DE102016107027A1

DE102016107027A1 - Oberflächenbehandlung von Glaskugeln

Info

Publication number: DE102016107027A1
Application number: DE102016107027.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Quinn Houston; Rick H. Wykoff; Haibo Zhao
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2016-10-27
Also published as: US10343950B2; US9809493B2; US20160340236A1; CN106082703A; US20180037496A1; CN106082703B

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Behandlung der Außenflächen mehrerer Glaskugeln vorgesehen. Dieses Verfahren enthält ein Einfüllen mehrerer Glaskugeln in ein Bearbeitungsgefäß mit einer aufgerauten Auskleidung und ein Verschieben des Bearbeitungsgefäßes, so dass sich die mehreren Glaskugeln gegen die aufgeraute Auskleidung bewegen, wodurch die Außenflächen aufgeraut werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung ausgesetzt, um die Oberflächenenergie der Glaskugeln zu erhöhen.

Description

Technisches Gebiet
Dieses Dokument betrifft im Allgemeinen ein Oberflächenbehandlungsverfahren für Glaskugeln (engl.: glass bubbles), Glaskugeln, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, und eine Formmassenschicht (Sheet Molding Compound) geringer Dichte, die unter Verwendung von Glaskugeln gebildet wird, die durch dieses Verfahren hergestellt werden.
Hintergrund
Die Corporate Average Fuel Economy (CAFE) Vorschrift der Regierung von 54,5 mpg bis 2025 hat Kraftfahrzeughersteller forciert, die Verwendung leichtgewichtiger Materialien in Kraftfahrzeugen zu beschleunigen. Infolgedessen wurde vorgeschlagen, Formmassenschichten geringer Dichte in der Konstruktion von Fahrzeugkarosserieteilen wie die Haube anstelle der Formmassenschichten in Standarddichte zu verwenden. Insbesondere haben Formmassenschichten geringer Dichte eine Dichte von etwa 1,2 g/cm³, während Formmassenschichten in Standarddichte eine Dichte von etwa 1,9 g/cm³ aufweisen. Die wesentliche Gewichtsverringerung in der Formulierung von Formmassenschichten geringer Dichte gegenüber Formmassenschichten in Standarddichte ist ein Ersetzen der CaCO₃-Komponente der Standard-Formmassenschichten durch Glaskugeln geringer Dichte.
Eine der technischen Herausforderungen, die bei diesem Bestreben zu bewältigen sind, ist die geringe Grenzflächeneigenschaft zwischen Glaskugeln und Harz. Insbesondere bewirkt die glatte/harte Oberfläche der Glaskugeln eine schwache Bindung der Kugeln an die Harzmatrix, was tendenziell dazu führt, die gesamte mechanische Leistung einer Formmassenschicht geringer Dichte deutlich zu mindern.
Dieses Dokument betrifft ein neues und verbessertes Oberflächenbehandlungsverfahren für Glaskugeln, das ein Aufrauen der Oberfläche der Glaskugeln bewirkt, so dass eine bessere Adhäsion an das Harz möglich ist.
Kurzdarstellung
Gemäß den hier beschriebenen Zweckbestimmungen und Vorteilen ist ein Verfahren zur Behandlung der Außenflächen mehrerer Glaskugeln vorgesehen. Dieses Verfahren kann allgemein beschrieben werden, dass es die Schritte aufweist: (a) ein Einfüllen mehrerer Glaskugeln in ein Bearbeitungsgefäß mit einer aufgerauten Auskleidung und (b) ein Verschieben des Bearbeitungsgefäßes, so dass sich die mehreren Glaskugeln gegen die aufgeraute Auskleidung bewegen und dadurch die Außenflächen aufrauen.
In einer möglichen Ausführungsform enthält das Verfahren ein Schleudern und Drehen des Bearbeitungsgefäßes. Insbesondere kann das Verfahren ein Schleudern des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min und Drehen des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min enthalten, wobei das Schleudern und Drehen entlang zwei verschiedenen Achsen vorgesehen sind. Das Verfahren enthält auch ein Umkehren der Schleuder- und Drehrichtung des Bearbeitungsgefäßes. In einer möglichen Ausführungsform hat das Bearbeitungsgefäß eine Kugelform. In einer anderen möglichen Ausführungsform hat das Bearbeitungsgefäß eine Zylinderform.
