DE102013223171A1

DE102013223171A1 - Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102013223171A1
Application number: DE102013223171.7A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Friedrich; Johannes Götz; Albrecht Nestle; Iver Schmalbruch; Mathias Seuberling; Jochen Richter; Thomas Krause; Fred Menig; Armin Schaab
Original assignee: SKF Economos Deutschland GmbH; SKF AB
Current assignee: SKF Economos Deutschland GmbH; SKF AB
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1) zur thermischen Isolation eines Maschinenteils (2), wobei das Bauteil (1) mindestens einen Kanal (3) aufweist, der sich zumindest teilweise durch das Bauteil (1) erstreckt. Um bei gutem Wärmedämmverhalten und hoher Druckfestigkeit eine einfache Herstellung eines derartigen Bauteils zu ermöglichen, sieht die Erfindung vor, dass das Bauteil zumindest teilweise aus einem Material (B) besteht, das bei Raumtemperatur (T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur thermischen Isolation eines Maschinenteils, wobei das Bauteil mindestens einen Kanal aufweist, der sich zumindest teilweise durch das Bauteil erstreckt. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Bauteile dieser Art werden als Wärmedämmelemente beispielsweise bei Spritzgießmaschinen bzw. an Spritzgießwerkzeugen benötigt. Sie müssen dabei nicht nur eine hohe mechanische Stabilität und Formgenauigkeit aufweisen. Es ist für verschiedene Zwecke auch nötig, dass die Bauteile einen Kanal aufweisen. Im Falle einer Wärmedämmplatte für ein Spritzgießwerkzeug ist dies insbesondere deshalb nötig, weil beispielsweise ein Auswerferstift durch den Kanal hindurchgeführt werden muss. Entsprechendes gilt im Falle von Angusskanälen oder Befestigungszapfen für das Werkzeug. Wichtig ist bei derartigen Bauteilen auch eine hohe Druckfestigkeit.
Es ist bekannt, gattungsgemäße Bauteile herzustellen, indem Isolationsplatten aus mehreren Lagen harzimprägnierter Glasgewebematten gebildet werden, die durch einen Pressvorgang verbunden werden. Hierdurch kann eine hohe Druckfestigkeit bei guter Wärmeleitfähigkeit beim Einsatz in Maschinen und Werkzeugen gewährleistet werden. Nachteilig ist hier allerdings, dass dann kostenaufwändig die Kanäle in die soweit fertige Isolationsplatte eingearbeitet werden müssen, was durch einen Bohr- bzw. Fräsvorgang erfolgt. Die erforderlichen Bohrungen in den Wärmeisolationsplatten werden also nach Aushärtung der harzimprägnierten Glasgewebematten in einem zweiten Arbeitsgang eingebracht. Dementsprechend sind der Fertigungsaufwand und die Kosten der Herstellung hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, das eine steife und formgenaue Gestalt und eine hohe Druckfestigkeit aufweist. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass die genannten Kanäle in einfacher und kostengünstiger Weise eingebracht werden können. Es soll also ein Bauteil mit gutem Wärmedämmverhalten und hoher Druckfestigkeit bereitgestellt werden, das durch eine einfache und kostengünstige Herstellungsweise produziert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest teilweise aus einem Material besteht, das bei Raumtemperatur (T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann. Hierbei ist insbesondere an Beton, speziell an Mineralguss, gedacht.
Das Bauteil weist bevorzugt eine plattenförmige Gestalt auf. Es kann dann als Wärmedämmplatte verwendet werden.
Das zum Einsatz kommende Material besteht bevorzugt aus Füllstoffen und Binder und gegebenenfalls aus Additiven. Dabei weist der Füllstoff vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 80 % und 95 % auf, wobei der Binder vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 5 % und 20 % aufweist. Alle Bestandteile des Material haben zusammen 100 Gew.-%.
Der Binder kann aus einem Harz und einem Härter bestehen. Das Harz ist dabei bevorzugt ein Epoxydharz (mit Epoxid- und Hydroxylgruppen); bewährt haben sich auch Phenolharze, ungesättigte Polyesterharze, Silikonharze, Polyurethan-Gießharze und Melamin/Formaldehyd-Harze. Der Härter kann ein aminischer Härter sein. Die Aushärtung der Harze kann kalt oder warm erfolgen.
Der Füllstoff kann aus organischem Material bestehen, wobei in diesem Falle besonders an Holz, Lignin, Graphit, Bambusfasern, Kokosfasern, Baumwollfasern, Kunststofffasern, Fließ, Sisal, Hanf, Flachs und/oder geschäumten Kunststoff (insbesondere Polystyrol) gedacht ist. Der Füllstoff kann aber auch aus anorganischem Material bestehen, insbesondere aus Marmor, Granit, Basalt, Kalkstein, Glas, Keramik, Lavastein, Zeolith, Blähbeton, Feinsteinzeug, gebrannter Keramik, Sand, insbesondere Quarzsand, und/oder Ton.
