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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Grünkörpern für keramische Bauteile nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Zur Herstellung von keramischen Bauteilen, beispielsweise von Keramikbremsscheiben für Kraftfahrzeuge, werden vorgeformte, als Verbundformkörper vorliegende Grünkörper in zwei aufeinanderfolgenden Hochtemperaturprozessen, nämlich einer Carbonisierung bei etwa 900 °C und einer Silizierung bei etwa 1.700 °C im Hochvakuum, in das keramische Bauteil umgewandelt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung derartiger Grünkörper.
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Im Stand der Technik bekannte Bremsscheiben aus Keramik bestehen aus einem Basiskörper und beidseitig angeordneten Reibschichten. Zur Herstellung derartiger Bremsscheiben wird ein mehrschichtiger Grünkörper benötigt, welcher insgesamt aus drei Schichten, nämlich dem Basiskörper sowie den beiden Reibschichten, besteht.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Grünkörpers für ein keramisches Bauteil ist bereits aus der
DE 10 2007 003 192 B4 bekannt. Hierbei wird ein vorgeformter Grünfolienabschnitt in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend eine Spritzgussmasse in das Spritzgießwerkzeug eingebracht, sodass sich die eingebrachte Spritzgussmasse zumindest kraftschlüssig mit dem vorgeformten Grünfolienabschnitt verbindet.
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Zur Herstellung von Grünfolien ist das Foliengießen die bevorzugte Technologie. Die keramischen Ausgangspulver werden zusammen mit einer Dispergierflüssigkeit, einem Verflüssiger und einer oder mehreren Binderkomponenten homogen zu einem Foliengießschlicker aufbereitet. Der luftblasenfreie Schlicker wird dann auf die Gießstation aufgegeben und durch einen auf eine bestimmte Höhe exakt eingestellten Gießrakel gleichmäßig auf die ebene Gießunterlage verteilt. Im nachfolgenden Trocknungsprozess wird die Dispergierflüssigkeit gleichmäßig ausgetrieben, wobei sich die Höhe der Folie verringert.
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Bei der Aufbereitung des Foliengießschlickers wird zuerst das keramische Pulver zusammen mit einem Verflüssiger in der ausgewählten Flüssigkeit dispergiert. Anschließend werden Binder, Plastifizierer und Benetzungsmittel zugemischt. Der fertige Schlicker muss vor dem Vergießen gut entlüftet werden, um Blasenbildung zu vermeiden. In der Regel wird der keramische Schlicker aus einem Behälter auf eine Trägerfolie gegossen. Diese Trägerfolie wird im Allgemeinen kontinuierlich an dem Behälter vorbeigeführt. Es existieren aber auch Verfahren mit einem bewegten Behälter. Auf der Trägerfolie bildet sich eine keramische Schicht, die in einem Trockenkanal getrocknet wird und eine selbsttragende flexible Keramikfolie bildet. Die Dicke der Schicht wird über die Austrittsspalthöhe des Behälters und die Höhe des Gießrakels gesteuert. Im Gegenstrom wird zur Trocknung Warmluft über die Folie geblasen, sodass am Bandende eine flexible Grünfolie vorliegt. Diese kann entweder aufgewickelt oder direkt durch Schneiden, Stanzen, Prägen o. ä. zu den Grünfolienabschnitten weiterverarbeitet werden, welche bei dem aus der
DE 10 2007 003 192 B4 bekannten Verfahren verwendet werden.
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Die Festigkeit und Flexibilität der Grünfolie hängt im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Schlickers und insbesondere vom Binder ab. Als Binder können in Wasser lösliche Polymere, in Wasser dispergierbare Polymere, in organischen Lösemitteln lösliche Polymere und in organischen Lösemitteln dispergierbare Polymere eingesetzt werden. Die Flexibilität der Grünfolien kann bei dem genannten Binder zusätzlich über die Zugabe eines Plastifikators beeinflusst werden.
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Aus der
EP 2 471 764 A1 oder der
EP 2 187 079 A1 sind Bremsscheiben mit einer keramischen Funktionsschicht bekannt, bei denen jeweils der Basiskörper im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann.
