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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Spritzgießteilen
bzw. -gegenständen.
Solche Gegenstände
können
aus einem duroplastischen Polymerharz geformt oder Verbundgegenstände sein,
also Gegenstände,
die ein Faserverstärkungsnetz
in einer gehärteten
Harzmatrix haben. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
12 zum Spritzgießen
von solchen Polymer- und Verbundgegenständen.
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Reaktionsspritzgießen und
Spritzpressen sind Verfahren, bei denen trockene faserverstärkte Matten
(Vorformlinge) in einen Formhohlraum eingebracht werden, dessen
Oberflächen
die Endkonfiguration des herzustellenden Gegenstands definieren, woraufhin
ein fließfähiges Harz
in den Formhohlraum (das Formplenum bzw. die Formkammer) unter Druck
eingespritzt oder mittels Vakuum angesaugt wird, um dadurch den
Gegenstand herzustellen oder die faserverstärkten Vorformlinge zu sättigen/zu
benetzen. Nachdem die harzgetränkten
Vorformlinge in der Formkammer ausgehärtet sind, wird der fertige Gegenstand
entformt.
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Der
Stand der Technik zeigt Spritzgießvorrichtungen, die aus einem
Paar von komplementären oder "zusammenpassenden" Werkzeughälften (zweiteiligen
Werkzeugen) bestehen, die diese Formoberflächen aufweisen, wobei jede
Werkzeughälfte beispielsweise
aus einem Hartmetall sorgfältig
maschinell bearbeitet ist, das im übrigen in bezug auf das Harz,
das in Verbindung damit verwendet werden soll, relativ reaktionsunfähig ist.
Diese zweiteiligen metallischen Werkzeuge sind teuer in der Herstellung und
zwangsläufig
auf die Erzeugung eines einzigen Gegenstands mit einer gegebenen
Ausbildung beschränkt.
Anders ausgedrückt,
können
selbst geringfügige Änderungen
an der gewünschten
Konfiguration des herzustellenden Gegenstands das maschinelle Bearbeiten
eines vollständig
neuen Austauschwerkzeugs erforderlich machen.
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Außerdem haben
diese bekannten Werkzeuge aus Metall typischerweise eine erhebliche
Wärmemasse,
was zunehmend problematisch wird, je weiter die Formtemperatur von
den gewünschten Prozeßtemperaturen
abweicht. Daher sind solche Werkzeuge häufig mit einem integralen System
von inneren Heiz- und/oder Kühlrohren
oder -kanälen ausgebildet,
durch die ein von außen
zugeführtes Heiz-/Kühlfluid
zirkulieren kann. Bei diesen bekannten Konstruktionen sind jedoch
die Heiz-/Kühlkanäle relativ
zu den Werkzeugoberflächen
so positioniert, daß ein
minimaler Abstand von vielleicht 5 cm (2 inches) dazwischen verbleibt,
um sicherzustellen, daß der
resultierende Gegenstand frei von heißen und kalten Linien oder
Bändern
ist, die sonst in dem Gegenstand infolge von ungleichen Heiz-/Kühlraten während des
Härtens
des Harzes erzeugt werden könnten.
Dieser minimale Abstand begrenzt wiederum inhärent die Fähigkeit dieser bekannten Werkzeuge,
die Temperatur während
des Spritzgießvorgangs
präzise
zu steuern, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um exothermische
Prozesse handelt. Und die Temperatursteuerung des Formplenums wird
noch problematischer, wenn Gegenstände mit variabler Dicke herzustellen
sind, wobei davon auszugehen ist, daß die dickeren Bereiche des
Gegenstands durchaus früher
polymerisieren und wahrscheinlich höhere Temperaturen als die dünneren Bereiche
des Gegenstands erreichen.
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Diese
zweiteiligen metallischen Werkzeuge müssen eventuell periodisch für ausreichend
lange Zeit außer
Betrieb genommen werden, damit die Form auf eine annehmbare Betriebstemperatur
abkühlen
kann, wodurch die Kosten zur Herstellung eines Gegenstands unter
Verwendung solcher Werkzeuge erheblich steigen.
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Bei
dem Versuch, eine höhere
Temperatursteuerung zu ermöglichen
und gleichzeitig das Entformen des fertigen Gegenstands aus der
Formvorrichtung zu erleichtern, lehrt der Stand der Technik eine
modifizierte Formvorrichtung, bei der eine der Formoberflächen von
einem flexiblen Element definiert ist, das beispielsweise aus Kautschuk
ausgebildet ist. Die andere Formoberfläche ist immer noch von einem
harten wärmeleitfähigen Metallwerkzeug definiert,
das von einem Druckfluid wie etwa Dampf abgestützt wird, wobei Härtungswärme auf
den Formhohlraum für
endothermische Formvorgänge übertragen
wird. Bei solchen endothermischen Prozessen kann aber leider die
Erwärmung
nur einer Seite des Formhohlraums die Flexibilität hinsichtlich Oberflächengüte und anderer
Ei genschaften des resultierenden Gegenstands beschränken und
außerdem
den Grad, bis zu welchem die Harzaushärtung beschleunigt werden kann,
einschränken.
Wenn solche Formvorrichtungen bei exothermischen Prozessen verwendet
werden, wird durch die resultierende Wärme die Verschlechterung der
flexiblen Formoberfläche
beschleunigt, was einen Langzeitgebrauch des Werkzeugs verhindert.
Außerdem
erfordern diese Formvorrichtungen häufig eine Evakuierung des Formplenums
vor dem Einspritzen von Harz in dieses, was den Gebrauch und die
Unterhaltung dieser Formvorrichtungen noch komplexer macht und Verfahren,
die solche Vorrichtungen verwenden, zeitaufwendiger und teurer macht.
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Außerdem werden
Werkzeuge zur Anwendung mit geschlossenem Werkzeug typischerweise aus
teuren Materialien wie etwa Aluminiummetallen, Verbundmaterialien
oder Metallegierungen maschinell bearbeitet oder gegossen. Bei dieser
Art von Werkzeugen können
viele Probleme auftreten, beispielsweise hohe Kosten der Bearbeitungswerkzeuge,
lange Dauer von 15 bis 52 Wochen für Ausarbeitung und Durchführung des
Projekts, schwer oder auch unmöglich
zu modifizieren, und hohe Reparatur- oder Umbaukosten.
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Benötigt wird
also eine als zweiteiliges Werkzeug ausgebildete Spritzformvorrichtung,
die auswechselbare Formoberflächen
hat, die leichter und billiger herzustellen sind als bekannte starre
oder flexible Werkzeuge, während
gleichzeitig eine erhöhte Temperatursteuerung
sowohl bei endothermischen als auch bei exothermischen Prozessen
ermöglicht wird,
um dadurch Gegenstände
verbesserter Güte
in kürzeren
Taktzeiten bereitzustellen.
