EP1509378A1 - Verfahren zum herstellen eines harzgebundenen formteils - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines harzgebundenen formteils

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EP1509378A1
EP1509378A1 EP03727320A EP03727320A EP1509378A1 EP 1509378 A1 EP1509378 A1 EP 1509378A1 EP 03727320 A EP03727320 A EP 03727320A EP 03727320 A EP03727320 A EP 03727320A EP 1509378 A1 EP1509378 A1 EP 1509378A1
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EP
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molding compound
hardening
treatment step
pressing
carried out
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03727320A
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Inventor
Wolfgang Hogenkamp
Ulrich Reineke
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TMD Friction Services GmbH
Original Assignee
TMD Friction Services GmbH
TMD Friction Europe GmbH
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Publication date
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    • B29C43/32—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
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    • F16D2200/0082—Production methods therefor
    • F16D2200/0086—Moulding materials together by application of heat and pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a resin-bonded molded part, in particular a friction lining for a brake or clutch lining, a resin-containing molding compound being pressed and thermally hardened.
  • the invention is applicable to the production of any resin-bonded molded parts, specifically they can be manufactured as a single part or connected to functional parts at the same time.
  • the main area of application of the invention is the production of friction linings for brake or clutch linings, if need be with simultaneous connection to associated carrier plates with or without the interposition of an underlayer.
  • Another area of application is the production of carbon brushes for electric motors.
  • the resinous molding compounds are powdery mixtures which are pressed under high pressure and often with simultaneous heating.
  • the simultaneous heating serves to melt the resins and, depending on the temperature, to initiate the crosslinking of the resins.
  • the pressing process is also called shaping. Pressing creates an amorphous molding compound that has almost its final shape. However, it still lacks the required strength. This is generated by hardening, that is, by supplying heat at high temperature, the phenolic resins used as binders being crosslinked.
  • the repeated heating processes are energy and time consuming.
  • the object of the invention is therefore to accelerate the production of molded parts and to make them more energy-efficient.
  • the method mentioned at the outset is characterized according to the invention in that the pressing and the thermal hardening are carried out in a single treatment step, the pressure and the temperature being controlled.
  • the end compressibility is often of crucial importance.
  • This product property is set by the pressing process and by the hardening process.
  • the invention offers the possibility of the pressing forces, the pressing times and the
  • the invention enables in situ control to maintain narrow product tolerances.
  • the pressing processes can be controlled depending on the force and / or path. This enables adaptation to a wide variety of specifications and operating conditions.
  • a surface treatment is also required, namely a strong heating of the friction surface in order to carbonize it.
  • the friction lining only develops its full friction effect when it is carbonized. So-called scorching ensures that the friction lining has its full effect right from the start.
  • the hardened friction linings are usually stored again until the surface is heated to carry out the scorching.
  • the treatment time from the start of pressing to the end of the surface treatment is extremely short. Electric current is preferably passed through the molding compound for thermal hardening and for thermal surface treatment. The heat is therefore not supplied from the outside, but generated within the molding compound.
  • the current flows are of different strengths.
  • one preferably works with a matrix of electrodes which are alternately polarized in opposite directions.
  • a part of the electrodes works with both the opposite support of the press and with the other part of the electrodes.
  • Reaction gases are formed in the molding compound during the pressing process and during hardening. It is therefore proposed in a further development of the invention to degas the molding compound continuously or intermittently during the treatment step. The air trapped during pressing then escapes.
  • the molding compound can be degassed in the pressing direction and / or transversely thereto. Radial degassing is particularly advantageous because the lateral surfaces of the compact are less smoothed and hardened than the surfaces on the punch and on the plug punch holding plate.
  • the compact is preferably held between the punch and the plug-punch holding plate, while the profile insert of the mold, which forms the clamping frame during pressing and initially during hardening, is pulled up or down from the compact, thereby exposing the radial surfaces of the compact. This measure is also particularly suitable for hardening under power supply, since the punch and the plug punch holding plate are electrically insulated from one another when the profile insert is removed and are only in an electrically conductive connection via the compact.
  • a pressing tool is filled with molding compound in the usual way.
  • the plug punch holding plate is then lowered onto the profile insert of the tool.
  • a closing force is generated between the profile insert and the plug punch holding plate, and then the forming force is generated between the punch and the assembly consisting of the plug punch holding plate and the profile insert.
  • the molding process is completed in a matter of seconds.
  • the closing force can then be released.