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Die
DE 10 2008 054 631 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Messelementes, das eine auf einem spritzgegossenen Keramikkörper angeordnete Funktionsschicht aufweist, die auf eine Kunststofffolie aufgebracht wird, die beim Spritzgießen des Keramikkörpers in das Spritzwerkzeug eingelegt ist. Nach dem Entformen des Spritzgussteiles wird die Kunststofffolie von der Funktionsschicht entfernt.
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Aus der
WO 95/32 088 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofftabletts bekannt, dessen Bodenoberfläche teilweise mit einer Schicht versehen wird, die auf einem Trägerband aufgebracht und mit diesem in die Spritzgießform eingeführt und hinterspritzt wird, welches nach dem Aushärten der polymeren Masse und dem Entformen abgezogen wird.
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Die
EP 2 308 809 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, der nicht sprödbrüchig ist und der hierzu eine Matrix und mindestens ein darin eingebrachtes Verstärkungselement umfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und für die Serienfertigung geeignetes Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Grünkörpern für keramische Bauteile zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei welchem zwei Folienbahnen zwischen den beiden geöffneten Werkzeugteilen des Spritzgießwerkzeuges angeordnet werden, wobei die Spritzgussmasse derart zwischen die beiden Folienbahnen eingespritzt wird, dass sich zwischen diesen der Spritzgusskörper ausbildet, welcher sich unter Bildung des Grünkörpers stoffschlüssig mit den Funktionsschichten des jeweiligen Grünfolienabschnittes der beiden Folienbahnen verbindet, wobei die Spritzgussmasse durch eine Durchbrechung in einer der beiden Folienbahnen hindurch in den Zwischenraum zwischen die beiden Folienbahnen eingebracht wird, wobei der Grünfolienabschnitt jeweils als einstückiger Bestandteil der jeweiligen endlosen Folienbahn durch eine Vorschubbewegung der Folienbahn relativ zu dem Spritzgießwerkzeug bewegt wird. Hierdurch kann die Fertigungszeit eines einzelnen Grünkörpers optimiert und die Ausbringung des Spritzgießwerkzeuges gesteigert werden. Ein Anordnen und Fixieren eines vereinzelten und vorkonfektionierten Grünfolienabschnittes in dem Formhohlraum wie im eingangs genannten Stand der Technik ist nicht mehr erforderlich. Außerdem kann der Arbeitsschritt der Vorkonfektionierung, in welchem der Grünfolienabschnitt mit der gewünschten Form und Größe aus der als Halbzeug vorliegenden Grünfolie herausgetrennt bzw. gestanzt wird, ersatzlos entfallen. Stattdessen wird die hergestellte Grünfolie auf einer Rolle aufgewickelt und dann derart oberhalb des Spritzgießwerkzeuges angeordnet, dass ein Grünfolienabschnitt durch eine einfache Vorschubbewegung der Folienbahn in dem Spritzgießwerkzeug positioniert werden kann. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik verbessertes und vor allem wirtschaftlicheres vollautomatisches Verfahren zur Herstellung von Grünkörpern für keramische Bauteile zur Verfügung gestellt, welches insbesondere aufgrund der Automatisierbarkeit der einzelnen Verfahrensschritte für die Serienfertigung geeignet ist. Mittels des Verfahrens lassen sich dickwandige dreidimensionale Grünkörper mit Hohlräumen und Hinterschneidungen herstellen. Erfindungsgemäß lassen sich Grünkörper herstellen, welche beidseitig mit Funktionsschichten verbunden sind. Hieraus ergeben sich insbesondere bei der Herstellung von Grünkörpern für Keramikbremsscheiben Vorteile, da diese aus einem Basiskörper und zwei beidseitig angeordneten Reibschichten bestehen. Die in den Formhohlraum eingebrachte Spritzgussmasse verbindet sich gleichzeitig mit den Funktionsschichten der beiden Folienbahnen. Dabei sind beide Folienbahnen als Grünfolie auf separaten Rollen aufgewickelt und werden nach der Herstellung auch wieder jeweils auf separaten Rollen aufgewickelt. Weiterhin wird so die Kanallänge zwischen der Einspritzdüse des Extruders und dem Anguss des Formhohlraumes optimiert und somit die Prozesssicherheit des Verfahrens gesteigert.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass als Spritzgussmasse ein faserverstärkter Kunststoff eingespritzt wird und/oder dass die Funktionsschicht der Folienbahn keramische Partikel enthält. Als Kunststoffe kommen polymere Kunststoffe, beispielsweise Thermoplaste und Duroplaste in Frage. Die Faserverstärkung wird durch Kohlenstofffasern erreicht, welche beispielsweise als Kurzschnittfasern dem Kunststoff beigemischt sind. Der plastifizierte Kunststoff und die beigemischten Kohlenstofffasern werden dann zusammen als Spritzgussmasse in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Zur Plastifizierung des Kunststoffes kann ein herkömmlicher Extruder verwendet werden. Die Folienbahn kann eine durch Foliengießen hergestellte und auf einer Trägerfolie angeordnete keramische Schicht umfassen oder auf der Trägerfolie ist als Funktionsschicht ein Kunststoff mit keramischen Partikeln angeordnet.