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WO-A-98/12034
zeigt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
12. Die Vorrichtung weist fluidabgestützte Formabschnitte auf, die
eine präzise
Formkonstruktion ergeben, die hohe Produktivität ermöglichen kann. Dieses Dokument
lehrt, daß die
Harzeinspritzung beim Austritt von Harz aus Luftzuführventilen
in den Formabschnitten beendet werden soll, d. h. es wird eine visuelle
Bestätigung
eines vollständigen
Befüllens
angewandt.
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US-A-5
518 388 zeigt das Einspritzen von Harz in eine Form mittels eines
Kolbens, wobei die Rate der Kolbenbewegung zur Überwachung und Steuerung der
Harzströmungsrate
genutzt wird. Bei Anwendung dieser Technologie können die von der Pumpe zu der Form
geförderten
Formfluidmengen zwischen dem Harzbehälter und der Form für Steuerungszwecke
festgestellt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Verfahren zum Formen eines Gegenstands gemäß dem Anspruch
1 die folgenden Schritte auf: Anordnen eines ersten und eines zweiten
harten hohlen Formabschnitts in voneinander beabstandeter gegenüberliegender
Beziehung; Bilden eines Formplenums bzw. einer Formkammer zwischen
einer ersten halbsteifen Membran, die an einer Seite des ersten hohlen
Formabschnitts angebracht ist, und einer zweiten halbsteifen Membran,
die an einer Seite des zweiten hohlen Formabschnitts der ersten
halbsteifen Membran benachbart angebracht ist, so daß die erste
und die zweite halbsteife Membran einander gegenüberliegend angeordnet sind
und die Formkammer zwischen sich immer dann bilden, wenn der erste
und der zweite hohle Formabschnitt geschlossen weiden, um Gegenstände zu formen;
Füllen
des ersten und des zweiten harten hohlen Formabschnitts mit einem
im wesentlichen nichtkompressiblen Füllfluid derart, daß in der
Formkammer erzeugter Formdruck von der ersten und der zweiten halbsteifen
Membran auf den ersten und den zweiten harten hohlen Formabschnitt übertragen
wird; Einspritzen von Formfluid in die Formkammer, um ein Formteil
zu erzeugen; Erfassen von mindestens einem Parameter, der das Befüllen der
Formkammer mit dem Formfluid anzeigt, unter Verwendung eines Sensors,
der mindestens einem von dem ersten Formabschnitt, dem zweiten Formabschnitt
und der Formkammer funktionsmäßig zugeordnet
ist; und Steuern der Strömungsrate,
mit der das Formfluid in die Formkammer eingespritzt wird, in Abhängigkeit von
dem genannten mindestens einen Parameter.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens ist in Unteranspruch 10 definiert und weist die folgenden
Schritte auf: Einsetzen von Verstärkungsmaterialien zwischen
die erste und die zweite halbsteife Membran vor dem Schließen des
ersten und des zweiten Formabschnitts, um Gegenstände zu formen;
Schließen
des ersten und des zweiten Formabschnitts aufeinander zu derart,
daß die
Verstärkungsmaterialien
in der Formkammer sandwichartig eingeschlossen sind; steifes Zusammenhalten
des ersten und des zweiten Formabschnitts mit den Verstärkungsmaterialien,
die in der Formkammer sandwichartig eingeschlossen sind; Einspritzen
von unter Druck stehendem Formfluid in die Formkammer, um einen
Formgegenstand zu erzeugen; Erfassen von mindestens einem Parameter,
der das Befüllen
der Formkammer mit dem Formfluid anzeigt, unter Verwendung eines
Sensors, der mindestens einem von dem ersten Formabschnitt, dem zweiten
Formabschnitt und der Formkammer funktionsmäßig zugeordnet ist, und Steuern
der Strömungsrate,
mit der das Formfluid in die Formkammer eingespritzt wird, in Abhängigkeit
von dem genannten mindestens einen Parameter.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Spritzgießvorrichtung
gemäß Anspruch
12 auf, die folgendes aufweist: einen ersten harten hohlen Formabschnitt,
mit dem eine erste halbsteife Membran verbunden ist; einen zweiten harten
hohlen Formabschnitt, mit dem eine zweite halbsteife Membran verbunden
ist, wobei der zweite Formabschnitt dem ersten Formabschnitt benachbart angeordnet
ist, so daß die
erste und die zweite halbsteife Membran einander gegenüberliegen;
wobei die erste und die zweite halbsteife Membran eine Formkammer
zwischen sich bilden; ein im wesentlichen nichtkompressibles Füllfluid,
das jeden von dem ersten und dem zweiten hohlen Formabschnitt füllt; einen
Angießkanal
in Fluidverbindung mit der Formkammer zur Abgabe von Formfluid in
diese; und mindestens einen Sensor, der mindestens einem von dem
ersten Formabschnitt, dem zweiten Formabschnitt und der Formkammer
funktionsmäßig zugeordnet
ist, wobei der Sensor mindestens einen Parameter detektiert, der
das Befüllen
des Formplenums mit dem Formfluid anzeigt. Die Membran jedes Formabschnitts,
die ihrerseits dessen Formoberfläche
definiert, ist bevorzugt aus einem billigen Verbundmaterial wie
etwa faserverstärktem
Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material geformt, und gemäß der vorliegenden
Erfindung können
verschiedene Membranmaterialien und/oder -charakteristiken für die jeweiligen
Membranen jedes Formabschnitts ausgewählt werden. Wenn die beiden
Formabschnitte zusammengebaut sind, so daß ihre jeweiligen Formoberflächen einander
gegenüberliegen,
ist eine Formkammer definiert, in welcher der gewünschte Gegenstand
hergestellt werden kann. Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
somit Designänderungen
des Gegenstands ohne weiteres durch Ändern oder Auswechseln von
einer oder beiden der billigen Membranen vorgenommen werden. Anders
ausgedrückt,
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung ein gegebenes Formabschnittgehäuse mit irgendeiner von einer
großen
Vielzahl von relativ billigen Verbundmembranen ausgerüstet werden,
die für
die Herstellung von zusammengesetzten Gegens tänden unterschiedlicher Gestalt,
Größe und Eigenschaften
brauchbar sind, wodurch im Vergleich mit dem Stand der Technik die
Werkzeugkosten erheblich verringert werden. Die Dimensionen der Formabschnittgehäuse definieren
eine Arbeitsummantelung, in welcher Membranen mit zahlreichen verschiedenen
Konfigurationen verwendet werden können. Jede Konfiguration, die
ausgebildet ist, um in die Dimensionen der Arbeitsummantelung zu
passen, kann verwendet werden, ohne daß eine Notwendigkeit zur Änderung
des Formabschnittgehäuses besteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein nichtkompressibles Fluid in der Kammer jedes Formabschnitts
vorgesehen und füllt
die Kammer, so daß die
jeweilige Membran so abgestützt
ist, daß die richtige
Dimensionierung des fertigen Gegenstands gewährleistet ist, während gleichzeitig
während
des Einspritzens von Harz ein geringfügiges dimensionsmäßiges Nachgeben
zulässig
ist, wodurch eine Einspxitzdruckbelastung der Membran über ihre
Gesamtoberfläche
gleichmäßig verteilt
wird. Das letztgenannte Merkmal kann sich dann als besonders vorteilhaft
erweisen, wenn während
des Harzeinspritzschritts eine Einspritzdruckspitze auftritt. Ein weiterer
Vorteil ist, daß davon
ausgegangen wird, daß ein
solches geringfügiges
dimensionsmäßiges Nachgeben
der Membran während
der Harzeinspritzung das Fließen
von Harz durch die Formkammer verbessert oder unterstützt. Eine
Ausdehnungskammer in Fluidkommunikation mit der Kammer von einem
oder beiden Formabschnitten dient dazu, die Wärmeausdehnung des Membranstützfluids
vor dem Einspritzen von Harz in die Formkammer und anschließend an
das Härten
des fertigen Gegenstands aufzunehmen, wobei ein Ventil wirksam ist,
um die Kammer während
der Harzeinspritzung und des Härtens
von der Ausdehnungskammer zu trennen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist das Füll- bzw. Stützfluid selber bevorzugt wärmeleitfähig; und
die Formvorrichtung weist ferner Einrichtungen in Wärmekommunikation
mit dem Füllfluid
innerhalb von einem oder von beiden Formabschnitten auf, um die
Temperatur des Stützfluids
zu regulieren. Beispielsweise weist bei einer bevorzugten Ausführungsform
die Temperaturreguliereinrichtung ein System von innerhalb jeder
Kammer verlaufenden Schlangen auf, und eine externe Heiz-/Kühleinheit
herkömmlicher
Bauart, die mit dem Schlangensystem verbunden ist, ist wirksam,
um durch dieses ein Temperatursteuerungsfluid mit einer vorbestimmten
Temperatur zirkulieren zu lassen.
