DE102004044471A1

DE102004044471A1 - Verfahren zur Rückgewinnung eines wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen

Info

Publication number: DE102004044471A1
Application number: DE200410044471
Authority: DE
Inventors: Bernhard Heim; Stefan Kerscher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Verfahren zur Rückgewinnung eines Kern- und Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen, umfassend ein Grundgerüst aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Binder auf Basis von Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder dessen Copolymeren, sowie in das Grundgerüst eingeschlossenen Keramik- und/oder Glaskugeln als Zusatzstoff, mit den Schritten Auswaschen des wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials, wobei der das Grundgerüst bildende Binder gelöst und der Zusatzstoff freigegeben wird, Trennen des Zusatzstoffs von der Binder-Lösung, Aufbereiten des Zusatzstoffs, Aufsättigen der Binder-Lösung, Aufkonzentrieren der Binder-Lösung, bis eine erhöhte Viskosität erreicht ist, Aufbereiten der Binder-Lösung, Mischen der aufbereiteten Binder-Lösung und des aufbereiteten Zusatzstoffs und Herstellen eines Kern- und Werkzeugmaterials, umfassend ein Grundgerüst aus dem Binder mit darin eingeschlossenem Zusatzstoff.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung eines Kern- und Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen umfassend ein Grundgerüst aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Binder auf Basis von Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder dessen Copolymeren sowie in das Grundgerüst eingeschlossen Keramik- und/oder Glaskugeln als Zusatzstoff.

Ein derartiges wasserlösliches Kern- und Werkzeugmaterial für die Herstellung von polymeren Verbundbauteilen ist an sich bekannt und mit der WO 02/072328 A1 offenbart worden, die in vollem Umfang mit allen Merkmalen zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehört.

Die WO 02/072328 A1 verweist bei der Würdigung des Standes der Technik darauf, dass herkömmliche Materialien Probleme bei der Entsorgung bereiten. Demgegenüber wird hervorgehoben, dass ein Kern- bzw. Werkzeugmaterial mit einem Grundgerüst aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Binder auf Basis von Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder dessen Copolymeren sowie in das Grundgerüst eingeschlossen Keramik- und/oder Glaskugeln als Zusatzstoff umweltverträglich ist.

Jedoch auch bei Materialien, welche als umweltverträglich gelten können, wird vor dem Hintergrund nicht nur von Entsorgungs-, sondern auch hoher Materialkost angestrebt, einen übermäßigen Verbrauch zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rückgewinnung eines eingangs genannten wasserlöslichen Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen aufzuzeigen, sodass Kosten reduziert werden können und die Umweltbelastung noch weiter verringert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrundeliegenden Idee das Verfahren die Schritte Auswaschen des wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials, wobei der das Grundgerüst bildende Binder gelöst und der Zusatzstoff freigegeben wird, Trennen des Zusatzstoffs von der Binder-Lösung, Aufbereiten des Zusatzstoffs, Aufbereiten der Binder-Lösung, Mischen der aufbereiteten Binder-Lösung und des aufbereiteten Zusatzstoffs und Herstellen eines Kern- und Werkzeugmaterials umfassend ein Grundgerüst aus dem Binder mit darin eingeschlossenem Zusatzstoff umfasst.

Das Schutzbegehren kann auch Merkmale der zur Offenbarung gehörenden WO 02/072328 A1, einzeln oder in Kombination, umfassen. Insbesondere insoweit in der WO 02/072328 A1 Schritte zur Herstellung eines Kerns oder Werkzeugs beschrieben sind, die auch bei dem erfindungsgemäßen Aufbereitungsprozess durchgeführt werden können, gehören diese Schritte zum Offenbarungsumfang der vorliegenden Anmeldung und kann sich der Schutzbereich auch auf diese Schritte erstrecken.

Besonders zu bevorzugende Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Aufbereitung der Binder-Lösung ein Aufsättigen, indem diese mehrfach zum Auswaschen des wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials verwendet wird. So wird einerseits der Wasserverbrauch in Grenzen gehalten und andererseits bereits der Binder-Anteil der Binder-Lösung erhöht.