Ferner kann das Verfahren ein Versehen der mehreren Glaskugeln mit einer Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% des Durchmessers der mehreren Glaskugeln enthalten. Ferner kann das Verfahren in einer möglichen Ausführungsform ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung enthalten. Dies kann durch ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom unter Verwendung eines vibrierenden Förderbandes, ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom auf einer Rutsche oder ein Fallenlassen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom erfolgen. In jeder dieser Ausführungsformen enthält das Verfahren ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmatemperatur zwischen etwa 23°C und etwa 500°C.
In einer möglichen Ausführungsform wird die Luftplasmabehandlung nach Behandlung der mehreren Glaskugeln in dem Bearbeitungsgefäß ergänzt. In einer möglichen Ausführungsform werden die Glaskugeln in dem Bearbeitungsgefäß nur mechanisch bearbeitet. In einer anderen möglichen Ausführungsform erhalten die Glaskugeln nur eine Luftplasmabehandlung.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt ist ein Verfahren zur Behandlung der Außenflächen mehrerer Glaskugeln vorgesehen, aufweisend den Schritt des Aussetzens der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung, so dass eine Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% des Durchmessers der mehreren Glaskugeln vorgesehen ist.
Gemäß einem anderen Aspekt ist eine Glaskugel vorgesehen, wobei diese Glaskugel einen hohlen Glaskörper mit einer Außenfläche mit einem Durchmesser zwischen etwa 16 µm und etwa 25 µm und einer Oberflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% dieses Durchmessers aufweist. Ferner ist eine Formmassenschicht geringer Dichte vorgesehen, die ein Harz und mehrere Glaskugeln wie dargelegt und soeben beschrieben aufweist.
In der folgenden Beschreibung sind mehrere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des Glaskugelprodukts des Verfahrens dargestellt und beschrieben. Es sollte klar sein, dass das Verfahren und Produkt andere, unterschiedliche Ausführungsformen haben können und ihre zahlreichen Einzelheiten in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden können, ohne vom Verfahren und Produkt, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt und beschrieben, abzuweichen. Daher sollten die Zeichnungen und Beschreibungen nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
Die beiliegenden, hier enthaltenen Zeichnungsfiguren, die einen Teil der Beschreibung darstellen, veranschaulichen mehrere Aspekte des Verfahrens und Produkts des Verfahrens und dienen gemeinsam mit der Beschreibung der Erklärung bestimmter seiner Prinzipien. In den Zeichnungsfiguren:
ist 1 eine schematische Darstellung, die eine Glaskugel mit einer ursprünglichen glatten Oberfläche und dieselbe Glaskugel mit einer aufgerauten Oberfläche zeigt, nachdem sie dem hier beschriebenen Verfahren einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurde.
ist 2 eine schematische Veranschaulichung einer möglichen Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aussetzen von Glaskugeln in einem kugelförmigen Behälter mit einer aufgerauten Innenfläche einem Drehen und Schleudern entlang zwei verschiedenen Achsen A1, A2.
ist 2b eine Ansicht ähnlich 2a, die aber eine alternative Ausführungsform zeigt, wobei das Bearbeitungsgefäß eine Zylinderform aufweist.
ist 3a eine schematische Veranschaulichung einer möglichen Art, mehrere Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung unter Verwendung eines vibrierenden Förderbandes auszusetzen.
ist 3b eine schematische Ansicht, die eine alternative Ausführungsform zeigt, wobei die Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung ausgesetzt werden, während sie eine Rampe oder eine Rutsche hinabrollen.
ist 3c eine schematische Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform, wobei mehrere Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung ausgesetzt werden, indem sie fallengelassen werden und durch ein Rohr fallen.
Es wird nun im Einzelnen auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens Bezug genommen, für das Beispiele in den beiliegenden Zeichnungsfiguren veranschaulicht sind.
Ausführliche Beschreibung
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die eine einzelne Glaskugel 10 zeigt, die einen Hohlkörper 12 und eine glatte Außenfläche 14 aufweist. Nachdem sie dem Verfahren zur Behandlung dieser Außenfläche ausgesetzt wurde, enthält die Glaskugel 10 einen hohlen Außenkörper 12 mit einer aufgerauten Außenfläche 20. In einer nützlichen Ausführungsform hat die behandelte Glaskugel 10 einen Durchmesser zwischen etwa 16 µm und etwa 25 µm und eine Oberflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% dieses Durchmessers: das heißt, eine Oberflächenrauheit zwischen 160 nm und 2500 nm. Mehrere oberflächenbehandelte Glaskugeln 10, wie offenbart, haben eine Dichte von etwa 1,2 g/cm³. Ferner hat die aufgeraute Außenfläche 20 die gewünschte Grenzflächenwechselwirkung mit einem Harz, um eine Formmassenschicht geringer Dichte mit gewünschten mechanischen Eigenschaften und einer gewünschten Leistung vorzusehen, wenn sie als Komponente eines Kraftfahrzeugkarosserieteils verwendet wird.
