DE3238057A1

DE3238057A1 - Duennwandiges formteil und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3238057A1
Application number: DE19823238057
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Chem.Dr. Föttinger; Kurt 6940 Weinheim Jörder; Helmut Niklas
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1982-10-14
Filing date: 1982-10-14
Publication date: 1984-04-19
Also published as: DE3238057C2

Description

Dünnwandiges Formteil und Verfahren zu
dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein dünnwändiges Formteil, insbesondere eine Konusmembran für einen Lautsprecher, bestehend aus einem Faservlies mit einer beidseitig nur geringfügig eindriiigenden, @ilmartigen Beschichtung aus einem polymeren Werkstoff.
Auf ein Formteil dieser Art nehmen DE-PS 1 215 486 und DE-OS 1 512 742 Bezug. Das dabei zur Verwendung kommende Faserulies besteht aus Lang- und Kurzfasern, welche in zwei getrennten Flotten aufbereitet werden. In diese wird anschließend abwechselnd ein mit Vakuum beaufschlagter Formling eingetaucht, wobei auf der Oberfläche abwechselnd Schichten aus Lang-, aus Kurz- und wiederum aus Langfasern zur Ablagerung gelangen. Es müssen dabei die folgenden Nachteile in Kauf genommen werden: Durch die notwendige Vorbehandlung der Zellstoff-Fasern in einem Mahlvorgang wird ein Großteil der Lang fasern zerstört und steht damit nicht rnehr für den Aufbau der Deckschichten zur Verfügung. Die maximale Länge der Fasern ist relativ gering und beträgt nur 5 m. Diese geringe Länge genügt nicht für die Gewährleistung einer hohen Biegesteifigkeit, die beispielsweise bei Lautsprechermembranen erwünscht ist. Auch senkrecht zur Oberfläche wird keine gute Festigkeit erhalten, weil die Fasern im wesentlichen nur in einer zweidimensionalen Wirrverteilung zur Ablage gelangen. Die hieraus resultierende Spaltanfälligkeit schließt.viele Anwendungsmöglichkeiten aus. Das angewendete Herstellungsprinzip läßt nur eine geringe Mengenausbringung zu, was sich neben den hohen Investitions- und Betriebskosten nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dünnwandiges Formteil zu entwickeln, das kostengünstig herstellbar ist und das sich bei einem minimalen Raumgewicht durch eine besonders hohc Biegesteifigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Formteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Vlies tiefgezogen ist und aus dreidimensional orientierten Fasern einer Länge von 20 bis 80 mm besteht, wobei die Deckschichten aus einem auf das Vlies in flüssiger Form aufgebrachten Film aus einem polymeren Werkstoff bestehen, der die Oberflächen überragt und verfestigt ist.
Das Vlies kann auf trockenem oder nassem Wege erhalten werden. Bei Anwendung einer trocken arbeitenden Herstellungstechnologie, beispielsweise unter Verwendung einer Krempelanlage, lassen sich längere Fasern einarbeiten, die dem Vlies eine größere Biegesteifigkeit und Festigkeit in dreidimensionaler Richtung zu verleihen vermögen.
Neben natürlichen Fasern und synthetischen Fasern'können auch mineralische Fasern zur Anwendung kommen. Gemische verschiedener Fasern sind möglich, wobei sich die einzelnen Fasertypen durch unterschiedliche Länge und/oder einen unterschiedlichen Titer voneinander unterscheiden können.
Zur Verbesserung der Festigkeit und Dichte ist es vorteilhaft, das Vlies einem Nadelungsvorgang zu unterwerfen.
Die Fasern erfahren hierdurch, bezogen auf ihre Länge, eine mehrfache Richtungsumlenkung, was sich vorteilhaft auf den Gesamtzusammenhalt und darnit auch auf die'Verbesserung der Diegesteifigkeit des Vlieses auswirkt.
Bei Verwendung eines Vlieses mit einem überwiegenden Gehalt an Fasern aus einem thermoplastisch erweichbaren Werkstoff läßt sich eine Verbesserung des Faserzusammenhaltes erzielen durch eine Prägung oder Verschweißung der Fasern in musterartig üb-er die Oberfläche verteilten Flächenbereichen. Diese können durch Abstände voneinander getrennt sein, jedoch such ineinander übergehen. Die anteilige Fläche derartiger Präge- bzw. Verschweißungszonen soll 5 bis 3ü °Ó der Gesamtfläche nicht überschreiten.