Der Füllstoff kann eine kugelförmige oder mehreckige Formung aufweisen. Hierbei können Kugeln, Hohlkugeln und mehreckige Strukturen vorgesehen werden. Die Partikel, aus denen der Füllstoff besteht, können massiv oder hohl sein.
Die Füllstoffe können geordnet oder ungeordnet, d. h. gerichtet oder nicht gerichtet, eingebracht werden.
Vorzugsweise sind dem Material Verstärkungsfasern beigegeben, wobei die Verstärkungsfasern aus Kokosmaterial, Baumwollmaterial, Glas, Kohlenstoff, Metall oder Metallschaum bestehen können, um die Druckfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Solche Verstärkungsfasern können auch als Stahlstäbe, Matten, Armierungseisen, Körbe, Stahlgewebe und ähnliche Elemente ausgeführt sein, wie sie auch bei normalem Beton verwendet werden.
In das Material kann auch ein Gewebe eingelagert sein. Das Gewebe kann dabei gestrickt, gehäkelt, gewebt oder gewickelt sein. Es können kurze und lange Stahlspäne vorgesehen werden. Damit ist generell eine geordnete Struktur herstellbar. Als weitere Möglichkeit sei das Einbringen sog. Nanotubes genannt.
Aber auch ungeordnete Strukturen können realisiert werden, indem Späne, los beigemischte Fasern bzw. Partikel aus den oben genannten Materialien eigemischt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in dem Bauteil zumindest ein Hohlraum angeordnet ist, in dem ein das Schwingungsverhalten des Bauteils beeinflussendes Element angeordnet ist, insbesondere Sand, oder mindestens eine Metallkugel oder ein aktiv angesteuertes Dämpfungselement. Das Bauteil ist in diesem Falle also mit Schwingungsreduzierungsmaßnahmen versehen, wobei in den genannten Hohlräumen passive oder aktive Schwingungsreduzierungselemente angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung bestehend aus dem genannten Bauteil und einem Maschinenteil, wobei das Maschinenteil ein Spritzgießwerkzeug, ein Extrusionswerkzeug, ein Pressenwerkzeug, ein Teil eines solchen Werkzeugs oder ein Teil einer Spritzgießmaschine, eines Extruders oder einer Presse ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils zur thermischen Isolation eines Maschinenteils weist erfindungsgemäß die Schritte auf:

a) Bereitstellung einer Gießform zum Gießen des Bauteils, wobei in der Gießform mindestens ein Rohrstück platziert wird;
b) Eingießen eines Materials in die Gießform bei Raumtemperatur (T = 20 °C), wobei das Material eine gießfähige Konsistenz aufweist, insbesondere Eingießen von Beton, bevorzugt von Mineralguss, wobei das mindestens eine Rohrstück zumindest teilweise vom Material ummantelt wird;
c) Nach dem Aushärten des Materials Entformen des gegossenen Bauteils aus der Gießform.

Nach einer Ausführungsform dieses Verfahrens verbleibt das Rohrstück dauerhaft im Bauteil. In diesem Falle ist es zwecks Vermeidung von Wärmebrücken sehr vorteilhaft, wenn vorgesehen wird, dass ein Rohrstück verwendet wird, das eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 5,0 W/(m K) aufweist, vorzugsweise von höchstens 3,0 W/(m K).
Wenn hier von einem Rohrstück gesprochen wird, ist hierunter jede sich längserstreckende Struktur zu verstehen, die einen Hohlraum einschließt, wobei beliebige Querschnitte (rund, oval, eckig, etc.) vorgesehen werden können.
Es kann aber auch vorgesehen werden, dass das Rohrstück nach dem Gießvorgang und der Ausformung der Kanäle im Bauteil entfernt wird. In diesem Falle ist vorteilhaft vorgesehen, dass vor dem Eingießen gemäß obigem Schritt b) das Rohrstück an seinem Außenumfang mit einem Trennmittel versehen wird, wobei nach dem Aushärten gemäß obigem Schritt c) das Rohrstück aus dem Bauteil wieder herausgezogen wird.
Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung bzw. Verfahrensweise werden somit insbesondere Wärmeisolationsplatten vor allem für Maschinen und Werkzeuge in kostengünstiger Weise bereitgestellt. Die Kanäle können in fertigungstechnisch einfacher Weise in das Bauteil aus Mineralguss beim Gießvorgang mit eingegossen werden. Durch das Eingießen besagter Kanäle können nachträgliche Bearbeitungskosten eingespart werden. Auch ist es möglich, die Kanäle in der Geometrie optimiert und an den bestmöglichen Stellen des Bauteils zu positionieren.
