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Die Erfindung betrifft die Herstellung eines konkaven offenen Gefäßes mit dicker Wandung aus Kunststoff in Sandwich-Bauweise. Solche Formteile finden z. B. als freistehende Badewanne oder großer Pflanzkübel Verwendung, könnten aber auch Möbelstücke oder Verkleidungsteile von Fahrzeugen sein. Dabei wird auf eine sehr gute Oberflächenqualität ebenso Wert gelegt wie auf geringes Gewicht trotz großer Abmessungen sowie gute Gebrauchseigenschaften, insbesondere Wasserfestigkeit, Oberflächenbeständigkeit, Schlagfestigkeit, hohe Stabilität und gute Wärmeisolierung.
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Eine dicke Wandung kann man im Prinzip dadurch erhalten, dass man einfach zwei dünne Wände mit Abstand voneinander anordnet. Ein solches doppelwandiges Formteil hätte aber nicht die gewünschte Stabilität. Für anspruchsvolle Einrichtungsgegenstände wie z. B. eine Luxus-Badewanne kommt eine solche Bauweise deshalb nicht in Betracht, nicht zuletzt auch aus akustischen Gründen.
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Bekannt ist auch die Herstellung von dickwandigen Gegenständen in Sandwich-Bauweise, bei der auf einen leichten Kern aus geschäumtem Kunststoff ein Verstärkungsgewebe und zum Schluss eine Oberflächenschicht aufgebracht wird. Besonders hochwertige Oberflächen werden durch Verwendung von Gelcoat erzielt, das aus mit Kieselsäure angedicktem Kunstharz ohne Glasfasern besteht. Zum Beispiel werden die aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Rümpfe von Yachten mit einer solchen Kunstharzschicht veredelt, um eine möglichst harte und glatte Außenseite zu erhalten.
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Ebenfalls bekannt ist das RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding), bei dem ein niedrigviskoses duroplastisches Harz über einen oder mehrere Kanäle in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt wird. Das injizierte Harz füllt alle Hohlräume in der Pressform und tränkt das gegebenenfalls vorher eingebrachte Verstärkungsgewebe. Anschließend härtet das Formteil in der geschlossenen Form aus, bevor es aus dieser entnommen wird.
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Die nachträgliche Beschichtung eines Formteils mit einer Oberflächenschicht ist problematisch, insbesondere wenn an die Oberflächenqualität sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Aufbringen von Gelcoat in mehren Schichten und dazwischen Schleifen von Hand, wie es beim Bau von Yachten geschieht, ist für die industrielle Fertigung von Gegenständen in größerer Stückzahl nicht denkbar.
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EP 0 295 819 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur aus einem Verbundwerkstoff im Kunstharz-Pressspritzverfahren unter Verwendung eines Kerns mit einem innerhalb des Kerns angeordneten Verbindungskanal, der eine Einlassöffnung und wenigstens eine sich durch die Außenfläche des Kerns hindurch erstreckende Auslassöffnung aufweist. Auf dem Kern wird Faserverstärkungsmaterial fixiert. Anschließend wird der so geschaffene Vorformling in den Hohlraum eines Gießwerkzeugs positioniert und Gießharz eingeleitet, das durch den inneren Verbindungskanal hindurch läuft. Bei der so hergestellten Struktur handelt es sich allerdings nicht um ein offenes konkaves Gefäß mit dicker Wandung. Das Problem, das gesamte Gefäß einschließlich des breiten Randes der Wandung vollständig mit einer makellosen Oberfläche zu versehen, stellt sich hier nicht.
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DE 10 2008 012 119 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Lamelle. Hierzu wird zunächst ein Laminatgebilde hergestellt, das als geschlossener Hohlkörper mit elliptischem Querschnitt ausgebildet ist. Zur Herstellung dieses Hohlkörpers wird ein Fasergewebeschlauch mittels eines Druckschlauchs an die Innenfläche einer Form gepresst. Die Innenwandung der Form wird vorher mit einem transparenten UP-Gelcoat belegt. In der Form ist eine Injektionsleitung und ein schmaler Injektionskanal ausgebildet, der sich über die gesamte Länge des Werkstücks erstreckt. Über die Injektionsleitung und dem damit verbundenen Injektionskanal wird Harz-Härter-Gemisch auf die Außenfläche des Fasergewebeschlauchs geleitet, wobei die Gelcoat-Schicht durchdrungen werden muss. Unvermeidliche Folge ist eine Unterbrechung der Gelcoat-Schicht im Bereich des Injektionskanals über die gesamte Länge des Laminatgebildes.