Zweckmäßigerweise wird nachfolgend der Zusatzstoff von der Binder-Lösung durch Filtration, Sedimentation oder Zentrifugieren getrennt. Die Trennverfahren sind an sich bekannt mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Die Auswahl des Verfahrens orientiert sich vorliegend insbesondere an der Größe der als Zusatzstoff verwendeten Keramik- und/oder Glaskugeln sowie deren spezifischem Gewicht in der Binder-Lösung, wobei die Sedimentation ein besonders schonendes, jedoch zeitaufwändiges Verfahren, die Filtration und vor allem das Zentrifugieren wesentlich schnellere Verfahren darstellen.

Zweckmäßigerweise umfasst die aufbereitete Binderlösung 70–90%, insbesondere ca. 80% Wasser und 10–30%, insbesondere ca. 20% PVP, jeweils bezogen auf das Gewicht. Als sehr günstig hat es sich herausgestellt, wenn im Rahmen der Aufbereitung die Binder-Lösung aufkonzentriert wird, indem der Wasseranteil durch Verdampfen reduziert wird und/oder neuer Binder zugesetzt wird, bis das gewünschte Mischungsverhältnis erreicht ist. Dieses Verfahren ist besonders schnell. Alternativ kann es auch sehr vorteilhaft sein, zumindest annähernd alles Wasser zu verdampfen oder den Binder auf andere Weise zu extrahieren und anschließend das gewünschte Mischungsverhältnis durch Zugabe einer entsprechenden Menge Wassers herzustellen. Obwohl dieses alternative Verfahren mit einem höheren zeitlichen Aufwand verbunden ist, kann gegebenenfalls das Mischungsverhältnis einfacher bzw. genauer eingestellt werden, was der Prozesssicherheit zugute kommt.

Einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge wird zum Aufbereiten des Zusatzstoffs dieser, beispielsweise durch Waschen mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel, gereinigt. Der gereinigte Zusatzstoff ist von Binderresten befreit, sodass ein unbeabsichtigtes Zusammenbacken verhindert wird. Nach dem Reinigungsvorgang wird der Zusatzstoff zweckmäßigerweise getrocknet.

Sehr vorteilhaft ist es, zum Aufbereiten des Zusatzstoffs diesen zu klassifizieren. Bei der Fertigung des Kerns bzw. Werkzeugs, beim Auswaschen und/oder bei der Rückgewinnung kann ein Teil des Zusatzstoffes geschädigt werden. Bei der Klassifizierung wird intakter Zusatzstoff von beschädigtem getrennt, der beschädigte Zusatzstoff wird abgetrennt.

Um die Materialeigenschaften des ursprünglichen Kern- bzw. Werkzeugmaterials zu erhalten wird beim Aufbereiten dem rückgewonnenen Zusatzstoff neuer Zusatzstoff zugesetzt wird.

Nachfolgend ist eine besonders zu bevorzugende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die einzige Figur, welche schematisch und beispielhaft ein Diagramm 100 eines Ablaufs für ein Verfahren zur Rückgewinnung eines Kern- und Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen zeigt, näher erläutert.

Derartige Verbundbauteile bestehen insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher einen Matrixwerkstoff (z.B. Kunststoff, Epoxidharz) mit darin eingebetteten Fasern umfasst. Um die Stoffeigenschaften der Fasern nutzen zu können müssen diese in die Matrix eingebettet werden.

Aufgaben des Matrixwerkstoffes sind dabei die Übertragung und Verteilung der auftretenden Kräfte, die Fixierung der Fasern und deren Abschirmung gegen eventuell aggressive Umgebungsmedien. Es werden vor allem die Eigenschaften der Fasern in Längsrichtung genutzt. Moderne Industriefasern, wie z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit). Es kommen jedoch je nach Anwendung auch Naturfasern zum Einsatz. Ist der Faserverbundwerkstoff schichtweise (z.B. aus mehreren Fasermatten übereinander) aufgebaut, so wird der Verbund als Laminat bezeichnet.

Vorteile dieser Art des Werkstoffs sind die hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und die einfache Verarbeitung. Daher wird er häufig im Leichtbau verwendet.

Die Fasern können je nach Belastung des Bauteils ausgerichtet werden. Somit ist es möglich einen Werkstoff zu konstruieren, der genau auf den Anwendungsfall ausgerichtet ist. Die Fasern sind dabei ähnlich wie bei Pflanzen angeordnet. An höherbelasteten Stellen werden mehr Fasern genau in Kraftrichtung angeordnet.

