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Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung vorzugsweise
dünnschaliger Körper aus wasserreichell Suspensionen sowIe damit hergestellter Körper.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
vorzugsweise dünnschaliger Körper aus wasserreichen Suspensionen, sowie einen damit
hergestellten Körper.
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Insbesondere im Bereich der anorganischen Bindemittel werden Formkörper
häufig aus hochwasse rhal Li gen Suspensionen hergestellt, wobei der Wasseranteil
unter Umständen sogar größer als der Feststoffanteil sein kann.
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Da andererseits bei derartigen Bindemittelsystemen die zum Erstarren
beziehungsweise Erhärten notwendige Wassermenge definiert beschränkt ist, muß bei
der Formgebung überschüssiges Wasser zumindest teilweise abgeführt werden.
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Hieraus ergeben sich herstel lungsteehniseh zum Teil erhebliche Schwierigkeiten.
Für die Herstellung von Asbest.-zement-Produkten bedient man sich beispielsweise
auch
heute noch des sogenannten Hatschek-Verfahrens. Dabei wird
die Suspension aus Bindemittel, Wasser und Fasern zunächst von in der Suspension
rotierenden Siebwalzen aufgenommen, deren Drehung eine Teilentwässerung mit sich
bringt, so daß Feststoffmaterial oberflächlich anhaftet, das dann wiederum von einem
darüber geführten Filz aufgenommen und über entsprechende Formatwalzen am Ende aufgewickelt
wird, nachdem zwischendurch weiteres Wasser abgesaugt worden ist. Ein solches Verfahren
ist durch eine Vielzahl einzelner, ineinander greifender Verfahrensschritte gekennzeichnet,
und im einzelnen nicht immer leicht zu handhaben. Im übrigen lassen sich Formteile
(Profilteile) nur bedingt auf diesem Wege herstellen.
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Ein weiteres Problem ergibt sich bei der Herstellung insbesondere
dünnschaliger Körper aus anorganischen Bindemittelsuspensionen, da diese eine hohe
Dichte aufweisen müssen, damit die geforderten Festigkeitswerte erreicht werden.
Durch Armierungen kann insbesondere die Biegefestigkeit derartiger Teile zwar verbessert
werden, jedoch erreichen Teile, die aus wasserhaltigen Suspensionen gegossen werden,
in der Regel nicht die geforderten Festigkeitswerte.
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Ähnliche Probleme ergeben sich auch bei anderen Typen wasserreicher
Suspensionen.
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Die Erfindung soll insoweit einen Weg aufzeigen, insbesondere eine
Vorrichtung anbieten, mit Hilfe derer es möglich ist, insbesondere dünnschalige
Körper, ausgehend von ursprünglich wasserreichen Suspensionen, mit günstigen Festigkeitseigenschaften
herzustellen, wobei die Vorrichtung darüber hinaus einfach in ihrer Konstruktion
und Handhabbarkeit sein soll.
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Die Erfindung sieht dazu eine Vorrichtung vor, die einen Aufnahmeteil
für die Suspension aufweist, in das eine flächig gegen ein entsprechendes Gegenlager
wirkende Druckeinrichtung verfahrbar ist, sowie eine oder mehrere den Aufnahmeteil
begrenzende wasserpermeable F lächenelemente. Diese weisen vorzugsweise eine hohe
und feine Durchgangsporosität auf, wobei die Porendurchmesser vor zugsweise nur
so groß bemessen sind, daß in Abhängigkeit von dem jeweils über die Druckeinrichtung
aufgebrachten Druck nur überschüssiges Wasser durch sie hindurchtritt und Feststoffteilchen
zurückgehalten werden.
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Dabei ist ferner zu berücksichtigen, an welcher Stelle des Aufnahmeteils
die wasserpermeablen Flächenelemente angeordnet sind. Sie können einerseit- den
Aufnahmeteil allseitig begrenzen, in der Regel wird es aber ausreichen, wenn bestimmte
Flächen wasserdurchlässig ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird deshalb vorgeschlagen,
daß das oder die wasserpermeablen Flächenelemente auf der der Druckeinrichtunq gegenüberliegenden,
das Gegenlager bildenden Seite des Aufnahmeteils angeordnet sind. Das oder die wasserpermeablen
flächenelemente können aber ebenso Bestandteil der Druckeinrichtung sein, indem
beispielsweise der Druckstempel entsprechend atJs(rbildet wird.
