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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bremsbelägen, insbesondere von Scheibenbremsbelägen, welches u.a. durch einen speziellen Verklebungs- oder Wärmebehandlungsschritt gekennzeichnet ist.
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Bei der Herstellung von Bremsbelägen, welche einen in der Regel metallischen Belagträger (hier auch als Belagträgerplatte bezeichnet) und den eigentlichen Reibbelag umfassen, wird nach dem Stand der Technik der Reibbelag häufig mit dem Belagträger verklebt. Bei anderen Verfahren wird der Reibbelag auf den Belagträger gesintert oder mechanisch an diesen angebunden. Für die genannte Verklebung werden sowohl wasserlösliche als auch auf organischen Lösungsmitteln basierende Kleber verwendet. In jedem Fall muss das Lösemittel entfernt werden, bevor der Kleber bestimmungsgemäß verwendet werden kann; d.h., bevor der eigentliche Reibbelag mit der kleberbeschichteten Oberfläche des Belagträgers verpresst werden kann.
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Gemäß dem in der betrieblichen Praxis weit verbreiteten Stand der Technik wird ein Belagträger bei Raumtemperatur mit Kleber beschichtet. Bei den verwendeten Beschichtungsmethoden handelt es sich üblicherweise um Aufwalzen, Aufsprühen oder um Siebdruckverfahren. Anschließend wird die Kleberschicht mittels erwärmter Luft oder durch IR-Strahlung getrocknet bzw. das Lösemittel abgedampft, damit die so behandelte Belagträgeroberfläche mit dem Reibbelag verpresst werden kann („Facts about Friction“ von Geoffrey Nicholson, Retina Theme, Copyright 2018). Der Begriff Trocknung umfasst dabei im Stand der Technik und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung das Verdampfen von wässrigen oder organischen Lösemitteln aus dem Kleber und dessen Übergehen vom flüssigen in den festen oder semi-festen Zustand. Dieser Übergang wird auch als Gelieren, Durchhärtung oder als Durchtrocknung bezeichnet.
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Bei dem Beschichtungs- und Trocknungsvorgang sind verschiedene Regeln und Normen zu beachten, die sowohl den verwendeten Kleber als auch die technische Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte betreffen.
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Beispielhaft seien hier genannt:
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DIN 55945: Lacke und Anstrichstoffe - Fachausdrücke und Definitionen für Beschichtungsstoffe und Beschichtungen sowie DIN EN 971-1, DIN EN ISO 4618-2 und DIN EN ISO 4618-3 (DIN = Deutsches Institut für Normung, BGG = Berufsgenossenschaftliche Grundsätze).
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Für lösemittelhaltige Kleber wären auch die Explosionsschutz-Regeln (EX-RL) bzw. (BGR 104) und die lüftungstechnische Berechnung von Kammer- und Durchlauftrocknern, BGG 909, zu beachten (alle genannten Regeln und Normen in der zum Prioritätszeitpunkt dieser Anmeldung geltenden Fassung).
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Der genannte Trocknungsprozess ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Gewicht und Material der Belagträger sind aufgrund der dadurch bestimmten Wärmeleitfähigkeit von großer Bedeutung. Belagträger werden aus Metall gefertigt und weisen in Abhängigkeit vom Einsatzzweck, z.B. Belagträger für Zweiräder mit einem Gewicht von 50 Gramm bis zu Gussträgerplatten für LKW mit ca. 2,5 kg Gewicht, sehr große Gewichtsunterschiede auf. Entsprechend beeinflussen Größe und Gewicht das Trocknungsverhalten der aufgebrachten Kleberschicht. Weiterhin von Bedeutung sind z.B. der Festkörperanteil des Klebers, dessen Abdunstverhalten, welches zwischen verschiedenen Klebertypen deutlich variieren kann, und die erforderliche Schichtdicke des Klebers.
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Zudem erfordern manche der im Stand der Technik häufig eingesetzten Phenolharzkleber eine Vorkondensation des Phenolharzes, damit eine optimale Klebung bzw. Adhäsion der Substrate Belagträgerplatte und Reibbelag bzw. Reibmaterial erzielt werden kann. Dazu wird die Polykondensation des Phenolharzes teilweise bereits während der Klebertrocknung vorgenommen und anschließend durch rasche Abkühlung des aufgetragenen Klebers wieder gestoppt.