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DE 10 2008 009 438 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines kalottenförmigen Formteils aus Faserverbundkunststoffen mit veredelter Oberfläche. Auf die der Sichtfläche abgewandten Innenseite einer vorgeformten Oberflächenfolie wird ein Fasergewebe aufgebracht und anschließend mit Harz imprägniert. Die der Sichtfläche gegenüberliegende Rückseite des Formteils weist keine veredelte Oberfläche auf.
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Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines offenen konkaven Gefäßes mit dicker Wandung aus Kunststoff, wie z. B. einer Badewanne, das sich nicht nur durch hohe Stabilität und leichtes Gewicht, sondern vor allem auch durch eine schlagfeste Oberfläche sehr hoher Qualität auszeichnet. Es soll ferner ein für das Verfahren geeigneter Formkern geschaffen werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren, bei dem ein Formkern mit den im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmalen verwendet wird.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein Kern aus geschäumtem Kunststoff vorgefertigt, dessen die Wandung des fertigen Gefäßes bildender Teil von wenigstens einem Injektionskanal für Harz durchzogen ist. Der Injektionskanal endet im Bereich des Randes. Der Kern wird dann in an sich bekannter Weise mit Verstärkungsgewebe, beispielsweise Glasfasergewebe, belegt. Der so verstärkte Kern wird dann in eine zweiteilige Pressform eingesetzt, deren Innenseite zuvor mit einer Oberflächenschicht aus Gelcoat ausgekleidet wurde. Vor dem Schließen der Pressform wird noch zusätzlich eine Raupe pastösen Gelcoats entlang der Trennkante zwischen Pressform-Unterteil und Pressform-Oberteil aufgebracht. Nach dem druckdichten Schließen der Pressform wird niedrigviskoses Harz unter Druck und Temperatur durch den Injektionskanal in das Innere der Pressform so eingespritzt, dass das Harz in das Verstärkungsgewebe eindringt und sich in der Kavität, die vom Kern und der Oberflächenschicht begrenzt wird, gleichmäßig verteilt. Die Oberflächenschicht wird also von der Rückseite her, d. h. an deren Innenseite, vom fertigen Formteil aus betrachtet, mit Harz benetzt. Oberflächenschicht, Verstärkungsgewebe und Harz gehen dadurch eine feste Verbindung miteinander ein und umschließen gleichzeitig den Schaumkern. Die Gelcoat-Raupe verschmilzt mit der Gelcoat-Schicht, mit der die Pressform ausgekleidet wurde, zu einer geschlossenen Oberflächenschicht hoher Güte. Nach dem Aushärten des Harzes kann die Pressform geöffnet und das fertige Teil entnommen werden. Dabei löst sich die Oberflächenschicht, die nun fester Bestandteil des Formteils geworden ist, von der Innenseite der Pressform ab.
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Das Ergebnis ist ein Formteil mit dicker massiver Wandung und geschlossener makelloser Oberflächenschicht auch im Bereich der Trennfuge der Pressform. Die Güte der Oberfläche hängt im Wesentlichen nur von der Qualität der Innenseite der Pressform ab. Mit Harz kommt die Oberfläche nicht in Kontakt, da das Harz durch den Injektionskanal von innen her eingebracht wird.
