NO309416B1 - Fremgangsmåte ved fremstilling av komposittprodukt som omfatter en kjerne av skummet materiale og minst ett omhyllingsmateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved fremstilling av komposittprodukter. Mer bestemt angår den en fremgangsmåte ved fremstilling av et komposittprodukt som omfatter ett omhyllingsmateriale som omfatter en termoplast og en fiberarmering, samt en kjerne av ekstrudert, skummet kunststoff, idet kjemematerialet fortsatt er mykt og ikke ferdig størknet når produktet gis sin endelige ytre form i et pressverktøy.

Bakgrunn

Komposittprodukter finner stadig bredere anvendelser grunnet kombinasjonen av høy styrke og lav vekt. Med fornuftig valg av materialer, representerer slike produkter også et miljøvennlig alternativ, hvor høy grad av resirkulering er mulig. Også på andre områder er produktene godt konkurransedyktige, for eksempel i form av motstandsevne mot nedbrytning fra kjemikalier, temperaturbestandighet etc.

En hovedutfordring har til nå vært å finne raske og rasjonelle produksjonsmetoder som gjør at komposittprodukter også i pris kan konkurrere på like fot med produkter av mer tradisjonelle materialer.

Komposittprodukter har ofte flere sjikt med armering i en polymermatrise som typisk kan omslutte en skummet kjerne som er svært lett. Det armerte sjikt gir produktet

styrke og kan eventuelt gi en ønsket overflatefinish. Metoden hittil mest benyttet for å etablere en lett, skummet kjerne, har vært å prefabrikkere kjernen, og ved egnet fikstur plassere denne i et pressverktøy i ferdig størknet og avkjølt tilstand, hvoretter ett eller flere sjikt omfattende armering og eventuelle spesielle yttersjikt er blitt tilført pressverktøyet i forvarmet tilstand, og der formet og avkjølt.

Spesielle yttersjikt kan for eksempel bestå av filt eller PMMA folie.

I søkerens egne norske patentsøknader nr. 19992654 og 19993471 er det blant annet forslått å fremstille slike produkter, hvor kjernen ikke er prefabrikkert, men ekstruderes samtidig med formingen av produktet. Dette kan gi fordeler i form av mer rasjonelle produksjonsverktøy og produksjonsrutiner, men innebærer også utfordringer med hensyn til å oppnå produkter med tilstrekkelig høy og jevn kvalitet.

Det er således en betydelig utfordring ved fremstillingen ifølge nevnte patentsøknader å sørge for at det blir tilstrekkelig god kontakt mellom pressverktøyets kavitet og produktets ytre sjikt eller omhylling, nettopp fordi den ennå ikke størknede kjeme er myk, og gir etter, slik at det er vanskelig å få dannet et tilstrekkelig høyt trykk mellom pressverktøy og produkt.

Fra US patent nr. 5849 227 er det kjent forming av skummede produkter fra skumbare materialer, hvor skummingen initieres ved å bringe det skumbare materiale i kontakt

med minst et plant varmeelement. Varmeelementet presses i en første tidsperiode mot det skumbare materiale, som derved skummer under trykk, og trykket reguleres slik at man får ønsket grad av skumming. Deretter fjernes varmeelementet slik at materialet i en andre tidsperiode undergår skumming uten at det er trykk på materialet. Til slutt

formgis materialet til en ønsket tredimensjonal form ved igjen å sette det under trykk med et egnet formeverktøy. Dette skjer mens materialet fortsatt skummer. I henhold til fremgangsmåten ifølge US patentet skjer således formingen i tre hovedtrinn. Først benyttes et plant verktøy med en annen form enn den ønskede. Deretter skummer det fritt. Til slutt formes produktet med et formeverktøy som er komplementært til formen på produktet.