Zum Erreichen der gewünschten Rauheit der Glaskugeloberfläche 20 können die Glaskugeln in einem Schleuder- und Drehbearbeitungsgefäß einem Aufrauen, wie in 2a und 2b dargestellt, oder einer Luftplasmabehandlung, wie in 3a–3c dargestellt, oder beidem ausgesetzt werden.
2a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zum Bearbeiten der Glaskugeln 10. Die Vorrichtung 30 enthält ein Bearbeitungsgefäß 32 in Kugelform, die eine aufgeraute Innenauskleidung 34 hat. Das Bearbeitungsgefäß 32 wird an zwei gegenüberliegenden Punkten von einem Bügel 36 gehalten. Ein Antriebsmotor 38 dreht (siehe Aktionspfeil B) den Bügel 36 und somit das Bearbeitungsgefäß 32 um eine erste Achse A1. Ein zweiter Antriebsmotor 40 wird auf dem Bügel 36 gehalten und dient zum Schleudern des Bearbeitungsgefäßes 32 um eine zweite Achse A2 (siehe Aktionspfeil C). In der dargestellten Ausführungsform sind die erste Achse A1 und die zweite Achse A2 im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Eine Steuerung 42, die mit den zwei Antriebsmotoren 38, 40 verbunden ist, ermöglicht die Drehzahleinstellung und -änderung der Antriebsmotoren nach Wunsch während des Bearbeitens der Glaskugeln 10. Das Ziel ist, sicherzustellen, dass die gesamte Außenfläche der mehreren Glaskugeln 10 beständig durchgehend aufgeraut wird, so dass eine Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% eines Durchmessers der mehreren Glaskugeln vorgesehen wird. Zu diesem Zweck kann das Bearbeitungsgefäß 32 um Achse A1 bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und 600 U/min geschleudert werden, während es um Achse A2 bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und 600 U/min gedreht wird. Die Steuerung 42 ermöglicht nach Wunsch auch eine Umkehr der Schleuderrichtung und der Drehrichtung des Bearbeitungsgefäßes 32. Somit kann zum Beispiel das Bearbeitungsgefäß 32 durch den Antriebsmotor 38 in eine erste Richtung bei einer Drehzahl zwischen 60 und 600 U/min für eine erste Zeitperiode von zum Beispiel fünf bis sechzig Sekunden und dann in eine zweite Richtung bei einer Drehzahl zwischen 60 und 600 U/min für eine zweite Zeitperiode von zum Beispiel fünf bis sechzig Sekunden gedreht werden. Ebenso kann das Bearbeitungsgefäß 32 vom Antriebsmotor 40 in einer dritten Richtung bei einer Drehzahl zwischen 60 und 600 U/min für eine dritte Zeitperiode von zum Beispiel fünf bis sechzig Sekunden und dann in einer vierten Richtung bei einer Drehzahl zwischen 60 und 600 U/min für eine vierte Zeitperiode von zum Beispiel fünf bis sechzig Sekunden geschleudert werden. Das Drehen und Schleudern und die Zeitperioden können aufeinanderfolgend oder überlappend sein. Die Richtungsumkehr trägt dazu bei, sicherzustellen, dass die Außenfläche 20 der Glaskugeln 10 ein beständiges umfassendes Aufrauen erfahren.
2b zeigt eine Vorrichtung 46 ähnlich der Vorrichtung 30, die in 2a dargestellt ist. Die Vorrichtung 46 enthält ein Bearbeitungsgefäß 48 mit einer aufgerauten Auskleidung 50, einen Bügel 52, einen ersten Antriebsmotor 54, einen zweiten Antriebsmotor 56 und eine Steuerung 58. Die zwei Vorrichtungen 30, 46 arbeiten identisch, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass das Bearbeitungsgefäß 48 in der zweiten Vorrichtung 46 eine Zylinderform anstelle einer Kugelform hat.
