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Verfahren zur Herstellung von Gegenständen in selbsttragender
Schalenbauweise
Die Erfindung betrifft ein Vorfahren zur Herstellung von selbsttragenden Schalenkonstruktionen, wie z. B. von Bootskörpern, grossstückigen Teilen für den Boots- und Flugzeug-, Kühlschrank- und Karosserie- bau oder Formen zum Bau derselben. Diese Erzeugnisse bestehen aus geformten Sandwichkörpern, welche aus einem Kern aus Zellkörper aus Polyvinylchlorid oder dessen Mischpolymerisaten und aus gegebenenfalls verstärkten Deckschichten aus selbsthartundem Kunstharz zusammengesetzt sind.
Die Verwendung von festem, glasfaserverstärktem Kunstharz für den Bau kleinstückiger und grossstückiger Artikel, wie z. B. Bootsrümpfen, Karosserien usw. ist bekannt. An dem Material aber haftet der Nachteil eines grossen Raumgewichtes. Das Glasfaserpolyestermaterial ist spezifisch viel schwerer als Wasser, so dass z. B. Boote aus diesem Material bei Verletzung oder Kentern ohne besondere Schwimmhilfe untersinken. Weiterhin ist es oft schwierig den Bauteilen aus diesem Material die erforderliche Steifigkeit zu geben, da die glasfaserverstärkten Kunstharze verhältnismässig niedrige Elastizitätsmoduli besitzen. Unter anderem ist man gezwungen, grossstückige Artikel mit Verstärkungen wie Flanschen, Rippen usw., zu versehen.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, grossstückige Artikel als sogenannte Schichtkörperkonstruktionen, bei denen ein Kern aus schubfeste, leichtem Material mit verstärkenden Aussenschichten fest verbunden ist, herzustellen. Solche Schichtkörper- oder Verbundkonstruktionen sind in ebener Ausführung aus zahlreichen Materialien bekannt, dagegen macht die Herstellung grossstückiger, gebogener Teile, wie sie z. B. für den Bootsbau notwendig sind, gewisse Schwierigkeiten. Man hat vorgeschlagen, als Kernmaterial Schaumstoffe zu verwenden, die zwischen vorfabrizierten Deckschichten, z. B. aus Metall, Holz oder Kunststoffen, durch Aufschäumen eines Kunststoffes, z. B. auf Polyurethanbasis, gebildet werden, wobei eine feste Verbindung zwischen Kern und Deckschicht entsteht.
Derartige Schaumstoffe, nach dem sogenannten Niederdruckschaumverfahren hergestellt, besitzen vorwiegend offene Zellen. Boote zum Beispiel, welche nach diesem Verfahren hergestellt wurden, sind im Falle einer Verletzung der Haut nicht schwimmfähig, da das Kernmaterial wie ein Schwamm Wasser aufsaugt.
Es wurde nun ein Verfahren gefunden, welches die vorangehend geschilderten Schwierigkeiten, ausserdem auch die Verwendung von kostspieligen Formen mit komplizierter Herstellung grosser, stark verwölbter Körper im Hochdruckverfahren zu vermeiden gestattet. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf die nach diesem Verfahren hergestellten selbsttragenden Bauteile und Gegenstände in Schalenbauweise, insbesondere für den Boots-, Flugzeug-, Kühlschrank- und Karosseriebau. Dabei können die Bauteile oder Gegenstände auf erfindungsgemäss vereinfachte Weise"starke Wölbung"erhalten ; darunter soll vor-und nachstehend verstanden werden, dass ihre gebogenen Teile mindestens teilweise einen Durchschnittskrümmungsradius von weniger als 2 m aufweisen.
Die Erfindung geht nun von einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Schalenkonstruktion mit einem Kern aus zelligem Thermoplast und Deckschichten aus einem mit Glasfasern und dergleichen verfestigten selbsthärtenden Kunstharz mit Verformung des Zellkörperkerns unter Druck aus.
