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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schutzelementen
und auch die Verwendung von mit dem Verfahren hergestellten Schutzelementen.
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Solche
Schutzelemente können
für verschiedene
Anwendungen eingesetzt werden. So besteht die Möglichkeit, diese als ballistische
Schutzelemente auch für
die Panzerung von Fahrzeugen und Gebäuden einzusetzen. Weitere Applikationen
sind der Verschleißschutz
und eine Wärmedämmung.
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Die
an sich bekannten Schutzelemente sind bisher so ausgebildet, dass
auf einen Träger
in der Regel plattenförmige
Elemente aufgeklebt werden und dadurch stoffschlüssig mit dem Träger verbunden
sind. Als Träger
kommen unterschiedlichste Materialien und Werkstoffe in Frage und
die Eigenschaften dieser Schutzelemente werden aber auch durch die
jeweils ausgewählten
aufgeklebten plattenförmigen
Elemente wesentlich beeinflusst.
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Als
Träger
werden häufig
aus Aramid-, Glas-, Kohle- oder
auch Kevlarfasern gebildete textile Materialien eingesetzt. Eine
Oberfläche
wird dann mit einem ausgewählten
viskosen Klebstoff beschichtet und auf diesen dann die plattenförmigen Elemente aufgesetzt
und im Nachgang dazu die stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
Als Kleber werden bevorzugt dabei Mehrkomponenten Klebstoffe eingesetzt,
die nicht reversibel aushärten.
Bei der Herstellung wird dann so vorgegangen, dass der Träger mit
dem Mehrkomponentenklebstoff beschichtet wird. Auf den nicht ausgehärteten noch
flüssigen
Klebstoff können dann
die plattenförmigen
Elemente auf den Träger aufgelegt,
positioniert und dann mit einer Druckkraftbeaufschlagung Träger und
plattenförmige
Elemente zusammengepresst werden. Dabei kann es aber dazu kommen,
dass es zu Positionierungsfehlern von plattenförmigen Elementen kommt, was
insbesondere bei einem ggf. erforderlichen Transport von einer Einrichtung
zum Erwärmen
des Trägers
mit dem Klebstoff und den darauf aufgebrachten plattenförmigen Elementen
zu einer Presse, der Fall ist. Zum Ausfüllen von Spalten zwischen plattenförmigen Elementen
muss auch der flüssige
Klebstoff noch ausgepresst werden. Dies wird aber erschwert, da die
Aushärtung
des Klebstoffs bereits beim Mischen der Komponenten beginnt. Die
Viskosität
hat sich daher bis zum Ende der Topfzeit schon deutlich verändert. Das
Auspressen muss daher mit eröhtem
Druck erfolgen. Wird ein Spalt nicht ausreichend ausgefüllt, ist
ein aufwändiges
in der Regel manuelles Nachbefüllen
erforderlich.
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Bei
der Verarbeitung muss die jeweilige Topfzeit auch eingehalten werden,
da nach dem Aushärten
keine Veränderung
der Position möglich
ist. Solche Positionierfehler können üblicherweise
dann nicht mehr korrigiert werden und ein so fehlerbehaftetes Schutzelement
gehört
nach dem Aushärten
des Schmelzklebstoffs ggf. zum Ausschuss. Für viele Anwendungen kommt es
nämlich
auf eine exakte Ausrichtung und Positionierung der auf dem Träger aufgebrachten
plattenförmigen
Elemente an. Mehr oder weniger große Spalte oder Fugen, die dann
ggf. auch noch in ungleichmäßiger Form über eine
Fläche
von Schutzelementen verteilt angeordnet sind, können häufig nicht zugelassen werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen,
mit denen Schutzelemente hergestellt werden können, deren Fertigungsgenauigkeit
erhöht
und reproduzierbar eingehalten werden kann, wobei der Herstellungsaufwand
reduziert und eine Nachpositionierung von Schutzkörpern möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
Verwendungen für
so hergestellte Schutzelemente sind mit dem Anspruch 17 genannt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird so vorgegangen, dass auf eine Oberfläche eines Trägers mindestens
eine mit einem Schmelzklebstoff gebildete Klebefolie flächig auflaminiert
wird. Dabei werden der Träger
und die Klebefolie erwärmt,
wobei dies soweit erfolgt, bis die Schmelz-/Erweichungstemperatur
des Schmelzklebstoffs überschritten
worden ist. Gleichzeitig werden Klebefolie und Träger zusammengepresst.
