DE19827550A1 - Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Kunststoffbauteilen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten KunststoffbauteilenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen, partiell verstärkten Kunststoffbauteilen durch Warmformung. Zur Verringerung der Fertigungskosten, insbesondere bei kleinen Produktionsstückzahlen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Bildung der partiell verstärkten Bauteilbereiche warmformbare Verstärkungsmaterialien verwendet werden, die Fasern mit einer Länge > 1 mm enthalten, durch Wärmeübertragung in weichelastischen Zustand überführt und dann auf eine Positiv-Tiefziehform an definierten Stellen und in definierter Orientierung drapiert werden, worauf dann eine zuvor plastifizierte Kunststoffplatte über die mit dem Verstärkungsmaterial drapierte Form gezogen und durch Anlegen von Vakuum in die Form unter Einwirkung des Atmosphärendruckes so gegen die Formoberfläche und das Verstärkungsmaterial gedrückt wird, daß die vorhandene Wärmemenge des Verstärkungsmaterials zu dessen Verschweißung mit der Kunststoffplatte führt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von thermo
plastischen, partiell verstärkten Kunststoffbauteilen durch
Warmformung.
Gebräuchlich ist z. B. ein mechanisches Verbinden oder Verkleben
von warmgeformten Bauteilen mit einer metallischen Verstärkung.
Nachteilig hierbei sind das hohe spezifische Gewicht der Metalle
sowie die hohen Fertigungskosten.
Eine partielle Verstärkung von durch Warmformung hergestellten
Bauteilen wird im Stand der Technik auch durch Einbringen von
Sicken erreicht. Hierdurch läßt sich jedoch nur ein sehr be
grenzter Verstärkungseffekt realisieren.
Es ist ferner bekannt, das Verstärkungsmaterial als Einlegeteil
in eine Spritzguß- oder Preßform zu legen, anschließend die
Preß- oder Spritzgußmasse in die Form einzubringen und so das
Bauteil auszuformen. Als Werkstoff für die Einlegeteile kommen
überwiegend Metalle aber auch faserverstärkte Kunststoffe zum
Einsatz. Diese Verfahren eignen sich jedoch in erster Linie für
Großserien, sind aber aufgrund der hohen Werkzeugkosten für Bau
teile mit kleineren Produktionsstückzahlen unwirtschaftlich.
Beim Warmformen von thermoplastimprägnierten Geweben (Organo
bleche) wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens vom hohen
Materialpreis kompensiert. Außerdem ist mit derartigen Materia
lien lediglich eine vollständige, nicht aber eine partielle Ver
stärkung der Bauteile möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu ent
wickeln, mit dem sich thermoplastische, partiell verstärkte
Kunststoffbauteile auch bei kleinen Produktionsstückzahlen mit
geringen Fertigungskosten herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bil
dung der partiell verstärkten Bauteilbereiche warmformbare Ver
stärkungsmaterialien verwendet werden, die Fasern mit einer Län
ge < 1 mm enthalten, durch Wärmeübertragung in weichelastischen
Zustand überführt und dann auf eine Positiv-Tiefziehform an de
finierten Stellen und in definierter Orientierung drapiert wer
den, worauf dann eine zuvor plastifizierte Kunststoffplatte über
die mit dem Verstärkungsmaterial drapierte Form gezogen und
durch Anlegen von Vakuum an die Form unter Einwirkung des Atmo
sphärendruckes so gegen die Formoberfläche und das Verstärkungs
material gedrückt wird, daß die vorhandene Wärmemenge des Ver
stärkungsmaterials zu dessen Verschweißung mit der Kunststoff
platte führt.
Das warmformbare Verstärkungsmaterial muß in den weichelasti
schen Zustand überführt werden, um die Kontur der Form nachbil
den zu können. Da die Struktur des Verstärkungsmaterials (Geome
trie, Faserlänge, Faserorientierung) erhalten bleiben soll, kann
lediglich eine Wärmeübertragung, nicht aber eine Scherung oder
dergleichen eingesetzt werden. Als Wärmequellen können z. B.
Infrarotstrahler, Wärmeschrank oder strömende Heißluft verwendet
werden.
Bei der Herstellung von Bauteilen mit einfacher Geometrie kann
als Verstärkungsmaterial ein thermoplastimprägnierter Roving
eingesetzt werden. Da das Verstärkungsmaterial im Gegensatz zur
Spritzgieß- oder Preßverarbeitung keiner Nachkonsolidierung un
terzogen werden kann, können nur Materialien mit 100%-igem Im
prägniergrad eingesetzt werden. Materialien mit geringerem Im
prägniergrad versagen bei dynamischer Beanspruchung aufgrund der
Reibung der Fasern aufeinander.