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Auf
diese Weise kann die Temperatur des Füllfluids und damit einhergehend
die Formoberfläche
jedes Formabschnitts genau reguliert werden, was zu verbesserten
Eigenschaften des fertigen Gegenstands und/oder verbesserter Steuerung
von Prozeßparametern
wir Härtungszeit
und -tmperatur führt.
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Der
mindestens eine Sensor, der mindestens einem von dem ersten Formabschnitt,
dem zweiten Formabschnitt und der Formkammer funktionsmäßig zugeordnet
ist, detektiert mindestens einen Parameter, der das Befüllen des
Formplenums mit dem Formfluid anzeigt, und liefert Feedbackinformation, um
den Formvorgang zu optimieren. Sensoreinrichtungen umfassen Temperatursensoren,
Druckwandler und/oder Näherungsschalter
in den Formabschnitten. Externe Einrichtungen wie etwa LVDT können vorgesehen
sein, um eine Verlagerung der Formabschnitte zu detektieren, die
das Befüllen des
Werkzeugs anzeigt.
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Weitere
Einzelheiten, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
von derzeit bevorzugten Ausführungsformen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Das
Verständnis
der Erfindung ergibt sich aus dem Studium der nachstehenden genauen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; diese zeigen
in:
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1 eine
teilweise schematische, teilweise auseinandergezogene isometrische
Ansicht einer Spritzgießvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht der in 1 gezeigten
Vorrichtung entlang einer Vertikalebene, die durch die Linie II-II
geht, anschließend
an die Plazierung des oberen Formabschnitts bzw. der oberen Werkzeughälfte auf
dem unteren Formabschnitt bzw. der unteren Werkzeughälfte;
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3 eine
teilweise schematische, teilweise auseinandergezogene isometrische
Ansicht einer anderen Ausführungsform
einer Spritzgießvorrichtung ähnlich 1,
wobei jedoch außerdem
bestimmte Einrichtung vorgesehen sind, die Feedback für die Optimierung
des Formverfahrens liefern;
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4 eine
perspektivische Explosionsansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung
von 1 zum Formen von Bootskörpern;
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5 eine
der 2 ähnliche
Querschnittsansicht des vollständig
zusammengebauten Formwerkzeugs gemäß 4;
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6 ein
vereinfachtes Schema der Vorrichtung von 4, wobei
die Austauschbarkeit von Membranen gezeigt ist; und
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7 eine
derzeit bevorzugte Ausführungsform
einer als Angießkanal
ausgebildeten modularen Trennwanddurchführung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß 1 weist
eine beispielhafte Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Formen eines Verbundgegenstands folgendes auf: eine Werkzeug-
bzw. Formanordnung 12, die einen oberen Formabschnitt 14 und
einen unteren Formabschnitt 16 hat, die nach dem Zusammenbringen
des oberen Formabschnitts 14 auf den unteren Formabschnitt 16 mit
Hilfe von Fixierstiften 18 und komplementären Stiftaufnahmen 20 ein
Formplenum bzw. eine Formkammer 22 mit den zusammenpassenden
Formoberflächen 24, 26 der
Abschnitte definieren. Dabei weisen der untere und der obere Formabschnitt 14, 16 jeweils
ein starres Gehäuse 28, 30 und
eine halbsteife Membran 32, 34 auf, die an dem
jeweiligen Gehäuse 28, 30 entlang
dem Außenumfangsrand
der Membran etwa durch einen Flansch 36 abnehmbar und abdichtbar
befestigt ist. Der Flansch 36 kann einen Innenumfang mit
einer Geometrie, die der Geometrie der halbsteifen Membran 32, 34 entspricht,
und einen Außenumfang
mit einer Geometrie haben, die der Geometrie des Gehäuses 28, 30 entspricht.
Infolgedessen ist der Flansch 36 wiederverwendbar, so daß, wenn
eine halbsteife Membran 32, 34 ausgewechselt wird,
der Flansch 36 von der alten Membran abgenommen und an
der neuen angebracht werden kann. Nach dem Zusammenbau wirken die
Gehäuse 28, 30 und
die Membranen 32, 34 jedes hohlen Formabschnitts 14, 16 zusammen,
um darin fluiddichte Kammern 38, 40 zu definieren.
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Gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jede Membran 32, 34 bevorzugt
relativ dünn
und aus einer Verbunddeckschicht gebildet, die in ihrer elegantesten
Form einfach ein Abklatsch eines Rohlings des herzustellenden Gegenstands
ist. Und jede Membran 32, 34 kann zwar zweckmäßig aus
faserverstärktem
Kunststoff gebildet sein, aber die vorliegende Erfindung sieht auch
die Verwendung von halbsteifen Membranen 32, 34 vor,
die aus anderen geeigneten Materialien wie etwa Leichtmetallblech
gefertigt sind, wobei solche Membranen 32, 34 zweckmäßig und
billig in einer Druckkammer auf eine dem Fachmann bekannte Weise
hergestellt, geformt und umgeformt werden können. In dieser Hinsicht ist zu
beachten, daß die
vorliegende Erfindung die Verwendung entweder der gleichen oder
verschiedener Materialien für
die jeweiligen Membranen 32, 34 jedes Formabschnitts 14, 16 vorsieht,
was beispielsweise von den gewünschten
Charakteristiken der Membranen (z. B. ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrer Formbarkeit
und ihrer Lebensdauer), den gewünschten
Charakteristiken des hergestellten Gegenstands (z. B. Oberflächengüte und Glanz)
und/oder von Prozeßparametern
insgesamt (z. B. Harzeinspritzdrücken,
Harzaushärtungsdauer
und Formzusammenbau-Zykluszeit) abhängt.