  • the forming force is minimized to the extent that is necessary to avoid an inadmissible deformation of the compact under the internal gas pressure and to adjust the compressibility properties of the compact. This force is called the tension force.
  • the profile insert is lowered synchronously with the reduction of the forces.
  • the compact can now outgas over its radial areas.
  • the clamping force can only be maintained by a path to be determined. It must be reduced to a level that only results in a previously set, permissible compression. If the path covered in the clamping process is limited and an accepted shrinkage dimension is reached, any further change in path is prevented by a lock.
  • an electrical voltage can be applied between the friction side of the clamped compact and the plug punch holding plate.
  • the plug punch holding plate is electrically insulated from the machine body. The current flowing through the compact heats the molding compound homogeneously from the inside.
  • a matrix of electrodes with alternating polarity is used on that side of the compact which is to be surface-treated. Part of the current flows to the other side of the tool and causes hardening. Another portion of the current flows between adjacent electrodes and causes the associated surface to be scorched.
  • the system is equipped with devices that detect the thickness of the compact, register changes in path during the process and serve to control the process in situ. Temperature sensors with product contact are located in the stamp and in the plug stamp holding plate. The product temperature during clamping is measured by contacting a sensor on the draft of the compact. The temperature detection also serves to control the process in situ.
  • the relatively high shaping force can be tapped from the pressure of a hydraulic system or via the stamp.
  • the lower clamping force must be measured and adhered to exactly.
  • the plug holder plate is therefore equipped with appropriate force sensors. The information from the force measurements is also used to control the process in situ.
  • Gases that are generated during the process are discharged through a suction device surrounding the compact so that as little external air as possible is captured.
  • the compact should not cool down due to external air. Possibly. conditioned supply air is supplied.
  • the molding time can be less than one second.
  • the molding temperature is 20 ° C to 230 ° C.
  • the clamping temperature during curing can be up to 800 ° C.
  • the forming force is 5kN to 250kN or more, while the clamping force is 0.5kN to 7kN or more. Both forces can be changed during treatment.
  • the duration of the tensioning can be less than five seconds.
  • the method can be carried out with a system of small size, for example with a system which has a mobile and modular structure. There is no difference between cold and hot presses. Since gas-related errors (bubbles, cracks, possibly edge loosening) are avoided, the scrap rate is very low.

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Abstract

Das Formteil wird in einem einzigen Behandlungsschritt gepresst, thermisch gehärtet und thermisch oberflächenbehan­delt, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden. Dies gestattet die Erzielung kurzer Behandlungszeiten bei energiesparender Prozessführung und äusserst exakter Prozess­steuerung. Ausserdem kann der Pressling entgast werden.

Description

Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils, insbesondere eines Reibbelags für einen Brems- oder Kupplungsbelag, wobei eine harzhaltige Preßmasse gepreßt und thermisch gehärtet wird.
Die Erfindung ist anwendbar auf die Herstellung beliebiger harzgebundener Formteile, und zwar können diese sowohl als Einzelteil gefertigt als auch gleichzeitig mit Funkti- onsteilen verbunden werden. Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Reibbelägen für Brems- oder Kupplungsbeläge, und zwar gegebenenfalls unter gleichzeitiger Anbindung an zugehörige Trägerplatten mit oder ohne Zwischenschaltung einer Underlayer. Ein anderes Anwendungsge- biet ist beispielsweise die Herstellung von Kohlebürsten für Elektromotoren.
Bei den harzhaltigen Preßmassen handelt es sich um pul- verförmige Gemische, die unter hohem Druck und oftmals unter gleichzeitiger Erwärmung gepreßt werden. Die gleichzeitige Erwärmung dient dazu, die Harze anzuschmelzen und, je nach Höhe der Temperatur, die Vernetzung der Harze einzuleiten. Den Preßvorgang bezeichnet man auch als Formgebung. Aus der amorphen Preßmasse entsteht durch das Pressen ein Produkt, das nahezu seine endgültige Gestalt aufweist. Allerdings fehlt ihm noch die erforderliche Festigkeit. Diese wird durch das Härten erzeugt, also durch Wärmezufuhr unter hoher Temperatur, wobei die Vernetzung der als Bindemittel eingesetzten Phenolharze erfolgt .
Bisher ist es üblich, eine Mehrzahl von einzeln gefer- tigten Preßlingen gleichzeitig dem thermischen Härten zu unterwerfen. Die Preßlinge wurden daher nach der Formgebung zwischengelagert, wobei sie sich auf Umgebungstemperatur abkühlen. Der Wärmeverlaust ist dann besonders groß, wenn das Pressen bereits unter Wärmezufuhr stattgefunden hat . Anschließend erfolgt dann die erneute Erwärmung im Härteofen.