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Sollen große offene Gefäße wie z. B. eine Badewanne hergestellt werden, ist es wichtig, dass sich das eingepresste Harz in der geschlossenen Pressform möglichst gleichmäßig verteilt, bevor es in das Verstärkungsgewebe eindringt. Hierzu dient ein Ringkanal, der im Inneren des Formkerns ausgebildet ist und quer zu dem mindestens einen Injektionskanal verläuft. Um diesen Ringkanal zu erzeugen, wird bei der Vorfertigung des Kerns ein ringförmiges Randstück mit rechteckigem Querschnitt herausgeschnitten, wodurch der Querschnitt des Injektionskanals, der die Wandung durchzieht, freigelegt wird. Anschließend kann der Ringkanal in die freigelegte Schnittfläche des Kerns eingearbeitet werden, beispielsweise durch Fräsen. Zum Schluss wird das herausgeschnittene Randteil an seine ursprüngliche Stelle wieder eingesetzt, so dass der zuvor offene Ringkanal abgedeckt wird. Dabei verbleibt ein schmaler Ringspalt, der von dem Ringkanal zur Oberfläche des Kerns führt. Die Breite dieses Ringspalts entspricht dabei ungefähr der Schnittbreite des Schneidewerkzeugs, mit dem das ringförmige Randstück vom Kern abgetrennt wurde. Der Kern enthält nun ein Kanalsystem bestehend aus dem Injektionskanal, dem quer zum Injektionskanal verlaufenden Ringkanal sowie dem schmalen Ringspalt, der zur Oberfläche des Kerns führt. Von außen sichtbar sind lediglich die Einlassöffnung des Injektionskanals auf der einen Seite und das Ende des schmalen umlaufenden Ringkanals an der anderen Seite. Wird nun flüssiges oder zähflüssiges Harz durch den Injektionskanal eingespritzt, verteilt es sich im Inneren des Kerns über den Ringkanal und quillt schließlich aus dem Ringkanal heraus, um in das Verstärkungsgewebe einzudringen und die Hohlräume zwischen Kern und Oberflächenschicht auszufüllen.
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Je nach Querschnittsform der Wandung, die z. B. quadratisch, rechteckig, rund oder oval sein kann, ist es zweckmäßig, eine Mehrzahl von Injektionskanälen vorzusehen, die um den Umfang der Wandung verteilt angeordnet sind. Die Injektionskanäle verlaufen bevorzugt in vertikaler Richtung durch die Wandung, beispielsweise vom Boden zum Rand eines Gefäßes.
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Alternative Herstellungsmethoden für den Kern aus PUR-Schaum sind Herstellung durch Fräsen, Gießen oder Zusammenkleben aus mehreren Einzelteilen.
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Als Verstärkungsgewebe wird vorzugsweise Glasfasergewebe eingesetzt, alternativ kommen auch Aramid- oder Kohlefasergewebe in Betracht. Das Verstärkungsgewebe wird zweckmäßigerweise mit einem geeigneten Sprühkleber auf der Oberfläche des Kerns fixiert, bevor der Kern in die Pressform eingesetzt wird.
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Für die gewünschte hohe Qualität der Oberfläche des fertigen Formteils sind das Material und die Konsistenz der Oberflächenschicht sowie deren Verbindung mit dem Verstärkungsgewebe und dem Kern von entscheidender Bedeutung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Gelcoat verwendet, das aus mit Kieselsäure angedicktem Kunstharz besteht. Das Gelcoat wird auf die Innenseite der offenen Pressform aufgespritzt oder aufgestrichen und erhärtet zu der Oberflächenschicht. Zweckmäßigerweise wird man vor dem Aufbringen der Oberflächenschicht ein Trennmittel auf die Innenseite der Pressform aufbringen, damit sich nach dem Öffnen der Pressform die Oberflächenschicht beschädigungsfrei von der Innenseite der Pressform ablöst, wenn sie fester Bestandteil des Formteils geworden ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, eine makellos glatte Oberflächenschicht aufzubringen, die praktisch das gesamte Formteil wie eine Haut überzieht. Lediglich an den Stellen, an denen der oder die Injektionskanäle durch die Pressform nach außen geführt sind, kann keine Oberflächenschicht aufgebracht werden. Diese Stellen wird man deshalb dort platzieren, wo sie später im Gebrauch nicht sichtbar sind, im Falle einer Badewanne also am Boden.