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Jeder
hohle Formabschnitt 14, 16 wird vollständig mit
einem im wesentlichen inkompressiblen wärmeleitenden Fluid 42 befüllt, das
von einem Fluidzuführnetz 44 zugeführt wird.
Nachdem die hohlen Formabschnitte 14, 16 befüllt sind,
ist das Formwerkzeug 10 bereit, für die Herstellung von Gegenständen eingesetzt
zu werden. Das Fluid 42 in jedem hohlen Formabschnitt 14, 16 bildet
eine Abstützung
für jede Membran 32, 34 unter
Kompression während
des Einspritzens von Harz, und zwar auf eine noch zu beschreibende
Weise. Da das Fluid im wesentlichen nichtkompressibel ist, wird
jede auf die Membranen 32, 34 wirkende Kraft wie
etwa innere Einspritzdrücke
durch das Fluid auf die Wände
des starren Gehäuses 28, 30 übertragen.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform kann das Membranstützfluid 42 Leitungswasser
sein, das aus dem Netz 44 dem oberen und unteren Formabschnitt 14, 16 durch
entsprechende Einlaßsteuerventile 46 und
Schnellverbindungskupplungen 48, zugeführt wird. Wasser ist im allgemeinen
das bevorzugte Fluid, weil es kostengünstig, leicht verfügbar und
umweltfreundlich ist. Andere geeignete Füllfluide, die über verschiedene
Betriebsbereiche brauchbar sind (die z. B. höhere Verdampfungstemperaturen
haben), sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt. Ein Druckmesser 50 kann
abstromseitig von jedem Einlaufventil 46 verwendet werden,
um die Strömungsrate
von Füllfluid 42 in
die Kammer 38, 40 jedes Formabschnitts 14, 16 zu überwachen.
Zum leichteren Befüllen
und Entleeren jeder Kammer 38, 40 kann jeder Formabschnitt 14, 16 eine
Entlüftungsöffnung 52 haben,
durch die in jeder Kammer 38, 40 befindliche Luft
beim Befüllen
derselben mit Füllfluid 42 entweichen
kann. Nach dem Befüllen
wird die Entlüftungsöffnung 52 jeder
Kammer mit einem Entlüftungsventil 54 dicht
verschlossen, was der Membran-/Formoberfläche 24, 26 jedes
Formabschnitts eine erforderliche Steifigkeit verleiht.
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Wie 2 zeigt,
in der die relativen Dimensionen beispielsweise der Membranen 32, 34 und
der Formkammer 27 zur leichteren Darstellung übertrieben
gezeigt sind. kann jeder Formabschnitt 14, 16 mit einem
System von Heiz-/Kühlschlangen 56 versehen sein,
die in den fluiddichten Kammern 38, 40 verlaufen,
um die Temperatur der Formkammer 22 zu regulieren. Die
fakultativen Heiz-/Kühlschlangen 56 können über Schnellkupplungen 58 mit
einer externen Heizeinheit 60 und Kühleinheit 61 herkömmlicher Bauart
verbunden werden. Insofern wirken die Schlangen 56 mit
den Heiz- und Kühleinheiten 60, 61 zusammen,
um die Temperatur des Füllfluids 42 und dadurch
der Formoberfläche 24, 26 jeder
Membran 32, 34 während des gesamten Spritzformverfahrens präzise zu
regulieren. Die Schlangen sind zwar in 2 nahe der
Rückseite
der Membran 32, 34 liegend gezeigt, aber die Wärmeleitfähigkeit
des Füllfluids 42 ermöglicht erhebliche
Designabwandlungen in bezug auf die Anordnung der Schlangen 56 innerhalb jedes
Formabschnitts 14, 16. Auch wenn also solche Schlangen 56 verwendet
werden, ermöglicht
die Wärmeleitfähigkeit
des Füllfluids 42 eine
beträchtliche
Designabweichung in bezug auf die Plazierung der Schlangen innerhalb
der Formabschnitte 14, 16, wodurch wiederum die
Verwendung eines gegebenen Formabschnitts 14, 16 und
Schlangensystems 56 mit einer großen Vielzahl von Membranen 32, 34 ermöglicht wird.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind zwar die Membranen 32, 34 der beispielhaften Vorrichtung 10 in 2 mit
relativ gleichmäßiger Dicke
gezeigt, aber tatsächlich
erlaubt der Wirkungsgrad, mit dem die Formtemperatur gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert werden kann, die Verwen dung von Membranen 32, 34 veränderlicher
Dicke, wie es beispielsweise erwünscht
sein kann, wenn der fertige Gegenstand mit Verstärkungsrippen versehen wird.
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Insoweit
das Füllfluid 42,
mit dem jeder Formabschnitt 14, 16 befüllt wird,
mit einer Temperatur zugeführt
wird, die von der gewünschten
Prozeßtemperatur
verschieden ist, kann das Fluidzuführnetz 44 ferner eine
Ausdehnungskammer 62 aufweisen, die eine Niederdruck-Ausdehnungskammer
sein kann. Somit kann beim anschließenden Erwärmen oder Kühlen jedes Formabschnitts 14, 16 auf
die gewünschte
Temperatur jede resultierende Wärmeausdehnung
des Füllfluids 42 innerhalb
jeder Kammer 38, 40 von der Ausdehnungskammer 62 aufgenommen
werden, wodurch ein Verziehen und/oder eine schädliche Belastung der Membranen 32, 34 vermieden
wird.