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Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass die Folienbahn nach der Positionierung zwischen den beiden relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen und vor, während oder nach dem Einbringen der Spritzgussmasse in den Formhohlraum des Spritzgießwerkzeuges derart geschnitten, geschert oder gerissen wird, dass der mit dem Spritzgusskörper zu verbindende Grünfolienabschnitt aus der Folienbahn herausgetrennt wird. Das Trennen, Scheren oder Reißen der Folienbahn erfolgt in vorteilhafter Weise durch die Schließbewegung der relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteile des Spritzgießwerkzeuges. Hierzu können den Werkzeugteilen entsprechend ausgebildete Scher-, Reiß- oder Schneidwerkzeuge zugeordnet sein. Der hergestellte Grünkörper kann also unmittelbar nach der Herstellung aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen und der weiteren Verwendung, insbesondere den nachfolgenden Hochtemperaturprozessen zugeführt werden. Nach der Entnahme des Grünkörpers und vor der Durchführung der Hochtemperaturprozesse wird in einem zwischengelagerten Arbeitsschritt die noch mit dem Grünkörper verbundene Trägerfolie von dem Grünkörper bzw. der mit dem Spritzgusskörper verbundenen Funktionsschicht abgezogen.
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In einer alternativen Ausgestaltung des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Entformen des hergestellten Grünkörpers aus dem Spritzgießwerkzeug die Trägerfolie von der stoffschlüssig mit dem Spritzgusskörper verbundenen Funktionsschicht gelöst wird. Hierbei wird die Trägerfolie im Ganzen und unbeschädigt von der Funktionsschicht abgezogen und der aus der Funktionsschicht und dem Spritzgusskörper bestehende mehrschichtige Grünkörper kann aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen und der weiteren Verwendung zugeführt werden. Ein Schneiden bzw. Trennen oder Reißen der Folienbahn zum Heraustrennen des Grünfolienabschnittes ist somit nicht mehr erforderlich. Zusätzlich wird dadurch, dass die Trägerfolie unbeschädigt bleibt und keine Ausstanzungen oder Ähnliches aufweist, ein prozesssicheres Aufrollen der Folienbahn auf der unterhalb des Spritzgießwerkzeuges angeordneten Rolle bei der Bewegung der Folienbahn in Vorschubrichtung gewährleistet.
