DE19630840C1

DE19630840C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Verbundkörpern, insbesondere Hohlkörpern, und Faserkörper hierfür

Info

Publication number: DE19630840C1
Application number: DE1996130840
Authority: DE
Inventors: Kilian Saueressig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2016-08-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundkörpern, insbesondere Hohlkörpern, und einen Faserkörper hierfür, bei dem eine fließfähige Matrix, insbesondere ein Polymer, in wenigstens einen geschlossenen, zumindestens mit einer Trennfolie und einem Positiv- und/oder Negativ-Formkörper begrenzten Faserkörper in einen Formhohlraum eingefüllt und in demselben durch Vakuum und/oder Überdruck verteilt und dann ausgehärtet wird.

Aus der DE 39 11 386 A1 ist ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff der eingangs genannten Art bekannt. Ein durch eine Positiv- und/oder Negativform begrenzter Raum wird mit einer Folie bespannt. Danach wird ein Faserkörper eingelegt, der aus Glasfasermatten bestehen kann. Unter Vakuum und/oder Druck wird danach Kunststoff eingefüllt und der Faserkörper durchtränkt.

Aus der DE 38 21 941 A1 ist ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung eines dünnwandigen und groß flächigen Formlings bekannt, bei dem in einer mit verteilten Nuten versehenen Positiv- und/oder Negativform die an derselben formschlüssig anliegende Folie durch Druck und/oder Vakuum teilweise in die Nuten eingezogen wird und Strömungskanäle gebildet werden. Ein Kunststoff wird über die Kanäle unter Druck und/oder Vakuum gleichmäßig in den Formraum eingefüllt und über die Formfläche verteilt.

Ein Verfahren zur Herstellung einer fiberverstärkten Kunststoffstruktur ist aus der US 5,266,249 bekannt. Unter Verwendung von Druck und Vakuum werden auf Teile einer Form Folien aufgelegt und danach das Fibermaterial mit Kunststoff getränkt.

Nachteilig ist bei allen bekannten Lösungen, daß durch das Vakuum und/oder den Druck die Fasern lediglich durchtränkt werden. Darüberhinaus werden die Fasern nicht so viel Kunststoff zugeführt, wie für eine Herstellung eines Verbundkörpers erforderlich ist. Durch diese unvollständige Durchtränkung weist der Formkörper nicht an allen Stellen gleiche Belastungswerte auf.

Aus BECKER, Heiner, FISCHER, Günther, MÜLLER, Ulf: Gegentakt-Spritzgießen technischer Formteile, in: Kunststoffe 1993, Heft 3, S. 165-169, ist es bekannt, faserverstärkte Kunststoffgegenstände durch Spritzgießen von faserhaltigen Thermoplasten im Gegentakt-Verfahren herzustellen.

Hierbei wird eine Reihenschaltung aus Einspritzeinheit und Kavität eingesetzt. Die Formbildung selbst wird in Füllen und Takten unterteilt. Der erste Verfahrensschritt stimmt mit dem Einspritzvorgang des konventionellen Spritzgießens überein. Der zweite Verfahrensschritt, das Takten, beeinflußt eine noch plastische Schmelze im Formteilkern.

Mehrfaches Takten über eine einachsige Durchströmung führt dann zu einer Struktur aus in Fließrichtung hoch orientierten, parallel zur Formteiloberfläche liegenden Schichten.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundkörpern, insbesondere Hohlkörpern und einen Faserkörper hierfür, der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, daß eine fließfähige Matrix einen Faserkörper vollkommen ausfüllt und ein schließt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern, insbesondere Hohlkörpern, durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das wechselnde Vakuum und/oder den wechselnden Druck die fließfähige Matrix in dem Faserkörper hin- und herfließen kann. Die fließfähige Matrix gelangt dabei in gleicher Konzentration an alle Stellen des Faserkörpers, so daß dieser überall gleiche Belastungswerte aufweist. Anstelle eines Polymers kann auch flüssiger Ton, in Flüssigkeiten gelöste Feststoffe als Maxtrixstoffe eingesetzt werden.

