.

Zur Einleitung der Salpetersäure in den Reaktionsraum 12 ist eine lediglich schematisch dargestellte, z. B. als Membranpumpe ausgebildete Dosierpum- pen 16 vorgesehen, mittels derer in einer typischen Auslegung der Anlage 10 Salpetersäure in einer einem Volumenstrom von 30 bis 120 ml/h entspre- chenden Menge dem Reaktionsraum 12 zuführbar ist. Die Förderleistung der Dorsierpumpe 16 ist elektrisch steuerbar.

Die Schutzgas-Spülung erfolgt über ein ebenfalls elektrisch ansteuerbares Durchfluß-Mengen-Regelventil 17, wobei typische Werte des Stickstoff- Volumenstromes zwischen 500 und 1500 I/h betragen.

Die vorgenannten Grenzwerte für den Salpeter-Säure-Volumenstrom und den Schutzgas-Volumenstrom gelten für den Fall, daß das Volumen des-im wesentlichen quaderförmigen-Reaktionsraumes 12 Werte zwischen 40 1 und 120 1 hat.

Um eine möglichst homogene Verteilung der Salpetersäure in dem Reakti- onsraum 12 zu erzielen, ist ein Ventilator 18 vorgesehen, der für eine gleichmäßige Verteilung und Verwirbelung des Prozeßgases im Reaktions-

raum 12 sorgt, derart, daß sämtliche Bauteile im wesentlichen identischen Reaktionsverhältnissen ausgesetzt sind.

Die durch die Depolymerisierungsreaktion entstehenden-gesundheits- schädlichen-Reaktionsprodukte werden in der Fackel 14 durch Verbrennen in oxidische Stoffe umgewandelt, die unbedenklich in die Atmosphäre abge- ben werden können.

Die Fackel 14 ist bei dem zur Erläuterung gewähltem, speziellen Ausfüh- rungsbeispiel"vertikal"stehend an der Oberseite des Entbinderungsofens 13 angeordnet, aus dessen Reaktionsraum 12 das die niedermolekularen De- polymerisationsprodukte enthaltende Prozeßgas über die Abgasleitung 19 des Entbinderungsofens 13"von unten her"in einen Zündraum 21 der Fa- ckel 14 eingeleitet ist, in dem ein Zündbrenner 22 angeordnet ist, der eine den Abgasstrom entflammende Zündflamme 32 erzeugt, die den Abgas- strom entflammt, dessen gestrichelt angedeutete Brennflamme 23 im we- sentlichen in einem oberhalb des Zündraumes 21 angeordneten Brennraum 24 der Fackel 14 brennt, in den durch Öffnungen 26 des der Grundform nach zylindrisch-rohförmigen Fackelmantels 27 die Verbrennung des Abgases fördernde Luft nachströmen kann.

Die Brenngas-Zuführung zu dem Zündbrenner 22, der üblicherweise kontinu- ierlich brennt, ist mittels eines Umschaltventils 28 elektrisch gesteuert ab- sperrbar. In der Fackel 14 ist ein Temperatursensor 29 installiert, der ein für die Temperatur im Brennraum der Fackel 14 charakteristisches elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das ein zuverlässiges Maß für die Temperatur im Brennraum 24 der Fackel 14 ist.

Als Temperatursensor 29 ist ein Thermoelement des Typs"K" (Chrom- Nickel-Element) gewählt, das in ein frei in den Brennraum 24 der Fackel 14 hineinragendes hochtemperaturfestes Keramik-Röhrchen 25 eingesetzt ist.

Das Keramikröhrchen 25 verleiht dem Temperatursensor 29 eine durch die Dimensionierung des Röhrchens geeignet vergebbare"thermische"Trägheit gegen kurzzeitige Schwankungen der Gastemperatur im Brennraum 24, so daß das Ausgangssignal des Temperatursensors 29 im Ergebnis einem über eine geeignete Meßzeitspanne hinweg gemittelten Wert der Temperatur im Brennraum 24 entspricht und ein für die Verarbeitung des Temperatursen- sor-Ausgangssignals günstigeres Signal-/Rausch-Verhältnis erreicht wird.