Die Präge- bzw. Verschweißungszonen müssen so angeordnet und einander zugeordnet sein, daß eine möglichst gleichmäßige Verfestigung des qesamten Vlieses resultiert. Die Gestalt an sich ist demgegenüber von geringerer Bedeutung. Bei Präge- bzw. Verschweißungszonen, die einen Abstand voneinander haben, ht sich jedoch eine kreisförmig begrenzte Ausführung, eine quadratische oder eine rechteckige Ausführung als vorteilhaft bewährt. Die Erstreckung in beliebiger Richtung soll den Bereich von 0,) bis 1 mm möglichst nicht verlassen.
Das Vlies weist beidseitig Deckschichten aus einem in flüssiger Form aufgebrachten Filn aus einem polymeren Werkstoff auf,der die Oberflächen überragt und verfestigt ist. Besonders geeeignet sind chemisch vernetzbare Harze.
Das Aufbringen entsprechender Versteifungsharze geschieht durch eine Imprägnierung, durch Aufpudern oder Streichen.
Um eine extrem hohe Steifigkeit zu erhalten, ist es von Vorteil, beidseitig eine filmartige Beschichtung aufzubringen, die nur gering in die Oberfläche des entsprechend ausgelegten Vlieses eindringt, jedoch die Nadelungskanäle bis zur gegenüberliegenden Deckschicht durchdringt. Sind von einem vorausgegangenen Präge- oder Verschweißungsverfahren noch Vertiefungen vorhanden, so werden diese ausgefüllt. In den Präge- bzw. Verschweißungszonen sind die Fasern des Vlieses zu einer porenfreien Schicht verdichtet, über die in diesem Falle die Kräfte von der einen Deckschicht auf die andere Deckschicht übertragen werden können, was vorteilhaft ist in bezug auf die Erzielung einer großen Biegesteifigkeit.
Sowohl in diesem Falle (Figur 2) als auch im Falle der ausgofüllten Nadelungslöcher (Figur 1) bilden die Säulen zusammen mit den Deckschichten somit eine räumliche Skelettstruktur, die sich durch eine besonders große Hiegesteifiqkeit auszeichnet. Die Säulen gehen über eine trompetenartige Erweiterung in die Deckschicht über.
Kerbwirkungen am Ansatzpunkt, die eine Delaminierung zur Folge hAben könten, werden werden irdurc untcrbunden. Die Säulen wirken einer Veränderung der Dicke beim Tiefziehen entgegen.
Die säulenförmigen Gebilde können der Oberfläche des Vlieses senkrecht zugeordnet sein und eine entsprechende Ausführung ist besonders gut geeignct für die lierstellung der Konusmembran für einen Lautsprecher. Eine Zuordnung zu der Erstreckung des Vlieses unter einem spitzen Winkel ist jedoch ebenfalls möglich, und in diesem Falle können die Säulen gegebenenfalls ineinander übergehen und/oder einander überlappen. Das Verhältnis aus der Dicke des Vlieses und dem gegenseitigen Abstand der Mittellinie entsprechender Säulen soll möglichst innerhalb des Bereiches von 0,6 bis 4 mm liegen..
Das vorgeschlagene Formteil zeichnet sich, bezogen auf sein Gewicht, durch eine besonders große Biegesteifigkeit aus. Diese läßt sich leicht optimieren durch eine Veränderung des verwendeten Vlieses und/oder der Dicke und gegebenenfalls Arten der Deckschichten. In diese können gegebenenfalls auch Füllstoffe eingelagert werden, beispielsweise organische und/oder anorganische Fasern und/oder körnige Matcrialien.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Formteiles der vorstehend angegebenen Art, bei dem das verwendete flächengebilde entlang des uiilau fenden Itancles festgelegt, n(Jr in dem zu verformendEn Bereich erwärmt und anschließend tiefgezogen wird.
Auf ein solches Verfahren ninuiit DE-OS 27 53 541 Bezug. Der zu verformende Bereich wird dabei zwischen zwei Formstempeln einheitlich erwärmt, während die umgebenden Teile gekühlt werden, um zu verhindern, daß sich der Verformungsbereich nach der Abkühlung wieder zurückbildet, d.h. in die Bahnebene zurückkehrt.