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In der betrieblichen Realität eines Bremsbelagherstellers werden die Belagträger einem Industrielager entnommen, wodurch die Lagertemperatur und dadurch die Objekttemperatur der Belagträger jahreszeitlich z.B. zwischen 15 und 35°C schwanken kann. Während der konventionellen Trocknung des Klebers auf der Belagträgeroberfläche mit erwärmter Luft oder IR-Strahlung bildet sich häufig auf der Kleberoberfläche eine Haut aus bereits getrocknetem Kleber (Trocknung schreitet von außen nach innen voran). Dadurch wird ein weiteres, kontrolliertes und gleichmäßiges Abdunsten der flüchtigen Kleberbestandteile aus den darunterliegenden Schichten behindert.
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Schließlich ist zu beachten, dass zwischen Reibbelag und Belagträgeroberfläche z.B. aus Gründen der Geräuschdämmung eine Zwischenschicht aus einem dritten Material vorhanden sein kann. Je nach Materialpaarung kann eine Trocknung der jeweiligen Kleberschicht bzw. der Kleberschichten (Belagträger/Zwischenschicht und Zwischenschicht/Reibbelag) bei unterschiedlichen Temperaturen angezeigt sein. Die erforderlichen Temperaturdifferenzen liegen oft in einem sehr engen Bereich von ca. +/ - 3°C bezogen auf die Objekttemperatur des Belagträgers. Die Einhaltung dieser Temperaturdifferenzen stößt bei der beschriebenen konventionellen Trocknung schnell an ihre Grenzen und resultiert zumindest in einem sehr zeitraubenden Vorgang.
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Alle vorangehenden Ausführungen gelten gleichermaßen sowohl für wasser- als auch für lösemittelbasierte Kleber.
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Bei Bremsbelägen handelt es sich um Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau, deren Fertigung und technische Auslegung einer besonderen Sorgfalt bedürfen. Die Kleberbeschichtung als Bindeglied zwischen Reibmasse, Belagträger und evtl. vorhandener Zwischenschicht ist dabei von besonderer Bedeutung. Gleichzeitig sollen Bremsbeläge allerdings in einem kosteneffizienten Verfahren herstellbar sein, bei dem z.B. keine Einbußen aufgrund langer Produktwechselzeiten hingenommen werden müssen.
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So existieren im Stand der Technik weitere Vorschläge zur Herstellung von Bremsbelägen, die den genannten vielfältigen Anforderungen auf diesem Gebiet gerecht werden sollen.
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DE 39 38 376 A1 betrifft einen speziellen, pulverförmigen, heißhärtenden Klebstoff zur Herstellung kraftschlüssiger Verbindungen z.B. zwischen Reibbelägen und Belagträgerplatten aus Stahl. Dafür werden die mit dem Klebstoffpulver zu beschichtenden Teile z.B. durch Heißluft, IR-Strecke oder Hochfrequenz vorgewärmt, damit das Pulver beim Auftragen haften bleibt.
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JP 2002- 181 096 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bremsbelägen, bei dem der Belagträger auf 130-140°C, unmittelbar unter der üblichen Heißpresstemperatur zur Verbindung des Reibbelags mit dem Belagträger von 140-160°C, vorgewärmt wird, wobei es sich um einen speziellen Kleber in Form eines vernetzten Novolak-Phenolharzes handelt.
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US 4 081 307 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Bremsbelagsherstellung. Hier wird der Belagträger in einem IR-Ofen aufgeheizt, der Kleber wird auf die zu verklebende Seite des Reibbelags gesprüht, bevor dieser mit dem Belagträger verpresst und getrocknet wird.
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Bei dem in der
DE 696 20 797 T2 beschriebenen Verfahren zur Verbindung von Reibbelag und Belagträger, wird der Belagträger durch UV - oder eine andere elektromagnetische Strahlung auf 60-100°C erwärmt, aber erst nachdem der Kleber in Pulverform auf die Belagträgerplatte aufgebracht worden ist.
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WO 99/ 11 449 A1 (entspricht
GB 2 328 639 A ) betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Reibmaterials an einem Belagträger mit einem Kleber bei hohen Temperaturen. Zu diesem Zweck werden die Belagträger in einem Ofen bei einer Temperatur von über 210°C bis auf eine Temperatur von mindestens 180°C erhitzt.