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Es
wird erneut auf die Figuren Bezug genommen. 2 zeigt
einen Angießkanal 64,
der sich durch den oberen Formabschnitt 14 erstreckt, um eine
Bahn zu bilden, durch die ein gewünschter Duroplast von einer
Formfluidquelle 66 unter Druck von einer geeigneten Einspritzpumpe 68 in
die Formkammer 22 eingespritzt werden kann. Anzahl und
Anordnung von solchen Angießkanälen 64 hängen von
der Konfiguration und den gewünschten
Charakteristiken des zu formenden Gegenstands und den Strömungscharakteristiken
des verwendeten Formfluids ab, wie dem Fachmann bekannt ist. In
dieser Hinsicht erkennt man, daß eine
Serie von kleinen Entlüftungsöffnungen 70 zwischen
den gegenüberliegenden Flanschen 36 des
oberen und des unteren Formabschnitts 14, 16 vorgesehen
sein kann, durch die eingeschlossene Luft während des Einpressens des Formfluids
in die Formkammer 22 zur Atmosphäre entweichen kann. Alternativ
können
andere, herkömmliche
Verfahren für
das Entweichen von Lufteinschlüssen
aus der Formkammer 22 angewandt werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Formvorrichtung 10 ferner
eine Einrichtung, die allgemein mit 72 bezeichnet ist, an dem unteren
Formabschnitt 16 aufweisen, um die Formanordnung 12 oder
das in dem unteren Formabschnitt 16 enthaltene Füllfluid 42 mit
Vibrationen zu beaufschlagen. Eine Vibration der Formanordnung 12 oder
des Füllfluids 42 während der
Harzeinspritzung kann das Strömen
des Harzes durch die Formkammer 22 erleichtern und außerdem die Sättigung
und Benetzung von darin befindlichen faserverstärkten Vorformlingen verbessern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die in den Zeichnungen gezeigte Formvorrichtung 10 wie folgt
verwendet werden: Ein oder mehr faserverstärkte Vorformlinge können in
den Formhohlraum gelegt werden, der durch die "aufnehmende" Formoberfläche 26 des unteren
Formabschnitts 16 definiert ist. Der obere Formabschnitt 14 wird
danach auf den unteren Formabschnitt 16 abgesenkt, um mit
fixierender Ausfluchtungshardware an jedem Formabschnitt 14, 16 wie
etwa Fixierstiften 18 und entsprechenden Stiftaufnahmen 20 in
Eingriff zu gelangen. Falls erwünscht,
kann der obere Formabschnitt 14 dann an dem unteren Formabschnitt 16 etwa
durch die Anwendung geeigneter Halteeinrichtungen (nicht gezeigt)
befestigt werden. Jeder Formabschnitt 14, 16 wird
dann mit dem Füllfluidzuführnetz 44 verbunden, und
seine jeweilige Entlüftungsöffnung 52 wird
geöffnet
und das Zulaufventil 46 betätigt, so daß die darin vorhandene Kammer 38, 40 vollständig mit
dem Füllfluid
befüllt
wird, bevor das Spritzgießen
der Gegenstände
beginnt. In dieser Beziehung versteht es sich, daß die Formabschnitte 14, 16 mit
dem Füllfluid 42 nur
einmal vor dem Beginn des Einspritzvorgangs befüllt werden müssen. Es
ist nicht erforderlich, jeden Formabschnitt 14, 16 nach
dem Formen von Gegenständen
zu entleeren und neu zu befüllen,
bevor weitere Gegenstände
geformt werden.
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Nachdem
die Kammern 38, 40 vollständig befüllt sind, wird jeder Formabschnitt
mit seinem entsprechenden Entlüftungsventil 54 dicht
verschlossen, und die Heiz- und Kühleinheiten 60, 61 werden aktiviert,
um jeden Formabschnitt 14, 16 auf die gewünschte Verfahrenstemperatur
zu bringen. Das Zulaufventil 46 zu jedem Formabschnitt 14, 16 wird
danach geschlossen, um seine jeweilige Kammer 38, 40 von
der Ausdehnungskammer 62 des Fluidzuführnetzes zu trennen (die sonst
jegliche Wärmeausdehnung
des Füllfluids 42 während der
Temperaturnormalisierung aufgenommen hat).
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Das
gewünschte
Formfluid wird dann unter Druck durch den Angießkanal 64 in die Formkammer 22 eingespritzt.
Die fakultative Strömungsrate,
mit der das Formfluid eingespritzt wird, basiert auf einer Reihe
von Faktoren, die dem Fachmann wohlbekannt sind.
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Nachdem
die Formkammer 22 vollständig mit Formfluid befüllt ist,
wird das Einspritzen abgebrochen. Ob die Formkammer 22 vollständig befüllt ist,
wird mit Sensoren automa tisch festgestellt und kann zusätzlich visuell
durch den Austritt des Formfluids unter Verwendung von Entlüftungsöffnungen festgestellt
werden, die in den Flanschen 36 jedes Formabschnitts 14, 16 ausgebildet
sind. Die Nutzung von Rückführungsinformation
von verschiedenen Arten von Sensoren zur Optimierung des Formprozesses
wird nachstehend im einzelnen in Verbindung mit der Ereläuterung
von 3 behandelt.
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Die
Temperatur jeder Formoberfläche 24, 26 kann
durch Aktivierung der Heiz- und Kühleinheiten 60 und 61 reguliert
werden, um dadurch eine optimale Aushärtungsrate zu erzielen, mit
der die gewünschte
Oberflächengüte und/oder
andere gewünschte
Charakteristiken des fertigen Gegenstands zu erreichen sind, oder
um das Formverfahren auf andere Weise zu optimieren. Die Formabschnitte 14, 16 werden
danach getrennt, und der fertige Gegenstand kann manuell oder unter
Verwendung von Ausdrückautomaten
entformt werden.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung können sich die Membranen 32, 34 infolge
ihrer halbsteifen Beschaffenheit während des Einspritzens von
Formfluid dimensionsmäßig geringfügig durchbiegen,
während
das Füllfluid 42 die resultierende
Einspritzdruckbelastung über
die Gesamtoberfläche
der Membranen 32, 34 verteilt. Auf diese Weise
vermeiden die halbsteifen Membranen 32, 34 schädliche Belastungskonzentrationen
an den Formoberflächen 24, 26 während der
Einspritzung. Tatsächlich
wird angenommen, daß die
geringfügige Auslenkung
der Formoberflächen 24, 26 von
einer oder beiden Membranen 32, 34 während der
Einspritzung das Strömen
von Formfluid durch die Formkammer 22 weiter verbessert
oder verstärkt,
wobei dieser Effekt noch weiter verstärkt werden kann, indem das eingespritzte
Formfluid gewollt zum Pulsieren gebracht wird, und zwar sämtlich ohne
schädliche
Beeinflussung der Formwerkzeuge (der Membranen 32, 34).
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Zur
Optimierung des Formverfahrens können
verschiedene Einrichtungen verwendet werden, um eine Rückmeldung
zu liefern, die zum Einstellen verschiedener Parameter des Formverfahrens
genutzt werden können,
etwa die Einspritzrate, um die Güte
des Formgegenstands zu verbessern. Eine zweite beispielhafte Formvorrichtung 110 ist
in 3 gezeigt und hat eine Werkzeug- bzw. Formanordnung 112 mit
Werkzeughälften 114, 116 ähnlich der Formvorrichtung 10 in 1.
Wie gezeigt, kann Formfluid von einem Formfluidvorratsbehälter 166 durch
eine Einspritzpumpe 168 zugeführt werden. Das System kann
ferner bevorzugt eine Harzheizeinrichtung 170, einen Durchflußmesser 172,
einen Drucksensor 174 und einen Mischkopf 176 zwischen der
Pumpe 168 und dem Angießkanal 165 aufweisen.