Gemäss der Erfindung werden eine oder mehrere von einer kompakten Aussenhaut freie oder befreite,
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fertig expandierte, harte bzw. festelastische Platten mit geschlossenen Zellen aus Polyvinylchlorid oder dessen Mischpolymerisaten unter Erhaltung der Zellstruktur in einen plastischen, verformbaren Zustand, z. B. durch Erwärmung und/oder Quellmittel, übergeführt und dann über oder in einem offenen Formteil bei einem Druck von 10 bis 200 g/cmn? geformt, wobei das verformte Zellmaterial unter Beibehaltung des
Druckes in der gewünschten Gestalt zum Erstarren gebracht wird, und durch das Verbinden der so geform- ten Platten mit den äusseren Deckschichten und gegebenenfalls untereinander wird die selbsttragende Scha- lenkonstruktion gebildet.
Die Schritte, das Zellmaterial in den für die Verformung geeigneten erweichten Zustand zu bringen, sowie die Art der Verformung, werden im folgenden eingehend dargelegt.
Vor allem ist die Wahl des Zellmaterials wichtig, welches mindestens vorwiegend aus flüssigkeit- dicht geschlossenen, gasgefüllten Zellen bestehen muss und entweder hart oder vorzugsweise weder weich noch spröde, sondern festelastisch sein soll.
Unter zelligem Material wird ein solches verstanden, wie es z. B. gemäss dem bekannten sogenannten Hochdruckverfahren erhalten wird, bei welchem schwer kondensierbare Gase unter hohem Druck in die warmformbare, organische bzw. thermoplastische Masse einverleibt werden, z. B. gemäss den Schwei- zer Patentschriften Nr. 277087,278068 und 294345. Bei dem so hergestellten Zellmaterial können mitleres Raumgewicht, Festigkeit und Elastizität nach Bedarf eingestellt werden. Das Material besteht aus
Polyvinylchlorid oder dessen Mischpolymerisaten und kann gegebenenfalls Weichmacher enthalten.
Zellmaterial aus reinem Polyvinylchlorid hat den Vorzug, auch ohne besondere Massnahmen, wie Weichmacherzugabe u. dgl., den erwünschten"festelastischen"Zustand aufzuweison. Ein derartiger harter Zellkörper ist nicht spröde, sondern besitzt die für die Bauteile erwünschte Elastizität bei Normaltemperatur.
Für die Verformung der vorgefertigten expandierten harten Platten wurden mehrere Wege gefunden, wobei es sich in jedem Falle als wesentlich erwiesen hat, diese von ihren durch die Herstellung bedingten Aussenhäuten mindestens teilweise zu befreien. Diese Häute setzen der Verformung bzw. Verwölbung der Platten einen Widerstand entgegen, der auf der Aussenwölbung des Formkörpers zu Rissbildungen führen kann, während auf der konkaven Fläche je nach Ausgangsmaterial Falten oder tiefe Einbuchtungen und Knicke entstehen. Diese Falten und Knicke bedingen vor allem eine Herabsetzung der Biegesteifigkeit der Kernschicht, da die angeknickten und eventuell gebrochenen Zellwände einer Belastung keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzen können und das Zellmaterial an diesen Stellen nahezu weich geworden ist.
Werden dagegen die Platten von ihren Häuten befreit, so erhält man eine Oberfläche, die vorwiegend aus angeschnittenen Zellen, das heisst kleinen, durch senkrechte Zellwände begrenzte Vertiefungen besteht. Man ernält also eine gegenüber der Plattendimension vergrösserte Oberfläche, die beliebige Ver- formungen und Verwölbungen ohne Riss-und Faltenbildung ermöglicht.
Man kann aber auch - will man die Zellkörperplatten nur teilweise von ihren Häuten befreien - diese mit einer entsprechenden Profilierung versehen, so dass keine kompakte Haut mehr vorhanden ist und die Seitenwände sich bei einer Verwölbung des Materials z. B. harmonikaartig flach- oder aneinanderlegen. Diese Oberflächenprofilierung kann z. B. während der Herstellung des Zellmaterials vorgesehen werden oder nachträglich z. B. durch Prägen oder Schneiden erfolgen.