Für Bauteile mit komplexer Geometrie und dadurch bedingt zeit
aufwendiger Drapierung des Verstärkungsmaterials an der Form
sind einfache thermoplastimprägnierte Rovings aufgrund ihrer
geringen Wärmekapazität nicht geeignet.
Um die Schweißverbindung zwischen Verstärkungsmaterial und
Kunststoffplatte sicherzustellen, muß das Verstärkungsmaterial
eine ausreichende Wärmemenge aufweisen. Bei zeitaufwendiger Dra
pierung der Form sinkt jedoch die Temperatur des in weichelasti
schen Zustand überführten Verstärkungsmaterials unter die erfor
derliche Verarbeitungstemperatur. Dabei liegt der Zeitbedarf zum
Drapieren der Verstärkungsmaterialen auf der Form je nach Geome
trie und Anzahl der benötigten Verstärkungsmaterialien zwischen
etwa 10 und 120 Sekunden. Weist dann das Verstärkungsmaterial
eine zu geringe Wärmemenge und/oder zu hohe Wärmeleitfähigkeit
auf, muß die plastifizierte Kunststoffplatte eine ausreichende
Wärmemenge auf das Verstärkungsmaterial übertragen. Dabei kann
davon ausgegangen werden, daß diese Wärmeabgabe nur von einer
etwa 1 mm starken Grenzschicht der Kunststoffplatte erfolgen
kann.
Zur Erhöhung der Wärmekapazität des Verstärkungsmaterials kann
auch dessen Schichtstärke heraufgesetzt werden. Hierfür ist es
zweckmäßig, wenn als Verstärkungsmaterial ein Schichtverbund
werkstoff verwendet wird, der zumindest eine faserhaltige Ver
stärkungsschicht und eine als Wärmespeicher dienende Schicht aus
unverstärktem Kunststoff aufweist. Ein derartiger Schichtverbund
erweist sich im Vergleich zu homogenen Verstärkungsmaterialien
hinsichtlich Gewicht und Isolationswirkung insbesondere gegen
über einer kalten Form als vorteilhaft.
Die Fasern können im Verstärkungsmaterial unidirektional ausge
richtet sein; in diesem Fall wird die Verstärkungswirkung der
Fasern voll ausgenutzt. Bei einer multidirektionalen Verteilung
der Fasern im Verstärkungsmaterial ist der Verstärkungseffekt
geringer ausgeprägt; vorteilhaft hierbei ist jedoch eine erhöhte
Sicherheit gegen Delamination.
Alle Varianten des Verstärkungsmaterials erlauben problemlos
eine Individualfertigung partiell verstärkter Kunststoffbautei
le. Hierdurch wird eine prinzipiell neue Konzeption von Bautei
len ermöglicht, die z. B. als Prothesen oder Orthesen für die
individuelle Patientenversorgung Verwendung finden können.
Es lassen sich Verstärkungsmaterialien verarbeiten, deren Fasern
eine Länge von mehr als 25 mm aufweisen. Derartige Verstärkungs
materialien weisen eine hohe Dauerschwingfestigkeit sowie eine
durch Variation von Faserart, Faserkonzentration und Schicht
stärke einstellbare Biegesteifigkeit auf. Nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren hergestellte Kunststoffbauteile lassen sich
daher auch als Federelemente in Bauteile integrieren (z. B. als
Federelement in einer Dynamik-Fußprothese).
Ferner sind Systeme denkbar, in denen das Verstärkungsmaterial
unter definierter Krafteinleitung einen derartigen Biegewinkel
zuläßt, daß eine Gelenkfunktion gegeben ist. Gleichzeitig wirkt
das Verstärkungsmaterial dann als Federelement, wodurch eine
Rückholfunktion gegeben ist, sobald die zur Biegung notwendige
Kraft nicht mehr auf das Bauteil einwirkt.
Zur Vorbereitung der erfindungsgemäß zu verarbeitenden Kunst
stoffplatte ist es zweckmäßig, wenn die zu plastifizierende
Kunststoffplatte in einen Rahmen eingespannt und solange erwärmt
wird, bis sie einen weichelastischen Zustand erreicht hat, im
Rahmen durchhängt und somit vorgestreckt wird. Es ist aber auch
möglich, die plastifizierte Kunststoffplatte durch Druckluft
vorzustrecken.