Die mehrmaligen Erwärmungsvorgänge sind energie- und zeitaufwendig. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Formteilherstellung zu beschleunigen und energetisch günstiger zu gestalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen und das thermische Härten in einem einzigen Behandlungs- schritt durchgeführt werden, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden.
Zwischen den beiden Behandlungsschritten erfolgt also keine Abkühlung mehr. Daher ist kein zusätzlicher Erwärmungsschritt erforderlich. Die Energie- und Zeitersparnis sind entsprechend hoch. Zusätzliche Energie- und Zeitersparnisse ergeben sich dadurch, daß sich die beiden Behandlungsschritte übergreifen, daß also während der Formgebung bereits das Härten einsetzt.
Da keine Zwischenlagerung stattfindet, vermindert sich der Raumbedarf und auch der Handlingaufwand. Ferner sinken die Umlaufbestände.
Während der Formgebung kann mit deutlich geringeren Preßkräften gearbeitet werden. Dies kommt der Standzeit der Werkzeuge zugute, und zwar auch dann, wenn an den Werkzeug- stahl geringere Ansprüche gestellt werden.
Schließlich ergibt sich eine Verminderung der Betriebsmittel. Es bedarf lediglich einer beheizbaren Formgebungspresse, in der die Werkstücke bis zu ihrer Fertigstellung verbleiben. Härteöfen können entfallen. Entfallen können ferner Spannrahmen zur Aufnahme der Preßlinge nach der Formgebung und vor dem Einsatz in den Härteofen. Auch hier vermindert sich der Handhabungsaufwand. Spannrahmen sind bisher erforderlich, um die Preßlinge vor und während des Härtevorgangs zu fixieren, weil die Preß- linge noch keine ausreichende Eigenstabilität erreicht ha- ben. Auch können entstehende und entweichende Gase sonst zu einer Zerstörung der Produkte führen. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Handhabung der Preßlinge nach der Formgebung erforderlich ist, erübrigen sich entsprechende Maßnahmen.
Bei Produkten, die eine gezielte Porosität aufweisen, ist oftmals die Endkompressibilität von entscheidender Bedeutung. Diese Produkteigenschaft wird durch den Preßvorganc und durch den Härtevorgang eingestellt . Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Preßkräfte, die Preßzeiten und die
Preßtemperaturen sehr exakt zu steuern und auf diese Weise sehr enge Kompressibilitätsgrenzen zu erzielen. Die Erfindung ermöglicht eine In Situ-Steuerung zur Einhaltung enger Produkttoleranzen. Die Preßvorgänge können kraft- und/oder wegabhängig gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Anpassunc an unterschiedlichste Vorgaben und Betriebsbedingungen.
Insbesondere bei der Herstellung von Bremsbelägen bedarf es außerdem einer Oberflächenbehandlung, nämlich einer starken Erwärmung der Reibfläche, um diese zu karbonisieren. Erst in karbonisiertem Zustand entwickelt der Reibbelag seine volle Reibwirkung. Durch das sogenannte Scorchen wird sichergestellt, daß der Reibbelag bereits von Beginn an seine volle Wirkung entfaltet.
Auch die gehärteten Reibbeläge werden in der Regel noch- mals zwischengelagert, bis die Oberflächenerwärmung zum Durchführen des Scorchens erfolgt .
In Weiterbildung der Erfindung hingegen besteht die Möglichkeit, die thermische Oberflächenbehandlung in den einzigen Behandlungsschritt zu integrieren. Auch insoweit entfal- len also zusätzliche Handhabungsschritte sowie eine weitere
Erwärmung. Von Bedeutung ist ferner, daß das Scorchen zeitgleich mit dem thermischen Härten erfolgen kann. Die Behandlungsdauer vom Beginn des Pressens bis zur Beendigung der Oberflächenbehandlung ist also extrem kurz . Vorzugsweise wird zum thermischen Härten und zur thermischen Oberflächenbehandlung elektrischer Strom durch die Preßmasse hindurchgeleitet. Die Wärme wird also nicht von außen zugeführt, sondern innerhalb der Preßmasse erzeugt. Man macht sich den Umstand zunutze, daß die Preßmasse elektrisch leitfähig ist und sich daher unter Stromdurchfluß erwärmt .
