DE102005050925A1

DE102005050925A1 - Verfahren zur Umformung von duroplastischen Halbzeugen

Info

Publication number: DE102005050925A1
Application number: DE102005050925A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr. Scharr
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von duroplastischen Halbzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Duroplast-Halbzeug (1) auf eine Temperatur oberhalb der dem verwendeten Duroplast-Material zugehörigen Glas-Transformationstemperatur (T¶g¶) erwärmt und anschließend umgeformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von duroplastischen Halbzeugen. Hierbei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Halbzeugen sämtliche urgeformte Materialien verstanden, die einem weiteren Umformungsprozess unterzogen werden können, um entsprechend anders geformte Elemente zu erhalten. Hierbei ist die Form eines urgeformten Halbzeuges in keiner Weise beschränkt.
Die Bedeutung von Kunststoffen im Industrie- und Heimbedarf wächst stetig. Deren Kombination mit verschiedenartigen Fasern, wie Glas- oder Kohlenstofffasern lässt neue Dimensionen hinsichtlich der Anwendungsgebiete und Materialeigenschaften erschließen.
Chemisch gesehen handelt es sich bei Kunststoffen um verzweigte Makromoleküle, sogenannte Polymere, die synthetisch oder halbsynthetisch hergestellt werden können. Hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften lassen sich die Kunststoffe in drei große Gruppen unterteilen: Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste.

Das grundlegende Charakteristikum der Thermoplaste liegt in ihrer Verformbarkeit bei Wärmezufuhr. Sie können daher bis zum flüssigen Aggregatszustand gebracht und mittels verschiedener Verfahren ver- und bearbeitet werden. Nach Abkühlung behalten sie die Form, wobei diese formgebenden Prozesse beliebig oft wiederholt werden können. Beinahe sämtliche heute verwendete Kunststoffe fallen in diese Kategorie. Die bekanntesten sind Polyethylen (PE), Polyethylentereftalat (PET) und Polyamid (z.B. bekannt unter dem Markennamen Gederon). Die daraus herstellbaren Produkte sind beispielsweise Getränkeflaschen, Klarsichtfolien oder Fasern für den Textilsektor.

Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe. Sie weisen eine hohe Elastizität auf und kehren nach einer Belastung durch Zug- oder Druckkräfte in ihre Ausgangsform zurück. Elastomere können nicht dauerhaft plastisch verformt werden. Beispielsweise sind Polyurethan und Kautschuk typische bekannte Elastomere. Im Alltag finden diese Stoffe Verwendung in Produkten, wie Autoreifen, Gummidichtungen oder Gartenschläuchen.

Duroplaste sind üblicherweise hart und spröde. Bei Hitzeeinwirkung schmelzen sie nicht. Die Materialeigenschaften werden durch chemische Prozesse bei der Herstellung des Kunststoffs bedingt, die in der Regel nicht umkehrbar sind. Nach Abschluss der Herstellungsprozesse kann ein duroplastischer Kunststoff folglich nur noch mechanisch bearbeitet werden. Zu den Duroplasten zählen beispielsweise alle Arten von Kunstharzen. In der Praxis finden diese duroplastischen Kunststoffe Anwendung in allen harten und zum Teil spröden Kunststofferzeugnissen, wie Computergehäusen, Schutzhelmen oder Kfz-Armaturen.

Kunststoffe bilden ganz allgemein auch die Matrix von sogenannten Faserverbundwerkstoffen. Aufgaben des Matrixstoffes sind dabei die Übertragung und Verteilung der auftretenden Kräfte, die Fixierung der Fasern und deren Abschirmung gegen eventuelle aggressive Umgebungsmedien. Moderne Industriefasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften.

Vorteile dieser Art des Werkstoffes sind beispielsweise die hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und einfacher Verarbeitung. Daher finden Faserverbundwerkstoffe häufig im Leichtbau Verwendung.

Thermoplastische Kunststoffe können prinzipiell mit einer Vielzahl von Verfahrenstechniken bearbeitet werden. In der industriellen Anwendung sind Fertigungsprozesse unter Einwirkung von Wärme und Druckluft/Vakuum sehr etabliert. Die Urformung, insbesondere das Spritzgießen, wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, bei dem die Materialien als Schmelze vorliegen. Die Umformung hingegen erfolgt im kautschukelastischen Zustand. Kennzeichnend ist, dass die Halbzeuge erst auf eine bestimmte Umformtemperatur gebracht werden müssen, weshalb sich im internationalen Sprachgebrauch „Thermoformen" als Oberbegriff eingebürgert hat.

Bei duroplastischen Kunststoffen sind in der Regel nur die Urformverfahren, wie das Spritzgießen von übergeordneter Bedeutung. Der Grund dafür liegt in der Eigenschaft von Duroplast, dass nach Abschluss der ersten formgebenden Verarbeitung in der Regel keinerlei grundlegende Veränderung der Form, abgesehen durch mechanische Bearbeitung, vorgenommen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, auch für duroplastische Materialien, insbesondere vorgeformte Elemente, insbesondere Halbzeuge, ein Verfahren bereitzustellen, mittels dem eine nachträgliche Umformung ermöglicht wird.

Überraschenderweise wurde bei Untersuchungen zu dieser Thematik festgestellt, dass diese Aufgabe gelöst werden kann durch ein Verfahren, bei dem das Duroplast-Halbzeug auf eine Temperatur oberhalb der dem verwendeten Duroplast-Material zugehörigen Glas-Transformationstemperatur (T_g) erwärmt und anschließend umgeformt wird.

Wesentlicher Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass, insbesondere sofern das Duroplast-Material über einen ausgeprägten Erweichungspunkt als Materialeigenschaft verfügt, der zum Umformen notwendige gummi-elastische Zustand durch ein Erwärmen des Halbzeugs über die kritische Glasumwandlungstemperatur TG herbeigeführt werden kann.

Insbesondere da jedes mögliche Duroplastmaterial eine eigene zugehörige Glas-Transformationstemperatur aufweist, ist es notwendig, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens diese charakteristische Temperatur zu kennen und die Umformung nach einer Erwärmung des Duroplasthalbzeugs auf eine Temperatur oberhalb dieser charakteristischen Temperatur durchzuführen.

Hierbei kann eine Umformung beispielsweise mittels einer Stempelumformung oder eines Formwerkzeugs, insbesondere bei einem Formzug erfolgen. Besonders bevorzugt wird die Temperatur, auf die ein Duroplasthalbzeug zur Durchführung des Verfahrens erwärmt wird, gewählt zwischen der dem verwendeten Duroplastmaterial zugehörigen Glastransformationstemperatur und der dem verwendeten Duroplastmaterial zugehörigen Zersetzungstemperatur.

Dementsprechend muss die notwendige Temperatur zur Durchführung des Verfahrens materialspezifisch ausgewählt werden, um zum einen die Durchführung des Verfahrens zu ermöglichen und zum anderen das Duroplastmaterial vor einer Zerstörung aufgrund zu hoher Temperatur zu bewahren. Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zwischen diesen ausgewiesenen kritischen Temperaturen erreicht das Duroplastmaterial, d.h. das daraus bestehende Halbzeug, seinen notwendigen gummielastischen Zustand und kann in diesem Zustand in die gewünschte Gestalt durch den Umformprozess gebracht werden.

Hierbei wird bevorzugt die Umformung bei einer Temperatur durchgeführt, die oberhalb derjenigen Temperatur liegt, mit der das Duroplastmaterial des umzuformenden Halbzeugs ursprünglich gehärtet wurde.

Die Durchführung eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens zur thermischen Umformung von duroplastischen Halbzeugen ermöglicht somit eine ein- oder zwei- oder dreidimensionale Umformung von Bauteilen, so dass im Gegensatz zu bisherigen formgebenden Verfahren bei Duroplastmaterialien eine endgültige gewünschte Form nun nicht mehr bereits im Urformprozess erzeugt werden muss.

Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile, dass ein Arbeiten mit vollständig imprägnierten und ausgehärteten Halbzeugen möglich ist, ohne dass der Anwender mit den einzelnen Komponenten, wie z.B. Harzen oder ähnlichem in Kontakt kommt, was insbesondere hinsichtlich der Belastung mit gesundheitsschädlichen Stoffen von besonderem Vorteil ist.

Nach dem umformenden Prozess, der grundsätzlich auf jede Art und Weise durchgeführt werden kann, die dem Fachmann der Umformtechnik bekannt ist, bedarf es eines Abkühlens des umgeformten Duroplasthalbzeuges, damit dieses seine endgültige, durch die Formgebung erhaltene Form beibehält. Hierbei kann es in einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Abkühlung des verformten Duroplasthalbzeuges unter andauernder formgebender Belastung erfolgt, bis dass die gewünschte Temperatur bei der Abkühlung erreicht wurde.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Urformungsverfahren von Duroplasten, beispielsweise dem Spritzgießen, liegt hierbei im Wesentlichen in den niedrigeren Werkzeugkosten und andererseits in der umfangreicheren Verwendbarkeit von duroplastischen Materialien gegenüber thermoplastischen Materialien in Bereichen, in denen besonders die chemische und/oder die Wärmeformbeständigkeit von großer Bedeutung sind.

Insbesondere bezüglich der Belastbarkeit bietet das erfindungsgemäße Verfahren erhebliche Vorteile, da sich hier die Möglichkeit ergibt, neben üblichen Duroplastmaterialien auch faserverstärkte Duroplasthalbzeuge umzuformen. Gerade faserverstärkte Materialien weisen bei geringem Gewicht außergewöhnliche Materialeigenschaften auf, die nunmehr gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auch nach Umformprozessen von duroplastischen Halbzeugen zur Verfügung stehen.

Eine Umformung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann hierbei bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Fasern erfolgen, sofern bei einem Duroplasthalbzeug eine Faserverstärkung vorgesehen ist. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, alternativ oder kumulativ eine Scherung des Fasergewebes vorzunehmen. Hierbei wird unter einer Scherung im Wesentlichen verstanden, dass bei einem Fasergewebe nach der Umformung der Winkel zwischen den einzelnen Fasern geändert ist gegenüber dem ursprünglichen Winkel zwischen den Fasern bei dem noch nicht umgeformten Duroplasthalbzeug.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet darüber hinaus auch den Vorteil, dass durch die Umformung einem umgeformten Duroplasthalbzeug eine insbesondere positive Eigenspannung aufgeprägt werden kann. Hierdurch kann ein umgeformtes Halbzeug insbesondere bei einer Kraftbelastung rückstellende Kräfte aufbringen.

Auch kann es vorgesehen sein ein umgeformtes Halbzeug erneut in den genannten Temperaturbereich zu erwärmen, wodurch eine automatische Rückstellung des umgeformten Halbzeuges in seine Ur-Form erreicht werden kann.

Besonders bevorzugt werden für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens als Duroplastmaterialien Epoxydkunstharze und daraus bestehende Werkstücke bzw. Halbzeuge zur Bearbeitung vorgesehen. Epoxydharze gehören neben den Polyestern, Phenol und Polyurethanharzen zu einer der umfangreichsten Gruppe von Kunstharzen und zu duroplastischen Kunststoffen. Sie verfügen über bessere mechanische Materialeigenschaften und sind einfacher zu verarbeiten als beispielsweise Phenolharze. Insbesondere im Flugzeugbau ist die Anwendung von Epoxydkunstharzen etabliert, so dass gerade auch dieses Gebiet ein bevorzugtes Einsatzfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann es demnach vorgesehen sein, dass ein Duroplasthalbzeug ein Epoxydharz umfasst, beispielsweise ausschließlich oder als Matrix für einen Faserkunststoffverbund, wobei die Umformungstemperatur gewählt ist zwischen 170 und 190 Grad Celsius, insbesondere 180 Grad Celsius, da knapp unterhalb dieses Temperaturbereichs, insbesondere bei etwa 150 Grad Celsius, ein Epoxydharz, wie z.B. Araldit LY 556/HY 917/DY 070 eine Glasumwandlungstemperatur von ca. 150 Grad aufweist.

Allgemein wird bevorzugt ein Temperaturbereich von 10 bis 30 Grad Celsius oberhalb der jeweiligen Glastransformationstemperatur des Duroplastmaterials gewählt.

So können beispielsweise Prismenstäbe bei einer Temperatur von ca. 180 Grad in Reinharzausführung eindimensional gekrümmt werden. Ebenso wurden Versuche durchgeführt, nach denen GFK-Platten (Glasfasergewebe) bei dieser Temperatur von etwa 180 Grad Celsius zu einer Halbkugel geformt werden konnten. Es war demnach möglich, sphärische Krümmungen in plattenförmiger Halbzeuge einzubringen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insofern besondere, bislang unbekannte Vorteile, da Duroplastmaterialien bislang nach einem Urformungsprozess als nicht weiter verformbar galten, nunmehr jedoch festgestellt wurde, dass in einem ausgezeichneten Temperaturbereich oberhalb der Glasumwandlungstemperatur, die für ein Duroplastmaterial typisch ist, eine Umformung möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der 1 schematisch erläutert.
Die 1 zeigt ein Duroplasthalbzeug 1, welches hier als plattenförmig bzw. flächig gewählt wurde. Bevorzugt kann das Duroplasthalbzeug 1 faserverstärkt sein.
Im Verfahrenschritt I wird das Duroplasthalbzeug 1 auf eine Temperatur in einem bevorzugten Bereich oberhalb der Glastransformationstemperatur T_g erwärmt, die für das verwendete Duroplastmaterial typisch ist. Z.B. kann hier die Temperatur zu 180 Grad Celsius gewählt sein, wenn die Glastransformationstemperatur im Bereich von ca. 150 bis 160 Grad Celsius liegt.
Das Duroplasthalbzeug 1 wird sodann zwischen den zwei Teilen eines Formwerkzeuges 2 angeordnet, um eine umformende Bearbeitung bei der gewünschten Temperatur durchzuführen. Hierzu werden die untere Patrize und die obere Matrize des Formwerkzeuges 2 aufeinander zu bewegt, um das dazwischen liegende Duroplasthalbzeug 1 bei der gewünschten Temperatur zu formen, wie es der Verfahrenschritt II zeigt.
Gemäß dem Schritt III wird bei beibehaltener formgebender Belastung eine Abkühlung des Duroplasthalbzeugs 1 unter die Glastransformationstemperatur vorgenommen, so dass das Duroplasthalbzeug 1 seinen formstabilen Zustand noch innerhalb des Formwerkzeuges 2 erhält.
Anschließend kann im Schritt IV das umgeformte Duroplasthalbzeug 1 aus dem Formwerkzeug 2 entnommen werden.
In diesem nicht beschränkenden Beispiel wurde ein flächiges, plattenförmiges Duroplasthalbzeug 1 zu einer Halbkugel umgeformt.

Claims

Verfahren zur Umformung von duroplastischen Halbzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Duroplast-Halbzeug (1) auf eine Temperatur (T) oberhalb der dem verwendeten Duroplast-Material zugehörigen Glas-Transformationstemperatur (T_g) erwärmt und anschließend umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) gewählt ist zwischen der dem verwendeten Duroplast-Material zugehörigen Glas-Transformationstemperatur (T_g) und der dem verwendeten Duroplast-Material zugehörigen Zersetzungstemperatur.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung eine Temperatur (T) gewählt wird, die oberhalb derjenigen Temperatur liegt, mit der das Duroplast-Material des umzuformenden Halbzeuges (1) gehärtet wurde.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung mittels einer Stempelumformung oder eines Formwerkzeuges (2), insbesondere bei einem Formzug erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des verformten Duroplast-Halbzeuges (1) unter andauernder formgebender Belastung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass faserverstärkte Duroplast-Halbzeuge (1) umgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Fasern erfolgt und/oder durch Scherung des Fasergewebes.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umformung dem umgeformten Halbzeug (1) eine insbesondere positive Eigenspannung aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Duroplast-Halbzeug (1) ein Epoxydharz umfasst und die Temperatur (T) gewählt ist zwischen 170 und 190 Grad Celsius, insbesondere 180 Grad Celsius, insbesondere wenn die Glastransformationstemperatur (T_g) des Epoxydharzes im Bereich von 150 bis 160 Grad Celsius liegt.