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In der
DE 10 2018 118 441 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Bremsbelägen beschrieben, bei dem die Belagträger vor dem Kleberauftrag induktiv vorgewärmt werden, um einen möglichst homogene und vollständige Klebertrocknung zu gewährleisten.
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Schließlich offenbart die Druckschrift
JP 2007- 84 725 A ein Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags, bei dem die Belagträgerplatte vor dem Aufbringen einer Klebeschicht erwärmt wird und im Anschluss durch Heißpressen mit einem Reibbelag vereinigt wird.
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All diese Verfahren sind im Hinblick auf Effizienz, Grad der Automatisierung, Energieeintrag und Einfachheit der Verfahrensführung weiterhin verbesserungswürdig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Verbindung von Belagträger, Reibbelag und evtl. vorhandener Zwischenschicht (Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags) bereit zu stellen, bei dem die beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile entweder nicht oder zumindest in deutlich reduziertem Umfang auftreten.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Bremsbelägen oder durch ein Verfahren zum Verkleben von Reibbelägen mit einem Belagträger/ Belagträgerplatte, mit oder ohne einer zwischen Reibbelag und Belagträger befindlichen Zwischenschicht aus einem geeigneten Material, gelöst, das insbesondere durch die Erwärmung des Belagträgers mittels einer Infrarotquelle gekennzeichnet ist.
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Der erfindungsgemäße Prozess kann prinzipiell in 3 - 4 Phasen oder Zonen gegliedert werden, die nicht zwingend in der Reihenfolge a) - d) ablaufen müssen:
- a) Erwärmung des Belagträgers durch IR-Strahlung,
- b) daran anschließend eine Temperaturausgleichszone, dies ist optional.
- c) Beschichtung des Belagträgers mit einem Kleber (wasser- oder lösem ittelbasiert)
und
- d) eine sich daran anschließende Abdunstzone/Abkühlzone.
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Hierbei handelt es sich um die besonders bevorzugte Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Bremsbelags.
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Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wie folgt dargestellt werden:
- Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags, insbesondere eines Bremsbelags für Scheibenbremsen, für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, welches die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer Belagträgerplatte (für die Aufnahme eines Reibbelags),
- - Erwärmung der Belagträgerplatte mittels einer Infrarot-(IR-)Quelle,
- - Beschichten einer Oberfläche der Belagträgerplatte mit einem Kleber,
- - Bereitstellen der beschichteten Belagträgerplatte nach Trocknung des Klebers, und
- - Anordnen des Reibbelags auf der mit dem Kleber beschichteten Oberfläche zur Fixierung des Reibbelags auf der Oberfläche.
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Dabei kann zwischen der zu beschichtenden Belagträgeroberfläche und dem Reibbelag noch eine zusätzliche (Zwischen-)Schicht aufgebracht werden, die z.B. der Geräuschdämmung dient. Die Vorgehensweise ist dann entsprechend und analog.
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Letztlich wird der Reibbelag auf der Belagträgeroberfläche oder auf einer zusätzlich vorhandenen Zwischenschicht durch sog. Heißpressung bei bekannten Drucken und Temperaturen (z.B. 140 bis 160°C) fixiert.
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Die Erwärmung der Belagträgerplatte durch die IR-Strahlung erfolgt vor der Beschichtung der Trägerplatte mit dem Kleber.
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Von Bedeutung ist, dass die Beschichtung vom Belagträger ausgehend erwärmt wird. Dadurch kann sich auf der Oberfläche des Klebers keine Haut bilden, die den Abdunstvorgang behindern und die Bildung oder den Verbleib von Restfeuchte in einer scheinbar trockenen Beschichtung und eine Blasenbildung in der Kleberschicht begünstigen könnte.
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Erfindungsgemäß bevorzugt, wie im obigen Schema a) - d) dargestellt, ist die vorherige Erwärmung der Trägerplatte vor Auftrag des Klebers.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist gleichermaßen für wasserbasierte als auch für lösungsmittelbasierte Kleber geeignet, wobei wasserbasierte Kleber bevorzugt sind, da diese keine zusätzlichen Ex-SchutzMaßnahmen erfordern. Lösungsmittelbasierte Kleber führen in der Regel gegenüber solchen auf Wasserbasis zu verkürzten Trocknungszeiten.