Ferner wird vorgeschlagen, daß gleichzeitig und/oder nacheinander elektrische Stromflüsse erzeugt werden, die ei- nerseits durch die Preßmasse hindurchgehen und andererseits nahe der zu behandelnden Fläche etwa parallel zu dieser verlaufen. Der durch die Preßmasse hindurchgehende Stromfluß dient dem Härten, während der andere Stromfluß das Scorchen bewirkt . Handelt es sich um einen Reibbelag mit Träger- platte, so beschränkt sich das Scorchen auf die Reibfläche. Ist keine Trägerplatte vorgesehen, können beide Flächen des Belages gescorcht werden. Wie bereits erwähnt, ist das gleichzeitige Scorchen und Härten besonders vorteilhaft . Die beiden Maßnahmen können sich allerdings zeitlich auch mehr oder weniger überlappen.
Je nach den Anforderungen sind die Stromflüsse von unterschiedlicher Stärke.
Auf der zu scorchenden Seite des Reibbelags arbeitet man vorzugsweise mit einer Matrix von Elektroden, die abwech- selnd entgegengesetzt gepolt sind. Ein Teil der Elektroden arbeitet dabei sowohl mit der entgegengesetzten Abstützung der Presse als auch mit dem anderen Teil der Elektroden zusammen.
Während des Preßvorganges und während des Härtens ent- stehen Reaktionsgase in der Preßmasse. Daher wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Preßmasse während des Behandlungsschrittes kontinuierlich oder inter itierend zu entgasen. Dabei entweicht dann auch die beim Pressen eingeschlossene Luft . Die Entgasung der Preßmasse kann in Preßrichtung und/oder quer dazu durchgeführt werden. Eine radiale Entgasung ist deshalb ganz besonders vorteilhaft, weil die seitlichen Flächen des Preßlings weniger geglättet und verfe- stigt sind als die am Stempel und an der Stopfenstempelhal- teplatte anliegenden Flächen. Bevorzugt hält man den Preßling zwischen dem Stempel und der Stopfenstempelhalteplatte eingespannt, während man den Profileinsatz der Form, der beim Pressen und anfänglich beim Härten den Spannrahmen bil- det, vom Preßling nach oben oder nach unten abzieht und dadurch die radialen Flächen des Preßlings freilegt . Diese Maßnahme eignet sich insbesondere auch für ein Härten unter Stromzufuhr, da der Stempel und die Stopfenstempelhalteplatte bei abgezogenem Profileinsatz elektrisch gegeneinan- der isoliert sind und nur über den Preßling in elektrisch leitender Verbindung stehen.
Zur weiteren Energieersparnis wird vorgeschlagen, den Behandlungsschritt unter Wärmeisolation durchzuführen.
Von wesentlicher Bedeutung ist, daß durch die angepaßte und optimierte Druck- und Temperatursteuerung eine integrierte Wärmebehandlung in einem einzigen Behandlungsschritt ermöglicht wird.
Beispiel
Ein Preßwerkzeug wird in üblicher Weise mit Preßmasse gefüllt . Sodann wird die Stopfenstempelhalteplatte auf den Profileinsatz des Werkzeugs abgesenkt. Zwischen dem Profileinsatz und der Stopfenstempelhalteplatte wird eine Schließ- kraft erzeugt, und sodann wird zwischen dem Stempel und der aus Stopfenstempelhalteplatte und Profileinsatz bestehende Baugruppe die Formgebungskraft erzeugt . Der Formgebungsvorgang ist im Sekundenzeitraum abgeschlossen. Sodann kann die Schließkraft aufgehoben werden. Gleichzeitig wird die Form- gebungskraft auf dasjenige Maß minimiert, daß notwenig ist, um eine unzulässige Verformung des Preßlings unter dem Gasinnendruck zu vermeiden und um die Kompressibilitätseigenschaften des Preßlings einzustellen. Diese Kraft wird als Spannkraft bezeichnet . Synchron mit dem Abbau der Kräfte wird der Profileinsatz abgesenkt. Der Preßling kann nun über seine radialen Bereiche ausgasen.
Da harzgebundene Preßmassen unter Spannkrafteinwirkung in bestimmten Temperaturbereichen irreversibel komprimiert werden können, bleibt die Spannkraft nur über einen festzulegenden Weg aufrechterhalten. Sie muß auf ein Maß reduziert werden, daß nur eine vorher eingestellte, zulässige Komprimierung ergibt . Wird der im Spannvorgang zurückgelegt Weg begrenzt und ist ein akzeptiertes Schrumpfmaß erreicht, wird durch eine Arretierung jede weitere Wegänderung verhindert. Sobald der Profileinsatz abgesenkt worden ist, kann zwischen der Reibseite des eingespannten Preßlings und der Stopfenstempelhalteplatte eine elektrische Spannung angelegt werden. Hierzu ist die Stopfenstempelhalteplatte elektrisch gegen den Maschinenkörper isoliert. Der durch den Preßling hindurchfließende Strom erwärmt die Preßmasse homogen von innen heraus .