Es wird nun auf 3a–3c Bezug genommen, die drei verschiedene Vorrichtungen zum Vorsehen einer Luftplasmabehandlung an den Glaskugeln 10 zeigen. In der in 3a dargestellten Ausführungsform sind die Glaskugeln 10 auf einer Fläche 60 eines vibrierenden Förderbandes 62 angeordnet. Daher springen die Glaskugeln 10 auf und ab, während sie sich entlang des vibrierenden Förderbandes 62 durch einen Luftplasmastrom 64 bewegen, der von der darüberliegenden Plasmasonde 66 kommt.
Wie 3b zeigt, rollen die Glaskugeln 10 eine Schräge, Rutsche oder Rampe 68 durch einen Plasmastrom 70 hinab, der von der darüberliegenden Plasmasonde 72 kommt.
In der in 3c dargestellten Ausführungsform fallen die Glaskugeln 10 durch das Rohr 74, fallen durch den Luftplasmastrom 76, der von den gegenüberliegenden Plasmasonden 78 kommt. In jeder der Ausführungsformen zur Luftplasmabehandlung, die in 3a–3c dargestellt sind, werden die Glaskugeln 10 Luftplasmatemperaturen zwischen etwa 23°C und etwa 500°C ausgesetzt und erfahren eine Zunahme an Oberflächenenergie, die ihre chemische Bindung an ein Harz verstärkt, wie jenes, das in der Produktion einer Formmassenschicht verwendet wird. Dies erhöht die gesamte mechanische Leistung eines Teils, das aus dieser Formmassenschicht geringer Dichte hergestellt wird, wodurch die Teile als Karosserieteile, wie Hauben oder dergleichen, in einem Kraftfahrzeug nützlich sind.
Mit der einzigartigen Größe und Form von Glaskugeln sind die obengenannten drei Behandlungsprozesse speziell gestaltet, so dass eine vollständige Oberflächenbehandlung möglich ist. Das Auf- und Abspringen, die Gleit- und Fallbewegungen stellen sicher, dass die Glaskugeln vollständig dem Plasmastrom ausgesetzt werden. Eine vollständige Oberflächenbehandlung verleiht den Glaskugeln bessere mechanische Eigenschaften und eine bessere Leistung als eine Teilbehandlung.
Zusammenfassend ergeben sich zahlreiche Vorteile aus dem in diesem Dokument offenbarten Oberflächenbehandlungsverfahren, egal, ob dieses Verfahren nur ein Bearbeiten der Glaskugeln 10 in den Schleuder- und Drehbearbeitungsgefäßen 32, 48, die in 2a und 2b dargestellt sind, nur ein Bearbeiten der Glaskugeln mit Hilfe der Luftplasmabehandlungen, die in 3a–3c dargestellt sind, oder ein Aussetzen der Glaskugeln sowohl einem Drehen und Schleudern in dem Bearbeitungsgefäß als auch einer Luftplasmabehandlung enthält.
Durch Erhöhen der Rauheit und/oder der Oberflächenenergie der Oberfläche 20 der behandelten Glaskugeln 10 wird eine chemische Bindung zwischen den Glaskugeln und einem Harz, das zur Herstellung von Formmassenschichten geringer Dichte verwendet wird, verstärkt, wodurch jene Formmassenschichten mit besseren mechanischen Eigenschaften versehen werden, die ihre Verwendung als verschiedene Komponenten von Kraftfahrzeugkarosserieteilen ermöglichen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Produktion von leichtgewichtigeren Kraftfahrzeugen, die durch einen sparsameren Kraftstoffverbrauch gekennzeichnet sind. Daher stellen das hier offenbarte Verfahren und die daraus resultierenden Glaskugeln und Formmassenschichtenprodukte geringer Dichte, die unter Verwendung der Glaskugeln 10 mit den aufgerauten Oberflächen 20 hergestellt werden, einen wesentlichen Fortschritt in der Technik dar.
Das Zuvorgesagte wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert. Es soll weder umfassend sein, noch die Ausführungsformen auf die präzise offenbarte Form beschränken. Offensichtliche Modifizierungen und Variationen sind angesichts der obenstehenden Lehren möglich. Alle diese Modifizierungen und Variationen liegen im Umfang der beiliegenden Ansprüche, wenn diese in dem Ausmaß interpretiert werden, zu dem sie förmlich, gesetzlich und gerecht berechtigt sind.
