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Verfahren zum Aus schäumen von plattenförmigen
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Bauteilen und Vorrichtungen zum Lurchführen des Verfahrens".
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschäumen von Reaktionsharzen
in plattenförmigen, dünnen Bauteilen und nach Bedarf mit vorprogrammierbarer Steuerung
ausgestattete Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei herkömmlichen, bekannten Verfahren, in dünne Flächenelemente zwischen
Beplankungen einen Schaum einzubringen, läßt man das Reaktionsharz in der voraus
berechneten Menge etwa in Flächenmitte in das horizontal liegende Bauteil einfließen.
Es bildet dann entsprechend seiner Viskosität eine mehr oder weniger große Flüssigkeitspfütze.
Je nach chemischer und physikalischer Beschaffenheit verteilt sich das Reaktionsprodukt
beim Aufschäumen.
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Zunächst tritt ein vorwiegend vertikales Treiben ein.
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Liegt die Schaumkrone an der Bauteilbeplankung an, baut sich ein Sohäumdruck
auf. Damit sich unter diesel Innendruck
druck das Bauteil nicht
verformt bzw. die Beplankung verwölbt, ist eine äußere Auflast aufgebracht, die
dem Innendruck entgegenwirkt und die Ebenheit des Bauteils erhält.
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In der folgenden Phase weicht der Schaumkuohen innerhalb des Bauteils
mehr und mehr in den freien Raum, wobei eine vorwiegend horizontale Bewegung des
Schaumes stattfindet, so lange bis sohließlioh der gesamte Hohlraum verfüllt ist.
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Je nach Beschaffenheit und Art des Reaktionsharzes treten im Schaum
bei langem horizontalen Treiben Struktur- und Gefügestörungen auf, weil die Reibung
an den Hohlraumbegrenzungsflächen bewegungshemmend zu unterschiedlicher Textur des
Schaumes fUhrt. Mitunter bewirkt der Schub des horizontal treibenden Schaumkuchens
sogar einen Abriß der schon anhaftenden Randzone. Gefügeschäden sind dann unausbleiblich.
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Es gibt z.B. Phenolharze, die ohne zusätzliche Treibmittel geschäumt,
die Eigenschaft besitzen, mit dem Treiben dann zu beginnen, wenn die Polykondensation
einsetzt. Das bedeutet, daß keine langen Treibwege möglich sind, aber auch, daß
der anhärtende Schaum durch das Treiben bereits zerstört wird.
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Wollte
Wollte man nach den bekannten Verfahren beispielsweise
einen Hohlraum eines Bauteils in den Abmessungen 60 x 250 x 3 cm in der Weise ausschäumen,
daß in Flächenmitte das Harz in einer Menge von rd. 2,5 1 eingebracht würde, so
würde an der Stelle höchster Schüttung wegen der größten Erwärmung nicht nur die
porenreichiite Struktur entntohen, oondern auch ein Schaum, der sich in Dichte,
Festigkeit und Textur -erheblich von dem Schaum in den Bauteilecken unterscheidet.
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Um diesen Strukturunterschieden zu begegnen, wendet man Injektionsrohre
(Lanzen) an, mit Hilfe derer das Harz so im Hohlraum verteilt wird, daß der Schaum
etwa gleich lange Treibwege zurücklegen muß. Hierbei läßt es sich allerdings nicht
vermeiden, daß es durch geringfügige Dickenunterschiede der Harzpftttze zu Blasenbildung
und an der oberen Beplankung zu Lufteinschlüssen kommt, dann nämlich, wenn die ßchaumkrone
keine Kuppe, sondern ring- oder kransförmig sich ausbildet.
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Es ist bei den bekannten Reaktionsharzen üblich, Lanzen zu benützen,
um es in den Hohlraum einzubringen. Die erwähnten Nachteile der Blasen- und Hohiraumeinschlüsse
sind dabei jedoch unvermeidbar, wenn es sich um sehr schlanke Hohlräume mit extremer
Verhältnis von Länge zur Breite und Dicke handelt, besonders dann, wenn ohne
ohne
konventionelle Treibmittel getrieben wird.