Damit während der Polymerisation Vakuum-Einschlüsse ver mieden werden, kann die fließfähige Matrix einem ständigen Injektionskammerdruck als Vakuum/Druck ausgesetzt werden.

Als Faserkörper können Gewebematten oder Fasern auf die Trennfolie im Negativ-Formkörper aufgelegt und auf die Gewebematten oder Fasern ein Dehnkörper als Positiv- Form körper gepreßt werden. Der Dehnkörper kann hierbei mit einem Dehnkörperdruck aufgeblasen werden, der vorzugsweise bis auf 5 bar erhöht werden kann.

Die Gewebematten oder Fasern können vor dem Durchsaugen und/oder Durchdrücken der fließfähigen Matrix entgast werden. Hierdurch werden Lufteinschlüsse vermieden.

Der Druck kann hingegen beim Durchsaugen und/oder Durch drücken der fließfähigen Matrix wechselseitig zwischen 0 und 1,5 bar alternieren. Während der Aushärtungsphase hingegen kann der Überdruck bei 2 bar konstant gehalten werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Verbundkörpern wird durch die Merkmale des Anspruches 9 beschrieben.

Die hiermit verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die mit Druck beaufschlagbaren Injektionskammern die alternierende Ansteuerung der Injektionsblasenkörper und damit die vollkommene Ausfüllung und Einschließung des Faserkörpers mit der fließfähigen Matrix gewährleisten.

Dadurch, daß wenigstens eine der Injektionskammern größer als das Volumen des Faserkörpers ist, steht eine solche Menge an fließfähiger Matrix zur Verfügung, die das vollkommene Ausfüllen und Einschließen des Faserkörpers ermöglicht.

In den Injektionskammern werden durch die Trennfolien Injektionsblasenkörper ausgebildet. Das Volumen der in einem dieser Injektionsblasenkörper eingefüllten Matrix, insbesondere Polymers, sollte größer als das des Matrixvolumens des Faserkörpers sein.

Ein Faserkörper für eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundkörpern kann aus Gewebematten oder Fasern bestehen. Die Form wird aus einer elastoplastischen oder thermo plastischen oder duromeren Matrix gebildet, wobei Faserverstärkungen aus Glas, Aramit, Kohlenstoff o. dgl. zum Einsatz kommen können. Die Gewebematten oder Fasern sind auf die Trennfolien in den Prozeßkammern auflegbar. Auf oder zwischen ihnen kann ein aufblasbarer Dehnkörper mit einem Dehnkörper-Anschluß als Positivkörper (Negativkörper) angeordnet sein. Der aufblasbare Dehnkörper ermöglicht es, die Dichtigkeit des Gewebes oder der Fasern angepaßt an den jeweiligen Einsatzfall in Zusammenarbeit mit dem Injektionsblasenkörper zu variieren. Gleichzeitig wird durch den Dehnkörper das Volumen des benötigten flüssigen Polymers bestimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Injektionsform in einer schematisch darge stellten Draufsicht;

Fig. 2 bis 5 einen Schnitt durch eine Injektionsform gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-B-C-D mit Herstellungsstufen in einer schematischen Darstellung und

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Injektionsform gemäß Fig. 1 entlang der Linie E-F.

Eine Injektionsform gemäß den Fig. 1 bis 6 besteht aus einem Negativ-Formkörper 3 und einem weiteren Negativ-Formkörper 4.

Die Negativ-Formkörper 3, 4 sind jeweils mit einer Prozeßkammer 21, 21′ versehen. Die Prozeßkammer 21 ist dabei mit einem Vakuum-Anschluß 18 verbunden.