Bevorzugt wird aber die Entfernung der Häute. da einesteils die so geschaffene Oberfläche auf Grund ihrer Struktur beliebige Verformungen nach allen Richtungen hin gestattet und andernteils die Oberfläche eines so hergestellten Zellkörperkerns das Aufbringen der verstärkenden Deckschichten erleichtert.
Um die so vorbereiteten harten oder festelastischen Zellkörperplatten der gewünschten Formgebung zu unterzienen, ist es weiterhin notwendig, diese vorübergehend in einen der Verformung zugänglichen Zustand zu bringen, wobei es unbedingt erforderlich ist, dass die Zellstruktur erhalten bleibt. Das Zellmaterial kann nur unter ganz bestimmten weiter unten angegebenen Bedingungen so verformt werden, dass die Zellstruktur erhalten bleibt. Die übliche Warmverformung unter Druck und Wärme führt nicht zu diesem Ziel, das das Zellmaterial zum Unterschied von kompakten Massen beim Erweichen in Anbetracht des labilen Zustandes zwischen den Gaszellen und den Zellwänden leicht seine Zellstruktur verändert, so dass gegebenenfalls dieselbe ganz oder teilweise zerstört werden kann.
Um bei der Verformung den speziell erforderlichen erfindungsgemässen Zustand herbeizuführen, lassen sich mehrere Wege beschreien.
Man kann das Zellmaterial aus dem warmformbaren, organischen Kunststoff einer Warmverformung unterziehen, indem man das Material erwärmt, um eine Erweichung und damit Verformbarkeit des Materials herbeizuführen. Die Wiedererhärtung erfolgt dann bei Abkühlung und bedarf keiner besonderen Massnahmen. Bei dieser Warmverformung ist es nun von ausschlaggebender Bedeutung, die Verformung
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mung des Materials z. B. im Wärmeschrank oder mit Infrarotlampen Schwierigkeiten bereiten, dann kön- nen die harten Platten z. B. mit Hilfe warmer Sandsäcke in die Form eingelegt und angedrückt werden.
Vorzugsweise werden die so verwendeten Sandsäcke nach erfolgter Durchwärmung des Zellmaterials, z.
B. nach 10 - 15 Minuten, durch kalte Säcke ersetzt, um eine schnellere Erhärtung herbeizuführen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt nicht nur in der Einfachheit und Billigkeit der dazu notwendigen Ausrüstung, sondern es gestattet, unter Beachtung der andern angeführten Verfahrensmerkmale innerhalb eines Bautei- les unterschiedliche Belastungen auszuüben. Je stärker die Platten vereölbt werden, desto grösser ist auch ihr Rückstellbestrcben und damit die Spannung, mit der die Zellmaterialplatten gegen die Form gehalten werden müssen.
Bei der Verwendung von Zellmaterial, welches mit Hilfe von Lösungsmitteln weich und nachgiebig gemacht wird, ist darauf zu achten, dass nach seiner Verformung das Verdunsten des leichtflüchtigen
Stoffes an allen Stellen gewährleistet ist, z. B. durch Einlegen poröser Schichten, wie Filz u. a., zwischen
Form und Zellmaterialkern. Die Verdunstungszeit richtet sich nach Raumtemperatur und Luftbewegung
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einem andern geeigneten Material verstärkt ist, versehen, wobei darauf zu achten ist, dass eine festhaf- tende Verbindung zwischen 2.. ellmaterialkern und Deckschichten erfolgt.
Man kann selbstverständlich auch eine einzige Zellkörperplatte in der genannten Weise verarbeiten.
Erfindungsgemäss wird man jedoch zur Herstellung grosser Bauteile mehrere Platten verformen, die vor oder während dem Auftragen der Deckschichten miteinander zu einem einzigen Stück verklebt werden.