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Phenolharze der genannten Art sind schlechthin nicht geeignet zur
Verschäumung schlanker Hohlräume in plattenförmigen Bauteilen.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die bestehenden Nachteile
bei der Einbringung und Verschäumung dadurch zu beseitigen, daß das Reaktionsharzgemisch
programmgesteuert so eingebracht wird, daß der sich bildende Schaum sehr kurze,
vorwiegend vertikale Treibwege ausfUhrt. Dadurch entsteht ein homogenes Schaumgefüge
mit optimalen Eigenschaften, weil das geregelte Einbringverfahren auf die spezifische
Empfindlichkeit des Reaktionsharzes, auf Temperatur und Mischungszusammensetzung
abgestimmt ist. Dieses Verfahren eignet sich in ganz besonderer Art mg Weise deshalb
für solche Reaktionsharze, die keine großen Treibwege vertragen.
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Es ermöglicht sogar die Verwendung solcher Harze, die bisher als maschinell
nicht schäumbar galten.
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Nach dem erfindungsmäßigen Verfahren wird der Beginn des Schäumens
an dis von der Efltlüftwig#öffw#mg am weitesten entfernt liegenden Einbringstelle
gelegt.
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Dies wird dadurch erreicht, daß mit einem geringen Ueberschuß an Gemisch
ein Wärmestau erzwungen wird, wodurch örtlich begrenzt, die Temperaturen ansteigen,
so daß wiederum die exotherme chemische Reaktion zunehmend
zunehmend
beschleunigt, also ein circulus virtuosus in Gang gesetzt wird.
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Der Wärmestau läßt sich aber auch dadurch hervorrufen, daß die Initial-Gemischmenge
erst eine Weile z.B. in der entsprechend ausgebildeten Lanze beispielsweise und/
durch Reaktion oder Aufheizung erwärmt und dann erst in den auszuschäumenden Raum
eingebracht wird. Die partielle Erwärmung der Raumbegrenzung an der Schäumbeginnstelle
hat dieselbe Wirkung. Das Gemisch wird genau gesteuert, auf dem übrigen Hohlraumboden
so verteilt, daß ein durch senkrechtes Steigen gekennzeichneter Schaumschwall sich
ausbildet, der zuerst am entferntesten Punkt des Raumes beginnend sich zur Entlüftungsöffnung
hin bewegt.
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Durch die Schwallbewegung wird eine blasenfreie Verfüllung des Raums
mit Schaum garantiert, der einen optimalen Verbund zur Deckenbeplankung und optimale
Homogenität aufweist, weil keine horizontale Schiebebewegung stattfindet. Dies wird
nur dann erreicht, wenn nach dem erfindungsmäßigen Verfahren die Gemischein/ menge
pro Flächenheit außer der anfänglichen Überdosierung im übrigen konstant bleibt.
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Der Unterschied zum Stand der Technik liegt darin, daß mit der Stelle
der genau definierten Gemisch Übersohußmenge die Schäumung und deren Beginn gesteuert
und voraus bestimmbar##e#aoht wird. Unter Ausnutzung
Ausnutzung
der sich hieraus ergebenden Temperaturunterschiede kommt nämlich die Schäumung dort
zuerst in Gang, wo die höhere Temperatur herrscht. Das ist an der Stelle mit der
Gemischübersohußmenge.
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Die in Quantität und in zeitlicher Folge programmgesteuerte, genau
definierte Gemischeinbringung stellt eine Maßnahme dar, für welche u.a. das Patentbegehren
erhoben wird.
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Messungen haben eine Anisotropie der Porenstruktur gezeigt, wie aus
der höheren Elastizität des Schaums in Treibrichtung erkennbar ist, als in den Richtungen
senkrecht dazu. Mit dem Verfahren kommt es folglich zur Qualitätsverbesserung des
Verbundelements in der erwünschten Richtung. Die gezielte Strukturnutzung, allgemein
bekannt unter ~Textur-tailoring" dient daher unter Ausnutzung der verschiedenen
Schaumsteifigkeit eineSchaumverbundbauelement qualitativ zu verbessern.
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Die Besonderheit des erfindungsmäßigen Verfahrens liegt ferner darin,
daß der homogene Schaum auch noch in extrem dünnen Bauelementen entsteht, mit gezielter,
anisotroper Textur ganz nach dem Prinzip des ~Texturtailoring". Zwangsläufig besitzt
ein solches Schaumverbundbauelement hohe Gleichmäßigkeit in den gesu~nschten Eigenschaften,
wie z.B. Elastizität, restigkeit, Verbund, iampfdiffusion, Wärmedämmung.
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Die LUsung
Die Lösung der gestellten Aufgabe soll
an nachfolgendem Beispiel noch näher erläutert werden.
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In Fig. 1 sind im Grundriß zwei gegenliberliegende Pressen A und B
dargestellt zusammen mit dem mobilen Gerät D, bestehend aus Mischkopf und Lanze
und die Fläche 0, innerhalb welcher das Gerät operiert.