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Eine weitere Verbesserung des Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass die Folienbahn nach dem Entformen des hergestellten Grünkörpers aus dem Spritzgusswerkzeug durch eine weitere Vorschubbewegung derart relativ zu dem Spritzgießwerkzeug bewegt wird, dass ein zur Herstellung des entformten Grünkörpers verwendeter Bereich der Folienbahn aus dem Spritzgießwerkzeug heraus und ein benachbarter unbenutzter Bereich der Folienbahn zwischen den zwei relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen des Spritzgießwerkzeuges positioniert wird. Hierdurch kann unmittelbar im Anschluss an die Entformung des hergestellten Grünkörpers ein unbenutzter Bereich der Folienbahn zwischen den geöffneten Werkzeugteilen des Spritzgießwerkzeuges positioniert werden, sodass das Spritzgießwerkzeug für einen neuen Verfahrenszyklus zur Verfügung steht. In vorteilhafter Weise wird durch die in die Folienbahn eingeleitete Vorschubbewegung einerseits die aufgerollte Grünfolie von der Rolle abgerollt und andererseits der gerade verwendete Bereich der Folienbahn auf einer unterhalb des Spritzgießwerkzeuges angeordneten zweiten Rolle wieder aufgewickelt. Eine Verbesserung der Flexibilität des Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass je nach herzustellendem keramischen Bauteil bzw. Grünkörper die auf der Rolle aufgewickelte Grünfolie problemlos gegen eine andere Grünfolie, beispielsweise mit einer anderen Zusammensetzung oder einer abweichenden Foliendicke, ausgetauscht werden kann.
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Außerdem erweist es sich als besonders praxisnah, dass zwischen den beiden Folienbahnen ein Werkzeugelement angeordnet wird, welches nach dem Schließen der beiden relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteile zwischen diesen fixiert ist, die beiden Folienbahnen in einem definierten Abstand zueinander anordnet und welches zusammen mit den beiden relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen den Formhohlraum des Spritzgießwerkzeuges begrenzt. Hierbei werden die beiden Folienbahnen beim Schließen der beiden relativ zueinander beweglichen Werkzeugteile zwischen dem Werkzeugelement und dem benachbarten Werkzeugteil fixiert, sodass es während des Einspritzens der Spritzgussmasse zu keiner unerwünschten Verlagerung der Folienbahnen relativ zu den Werkzeugteilen bzw. dem Werkzeugelement kommen kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 ein Spritzgießwerkzeug mit zwei relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen, welche in einer geöffneten Stellung angeordnet sind;
- 2 das Spritzgießwerkzeug aus 1 mit in einer geschlossenen Stellung angeordneten Werkzeugteilen;
- 3 einen Grünfolienabschnitt einer endlosen Folienbahn;
- 4 einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Grünkörper mit beidseitig angeordneten Funktionsschichten.
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Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer Spritzgießeinheit 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche aus einem Spritzgießwerkzeug 2 und einer als Extruder ausgebildeten Zuführeinheit 3 für eine plastifizierte Kunststoffmasse besteht. 3 zeigt einen Grünfolienabschnitt 4 einer als endlose Folienbahn 5 ausgebildeten Grünfolie, welche eine Trägerfolie 6 und eine auf dieser angeordnete Funktionsschicht 7 umfasst. Die Funktionsschicht 7 besteht aus Keramik bzw. einem Keramikpartikel enthaltenden Kunststoff. In 4 ist ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter mehrschichtiger Grünkörper 8 dargestellt, welcher einen Spritzgusskörper 9 aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff und zwei beidseitig und stoffschlüssig mit diesem verbundene Funktionsschichten 5 der Grünfolie umfasst.
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Das Spritzgießwerkzeug 2 weist zwei relativ zueinander verfahrbare Werkzeugteile 10, 11 auf, welche in 1 in einer geöffneten und in 2 in einer geschlossenen Stellung angeordnet sind. Zwischen den beiden relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen 10, 11 ist ein Werkzeugelement 12 mit einer Aussparung 13 angeordnet. Die Zuführeinheit 3 umfasst einen Trichter 14, in welchen der faserverstärkte Kunststoff eingebracht wird, eine Plastifizier- und Transporteinheit 15 sowie eine Düse 16 zum Einspritzen der plastifizierten Kunststoffmasse in das Spritzgießwerkzeug 2.