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In bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens wird nach dem Schließen der Pressform die Kavität evakuiert, um das Werkzeug geschlossen zu halten, vor allem aber, um den anschließenden Injektionsprozess zu unterstützen.
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Zweckmäßigerweise wird man das Harz an der höchsten Stelle injizieren, so dass es der Schwerkraft folgend von oben nach unten fließt. Bei einem nach oben offenen Gefäß bedeutet dies, dass dieses mit dem Boden nach oben hergestellt wird. Auch bei der Anordnung der Anschlussstellen für die Vakuumpumpe wird man darauf achten, dass diese an solchen Stellen liegen, die beim fertigen Gefäß unsichtbar sind. Im Falle einer Badewanne können z. B. Anschlüsse für das Vakuum im Bereich des Bodens und/oder an der Oberseite dort, wo später die Ablauföffnung gebohrt wird, sitzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1a den Aufbau eines Kerns mit abgetrenntem Randstück, in einem Vertikalschnitt;
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1b den Kern von 1a mit wiedereingesetztem Randstück;
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2a den Kern von 1b mit Verstärkungsgewebe über dem Unterteil der geöffneten Pressform, in einem Horizontalschnitt;
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2b den verstärkten Kern von 2a aufgesetzt auf das Unterteil der noch offenen Pressform;
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3 den Kern in der geschlossenen Pressform;
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4 einen Teil der geschlossenen Pressform während der Injektion von Harz, in vergrößertem Maßstab;
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5 das fertige Gefäß nach dem Öffnen der Pressform.
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Der in 1a schematisch dargestellte Kern 1 soll zur Herstellung einer freistehenden Badewanne dienen. Der Kern 1 wurde aus Polyurethan geschäumt und entspricht in seiner äußeren Form im Wesentlichen der fertigen Badewanne mit Boden 2, dicker Wandung 3 und umlaufendem breiten Rand 4. Allerdings sind die Proportionen hier zum besseren Verständnis verzerrt dargestellt, in natura hat die Badewanne einen Durchmesser von ungefähr 2 m und beträgt die Dicke der Wandung 3 etwa 10 cm. Die Innenseite 5 ist konkav gekrümmt und weist nach unten, während der Boden 2 nach oben weist; die Wanne wird also verkehrt herum hergestellt.
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In das Innere der Wandung 3 ist ein Injektionskanal 6 eingeschäumt, der die Wandung 3 vom Boden 2 bis in den Bereich des Randes 4 durchzieht, dessen Austrittsöffnung hier allerdings wenige Zentimeter vor dem Rand 4 endet. Ein ringförmiges Randstück 7 wurde aus dem Kern 1 herausgeschnitten, wodurch sich eine umlaufende rechteckige Ausnehmung 8 ergibt, welche die Austrittsöffnung des Injektionskanals 6 frei legt. Im Bereich der Ausnehmung 8 wurde ein Ringkanal 9 eingefräst, so dass der Injektionskanal 6 in den Ringkanal 9 mündet.
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In 1b ist das herausgeschnittene Randstück 7 wieder in die Ausnehmung 8 eingesetzt. Dadurch ist der Ringkanal 9 nun geschlossen. Entlang der vertikalen Schnittlinie zwischen Kern 1 und Randstück 7 ist ein schmaler Ringspalt 10 verblieben, der von dem geschlossenen umlaufenden Ringkanal 9 zur Oberfläche des Kerns 1 im Bereich des Randes 4 führt. Damit ist im Inneren des Kerns 1 ein verzweigtes Harzverteilsystem ausgebildet, das aus dem Injektionskanal 7, dem Ringkanal 9 und dem Ringspalt 10 besteht.
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Im nächsten Schritt wird die Oberfläche des Kerns 1 mit einem Verstärkungsgewebe 11 belegt, das hier aus Glasfasermatten besteht. Dies erfolgt in Handarbeit. Die einzelnen Matten des Verstärkungsgewebes 11 werden mittels Sprühkleber auf dem Kern 1 fixiert. Dabei wird das Einfüllende des Injektionskanals 6 ausgespart.
