DE19963531C2 - Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Seilrollen, Laufräder oder dergleichen aus Kunststoff - Google Patents
Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Seilrollen, Laufräder oder dergleichen aus KunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile
wie Seilrollen, Laufräder oder dergleichen aus Kunststoff, insbesondere aus Guß-
Polyamiden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Aufl., ist unter U9, 2.2.3 "Seilrollen
und Seiltrommeln" der Hinweis enthalten, dass an Autokranen Seilrollen auch aus
Kunststoff, vorzugsweise Polyamid-Guß verwendet werden. Die Herstellung von Guß-
Polyamid-Formkörpern wie Seilrollen, Laufräder oder vergleichbare
rotationssymmetrische Bauteile ist bekannt (Kunststoff Handbuch VI, Polyamide, Carl
Hanser Verlag 1966, S. 46-49). Bei dem bekannten Verfahren geht man von zwei
Komponenten A und B aus, wobei die eine Komponente A eine Katalysator enthaltene
Lactamschmelze und die Komponente B eine Aktivator enthaltene Lactamschmelze
ist. Die beiden Komponenten werden gemischt, in eine erwärmte Form transportiert
und dort auspolymerisiert. Nach der Polymerisation und Auskristallisierung wird das
erstarrte Gußteil der Form entnommen und falls erforderlich einer mechanischen
Nachbearbeitung zugeführt. Bevorzugtes Lactam ist ε-Caprolactam, darüber hinaus
können andere Lactame sowie die entsprechenden C-substituierten Lactame
eingesetzt werden.
Bevorzugt werden rotationssymmetrische Bauteile, wie Seilrollen, Seilscheiben,
Laufräder oder dergleichen im Schleudergussverfahren hergestellt. Bei diesem
Verfahren rotiert die beheizte Form mit hoher Geschwindigkeit um eine horizontal oder
vertikal angeordnete Achse. Dabei wird die eingegossene Rohmaterialschmelze durch
die Zentrifugalkraft an die Formwand gepreßt, um Schrumpflunker und Lufteinschlüsse
zu verhindern.
Der Einsatz von Seilrollen oder Seilscheiben aus Kunststoff im Kranbau bietet folgende
Vorteile: Die Beanspruchung des Seiles ist wegen der günstigen Pressungsverteilung
zwischen Seilrolle und Seil geringer, so dass das Seil dadurch und durch den
geringeren Verschleiß eine wesentlich höhere Lebensdauer erreicht. Zusätzlich bietet
die Seilrolle aus Kunststoff Gewichts- und Kostenvorteile.
Das größte Problem der Seilrolle aus Kunststoff ist die Beanspruchung des
Nabenbereiches (Lagersitz). Aus Kostengründen und wegen des Platzbedarfes (Breite
des Lagers) wird ein möglichst kleinbauendes Lager verwendet. Da bei höheren
Temperaturen, im extremen Fall können im Sommer bis zu 50°C erreicht werden, der
E-Modul des Polyamides stark absinkt (20°C: 2800 N/mm2; 50°C: 1400 N/mm2)
beginnt bei Schrägzug des Seiles der Lagersitz an der Kante nachzugeben. Dadurch
entsteht insbesondere an der Kante des Lagersitzes eine zu hohe Pressung. Durch die
Schrägstellung der Seilrolle verschiebt sich die Last und der Schrägzug erhöht sich
weiter bis zum Versagen der Seilrolle.
In der DE 44 27 206 A1 wird vorgeschlagen, ein Faserverbundmaterial in Form von
Matten, Rovings, Gewebe, Nadelfließ bzw. Filz, bestehend aus Glas- oder
Kunststofffasern vor dem Polymerisationsvorgang ortsfest in die Form einzubringen,
die Form dann auszugießen, um somit durch diese Verstärkungsstoffe die
mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass
dieses Verfahren sehr unsicher und aufwendig ist. Der Polymerisationsprozeß wird
durch den Eintrag von Feuchtigkeit und durch die Anwesenheit von Schlichten auf den
Fasern gestört. Die erwartete Zunahme der Festigkeitseigenschaften, vor allem in den
Bereichen der Bauteile, wo sie erforderlich sind, ist durch die fehlende
Reproduzierbarkeit nicht gegeben.
Aus der DE 193 68 22 B ist ein Verfahren zum Herstellen von Kunststoffteilen mit
einstellbaren mechanischen Eigenschaften bekannt. Bei diesem Verfahren werden
Teilchen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) im Kunststoff eingebettet.