Beton ist ein Gemisch aus Zement, Gesteinskörnung und Anmachwasser; gegebenenfalls sind auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten. Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements unter Wasseraufnahme.
Dem Beton können Fasern aus Stahl, Kunststoff, Kohlenstoff oder Glas zugesetzt werden, um Faserbeton zu erhalten.
Mineralguss (auch Polymerbeton genannt) enthält im Unterschied zu normalem Beton ein Polymer, also ein Kunststoffmaterial, als Bindemittel, das die Gesteinskörnung zusammenhält. Zement wird im Mineralguss, falls überhaupt, nur als Füllstoff eingesetzt und übernimmt keine Bindewirkung. Die am weitesten verbreitete Polymermatrix für Mineralguss ist ungesättigtes Polyesterharz.
Mineralguss hat in seinem Anwendungsbereich deutlich bessere mechanische und chemische Eigenschaften als Zement-Beton. Die Gelierzeit dieser Harze kann durch die Menge der verwendeten Katalysatoren und Härter eingestellt werden. Bevorzugt kommt als Polymer, also als Bindemittel, Epoxydharz zum Einsatz, um ein gutes schwingungsdämpfendes Verhalten zu generieren.
In vorteilhafter Weise ergibt sich so folgendes:
Das Wärmedämmelement ist sehr druckresistent und dennoch relativ leicht, da die Dichte von Mineralguss nur bei ca. einem Drittel derjenigen von Stahl liegt.
Das Gießen bietet konzeptionsbedingt eine größere Formvielfalt als andere Fertigungsverfahren und eröffnet so andere Konstruktionswege und -lösungen. Somit ist ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit möglich, was die geometrische Ausgestaltung des Bauteils anbelangt.
Das vorgeschlagene Material weist des weiteren eine hohe Steifigkeit auf, so dass Kräfte bei geringen Verformungen aufgenommen werden können.
Somit ist eine kostengünstige Herstellung der vorgeschlagenen Wärmedämmelemente möglich. Dies gilt nicht nur mit Blick auf das Material selber, das sehr viel günstiger ist als beispielsweise Stahl, sondern auch mit Blick auf die Herstellung der Teile, die in einfacher Weise durch Urformen gestaltet werden können; eine aufwändige mechanische Bearbeitung ist demgemäß zumindest über Strecken hinweg vermeidbar.
Generell können alle Materialien für die Umsetzung der vorgeschlagenen Idee zum Einsatz kommen, die „kalt“ gegossen werden können, d. h. Materialien, die bei Raumtemperatur (20 °C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen können.
Die Erfindung schafft also druckresistente und kostengünstige Wärmeschutzplatten aus Mineralguss für den Einsatz als thermische Isolierung von Maschinen und Werkzeugen, wobei vor allem an Spritzgießmaschinen und Spritzgießwerkzeuge, an Heißkanalabdeckungen, an Extrusionsmaschinen, Pressen und Presswerkzeuge gedacht ist.
Die notwendigen Kanäle, d. h. Bohrungen, in den Wärmeschutzplatten können bereits während der Herstellung im Gießverfahren einfach und kostengünstig eingebracht werden. Eine nachträgliche Einarbeitung der erforderlichen Bohrungen kann somit entfallen.
Gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird also insbesondere Mineralguss zur Herstellung von Wärmeisolationsplatten für Maschinen und Werkzeuge verwendet. Die erforderlichen Bohrungen für Auswerferstifte, Angußkanäle und Befestigungszapfen für die spätere Aufnahme von Werkzeugen werden bereits während des Gießvorganges der Wärmeisolationsplatten in die Gießform integriert.
Hierzu werden nach einer Ausgestaltung des Verfahrens mit Trennmittel beschichtete Rohrstücke mit Außendurchmessern und Positionen gemäß der erforderlichen Bohrungen vor dem Gießvorgang in die Gießform eingelegt. Durch die Beschichtung mit Trennmittel können diese Rohrstücke nach dem Aushärten der Wärmeisolationsplatten einfach entformt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Rohrstücke ohne Trennmittelbeschichtung mit einem Innendurchmesser gemäß der später erforderlichen Bohrung zu verwenden und als Hülse oder Gewindehülse in der gegossenen Wärmeisolationsplatte zur mechanischen Verstärkung im Bereich der Bohrungen zu belassen. In diesem Fall werden bevorzugt Rohrstücke aus schlecht wärmeleitfähigem nichtmetallisch anorganischem oder organischem Material verwendet, um Wärmebrücken zu vermeiden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt in perspektivischer Darstellung ein Bauteil, das als Wärmeisolation dient und das an einem Spritzgießwerkzeug angebracht ist.