Die zur Herstellung der äusseren Deckschichten verwendeten selbsthärtenden Kunstharze bestehen vor- zugsweise aus Lösungen von ungesättigten Polyestern mit einer Vernetzungskomponente. Die verschiedensten Polyester können verwendet werden. Der Polyester kann z. B. auf der Basis von Maleinsäure und Glykolen aufgebaut sein, wobei als Vernetzungskomponente Styrol hinzugegeben wird, das zugleich Lösungsmittel ist. Es können aber auch selbsthärtende Harze auf der Grundlage von Isocyanaten, Harnstoff oder
Melamin in Betracht kommen.
Die Einlagen zur Erhöhung der Festigkeit in den Deckschichten können aus allen an sich bekannten Zwischenschichten bestehen, wie z. B. Glasfasern, Textilgewebe, Kunststoff-Folien, Metallgeflecht u. a. m.
Beispiel l : Es soll beispielsweise eine Segeljolle hergestellt werden mit einer Länge von 5 m in einer Breite von 1, 66 m. Dies kann nur in den Grundzügen erfolgen, da selbstverständlich der Bau eines Bootes mit vielen handwerklichen Griffen verbunden ist, die dem Bootsfachmann geläufig sind und daher keiner Erläuterung bedürfen, aber nichts mit der eigentlichen Erfindung zu tun haben. In diesem Sinne ist die folgende Beschreibung aufzufassen :
Ausgegangen wird von einer konkaven Negativform, wie sie in Fig. 1 als 1 dargestellt ist. Diese Form kann aus jedem geeigneten Material sein, z. B. Holz, Kunststoff, Zellmaterial und auf jede geeignete Art hergestellt werden. Zweckmässig kann sie aus Schichtmaterial nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden, ähnlich wie der vorliegende Bootskörper.
Die Innenfläche muss glatt sein.
Auf der Innenseite der Negativform wird ein Trennmittel, z. B. eine Polyvinylalkohol-Lösung aufgetragen und dann getrocknet. Es folgt ein Polyesteranstrich und auf diesen eine Glasfaserschicht, die mit Polyesterlösung getränkt und dann getrocknet wird. Man kann diese Prozedur mehrmals wiederholen und auf diese Art ein Schichtengebilde herstellen, das aus mehreren Schichten von Polyester und Glasfasern besteht. Im vorliegenden Beispiel werden 2 Polyester-Glasfaserschichten auf die Innenseite der Negativform aufgebracht, wobei das Glasfasergewebe ein Gewicht von zirka 300 bis 320 g/m hat.
Auf das so hergestellte, sich in der Negativform 1 befindende Schichtengebilde 2 wird eine dünne Lage Filz oder ein anderes poröses geeignetes Material aufgelegt.
Nun werden die Zellkörperplatten aus Polyvinylchlorid vorbereitet. Diese können beliebiger Grösse sein. Vorteilhafterweise werden möglichst grosse Zellkörperplatten verwendet. Je grösser die Platten, desto. weniger Manipulationen sind nötig und desto schneller und billiger ist die Fabrikation. Die Grösse der Platten richtet sich einerseits nach deren Fabrikationsmöglichkeit und anderseits nach der Art des herzustellenden Gegenstandes. Für das vorliegende Beispiel werden Platten von 200 X 100 xl, 5 cm und einem spezifischen Gewicht von 0, 1 g/cms verwendet. Sind kompliziertere Formen herzustellen, so wird man kleinere Platten oder entsprechende Zuschnitte verwenden. Das spezifische mittlere Raumgewicht der Zellkörperplatten kann innerhalb weiter Grenzen variieren, z.
B. 0, 05 - 0, 5 g/cm*, vorzugsweise 0, 05 - 0, 15 g/cm s, je nach den Erfordernissen der herzustellenden Gegenstände. Durch das Anbringen
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s, z. B. 0. 5 - 0,Beispiel 2 : In die -konkave Negativform werden möglichst grosse Zellkörperplatten aus Polyvinyl- chlorid mit einem spezifischen Gewicht von zirka 0,08 g/cm in einer Stärke von 20 mm eingepasst und mit auf zirka 50 - 600 C angewärmten Sandsäcken gegen die Form angedrückt.