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Es hat sich gezeigt, daß das gewtinschte 7iel einer Feststoffrückhaltung
und Wasserdurchleit ing in besonders vorteilhafter Weise erreicht wird, wenn die
@lächenelemente aus einem di eh t gepreß ten und/oder gesinterten Pulvermaterial
bestehen, weil dort bei diehtester Kugelpackung die feinsten Durchgangsporositäten
erreicht werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können - entgegen der bisherigen
Annahme - Formkörper aus wasserreichen Suspensionen durch einen Preßvorgang hergestellt
werden, der nur einen minimalen konstruktiven Aufwand erfordert und - je nach eingestelltem
Druck - eine mehr oder minder hohe Verdichtung der jeweils hergestellten Formkörper
ermöglicht, wodurch weiter hohe Festigkeiten bedingt sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere jetzt auch
dünnschalige Formkörper ohne weiteres hergestellt werden, die, insbesondere bei
entsprechender Armierung, zum Beispiel mittels Faserstoffen, erstaunlich hohe Festigkeiten
aufweisen.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß es verschiedene Ausführungsformen
der wasserpermeablen Flächenelemente gibt, die ein Verpressen der wasserreichen
Bindemittelsuspensionen ermöglichen, ohne nach dem Preßvorgang durch Feststoffteilchen
selbst zu verstopfen. Dieses Phänomen ist noch nicht abschließend geklärt, Versuche
haben jedoch gezeigt, daß eine Trennung von Wasser und Feststoff nicht nur von der
Eisellung der Durchgangsporen im Verhältnis zum aufgebrachten Druck, sondern auch
durch die Oberflächenbeschaffenheit dieser Elemente beeinflußt wird. Dabei haben
sich pulvermetallurgisch hergestellte Sinterwerkstoffe besonders hewährt.
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Sinterwerkstoffe werden aus Metallpulvern oder -granalien mit Teilchengrößen
von 0,5 jim bis 1000 jim und/oder aus Metallfasern ähnlicher Durchmesser hergestellt.
Über die Wahl des Formgebungs- und Sinterverf'ahrens können unterschiedliche Qualitäten
eingestellt werden. Ferner sind auch rohstoffseitig verschiedene Alternativen möglich.
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Im Vergleich zu den schmelzmetallurgisch hergestellten Werkstoffen
ist die Porosität der die Pulvermetallurgie charakterisierende Parameter. So können
Porositätswerte von bis zu 90 % für pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe
erreicht werden.
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Es hat sich gezeigt, daß die mechanischen Eigenschaften derartiger
Elemente sich mit abnehmender Porosität verbessern. Da erfindungsgemäß jedoch vorzugsweise
ine möglichst hohe Porosität angestrebt wird, kann es vorteilhaft sein, insbesondere
wenn ein derart hergestelltes wasserpermeables Flächenelement als Gegenlager der
Druckeinrichtung gegenüberliegt, dieses mittels einer Stabilisierungsplatte zu unterlegen,
die den wiederum selbst Uffnungen zum Wasserdurchtritt aufweisen muß, die dann jedoch
in ihrer Größe nur noch insoweit limitiert sind, als die Festigkeit gegeben sein
muß.
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Vorzugsweise sind die Flächenelemente aus glatten, kugeligen Teilchen
gleichen Durchmessers hergestellt.
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Als Materialien kommen sowohl rostfreier Stahl und Bronze, als auch
Nickel, Titan, Aluminium, Tantal und andere sowie Sonderlegierungen in trage.
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Aus diesen oder ähnlichen Materialien hergestellte wasserdurchlässige
Flächenelemente weisen eine quasi polierte Oberfläche auf, die ein Anhaften der
leststofRteiichen ausschließt, andererseits den Wasse rdu rci0garg, urlterstützt
durch die Druckeinrichtung, ermöglichen. über den jeweils eingestellten Druck läßt
sich zusammen mit der Porosität des wasserdurchlässigen FIächenelementes auch der
Wasser -Feststoffwert des hergestellten Formteils einstellen, und zwar so, daß Entmischungen
ausgeschlossen werden.
