DE102018114545A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Quarzstein - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Quarzstein, bei dem in einem Wärmeträgermedium eine Schablone angeordnet wird, ein plattenförmiges Halbzeug aus Quarzstein in das Wärmeträgermedium eingelegt und auf der Schablone abgelegt wird, das Wärmeträgermedium erwärmt wird, bis zwischen Wärmeträgermedium und Halbzeug ein Temperaturausgleich erfolgt ist, und das Halbzeug mit einer Umformkraft beaufschlagt wird, bis das Halbzeug die durch die Schablone definierte Form angenommen hat, und das umgeformte Halbzeug auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauelementen aus plattenförmigem Quarzstein.
• Quarzstein ist ein Composit-Material aus natürlichem Quarz (84-94%), Polyesterharz (7-14%) und Pigmenten (<2%).
• Quarzstein wird als zweidimensionales, d.h. ebenes Plattenmaterial in verschiedenen Abmessungen und Stärken produziert. Dieses Plattenmaterial wird üblicherweise zu Arbeits-, Waschtisch- und Abdeckplatten verarbeitet. Weitere Anwendungen sind beispielsweise planare Verkleidungsplatten. Das Material wird mit diamantbestückten Werkzeugen gefräst, gesägt oder Wasserstrahl geschnitten. Im Sanitärbereich werden beispielsweise die Böden in Duschen - in ähnlicher Weise wie mit Fliesen - mit entsprechend zugeschnittenen Stücken von Quarzsteinplatten belegt, um ein Gefälle zu erzeugen, durch das das Duschwasser zu einem Abfluss geleitet wird. Dies bedingt jedoch - ebenso wie bei einem gefliesten Boden - Fugen, die einerseits die Optik beeinträchtigen und andererseits stets ein potentielles Problem hinsichtlich der Wasserdichtigkeit darstellen.
• Zur Herstellung komplizierterer Formen als Platten, wie beispielsweise Waschbecken oder dergleichen, wird das Ausgangsmaterial auch in Formen gegossen. Da Quarzstein im ausgehärteten Zustand eine außergewöhnlich große Härte aufweist, war die Herstellung von Produkten daraus durch Umformung bisher nicht möglich.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Quarzstein anzugeben, das auf der Umformung plattenförmigen Materials basiert. Mit einem solchen Verfahren könnte beispielsweise eine Duschtasse aus einem Stück, d.h. ohne Nähte und Fugen, hergestellt werden. Gleichzeitig kann zur Herstellung anstelle eines aufwändigen Gießverfahrens das relativ günstige Plattenmaterial verwendet werden.
• Trotz der extremen Härte des Ausgangsmaterials und dem sehr geringen Anteil von Polyesterharz an der Materialzusammensetzung haben eigene Versuche überraschend gezeigt, dass Quarzstein bei erhöhten Temperaturen innerhalb gewisser Grenzen dennoch verformbar ist.
• Vorgeschlagen wird daher ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Quarzstein, bei dem in einem Wärmeträgermedium eine Schablone angeordnet wird, ein plattenförmiges Halbzeug aus Quarzstein in das Wärmeträgermedium eingelegt und auf der Schablone abgelegt wird, das Wärmeträgermedium auf eine Umformtemperatur im Bereich von 60 bis 95 °C erwärmt wird, wobei das Halbzeug die Temperatur des Wärmeträgermediums annimmt, das Halbzeug nach Erreichen der Umformtemperatur mit einer Umformkraft beaufschlagt wird, bis das Halbzeug die durch die Schablone definierte Form angenommen hat, und das umgeformte Halbzeug auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
• Erstmals wird demnach Plattenmaterial aus Quarzstein nicht mehr ausschließlich planar eingesetzt, sondern kann auch je nach Anwendungsfall einfach und doppelt gekrümmt verformt werden. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung dreidimensionaler Bauelemente wie beispielsweise Duschtassen aus relativ kostengünstigem, zweidimensionalem Plattenmaterial.
• Um die weitere Bearbeitung nicht zu beeinträchtigen, ist in einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass als Wärmeträgermedium Wasser oder eine wässrige Salzlösung verwendet wird. Diese Wärmeträgermedien sind einfach abspülbar und das Produkt kann an der Luft trocknen.
• Es hat sich herausgestellt, dass erwärmter Quarzstein sich rheonom verhält: unter äußerer Belastung verformt das Material sich kriechend, d.h. die Dehnung nimmt bei konstanter Last mit der Zeit zu. Wenn dagegen die Dehnung konstant gehalten wird, nimmt die Spannung im Material mit der Zeit ab; es tritt Relaxation ein.
• Deshalb ist gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Größe der Umformkraft auf einem Wert, der im Halbzeug eine aktuelle Beanspruchung knapp unterhalb einer kritischen Beanspruchung hervorruft, konstant gehalten wird oder schrittweise immer wieder auf einen solchen Wert gebracht wird, wenn die aktuelle Beanspruchung eine vorgebbare Abweichung von der kritischen Beanspruchung erreicht.