Nach zirka 10 - 15 Minuten werden die Sandsäcke herausgenommen und durch kalte Säcke ersetzt.
Nach Auskühlen der einzelnen geformten, eigensteifen Platten (Formkörper) werden die Sandsäcke entfernt und die Stosskanten der Platten mit einem mit Polyester getränkten Gewebstreifen überdeckt.
Auf diesen eigensteifen Zellkörperplatten wird inwendig eine Polyesterschicht aufgetragen und aus- härten gelassen. Nach Abschleifen eventueller Unebenheiten wird eine Glasfaserschicht eingelegt und diese mit Polyesterlösung getränkt. Die auf den Zellkörperplatten aufgebrachte Grundierung mit Polyesterharz gewährleistet eine bessere Verbindung von Zellmaterial und Deckschicht. Auf die gebildete Polyester- glasfaserschicht können eventuell mehrere solcher Schichten aufgetragen werden. Nach dem Trocknen befindet sich in der Negativform die fertige Schale des Bootskörpers.
Soll der Bootskörper einen geraden Spiegel erhalten, wird dieser als Schichtplatte vorgefertigt. Vor- teilhaft wird zwischen zwei Zellkörperplatten ein zirka 10 cm breites Holzbrett gleicher Dicke angepasst, und die drei Teile werden durch Überziehen mit Glasgewebe. und Polyester zu einer einstückigen Platte verbunden. In das eingebrachte Holz werden später die Ruderträger verschraubt.
Der Spiegel wird nun in die gebildete Schale eingesetzt. Die Verklebung von Spiegel und Schale erfolgt ebenfalls mitpolyesterlösung, wobei die Stosskanten eventuell noch mit einem Glasgewebestreifen überdeckt werden können und, wie es beim Bootsbau üblich ist, auch ein sogenanntes Spiegelknie einge- setzt werden kann.
Nun wird auf die Schale das auf gleiche Weise als Schichtkörper vorgefertige Deck aufgesetzt und mit Polyester fest mit der Schale verklebt.
Nach eventuellem Anbringen von Schwertkasten und andern Einbauten ist nun der Bootskörper bis auf die äussere Deckschicht fertig. Er wird aus der Negativform herausgenommen und auf der Aussenseite, wie beschrieben, mit der Deckschicht versehen, wobei die Stosskanten zwischen Schale, Deck und Spiegel überdeckt werden. Nach Abschleifen der Unebenheiten kann eine letzte, vorzugsweise mit Kaolin gefüllte
Polyesterschicht aufgespritzt werden.
Die so hergestellten selbsttragenden Gebilde können zu den verschiedensten Zwecken verwendet wer- den. Sie können z. B. direkt als Boste oder Bootskörper dienen, ferner als Teile von Booten, von Flugzeu- gen, Kühlschränken, Autokarosserieteilen ; ferner können sie auch als Formen zur Herstellung der genann- ten Gegenstände dienen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen in selbsttragender Schalenbauweise, insbesondere von Bootskörpern, welche aus einem Kern aus zelligem Thermoplast und Deckschichten aus einem even- tuell mit Glasfasern u. dgl. verfestigten selbsthärtenden Kunstharz, wie Polyester, bestehen, wobei der
Zellkörperkern für sich unter Druck verformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere von einer kompaktenAussenhaut freie oder befreite, fertig expandierte, harte bzw. festelastische Platten mit geschlossenen Zellen aus Polyvinylchlorid oder dessen Mischpolymerisaten unter Erhaltung der Zellstruk- tur in einen plastischen, verformbaren Zustand, z.
B. durch Erwärmung und/oder Qellmittel, auberge- führt und dann über oder in einem offenenFormteil bei einem Druck von 10 bis 200 g/cm2 geformt wer- den, wobei das verformte Zellmaterial unter Beibehaltung des Druckes in der gewünschten Gestalt zum
Erstarren gebracht wird, und dass durch das Verbinden der so geformten Platten mit den äusseren Deck- schichten und gegebenenfalls untereinander die selbsttragende Schalenkonstruktion gebildet wird.