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Im Vergleich zu einer konventionellen Trocknung, z.B. mit Hilfe von erwärmter Luft oder auch mittels IR-Strahlung gerichtet auf die Kleberoberfläche, gibt es keine Gefahr einer Hautbildung auf dem Kleber oder Lack, welche die Abdunstung/Trocknung behindern könnte. Entsprechend, das haben Versuche gezeigt, kann die erforderliche Trocknungszeit wegen der direkten Erwärmung des Substrats in erheblichem Umfang verkürzt werden.
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Beispiele:
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bei Lösemittelklebern - z.B. von derzeit 18,5 min. auf 2 min. bei wasserbasierten Klebern - z.B. von derzeit 18,5 min. auf 2,5 min.
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Allgemein gilt, dass die Prozesszeiten für den Trocknungsschritt gegenüber konventionellen Verfahren des Standes der Technik um mindestens 50% verkürzt werden können.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend genannt. Alle angeführten Merkmale fördern einzeln oder in jedweder Kombination den erfindungsgemäßen Zweck und können daher ohne Einschränkung frei kombiniert werden.
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Das Erwärmen der Belagträgerplatte mittels einer IR-Quelle erfolgt auf eine Temperatur von 35-75° C. Insbesondere wird die Belagträgerplatte auf 55-60°C erwärmt. Weiterhin können natürlich die empfohlenen Temperaturangaben zum Kleberauftrag des jeweiligen Herstellers berücksichtigt werden, soweit diese in dem hier angegebenen Temperaturintervall liegen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt wird die Belagträgerplatte in einem Zeitraum von 1 bis 180s, bevorzugt in einem Zeitraum 10-20s, auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, im Anschluss an den Auftrag des Klebers eine Lufttrocknung zur Austrocknung des Klebers durchzuführen. Dieser Trocknungsvorgang sollte für eine Dauer von max. 300s erfolgen, das Abdunsten erfolgt bevorzugt bei Raumtemperatur. Dabei ist kein zusätzlicher Energieeintrag erforderlich, da die im erwärmten Belagträger gespeicherte Wärmeenergie ausreichend ist. Bevorzugt ist hierfür ein Zeitraum von max. 180s vorgesehen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Verwendung von wasserbasierten Klebern aus Gründen der Umweltverträglichkeit und den geringeren Anforderungen an die Sicherheitsmaßnahmen in der Produktion von Bremsbelägen. Aber auch lösungsmittelhaltige Kleber können erfindungsgemäß eingesetzt werden, welche als Vorteil eine generell kürzere Trocknungszeit gegenüber wasserbasierten Klebern aufweisen. Bevorzugte lösungsmittelbasierte Kleber weisen Alkohole, aromatische Kohlenwasserstoffe, Ester und/oder Ketone als Lösungsmittel oder Lösungsmittelbestandteil auf.
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Der Kleber kann mit üblichen Beschichtungsmethoden, wie z.B. Aufsprühen, Aufwalzen oder im Siebdruck, auf den Belagträger aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Aufsprühen verwendet. Dabei wird mit Hilfe von Robotern und der bestimmungsgemäßen Abstimmung zwischen Sprühtechnik und ausgewähltem Kleber der Overspray des Klebers so minimiert, dass auf eine Rückgewinnung verzichtet werden kann. Hieraus resultiert eine umweltfreundliche Reduzierung der benötigten Klebermenge. Insbesondere bevorzugt wird der Kleber durch Aufrollen auf die Belagträgeroberfläche aufgebracht.
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Die. Überwachung der Temperatur des mit IR-Strahlung erwärmten Belagträgers erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe von Wärmebildkameras. Mit entsprechender Regelungstechnik kann damit die Leistung der IR Strahler angepasst werden
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Die erfindungsgemäße Trocknung der Kleberbeschichtung mit einer durch IR-Strahlung vorgewärmten Belagträgerplatte bietet gegenüber den bekannten Verfahren des Standes der Technik eine Vielzahl von Vorteilen.
