DE3147901A1

DE3147901A1 - Verfahren zur herstellung von formteilen

Info

Publication number: DE3147901A1
Application number: DE19813147901
Authority: DE
Inventors: Harold J. 48075 Southfield Mich. Reikowski
Original assignee: Kelsey Hayes Co
Current assignee: Kelsey Hayes Co
Priority date: 1981-10-26
Filing date: 1981-12-03
Publication date: 1983-05-05
Also published as: FR2515097A1; GB2108891A; FR2515098A1; MC1469A1; ES515357A0; FR2515095A1; US4396569A; ES8402197A1

Description

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Beschreibung: ι

Die Erfindung betrifft ein wirtschaftliches Verfahren zum Reproduzieren komplizierter Formen und Oberflächengüte, insbesondere befaßt sie sich mit der Technik des Faserwickeins sowie mit dem Gießen von Kunststoff allgemein.

Das Faserwickeln komplizierter Formen erfolgt in der Weise, daß ein Strang unter Spannung in den Hohlräumen einer Form abgelegt wird, wobei die Form so ausgelegt ist, daß sie den abgelegten Strang in der gewünschten Form hält. Der Strang wird immer wieder in den gleichen Hohlräumen der Form gewickelt, bis die gewünschte Dicke des Stranges abgelegt ist. üblicherweise wird der Strang vollständig mit einem Bindemittel benetzt, ehe er in die Hohlräume der Form gewickelt wird; die Erfindung ist in dieser Hinsicht jedoch nicht beschränkt. Wenn der mit dem Bindemittel benetzte Strang nach unten in die Form gezogen wird, tritt überschüssiges Bindemittel in die Zwischenräume zwischen den Wicklungen des Stranges über, und es gelangt auch in Berührung mit den Oberflächen der Form. Das Bindemittel wird dann in der Form ausgehärtet, so daß es die Fasern zusammenbäckt und sie in der gewünschten Gestalt hält. Bindemittel bleibt . gewöhnlich an der Oberfläche der Form haften, und im Hinblick hierauf hat man ein Formlosemittel in das Bindemittel eingebracht. Das Formlosemittel scheint in der Weise zu wirken, daß _{es zu} den Außenflächen des Bindemittels ansteigt und somit die Oberfläche der Form beschichtet.

Ein weiteres Problem, das beim Faserwickeln auftritt, besteht darin, daß es meistens impraktikabel ist, Fasern kreuzweise in die Wicklungen einzuarbeiten, um die Wicklungen zusammenzubacken. Eine Trennung der Wicklungen

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wird daher nahezu vollständig von dem Bindemittel verhindert, wie auch ihre Befestigung an den Fasern des Stranges. Aus diesem Grund kann die Festigkeit des Bindemittels bei fasergewickelten Teilen kritischer sein als bei anderen Arten von faserverstärkten Teilen.

Ein weiteres Problem bei den Faserwicklungsverfahren besteht darin, daß die Formen üblicherweise gedreht werden, während ein "Finger" den Strang an der richtigen Stelle relativ zu den Formhohlräumen positioniert. Die auf den bindemittelbenetzten Strang ausgeübte Spannung in Verbindung mit der Form hat zur Folge, daß überschüssiges Bindemittel aus den Formhohlräumen über andere Oberflächen der Form, einschließlich ihrer Trenn- und Spannflächen, fließt« Es hat sich gezeigt, daß das Entfernen dieses überschüssigen Kunstharzes kostspielig ist.

Ferner wird bei der kommerziellen Herstellung von fasergewickelten Teilen eine beträchtliche Zeit dafür verbraucht, daß der Stranq in die Formhohlräume gewickelt wird. Um ein entsprechendes Produktionsvolumen zu erzielen, ist es daher erforderlich, eine große Anzahl solcher Formen vorrätig zu haben und zwar nicht nur für den Wicklungsvorgang, sondern auch um die gewickelten Teile während der Zeit, in der das Bindemittel aushärtet, zu lagern. Wenn das Bindemittel ein wärmehärtendes Kunstharz ist, wird die Form mit dem darin gewickelten Teil in einen Ofen gebracht und auf ungefähr 175 ° C (350⁰F) erhitzt, damit das Bindemittel aushärtet. Während dieser Zeit wird eine andere Form in die Wickelmaschine eingesetzt und ein weiteres Teil hergestellt. Die Formen bestehen üblicherweise aus einem Aluminium oder einem anderen Metall, um die betreffenden Temperaturen wie auch die Handhabung auszuhalten, und die Kosten zum Herstellen und Bearbeiten der komplizierten Formgestalten ist daher beträchtlich.

Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Nachteile

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vermieden werden. Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Formlösemittel im Bindemittel dadurch reduziert oder gar eliminiert werden, daß eine Trennfolie aus Pormlösemittel über die Oberflächen der Form gelegt wird. Die Trennfolie kann an Ort und Stelle geformt werden; dies ist jedoch zeitraubend, und sie wird daher vorzugsweise aus aus— reichend dickem Blattmaterial hergestellt, so daß sie in einem getrennten Vorgang geformt und in die Form gelegt werden kann. Es hat sich aezeigt, daß dies nicht nur praktischer ist, sondern daß hierdurch auch die hergestellten Teile eine glattere Oberfläche erhalten, als dies der Fall ist, wenn die Teile direkt auf den Formoberflächen hergestellt werden. Dies wiederum kann dazu ausgenutzt werden, um die Herstellung der Formen in gewisser Hinsicht wirtschaftlicher zu gestalten, vorausgesetzt, es werden Schritte unternommen, um die Größenvariationen zu korrigieren, die bei der Herstellung der Trennfolie aus Formlösemittel auftreten.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung naher erläutert.

Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiaqramm, das die Verfahrensschritte

veranschaulicht, die bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen und Verwenden von fasergewickelten Formen angewendet werden;

^ow Fig. 2 eine Explosionsdarstellung einer Trennfolie, die so angeordnet ist, daß sie auf eine Form paßt;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, bei der jedoch bestimmte Niederhaltesegmente zur Vervollständigung

der Form vorgesehen sind;

Fig. 4 eine fragmentarische Schnittansicht ungefähr entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

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Fig. 5 eine fragmentarische Schnittansicht ungefähr entlang der Linie 5-5 in Fig= 3.

Gewisse Verfahrensschritte sind schematisch in Fig» 1 ang gedeutet, und einige dieser Verfahrensschritte gehen ausführlich aus den Fig. 2 bis 5 hervor, die sich auf das Faserwickeln eines Lenkrades für ein Kraftfahrzeug beziehen.

jQ Bei dem in Fig„. 1 erläuterten Verfahren wird Polypropylen als Formlöse-Trennfolie und gegossenes Aluminium für die Produktionsformen verwendet. Polypropylenfolien schrumpfen, nachdem sie aus der Vakuumform entfernt wurden, um 0,508 mm pro 12,5 mm (0,020 " pro 1 "). Gegossenes AIuminium schrumpft beim Kühlen ausgehend von der Gießtemperatur um ungefähr 1,55 mm pro 305 mm (1/8" pro Fuß). Das genaue Ausmaß der Schrumpfung des gegossenen Aluminiums kann bis zu einem gewissen Grad durch die verwendete spezielle Legierung, die Gießtemperatur, usw. beeinflußt werden. Die zu verwendende Trennfolie aus Polypropylen ist 0,310 mm (0,025") dick, und es wurde festgestellt, daß sie auf eine Dicke von 0,186 mm (0,015 ") beim Vakuumformen gedehnt wird. Im Hinblick hierauf wird aus Holz oder einem anderen leicht formbaren Material ein Originalmodell 10 hergestellt, dessen Faserwicklungs-■ Hohlräume um 0,372 mm (0,030") breiter und um 0,186 mm (0,015") tiefer als das herzustellende Teil sind. Die Gesamtabmessungen der Faserwicklungs-Hohlräume sind um 3,1 mm pro 305 mm (1/4" pro 1 Fuß) größer als das herzustellende Teil, da es sich gezeigt hat, daß Polypropylen um diesen Betrag schrumpft bzw. dazu gebracht werden kann, daß es um diesen Betrag schrumpft.