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Bei der Herstellung der genannten Formkörper mit Hi 1 Fe der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind nahezu sämtliche
Zuschlagstoffe (oder Füllstoffe)
einsetzbar. So können bei der Herstellung von Formkörpern auf Zementbasis ohne weiteres
Leichtzuschlagstoffe wie Perlite, ebenso wie organische und/oder anorganische Fasern
einzeln oder in beliebigen Kombinationen zugegeben werden. Durch die Druckeinrichtung
kann überdies eine bestimmte Ausrichtung der Zuschlagstoffe im fertigen Körper erreicht
werden. Es können so Körper bestimmter Eigenschaften (Schallschutz, Feuerschutz,
etc.) hergestellt werden.
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Aufgrund der hohen Wasserdurchlässigkeit der genannten Flächenelemente
ist eine gezielte Entwässerung in kürzester Zeit möglich, so daß die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit hohen Taktzahlen gefahren werden kann.
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Dabei ist es dann vorteilhaft, wenn einerseits eine automatische Zuführeinrichtung
für die in den Aufnahmeteil einzubringende Suspension, andererseits aber auch eine
Entnahmeeinrichtung für den hergestellten Formkörper vorgesehen sind.
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Letztere kann beispielweise so gestaltet sein, daß der Boden des Aufnahmeteils
als Hubbühne gestaltet ist, die nach dem Preßvorgang den hergestellten Formkörper
nach oben führt, wo er mittels einer seitlichen Schubeinrichtung weggedrückt oder
mittels entsprechender Saugeinrichtungen aufgenommen und abgeffihrt wird. Fhenso
können aber auch beispielsweise eine oder mehrere der Seitenteile zurückfahrbar
gestaltet sein, so daß der Formkörper dann unmittelbar aus dem Aufnahmeteil wegqaliihrt
werden kann.
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Mit der erfindungsgemaßen Worrichtung sind nicht nur plane Formkörper,
insbesondere auch. dünnschalige Formkörper herstellbar, vielmehr können Formkörper
praktisch beliebiger geometrischer Gestaltungen hergestellt werden, z.B. wellenförmige,
Körper mit Vor- und Rücksprüngen etc., die dann z.B als Fassadenelemente einsetzbar
sind.
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Bei entsprechender Auslegung des Aufnahmeteils können in einem Arbeitsgang
auch mehrere Formkörper gleichzeitig hergestellt werden. Dazu sieht eine Ausführungsform
der Erfindung vor, daß der Aufnahmeteil in einzelne Kammern unterteilt ist, in denen
jeweils ein Formkörper herqestellt wird; bei entsprechender Anpassung der Druckeinrichtung;
es ist aber auch möglich, daß beispielsweise die Druckeinrichtung an ihrer dem Aufnahmeteil
zugewandten Seite mit entsprechenden Messern ausgestaltet ist, die beim Preßvorgang
Nuten in das oder die Formteile drücken, über die die einzelnen Teile später gegeneinander
gebrochen werden können.
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Wenngleich die Anordnung einer Druckeinrichtung besonders vorteilhaft
ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch anstelle der oder zusatz 1 ich zur
Druckeinrichtung mit einer Saugeinrichtung ausgebildet sein, die das Wasser dann
über die wasserpermeablen FlächerleIemente abzieElt.
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Die Saugeinrichtung wird dann vorzugsweise unmitteIt)ar unterhalb
bzw. hinter den wasserpermeablen Flächenelementen angeordnet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie die Merkmale
des erfindungsgemäßen rfahrens sowie eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder
erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten formkörpers sin(l durch die Merkmale
der übrigen Patentansprüche sowie der sonstigen Anmeldungsunterlagen beschrieben.