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Die
Formvorrichtung 110 weist bestimmte Einrichtungen zur Überwachung
von Prozeßvariablen
wie etwa der Formfluideinspritzrate auf, um das Formverfahren zu
steuern. Sowohl innere als auch äußere Sensoren
können
als Einrichtungen dienen, um Rückmeldungen
zur Nutzung bei der Überwachung
und Steuerung des Formvorgangs während der
laufenden Einspritzung zu liefern. Innere Sensoren der Form können beispielsweise
Temperatursensoren 191 sein, die an einer Vielzahl von
Stellen in jedem Formabschnitt 114, 116 vorhanden
sein können, um
die Temperatur in der Formkammer 122 zu überwachen.
Die Temperatursensoren können
dem Fachmann wohlbekannte Einrichtungen sein, etwa RDT und Thermoelemente.
Andere innere Feedbacksysteme können
Druckwandler 195 innerhalb der Formabschnitte 114, 116 und
passive Sensoren 198 innerhalb der Formkammer 122 selber
sein, um den Fortgang des Formfluids während des Befüllens der Formkammer 122 zu
detektieren. Diese passiven Sensoren 198 sind in 5 beispielsweise
an der oberen Formmembran 200 positioniert gezeigt. Die passiven
Sensoren 198 könnten
aber auch an der unteren Formmembran 203 oder an beiden
Membranen angeordnet sein.
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Die
Druckwandler 195, die ebenfalls dem Fachmann wohlbekannte
Einrichtungen sind, erfassen den Druck in den fluidgefüllten Formabschnitten 114, 116,
während
Formfluid in die Formkammer 122 eingespritzt wird, und
liefern Rückmeldungen,
die den Druck in der Formkammer 122 bezeichnen. Während sich
die Formkammer 122 mit Formfluid füllt, steigt der in dem Formabschnitt 114, 116 erfaßte Druck
typischerweise langsam an. Wenn jedoch die Formkammer 122 im
wesentlichen gefüllt
ist, steigt der erfaßte
Druck im allgemeinen relativ scharf an. Der relativ scharfe Druckanstieg
zeigt an, daß die Formkammer 122 im
wesentlichen voll ist und die Einspritzrate dementsprechend gesteuert
werden kann. Zusätzlich
könnten
Drucksensoren vorgesehen sein, um den der Formkammer selber zuzuordnenden
Druck zu erfassen, indem beispielsweise Sensoren an der einen oder
an beiden der Formmembranen 200, 203 angebracht
werden.
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Die
passiven Sensoren 198 zum Detektieren der Vorderflanke
des Formfluids, während
dieses die Formkammer 122 füllt, können passive Näherungsschalter
sein. Diese Schalter sind dazu ausgebildet, die Vorderflanke der
Strömung
zu detektieren, ohne diese Strömung
durch die Formkammer 122 zu behindern. Solche passiven
Näherungsschalter
können von
einer dem Fachmann bekannten Bauart sein, wobei ein bevorzugter
Näherungsschalter
beispielsweise ein kapazitiver Näherungsschalter
ist.
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Außerdem können auch
externe Einrichtungen vorgesehen sein, um verschiedene andere Parameter
während
des Einspritzvorgangs zu erfassen. Beispielsweise können LVDT
vorgesehen sein, um zu detektieren, ob die gesamte Formkammer oder ein
Teil davon befüllt
ist. Die LVDT erfassen eine Verlagerung zwischen den beiden Formabschnitten 114, 116,
wenn Formfluid in die Formkammer 122 eingespritzt wird.
Das Maß der
Verlagerung zeigt an, ob und wie weit die Formkammer gefüllt ist.
Die hier verwendeten LVDT sind dem Fachmann wohlbekannt.
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Der
Strömungsmesser 172 kann
verwendet werden, um die Strömungsrate
des Formfluids während
der Einspritzung desselben zu überwachen.
Außerdem
kann der Drucksensor 174 vorgesehen sein, um den Druck
zu messen, mit dem das Formfluid eingespritzt wird. Wenn der Einspritzdruck
außerhalb
eines gewünschten
Druckbereichs liegt, kann die Einspritzrate dementsprechend eingestellt
werden. Eine andere Einrichtung zur Optimierung des Formverfahrens
ist die Formfluidheizeinheit 170, die dazu genutzt werden
kann, das Formfluid aufzuheizen. Das Aufheizen des Formfluids kann
dessen Viskosität ändern und
dadurch die Strömungsrate ändern. Wie 3 zeigt,
kann die Heizeinheit 170 bevorzugt im System zwischen der
Einspritzpumpe 168 und dem Strömungsmesser 172 positioniert
sein, so daß die Änderung
der Strömungsrate,
die durch die Heizeinrichtung 170 bewirkt wird, überwacht
werden kann.
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Zusätzlich zu
den Sensoreinrichtungen kann eine Füllfluidpumpe vorgesehen sein,
um den Druck in jedem der Formabschnitte 114, 116 zu
erhöhen,
indem Fluid in die Formabschnitte gepumpt wird, nachdem die Einspritzung
beendet ist. Dadurch wird der Druck in dem Formabschnitt erhöht, wodurch
der Druck in der Formkammer 122 effektiv erhöht wird. Das
kann beispielsweise erwünscht
sein, nachdem die Form befüllt
ist, um den Härtungsvorgang
des Harzes zu beschleunigen und die Taktzeit zu verkürzen.
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Die
Informationsrückmeldung
von sämtlichen
vorgenannten inneren und äußeren Einrichtungen
kann vorteilhaft genutzt werden, um das Formverfahren noch während des
Einspritzens des Formfluids zu optimieren. Gemeinsam bilden die
Sensoren ein Ansprechsystem, das dazu ausgebildet ist, die Schleife
zwischen CNC-Einspritzmaschinen und der schwimmenden Form zu schließen. Dieses
Ansprechsystem erlaubt eine dynamische Einstellung von Einspritzprofilen
auf der Basis von Ist-Formzuständen
und -parametern zur Optimierung des Einspritzvorgangs sogar während des
Befüllens
der Formkammer 122 mit Formfluid. Diese Fähigkeit
zur dynamischen Steuerung und Optimierung des Formverfahrens trägt auch
zu kürzeren
Taktzeiten und einem verbesserten Aussehen des Formteils sowie zu geringerem
Werkzeugverschleiß bei.
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Die
hohlen fluidgefüllten
Formabschnitte 14, 16, 114, 116 haben
ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit,
was eine überlegene
Formtemperatursteuerung ermöglicht.