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Zwischen den beiden relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen 10, 11 sind zwei endlose Folienbahnen 5 jeweils zwischen zwei Rollen 17, 18 gespannt, wobei die beiden Folienbahnen 5 das Werkzeugelement 12 zwischen sich aufnehmen. Die als Grünfolien vorliegenden und jeweils aus der Trägerfolie 6 und der Funktionsschicht 7 bestehenden Folienbahnen 5 werden zur Anordnung eines Grünfolienabschnittes 4 zwischen den beiden Werkzeugteilen 10, 11 jeweils von der in 1 oberhalb des Spritzgießwerkzeuges 2 angeordneten ersten Rolle 17 abgewickelt, während die bei der Herstellung eines Grünkörpers 8 verwendeten Grünfolienreste der Folienbahnen 5 jeweils auf der in 1 unterhalb des Spritzgießwerkzeuges 2 angeordneten zweiten Rolle 18 aufgewickelt werden.
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Nach der Positionierung der beiden Folienbahnen 5 und des Werkzeugelementes 12 zwischen den beiden Werkzeugteilen 10, 11 (1), werden die Werkzeugteile 10, 11 von ihrer geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung (2) überführt. In der geschlossenen Stellung befinden sich die beiden Grünfolienabschnitte 4 der beiden Folienbahnen 5 in einem sich zwischen den beiden Werkzeugteilen 10, 11 und dem Werkzeugelement 12 ausbildenden Formhohlraum 19. Hierbei sind die Folienbahnen 5 zwischen dem jeweiligen Werkzeugteil 10, 11 und dem Werkzeugelement 12 fixiert bzw. verklemmt.
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Nachfolgend wird dann die aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehende und in der Plastifizier- und Transporteinheit 15 der Zuführeinheit 3 plastifizierte Spritzgussmasse 20 durch die Düse 16 und einen Kanal 21 in einem Werkzeugteil 10 derart in den Formhohlraum 19 zwischen die beiden Grünfolienabschnitte 4 der Folienbahnen 5 eingespritzt, dass die Grünfolienabschnitte 4 gegen die Oberflächen der beiden Werkzeugteile 10, 11 gedrückt werden. Der sich aus der Spritzgussmasse 20 bildende Spritzgusskörper 9 verbindet sich dann stoffschlüssig mit den Funktionsschichten 7 der beiden Folienbahnen 5 bzw. der beiden Grünfolienabschnitte 4.
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Im Anschluss kann dann der hergestellte mehrschichtige Grünkörper 8 aus dem Spritzgießwerkzeug 2 entnommen werden. Dazu werden zunächst die beiden Werkzeugteile 10, 11 wieder in ihre geöffnete Stellung überführt. Anschließend kann der Grünkörper 8 aus dem Spritzgießwerkzeug 2 entformt werden, wobei sich bei der Entformung die Trägerfolien 6 von den stoffschlüssig mit dem Spritzgusskörper 9 verbundenen Funktionsschichten 7 ablösen.
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Nachfolgend werden die beiden Folienbahnen 5 in Vorschubrichtung bewegt. Hierbei werden unbenutzte Grünfolienabschnitte 4 der beiden Folienbahnen 5 von der ersten Rolle 17 abgewickelt und zwischen den beiden Werkzeugteilen 10, 11 positioniert und gleichzeitig werden die Grünfolienreste der gerade verwendeten Grünfolienabschnitte 4, welche nur noch aus der Trägerfolie 6 bestehen, auf der zweiten Rolle 18 aufgewickelt. Im Anschluss steht das Spritzgießwerkzeug 2 für einen weiteren Verfahrenszyklus zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgießeinheit
- 2
- Spritzgießwerkzeug
- 3
- Zuführeinheit
- 4
- Grünfolienabschnitt
- 5
- Folienbahn
- 6
- Trägerfolie
- 7
- Funktionsschicht
- 8
- Grünkörper
- 9
- Spritzgusskörper
- 10
- Werkzeugteil
- 11
- Werkzeugteil
- 12
- Werkzeugelement
- 13
- Aussparung
- 14
- Trichter Plastifizier- und
- 15
- Transporteinheit
- 16
- Düse
- 17
- Rolle
- 18
- Rolle
- 19
- Formhohlraum
- 20
- Spritzgussmasse
- 21
- Kanal