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In Fig. 2 ist das mobile Gerät schematisch im Aufriß dargestellt.
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In Fig. 3 sind in einem Längsschnitt durch ein beplanktes Bauteil
die zeitlichen Stadien des Verfahrens schematisch aufgezeigt.
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In Fig. 4 sind Ausführungsbeispiele für die Lanzenspitze der Spritzvorrichtung
abgebildet.
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In Fig. 5 ist ein Bauteilgefach im Längsschnitt dargestellt, mit Entlüftungsöffnung
E und Schäumloch 0, sowie schematisch die Verteilung des Mischguts unmittelbar nach
der Einbringung (asymmetrisch Verteilung) Fig. 6 zeigt ein schlankes Bauteilgefach
im Längsschnitt mit Entlüftungsöffnungen E auf beiden Stirnseiten und Schäumloch
0, sowie schematisch die Verteilung des Mischgut unmittelbar nach der Einbringung
(symmetrieche Verteilung) Das Kernstück
Das Kernstück des erfindungsmäßigen
Verfahrens ist eine maschinelle Anlage (siehe Fig. 1), die aus einem Gerät D mit
Mischkopf und Lanze und Pressen beliebiger Zahl, im Beispiel aus den beiden Pressen
A und B, besteht.
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Das stationäre oder mobile Gerät D operiert in dem schraffierten Bereich
C. Ein Beispiel der mobilen Ausführung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Es
3 besteht aus einem Wagen, einem Mischkopf 2 und der Lanze 4. Das Gerät ist an den
Harzkreislauf 5a über dem dahinterliegenden Härterkreislauf 5b und die Zuführung
6 für das Spülmittel angeschlossen. Elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch gesteuerte
Regelorgane werden vom Steuerpult 7 aus betätigt und arbeiten nach vorgegebenen
Programmen.
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Für die erfindungsmäßige Verschäumung stehen viele Spritzvorrichtung1
Programme zur Verfügung. Die/wahlweise Lanze, bringt die gemischten Komponenten
in definierter Art und Weise in gerader und oder oszillierender Verteilung in den
auszuschäumenden Raum ein. Bei der Ausschäumung geschlossener Räume findet eine
Lanze 4 Verwendung, welche das Gemisch abhängig von den Eigenschaften des Harzes
und Härter, dem Mischungsverhältnis, der Start- und Aushärtezeit, den Eigenschaften
des gewünschten Reaktionsprodukts, der Größe und Geometrie des auszuschäumenden
Hohlraums, der
der Temperatur und anderer Faktoren mehr, so injiziert,
daß zunächst mehr Gemisch an die Stelle gebracht wird, wo der Schäumprozeß zeitlich
zuerst in Gang kommen muß. Das übrige Gemisch wird im Raum verteilt, so daß sich
von der Stelle hoher spezfischer Injektion unter Ausnutzung der Reaktionswärme ein
Wärmestau entsteht, der einen Schaumsohwall zu den Entlüftungsöffnungen an den gegenüberliegenden
Stirnseiten des Hohlraums treibt.
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Die Lanze 4, siehe Fig. 2, ist auf dem Gerät wahlweise verfahrbar
und oder fest auf ihm schwenk- und drehbar angeordnet, wenn es stationär aufgestellt
wird. In besonders gelagerten Fällen führt eine beliebige Kombination der Anordnung
zum rationellsten Verfahren.
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Die Lanzenspitze 8 ist angeschrägt oder abgekröpft mit einer kreisrunden
oder Langloch-Austrittsöffnung, damit Mischgut auch dann austreten kann, wenn sie
gegen die Stirnfläche des Hohlraums angedrückt wird. Zum Start des Injezierprozesses
ist ein Anpressen erwünscht, um sicher zu sein, daß die Spitze sich auch wirklich
dort befindet, wo das erste Gemisch austreten soll. Verschiedene Ausführungsbeispiele
der Lanzenspitze 8 sind in Fig. 4 dargestellt.
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rür
Für die Anschrägung bzw. Abkröpfung wird in
Unteransprüchen Patentschutz beantragt, weil zuzüglich zu der Regelfunktion auch
noch der Tropfenfang bei Injektionsende durch Drehen der Lanze oder nur der Lanzenspitze
um ihre Längsachse bewerkstelligt wird.
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Die mobile Ausführung des Gerätes besitzt Fahrwerke, die vorzugsweise
durch voneinander unabhängige Antriebe in zwei zueinander senkrechten Riohtungen
Fahrbewegungen ausführen.