• Als Beanspruchungsgröße, deren aktueller Wert betrachtet wird, eignet sich beispielsweise die Schubspannung im Material, die unter einem kritischen Wert gehalten wird. Diese muss allerdings vor Beginn der Umformung experimentell ermittelt werden. Eine andere geeignete Beanspruchungsgröße ist die Dehnung, die darüber hinaus den Vorteil hat, relativ einfach messbar zu sein.
• In weiterer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird daher vorgeschlagen, dass die aktuelle Beanspruchung fortlaufend gemessen wird und die Umformkraft geregelt wird, wobei die Umformkraft die Stellgröße, die kritische Beanspruchung die Führungsgröße und die aktuelle Beanspruchung die Regelgröße ist.
• Die erzielten Verformungen werden durch Abkühlen des fertigen Umformlings fixiert. Um ein Rückkriechen des Materials zu vermeiden, das einen Teil der erzielten Verformungen zunichtemachen würde, wird in weiterer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens das umgeformte Halbzeug während der Abkühlung auf der Schablone gehalten. Dies kann beispielsweise durch das Anbringen von Klammern erfolgen, die den Umformling auf die Schablone pressen.
• In einer weiteren Verfahrensvariante wird die Umformung des Halbzeugs auf eng definierte Bereiche begrenzt. Dazu wird weiter vorgeschlagen, dass in das Halbzeug vor dem Einlegen in das Wärmeträgermedium mindestens eine Entspannungsnut eingebracht wird. Diese Entspannungsnuten schwächen den Querschnitt des Halbzeugs, so dass die Umformung sich im Wesentlichen auf den im Nutgrund verbleibenden Restquerschnitt beschränkt. Diese Verfahrensvariante kann dazu genutzt werden, ein Bauelement mit glatten Teilflächen und dazwischen verlaufenden Kanten herzustellen, oder, bei entsprechend dichter Anordnung mehrerer Entspannungsnuten, eine Krümmung des Bauelements durch enge Aneinanderreihung relativ schwacher Knicke zu simulieren.
• Zur Erhöhung der Festigkeit des Umformlings wird in einer weiteren Variante des Verfahrens vorgeschlagen, dass die mindestens eine Entspannungsnut nach der Abkühlung mit einer Vergussmasse verschlossen wird. Als Vergussmasse kann beispielsweise Polyesterharz verwendet werden.
• Nachfolgend wird das Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
• 1 die thermische Verformung einfach gekrümmter Objekte ohne Entspannungsnute für Radien über 4.000 mm,
• 2 die thermische Verformung einfach gekrümmter Objekte mit gleichmäßigen Entspannungsnuten für Radien unter 4.000 mm,
• 3 die thermische Verformung doppelt gekrümmter Objekte mit gezielten Entspannungsnuten,
• 4 die Verformung eines plattenförmigen Halbzeugs ohne und mit Entspannungsnuten,
• 5 bestimmte Einflussgrößen des Verfahrens.
• Grundprinzip der Verformung:
• Das ausgehärtete Polyesterharz in dem plattenförmigen Quarzstein 1 erweicht bei Temperaturen von ca. 60-95°C. Zwingt man das erhitzte Material mit einem progressiven Druck 6 auf eine Schablone 3, so verformt es sich. Dabei entstehen Druck- und Zugzonen im Material. Die auftretenden Kräfte sind dabei proportional zur Materialstärke und zum Krümmungswinkel im finiten Bereich. Nach Übersteigung des kritischen Punktes kommt es zum Materialbruch. Entspannungsnuten 2 sind Materialschwächungen, die gezielt genutzt werden können, um bestimmte Bereiche zu verformen oder gleichmäßig über das Material verteilt sind, um eine gleichmäßige Verformung zu gewährleisten. Bei der Variante ohne Entspannungsnuten 2 wird eine gleichmäßige Verformung 2. Grades erzielt. Der Verformungswinkel ist konstant über den gesamten Verlauf der Krümmung. Die Variante mit Entspannungsnuten 2 sorgt für eine polygonale Verformung (Verformung 1. Grades), d.h. die Verformungen finden ausschließlich in der Mitte der Entspannungsnuten 2 statt. Die Krümmung wird sozusagen durch kleinere Knicke nachempfunden.
• Bei doppelt gekrümmten Bereichen kommt es zusätzlich zu Schubkräften innerhalb der Entspannungsnuten 2.
• Einflussgrößen:
• - verformte Materialstärke
• - Bogenwinkel, Bogenlänge und der daraus resultierende Radius
• - Verformwinkel im Verformbereich
• - Abstand der Entspannungsnuten
• - Biege-E-Modul des Ausgangsmaterials (ist abhängig vom Polyestergehalt des Plattenmateriales und der Körnungsgröße des Ausgangsmaterials)
• - Temperatur
• - Geschwindigkeit der Verformung
• Der maximale Verformwinkel lässt sich wie folgt errechnen: $$\text{tan}{\alpha }_{max}=\frac{{\tau }_{krit.}\times 2\left(1+v\right)}{E}$$