Das Problem dabei ist, eine vollständige und gleichmäßige Verteilung der Teilchen aus
PTFE in der Kunststoffmasse zu erreichen, damit sowohl die Oberfläche des
herzustellenden Gegenstandes, als auch jede beliebige Schnittfläche gleichmäßig
durchsetzt sind. Diese Anforderung ist deshalb so schwer zu erfüllen, da die Viskosität
der geschmolzenen Kunststoffmasse vergleichsweise gering ist, so dass die ein hohes
spezifisches Gewicht aufweisenden PTFE-Teilchen verhältnismäßig rasch in der
geschmolzenen Kunststoffmasse absinken und sich somit an einer Stelle anreichern.
Das geschilderte Problem wird in der Weise gelöst, dass in einer Vorstufe Teilchen
eines thermoplastischen Kunststoffes mit Teilchen aus PTFE so gemischt werden,
dass die Mischung im geschmolzenen Zustand des Kunststofffes die Dichte des
gießfähigen Polymerisat aufweist. Durch die Egalisierung der Dichtunterschiede
kommt es danach nicht mehr zu einer Entmischung infolge des Absinkens der PTFE-
Teilchen im gießfähigen Polymerisat. Nach dem Erkalten der Mischung aus Kunststoff-
und PTFE-Teilchen wird diese granuliert und das Granulat entsprechend den
gewünschten mechanischen Eigenschaften dem gießfähigen Polymerisat zugemischt.
Es ist bekannt, dass PTFE ausschließlich aus tribologischen Gründen hinzugefügt
wird, um das Reib- und Verschleißverhalten günstig zu beeinflussen. Die Zugabe von
PTFE führt aber in allen Fällen zu einer Abnahme der Festigkeit. Dies trifft auch dann
zu, wenn ein anderer Kunststoff als Zwischenträger für die PTFE-Partikel verwendet
wird. Eine Einstellung mechanischer Eigenschaften beliebiger Art ist mit einer Zugabe
von PTFE nicht möglich.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der genannten Schrift wird eine erste Schicht in
der Gussform anpolymerisiert. Daraufhin wird in die Form eine Schicht aus einem
vierten Material, beispielsweise eine Glasfasermatte eingebracht, ehe die nächste
Schicht gegossen wird. Dieses vorgeschlagene Einlegen von Glasfasern als
Zwischenschicht lässt sich ohne Fixiermittel nicht realisieren, da die Glasfaserschicht durch
das Eigengewicht und den Massenstrom der nächsten Schicht nach unten bewegt wird. Bei
Verwendung von Fixierelementen werden diese einpolymerisiert, was neben dem erhöhten
und störenden Arbeitsaufwand erhebliche Qualitätsmängel zur Folge hat.
Die Schrift DE 196 03 302 A1 beschreibt ein Verfahren zur aktivierten anionischen Lactam-
Polymerisation, bei dem ein Flüssigkeitssystem zur Anwendung kommt, welches zugleich
einen Aktivator und einen anionischen Katalysator für die Polymerisation von Lactam enthält.
Das Flüssigkeitssystem wird dabei einer reinen trockenen Lactamschmelze zugemischt.
Bevorzugt wird dieses Verfahren als Schleudergussverfahren zur Herstellung von Behältern
durchgeführt, wobei in die verwendete Schleudergussform Fasergebilde eingelegt sein
können. Angestrebt wird dabei die Erzeugung von Endprodukten mit hoher Bruchfestigkeit
oder mit guten Sperreigenschaften gegen flüssige Medien wie Treibstoffe.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung
rotationssymmetrischer Bauteile wie Seilrollen, Laufräder oder dergleichen aus Kunststoff,
vorzugsweise aus Guss-Polyamiden anzugeben, mit dem reproduzierbar die in
ausgewählten Bereichen erforderliche Fertigkeitszunahme erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil
von Unteransprüchen.
Kern der Erfindung ist die Verwendung von Lactamschmelzen unterschiedlicher Rezepturen
und Zusammensetzungen mit im auspolymerisierten Zustand unterschiedlichen
Festigkeitseigenschaften, die in Abhängigkeit vom Polymerisationsablauf ohne Abbruch des
Schleudervorganges zeitlich aufeinanderfolgend in die Form gegossen werden.