Eine Vakuumform 12 kann nach unterschiedlichen Methoden hergestellt werden. Bei dem in Fig. 1 angedeuteten Verfahren wird aus dem Originalmodell 10 eine präzise Sandform 14 hergestellt. In den Hohlraum der Sandform werden

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Vakuumrohre gelegt, und der Hohlraum wird mit einem metallpulvergefüllten Kunststoff gefüllt, der sehr wenig schrumpft, wenn er fest wird. Die Vakuumform 12 ist dann nur sehr geringfügig kleiner als das Originalmodell 10.

Löcher werden von den entsprechenden Oberflächen des Kunststoffes zu den Vakuumrohren gebohrt, und den Oberflächen wird eine hohe Oberflächenglätte verliehen.

Das Originalmodell· 10 wird ferner dazu verwendet, die Produktionsformen herzusteilen. Bei dem schematisch angedeuteten Verfahren wird zunächst eine präzise Sandform 16 hergestellt, und gegossenes Aluminium wird dann in die Sandform 16 gegossen, um ein gegossenes Aluminiummodell 18 herzustellen. Nach Kühlen des Aluminiums ist das Aluminiummodell 18 um ungefähr die Hälfte des gewünschten Betrages geschrumpft, der erforderlich ist, um der Schrumpfung des Polypropylens zu entsprechen. Das Aluminiummodell 18 wird hinsichtlich Oberfläche und Größe geprüft. Falls es in Ordnung ist, wird mit seiner Hilfe eine präzise Sandform 20 hergestellt, in "die Gußaluminium gegossen wird — und zwar dieses Mal unter Bedingungen, bei denen sich die verbleibende erforderliche Schrumpfung einsteht, um eine Form zu erhaiten, auf die die vakuumgeformte Trennfolie paßt. Für die Produktion von fasergewickelten Teilen in großem Maßstab ist eine große Anzahl von Produktionsformen 22 erforderlich, und in diesem Zusammenhang ist beabsichtigt, daß aus dem gegossenen Metallmodell 18 eine große Anzahl von Sandformen 20 und aus diesen die erforderlichen Produk-

"^ tionsformen 22 hergestellt werden.

Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Trennfolien 24 die hohe Oberflächengüte der Vakuumform 12 erhalten. Die aus Metall bestehenden Produktionsformen 22 besitzen, wenn sie von dan Sandformen 20 entfernt worden sind, Oberflächenunregelmäßigkeiten, die von den

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Eindrücken zwischen den Sandkörnern herrühren. Es hat sich gezeigt, daß beim Faserwickeln die Trennfolien 24 nicht in diese Oberflächenunregelmäßigkeiten eingedrückt werden und daß daher kein teurer Bearbeitungs- bzw. Poliervorgang für die Produktionsform 22 erforderlich ist.

Fasergewickelte Teile werden in der Weise hergestellt, daß eine vakuumgeformte Trennfolio 24 auf eine Produktionsform 22 gelegt wird, wie bei 26 gezeigt, und daß die zum Zusammenhalt der Fasern erforderlichen Platten auf den oberen Seitenrand der die Fasern aufnehmenden Hohlräume der Form gesetzt werden. Ein Strang, der mit einem katalysierten Polyesterpräpolymer oder einem anderen geeigneten Präpolymer benetzt ist, wird mittels eines Fingers gegenüber den die Fasern aufnehmenden Formhohlräumen positioniert, und um den Strang in die Hohlräume zu legen, wird entweder die Form gedreht oder der Finger bewegt. Dieser Vorgang ist bei 28 angedeutet und braucht hier im einzelnen nicht weiter erläutert zu werden, abgesehen im Hinblick darauf, wie ein solches Verfahren mit einer Trennfolie 24 gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenarbeitet. Die Form mit den darin angeordneten Faserwicklungen wird zum Härten des Bindemittels in einen Ofen bei ungefähr 350° F eingebracht, wie bei 30 angedeutet, und danach wird die Form geöffnet, um das Teil herausnehmen zu können, wie bei 32 angedeutet.