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Die Temperatur (Ausgangstemperatur) der Belagträgerplatte im Anlieferungszustand hat keinen Einfluss auf die Produktqualität. Unabhängig von jahreszeitlichen Einflüssen wird die Belagträgerplatte stets auf die für die optimale Trocknung erforderliche (identische) Objekttemperatur in Abhängigkeit vom verwendeten Kleber vorgewärmt. Im Fall eines wasserbasierten Klebers ist dies in der Regel ein Temperaturbereich von 50-65°C, insbesondere von 55-60°C.
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Auch Einflüsse unterschiedlicher, für die Trägerplatte verwendeter Materialien, wie z.B. Stahl oder Grauguss, sowie Einflüsse unterschiedlich großer und schwerer Belagträgerplatten auf die Erwärmung werden beim erfindungsgemäßen Verfahren eliminiert. D.h., es liegt immer die vom Hersteller empfohlene optimale Trocknungstemperatur vor, die während der ebenfalls empfohlenen Trocknungsdauer ohne weiteres konstant gehalten werden kann. Der Begriff Trocknung umfasst dabei das Verdampfen von wässrigen oder organischen Lösemitteln aus dem Kleber, sowie dessen Übergang vom flüssigen in den festen oder semi-festen Zustand. Dieser Übergang wird auch als Gelieren, Durchhärtung oder Durchtrocknung bezeichnet.
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Der aufgebrachte Kleber (Emulsion, Dispersion, Lösung) trocknet auf dem Belagträger von unten (ausgehend von der Belagträgeroberfläche) nach oben durch. Die Reproduzierbarkeit des Trocknungsergebnisses wird dadurch deutlich verbessert. Die bei konventioneller Trocknung des bereits beschichteten Belagträgers mit erwärmter Luft oder IR-Strahlung häufig zu beobachtende und nachteilige Haut- oder Blasenbildung des Klebers wird zuverlässig unterbunden.
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Weiterhin ist auch die Temperaturkonstanz beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber konventionellen Trocknungsverfahren des Standes der Technik (z.B. konventioneller Umlufttrockner) deutlich verbessert. Dies gilt auch für Belagträgerplatten von PKW und deren große Vielfalt an Form, Material und Trocknungstemperaturen. Damit können die heute noch üblichen Ausfallzeiten für das Aufheizen oder die Abkühlung eines konventionellen Umluft-Trockners entfallen. Eine Anpassung der Trocknungstemperaturen kann in der Produktionsanlage somit in sehr kurzer Zeit (Minutentakt) erfolgen.
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Weiterhin liegt der Energiebedarf bei der Erwärmung von Belagträgern mittels IR-Strahlung um ca. 50-70% unter den heute üblichen Werten für z.B. Umluftöfen. Dies ist einmal darauf zurückzuführen, dass durch den direkten Energieeintrag in den Belagträger durch IR-Strahlung ein geringerer Energiebedarf besteht, und zum zweiten darauf, dass aufgrund des vorgewärmten Belagträgers die anschließende Trocknung bei Raumtemperatur erfolgt. Zudem ist eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet; wird der Produktionsfluss der Belagträgerplatten unterbrochen, wird der IR-Strahler einfach ausgeschaltet.
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Verwendet wird bevorzugt eine kurzwellige IR Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,2 µm (IR-A), entsprechende Module werden z.B. von der Firma Optron GmbH in einem Bereich von 1 - 9 kW angeboten. Geeignet sind z.B. Geräte mit einer Leistung von 4 - 5 kW, von denen auch z.B. 3 - 4 Geräte hintereinander angeordnet werden können.
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Das hier beschriebene Herstellungsverfahren von Bremsbelägen unter Einsatz von IR-Heizmitteln oder IR-Vorrichtungen kann besonders vorteilhaft in einer automatisierten Produktionsanlage mit kurzen Taktzeiten betrieben werden. Um im Durchlaufverfahren bei entsprechend kurzer Taktzeit eine ausreichende Erwärmung zu erzielen, sind mehrere, hintereinander liegende, einzeln steuerbare IR Quellen bevorzugt, wobei dieser IR-Quelle bzw. diesen IR-Quellen ein Mittel oder eine Vorrichtung zur Beschichtung der so erwärmten Belagträger mit einem Kleber nachgeschaltet ist.