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In 2a ist nur das Unterteil 12 der Pressform zu sehen. Vor dem Injektionsprozess wird zunächst ein Trennmittel und sodann flüssiger Kunstharz (Gelcoat) auf die Innenseite der Pressform aufgespritzt und bildet dort eine Oberflächenschicht 13. Nun wird der mit Verstärkungsgewebe 11 belegte Kern 1 in das Pressform-Unterteil 12 eingesetzt.
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Gemäß 3 wird anschließend das Pressform-Oberteil 15 aufgesetzt und damit die Pressform geschlossen. Unmittelbar vorher wurde noch eine Raupe 15 aus pastösem Gelcoat entlang der Trennkante zwischen Pressform-Unterteil 12 und Pressform-Oberteil 14 aufgebracht (vgl. 2b). Im Pressform-Unterteil 12 ist ein erster Vakuum-Anschluss 16 vorgesehen, im Pressform-Oberteil 14 ein zweiter Vakuum-Anschluss 17. Weitere Vakuum-Anschlüsse 18 befinden sich am Pressform-Oberteil 14 im Bereich des Flansches. Das angelegte Vakuum dient dem Zuhalten der Pressform und unterstützt die nachfolgende Injektion von Harz.
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4 verdeutlicht den Injektionsprozess. Flüssiges Harz wird unter Druck und Temperatur durch den Injektionskanal 6 in das Innere der geschlossenen Pressform 12, 14 eingespritzt. Das Harz 19 fließt nach unten, verteilt sich im Ringkanal 9 in Umfangsrichtung und quillt schließlich durch den Ringspalt 10 aus dem Rand 4 des Kerns 1 heraus. Das Harz 19 durchtränkt die Glasfasern des Verstärkungsgewebes 11 und benetzt die Oberflächenschicht 13 von der Innenseite her. Unter Wirkung des angelegten Vakuums verteilt sich das flüssige Harz 19 gleichmäßig in der Kavität und fließt, angedeutet durch die kleinen Pfeile, parallel zu den Innenseiten des Pressform-Unterteils 12 und des Pressform-Oberteils 14 nach oben. Dabei wird die Luft in den Hohlräumen des Verstärkungsgewebes 11 verdrängt und über die Vakuum-Anschlüsse 16, 17 und 18 abgesaugt. Es wird solange Harz 19 in den Injektionskanal 6 hineingedrückt, bis dort ein Überstand festgestellt wird.
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Die Aushärtung des Harzes in der geschlossenen Pressform unter Druck und Temperatur dauert mehrere Stunden. Dabei gehen die Oberflächenschicht 13, das Verstärkungsgewebe 11 und das Harz 19 eine feste Verbindung miteinander ein. Der Kern 1 ist rundum eingeschlossen. Die Gelcoat-Raupe 15 ist mit der Oberflächenschicht 13 verschmolzen.
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In 5 ist das Pressform-Oberteil 14 vom Pressform-Unterteil 12 abgehoben. Die fertige Badewanne 20 kann entnommen werden. Dabei löst sich die Oberflächenschicht 13 von den Innenseiten des Pressform-Unterteils 12 und des Pressform-Oberteils 14 ab, was durch das Trennmittel erleichtert wird.
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Die so hergestellte Badewanne 20 zeichnet sich durch eine ringsum geschlossene Oberflächenschicht 13 aus Gelcoat aus. Eine Nachbearbeitung ist allenfalls im Bereich der Trennkante nötig. Der mit Harz 19 ausgegossene Injektionskanal 6 verbleibt unsichtbar im Inneren des Kerns 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 2
- Boden
- 3
- Wandung
- 4
- Rand
- 5
- Innenseite
- 6
- Injektionskanal
- 7
- Randstück (von 1)
- 8
- Ausnehmung (in 1)
- 9
- Ringkanal
- 10
- Ringspalt
- 11
- Verstärkungsgewebe
- 12
- Pressform-Unterteil
- 13
- Oberflächenschicht
- 14
- Pressform-Oberteil
- 15
- Gelcoat-Raupe
- 16
- Vakuum-Anschluss
- 17
- Vakuum-Anschluss
- 18
- Vakuum-Anschluss
- 19
- Harz
- 20
- Badewanne