Im Gegensatz dazu muß beim
Duroplastformen in offenen Werkzeugen die Rheologie so formuliert
sein, daß bei
Umgebungstemperaturen gearbeitet wird. Infolgedessen unterliegen
solche Formverfahren Schwankungen der Umgebungstemperaturen. Beispielsweise
haben erfahrene Verbundstoff-Hersteller unterschiedliche chemische
Formulierungen auf der Grundlage der Wetterbedingungen, um das Aushärten des
Duroplasts zu optimieren, d. h. Sommer- und Winterharze oder Morgen-
und Nachmittags-Katalysatorstufen. Diese Adhoc-Justierung kann ungefähr so vorhersagbar
sein wie eine Wettervorhersage. Dagegen ergibt eine schwimmende
Form gemäß der Erfindung
stabile und steuerbare Formflächentemperaturen,
was die Durchführung des
Formvorgangs ohne die Notwendigkeit eines Ausgleichs von Umgebungsbedingungen
erlaubt. Die gesteuerten Temperaturbereiche erlauben eine viel raschere
Rheologie in bezug auf Taktzeiten und ergeben den zusätzlichen
Vorteil, daß die
optimalen Steuerungsbegrenzungen der chemischen Reaktion von den
Umgebungstemperaturbereichen, die sonst Produktionsraten beeinflussen
können,
unbeeinflußt bleiben.
Daher schafft ein solches System mit geschlossener Form neue Steuerungsmöglichkeiten und
die Vorhersagbarkeit bei der Fertigung von Formteilen.
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Bei
der Konstruktion einer Formvorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie oben
in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben
wird, kann ein Mastermodell verwendet werden, um paarweise Formoberflächen zu
schaffen. Wie die 4 bis 6 zeigen,
werden eine Pat rizenmembran 200 und eine Matrizenmembran 203 hergestellt,
um zwischen beiden die richtige Hohlraumgröße zu schaffen. Bevorzugt können der
Angießkanal 164,
Sensoren und sonstige Hardware, die durch die Formmembranen 200, 203 hindurch
in die Formkammer 122 kommunizieren müssen, unter Verwendung von
modularen Trennwanddurchführungen
wie etwa der Angießkanal-Trennwanddurchführung 235 und
passiven Näherungsschalter-Trennwänden 245 lösbar verbunden
sein, wie 5 zeigt. Diese Trennwanddurchführungen
können
an der Membran 200, 203 etwa wie in 7 gezeigt
in bezug auf die Trennwanddurchführung
des Angießkanals 164 angebracht sein.
Andere Arten von Trennwanddurchführungen wie
etwa die passiven Näherungsschalter-Durchführungen
können
auf ähnliche
Weise oder auf eine dem Fachmann bekannte andere Weise angebracht
sein. Bei jeder Konfiguration können
die modularen Durchführungen 235, 245 so
ausgebildet sein, daß sie
die erforderliche Formhardware und Sensoren mit den Formmembranen 200, 203 lösbar verbinden.
Auf diese Weise kann die gesamte erforderliche Hardware für geschlossene
Formen und Sensoren mit den Formmembranen 200, 203 rasch
verbunden oder davon getrennt werden. Die Formhardware und die Sensoren
können
beispielsweise Angießkanäle, Ausdrückautomaten
und verschiedene Sensoren wie etwa Thermoelemente und Näherungsschalter
aufweisen. Es ist infolgedessen nicht notwendig, jedes einzelne
Hardwareteil und jeden einzelnen Sensor direkt in die Formmembran
zu laminieren. Statt dessen ist die gesamte Hardware lösbar mit
den modularen Durchführungen 235, 245 verbunden,
um das Auswechseln der Formen einfach und effizient zu gestalten.
Wenn die Membranen 200, 203 ausgewechselt werden,
wird die schnellverbundene Hardware einfach von den ausgewechselten
Membranen 200, 203 getrennt und erneut mit modularen
Durchführungen 235, 245 verbunden,
die an den Auswechslungs-Formmembranen 224, 227 vorgesehen
sind. Diese Komponenten und die angebrachten Flansche könnten aber
alternativ direkt in die Formmembran 200, 203 selber
durch Laminieren eingeformt werden.
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Zur
Bildung der beiden Werkzeug- bzw. Formhälften kann ein Paar von Universalbehältern 209, 212 erstellt
werden, und zwar einer für
die Positivmembran 200 und einer für die Negativmembran 203.
Das Rahmenwerk jedes Universalbehälters 209, 212 ist
mit einer Außenhaut 210, 213 versehen, die
beispielsweise aus Metallblech hergestellt sein kann, um einen starren
umschlossenen Formabschnitt 114, 116 zu bilden.
Flansche 215 sind vorgesehen, die einen Innenumfang haben,
der der Geometrie der Formmembranen 200, 203 entspricht, und
einen Außenumfang
haben, der der Geometrie des Universalbehälters 209, 212 entspricht.
Die Flansche 215 können
an jeder der Formmembranen 200, 203 angebracht
sein. Jede Formmembran 200, 203 ist an ihrem eigenen
entsprechenden Universalbehälter 209, 212 über die
Flansche 215 angebracht, um zwischen jedem Universalbehälter und
seiner entsprechenden Formmembran eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
zu bilden. Nachdem die Formmembranen 200, 203 dicht
mit den Formabschnitten 114, 116 verbunden sind,
wird jeder Formabschnitt mit Füllfluid 42 befüllt, wie 4 zeigt.
Ein Einzelwerkzeug 112, das aus zwei Formabschnitten 114, 116 mit
daran angebrachten Formmembranen 200, 203 besteht,
kann dazu verwendet werden, zahlreiche verschiedene Teile zu produzieren,
indem einfach die an jedem Universalbehälter 209, 212 angebrachte
Positiv-Formmembran 200 und Negativ-Formmembran 203 ausgewechselt
werden.
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Wie 3 zeigt,
bildet jedes starre Gehäuse 28, 30 der
hohlen Formabschnitte 14, 16 eine Kammer, die
ein fest vorgegebenes Volumen hat, das durch die Länge, Breite
und Höhe
des Gehäuses 28, 30,
die mit L, W bzw. H bezeichnet sind, in 6 definiert
ist. Dieses Volumen und insbesondere das Volumen des Negativ-Formabschnitts 14 definiert
eine Arbeitsummantelung, in welche die halbsteife Membran 32, 34 passen
muß. 2 zeigt
zwar die halbsteifen Membranen 32, 34 mit einfacher "Trichter"-Gestalt, tatsächlich können die
halbsteifen Membranen 32, 34 jede von einer Vielzahl
verschiedener Konfigurationen haben, beispielsweise so, wie in 4 bis 6 gezeigt
ist, die nur durch die Größe der Arbeitsummantelung
beschränkt
sind, die durch die fest vorgegebenen Dimensionen hauptsächlich des
Matrizen-Formabschnitts 32 definiert ist. Wie noch im einzelnen
unter Bezugnahme auf 6 erläutert wird, kann dasselbe starre
Gehäuse 28, 30 verwendet
werden, um verschieden ausgebildete Teile zu formen, indem einfach
unterschiedlich konfigurierte halbsteife Membranen 32, 34 ausgewechselt werden.
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Wenn
die Formabschnitte 114, 116 mit dem Füllfluid 42 befüllt sind
und die Luft vollständig
aus dem Inneren jedes Formabschnitts ausgetrieben ist, ist die Vorrichtung
zum Formen von Gegenständen bereit.