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Daneben sind weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich, ohne
den Kerngedanken der Erfindung ZU verlassen.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Die einzige Figur beschreibt in schematischer Darstellung einen senkrechten
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Dabei ist mit der Bezugsziffer 10 der Aufnahmeteil dargestellt. Dieser
wird seitlich begrenzt von jeweils paarweise parallel zueinander verlaufenden Wänden
11, 12, 13 von denen in der Figur die sich gegenüberliegenden Wände 11, 12 sowie
die rückseitig sie verbindende Wand 13 dargestellt sind.
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Die Seitenwände 11, 12, 13 weisen zum Aufnahmeteil 10 hin vertikal
verlaufende Seitenflächen lla, 12a, 13a auf, die an ihrem unteren Ende jeweils mit
einem rechtwinkligen Rücksprung ausgebildet sind, von denen in der Figur lediglich
die Rücksprünge llb, 12b in den Seitenwänden 11, 12 dargestellt sind. Eine leicht
konisch sich nach oben erweiternde Querschnittsform ist ebenso möglich.
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Unterhalb der Seitenwände 11, 12, 13 ist eine Metallplatte 14 angeordnet,
die gegen die Seitenwände 11, 12, 13 mittels Schrauben 15 verschraubt ist. Die Metallplatte
14 weist eine Vielzahl von vertikal verlaufenden Durchgangsbohrungen 16 auf, die
vorzugsweise statistisch über die Fläche verteilt angeordnet sind.
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Oberhalb der Metallplatte 14 ist ein wasserdurchlässiges Flächenelement
17 angeordnet, das sich über die gesamte Grundfläche des Aufnahmeteils 1() bis in
die Rücksprünge llb, 12b hinein erstreckt und dort einliegt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das wasserdurchlässige
Flächenelement aus einem pulvermetallurgisch hergestellten, porösen, selbsttragenden,
formstabilen Sinter-3 werkstoff aus Bronze mit einer Dichte von 5,9 g/cm und einer,
nach der Darcy-Gleichung gemessenen spezifischen Durchströmbarkeit α von 350
. 10-12m2.
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Die Oberfläche wirkt wie poliert, obwohl sie herstellungsbedingt aus
zahlreichen gesinterten Kleinstteilchen hesteht, die jedoch jedes für sich oberflächlich
völlig glatt sind.
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Nach unten stützt sich die Metallplatte 14 auf einem (nicht dargestellten)
Rahmen ab, der eine (gleichfalls nicht dargestellte) Wasseraufnahmeeinrichtung enthält.
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Oberhalb des Aufnahmeteils 10 ist ein Druckstempel 18 angeordnet,
der vertikal in den Aufnahmeteil 10 verfahrbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Druckstempel aus einer Druckplatte 19 mit ebener GrundFläche 19a und
Außenabmessungen, die geringfügig kleiner als die Innenabmessungen des Aufnahmeteils
10 sind.
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Die Verfahrbarkeit des Druckstempels 18 nach unten ist begrenzt durch
die Dicke des herzustellenden l~ormktirpers 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der untere Anschlagpunkt des Druckstempels 18 durch den Abstand "a" zur Oberfläche
des wasserdurchlässigen Flächenelementes 17 gegeben. Die Dicke a entspr j eht der
Dicke des herzustellenden Formkörpers.
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Am unteren Umfangsrand der Druckplatte 19 kann zusätzlicil eine (nicht
dargestellte) Dichtungslippe vorgesehen werden.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird am Beispiel
der Herstellung eines faserarmierten Betonteils näher erläutert.
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Die aus Zement, Fasern und Wasser bestehende Bindemittelsuspension
mit einem Wasser-Zement-Wert von 1,0 wird bei vollständig zurückgezogenem Druckstempel
19 von oben in den Aufnahmeteil 10 auf das wasserdurchlässige Flächenelement 17
eingefüllt, wo es sich verteilt.
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Für das Ausführungsbeispiel wurde eine Mischung aus 97 Gewichtsteilen
Portlandzement 35 und 3 Gewichtsteilen Glasfasern einer Länge von ca. 12mm mit einem
Durchmesser von lOWm gewährt.
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Der Aufnahmeteil 10 hat eine Grundfläche von 350x500mm.