Dabei kann erreicht werden, dass sich die Schichtdicke der eingesetzten
Klebefolie, wenn überhaupt
nur geringfügig ändert.
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Im
Nachgang hierzu können
die miteinander verbundenen Träger
und Klebefolie wieder abgekühlt werden.
In einem zweiten sich daran anschließenden Schritt werden dann
vorab bis auf oberhalb der Schmelz-/Erweichungstemperatur erwärmte Schutzkörper in
einer vorgegebenen Form positioniert und auf die nach außen weisende
Oberfläche
der Klebefolie aufgesetzt. Das Aufsetzen von Schutzkörpern kann
dabei sowohl manuell, wie auch automatisiert erfolgen. Dabei wird
ebenfalls eine Druckkraft in Richtung auf die Klebefolie auf die
Schutzkörper
ausgeübt.
Die Kontaktfläche
zwischen Schutzkörpern und
Klebefolie erwärmt
sich dabei und der Schmelzklebstoff der Klebefolie ist dadurch plastisch
verformbar. Gegebenenfalls aufgetretene Positionierungsfehler von
Schutzkörpern
können
nachträglich
in dieser Phase des Verfahrens durch Verschieben auf der Oberfläche korrigiert
werden. Nach erfolgter Abkühlung
sind die aufgebrachten Schutzkörper
stoffschlüssig
mit dem Träger
verbunden, so dass ein für eine
Weiterverarbeitung geeignetes Halbzeug vorliegt.
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In
einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt besteht dann die Möglichkeit,
die vorab miteinander verbundenen Träger und Schutzkörper erneut
zu erwärmen,
wobei dies wiederum bis oberhalb der Schmelz-/Erwärmungstemperatur
des Schmelzklebstoffs erfolgen soll und dabei erneut eine Druckkraft auf
diese ausgeübt
wird, so dass ein weitergehendes Zusammenpressen erreicht werden
kann. Dadurch kann einmal die Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung
erhöht
werden und zum anderen besteht die Möglichkeit, falls dies gewünscht ist,
Spalte zwischen nebeneinander angeordneten Schutzkörpern zumindest
teilweise mit dem Schmelzklebstoff auszufüllen, wodurch die Festigkeit
der stoffschlüssigen
Verbindung weiter erhöht
werden kann.
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Zumindest
bei der Herstellung eines Halbzeugs, also dem Auflaminieren der
Klebefolie auf einen Träger
und dann dem nachfolgenden Aufsetzen der erwärmten Schutzkörper sollte
die Erwärmung bis
auf eine Temperatur, die maximal 30 K oberhalb der Schmelz-/Erwärmungstemperatur
des eingesetzten Schmelzklebstoffs liegt, erfolgen.
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Die
vor dem Aufsetzen von Schutzkörpern durchzuführende Erwärmung kann
in unterschiedlichster Form unter Berücksichtigung der jeweiligen Schutzkörperwerkstoffe
und auch deren geometrischer Abmessungen durchgeführt werden.
So können
beispielsweise Schutzkörper
innerhalb eines Ofens vor dem Aufsetzen erwärmt werden.
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Unter
Berücksichtung
der für
den Träger
gewählten
Materialien bzw. Werkstoffe und auch der jeweiligen Schutzkörper, mit
denen erfindungsgemäße Schutzelemente
hergestellt werden sollen, kann Einfluss auf das herzustellende
Endprodukt genommen werden, indem mindestens eine mit Schmelzklebstoff gebildete
Klebefolie mit entsprechender Dicke auflaminiert wird. Es können aber
auch mehrere, kommerziell erhältliche
Folien übereinander
auf eine Trägeroberfläche auflaminiert
werden, um eine ausreichende Dicke, die bevorzugt konstant über die
gesamte, mit Schutzkörpern
zu versehende Oberfläche
eingehalten werden sollte.
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Für bestimmte
Applikationen kann es aber auch günstig sein, dass Spalte zwischen
nebeneinander angeordneten Schutzkörpern nachträglich mit einem
anderen Werkstoff oder Material zumindest teilweise ausgefüllt werden,
wobei sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines
solchen Spalte ausfüllenden
Materials oder Werkstoffs von denen des Schmelzklebstoffs unterscheiden
können.
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Insbesondere
dann, wenn erfindungsgemäß hergestellte
Schutzelemente für
den Verschleißschutz
eingesetzt werden sollen, kann es günstig sein, insbesondere im
Bereich von Spalten Zuführungen
für ein
Kühl- und/oder Schmiermedium
auszubilden, die dann bevorzugt durch den Träger und die Klebefolie bis
in einen Bereich von Spalten geführt sein
können.
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Bestimmte
Anforderungen bei unterschiedlichsten Einsatzgebieten können durch
geeignete Auswahl eines Werkstoffs für Schutzkörper berücksichtigt werden. Bevorzugt
werden keramische Werkstoffe für
Schutzkörper
eingesetzt, da sie in der Regel gute mechanische Festigkeiten, insbesondere
eine gegenüber
Metallen geringere physikalische Dichte und auch eine gegenüber Metallen
geringere Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Im Umkehrschluss besteht aber auch die Möglichkeit,
Schutzkörper
aus Metallen oder Metalllegierungen für die Herstellung von Schutzelementen
einzusetzen, falls deren Eigenschaften für die jeweilige Anwendung besser
geeignet sind.
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Schutzkörper können für viele
Einsatzfälle bevorzugt
als plattenförmige
Elemente für
die Herstellung von Schutzelementen eingesetzt werden. Die nach
außen
weisende Oberfläche
und die zur stoffschlüssigen
Verbindung mit dem Träger
können dabei
parallel zueinander ausgerichtet sein.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
zumindest eine der beiden Oberflächen
mit einer anderen geometri schen Form oder darauf ausgebildeten Konturelementen
auszubilden.
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Wird
beispielsweise die Oberfläche
eines Schutzkörpers
nicht in Form einer planen ebenen Fläche ausgebildet, kann diese
so geformt sein, dass sie sich an die Oberflächenkontur eines komplementär ausgebildeten
Trägers
anpasst. Bei einer mit Konturelementen ausgebildeten Trägeroberfläche kann die
entsprechende Oberfläche
eines Schutzkörpers aber
auch mit komplementär
ausgebildeten Konturelementen versehen werden. In diesem Fall kann
die zur stoffschlüssigen
Verbindung nutzbare Oberfläche vergrößert und
zusätzlich
ein verbesserter Formschluss für
ggf. auftretende Querkräfte
erreicht werden.
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Schutzkörper, bevorzugt
dabei solche, die in Formplattenförmiger Elemente ausgebildet
sind, können
so auf die nach außen
weisende Oberfläche
der Klebefolie aufgesetzt werden, dass entlang einer geraden Linie
ein vergrößerter Spalt
vorhanden ist und demzufolge die Schutzkörper eine größeren Abstand zueinander
haben. Der Träger
kann dann entlang der Linie abgewinkelt werden. Dies kann auch vor
dem zweiten Schritt erfolgen. Dann kann beim zweiten Verfahrensschritt
auch mit dem Klebstoff, der zumindest bereichsweise den Spalt ausfüllt ein
stoffschlüssige
Verbindung im Spaltbereich ausgebildet und so ein dementsprechend
abgewinkeltes Schutzelement hergestellt werden. Dabei kann ein Winkel
bis ca. 90° erreicht
werden.
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Das
Anpressen der Schutzkörper
auf Träger mit
Klebefolie kann mit einer beheizbaren Presse, in einem Autoklauen
oder bevorzugt mit einer Vakuumpresse durchgeführt werden. Vakuumpressen eignen sich
besonders bei unebenen Oberflächen.
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Für die Herstellung
erfindungsgemäßer Schutzelemente
können
Schutzkörper
mit unterschiedlichster Randgeometrie eingesetzt werden, wie dies
beispielsweise Dreiecke, Vierecke und weitere Vieleckformen sein
können.
Dabei soll lediglich angestrebt werden, dass die gesamte Oberfläche für den jeweiligen
Anwendungsfall bis auf ggf. Spalte zwischen nebeneinander angeordneten
Schutzkörpern
von diesen überdeckt
werden kann. Durch entsprechend geometrisch gestaltete Schutzkörper können äußere Randbereiche
eines Schutzelements berücksichtigt
werden, was insbesondere dann der Fall ist, wenn Schutzkörper eingesetzt
werden, deren äußere Randgeometrie
nicht quadratisch oder rechteckig ist.
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Auch
für die
Träger
können
unterschiedlichste Materialien oder auch Werkstoffe eingesetzt werden,
so dass auch dadurch vorteilhaft Einfluss auf eine jeweils gewünschte Anwendung
genommen werden kann.
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So
ist es häufig
gewünscht,
dass ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestelltes Schutzelement zumindest in Grenzen flexibel verformt
werden kann. In diesem Fall und auch dann, wenn eine relativ geringe
Gesamtmasse eines Schutzelements gewünscht ist, können dann
Träger,
die mit einem Gewebe, Gelege, Gewirk, Vlies, die aus Fasern gebildet
sind oder einer flexibel verformbaren Platte oder einer Folie gebildet
sein. Dabei können
auch mehrlagige oder mehrschichtige Träger eingesetzt werden, die
wiederum aus gleichen, aber auch unterschiedlichen Materialien oder
Werkstoffen gebildet sein können.
Die mehreren Lagen oder Schichten können ebenfalls mittels Klebefolie
stoffschlüssig verbunden
worden sein.
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Es
können
aber auch Schutzelemente hergestellt werden, die nicht flexibel
verformt werden können.
In diesem Fall können
Träger
mit plattenförmigen
Elementen mit entsprechender Dimensionierung, was die Größe der jeweiligen
Fläche
und die Plattendicke betrifft, eingesetzt werden. Es besteht aber
auch die Möglichkeit,
mehrschichtige solcher plattenförmiger
Elemente, also Verbundplatten, für Träger einzusetzen.
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Vorab
wurde bereits angesprochen, dass Oberflächen von Schutzkörpern nicht
unbedingt als planare ebene Fläche
ausgebildet sein müssen.
Dies trifft aber auch auf die äußeren Randflächen von Schutzkörpern zu.
So können
Schutzkörper
eingesetzt werden, deren äußere Randkonturen
von nebeneinander angeordneten Schutzkörpern komplementär zueinander
ausgebildet sind. Dabei können Erhebungen
der Randkontur eines Schutzkörpers
in komplementär
ausgebildete Vertiefungen einer Randkontur eines neben diesem Schutzkörper angeordneten
weiteren Schutzkörpers
eingeführt
werden. So kann beispielsweise eine Randkontur an Schutzkörpern vorhanden
sein, die eine Nut-Feder-Verbindung darstellen kann, wobei eine
solche Nut-Feder-Verbindung auch spielbehaftet sein kann.
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In ähnlicher
Form können
aber auch Randkonturen an Schutzkörpern mit konkaver und konvexer
Krümmung
ausgebildet sein, wodurch dann auch eine Verbiegung eines mit solchen
Schutzkörpern versehenen
Schutzelements möglich
ist.
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Je
nach Einsatzfall können
auch Klebefolien ausgewählt
werden, deren Schmelzklebstoff eine entsprechende Schmelztemperatur
aufweist, wobei die üblichen
Schmelztemperaturen im Bereich zwischen 80°C und 200°C liegen. Es liegt auf der Hand, dass
unter Be rücksichtigung
reduzierter Herstellungskosten Schmelzklebstoffe mit niedrigerer Schmelztemperatur
zu bevorzugen sind. Werden Schutzelemente aber auch für Einsatzfälle vorgesehen,
bei denen höhere
Temperaturen herrschen, sollten Klebefolien ausgewählt werden,
deren Schmelzklebstoffe entsprechend höhere Schmelztemperaturen aufweisen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
Schutzelemente gegenüber
den bekannten technischen Lösungen
kostengünstiger,
einfacher und reproduzierbarer hergestellt werden. Es besteht aber auch
die Möglichkeit,
wie bereits angesprochen, bei der Positionierung von Schutzkörpern aufgetretene Positionierungsfehler
nachträglich
zu korrigieren oder gar nicht ausreichend stoffschlüssig verbundene
Schutzkörper
nachträglich
sicherer mit dem Träger
zu verbinden oder sogar abgelöste
Schutzkörper durch
einen neuen Schutzkörper
zu ersetzen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann, wie bereits angesprochen, automatisiert durchgeführt werden.
Es muss keine begrenzte Topfzeit eines Klebers berücksichtigt
werden. Die Dosierung des erforderlichen Schmelzklebstoffs ist durch
den Einsatz von Klebefolie sehr genau möglich. Es sind keine zusätzlichen
Lösungsmittel
erforderlich.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
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Für die Herstellung
einer ballistischen Schutzplatte, als ein Beispiel für ein erfindungsgemäß hergestelltes
Schutzelement wurden plattenförmige
Elemente als Schutzkörper
aus Aluminiumoxid mit den Abmessungen 50·50·8 mm, als Träger ein Aramidfasergewebe
mit 18 Lagen und Klebefolie eines thermoplastischen Kunststoffs
mit Flächengewichten
von 300 g/m2 bzw. 50 g/m2,
einer Dicke von 300 μm
bzw. 50 μm,
die von der Firma Colano unter Handelsbezeichnung „Colano
V77-2” aus
einem modifizierten Polyolefin kommerziell erhältlich ist, eingesetzt. Die
Aramidgewebelagen wurden untereinander mit der 50 μm Klebefolie
verklebt. Die stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem Aramid und den keramischen plattenförmigen Elementen
wurde mit der 300 μm
dicken Klebefolie realisiert. Die Klebefolie wurde auf die einzelnen
Gewebelagen des Trägers auflaminiert
und die plattenförmigen
Elemente in einem Ofen auf eine Temperatur von 150°C erwärmt. Bei
dieser Temperatur wurden die plattenförmigen Elemente auf die nach
außen
weisende Oberfläche der
Klebefolie aufgesetzt. Dabei wurde eine Spaltbreite zwischen den
plattenförmigen
Elementen; als Schutzkörper
im Bereich 0,1 bis 0,2 mm eingehalten. Die erwärmten plattenförmigen Elemente
konnten so mit der Klebefolie und dem Träger stoffschlüssig verbunden
werden, wobei der Verbund eine ausreichende Festigkeit für eine Weiterverarbeitung
aufwies. Nach ausreichender Abkühlung
werden in einem weiteren Schritt die Einzellagen übereinander
gelegt und bei einer Temperatur von ca. 150°C und einem Anpressdruck von
ca. 200 kPa/cm2 mit einer Haltezeit von
ca. 300 s die vollständige
Verbindung hergestellt. Dabei werden auch die Spalte zwischen den plattenförmigen Elementen
vollständig
mit dem Kleber ausgefüllt.