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Die Bauteile, horizontal in einer Presse liegend, welche den Schäumdruck
aufzunehmen hat, werden bei erfindungsmäßigen Verfahren mit kurzen Unterbrechungen
versohäumt, so daß zwischen dem Umsetzen von einer Presse zur anderen, keine Spülung
von Mischkopf und Lanze notwendig ist. Bei der Verschäumung offener Bauteile ist
das erfindungsmäßige Verfahren so anzuwenden, daß genügend Zeit vor der Schaumschwallbildung
zur Verfügung steht, um die Deckbeplankung aufzubringen.
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Bei der Verschäumung von Hohlräumen wird die Lanze durch das Schäumloch
0 in dem auszuschäumenden Gefach bis an die hintere Begrenzungsfläche des Hohlraums
geschoben. Erst wenn die Lanzenspitze dort ansteht, startet der Injektionsprozeß,
nachdem vorher die maßgebende Programmtaste am Steuerpult 7 gedrückt worden war.
Bei Ingangsetzung des Verfahrens ist die Lanze noch ohne Gemisch. Ee D3Ua ein zusätzliches
Programm
gramm gewählt werden, damit die Gemischmenge, um die in
der Lanze verbleibende Menge größer gewählt wird.
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Am Schäumloch 0 angekommen, dreht sich die Lanze um ihre eigene Achse,
durch Betätigung der Einrichtung 9, und verläßt erst dann den Hohlraum. Auf diese
Weise kommt es zu keinem Verlust bzw. Abtropfen.
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Die zeitlichen Stadien des Aussohäumverfahrens, in Fig. 3 dargestellt,
sind: to # Lanze an der hinteren Begrenzungsfläche i. Lanzenfühlung, anschließend
Gemischausstoß auf die Dicke di; tl - Lanzenspitze an der Stelle k, Gemischmenge
ist auf eine Dicke dk verteilt; t2 =A Lanzenspitze ist am Schäumloch 0 angekommen,
Gemisch dicke ist do; ~tD - Gemisch vollständig eingebracht, Lanzenspitze wird noch
im Hohlraum um 1800 gedreht; t4 # Lanze ist gezogen und wird in das nächste Gefach
umgesetzt. Schäumloch wird verschlossen, Gemischverteilung do =dk < di; t5 ^Die
Schäumung beginnt an der Stelle i, in der zeitlichen Folge bewegt sich der Schaumschwall
wie durch t6 bis t9 daxgestellt.
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Die Gefaohgröße ist durch Zahlen gekennzeichnet. Die KeanzZhl ist
in Abhängigkeit vom Querschnitt und Volumen
Volumen zugleich Prograinninummer,
so daß nach Betätigung des Programmknopfes die erforderliche Menge Gemisch zum vollständigen
Ausschäumen des Hohlraums eingebracht wird.
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Unter der Voraussetzung, daß die Zahl und räumliche An- und Zuordnung
der Pressen auf die erfindungsmäßige Einrichtung des Geräts mit Mischkopf und Lanze,
die Reaktionsharz- und Härtereigenschaften, die Gefachdimensionen und Aushärtezeit
abgestimmt werden, können auch Bauteile mit unterschiedlichen Gefachdimensionen
ohne zwischenzeitliche Spülung ausgeschäumt werden.
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Die große Beweglichkeit der Lanze ermöglicht nämlich selbst beikunen
Startzeiten des Gemisches ein schnelles Umsetzen der Lanze von Gefach zu Gefach
und von Bauteil zu Bauteil. Beispielsweise dient ein in Fig. 2 dargestelltes Umlegen
des Hebels 12 zum mechanischen Einziehen des Fahrwerks10, so daß der Lanzenwagen
in Querrichtung auch programmgesteuert auf Position gefahren werden kann. Das Aus-
und Einfahren des Fahrwerks ist auch durch andere Maßnahmen, als hier dargestellt,
etwa elektrisch, pneuaatisch oder hydraulisch ausführbar.
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In Fig. 1
In Fig. 1 ist an einem Beispiel mit Gerät
D in Kombination mit zwei Pressen A, B der Verfahrensablauf dargestellt. Bei mehreren
Pressen anderer Zuordnung ist der Ablauf sinngemäß. Die Gefache werden des in der
Presse A liegenden Bauteils nacheinander ausgeschäumt.