Die beiden zusammengesetzten Formabschnitte 114, 116 können in
einem Hubrahmen (nicht gezeigt) angeordnet werden, der dazu dient,
das Öffnen
und Schließen
des Formwerkzeugs zum Herstellen von Gegenständen zu ermöglichen. Infolge der Nichtkompressierbarkeit
des Füllfluids 42 ist
das schwimmende Formwerkzeug ein starres hydraulisches System. Alle
auf die Formmembranen 200, 203 aufge brachten Kräfte wie
etwa innere Einspritzdrücke
werden durch das Füllfluid 42 auf
den Universalbehälter 209, 212 übertragen.
Die Universalbehälter
sind so ausgelegt, daß sie
den potentiellen Höchstdruck
aufnehmen können,
der durch den Einspritzvorgang erzeugt wird. Im allgemeinen kann ein
solches Formwerkzeug bei jeden Niederdruck-Einspritzverfahren verwendet werden.
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Jeder
Formabschnitt 114, 115 kann ferner, obwohl das
in 4 nicht gezeigt ist, mit den Heizschlangen 56 versehen
sein, die in Verbindung mit 2 beschrieben
werden. Die fakultativen Heizschlangen 56 können ebenfalls
mit der Heizeinheit 160 und der Kühleinheit 161 zur
Steuerung der Temperatur des Füllfluids 42 verbunden
sein.
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Zum
Herstellen von Teilen werden die befüllten Formabschnitte 114, 116 geschlossen
und der Einspritzvorgang gestartet. Da jeder Formabschnitt 114, 116 fluidgefüllt ist,
hat das Formwerkzeug ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, was eine erheblich bessere
Temperatursteuerung der Formoberflächen ermöglicht, was wiederum in kürzeren Taktzeiten
und verbessertem Aussehen resultiert. Wie 6 zeigt, ist
das Formen von unterschiedlich konfigurierten Teilen sehr einfach,
indem ein Set von Formmembranen 200, 203 entfernt
und durch ein anders konfiguriertes Set ersetzt wird. Einige Vorteile
des schwimmenden Formwerkzeugs sind Flexibilität, geringere Kosten, schnelle
Marktverfügbarkeit
und erhöhte Leistungsfähigkeit
bei der Produktion in geschlossenem Werkzeug. Wenn beispielsweise
das Design eines Teils geändert
wird, werden die Formmembranen einfach ausgewechselt, anstatt neue
Formwerkzeuge herzustellen und momentan verwendete Formwerkzeuge
zu entsorgen. Die Formmembranen können Verbundlaminate sein,
die zu einem Preis reproduzierbar sind, der mit offenen Gießformen,
Faserspritzformen oder handlaminierten Formen vergleichbar ist.
Die Universalbehälter 209, 212 des
schwimmenden Formwerkzeugs definieren etwas, was man als "Arbeitsummantelung" bezeichnet kann.
Das bedeutet, daß jedes
Teil, das in die L-, W- und H-Dimensionen des Universalbehälters 209, 212 und
hauptsächlich
des endgültigen
Universalbehälters 212 paßt, geformt
werden kann, indem einfach neue Patrizen-Formmembranen 200 und
Matrizen-Formmembranen 203 geschaffen
und an dem Universalbehälter 200, 212 angebracht
werden. Infolgedessen werden die Werkzeugkosten der Universalbehälter optimiert.
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Wie
die 4 bis 6 zeigen, ist ein gutes Beispiel
einer Anwendungsmöglichkeit
des schwimmenden Formwerkzeugs das Formen von Bootsdecks und Bootskörpern. Der
Gießer
kann die Membranen 200, 203 der Formabschnitte 114, 116 ohne weiteres
je nach Bedarf auswechseln. Die schwimmenden Formwerkzeuge sind
so ausgebildet, daß das
gesamte Werkzeug in weniger als zehn Minuten ausgewechselt werden
kann.
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Abgesehen
von der Verwendung des Temperaturreguliersystems als geschlossene
Schleife bleibt der Einschluß des
nichtkompressiblen Fluids ein vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden
Erfindung. Da das Fluid in jedem Formabschnitt 14, 16 (Oder 114, 116)
eingeschlossen und nichtkompressibel ist, dient es zur Verstärkung der
Membranen 32, 34 (oder 200, 203, 224, 227).
Aufgrund der Verwendung des Fluids können die Formmembranen als sehr
dünne Schicht
ausgebildet sein. Infolgedessen wird die Wärmeübertragungssteuerung des Formteils
verbessert, und die Formmembranen können leichter und billiger
ausgebildet werden. Bevorzugt kann jede Formmembran aus einem hochwärmeleitfähigen Material
geformt werden. Das relativ große Fluidvolumen
wie etwa Wasser ergibt ferner eine Umgebung mit relativ stabiler
Temperatur, da es gegen rasche Temperaturschwankungen, die das geformte
Teil nachteilig beeinflussen können,
beständig ist.
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7 zeigt
eine Ausführungsform
einer modularen Trennwandanordnung 229 zum lösbaren Befestigen
des Angießkanals 164 an
der Formmembran 200; die Trennwandanordnung 229 hat
drei Basisteile: eine Formgehäuse-Trennwanddurchführung 230, die
durch das Formgehäuse 209 hindurch
anbringbar ist; ein Verlängerungselement 232,
das die richtige Länge
haben kann, um die Distanz von dem äußeren Formgehäuse 209 zu
der Formmembran 200 zu überbrücken; und
eine Formmembran-Trennwanddurchführung 235,
die durch die Formmembran 200 hindurch anbringbar ist.
Die Formmembran-Trennwanddurchführung 235 weist
einen Trennwandkörper 236 auf,
dessen eines Ende durch die Formmembran 200 hindurchragt.
Eine Trennwandmutter 246 ist an dem Trennwandkörper 236 an
der Innenseite der Formmembran 200 entgegengesetzt zu dem
Trennwandkörper 236 angebracht.
Aufnahmeelemente 241 können
an dem Trennwandkörper 236 vorgesehen
sein zur Aufnahme von Befestigungselementen 242, die die
Trennwandmutter 240 an dem Trennwandkörper 236 sichern.
Dichtungen 237 und O-Dichtringe 238 können wie
gezeigt zum ordnungsgemäßen Abdichten
verwendet werden. Das Verlängerungselement 232 kann
einen Aufnehmerbereich 233 an demjenigen Ende haben, das
zur Anbringung an dem Trennwandkörper 236 ausgebildet
ist. Nach der Montage kann die Formmembran-Trennwanddurchführung 235 ohne
weiteres von der Formmembran 200 getrennt werden, wenn
die Membranen ausgewechselt werden sollen. Es versteht sich, daß andere
Abwandlungen zum lösbaren
Verbinden von Hardware und Sensoren an den Formmembranen vom Fachmann
vorgesehen werden können.
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Ferner
wurden zwar bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung angegeben und beschrieben; es versteht sich jedoch,
daß Modifikationen
der Erfindung möglich
sind, ohne von ihrem Umfang gemäß der Definition
in den beigefügten
Ansprüchen abzuweichen.