Es wird nun auf die Fig. 2 bis 5 Bezug genommen, die eine Trennfolie aus Formlösemittel und dazupassende Form-"^ teile zum Hinstellen von fasergewickelten Kraftfahrzeug-Lenkrädern zeigen. Fig. 2 zeigt eine zum Fasernwickeln dienende Form 22 mit einer sich am Umfang nach außen öffnenden Formnut 34 zum Formen des Außenringes des Lenkrades. Vier Paare von vertikalen Führungen 36, 38, 40 und 42 erstrecken sich ungefähr radial von einem eine Nabe abstützenden Untersatz 44 zu der Formnut 34, um entspre~

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chende Kanäle zum Formen der den Außenring tragenden Speichen des Lenkrades zu bilden. Sechs Bolzen 46 ragen vertikal von der Unterseite der Form direkt radial innerhalb der Formnut 34 nach oben, um segmentförmige Platten 48, 50, 52 und 54 zu halten, die die Deckwand der Formnut 34 bilden. Flügelmuttern 56 werden auf die Bolzen 46 geschraubt, um die segmentförmigen Deckplatten 48 bis 54 festzuspannen. Ehe die segmentförmigen Deckplatten montiert werden, wird jedoch eine Trennfolie 24 aus vakuumgeformtem Polypropylen über die Bolzen 46 gezogen und zu den Oberflächen der Form 22 ausgerichtet. Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, wird die Trennfolie 24 von den segmentförmigen Deckplatten 48 bis 54 gehalten, und sie liegt eng an den Oberflächen der Form 22 an. Die Trennfolie 24 besitzt eine am Umfang vorgesehene Auffangnut 34 zum Auffangen überschüssigen Kunstharzes, der beim Drehen der Form 22 aus der Formnut 34 herausgeschleudert werden kann.

Die Auffangnut 48 wird beim Vakuumformen durch einen entsprechenden Abschnitt der Vakuumform 12 hergestellt; dieser Abschnitt wurde der Grundform hinzugefügt, die von der Sandform 14 hergestellt wurde, aus der die Vakuumform 12 hergestellt wurde. Ein am Umfang vorgesehener Zwischenraum 60 ist zwischen der Oberfläche der Form 22 und den segmentförmigem Deckplatten 48 bis 54 vorhanden, um kunstharzgetränkte Glasfasern von einem Finger (nicht gezeigt) aufnehmen zu können, der außerhalb der Auffangnut 58 angeordnet ist, wenn die Form 22 gedreht wird. Die Drehung der Form 22 wird zu bestimmten Zeiten unterbrochen, wenn der Finger der Nut zwischen einem der Paare der vertikalen Führungen 36 bis 42 gegenüberliegt, worauf sich der Finger nach innen zwischen den Führungen zum Mittelpunkt hin bewegt. Nach Erreichen des Mittelpunktes wird die Form 22 wieder gedreht, um den Strang um eine Nabe (nicht gezeigt) zu wickeln; hierauf bewegt sich der Finger radial

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nach außen zwischen ein weiteres Paar vertikaler Führungen. Dieser Vorgang wird fortgesetzt,, bis die Forinnut 34 und die Speichen-Formhohlräume zwischen den vertikalen Führungsplatten (gezeigt in den Fig. 4 und 5) mit Strangmaterial gefüllt sind. Die Form mit den kunstharzgesättigten, gewickelten Fasern wird dann zu einem Ofen gebracht, der 20 Minuten lang ungefähr bei 350⁰F betrieben wird, um das Bindemittel in dem Lenkradgerippe 32 auszuhärten. Die : heiße Form wird geöffnet, und die Trennfolie mit 'dem Lenkradgerippe 32 wird von den Oberflächen der erwärmten Form 22 abgezogen, und sie können dann kühlen»

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Abfolge von Arbeitsschritten, mit denen Trennfolien hergestellt, werden, die zu einer Produktionsform passen? andere Abfolgen von Verfahrensschritten können jedoch ebenfalls verwendet werden» In Fällen, in denen die Trennfolien beim Abkühlen zweimal so stark wie die Produktionsformen schrumpfen, kann, ausgehend von "Null", eine völlig unabhängige Vakuumform gebaut werden, die entsprechend größer ist als das Originalmodell, von dem die Produktionsformen hergestellt werden. Im Fall von Trennfolien aus Polypropylen könnte die Vakuumform um 3,1 mm pro 305 mm (1/4 Zoll pro 1 Fuß) größer als das herzustellende Teil gemacht werden, während

^S das Modell für die Produktionsformen nur um 1,5 mm pro 305 mm (1/8 Zoll pro 1 Fuß) größer als das herzustellende Teil gemacht wird. Statt jedoch jede Produktionsform unabhängig von der anderen auszulegen, kann jedoch eine Produktionsform in eine Anzahl von Teilen, beispiels-