Durch gezielte Zugabe von Füll- und/oder Verstärkungsstoffen, wie z. B. Glas-, Kohlenstoff-,
Aramid- und Naturfasern, laminares Talkum, silanbehandeltes Wollastonit, Talk-Pellets etc.
oder Glaskugeln, können neben der Variation von Lactamen, Aktivatoren, Katalysatoren,
Kristallisationsbeschleuniger etc. die Werkstoff- und Baueigenschaften wie E-Modul,
Zugfestigkeit, Arbeitsaufnahmevermögen etc. erheblich erhöht bzw. gezielt beeinflußt
werden. Um z. B. den Nabenbereich gezielt zu verstärken, wird zuerst eine definierte mit
Katalysator und Aktivator versehene gut durchmischte ε-Caprolactamschmelzenmenge, die
dem Volumen des Bauteils vom äußeren Rand radial nach innen zum Nabenanfang
entspricht, in die rotierende beheizte Form eingegossen und danach ohne die Rotation zu
unterbrechen das weitere Eingießen gestoppt. Zum Zeitpunkt des Polymerisationsbeginns
des bereits in
die Form eingegossenen Volumens, wird für den Nabenbereich eine zweite, ebenfalls
mit Katalysator und Aktivator aber mit Verstärkungsstoffen wie Glaskugeln oder
Glasfasern versehene durchmischte ε-Caprolactamschmelze mit im Endzustand
erhöhten Festigkeitseigenschaften eingegossen.
Da mit dem Beginn des Polymerisationsprozesses eine stetige Viskositätserhöhung
der Lactamschmelze verbunden ist, findet beim Aufgießen von weiterer
Lactamschmelze zwar eine innige und homogene Verbindung der beiden Schmelzen
im Kontaktbereich statt, jedoch wird durch diesen Verfahrensablauf eine
Durchmischung beider Lactamschmelzen verhindert. Nach der vollständigen
Auspolymerisation wird der Gusskörper der Form entnommen und wie bisher
mechanisch weiterverarbeitet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Festigkeitszunahme in
ausgewählten Bereichen auch dadurch möglich, dass ein oder mehrere festigkeits-
und aussteifungserhöhende Elemente vor dem Gießprozess in die Gussform eingelegt
werden und mit den zugegebenen Rohmaterialschmelzen einen form- und/oder kraft-
oder stoffschlüssigen Verbund bilden. Vorzugsweise ist ein solches Einlegeelement
aus Metall, dessen Festigkeitsniveau mindestens gleich ist oder über dem der
verstärkten Rohmaterialschmelze liegt. Um einen guten Verbund zu erzielen, werden
die Oberflächen des Einlegeelementes vor dem Vergießen aufgerauht und/oder die
Einlegeelemente mit Vertiefungen, Nuten oder Durchbrüchen wie z. B. Schlitze oder
Bohrungen versehen. Als Werkstoff für das Einlegeelement wird vorteilhaft Al bzw.
eine Al-Legierung eingesetzt, da das spezifische Gewicht niedrig und die Festigkeit im
Vergleich zum Kunststoff hoch ist.
Das Verfahren ist geeignet für alle rotationssymmetrischen Bauteile, die ringartige
Volumenteile unterschiedlicher Festigkeit aufweisen. Neben dem Nabenbereich kann
auch der nicht minder belastete Randbereich des Bauteiles, z. B. Seilrillenbereich,
durch das neue Verfahren verstärkt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorteile der aus
Kunststoff hergestellten Bauteile weiterhin genutzt werden, insbesondere das niedrige
Gewicht und das günstigere Pressungs- und Verschleißverhalten, ohne Nachteile im
hoch beanspruchten Naben- bzw. Lagerbereich in Kauf nehmen zu müssen. Zusätzlich
bietet das Verfahren die Möglichkeit, bei drucklos gegossenen Bauteilen oder
Halbzeugen schichtweise unterschiedliche Materialien einzubauen, z. B. für
Sandwichplatten oder dergleichen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1 einen ersten Arbeitsschritt zur Herstellung einer Seilrolle in einer ersten
Ausführungsform
Fig. 2 einen zweiten Arbeitsschritt
Fig. 3 einen dritten und letzten Arbeitsschritt
Fig. 4 einen ersten Arbeitsschritt zur Herstellung einer Seilrolle in einer
zweiten Ausführungsform
Fig. 5 einen zweiten Arbeitsschritt
Fig. 6 einen dritten Arbeitsschritt
Fig. 7 einen vierten und letzten Arbeitsschritt