Die Verformung in den verformten Bereichen setzt eine Streckung und gewissermaßen eine Oberdehnung-des eingesetzten Materials voraus, die sich, ähnlich den Fließvorgängen bei einem metallischen Prüfstab, leider nicht gleichmäßig auf die gesamte Fläche auswirkt, sondern nur auf einen sehr eng begrenzten Bereich. Materialverdünnungen im Bereich vorspringender Ecken und Kanten sind hiervon die Folge. Der Effekt tritt besonders störend in Erscheinung bei der Herstellung einer Konusmembran für einen Lautsprecher. Der am stärksten gedehnte und damit der auch am meisten geschwächte Bereich eines solchen Formkörpers ist der Bereich der Konusspitze, mithin gerade die Zone, über die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung die Antriebskräfte aus der Magnetspule übernommen werden.
Dieses gelingt natürlich nur in einem unzureichenden Maße, und es kommt zu starken Biegedeformationen, die neben einem schlechten Wirkungsgrad auch eine Verzerrung des Tonbildes zur Folge haben können. Der. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorgenannte Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß die genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren dadurch gelöst, daß das Flächengebilde im dem zu verformenden Bereich in aufeinanderfolgenden Teilbereichen auf Umformungstemperatur erwärmt, umgeformt und verfestigt wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit nicht der zu verformende Bereich als Gesamtheit erwärmt und umgeformt, sondern er wird in Teilbereiche zerlegt, in denen jeweils die Erwärmung, die Umformung und die Verfestigung zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
Die Teilbereiche folgen einander kontinuierlich oder diskontinuierlich in einer dichten Aufeinanderfolge, wodurch es gelingt, die Dehnbeanspruchung gleichmäßig auf die Ges.amtfläche zu verteilen.
Die nach dem vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Formteile zeichnen sich deshalb durch eine besonders. gute Gleichförmigkeit der Wandstärke in allen Teilbereichen aus, was sich beispielsweise in bezug auf das BiegesteifigkeitsL/Gewichtsverhältnis einer Konusmembran tür einen Lautsprecher außerordentlich positiv auswirkt.
Das Flächengebilde kann zum Erwärmen, Umformen und Verfestigen an die temperierte Oberfläche eines Formlings angepreßt werden.
Die Wärmeübertragung kommt in diesem Falle durch unmittelbaren Kontakt zustande, wobei es von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Formlinges so bemessen ist, daß die Erwärmung, die Umformung und die Verfestigung eines jeden Teilbereiches abgeschlossen ist, wenn die Erwärmung, Umformung und Verfestigung des nächstfolgenden Teilbereiches beginnt. Dieser legt sich besonders gut an den Formling an, wenn die Erwärmung mit einer geringen Voreilung vorgenommen wird, beispielsweise durch eine kurzfristige Heißluftbeaufschlagung des zu verformenden Teilbereiches geringfügig vorder eigentlichen Anpressen des Formlings. Eine solche Erwärmung setzt eine Ventilsteuerung für die Zuführung der Heißluft voraus, die es mit geringem Mehraufwand zugleich ermöglichen kann, eine Festlegung der bereits verformten Bestandteile des Flächengebildes durch Vakuum zu erzielen.
Erwärmung, Umformung und Verfestigung des eingesetzten Flächengebildes können in kontinuierlich und/oder in diskontinuierlich aufeinanderfolgenden Teilbereichen vorgenommen werden. Eine kontinuierliche Aufeinanderfolge empfiehlt sich für die Erzeugung von Kegel- oder Pyramidenflächen,eine diskontinuierliche Aufeinanderfolge hingegen vor allem für die Erzeugung von sich senkrecht oder parallel zur Oberfläche des eingesetzten Flächen gebildes erstreckenden Wandungsbereichen.
Sind an einem Formteil beide Typen von Flächen vorhanden, dann empfiehlt sich eine kombinierte Arbeitsweise.
In Fällen, in denen das eingesetzte Flächengebilde aus einem Werkstoff mit thermoplastischen Eigenschaften besteht, ist im Anschluß an die Umformung der einze-lnen Teilbereiche jeweils eine Abkühlung erforderlich, was beispielsweise durch Verwendung eines Formlings erreicht werden kann, dessen Oberfläche den verschiedenen Teilbereichen zugeordnete Zonen aufweist, die thermisch gegeneinander isoliert sind und die im Anschluß an die zunächst benötigte Erwärmung gekühlt werden können. Die Erzeugung eines entsprechenden Formlings ist mit keinen nennenswerten Schwierigkeiten verbunden, Aufheizung und Abkühlung erfordern aber neben einem hohen Energieaufwand eine längere Taktzeit, was die Anwendung in einer Massenproduktion problematisch machen kann.