Die Positiv-Tiefziehform kann aus Metall, Holz, wärmeformbestän
digem Kunststoff bzw. Kunststoffschaum, Gips oder dergleichen
bestehen. Die Oberfläche muß geschlossen und glatt sein, um
Formschluß zwischen der Form und dem erstarrenden Thermoplast zu
vermeiden. Bei Formen aus Gips und ähnlich porösen Materialien
ist es zweckmäßig, wenn die Oberfläche der Positiv-Tiefziehform
beschichtet oder mit einem wärmeformbeständigen Gewebe oder ei
ner entsprechenden Folie überzogen wird. Hierbei ist darauf zu
achten, daß das Gewebe oder die Beschichtung keine Schweißver
bindung mit dem Thermoplasten eingehen kann und faltenfrei auf
gebracht wird.
Bei Kleinserien und Individualfertigung bzw. bei entsprechend
langen Zykluszeiten ist es nicht erforderlich, die Positiv-Tief
ziehform auf eine bestimmte Temperatur einzustellen. Jedoch ist
es vorteilhaft, wenn insbesondere bei Serienfertigung und da
durch bedingter kurzer Zyklus zeit die Formtemperatur geregelt
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt durchgeführt wer
den:
Zuerst wird das Verstärkungsmaterial erwärmt, bis es sich im weichelastischen Zustand befindet. Anschließend wird das Ver stärkungsmaterial an den gewünschten Stellen auf die Positiv- Tiefziehform drapiert. Gleichzeitig wird eine Kunststoffplatte in einen Rahmen eingespannt und solange erwärmt, bis sie sich im weichelastischen Zustand befindet. Aufgrund ihres Eigengewichts wird sie ab einer bestimmten Temperatur durchhängen und somit vorgestreckt. Ist die gewünschte Temperatur bzw. der gewünschte Vorstreckgrad erreicht, wird der Rahmen mit der Kunststoffplatte auf die Form und die darauf befindlichen Verstärkungsmaterialien abgesenkt. Durch Anlegen von Vakuum wird dann der weichelasti sche Kunststoff unter Einwirkung des Atmosphärendrucks gegen die Formoberfläche sowie gegen das Verstärkungsmaterial gepreßt und dadurch das Formteil ausgebildet. Das Verstärkungsmaterial muß sich zu diesem Zeitpunkt noch im weichelastischen Zustand befin den, oder aber die Kunststoffplatte muß eine ausreichende Wärme menge zur Erweichung des Verstärkungsmaterials übertragen kön nen. Unter diesen Bedingungen stellt sich dann eine Verschwei ßung zwischen Kunststoffplatte und Verstärkungsmaterial ein.
Zuerst wird das Verstärkungsmaterial erwärmt, bis es sich im weichelastischen Zustand befindet. Anschließend wird das Ver stärkungsmaterial an den gewünschten Stellen auf die Positiv- Tiefziehform drapiert. Gleichzeitig wird eine Kunststoffplatte in einen Rahmen eingespannt und solange erwärmt, bis sie sich im weichelastischen Zustand befindet. Aufgrund ihres Eigengewichts wird sie ab einer bestimmten Temperatur durchhängen und somit vorgestreckt. Ist die gewünschte Temperatur bzw. der gewünschte Vorstreckgrad erreicht, wird der Rahmen mit der Kunststoffplatte auf die Form und die darauf befindlichen Verstärkungsmaterialien abgesenkt. Durch Anlegen von Vakuum wird dann der weichelasti sche Kunststoff unter Einwirkung des Atmosphärendrucks gegen die Formoberfläche sowie gegen das Verstärkungsmaterial gepreßt und dadurch das Formteil ausgebildet. Das Verstärkungsmaterial muß sich zu diesem Zeitpunkt noch im weichelastischen Zustand befin den, oder aber die Kunststoffplatte muß eine ausreichende Wärme menge zur Erweichung des Verstärkungsmaterials übertragen kön nen. Unter diesen Bedingungen stellt sich dann eine Verschwei ßung zwischen Kunststoffplatte und Verstärkungsmaterial ein.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
darin zu sehen, daß sich Verstärkungen nur an den Positionen in
ein Tiefzieh-Bauteil einbringen lassen, wo es für die Funktion
vorteilhaft ist, während an anderen Stellen im Bauteil höhere
Flexibilität zugelassen werden kann.
Der für die genannte Verschweißung erforderliche Wärmehaushalt
läßt sich beispielsweise unter folgenden Prozeßparametern reali
sieren:
Verwendet wird ein untemperiertes Gipsmodell, das mit Nylon
gewebe überzogen ist.