In der Figur ist ein plattenförmig ausgebildetes Bauteil 1 zu sehen, das als Wärmeschutzplatte fungiert. Es besteht aus Mineralguss bzw. Polymerbeton B und wurde durch einen Gießvorgang hergestellt. Das Bauteil 1 ist an einem Maschinenteil 2 in Form eines Spritzgießwerkzeugs angeordnet.
Zwecks Ausstoß fertiger Kunststoff-Spritzgießformteile aus dem Spritzgießwerkzeug 2 ist ein (nicht dargestellter) Auswerferstift nötig. Um diesen durch das Bauteil 1 hindurchführen zu können, besitzt das Bauteil 1 einen Kanal 3, der vorliegend das Bauteil 1 vollständig durchsetzt. Dieser Kanal 3 ist dadurch gebildet worden, dass vor dem Gießen des Polymerbetons B ein Rohrstück 4 in die Gießform für das Bauteil 1 eingebracht wurde. Diese Rohrstück wurde also beim Gießvorgang mit eingegossen und stellt so den benötigten Kanal 3 bereit.
Alternativ kann das Rohrstück 4 vor dem Gießvorgang an seinem Außenumfang mit einem Trennmittel versehen werden. Dies erlaubt es, das Rohrstück 4 nach dem Gießen des Bauteils 1 aus dem Bauteil 1 wieder herauszuziehen, so dass nur der Kanal 3 verbleibt.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Maschinenteil
3: Kanal
4: Rohrstück
B: Material (Mineralguss / Polymerbeton)

Claims

Bauteil (1) zur thermischen Isolation eines Maschinenteils (2), wobei das Bauteil (1) mindestens einen Kanal (3) aufweist, der sich zumindest teilweise durch das Bauteil (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest teilweise aus einem Material (B) besteht, das bei Raumtemperatur (T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (B) Beton, insbesondere Mineralguss, ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine plattenförmige Gestalt aufweist.
Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (B) aus Füllstoffen und Binder und gegebenenfalls aus Additiven besteht, wobei der Füllstoff vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 80 % und 95 % aufweist, wobei der Binder vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 5 % und 20 % aufweist und wobei der Binder vorzugsweise aus einem Harz, insbesondere aus Epoxydharz, und einem Härter, insbesondere aus einem aminischen Härter, besteht.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff aus organischem Material besteht, insbesondere aus Holz, Lignin, Graphit, Bambusfasern, Kokosfasern, Baumwollfasern, Kunststofffasern, Fließ, Sisal, Hanf, Flachs und/oder geschäumtem Kunststoff, insbesondere aus Polystyrol oder dass der Füllstoff aus anorganischem Material besteht, insbesondere aus Marmor, Granit, Basalt, Kalkstein, Glas, Keramik, Lavastein, Zeolith, Blähbeton, Feinsteinzeug, gebrannter Keramik, Sand, insbesondere Quarzsand, und/oder Ton.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Material (B) Verstärkungsfasern beigegeben sind, wobei die Verstärkungsfasern aus Kokosmaterial, Baumwollmaterial, Glas, Kohlenstoff, Metall oder Metallschaum besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in ihm zumindest ein Hohlraum angeordnet ist, in dem ein das Schwingungsverhalten des Bauteils beeinflussendes Element angeordnet ist, insbesondere Sand, oder mindestens eine Metallkugel oder ein aktiv angesteuertes Dämpfungselement.
Anordnung bestehend aus einem Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Maschinenteil (2), wobei das Maschinenteil (2) ein Spritzgießwerkzeug, ein Extrusionswerkzeug, ein Pressenwerkzeug, ein Teil eines solchen Werkzeugs oder ein Teil einer Spritzgießmaschine, eines Extruders oder einer Presse ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur thermischen Isolation eines Maschinenteils (2), wobei das Bauteil (1) mindestens einen Kanal (3) aufweist, der sich zumindest teilweise durch das Bauteil (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bereitstellung einer Gießform zum Gießen des Bauteils (1), wobei in der Gießform mindestens ein Rohrstück (4) platziert wird; b) Eingießen eines Materials (B) in die Gießform bei Raumtemperatur (T = 20 °C), wobei das Material (B) eine gießfähige Konsistenz aufweist, insbesondere Eingießen von Beton, bevorzugt von Mineralguss, wobei das mindestens eine Rohrstück (4) zumindest teilweise vom Material (B) ummantelt wird; c) Nach dem Aushärten des Materials (B) Entformen des gegossenen Bauteils (1) aus der Gießform.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrstück (4) verwendet wird, das eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 5,0 W/(m K) aufweist, vorzugsweise von höchstens 3,0 W/(m K).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingießen gemäß Schritt b) von Anspruch 9 das Rohrstück (4) an seinem Außenumfang mit einem Trennmittel versehen wird, wobei nach dem Aushärten gemäß Schritt c) von Anspruch 9 das Rohrstück (4) aus dem Bauteil (1) herausgezogen wird.