Im Verlauf eines typischen, mittels der Anlage 10 durchführbaren Entbinde- rungsprozesses ergibt sich der aus der Fig. 2, auf deren Einzelheiten nun- mehr Bezug genommen sei, ersichtliche Zeitverlauf der mittels des Tempera- tursensors 29 erfaßten"Fackel"-Temperatur Tf.

Nachdem das durch die Bauteile 11 repräsentierte Entbinderungsgut in den Reaktionsraum 12 des Entbinderungsofens 13 eingebracht ist, wird der Ent- binderungsofen 13 unter Spülung mit Schutzgas (N2) auf die Reaktionstem- peratur aufgeheizt, bis ein stationärer Wert dieser Temperatur erreicht ist.

Während dieser Anheizphase ist auch schon der Zündbrenner 22 in Betrieb, so daß sich auch in der Fackel 14 ein stationärer Wert der mittels des Tem- peratursensors 29 überwachten Fackeltemperatur ergibt.

Sobald dieser"Sockel"-Wert hinreichend stationär ist, was im Zeitpunkt t, des Diagramms der Fig. 2 der Fall sein möge, wird, ausgelöst durch ein e- lektrisches Ausgangssignal einer elektronischen Steuereinheit 31, der als Eingangssignal das temperaturcharakteristische Ausgangssignal des Tem- peratursensors 29 zugeleitet ist, die Dosierpumpe 16 aktiviert und dadurch Salpetersäure in der prozeßgerechten Fördermenge V in den Reaktionsraum 12 des Entbinderungsofens 13 eingeleitet. Durch den ab diesem Zeitpunkt t, einsetzenden Depolymerisationsprozeß fällt als Depolymerisationsprodukt im wesentlichen Formaldehyd an, das nunmehr, entzündet durch die Zünd-

flamme 32 des Zündbrenners 22 im wesentlichen in dem Brennraum 24 der Fackel 14 abgefackelt wird. Dadurch ergibt sich, repräsentiert durch den steil ansteigenden Ast 33 der insgesamt mit 35 bezeichneten T/t-Verlaufskurve ein Anstieg der"Fackel"-Temperatur Tf, der bis zu einem Maximalwert Tfmax der Fackeltemperatur führt, der im Zeitpunkt t2 erreicht wird. Unmittelbar nach Erreichen dieses Maximalwertes TfmaX der Fackeltemperatur sinkt diese, wie durch den unmittelbar auf das Temperaturmaximum folgenden steil ab- fallenden Ast 34 der Verlaufskurve 35 repräsentiert zunächst relativ rasch ab, um danach mit geringerer Rate abzufallen, wie durch den sich über den größten Teil der Entbinderungszeit erstreckenden flach abfallenden Ast 36 der Verlaufskurve 35 repräsentiert.

Dieser"flache"Abfall der Fackeltemperatur Tf ergibt sich daraus, daß mit zunehmender Dauer des Entbinderungsprozesses kontinuierlich weniger Depolymerisations-Endprodukte anfallen, die in der Fackel 145 verbrannt werden, mit der Folge, daß die Fackeltemperatur entsprechend abnimmt.

Ein etwa im Zeitpunkt t3 einsetzender, rascherer Abfall der Fackeltemperatur Tf, der durch den"steiler"abfallenden Ast 37 der T/t-Verlaufskurve 35 reprä- sentiert ist, ist ein Indiz hoher Wahrscheinlichkeit dafür, daß zu dem Zeit- punkt t3 ein weitaus überwiegender Teil der Matrix der PIM-Teile depolyme- risiert ist, d. h. die Menge der noch anfallenden Depolymerisationsprodukte, die in der Fackel verbrannt werden, drastisch abgenommen hat und dem- gemäß die Brennflamme 23 der Fackel als Wärmequelle sich zu erschöpfen beginnt, mit der Folge, daß die mittels des Temperatursensors 29 erfaßte "Fackel"-Temperatur entsprechend rascher abzusinken beginnt. Nachdem das Matrix-Material vollständig depolymerisiert und verbrannt ist, erlischt die Brennflamme 23, und es ist als Wärmequelle nur noch die aus einem Pro- pan-Reservoir gespeiste Zündflamme 32 wirksam die, für sich alleine gese- hen, lediglich ausreicht, die mittels des Sensors 29 überwachte Fackel- Temperatur-stationär-auf dem Wert Tfs zu halten.