  

  Mit:
• α_max - maximaler Verformwinkel
• τ_krit. - kritische Schubspannung, experimentell zu ermitteln
• ν - Poissonzahl, mit 0,45 anzunehmen
• E - Biege-E-Modul in Abhängigkeit von der Temperatur
• Dabei ist die kritische Schubspannung von der verformten Materialstärke und der einwirkenden Kraft abhängig und ist je nach genauer Zusammensetzung des Quarzsteins 1 experimentell zu bestimmen.
• Verformprozess:
• Der plattenförmige Quarzstein 1 wird, beispielsweise in einem Behälter 4, mit einem Wärmeträger (zum Beispiel Wasser) erhitzt. Die Temperatur liegt dabei beispielsweise zwischen 60 und 95°C. Wenn der plattenförmige Quarzstein 1 durch den Wärmeeintrag 5 des Wärmeträgers durchgewärmt ist, beginnt die Aufbringung einer Umformkraft 6 auf die Stellen, die am weitesten zu verformen sind.
• Der Krafteintrag der Umformkraft 6 muss progressiv erfolgen. Genauer bedeutet das, dass entsprechend der kritischen Schubspannung eine Kraft auf das zu verformende Material aufgebracht wird. Dies geschieht durch Näherung des zu verformenden plattenförmigen Quarzsteins 1 an die Schablone 3. Ist der maximale Krafteintrag erreicht, der der kritischen Schubspannung zugrunde liegt, wird der Zustellprozess an die Schablone 3 unterbrochen. Der Wärmeeintrag 5 auf den plattenförmigen Quarzstein 1 erfolgt weiterhin kontinuierlich. Dadurch kommt es zu Entspannungen (Relaxation) im Material. In Folge senkt sich der Gegendruck des Umformlings auf den Krafteintrag. Nun wird der Krafteintrag durch Zustellung in Richtung auf die Schablone 3 zu wieder bis zum kritischen Punkt erhöht. Das wird wiederholt, bis sich das Bauteil aus Quarzstein 1 an die Schablone 3 angelegt hat. Nun wird das Bauteil 1 auf der Schablone 3 langsam bis auf Raumtemperatur abgekühlt.
• Die Entspannungsnuten 2 werden ggf. mit einem Polyesterharz verfüllt, um die Stabilität wiederherzustellen.
• Bezugszeichenliste

1

plattenförmiger Quarzstein

2

Entspannungsnut

3

Schablone

4

Behälter

5

Wärmeeintrag

6

Umformkraft

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Quarzstein, bei dem in einem Wärmeträgermedium eine Schablone (3) angeordnet wird, ein plattenförmiges Halbzeug aus Quarzstein (1) in das Wärmeträgermedium eingelegt und auf der Schablone (3) abgelegt wird, das Wärmeträgermedium auf eine Umformtemperatur im Bereich von 60 bis 95 °C erwärmt wird, wobei das Halbzeug (1) die Temperatur des Wärmeträgermediums annimmt, das Halbzeug (1) nach Erreichen der Umformtemperatur mit einer Umformkraft (6) beaufschlagt wird, bis das Halbzeug (1) die durch die Schablone (3) definierte Form angenommen hat, und das umgeformte Halbzeug (1) auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wärmeträgermedium Wasser oder eine wässrige Salzlösung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Größe der Umformkraft (6) auf einem Wert, der im Halbzeug eine aktuelle Beanspruchung knapp unterhalb einer kritischen Beanspruchung hervorruft, konstant gehalten wird oder schrittweise immer wieder auf einen solchen Wert gebracht wird, wenn die aktuelle Beanspruchung eine vorgebbare Abweichung von der kritischen Beanspruchung erreicht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die aktuelle Beanspruchung fortlaufend gemessen wird und die Umformkraft (6) geregelt wird, wobei die Umformkraft (6) die Stellgröße, die kritische Beanspruchung die Führungsgröße und die aktuelle Beanspruchung die Regelgröße ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das umgeformte Halbzeug (1) während der Abkühlung auf der Schablone (3) gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in das Halbzeug (1) vor dem Einlegen in das Wärmeträgermedium mindestens eine Entspannungsnut (2) eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die mindestens eine Entspannungsnut (2) nach der Abkühlung mit einer Vergussmasse verschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Vergussmasse Polyesterharz verwendet wird.

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