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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen aus Fasermaterial unter Verwendung einer mehrteiligen Form, die zumindest einen Innenraum aufweist, wobei die Innenseiten der mehrteiligen Form zumindest teilweise die Kontur des Formteils bestimmen, umfassend die Schritte Einblasen von Fasermaterial in den Innenraum der Form, Anlagern von Fasern an den Innenseiten der Form, und Verbinden der Fasern zur Herstellung des Formteils.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen aus Fasermaterial, insbesondere geeignet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine mehrteilige Form, die zumindest einen Innenraum aufweist, wobei die Innenseite der Form zumindest teilweise die Kontur des herzustellenden Formteils bestimmt, ein oder mehrere Düsen zum Einblasen von Fasern in den Innenraum, Luftöffnungen in der Form zum Entweichen der Luft aus dem Innenraum und zum Anlagern der Fasern an der Innenseite der Form und Mittel zum Verbinden der Fasern zur Herstellung des Formteils.
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Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
WO 2009/062646 bekannt geworden und offenbart eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Formteile aus Fasermaterial. Hierzu wird eine zweiteilige Form bestehend aus Ober und Unterform verwendet. Die jeweiligen Innenseiten der Ober- und Unterform bestimmen dabei teilweise die Kontur des Formteils. In den Zwischenraum zwischen Ober- und Unterform werden Fasern durch eine Luftströmung über mehrere Düsen eingeblasen. Die Luftströmung entweicht durch Öffnungen der Ober- und Unterform, so dass sich die Fasern an den Innenseiten der Ober- und Unterform anlagern. Anschließend werden die Fasern gegebenenfalls noch lokal verdichtet, um dann in einem weiteren Schritt durch Wärmezufuhr miteinander zu verkleben. Nach Abkühlung der Fasern kann dann schließlich das fertige Formteil aus der Form entnommen werden. Die Fasern bilden dabei in der Form ein so genanntes Wirrfaservlies, das heißt die Fasern des Vlieses sind willkürlich bezüglich ihrer jeweiligen Orientierung angeordnet.
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Nachteilig dabei ist, dass damit die späteren Einsatzmöglichkeiten und Eigenschaften von Formteilen wesentlich beschränkt sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus Fasermaterial zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig sind, die Einsatzmöglichkeiten von Formteilen erhöht bzw. die Eigenschaften von Formteilen verbessert.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Fasern beim Einblasen in die Form zumindest teilweise in dem Innenraum einem oder mehreren elektrischen Feldern ausgesetzt werden, wodurch die Fasern zumindest teilweise entlang der jeweiligen Richtung der elektrischen Felder ausgerichtet werden, die mit einer oder mehreren gewünschten Vorzugsrichtungen der Fasern im Formteil zumindest annähernd übereinstimmen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6 dadurch gelöst, dass Mittel zur Erzeugung eines oder mehrerer elektrischer Felder angeordnet sind, die den Innenraum zumindest teilweise einem oder mehreren elektrischen Feldern aussetzen, wodurch die Fasern beim Einblasen in die Form zumindest teilweise entlang der jeweiligen Richtungen der elektrischen Felder ausgerichtet werden, die mit einer oder mehreren gewünschten Vorzugsrichtungen der Fasern im Formteil zumindest annähernd übereinstimmt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, dass die Fasern in dem Innenraum sich dann anhand des bzw. der elektrischen Felder bzw. entlang der jeweiligen Feldlinien der elektrischen Felder ausrichten. Anschließend lagern sich die Fasern dann ausgerichtet an der Innenseite der Form an. Ist die Form vollständig mit so ausgerichteten Fasern gefüllt, werden die ausgerichteten Fasern miteinander verklebt und behalten beim Verkleben weiter die Orientierung des bzw. der jeweiligen elektrischen Felder bei. Es entsteht somit ein Formteil, dessen Fasern in gewissen Bereichen oder im ganzen Formteil ausgerichtet sind. Die Richtungen der elektrischen Felder bzw. die Feldlinien werden dabei so gewählt, dass die jeweiligen Richtungen der Fasern mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen für bestimmte Eigenschaften übereinstimmen. Es werden dadurch auch die Einsatzmöglichkeiten von Formteilen erhöht, sodaß diese auch nun in anderen Bereichen, die bspw. auf Grund der dort auftretenden Belastungen für Formteile ungeeignet waren, eingesetzt werden können. Weist das Formteil beispielsweise bei bestimmungsgemäßer Verwendung eine bestimmte Belastungsrichtung auf, wird die Richtung des elektrischen Feldes so gewählt, dass die Fasern parallel zu der Richtung der Rückstellkraft ausgerichtet sind, wenn das Formteil entsprechend belastet wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Rückstellkraft entgegen der Kraft möglichst groß ist; die Lebensdauer des Formteils verlängert sich ebenfalls.