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Verläßt die Lanze das Gefach, bewegt das Fahrwerk 11 das Gerät in
Richtung zum benachbarten Gefach. Die Lanzenbewegung läuft dann wieder nach einem
gewählten Programm ab. Ist das letzte Gefach auf diese Weise ausgesohäumt, so wird
das Gerät zur nächsten Presse gefahren und schäumt dort die Gefache der Reihe nach
aus.
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Tritt eine unvermeidbare Arbeitsunterbrechung, länger als die tolerierbare
Reaktionsgemisch-Standzeit, auf, so muß das in den Zuführungen und in der Lanze
befindliche Gemisch entfernt werden, was durch Spülung mit geeigneten Lösungsmitteln
nach Betätigung eines dafür eingerichteten Programms automatisch in einen besonderen
Entleerbehälter vorgenommen wird.
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Die Wahl der Stelle des Schäumbeginns hängt von verschiedenen Faktoren
ab. Aus Fertigungsgründen wird in der Regel die Initialmenge am hinteren Begrenzungs-13/
punkt des Hohlraums abgesetzt, vgl. Fig. 5.
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In sehr engen, langgestreckten Gefachen (vgl. Fi.6) etwa 1/ ist es
zweckmäßig, die Initialmengein die Mitte des Gefsohes zu legen, Der Sohaumachivall
breitet sich von der Mitte
der Mitte aus nach den beiden Stirnseiten
des Gefaches aus. Dies bedeutet, daß die Entlüftungsöffnungen je auf beiden Stirnseiten
angeordnet werden müssen.
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Die Lanze als Bestandteil des erfindungsmäßigen Verfahrens eignet
sich aber ebenso zur Verschäumung, Verklebung oder Vermörtelung von Haufwerken aller
Art oder losen Faserschüttungen. In das aus natürlichen oder künstlichen Zuschlagstoffen
hergestellte Haufwerk wird ein Rohr eingelegt. Anschließend wird das Haufwerk verdichtet.
Die Lanze wird in das Rohr eingeführt und beim Injizieren Lanze und Rohr miteinander
herausgezogen.
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Das Gerät mit dem Mischkopf und Lanze ist universell einsetzbar, da
es für eine große Zahl verschiedener Reaktionsharze, auch solche, die sehr empfindlich
auf Mischunge-, Temperatur- und Beschaffenheitsunterschiene ansprechen, geeignet
ist. Homogenisierungs einrichtungen bekannter Art in Verbindung mit Dosiereinrichtungen
hoher Genauigkeit sind die Voraussetzung für Reaktionsprodukte großer Gleichmäßigkeit
und gleichbleibender Qualität. Das nach Bedarf mit programmierbarer Steuerung ausgestattete
Gerät mit Mischkopf und Lanze ist die Voraussetzung für ein Verfahren zum industriellen
Ausschäumen von Bauteilen beliebiger Raumgröße und Form. Nach diesem Verfahren lassen
sich in regelmäßiger Folge auch diüinwandige Bauteile mit Harzen
Harzen
der unterschiedlichsten Zusammensetzung entsprechender Reaktionsstandzeiten aus
schäumen.
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Die an die Rohstoffe anpaßbare Misoh- und Regeltechnik des Geräts
macht das erfindungsmäßige Verfahren wirtschaftlich, besonders dann, wenn gleichartige
Bauteile serienmäßig industriell gefertigt werden. Das Verfahren erlaubt eine äußerst
rationelle Verschäumung.
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Dazu trägt in besonderer Weise die Verfahrbarkeit des Geräts in z.B.
zwei senkrecht zueinander orientierte Bewegungerichtungen bei.
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Weitere Vorteile des Verfahrens liegen darin, daß auch Reaktionsharze
verschäumt werden können, die bisher als maschinell nicht verschäumbar galten.
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Mit Hilfe des Verfahrens kann die Qualität bekannter Schäume wesentlich
verbessert werden. Nicht nur was die Homogenität und Blasenfreiheit betrifft, sondern
auch die übrigen mechanischen Eigenschaften, wie Zug- und Druckfestigkeit, Haftfestigkeit,
Elastizität und Dehnfähigkeit, besonders dann, wenn Faserstoffe mitverschäumt werden.
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Dadurch, daß nach dem Verfahren gefertigte Schäume einen hohen Verbund
besitzen auch in schlanken, dünnen Gefachen beplankter Bauteile mit anisotroper
Porenstruktur und hohe Elastizität zur Beplankung, gelingt es
es,
Verbundbauteile extremer Steifigkeit und Tragfähigkeit herzustellen mit optimalen
bauphysikalisohen Eigenschaften.