In den Fig. 1 bis 3 sind die wesentlichen Arbeitsschritte zur Herstellung einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Seilrolle in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
In einem ersten Arbeitsschritt wird in eine hier nur schematisch angedeutete geteilte
1.1; 1.2 Gussform 1 eine definierte mit Katalysator und Aktivator versehene gut
durchmischte ε-Caprolactamschmelzenmenge eingegossen. Der Drehpfeil 2 soll
verdeutlichen, dass die beheizte Gussform 1 sich während des Eingießens dreht. Die
zuerst eingegossene Schmelzenmenge entspricht dem radialen Volumen 3 des
Bauteiles vom äußeren Rand 4 nach innen bis zum Nabenanfang 5. Nach diesem
Eingießen der ersten Schmelzenmenge wird, ohne die Rotation 2 der Gussform 1 zu
unterbrechen, das weitere Eingießen gestoppt. Es setzt die Polymerisation der ersten
Schmelzenmenge ein. Sobald diese das gesamte Volumen 3 erfasst hat, wird eine
zweite, ebenfalls mit Katalysator und Aktivator, aber mit Verstärkungsstoffen
versehene gut durchmischte ε-Caprolactamschmelze eingegossen. Da mit dem
Beginn des Polymerisationsprozesses eine stetige Erhöhung der Viskosität der
Lactamschmelze verbunden ist, findet beim Aufgießen einer weiteren Lactamschmelze
zwar eine innige und homogene Verbindung statt, jedoch wird durch den
vorgeschlagenen Verfahrensablauf eine Durchmischung beider Lactamschmelzen
verhindert. Die zweite eingegossene ε-Caprolactamschmelze 6 (Fig. 2) weist im
auspolymerisierten Zustand erhöhte Festigkeitseigenschaften auf.
Durch die in Fig. 1 und 2 erläuterte Verfahrenstechnik wird in diesem
Ausführungsbeispiel der Nabenbereich gezielt verstärkt. Fig. 3 zeigt die so
hergestellte Seilrolle 7 nach der Entnahme aus der Gussform 1 und einer
mechanischen Bearbeitung. Um das hier nicht dargestellte Lager aufnehmen zu
können, wurde im verstärkten Nabenbereich 6 eine Bohrung 8 angebracht und zwar
so, dass der Mantelbereich 6' bis zu einer gewissen Dicke aus der höherfesten ε-
Caprolactamschmelze besteht. In diesem Mantelbereich 6' können die im Lagersitz
auftretenden hohen Flächenpressungen besser aufgefangen werden, so dass es nicht
zu einem Nachgeben insbesondere im Kantenbereich 9 kommt.
In den Fig. 4-7 sind die wesentlichen Arbeitsschritte zur Herstellung einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Seilrolle in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
Dabei wurden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. In einem ersten
Arbeitsschritt (Fig. 4) wird in die Gussform 1 ein den Nabenbereich aussteifendes
Einlegeelement 10 eingelegt. Vorzugsweise ist dieses Einlegeelement 10 aus Metall.
Damit beim Eingießen zwischen dem Einlegeelement 10 und der Schmelze ein
möglichst inniger Verbund entsteht, sind im Einlegeelement 10 mehrere Durchbrüche
11, 12 in Form von Bohrungen angeordnet. Das Einlegeelement 10 ist im Hinblick auf
eine gezielte Verstärkung des Nabenbereiches als zylindrische Buchse 14 ausgebildet,
die einen in den Körper der Seilrolle sich erstreckenden scheibenartigen Kragen 13
aufweist.
Nach der Fixierung des Einlegeelementes 10 in der Gussform 1 wird die beheizte
Gussform 1 in Rotation versetzt (siehe Drehpfeil 2). Es folgt das Eingießen der ersten
ε-Caprolactamschmelze in den Randbereich 15 des Bauteiles. Die Kreuzschraffur soll
verdeutlichen, dass es sich um eine mit Verstärkungsstoffen versetzte Schmelze
handelt, um den Seilrollenbereich 15 gezielt zu verstärken. Wie schon zuvor in Fig. 1
und 2 erläutert, wird wieder der Polymerisationsbeginn der zuerst eingegossenen
Schmelze abgewartet, ehe das Eingießen der zweiten Schmelze beginnt. Die zweite
Schmelze, die keine Verstärkungsstoffe aufweist, füllt den Restbereich 16 vom
Randbereich 15 bis zum Nabenbereich auf. Dabei kommt es zum Hineinfließen der
Schmelze in die Öffnungen 11, 12 des Einlegeelementes 10 (Fig. 6).