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Vorteilhafterweise werden ungeladene Fasern vor und/oder während des Einblasens mit einer elektrischen Aufladung versehen und/oder die Aufladung bereits geladener Fasern wird verstärkt. Damit werden zunächst ungeladene Fasern aufgeladen und können ebenfalls zur Herstellung des Formteils verwendet werden. Diese richten sich dann an dem einen bzw. mehreren elektrischen Feldern aus, so dass schließlich ebenfalls ein Formteil mit einer oder mehreren gewünschten Vorzugsrichtungen hergestellt werden kann. Die Aufladung bereits geladener Fasern wird damit ebenfalls verstärkt, so dass diese sich schneller und zuverlässiger entsprechend den Feldlinien der elektrischen Felder im Innenraum ausrichten und schließlich auch im hergestellten Formteil ausgerichtet vorliegen.
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Um die elektrischen Felder einfach und kostengünstig zu erzeugen, ist es zweckmäßig, dass die elektrischen Felder mittels leitenden Abschnitten der Form erzeugt werden. Die leitenden Abschnitte der Form sind dabei so angeordnet, so dass die Richtungen der elektrischen Felder bzw. den Feldlinien den gewünschten Vorzugsrichtungen der Fasern entsprechen. Die leitenden Abschnitte der Form sind jeweils voneinander isoliert. Dadurch werden zusätzliche Mittel zur Erzeugung der elektrischen Felder überflüssig und das Verfahren kann so kostengünstiger durchgeführt werden.
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Um die Homogenität der elektrischen Felder zu erhöhen und gleichzeitig eine möglichst einfache Wartung zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, dass das zumindest eine elektrische Feld durch Elektroden erzeugt wird, welche auf den Außenseiten der mehrteiligen Form angeordnet sind. Dadurch ist eine einfache Erreichbarkeit der Elektroden für einen Bediener und damit Wartung der Elektroden gewährleistet. Außerdem sind bei der Positionierung der Elektroden weniger Randbedingungen, bspw. Vorsprünge, etc., zu beachten, sodaß die Elektroden größer ausgeführt werden können, was die Homogenität des Feldes zwischen den jeweiligen Elektroden begünstigt, weil Randeffekte der Felder an den jeweiligen Rändern der Elektroden eine kleinere Rolle spielen.
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Um möglichst wenig zusätzliche Mittel für die Erzeugung der elektrischen Felder vorsehen zu müssen, ist es zweckmäßig, dass das Einblasen von Fasermaterial in den Innenraum durch zumindest eine Düse erfolgt, welche als Elektrode für zumindest ein elektrisches Feld ausgebildet ist. Dabei können sowohl eine als auch mehrere Düsen als Elektrode ausgebildet sein. Die entsprechende korrespondierende zweite Elektrode für das elektrische Feld muss dabei nicht notwendigerweise ebenfalls in Form einer Düse vorliegen, sondern kann beispielsweise auch jede andere zweckmäßige Form aufweisen, insbesondere kann diese auch durch leitende Abschnitte der Form gebildet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, das Mittel zur elektrischen Aufladung der Fasern angeordnet sind, so dass ungeladene Fasern aufgeladen und/oder die Aufladung bereits geladener Fasern verstärkt wird. Werden ungeladene Fasern verwendet, so würden diese ohne Aufladung nicht im elektrischen Feld ausgerichtet. Dementsprechend erhöht sich wesentlich die Flexibilität der Vorrichtung, wenn Mittel zur elektrischen Aufladung der Fasern angeordnet sind. Daneben wird die Aufladung bereits geladener Fasern durch die genannten Mittel verstärkt. Fasern, die beispielsweise durch Reibung aneinander bereits eine gewisse aber kleine Aufladung besitzen, welche aber gegebenenfalls nicht stark genug ist, um durch das elektrische Feld ausreichend bzw. schnell genug ausgerichtet zu werden, werden stärker aufgeladen, so dass diese dann zuverlässig durch das elektrische Feld im Innenraum der Form ausgerichtet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Mittel zur elektrischen Aufladung an der zumindest einen Düse und/oder an einer Zuführleitung für die zumindest eine Düse angeordnet sind. Sind die Mittel an der Düse angeordnet, wird damit ein möglichst kompakter Aufbau der Vorrichtung erreicht. Sind die Mittel an einer Zuführleitung für zumindest eine Düse angeordnet, können die Fasern bereits vor dem Einblasen in den Innenraum mit einer entsprechenden Aufladung versehen wird. Dadurch kann zum einen die Düse relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden, gleichzeitig wird auch eine Beeinflussung der elektrischen Felder im Innenraum der Form durch die Mittel zur elektrischen Aufladung, wenn diese an der Düse selbst angeordnet sind, vermieden und damit eine zuverlässige Ausrichtung der Fasern im Innenraum durch das eine bzw. die elektrischen Felder erreicht.
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Vorteilhafterweise umfassen die Mittel zur elektrischen Aufladung der Fasern eine Ringelektrode. Auf diese Weise können die Mittel besonders einfach in bestehende Zuführleitungen für die Düsen oder in die Düsen selbst integriert werden, indem die Ringelektrode beispielsweise direkt als Abschnitt der Zuführleitung ausgebildet ist oder einfach um die Zuführleitung herum auf deren Außenseite angeordnet wird.
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Für eine möglichst kostengünstige Herstellung und eine einfache Anordnung der Mittel zur Erzeugung elektrischer Felder umfassen diese platten- und/oder stabförmige Elektroden. Dabei können die beiden Arten von Elektroden auch zusammen für die Erzeugung eines elektrischen Feldes genutzt werden, beispielsweise indem auf der einen Seite der Form eine Stabelektrode angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Seite eine plattenförmige Elektrode. In diesem Fall verlaufen die Feldlinien von der stabförmigen Elektrode senkrecht zu deren Oberfläche und enden parallel auf der Oberfläche der plattenförmigen Elektrode.
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Damit die Vorrichtung möglichst kompakt ausgeführt werden kann, ist es zweckmäßig, dass zumindest ein Teil der mehrteiligen Form zumindest teilweise als Elektrode ausgebildet ist. Diese „Einbettung” der Elektrode in die Form ermöglicht zum einen eine kompaktere Ausbildung der Form für die Herstellung von Formteilen, zum anderen sind dadurch die Felder möglichst homogen, weil keine störenden zusätzlichen Zuleitungen im Bereich der elektrischen Felder angeordnet werden müssen was die Homogenität der elektrischen Felder stören würde.
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Um auch eine einfachere Zugänglichkeit für die Wartung der Vorrichtung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, dass auf den Außenseiten der mehrteiligen Form Elektroden angeordnet sind und insbesondere die mehrteilige Form teilweise aus nicht leitendem Material hergestellt ist. Werden die Elektroden auf den Außenseiten angeordnet, sind diese leicht von außen zugänglich. Gleichzeitig ist insbesondere die mehrteilige Form teilweise aus nichtleitendem Material hergestellt, um eine teilweise Abschirmung der elektrischen Felder durch den Faradayeffekt zu vermeiden. Dabei kann auch eine entsprechende Ausbildung der Form mittels leitendem und nichtleitendem Materialien dazu dienen, daß der Faraday-Effekt ausgenutzt wird, um das oder die elektrischen Felder gezielt im Sinne der Erfindung zu beeinflussen.
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Die Elektroden sind dabei auf den Außenseiten der mehrteiligen Form angeordnet; es ist jedoch nicht notwendig, dass diese mit der mehrteiligen Form verbunden sind. Positioniert man beispielsweise Elektroden noch weiter von der mehrteiligen Form weg, können diese sehr viel größer als die Form oder zumindest Abschnitte der Form ausgeführt werden. Gleichzeitig werden dadurch auch Randeffekte beim elektrischen Feld vermieden (Ausbuchtungen der Feldlinien am Rand der Elektrode; plattenförmige Elektroden direkt gegenüber haben nur ein homogenes Feld im Wesentlichen im Innenraum zwischen den Platten).
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Damit die Vorrichtung noch kompakter ausgeführt werden kann, ist es zweckmäßig, dass zumindest eine Düse als Elektrode ausgebildet ist. Dabei können sowohl eine Düse mit einer anders geformten Elektrode Mittel zur Erzeugung elektrischer Felder bilden als auch zwei entsprechende Düsen.
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Um eine möglichst fehlerfreie Herstellung des Formteils zu gewährleisten und um Kurzschlüsse etc. zwischen den Mitteln zur Erzeugung elektrischer Felder zu vermeiden, ist es zweckmäßig, das Mittel zur elektrischen Isolation, insbesondere zwischen Teilen der mehrteiligen Form angeordnet sind. Dadurch werden leitende Bereiche voneinander isoliert, so dass eine fehlerfreie Herstellung des Formteils ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen mehrteiligen Form vor dem Einblasen von Fasern;
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2 eine erfindungsgemäße Form gemäß 1 während des Einblasens von Fasern mit angelegtem elektrischem Feld;
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3 eine Form gemäß 2 ohne angelegtes elektrisches Feld;
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4a, 4b Querschnitt durch ein Formteil mit ausgerichteten Fasern bzw. hergestellt ohne ausgerichtete Fasern;
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5 eine erfindungsgemäße mehrteilige Form;
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6a–c perspektivische Darstellungen einer Ober- bzw. Unterform;
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7 perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Zuführleitung mit Elektrode.
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In 1 ist eine mehrteilige Form 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt. Die Form 1 besteht dabei aus zwei schalenartigen Teilen, Oberform O und Unterform U, die zwischen sich einen Innenraum I bilden. Auf den Außenseiten der Ober- bzw. Unterform O, U sind zwei plattenförmige Elektroden 2a, 2b angeordnet, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes E dienen, welches in dem Innenraum I wirkt. An der rechten Seite der Unterform U in 1 ist eine Düse D angeordnet zum Einblasen von Fasern F1, F2 in den Innenraum I. Weiterhin ist eine Elektrode 2c an der Düse D im Innenraum I angebracht, welche zur statischen Aufladung der Fasern F1, F2 bei deren Einblasen in den Innenraum I dient. Der Innenraum wird vor dem Einblasen der Fasern F1, F2 mit dem elektrischen Feld E beaufschlagt.
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In 2 ist nun die Situation gezeigt, bei der Fasern 1 mittels der Düse D in Richtung 4 in den Innenraum I zwischen Oberform O und Unterform U eingeblasen werden. Durch das Einblasen und die dabei entstehenden Verwirbelungen sind die Fasern F1 zunächst trotz wirkendem elektrischen Feld E im Innenraum I noch nicht ausgerichtet. Durch Verlangsamung der Luftströmung verlieren die Fasern F1, F2 bei weiterem Eindringen in den Innenraum I an kinetischer Energie und werden nun durch die Kraft des elektrischen Feldes E entsprechend den Feldlinien, das heißt hier in 2 parallel laufende Feldlinien von der plattenförmigen Elektrode 2a zu der plattenförmigen Elektrode 2b parallel zueinander ausgerichtet (Fasern F2).
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In einem nächsten Schritt (nicht gezeigt) lagern sich nun die Fasern F2 in ihrer entsprechenden Orientierung auf den Innenseiten der Ober- bzw. Unterform O, U an. Ist der Innenraum I vollständig mit (ausgerichteten) Fasern F2 befüllt, werden die Fasern F2 miteinander verbunden; üblicherweise werden diese aneinander verklebt. Danach werden gegebenenfalls die Form bzw. die verklebten Fasern F2 abgekühlt. Es entsteht ein festes Formteil, was dann der Form 1 entnommen werden kann.
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In 3 ist insbesondere die Ausrichtung der Fasern F1 gezeigt, die die Fasern F1 im Innenraum I annehmen, wenn kein elektrisches Feld E im Innenraum I wirkt. Die Fasern F1 sind beliebig zueinander orientiert und bilden ein so genanntes Wirrfaservlies mit nicht gleichgerichteten Fasern F1.
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In 4a bzw. 4b sind nun Querschnitte von Formteilen 5 gezeigt, welche einmal mittels Fasern F2 hergestellt wurden, die durch ein elektrisches Feld E ausgerichtet wurden (4a) und einmal ein Formteil 5 mit ungerichteten Fasern F1, welche in Abwesenheit eines elektrischen Feldes E im Innenraum I hergestellt wurden. Des Weiteren ist eine von oben auf die so hergestellten Formteile 5 wirkende Kraft F gezeigt. In 4a sind die Fasern F2 parallel zu dieser wirkenden Kraft F ausgerichtet, wohingegen sie in 4b keine bestimmte, also eine zufällige Orientierung gegenüber der von oben wirkenden Kraft F einnehmen. Da die Fasern F2 in 4a parallel zu der auf das Formteil 5 wirkenden Kraft F ausgerichtet sind, weist das Formteil 5 der 4a eine wesentlich größere Rückstellkraft R bei Belastung durch die gerichtete Kraft F auf verglichen mit der Rückstellkraft R des Formteils 5 der 4b, da die Rückstellkraft, das heißt die Kraft, die entgegen der Kraft F wirkt, am größten ist, wenn die Fasern F2 parallel zu der auf das Formteil 5 wirkenden Kraft F sind. Durch die Ausrichtung der Fasern F2 in eine oder mehrere Vorzugsrichtungen, hier parallel zu einer auf das Formteil wirkenden Kraft gemäß 4a, wird die Lebensdauer des Formteils wesentlich erhöht.
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In 5 ist eine erfindungsgemäße Form 1 gezeigt, bestehend aus Oberform O und Unterform U. An der rechten Seite der Unterform U ist senkrecht zur Oberfläche der Unterform U eine Düse D zum Einblasen von Fasermaterial in den Innenraum I der Form 1 angeordnet. An der Düse D ist weiter eine Elektrode 2c zur statischen Aufladung der Fasern F1, F2 während des Einblasens angeordnet. Weiterhin ist ein Teil der Oberform O als Elektrode 2a ausgebildet und dementsprechend ebenfalls ein Teil der Unterform U als Elektrode 2b. Zwischen diesem kann durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld E erzeugt werden. Die Oberform O und die Unterform U umfassen dabei weiter siebartig angeordnete Löcher 5, die dazu dienen, dass die Luftströmung aus dem Innenraum I wieder entweichen kann. Durch das Entweichen der Luft werden die Fasern F1, F2 an die Innenseiten der Oberform O und Unterform U transportiert und lagern sich an diesen ab, so dass nach vollständigem Befüllen des Innenraums I mit Fasern F1, F2 durch Verkleben der Fasern F1, F2 aneinander ein Formteil hergestellt werden kann. Die Oberform O und die Unterform U können dabei teilweise aus nicht leitendem Material hergestellt sein, wobei die jeweiligen Elektroden 2a, 2b selbstverständlich aus leitendem Material hergestellt sind.
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In 6a ist ein Unterwerkzeug U einer Form 1 gezeigt. Die Unterform U weist dabei ein Lochblech 5 auf und bildet üblicherweise den Minuspol. Weiterhin ist die Unterform U im Wesentlichen schalenförmig ausgebildet, wobei die Kanten der Unterform U insgesamt einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
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In den 6b, 6c ist die zur Unterform U der 6a korrespondierende Oberform O gezeigt, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau aufweist und den Pluspol bildet. Die Oberform O ist dabei entweder aus einem nicht leitenden Material hergestellt, auf dessen Außenseite sich unmittelbar eine Elektrode 2a befindet (6b) oder aber die Oberform O ist selbst vollständig als Elektrode 2a ausgebildet (6c) und weist deshalb eine an den Kanten der Oberform O angeordnete umlaufende elektrische Isolierung 6 auf, so dass, wenn die Oberform O auf die Unterform U gesetzt wird, um einen Innenraum I zu bilden, die Oberform O und die Unterform U elektrisch voneinander isoliert sind.
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In 7 ist schließlich eine Zuführleitung Z für eine Düse D gezeigt, in der in Richtung R das Fasermaterial mittels Luftströmung transportiert wird, um über die Düse D schließlich in den Innenraum I transportiert zu werden. Zur elektrostatischen Aufladung ist auf der Außenseite der Zuführleitung Z eine Ringelektrode 2d angeordnet, die ungeladene Fasern F1, F2 auflädt und bereits geladene Fasern F1, F2 bezüglich ihrer Aufladung weiter verstärkt, so dass diese später nach dem Einblasen die Fasern F1, F2 unter Wirkung eines elektrischen Feldes E im Innenraum I ausgerichtet werden. Die Elektrode 2d ist dabei unmittelbar vor der Düse D bzw. einer Einblasöffnung angebracht und umfasst entweder ein Rohrstück 2d aus Metall, welches in der Zuführleitung Z angeordnet ist oder die gezeigte Ringelektrode 2d, welche auf der Außenseite eines aus Kunststoff bestehenden Zuführleitungsschlauches Z angeordnet ist. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung auch andere Formen von Elektroden vorzusehen.
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Zusammenfassend hat die vorliegende Erfindung den Vorteile, dass auf einfache Weise die Fasern für die Herstellung des Formteils in einer oder mehreren Vorzugsrichtungen ausgerichtet werden können, so dass die Fasern in bestimmter Richtung im hergestellten Formteil angeordnet sind, um gewünschte Eigenschaften des Formteils zu verstärken. Insgesamt die Handhabung des Formteils bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung wesentlich verbessert und gewünschte Eigenschaften verstärkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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