Sobald die mittels Sensors 29 überwachte Temperatur zumindest annähernd auf diesen Wert Tfs abgefallen ist oder auf einen allenfalls geringfügig höhe- ren Wert T'fs abgefallen ist, was im Zeitpunkt t4 des Diagramms der Figur 2 der Fall ist, und danach praktisch konstant bleibt, so ist dies ein zuverlässi- ges Indiz dafür, daß der Depolymerisationsprozeß abgeschlossen ist und demgemäß die PIM-Teile 11 entbindert sind und der Entbinderungsbetrieb beendet werden kann.

Um sicher zu gehen, daß die gesamte Charge vom PIM-Teilen 12 vom Mat- rix-Material befreit ist, kann es zweckmäßig sein, den für den Depolymerisa- tionsvorgang erforderlichen Betriebszustand des Enbinderungsofens-Zu- fuhr von Salpetersäure und Einhaltung der Reaktionstemperatur im Reakti- onsraum 12-, aus Sicherheitsgründen noch für eine relativ kurze Zeitspanne At über den Zeitpunkt t4 hinaus aufrecht zu erhalten, um gleichsam absolute Sicherheit dafür zu gewinnen, daß das Matrix-Material der PIM-Teile 11 voll- ständig entfernt ist, wonach im Zeitpunkt t5 des Diagramms der Figur 2 der Entbinderungsbetrieb durch Abschalten der Salpetersäurezufuhr beendet und die entbinderten Teile 11 zur weiteren Behandlung aus dem Ofen 13 entnommen werden können.

Hierbei ist anhand von Versuchen ermittelt worden, daß eine Sicherheitszeit- spanne Ats von 5 % bis 10 % der Entbinderungszeit tE, d. h. der Zeitspanne die zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur TfmaX und dem Absinken der Fackeltemperatur Tf auf dem stationären Wert T' verstreicht, ausrei- chend ist um mit hinreichender Sicherheit davon ausgehen zu können, daß die erforderliche Qualität der entbindert PIM-Teile 11 erreicht ist.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Anlage 10 ist deren elektronische Steuereinheit 31 dahingehend ausgelegt-"programmiert"daß die Zufüh- rungsrate von Salpetersäure zum Reaktionsraum 12 mittels der Förderpum-

pe 16 so gesteuert wird, daß die mittels des Temperatursensors 29, erfaßte Fackeltemperatur, nachdem diese ihren Maximalwert erreicht hat oder ge- genüber diesem wieder nur geringfügig abgesunken ist, auf einen konstan- ten Wert geregelt wird, womit, entsprechend dem Fortschreiten des Depoly- merisierungsprozesses, eine Zunahme der Reaktionspartner-Einspeisung einhergeht. Die Einleitung einer Beendigung des Entbinderungsprozesses erfolgt bei dieser Art der Steuerung dann zweckmäßigerweise so, daß ab dem Zeitpunkt, zu dem ein Schwellenwert der Reaktionspartner- Zuführungsrate überschritten ist, die Weiterführung und Beendigung des Depolymerisationsprozesses analog zu der anhand der Fig. 2 erläuterten Art erfolgt.

Eine zweckmäße Auslegung der elektronischen Steuereinheit 31 kann auch darin bestehen, daß die Prozeßführung im Sinne eines programmierbar vor- gegebenen Temperatur/Zeitprofils erfolgt und die Beendigung des Depoly- merisationsprozeßes wiederum erst einsetzt, nachdem die zur Verfolgung des Temperatur/Zeit-Profils erforderliche Reaktionspartner-Menge pro Zeit- einheit einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat.