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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen
Verbundformteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein nach
diesem Verfahren hergestelltes Verbundformteil gemäß dem
Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
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Verfahren
zur Herstellung von Formteilen, die insbesondere aus einem nicht
fließfähigen Gemisch von Span- und/oder Faserwerkstoffen
und wärmehärtbaren Bindemitteln bestehen und die
in einem Presswerkzeug unter Druck und Temperaturzufuhr gepresst
werden, sind umfänglich bekannt. Die Anmelderin selbst
hat hierzu in mehreren Patentanmeldungen Lösungen offenbart.
Zu nennen ist hier beispielsweise die
DE 44 305 28 A1 , worin ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen umfassend offenbart
ist. Weiterhin ist aus der
EP
0956936 A1 insbesondere die Konstruktion einer Mehrzweckpresse
zur Herstellung von Formteilen bekannt.
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Demnach
werden im Stand der Technik Formteile aus kleinen Partikeln, wie
etwa Holzspänen und anderen zellulosehaltigen Fasern, in
entsprechend dafür eingerichteten Presswerkzeugen hergestellt.
Durch die relativ geringe Länge der eingesetzten Partikel
bzw. Holzspäne sind die erreichbaren Festigkeiten der Formteile
leider begrenzt. Dies trifft insbesondere auf den E-Modul zu. Außerdem
ist das Bruchverhalten solcher Formteile eher nachteilig, da diese
kurzfaserig sowie scharfkantig bzw. spröde brechen können.
Hingegen sind solche aus kleinen Partikeln hergestellte Formteile
insbesondere in Bezug auf ihre gleichmäßige und
glatte Oberfläche vorteilhaft. Denn diese können
bei Bedarf auch lackiert oder auch strukturiert werden, z. B. mit Poren
versehen werden. Weiterhin sind auch verschieden starke Wandstärken
herstellbar.
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Neben
dreidimensionalen Formteilen aus feinen Partikeln sind auch derartige
Teile in Form von Platten bekannt. Dies sind z. B. Platten mit zerkleinerten
Holzpartikeln, wie etwa Spanplatten oder mitteldichte Faserplatten,
kurz MDF-Platten. Auch hier kann nur en nur eine begrenzte Festigkeit,
insbesondere Biegefestigkeit und E-Modul, erreicht werden. Dies
schränkt die Verwendung solcher Platten bei hohen Anforderungen
an die Festigkeit oder als tragende Teile stark ein.
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Daher
werden zur Herstellung von Platten bzw. Formteilen auch großformatige
Partikel bzw. Späne verwendet. Insbesondere handelt sich
dabei um mit länglichere Holzspäne, so genannte
Strands, wie sie etwa in der
WO 02/074509 A1 beschrieben werden. Die hieraus
gefertigten Formteile weisen relativ hohe Festigkeiten, insbesondere
hohe E-Module, auf. Außerdem brechen sie elastisch ohne
allzu scharfe Bruchkanten zu hinterlassen. Des weiteren weisen diese
Formteile eine relativ geringe Dichte auf. Nachteilig ist jedoch
ihre Oberflächenstruktur, weil sich die großformatigen
Partikel bzw. Späne auf der Oberfläche abzeichnen.
Eine direkte Beschichtung, Strukturierung oder Lackierung solcher
Formteile ist sehr schwierig oder gar unmöglich.
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Weiterhin
bekannt sind auch mehrschichtige aus Sperrholz oder Schichtholz
gefertigte plattenförmige Werkstoffe bzw. daraus abgeleitete
Formteile. Bei diesen Formteilen werden dünne Furnierlagen übereinander
geschichtet und in Werkzeugen verpresst. Im Furnier selbst bleibt
die gewachsene Holzstruktur erhalten, so dass Platten oder Formteile
mit hoher Festigkeit und günstigem Bruchverhalten herstellbar
sind. Nachteilig jedoch sind hierbei der relativ hohe Preis für
das einzusetzende Furnier und der nur schwer zu automatisierende
Herstellungsprozess. An Stelle von Sperrholz werden seit einigen
Jahren auch Ersatzwerkstoffe aus übergroßen Holzspänen, insbesondere
die oben genannten Strands verwendet. Hieraus werden insbesondere
Platten, die sogenannten OSB-Platten (OSB: Oriented Strand bzw. Structural
Board) gefertigt, also Platten mit darin ausgerichteten Holzspänen.
Diese Produkte haben dem Sperrholz vergleichbare Eigenschaften.
Der Herstellungsprozess solcher OSB-Platten ist dabei vollständig
automatisierbar.
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Mit
den bekannten Verfahren lassen sich also plattenförmige
oder drei-dimensionale Teile in hoher Festigkeit und geringem Gewicht
herstellen. Außerdem lassen sich stark verformte Teile
herstellen, wobei das Bruchverhalten günstiger ist und
insbesondere ein hoher E-Modul erreicht werden kann. Bei bekannten
Herstellungsverfahren, in denen Strands eingesetzt werden, greift
man vorzugsweise auf leichte Holzarten (Pappel, Aspe, Fichte) zurück. Das
Holz wird mit speziellen Maschinen zu großflächigen, übergroßen
Holzspänen aufbereitet. Anschließend werden diese
Späne in Durchlauftrocknern bis auf eine definierte Holzfeuchte
von etwa 1% getrocknet. In einer Trommel-Beleimmaschine werden Bindemittel
(pMDI, Aminoplaste) zugesetzt. Hierbei muss jedoch das Spanmaterial
schonend behandelt werden, um eine mechanische Beschädigung der
Holzstruktur zu vermeiden. Die beleimten Späne werden dann
einer Fließbildungsmaschine zugeführt, mit welcher
kontinuierlich ein Spänevlies gestreut und damit Formkästen
gefüllt werden. Diese Formkästen werden dann manuell
in die Presswerkzeuge überführt und die Spänevliese
dort manuell abgelegt. Bei einer Temperatur von ca. 170° Celsius
und einem Pressdruck von ca. 3 N/mm2 werden
die Formteile ausgehärtet. Somit entstehen Formteile in
hoher Festigkeit und mit günstigem Bruchverhalten sowie geringem
Gewicht.
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Nachteilig
ist jedoch die ausschließlich manuelle Prozessführung,
welche eine Produktion in großem Umfang wirtschaftlich
kaum möglich macht. Weiterhin entsteht durch die eingesetzten
einheitlichen Formkästen bei unterschiedlicher Formteilkontur
ein hoher Abfallanteil, der bis zu 50% des eingesetzten Materials
ausmachen kann. Außerdem lassen sich unterschiedliche Wandstärken
bei einer einheitlichen Vliesbildung nicht darstellen.
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Zusammenfassend
lässt sich feststellen, dass aus dem Stand der Technik
viele verschiedene Formteile und Platten bekannt sind, die einschichtig oder
auch mehrschichtig hergestellt sein können. Jedoch weisen
diese Teile, je nach Zusammensetzung des Materials bzw. der jeweiligen
Schicht, auch die o. g. negativen Eigenschaften auf. Wünschenswert wäre
es, ein Produkt zu schaffen, das möglichst viele der positiven
Eigenschaften in Gestalt einer besonderen Kombination bzw. eines
neuen Verbundformteils vereint. Hierzu soll insbesondere ein effektives und
prozessoptimierbares Herstellungsverfahren vorgeschlagen werden.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von
Verbundformteilen vorzuschlagen, welches die genannten Nachteile
vorteilhaft überwindet. Außerdem soll ein mit
diesem Verfahren hergestelltes Formteil vorgeschlagen werden.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch
1 sowie durch ein mehrschichtiges Verbundformteil mit den Merkmalen des
nebengeordneten Anspruchs.
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Demnach
wird ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundformteils
vorgeschlagen, bei dem in einem aus einem Unterteil und einem Oberteil
bestehenden Presswerkzeug folgende Schritte ausgeführt
werden:
Zuerst werden zur Bildung einer unteren Schicht mit Bindemitteln
versehene, feinere Partikel in eine Form im Unterteil des Presswerkzeugs
eingefüllt. Dann wird in einem nächsten Schritt
auf die untere Schicht ein vorgepresstes Formteil gelegt, das gröbere
Partikel als die untere Schicht enthält. Danach wird über das
auf der unteren Schicht liegende Formteil eine obere Schicht gebildet,
indem wiederum mit Bindemittel versehene, feinere Partikel aufgefüllt
werden. Anschließend wird das Oberteil des Presswerkzeugs auf
die obere Schicht geführt und es werden unter Druck- sowie
Temperatureinwirkung die äußeren Schichten mit
dem eingeschlossenen vorgepressten Formteil zu einem mehrschichtigen
Verbundformteil verpresst.
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Auf
diese Weise wird also ein mehrschichtiges Verbundformteil hergestellt,
das vorzugsweise drei Schichten aufweist, wobei zwei äußere
Schichten (untere und obere Schicht) vorzugsweise dieselben feinen
Partikel enthalten und wobei in der Mitte eine aus gröberen
Partikeln bestehende Mittelschicht vorgesehen ist. Diese Mittelschicht
wird vorzugsweise von einem vorgepressten Formteil gebildet, das
in die Form eingelegt wird und das von den beiden äußeren
Schichten umschlossen wird. Es ergibt sich somit eine Sandwich-Bauweise,
bei der die Mittelschicht aufgrund der großformatigen Partikel
bzw. Späne, die beispielsweise Strands sein können,
eine hohe Festigkeit aufweist. Die beiden äußeren Schichten
wiederum weisen eine relativ gleichmäßige und
glatte Oberfläche auf. Somit werden die Vorteile der jeweiligen
Schichten bzw. Strukturen in einem neuen Verbundformteil vereint.
Durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren wird also ein hoch-funktionales
Hybridteil geschaffen, das für vielfältige Anwendungsbereiche
verwendet bzw. ausgelegt werden kann.
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Vorzugsweise
wird während des Herstellungs-Prozesses ein vorgepresstes
Formteil als OSB-Matte oder dergleichen eingelegt. Es kann aber auch
ein Vlies mit beleimten Spänen oder etwas ähnliches
sein. Dabei erfolgt die Vliesbildung direkt mittels einer neuen Füllvorrichtung
in das Presswerkzeug, wobei eine durchgängige Prozessautomatisierung
möglich ist. Hierbei wird sowohl für eine passende
Dosierung als auch für eine gleichmäßige
Verteilung des beleimten Spanes in die Kavität des Werkzeuges
gesorgt. Dadurch lässt sich u. a. der Abfallanteil deutlich
reduzieren. Daneben sind unterschiedliche Wandstärken und
starke Verformung der Teile möglich. Die Erfindung ist
für die Anwendung bzw. Verwendung einheimischer, leichter
Holzarten (Pappel, Aspe) bestens geeignet. Insbesondere können Holzarten
verwendet werden, die kurzumtriebig erzeugt werden und die bisher
weniger in der traditionellen Holzwirtschaft Verwendung finden.
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Insbesondere
weisen die mit der Erfindung hergestellten mehrschichtigen Verbundformteile
eine höhere Festigkeit, insbesondere einen höheren E-Modul,
als die üblichen Formteile auf. Außerdem weisen
sie ein noch weiter verbessertes, günstiges Bruchverhalten
auf. Hinzu kommt, dass die Teile ein günstiges Verhältnis
zwischen Gewicht und Festigkeit haben. Die Oberfläche der
Formteile ist glatt und geschlossen und kann einfach dekoriert werden. Weiterhin
sind unterschiedliche Wandstärken möglich. Das
Verfahren zur Befüllung kann z. B. mittels eines rotierenden
Siedkorbs ausgeführt werden. Die Auftragung von großformatigen
Spänen erfolgt vorzugsweise mittels einer Walzendosierung
bzw. durch Einlegen des vorgepressten Formteils.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nachfolgend
wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher
beschrieben, wobei die Figuren folgende schematische Darstellungen wiedergeben:
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1 zeigt
ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung mehrschichtiger Verbundformteile.
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2 zeigt
in einem Schnittbild den Aufbau des Presswerkzeugs mit dem darin
befindlichen fertig gepressten Verbundformteil.
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3a,
b, c zeigen in Form von Momentaufnahmen den Ablauf des wesentlichen
Herstellungsschritte.
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4 zeigt
schließlich in einem Schnittbild den Aufbau des fertig
gepressten mehrschichtigen Verbundformteiles.