Eine einfachere und schnellere Arbeitsweise ergibt sich demgegenüber bei der Umformung von Flächengebilden, deren Zusammenhalt auf einem Gehalt eines imA-Zustand vorliegenden polymeren Werkstoffes beruht. Solche Werkstoffe sind zunächst fest, können aber thermisch erweicht werden, bevor sich bei einer weiter anhaltenden Wärmezuführung eine chemische Vernetzung und Verfestigung ergibt, die dann irreversibel ist, Eine Abkühlung zur Stabilisierung der verformten Teilbereiche ist somit vor Verwendung eines entsprechenden Flächengebildes nicht mehr erforderlich..Beispiele für in den B-Zustand überführbare Werkstoffe sind das Epoxid-Harz und das Polyester-Harz. Beide eignen sich ausgezeichnet sowohl für die Stabilisierung des inneren Zusammenhaltes eines Vliesstoffes als auch zur Aufbringung von Oberfl ächenbeschi chtungen.
Sie haben den weiteren Vorteil einer thermischen Beständigkeit, was von großer Bedeutung ist in bezug auf die Herstellung der Konusmembran für einen Lautsprecher, die durch die Magnetspule wärmebeaufschlagt ist.
Der Geyenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 einen Ausschnitt aus der Wandung eines Formteils.
Figur 2 den Ausschnitt gemäß Figur 1 bei einer Ausführung, bei der die beidseitigen, filmartigen Beschichtungen der Oberfläche untereinander durch säulenförmige Vorsprünge verbunden sind.
Figur 3 eine Ausführung ähnlich Figur 2, bei der die beidseitigen, filmartigen Beschichtungen der Oberfläche durch säulenförmige Vorsprünge auf porenfrei verdichteten Zonen des Vlieses abgestützt sind.
Figur 4 eine Vorrichtung zur Verdeutlichung des beanspruchten Verfahrens.
Die in Figur 1 quergeschnitten dargestellte Wandung eines Formteils besteht aus einem Vliesstoff 3 aus regellos vereiten Langfasern.
Diese gehören den folgenden Arten an und haben die genannten Dimensionen: 1) Kunstfasern wie z.B. Polyesterfasern, Polyamidfasern, Polypropylenfasern, 0,5 bis 16 dtex und einer Länge von 20 bis 80 mm.
wie Baumwolle und Wolle 2) Naturfasern 3) Mineralische Fasern Sämtliche vorgenannten Faserarten können auch im Gemisch zur Anwendung kommen.
Das Vlies ist genadelt mit einer Stichdichte von 50/cm2 mit Dreikantnadeln eines Durchmessers von 0,2 mm. Die Fasern sind durch ein Bindemittel verklebt, das auf die Kreuzungspunkte 4 konzentriert ist und das die folgende Zusammensetzung aufweist: Phenolharz - Novolak mit einem Anteil von min. 5 % Hexamethylentetramin. (Novokak = nichthärtendes PF-Harz, erhalten durch Kondensation von Phenol mit weniger als 1 Mol Formaldehyd).
Aus eiiiem identischen Bindemittel bestehen auch die beidseitigen Beschichtungen der Oberflächen des Faservlieses. Dieses hat ein Gesamtgewicht von 330 g/m² bei einem Fasergehalt von 1.50 g/m² und eine L)icke von 1,5 m. Die Steifigkeit beträgt 100 9, gemes<Jen mit dem Steifigkeitsprüfer 661 der Firma Karl Frank GmH, 6940 Weinheim-Birkenau, BRD.
Die in Figur 2 wiedergegebene Ausführung ist mit derjenigen nach Figur 1 identisch bis auf den Unterschied einer andersartigen Nadelung. Bei einer beiderseitigen Stichdich te von 5 Einstich je cnl2 kamen wesentlich gröbere Nadeln mit kreis förmigem Querschnitt zur Anwendung, die einen Durchmesser von 2,4 mm aufwiesen.
Die auf diese Weise erzeugten Nadelungslöcher, in deren unmittelbare;i Nachbarschaft die Fasern überwiegend senkrecht zur Oberfläche orientiert sind, füllten sich bei der Oberflächenbeschichtung mit dem flüssigen Bindemittel, wodurch die die Dicke stabilisierende "Säulen" 5 erhalten wurden.
Das imprägnierte und beschichtete Vlies wurde unter Vermeidung einer Vernetzung des Bindemittels getrocknet.