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Anschließend wird von oben der Druckstempel 18 in den Aufnahmeteil
10 verfahren und übt einen Druck auf die zuvor eingebrachte Bindemittelsuspension
aus. Der aufgebrachte Druck beträgt bei der dargestellten Vorrichtung 2 ca. 50 N/mm
. Während des Preßvorgangs wird in Abhängigkeit vom eingestellten Druck, der Dicke
des hergestellten Formkörpers sowie den Porositätseigenschaften des Flächenelementes
17 überschüssiges Wasser aus der Suspension ausgetrieben und nach unten durch das
Flächenelement 17 ausgetragen, von wo es durch die Durchgangsbohrungen 16 der Metallplatte
14 nach unten abgeführt, gesammelt und weggeleitet wird.
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Die Eigenschaften des vorstehend im einzelnen beschriebenen Sinter-Flächenelementes
sind derart, daß insbesondere in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck lediglich
Wasser
durch die offenen Poren des Flächenelementes 17 durchtreten
kann, während Feststoffteilchen zulässig zurückgehalten werden.
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Schon eine kurze Pressung von wenigen Sekunden genügt, um das Formteil
auf die gewünschte Dicke (a = 10mm) zu verpressen und sämtliches überschüssiges
Wasser nach unten abzuführen.
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Anschließend wird der Druckstempel 18 wieder nach oben weggeführt,
wobei kein Feststoffmaterial an der Unter fläche der Druckplatte 19 haften bleibt.
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Der so hergestellte Formkörper kann dann unmittelbar entnommen werden,
wobei ebensowenig Material an der Oberfläche des Flächenelementes 17 haften bleibt.
Anschließend kann der Aufnahmeteil 10 neu befüllt und ein neuer Preßvorgang gestartet
werden.
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Die Entnahme des Formkörpers 20 kann entweder mittels geeigneter Greif-
oder Saugeinrichturlgen von oben erfolgen, es können aber auch einige der SeiLenwande
11, 12, 15 seitlich weggefahren und der Formkörper 20 seitlich abqezogen werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der
Formkörper 20 auf dem @lächenelement 17 aufliegend, über eine entsprechende llubeinrichturly
nach oben aus dem Aufnahmeteil 10 hinausgeführt und dann seitlich über eine entsprechende
Schubeinrichtung weqgeschote 0 wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Seitenflächen
11a, 12a der Seitenwände 11, 12 selbstverständlich
vertikal und
ohne Rückspriingc 1 1 h, 1 2b nach unten geführt, so daß das Flächenelement 17 ohne
weiteres nach oben weggedrückt werden kann.
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Eine solche Anordnung und Zuordnung der einzelnen Bauteile ermöglicht
den vollautomatischen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein vorstehend beschriebener Formkörper weist nach 28 Tagen eine Biegezugfestigkeit,
gemessen im 3-Punkt-Biegeversuch,von 21,5 N/mm bei einer Dichte von 1,85 kg/dm3
auf.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können so schnell und zuverlässig
Formkörper aus wassereichen Suspensionen, insbesondere anorganischen Bindemittelsuspensionen,
die eine hohe Dichte und Festigkeit aufweisen, hergestellt werden. Der so hergestellte
erfindungsgemäße Formkörper kann anschließend auf verschiedenste Art und Weise "veredelt"
werden, beispielsweise durch Aufbringen von Farbbeschichtungen oder dergleichen.
Insbesondere die Farbhaftung ist bei einem erfindungsgemäßen Formkörper besonders
günstig, da die mit dem wasserdurchlässigen Flächenelement in Kontakt stehende Oberfläche
eine feinste Rauheit aufweist, auf der die Farbe besonders gut anhaftet.
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Um die Herstellung noch weiter zu beschleunigen und/oder eine noch
weiter verbesserte Filterwirkung zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn nicht
nur, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, eirle Fläche des Aufnahmeteils 10
(hier: der Boden) wasserdurchlässig ausgebildet ist, sondern im Extremfall auch
sämtliche Seitenwände 11,12,13 sowie die Druckplatte 19 selbst, wobei dann hinter
bzw.
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über diesen Elementen entsprechende Ab führe in richtungen für das
Wasser vorgesehen werden messen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
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Zusammen fassunq
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