Es ist ferner beschrieben:

A. Verfahren zur Behandlung von Außenflächen mehrerer Glaskugeln, aufweisend: Einfüllen mehrerer Glaskugeln in ein Bearbeitungsgefäß mit einer aufgerauten Auskleidung; und Verschieben des Bearbeitungsgefäßes, so dass sich die mehreren Glaskugeln gegen die aufgeraute Auskleidung bewegen und dadurch die Außenflächen aufrauen.
B. Verfahren nach A, enthaltend ein Schleudern und Drehen des Bearbeitungsgefäßes.
C. Verfahren nach A, enthaltend ein Umkehren der Schleuder- und Drehrichtung des Bearbeitungsgefäßes.
D. Verfahren nach C, enthaltend ein Schleudern des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min um eine erste Achse A1 und Drehen des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min um eine zweite Achse A2.
E. Verfahren nach D, enthaltend ein Verwenden eines Bearbeitungsgefäßes in Kugelform.
F. Verfahren nach D, enthaltend ein Verwenden eines Bearbeitungsgefäßes in Zylinderform.
G. Verfahren nach A, enthaltend ein Versehen der mehreren Glaskugeln mit einer Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% eines Durchmessers der mehreren Glaskugeln.
H. Verfahren nach A, enthaltend ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung.
I. Verfahren nach H, enthaltend ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom unter Verwendung eines vibrierenden Förderbandes.
J. Verfahren nach H, enthaltend ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom auf einer Rutsche.
K. Verfahren nach H, enthaltend ein Fallenlassen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom.
L. Verfahren nach H, enthaltend ein Aussetzen der mehrerer Glaskugeln Luftplasmatemperaturen zwischen etwa 23°C und etwa 500°C.
M. Verfahren nach H, enthaltend ein Ergänzen der Luftplasmabehandlung nach Behandlung der mehreren Glaskugeln in dem Bearbeitungsgefäß.
N. Verfahren zur Behandlung von Außenflächen mehrerer Glaskugeln, aufweisend: ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung, so dass eine Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% eines Durchmessers der mehreren Glaskugeln vorgesehen ist.
O. Verfahren nach N, enthaltend ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom unter Verwendung eines vibrierenden Förderbandes.
P. Verfahren nach N, enthaltend ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom auf einer Rutsche.
Q. Verfahren nach N, enthaltend ein Fallenlassen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom.
R. Verfahren nach N, enthaltend ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln Luftplasmatemperaturen zwischen etwa 23°C und etwa 500°C.
S. Glaskugel, aufweisend: einen hohlen Glaskörper mit einer Außenfläche mit einem Durchmesser zwischen etwa 16 Mikrometer und etwa 25 Mikrometer und einer Oberflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% des Durchmessers.
T. Formmassenschicht geringer Dichte, aufweisend ein Harz und mehrere Glaskugeln wie in S dargelegt.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Außenflächen mehrerer Glaskugeln, aufweisend: Einfüllen mehrerer Glaskugeln in ein Bearbeitungsgefäß mit einer aufgerauten Auskleidung; und Verschieben des Bearbeitungsgefäßes, so dass sich die mehreren Glaskugeln gegen die aufgeraute Auskleidung bewegen und dadurch die Außenflächen aufrauen.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend ein Schleudern und Drehen des Bearbeitungsgefäßes.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend ein Umkehren der Schleuder- und Drehrichtung des Bearbeitungsgefäßes.
Verfahren nach Anspruch 3, enthaltend ein Schleudern des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min um eine erste Achse A1 und Drehen des Bearbeitungsgefäßes bei einer Drehzahl zwischen etwa 60 U/min und etwa 600 U/min um eine zweite Achse A2.
Verfahren nach Anspruch 4, enthaltend ein Verwenden eines Bearbeitungsgefäßes in Kugelform.
Verfahren nach Anspruch 4, enthaltend ein Verwenden eines Bearbeitungsgefäßes in Zylinderform.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend ein Versehen der mehreren Glaskugeln mit einer Außenflächenrauheit von etwa 0,01% bis etwa 0,1% eines Durchmessers der mehreren Glaskugeln.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend ein Aussetzen der mehreren Glaskugeln einer Luftplasmabehandlung.
Verfahren nach Anspruch 8, enthaltend ein Bewegen der mehreren Glaskugeln durch einen Luftplasmastrom unter Verwendung eines vibrierenden Förderbandes.