Neben einzelnen Fasern werden meistens Gewebe oder Gelege aus den Verstärkungsfasern verwendet. So können bestimmte Richtungen des Werkstoffs besonders verstärkt werden, indem die Anzahl und Ausrichtung der Fasern in verschiedenen Gewebe/Gelegetypen variiert wird.

Besondere Bedeutung bei der Herstellung von Hohlprofilen, beispielsweise für Strukturbauteile im Kraftfahrzeugbereich, hat das Harzinjektionsverfahren, auch RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding), wobei ein Verbundwerkstoff aus einer verstärkenden Faserpreform und einem Harz hergestellt wird.

Die Faserpreform wird schlauch- oder sackartig um einen wasserlöslichen Kern herum angeordnet und in eine geschlossene Form eingelegt. Die Faserorientierung kann dabei durch Näh- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen den Lastfällen angepasst werden. Das Harz wird mit dem Härter vermischt und anschließend unter Druck in den Zwischenraum zwischen Kern und Form eingefüllt, wobei die Faserpreform mit Harz getränkt wird. Unter Wärmezufuhr erstarrt das Harz in der Form; Nachfolgend wird der Kern durch Auswaschen entfernt. Es lassen sich mit diesem Verfahren Werkstücke mit komplexen Formen herstellen, die im allgemeinen ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte aufweisen.

Vorliegend wird von einem Kern- und Werkzeugmaterial 102 ausgegangen, welches ein Grundgerüst aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Binder auf Basis von Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder dessen Copolymeren sowie in das Grundgerüst eingeschlossen Keramik- und/oder Glaskugeln, insbesondere Hohlkugeln, welche dazu beitragen, dass der Kern besonders leicht und formstabil ist, als Zusatzstoff umfasst. Aus dem Kern- und Werkzeugmaterial 102 wir ein Kern 104 für die beschriebene Herstellung von Verbundbauteilen hergestellt. Bezüglich weiterer möglicher Zusammensetzungen des Ausgangsmaterials 102 sowie der Kernherstellung wird auf die WO 02/072328 A1 verwiesen.
Der Kern 104 wird bei der Herstellung eines Verbundbauteils mittels Wasser 106, wie vollentsalztem Wasser oder Leitungswasser, ausgespült, dabei wird das Grundgerüst aus PVP-Binder gelöst und der Zusatzstoff freigegeben, sodass eine Suspension 108 entsteht, die eine Binder-Lösung und darin fein verteilt Keramik- und/oder Glaskugeln umfasst. Bisher wurde die Suspension 108 entsorgt, demgegenüber werden erfindungsgemäß die Kernmaterialien rückgewonnen.
Zu diesem Zweck werden die Keramik- und/oder Glashohlkugeln 122, welche vorliegend eine Größe von 100–170 μm, insbesondere ca. 120–150 μm aufweisen, von der Binder-Lösung 110 durch Filtration, Sedimentation oder Zentrifugieren getrennt.
Da der Binder-Anteil der Binder-Lösung 110 nach einmaligem Ausspülen eines Kerns 104 sehr gering ist, wird diese gegebenenfalls mehrfach zum Ausspülen von Kernen 104 verwendet, sodass der Binder-Anteil ansteigt. Die Binderlösung kann zirkulierend so oft wieder zum Ausspülen von Kernen 104 verwendet werden, bis eine zumindest annähern gesättigte Lösung vorliegt. Nachfolgend wird der Binder-Lösung 112 durch verdampfen Wasser entzogen, das verdampfte Wasser 116 wird kondensiert (118) und kann beispielsweise wieder zum Auswaschen (106) von Kernen 104 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich wird neuer Binder zugesetzt. Es wird eine aufbereitete Binder-Lösung 114 hergestellt, welche 70–90 Gew.-%, insbesondere ca. 80 Gew.-% Wasser und 10–30 Gew.-%, insbesondere ca. 20 Gew.-% PVP umfasst.
Die Keramik- und/oder Glashohlkugeln 122 werden klassifiziert, wobei zerstörte Kugel entfernt werden. Damit der Kern 104 die gewünschten Eigenschaften aufweist, ist ein vorbestimmter Mindestanteil an unversehrten Kugeln erforderlich. Ein gewisser Anteil an zerstörten Kugeln kann toleriert werden, sodass nicht notwendigerweise alle zerstörten Kugeln entfernt werden müssen. Zumindest die Menge Kugeln, die entfernt wurde, wird durch neue, unversehrte Kugeln 124 ersetzt. Vorliegen werden 30–60%, insbesondere ca. 50% der Kugeln entfernt und durch neue Kugeln ersetzt. Der Anteil der Kugeln, welcher ersetzt werden muss, richtet sich danach, welcher Anteil beschädigt wurde. Maßgeblich hierfür sind insbesondere der Einspritzdruck, mit dem das Kernmaterial in die Form eingespritzt wurde sowie die Bauteilgeometrie. Bei günstigen Verhältnissen kann es daher auch ausreichend sein, weniger als 30% der Kugeln auszutauschen. Die Keramik- und/oder Glashohlkugeln 122 werden ferner gewaschen, um ein unbeabsichtigtes Zusammenbacken von Kugeln durch Binder-Reste zu vermeiden. Dies würde dazu führen, dass Kugeln im Kern 104 nicht einzeln, sondern in Gruppen im Binder-Grundgerüst vorliegen und die erforderlichen Kerneigenschaften nicht gewährleistet werden könnten. Nach dem Waschen werden die Keramik- und/oder Glashohlkugeln 122 beispielsweise in einem Luftstrom bewegt und getrocknet, sodass die Glaskugeln 124 als schüttfähiges Gut zur Verfügung stehen.
Die aufbereiteten Keramik- und/oder Glashohlkugeln werden mit der aufbereiteten Binder-Lösung 114, gegebenenfalls unter Zugabe von Wasser 126, wie vollentsalztem Wasser oder Leitungswasser, zu einem aufbereiteten Kernmaterial 128 gemischt, wobei das Kondensat 118 verwendet werden kann. Aus dem aufbereiteten Kernmaterial 128 werden neue Kerne 104 zur Herstellung von Verbundbauteilen hergestellt.
Selbstverständlich bietet es sich auch an, fehlerhafte Kerne aus dem Kernherstellungsprozess wieder aufzulösen und aufzubereiten. In diesem Fall kann das Aufbereitungsverfahren vereinfacht durchgeführt werden, indem die Auflösung der Kerne unter Rühren und Wärmezufuhr bei 60–100°C, insbesondere bei ca. 80°C, nur mit wenig Wasser erfolgt, sodass gleich eine dickflüssige Masse mit der Konsistenz und Zusammensetzung des Ausgangsmaterials 102 entsteht.