Zum gleichzeitigen Härten und Scorchen durch elektrischen Strom verwendet man auf derjenigen Seite des Preß- lings, die oberflächenbehandelt werden soll, eine Matrix aus Elektroden mit abwechselnder Polarität . Ein Teil des Stroms fließt zur anderen Seite des Werkzeugs und bewirkt das Härten. Ein anderer Teil des Stroms fließt zwischen benachbarten Elektroden und besorgt das Scorchen der zugehörigen Oberfläche.
Die Anlage ist mit Einrichtungen versehen, welche die Dicke des Preßlings erfassen, Wegänderungen während des Prozesses registrieren und der In Situ-Steuerung des Prozesses dienen. Temperaturfühler mit Produktkontakt befinden sind im Stempel und in der Stopfenstempelhalteplatte. Die Produkttemperatur während des Spannens wird durch Kontakt eines Sensors an der Ausformschräge des Preßlings gemessen. Die Temperaturerfassung dient ebenfalls der In Situ-Steuerung des Prozesses.
Die relativ hohe Formgebungskraft kann aus dem Druck eines Hydrauliksystems oder über den Stempel abgegriffen werden. Die niedrigere Spannkraft muß genau gemessen und ein- gehalten werden. Daher ist die Stopfenstempelhalteplatte mit entsprechenden Kraftsensoren ausgestattet . Die Informationen aus den Kraftmessungen dienen ebenfalls der In Situ-Steuerung des Prozesses .
Gase, die während des Prozesses entstehen, werden durch eine den Preßling umschließende Absaubeinrichtung so abgeführt, daß möglichst wenig Fremdluft erfaßt wird. Der Preßling soll sich durch Fremdlufteinwirkung nicht abkühlen. Ggf. wird konditionierte Zuluft zugeführt.
Die Formgebungszeit kann unter einer Sekunde liegen. Die Formgebungstemperatur beträgt 20°C bis 230°C. Die Spanntemperatur während des Härtens kann bis zu 800°C betragen.
Die Formgebungskraft liegt bei 5kN bis 250kN oder mehr, während die Spannkraft 0,5kN bis 7kN oder mehr beträgt. Beide Kräfte sind während der Behandlung veränderbar. Die Dauer des Spannens kann unter fünf Sekunden liegen.
Das Verfahren läßt sich mit einer Anlage geringer Bau- grδße durchführen, beispielsweise mit einer Anlage, die einen mobilen und modularen Aufbau besitzt. Dabei besteht kein Unterschied zwischen Kalt- und Heißpressen. Da gasbedingte Fehler (Blasen, Risse, ggf. Kantenlösen) vermieden werden, ergibt sich eine sehr geringe Schrottrate.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils, insbesondere eines Reibbelags für einen Brems- oder Kupplungsbelag, wobei eine harzhaltige Preßmasse gepreßt und thermisch gehärtet wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß das Pressen und das thermische Härten in einem einzigen Behandlungsschritt durchgeführt werden, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzigen Behandlungsschritt eine thermische Oberflächenbehandlung integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermischen Härten und zur thermischen Oberflächen- behandlung elektrischer Strom durch die Preßmasse hindurchgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder nacheinander elektrische Stromflüsse erzeugt werden, die einerseits durch die Preßmasse hindurch gehen und andererseits nahe der zu behandelnden Fläche etwa parallel zu dieser verlaufen.
5. Verfahren nach Anpruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflüsse in unterschiedlicher Stärke erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßmasse während des Behandlungsschrittes kontinuierlich oder intermettierend entgast wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasung der Preßmasse in Preßrichtung und/oder quer dazu durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsschritt unter Wäremeiso- lation durchgeführt wird.
EP03727320A 2002-04-25 2003-04-17 Verfahren zum herstellen eines harzgebundenen formteils Withdrawn EP1509378A1 (de)

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EP03727320A Withdrawn EP1509378A1 (de) 2002-04-25 2003-04-17 Verfahren zum herstellen eines harzgebundenen formteils

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EP (1) EP1509378A1 (de)
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AU (1) AU2003233987B2 (de)
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