In Fig. 7 ist die fertige Seilrolle 17 nach der Entnahme aus der Gussform und der
mechanischen Bearbeitung dargestellt. Zur Aufnahme des Lagers wurde eine Bohrung
18 angebracht, die in diesem Ausführungsbeispiel der Innenfläche 19 des
Einlegeelementes 10 entspricht. Es gibt andere Anwendungsfälle, bei denen man eine
Teilschicht 20 der Schmelze in der Bohrung 18' stehen lässt (hier durch gestrichelte
Linien dargestellt).
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile, wie Seilrollen,
Laufräder oder dergleichen aus Kunststoff, insbesondere aus Guß-Polyamiden,
bei dem der den Kunststoff charakterisierende Rohstoff vorzugsweise
ε-Caprolactam mit variabel vorgebbaren Anteilen von Katalysatoren,
Aktivatoren und Stabilisatoren vermischt und die so erzeugte
Rohmaterialschmelze in erwärmte Formen gegossen und nach der
Polymerisation die Form geöffnet und das gegossene Bauteil entnommen und
falls erforderlich, mechanisch weiterverarbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass Rohmaterialschmelzen unterschiedlicher Rezepturen und
Zusammensetzungen mit im auspolymerisierten Zustand unterschiedlichen
mechanischen Festigkeitseigenschaften jeweils stufenweise, d. h. in
Abhängigkeit vom Polymerisationsablauf zeitlich aufeinanderfolgend in die Form
gegossen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in die Rohmaterialschmelzen Füll- und/oder Verstärkungsstoffe
zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füll- und/oder Verstärkungsstoff eine Faser ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füll- und/oder Verstärkungsstoff ein Rundkörper aus Glas ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere festigkeits- und aussteifungserhöhende Elemente vor
dem Gießprozess in die Gussform eingelegt werden und mit den zugegebenen
Rohmaterialschmelzen einen form- und/oder kraft- oder stoffschlüssigen
Verbund bilden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Festigkeitsniveau der Einlegeelemente mindestens gleich ist oder
über dem der verstärkten Rohmaterialschmelzen liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Einlegeelement aus Metall ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass für das Einlegeelement Al oder eine Al-Legierung verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächen des bzw. der Einlegeelemente vor dem Vergießen
aufgerauht und/oder mit Vertiefungen, Nuten oder Durchbrüchen versehen
werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohmaterialschmelzen ohne Abbruch des Schleudervorganges in eine
Schleudergußform eingefüllt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur gezielten Verstärkung des Nabenbereiches zuerst eine definierte mit
Katalysator und Aktivator versehene gut durchmischte
ε-Caprolactamschmelzenmenge, die dem Volumen des Bauteiles vom äußeren
Rand radial nach innen bis zum Nabenanfang entspricht, in die rotierende
beheizte Form gegossen und danach, ohne die Rotation zu unterbrechen, das
weitere Eingießen gestoppt und zum Zeitpunkt des Polymerisationsbeginns des
bereits in die Form eingegossenen Volumens für den Nabenbereich eine
zweite, ebenfalls mit Katalysator und Aktivator, aber mit Verstärkungsstoffen
versehene durchmischte ε-Caprolactamschmelze mit im auspolymerisierten
Zustand erhöhten Festigkeitseigenschaften eingegossen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich in den Randbereich des Bauteiles eine ε-Caprolactamschmelze
mit im auspolymerisierten Zustand erhöhten Festigkeitseigenschaften
eingegossen wird.
13. Verfahren nach einem der Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur gezielten Verstärkung des Rand- und Nabenbereiches des Bauteiles
vor dem Gießprozess ein den Nabenbereich festigkeits- und
aussteifungserhöhendes Element in die Gussform eingelegt wird und in die
rotierende beheizte Form zuerst in den Randbereich des Bauteiles eine mit
Verstärkungsstofffen versehene ε-Caprolactamschmelze mit im
auspolymerisierten Zustand erhöhten Festigkeitseigenschaften eingegossen
wird und danach, ohne die Rotation zu unterbrechen, das weitere Eingießen
gestoppt und zum Zeitpunkt des Polymerisationsbeginns der bereits in die Form
gegossenen Schmelze für den Restbereich eine mit Katalysator und Aktivator
versehene gut durchmischte ε-Caprolactamschmelze eingegossen wird.
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