Claims

Verfahren zur Rückgewinnung eines Kern- und Werkzeugmaterials für die Herstellung von Verbundbauteilen umfassend – ein Grundgerüst aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Binder auf Basis von Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder dessen Copolymeren sowie – in das Grundgerüst eingeschlossen Keramik- und/oder Glaskugeln als Zusatzstoff, gekennzeichnet durch die Schritte – Ausgewaschen des wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials (104), wobei der das Grundgerüst bildende Binder gelöst und der Zusatzstoff freigegeben wird, – Trennendes Zusatzstoffs (122) von der Binder-Lösung (110), – Aufbereiten des Zusatzstoffs (122) – Aufbereiten der Binder-Lösung (112), – Mischen der aufbereiteten Binder-Lösung (114) und des aufbereiteten Zusatzstoffs und – Herstellen eines Kern- und Werkzeugmaterials (104) umfassend ein Grundgerüst aus dem Binder mit darin eingeschlossenem Zusatzstoff.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung der Binder-Lösung (110) ein Aufsättigen umfasst, indem diese mehrfach zum Auswaschen des wasserlöslichen Kern- und Werkzeugmaterials (104) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (122) von der Binder-Lösung (110) durch Filtration, Sedimentation oder Zentrifugieren getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung der Binder-Lösung (112) ein Aufkonzentrieren umfasst, wobei der Wasseranteil (116) der Binder-Lösung (112) zumindest teilweise verdampft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung der Binderlösung (112) neuer Binder (120) zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufbereitete Binderlösung (114) 70–90 Gew.-%, insbesondere ca. 80 Gew.-% Wasser und 10–30 Gew.-%, insbesondere ca. 20 Gew.-% PVP umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (122) zur Aufbereitung gereinigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (122) zur Aufbereitung getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (122) zur Aufbereitung klassifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beschädigter Zusatzstoff abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung dem rückgewonnenen Zusatzstoff neuer Zusatzstoff (124) zugesetzt wird.