- - Zusammensetzung: 60 Gew.-% Glasfaser unidirektio nal, 40 Gew.-% Polypropylen
- - Abmessung: 0,05 × 0,5 × 20 cm = 1 cm3
- - therm. Eigenschaft: Wärmekapazität Cp = 1,54 J/g K Wärmeleitfähigkeit λ = 0,42 W/m K
- - Temperatur: 25°C (kühlt nach dem Drapieren auf Raumtemperatur ab!)
- - benötigte Wärmemenge: 160 J (Erwärmen von 25°C auf 165°C) pro Verstärkungsstreifen.
- - Zusammensetzung: 100% Polypropylen
- - Volumen Grenzschicht: 0,1 × 0,5 × 20 cm = 2 cm3
- - therm. Eigenschaft: Wärmekapazität Cp = 1,9 J/g K Wärmeleitfähigkeit λ = 0,17 W/m K
- - Temperatur: 250°C
- - übertragbare Wärmemenge: 270 J (Abkühlen von 250°C auf 170°C) pro Verstärkungsstreifen.
- b) Ein gänzlich anderer Wärmehaushalt wird realisiert, wenn das Verstärkungsmaterial eine derart hohe Wärmemenge aufweist, daß das Material nicht unterhalb der zur Verschweißung not wendigen Temperatur abkühlt. Solche Verhältnisse liegen vor, wenn das Verstärkungsmaterial ausreichend Masse und Tempera tur aufweist. Die Wärmeübertragung vom Verstärkungsmaterial zur Form kann durch eine hohe Wandstärke sowie durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Verstärkungsmaterials mini miert werden.
- c) Unter folgenden Prozeßparametern konnte ein Abkühlen des aus
einem Schichtverbund bestehenden Verstärkungsmaterials unter
halb der Verschweißungstemperatur vermieden werden:
Form: untemperiertes Gipsmodell, mit übergezogenem Nylon gewebe.
- - Zusammensetzung Verstärkungsschicht: 60 Gew.-% Glasfaser unidirektio nal, 40 Gew.-% Polypropylen
- - Abmessung Verstärkungsschicht: 0,05 × 2,5 × 20 cm = 2,5 cm3 (= 3,73 g)
- - Zusammensetzung Wärme speicher- und Isola tionsschicht: 100% Polypropylen
- - Abmessung Wärmespeicher- und Isolationsschicht: 0,1 × 2,5 × 20 cm = 5,0 cm3 (= 4,5 g)
- - Therm. Eigenschaft: Wärmekapazität Cp = 1,74 J/g K Wärmeleitfähigkeit λ = 0,25 W/m K
- - Temperatur: 250°C (kühlt nach dem Drapieren auf T < 170°C ab!)
- - maximal zulässiger Wärmeverlust: 1120 J pro Verstärkungsstreifen.
Es hat sich gezeigt, daß die Wärmemenge von 1120 J nicht in
nerhalb von 120 s aus dem Verstärkungsmaterial abgegeben wer
den kann. Daher ist eine Verschweißung sichergestellt.
Das erwärmte und somit weichelastische Verstärkungsmaterial
neigt zur Haftung auf der Positiv-Tiefziehform. Daher genügt zur
Befestigung der Verstärkungsmaterialien auf der Form in vielen
Fällen ein einfaches Auflegen. An senkrechten Flächen kann das
Verstärkungsmaterial mit kleinen Stiften befestigt werden.
In der Zeichnung sind einige als Beispiele dienende Ausführungs
formen der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung
einer Fußorthese;
Fig. 2 einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Knöchelgelenks als Gelenk mit Feder-Rückholsystem
und
Fig. 3 ein erfindungsgemäß hergestelltes Kunststoffbau
teil in Form eines Chéneau-Boston-Wiesbaden-
Korsetts.
In Fig. 1 ist unter a) schematisch ein Wärmeofen 1 angedeutet,
in dem eine in einem Spannrahmen 2 montierte Polypropylenplatte
3 zusammen mit einem aus Polypropylen/Glasfaser-Verstärkungs
schicht und Polypropylen-Wärmespeicher/Isolationsschicht beste
henden Verstärkungsmaterial 4 auf 250°C erwärmt werden. An
schließend wird das Verstärkungsmaterial 4 auf eine mit Va
kuumanschluß 5 versehene Gipsform 6 eines Patientenfußes dra
piert (1b). Nach spätestens 120 s wird die Polypropylenplatte 3
über die Positiv-Tiefziehform 6 gezogen (1c). Durch Anlegen von
Vakuum wird das Plattenmaterial gegen die Form 6 sowie gegen das
Verstärkungsmaterial 4 gepreßt (1d). Nach Abkühlen kann das Bau
teil entformt und spanend nachgearbeitet werden (1e).