®Q weise 16, geschnitten werden, die dann mit Zwischenräumen so angeordnet werden, daß sich Gesamtabmessungen ergeben, die um 3,1 mm pro 305 mm (1/4 Zoll pro 1 Fuß) größer sind als die Produktionsform. Die Teile können miteinander verzapft werden, wobei mit Metallpulver gefüllter Kunststoff zum Füllen der Zwischenräume verwendet wird, und die Formhohlräume können dann bearbeitet werden, um ihnen die richtigen Abmessungen zu verleihen.

-μι Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Material, aus dem die Trennfolien hergestellt werden, so zusammengesetzt bzw. ausgewählt, daß es denselben Schrumpfgrad besitzt wie das Material, aus dem die Produktionsform hergestellt wird. In diesem Fall muß nur ein einziges Originalmodell hergestellt werden, und die Produktionsformen können aus Sandformen hergestellt werden, deren Hohlräume mit dem Originalmodell selbst hergestellt wurden.

Wenn auch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft ist bei der Herstellung von Faserwicklungsformen, ist es jedoch nicht hierauf beschränkt, noch ist es beschränkt auf die Verwendung einer einzigen Trennfolie.

Claims

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Patentansprüche

.!verfahren zum Reproduzieren von Obcrflächenfonren,dadurch kennzeichnet, daß ein Oriqinalmodell hergestellt *

wird, daß aus dem Originalmodell eine ein Negativ darstellende Sandform hergestellt wird, daß in der Sandform eine Kopie des Originalmodells gegossen wird, daß ein Vakuumformmodell hergestellt wird, daß

IQ auf dem Vakuumformmodell eine vakuumgeformte Trennfolie hergestellt wird, daß die Oberflächen der Kopie mit der vakuumgeformten Trennfolie bedeckt werden, daß ein Kunststoff gegen die vakuumgeformte Trennfolie in der Form gepackt wird, und daß das Kunststoffgemisch zum Aushärten gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,.. dadurch gekennzeichnet, daß ein ein wärmehärtbares Bindemittel enthaltender Kunststoff verwendet wird und der Kunststoff gegen äi^e vakuumgeformte Folie ausgehärtet wird, wenn sie die Oberflächen der Kopie bedecken.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein faserverstärktes Polyesterkunstharz verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärkung aus lanaen, parallelen, Seite an Seite liegenden Fasern besteht.

.*
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, * dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfolie mit einer glatteren Oberfläche als die Kopie, auf die sie gelegt wird, versehen wird, und daß der gehärtete Kunststoff dazu gebracht wird, daß er die glatte Oberfläche der Trennfolie annimmt.

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6. Verfahren zum Herstellen mit parallelen Fasern verstärkter Gegenstände, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine vakuumgeformte Trennfolie hergestellt wird, die auf eine Form für den Zusammenhalt der parallelen Fasern paßt, daß die Trennfolie auf die Oberflächen der Form aufgepaßt wird, daß ein die parallelgelegten Fasern enthaltendes Bindemittel auf die Oberflächen der Trennfolie gelegt wird und daß das Bindemittel in Anlage mit der Trennfolie ausgehärtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Fasern an Ort und Stelle über die Oberflächen der vakuumgeformten Trennfolie gewickelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein wärmehärtendes Bindemittel verwendet wird.
9. Verfahren zum Herstellen von gegossenen Teilen aus Kunststoff, bei dem ein Formlösemittel erforderlich ist, um ein Haften der Teile an der Form zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie aus Formlösemittel entsprechend der Gestalt der Form durch Vakuumformen hergestellt wird, daß die vakuumgeformte Folie auf die Gießflächen der Form aufgepaßt wird, daß das Kunststoffgemisch gegen die Trennfolie gegossen wird

^ÖW und daß das Kunststoffgemisch ausgehärtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein ein wärmehärtendes Bindemittel

enthaltender Kunststoff verwendet wird. 35
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn2eich-

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net, daß als Trennfolie eine Folie verwendet wird, deren Oberfläche glatter ist als die der GieSflächen der Form, und daß die gegossenen Teile die Oberflächengüte der Trennfolie erhalten.