Daraus ausgestanzte Platinen mit einem Durchmesser von 150 mm hatten ein Cewicht von 5,6 g und konnten in der Vorrichtung gemäß Figur 3 zu einer Konusmembran für einen Lautsprecher verformt werden.
Dazu wird die Platine entlang eines umlaufenden Randes mit einer Breite von 20 mm. zwischen den Halteflanschen 6, 7 eingespannt, wobei die Rotationsachse der Symmetrieachse des Formlings 8 symmetrisch zugeordnet ist.
Der Formling enthält eine Heizung aus einem Widerstandsdraht 9, und wird durch diesen auf eine gleichmäßige temperatur von 200 °C erwärmt. Er besteht aus einem Hohlkegel aus Kupfer, der mit einem tlehel 12 auf dem Außenumfang eines tieißluft rohres SO j i in Richtung der Platine senkrecht vorschiebbar ist. Der Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung in dem Hohlkegel ist exakt an den Außendurchmesser des Heißluftrohres anycl)aßt, wodurch die Heißluft nur in dem dc r ve r formten Zone unmittelbar benachbarten Bereich die Düsen 11 zu passieren und die Platine anzuströmen und zu erwiirrncri vermag. Die eigentliche Erwärmung erfolgt unmittelbar anschließend durch den Berührungskontakt zwischen der Pl ul ine 1 und dem Formling 8.
Durch die Erwärmung wird das die Platine bindende Harz vorübergehend formbar, wodurch sich das Material in dem unmittelbar erwärmten Bereich an die Oberfläche des Formlings anschmiegt. Die zuyleich einsetzende Vernetzung stabilisiert den so erhaltenen Zustand, wodurch eine weitere Verformung beim Verformen der nachfolgenden Teilbereiche bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise unterbunden wird.
Das so erhaltene Formteil zeichnet sich dadurch durch eine besonders gute Gleichmäßigkeit der erhaltenerl Wandstärke aus. Es eignet sich ausgezeichnet als Konusmembran für einen wärmebeau Fschlagten Lautsprecher.
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Claims

Patentansprüche: 1 Dünnwandiges Formteil, insbesondere Konusmembran für einen Lautsprecher, bestehend aus einem Vlies mit beidseitigen Deckschichten, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies tiefgezogen ist und aus dreidimensional orientierten Fasern einerlänge von 20 bis 80 mm besteht, und daß die Deckschichten aus einem auf das Vlies in flüssiger Form aufgebrachten Film aus einem polymeren Werkstoff bestehen, der die Oberflächen überragt und verfestigt ist.
Z. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern einer unterschiedlichen Länge enthalten sind, und daß der Anteil von Fasern einer Länge von wenigstens 40 mm wenigstens 20 °Ó beträgt.
3. Formteil nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies musterartig verteilte Durchbrechungen aufweist, in denen die Deckschichten ineinander übergehen.
4. Formteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen Nadelungslöcher sind.
5. Formteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Dicke des Faservlieses und dem gegenseitigen Abstand der Nadelungsldcher 0,6 bis 4 beträgt.
6. Formteil nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies in musterartig verteilten Flächenbereichen porenfrei verdichtet ist.
7. Formteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche Schweiß- oder Prägezonen sind.
8. formteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche 5 bis 30 °Ó der Gesamt fläche einnehmen.
9. Formteil nach Anspruch 1 bis 8, dadurch geennzeichnet, daß der polymere Werkstoff einen Gehalt eines duroplastischen Werkstoffes aufweist, der wenigstens 4 Gew. Prozent beträgt.
10. Formteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der polymere Werkstoff einen der Versteifung dienenden Füllstoff enthält.
11. Formteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff körnige und/oder faserige Bestandteile umfaßt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 1 bis 11, bei dem das. verwendete Flächengebilde entlang des umlaufenden Randes festgelegt, nur in dem zu verformenden Bereich erwärmt und tiefgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (1) in dem zu verformenden Bereich in aufeinander folgenden Teilbereichen auf Umformungstemperatur erwärmt, umgeformt und verfestigt wird.
13. Verfahren nacfr Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet:, daß die Teilbereiche zum Erwärmen, Umformen und Verfestigen an die temperierte Oberfläche eines Formlings angepreßt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche unmittelbar vor der Berührung des Formlings mit Heißluft beaufschlagt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 12-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche kontinuierlich und/oder diskontinuierlich aufeinanderfolgend erwärmt, umgeformt und verfestigt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 12-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche gleichzeitig oder im Anschluß an die Verfestigung chemisch vernetzt werden.