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Die 1 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagram für ein erfindungsgemäßes
Verfahren 100 zur Herstellung eines Verbundformteils innerhalb
einer Presse, so wie es beispielhaft in der 2 dargestellt ist
und näher im Detail anhand der 3a bis 3c veranschaulicht
wird. Deshalb wird nachfolgend auf diese Figuren gleichermaßen
Bezug genommen:
Das Verfahren 100 beginnt mit einem
ersten Schritt 110 (s. auch 3a), bei
dem zur Bildung einer ersten Schicht 211 des zu pressenden
mehrschichtigen Formteils 210 zunächst ein Füllmaterial
bzw. Gemisch aus Bindemittel und feineren Partikeln in die Form
des Presswerkzeugunterteils 201 eingefüllt wird.
Das geschieht vorzugsweise durch eine Fülleinrichtung,
die ein Rüttelsieb 220 aufweist, welches von einer
Seite bzw. Richtung D1 zugeführt wird und über dem
Presswerkzeugunterteil 201 gerüttelt wird. Zuvor
ist das Sieb 220 von Oben über eine Fülleinrichtung 211 bzw.
Füllkasten (nur angedeuteten) mit dem Füllmaterial
bzw. Gemisch, befüllt worden. Als Füllmaterial
eignet sich insbesondere duroplastisches, mit feinen Holzfasern
vermischtes Material. Beim Einfüllen des Materials hat
die Form bzw. das Presswerkzeugunterteil 201 bereits eine
vorgeheizte Temperatur, wobei zu beachten ist, dass diese nicht
schon so hoch eingestellt ist, dass ein ungewolltes vorzeitiges Schmelzen
des Materials eintritt.
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Das
zum Befüllen verwendete Sieb 220 kann eine vordefinierte
Kontur 222 aufweisen, die den Durchsatz des Siebes 220 gleichmäßig
oder unterschiedlich stark einstellt. In diesem ersten Schritt 110 wird
zunächst ein Sieb 220 mit gleichmäßiger
Kontur 222 verwendet, so dass sich das Füllmaterial
bzw. Gemisch 221 gleichmäßig auf bzw.
in der Form des Presswerkzeugunterteils 201 verteilt. Ist
durch Rütteln und/oder Rotieren des Siebes 220 das
Material für diese erste Schicht 211 verteilt
bzw. aufgebracht worden, so wird das Sieb 220 wieder zu
derselben Seite bzw. Richtung D1 hin (hier nach Links) zurückbewegt
und von der Form entfernt.
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Danach
wird in einem Schritt 120 (s. auch 3b) von
der anderen Richtung D2 bzw. Gegenseite ein vorgepresstes Formteil 212 zugeführt
und in der vorgesehenen Position in die Form eingelegt. Dieses Formteil
kann z. B. aus beleimten Holzspänen, insbesondere Strands, bestehen,
welche in einem eigenständigen Pressverfahren vorgefertigt worden
sind. Es ist auch möglich, anstelle eines vorgepressten
Formteils 210 das Material selbst, also z. B. beleimte
Strands, in die Form hier für die Mittelschicht 212 einzufüllen.
Die Verwendung bzw. das Einlegen eines vorgepressten Formteils 210 hat
aber den Vorteil, dass die Kontur der Mittelschicht 212 dann
bereits vorgefertigt ist und z. B. eine genau definierte Struktur
aufweisen kann. Beispielsweise können die Strands bereits
in eine Vorzugsrichtung entsprechend der erwarteten Hauptbelastungsrichtung ausgerichtet
sein. Oder das vorgepresste Formteil 210 selbst kann mehre
Schichten und/oder Bereiche mit verschiedenen Strukturen und/oder
Materialien aufweisen. Je nach Anwendungsfall können verschiedene
Formteile 212 eingelegt werden, wie z. B. auch vorgepresste
OSB-Matten und dergleichen. Es können sogar mehrere Formteile
(gleiche oder verschiedene) Formteile nacheinander (und vorzugsweise
abwechselnd mit Schichten kleinerer Partikel) eingelegt werden.
Im einfachsten Fall wird nur ein Formteil als Mittelschicht eingelegt.
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Nach
dem Einlegen des Formteils 212 liegt dieses dann direkt
auf dem Material der unteren Schicht 211 auf. Zu beachten
ist hierbei, dass vorzugsweise das Material der unteren Schicht 211 den Rand
des eingelegten Formteils 212 voll umschließt, so
dass die späteren Ränder bzw. Kanten des Verbundformteils 210 ausschließlich
die feinen Partikeln enthalten und somit homogen, glatt und gut
verarbeitbar sind.
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In
einem weiteren Schritt 130 (s. auch 3c) wird
wiederum das Material mit den feinen Partikeln aufgetragen. Das
geschieht durch ein Sieb 220', dass ebenfalls aus der Richtung
D1 (hier also auch von Links) zugeführt wird. Dieses Sieb 220' weist
hier nun eine ungleichmäßige und fest vorgeprägte
Kontur auf, welche Bereiche 222 mit normalen Materialdurchsatz
und Bereiche 223 mit größerem Materialdurchsatz
hat. Bei der Bewegung bzw. dem Rütteln des Siebes 220' wird
somit Material unterschiedlich stark aufgetragen, so dass sich partiell
unterschiedliche Schicht- bzw. Wandstärken einstellen und
auch einzelne Bereiche 203 ausgebildet werden können,
wo das Material sich deutlich anhäuft und eine definierte
Verdickung bzw. Erhöhung ausbildet.
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Ist
schließlich auch das Füllmaterial bzw. Gemisch
für die obere Schicht 213 aufgebracht worden, so
wird das Sieb 220' wieder in die Richtung D1 (nach Links)
zurückbewegt und von der Form entfernt.
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Dann
folgt der abschließende Schritt 140, bei dem das
Presswerkzeugoberteil (s. 202 in 2) von Oben
auf die Form zu bewegt wird und die dort eingebrachte, mehrschichtige
Material-Struktur unter Druck- und Temperatureinwirkung zusammenpresst. Damit
entsteht dann das gewünschte mehrschichtige Verbundformteil 210,
so wie es beispielhaft auch in der 4 dargestellt
ist.
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Die
obere Form bzw. das Presswerkzeugoberteil 202 ist vorzugsweise
auch auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizt, wobei beide Teile
der Presse, also Oberteil 202 und Unterteil 201,
verschiedene Temperaturregelungen haben können. Zusätzlich kann
bei der Herstellung auch noch Dampf in die Form eingebracht werden,
so wie es beispielsweise in früheren Anmeldungen der Anmelderin
beschrieben worden ist.
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Das
vorgestellte Verfahren ist auch deshalb sehr effizient und schnell
ausführbar, weil das Heranfahren der Siebe von einer Seite/Richtung
D1 erfolgt und das Einlegen des Formteils von der gegenüberliegenden
Seite/Richtung D2 aus erfolgt. Dabei können die Siebe außerhalb
der eigentlichen Form bzw. Presse befüllt werden. Insbesondere
kann das Sieb 220' während der Zeit, in welcher
das Einlegen des Formteils erfolgt, befüllt werden.
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Das
Verfahren ist sehr flexibel an verschiedene Situationen anpassbar
und für verschiedene Produktwünsche modifizierbar.
Das hergestellte Produkt selbst weist insbesondere eine hohe Festigkeit und
dennoch feinstrukturierte äußere Flächen
bzw. Schichten auf und vereint in sich sehr viele Vorteile der verschiedenen
herkömmlichen Einzelprodukte.
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- 100
- Verfahren
zur Herstellung eines Verbundformteils (s. 210 in 2, 4)
- 110
bis 140
- einzelne
Verfahrens-Schritte
- 200
- Presse
mit Presswerkzeug zur Herstellung des Verbundformteils
- 201;
202
- Unterteil
bzw. Oberteil des Presswerkzeugs
- 210
- Verbundformteils
(mehrschichtig, Innen mit vorgepresstem Formteil 212)
- 211,
213
- untere
bzw. obere Schicht (äußere Schichten) mit feinen
Partikeln
- 212
- Mittelschicht
aus vorgepresstem Formteil mit groben Partikeln
- 203
- Ausnehmung
im Oberteil (zur Bildung lokaler Erhöhung/Verdickung)
- 204
- Einschluss
der Mittelschicht durch die beiden äußeren Schichten
- 220,
220'
- Sieb
(Rüttelsieb) mit Kontur
- 221
- Fülleinrichtung
(angedeutet)
- 222,
223
- gleichmäßige
bzw. ungleichmäßige Kontur
- D1
- Zuführung
des Siebes (von Links)
- D2
- Zuführung
und Einlegen des vorgepressten Formteils (von rechts)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4430528
A1 [0002]
- - EP 0956936 A1 [0002]
- - WO 02/074509 A1 [0005]