In dem Negativ-Formkörper 4 sind zu beiden Seiten der Prozeßkammer 21′ eine Injektionskammer 6 und eine Injektionskammer 10 angeordnet. Die Injektionskammer 6 ist mit einem Injektionskanal 22 und die Injektionskammer 10 mit einem Injektionskanal 17 mit der Prozeßkammer 21, 21′ verbunden. Die Injektionskanäle 17, 22 sind sowohl in den Formkörper 3 als auch in den Formkörper 4 eingebracht. Die Injektionskammer 6 weist darüberhinaus einen Entgasungskanal 23 auf. Die Injektionskammer 10 ist mit einem Injektionskammer-Anschluß 11 und die Injektionskammer 6 mit einem Injektionskammer-Anschluß 5 versehen. Darüberhinaus ist ein Dehnkörper-Anschluß 24 vorgesehen. Die Negativ-Form körper 3 und 4 weisen in sich eingebrachte Dichtungselemente 12, 15 und 16 auf.

Der Herstellungsprozeß eines Hohlköpers 1 mit einer derartigen Injektionsform vollzieht sich wie folgt:

Verfahrensschritt A (vgl. Fig. 2)

Eine dehnbare Membran 13 wird auf den Negativ-Formkörper 4 aufgespannt. Durch Anlegen eines Vakuums an den Vakuum-Anschluß 8 wird die Membran 13 tiefgezogen, so daß sie die Injektionskammern 6 und 10 und die Prozeßkammer 21′ nachformt. In gleicher Art und Weise wird auf den Formkörper 3 eine weitere Membran 14 aufgespannt und tiefgezogen, so daß die Injektionskanäle 17 und 22, die Prozeßkammer 21, der Dehnkörper-Kanal 24 und der Entgasungskanal 23 nachgeformt werden.

Verfahrensschritt B (vgl. Fig. 2)

In den mit der Membran 13 bespannten Negativ-Formkörper 4 werden in die Prozeßkammer 21′ Gewebematten oder Fasern 19 eingelegt. Hierbei können Faserverstärkungen aus Glas, Aramid, Kohlenstoff u. dgl. miteingesetzt werden. In die Injektionskammer 10 wird ein flüssiges, ungehärtetes Polymer 2 eingefüllt. Hierbei ist wesentlich, daß das Volumen des eingefüllten Polymers 2 größer ist als das des Matrix-Volumens des durch die Gewebematten oder Fasern 19 gebilde ten Körpers. Als Polymer 2 kommen zur Anwendung: Epoxyd- und Phenolharze sowie Polyesterharze. In den Faserkörper wird ein Dehnkörper 20 eingesetzt. Danach werden beide Negativ-Formkörper 3, 4 verschlossen und der Dehnkörper 20 über den Dehnkörper-Anschluß 24 aufgeblasen. Hierbei wird ein Dehnkör perdruck p5 von 4 bar erzeugt.

Verfahrensschritt C (vgl. Fig. 2)

In den Injektionskammern 6 und 10 sowie den Prozeßkammern 21, 21′ wird über den Entgasungs-Anschluß 23 ein Entgasungs druck p4 von 1 bar erzeugt. An den Vakuum-Anschlüssen 8 und 18 herrscht dabei ein Tiefziehdruck p1 von 0 bar. An den Injektionskammer-Anschlüssen 5 und 11 herrscht gleichfalls ein Injektionskammerdruck p2, p3 von 0 bar. Der Dehnkörper 20 wird mit einem Dehnkörperdruck p5 von 4 bar aufgeblasen.

Verfahrensschritt D (vgl. Fig. 3)

Über den Entgasungskanal 23 werden mit einem Entgasungsdruck p4 von 0 bar die Injektionskammern 6, 10 und die Prozeßkammern 21, 21′ entgast.

Nach Beendigung des Entgasungsprozesses wird der Ent gasungskanal 23 verschlossen und damit sowohl eine hermetisch abgeschlossene Prozeßkammer 21, 21′ als auch hermetisch abgeschlossene Injektionskammern 6, 10 realisiert. Während am Dehnkörper-Anschluß 24 weiterhin ein Dehnkörperdruck p5 von 4 bar herrscht, wirkt an den übrigen Anschlüssen 8 und 18 sowie 5 und 11 ein Druck von 0 bar. In dieser Phase drückt die elastische Membran 13 in der Injektionskammer 10 den fließfähigen Kunststoff mit einem Injektionsblasenkörper 9 aufgrund der Eigenspannungen der Membranen 13, 14 in die Gewebematten oder Fasern 19. Der Injektionskanal 17 ist dabei so klein gewählt, daß der Fließvorgang langsam vorgenommen wird. Der Fließvorgang muß dabei langsamer als die Zeit für die Luftentweichung aus dem Faserkörper sein.

Verfahrenschritt E (vgl. Fig. 4)

Der Entgasungskanal 23 bleibt gesperrt. Am Tief-Zieh-An schluß 8, 18 herrscht ein Tiefziehdruck p1 von 0 bar.

Am Injektionskammer-Anschluß 11 wird der Injektions kammerdruck p2 auf 1,5 bar und am Injektionskammer-Anschluß 5 auf 1 bar erhöht. Gleichzeitig wird der Dehnkörperdruck p5 am Dehnkörper-Anschluß 24 auf 3 bar abgesenkt. Durch das bestehende Druckgefälle zwischen beiden Injektionskammern 6, 10 wird das flüssige Polymer vom Injektionsblasenkörper 9 über die Gewebematten oder Fasern 19 in einen Injektionsblasenkörper 7 gedrückt. Durch die alternierende Ansteuerung der Injektionskammern 6 und 10 wird das fließfähige Polymer 2 geschert und gemischt und dabei an die Faserpartikel angenähert.

Verfahrensschritt F (vgl. Fig. 5)

Der Injektionskammerdruck p2, p3 wird in beiden Injektions kammern 6, 10 auf 2 bar erhöht. Der Vakuum-Anschluß 8, 18 bleibt bei einem Tiefziehdruck p1 von 0 bar, der Dehnkörper-Anschluß 24 bei einem Dehnkörperdruck p5 von 3 bar und der Entgasungskanal 23 gesperrt. Der Injek tionskammerdruck p2, p3 wird bei gleichzeitiger Wärmezufuhr während der gesamten Polymerisation des Polymers 2 beibehalten. Hierdurch werden Vakuum-Einschlüsse vermieden und der Matrix/Faser-Anteil über eine große Bandbreite eingestellt.

Verfahrensschritt G (vgl. Fig. 6)

Nach Beendigung der Polymerisation des Polymers 2 wird der Injektionskammerdruck p2, p3 auf 0 bar und der Dehn körperdruck p5 ebenfalls auf 0 bar zurückgefahren. Danach werden die Negativ-Formkörper 3, 4 auseinandergenommen und der Hohlkörper 1 entnommen. Dienen die Membranen 13, 14 lediglich als Trennmittel sind sie nicht adhäsiv mit dem Hohlkörper 1 verbunden. Bei einer adhäsiven Anbindung der Membranen 13, 14 hingegen können sie darüberhinaus als Dekor für den Hohlkörper 1 Verwendung finden. Die Membranen können in diesem Fall farblich oder dekorativ gestaltet werden. Wesentlich ist, daß sich die Verfahrensschritte A bis G ohne Probleme in ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern einbinden lassen.

Von besonderem Vorteil ist, daß sowohl die Injektionskanäle 17 und 22 als auch die Prozeßkammern 21, 21′ und die Injektionskammern 6, 10 ohne Reinigungsaufwendungen und Schlauchanschlüsse, Pumpen und Behälter betrieben werden können. Diese Funktionen übernehmen die Membranen 13 und 14.

Bezugszeichenliste

1 Hohlkörper
2 Polymer
3 Negativ-Formkörper
4 Negativ-Formkörper
5 Injektionskammer-Anschluß
6 Injektionskammer
7 Injektionsblasenkörper
8 Vakuum-Anschluß
9 Injektionsblasenkörper
10 Injektionskammer
11 Injektionskammer-Anschluß
12 Dichtungselement
13 Membran
14 Membran
15 Dichtungselement
16 Dichtungselement
17 Injektionskanal
18 Vakuum-Anschluß
19 Gewebematten oder Fasern
20, 21′ Dehnkörper
21 Prozeßkammer
22 Injektionskanal
23 Entgasungs-Anschluß
24 Dehnkörper-Anschluß
p1 Tief-Zieh-Druck
p2 Injektionskammerdruck
p3 Injektionskammerdruck
p4 Entgasungsdruck
p5 Dehnkörper-Druck

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern, insbe sondere Hohlkörpern, bei dem eine fließfähige Matrix, insbe sondere ein Polymer (2), in wenigstens einen geschlossenen, zumindestens mit einer Trennfolie (13, 14) und einem Positiv- und/oder Negativ-Formkörper (3, 4, 20) begrenzten Faserkörper (19) in einen Formhohlraum eingefüllt und in demselben durch Vakuum und/oder Überdruck (p2, p3) verteilt und dann ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die fließfähige Matrix vor ihrer Aushärtung mittels Vakuum und/oder Überdruck (p2, p3) mehr mals mit wechselnder Strömungsrichtung im Gegentaktverfahren durch den Formhohlraum und den Faserkörper (19) gesaugt und/oder gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserkörper Gewebematten oder Fasern (19) auf die Trennfolie (13, 14) im Negativ-Formkörper (3, 4) aufgelegt werden und auf die Gewebematten oder Fasern (19) ein Dehnkörper (20) als Positiv-Formkörper gepreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gewebematten oder Fasern (19) vor dem Durchsaugen und/oder Durchdrücken mit der fließfähigen Matrix entgast werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p2, p3) beim Durchsaugen und/oder Durchdrücken der fließfähigen Matrix zwischen 0 und 1,5 bar alterniert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fließfähige Matrix bis zur Aus härtung einem ständigen Überdruck (p2, p3) ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ständige Überdruck (p2, p3) bei 2 bar konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnkörper (20) mit einem Dehnkörperdruck (p5) aufgeblasen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnkörperdruck (p5) bis auf 5 bar erhöht wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Verbundkörpern, aufweisend

- einen Positiv- und/oder Negativ-Formkörper (3, 4, 20),
- wenigstens eine Trennfolie (13, 14) und
- einen Faserkörper (19),

dadurch gekennzeichnet,

- daß in jeden der zwei sich gegenüberliegenden Negativ-Formkörper (4, 3) eine Prozeßkammer (21, 21′) eingebracht ist und in einem der Formkörper (4) zwei Injektions kammern (6, 10) angeordnet sind, die mit der Prozeßkammer (21, 21′) durch Injektionskanäle (17, 22) verbunden sind, und
- daß eine der Prozeßkammern (21, 21′) mit einem Vakuuman schluß (18) und die Injektionskammern (6, 10) jeweils mit einem Injektionskammer-Anschluß (5, 11) versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen wenigstens einer der Injektionskammern (10) größer als das Volumen des Faserkörpers (19) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen einer in eine durch die Trennfolien (13, 14) in einer der Injektionskammern (10) ausgebildeten Injektionsblasenkörper (9) eingefüllten fließfähigen Matrix (Polymer 2) größer als das Matrixvolumen des Faserkörpers (19) ist.

12. Faserkörper für eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundkörpern nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Trennfolien (13, 14) in den Prozeßkammern (21, 21′) Gewebematten oder Fasern (19) angeordnet werden, auf denen ein aufblasbarer Dehnkörper (20) mit einem Dehnkörper-Anschluß (24) als Positiv- oder Negativkörper angeordnet ist.