Bei dieser Herstellung der Fußorthese können folgende Bedingun
gen eingestellt werden:
Form: Gipsmodell, mit Nylongewebe überzogen, Raumtemperatur (untemperiert)
Form: Gipsmodell, mit Nylongewebe überzogen, Raumtemperatur (untemperiert)
- - 0,05 × 2,5 × 20 cm, 60 Gew.-% Glasfaser unidirektional, 40 Gew.-% Polypropylen mit
- - 0,3 × 2,5 × 20 cm, 100 Gew.-% Polypropylen als Wärmespeicher- und Isolationsschicht
- - Vorwärmtemperatur: 250°C
- - Zusammensetzung: 100% Polypropylen
- - Abmessung: 0,3 × 70 × 50 cm
- - Vorwärmtemperatur: 250°C.
In Fig. 2 ist schematisch die Herstellung eines Knöchelgelenks
als Gelenk mit Feder-Rückholsystem nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren dargestellt.
Auf eine mit PTFE beschichtete 2-teilige Aluminiumform 7 werden
zwei Verstärkungselemente 8, jeweils bestehend aus 50 Gew.-%
unidirektional angeordneten Carbonfasern und 50 Gew.-% PA 12
drapiert. Über die Aluminiumform 7 mit den drapierten, streifen
förmigen Verstärkungselementen 8 wird anschließend eine plasti
fizierte PA 12-Platte 3 gezogen (a). Nach dem Erkalten wird das
Gelenk entformt und spanend nachgearbeitet (b). Zum Abschluß
werden Rohrverbindungsmuffen 9 eingesetzt (c). Die Abbildung (d)
zeigt das fertige Gelenk in gebeugtem Zustand.
Fig. 3 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stelltes Chéneau-Boston-Wiesbaden-Korsett 10. Bei diesem Bauteil
sind auf seiner Rückseite parallel zu der Rückenöffnung zwei
Verstärkungselemente 11 angeordnet. Auf der Vorderseite des Bau
teils befindet sich ein weiteres, in Brusthöhe um ca. 40° abge
winkeltes Verstärkungselement 12.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen, partiell
verstärkten Kunststoffbauteilen durch Warmformung, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung der partiell verstärkten
Bauteilbereiche warmformbare Verstärkungsmaterialien ver
wendet werden, die Fasern mit einer Länge < 1 mm enthalten,
durch Wärmeübertragung in weichelastischen Zustand über
führt und dann auf eine Positiv-Tiefziehform an definierten
Stellen und in definierter Orientierung drapiert werden,
worauf dann eine zuvor plastifizierte Kunststoffplatte über
die mit dem Verstärkungsmaterial drapierte Form gezogen und
durch Anlegen von Vakuum an die Form unter Einwirkung des
Atmosphärendruckes so gegen die Formoberfläche und das Ver
stärkungsmaterial gedrückt wird, daß die vorhandene Wärme
menge des Verstärkungsmaterials zu dessen Verschweißung mit
der Kunststoffplatte führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zur Erzielung einer Schweißverbindung erforderliche Wärme
menge von der plastifizierten Kunststoffplatte auf das Ver
stärkungsmaterial übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern im Verstärkungsmaterial uni- oder multi
direktional angeordnet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fasern im Verstärkungsmaterial ho
mogen verteilt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmaterial Abschnitte aus
mit thermoplastischen Matrices imprägnierten Faserbündeln
verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Verstärkungsmaterial ein Schichtverbundwerkstoff
verwendet wird, der zumindest eine faserhaltige Verstär
kungsschicht und eine als Wärmespeicher dienende Schicht
aus unverstärktem Kunststoff aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu plastifizierende Kunststoffplat
te in einen Rahmen eingespannt und solange erwärmt wird,
bis sie einen weichelastischen Zustand erreicht hat, im
Rahmen durchhängt und somit vorgestreckt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die plastifizierte Kunststoffplatte durch
Druckluft vorgestreckt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Positiv-Tiefziehform
beschichtet oder mit einem wärmeformbeständigen Gewebe oder
einer entsprechenden Folie überzogen wird.
10. Kunststoffbauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
seine Ausbildung als Federelement.
11. Kunststoffbauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine
Ausbildung als Gelenkersatz mit Feder-Rückholsystem.
12. Kunststoffbauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine
Ausbildung als Teil einer Prothese oder Orthese.
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Family Applications (2)
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