EP patentsøknad 393 476 angår en fremgangsmåte ved forming av termoplast

laminatprodukter så som paneler etc for motorkjøretøyer, samt produkter fremstilt ved fremgangsmåten. Krav 1 beskriver inngående prosessens trinn, som omfatter a) forme et kontinuerlig laminat ved å varmlaminere et aggregat av glassfiber og termoplastisk bindemiddel og deretter kjøle laminatet, b) seksjonere laminatet for å få dannet seksjoner og danne en sandwich-lignende komposittseksjon omfattende minst to ytre laminatseksjoner og et mellomliggende avstandsmateriale, c) forvarme det sammensatte materialet til smeltetemperaturen av det termoplastiske bindemiddel, d) overføre komposittseksjonen til et formeverktøy hvor det kaldformes og holdes inntil termoplasten har størknet, samt e) fjerne det ferdige produkt fra formeverktøyet.

Patentsøknaden viser imidlertid ikke en fremgangsmåte som omfatter skumming av et materiale, idet det midtre sjiktet i produktet er et ferdig preskummet materiale.

EP patentsøknad nr. 648 588 dreier seg derimot om "foam molding", og er eri direkte "slektning" til det tidligere omtalte US patent nr. 5849 227, og disse har for øvrig samme prioritet. Bemerkningene overfor US patentet omtalt ovenfor gjelder således også for EP patentsøknad nr. 648 488.

Formål

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en fremgangsmåte ved fremstilling av komposittprodukter av den innledningsvis nevnte art, hvor man oppnår tilstrekkelig høyt trykk mellom pressverktøy og produkt og god kontakt mellom disse.

Det er videre et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en fremgangsmåte ved fremstilling av slike produkter, hvilken fremgangsmåte skal være rasjonell og arbeidsbesparende, og egne seg for masseproduksjon.

Det er videre et mål å kunne gjøre dette med enkle innsatsmidler, og med en meget høy kvalitet og nøyaktighet, slik produktkravene i dag er blant annet i bilindustrien.

Disse formålene er oppnådd ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til krav 1.

Fordelaktige utførelsesformer fremgår av de uselvstendige krav.

Figuroversikt

Figur la viser i sterkt forenklet form en utførelse av et press-/ formeverktøy for bruk ved utførelse av oppfinnelsen, i en første arbeidsfase,

Figur lb viser samme utførelsesform som fig. la i en andre arbeidsfase,

Figur lc viser samme utførelsesform som fig. la og lb i en tredje arbeidsfase,

Figur ld viser samme utførelsesform som fig. la- lc i en fjerde arbeidsfase,

Figur 2a-2d viser de samme arbeidsfaser som fig. la- ld med et litt modifisert press-og formeverktøy for bruk ved utførelse av oppfinnelsen.

Press- og formeverktøyet 1 (heretter for enkelhets skyld betegnet pressverktøyet 1), som er vist på en skjematisk og sterkt forenklet form, omfatter generelt to verktøyhalvdeler 2 og 3. I den ene verktøyhalvdel 2 er det innplassert et stempelformet organ 4 som kan beveges frem og tilbake (eller opp og ned avhengig av pressverktøyets orientering) ved hjelp av en hvilken som helst egnet mekanisme 5 som kan tilføres en ytre kraft fra en ikke vist tilslutning.

Pressverktøyet 1 har indre flater 6a, 6b som i hovedsak befinner seg på stempelorganet 4 og verktøyhalvdelen 3, hvilke flater 6a, 6b danner verktøyets kavitet, det vil si at

deres form er i hovedsak komplementær til produktets tilsiktede form, ettersom det er disse deler av verktøyet som under pressingen og formingen av produktemnene vil stå i direkte kontakt med disse. Den indre formen på pressverktøyet 1 i et horisontalplan, samt på stempelorganet 4 i et horisontalplan, vil ha en form som er bestemt av formen på produktene. De kan således ha en hvilken som helst regulær eller irregulær form. Langs omkretsen på stempelorganet 4 er det av praktiske grunner anordnet et materiale 11 som har vesentlig lavere varmeledningsevne enn stempelorganet.

Mellom verktøyhalvdelene 2 og 3 er det vist et produktemne 7 omfattende et eller flere omhyllingsmaterialer 8a, 8b og minst et kjernemateriale 9. Figur la viser en situasjon hvor omhyllingsmateriale 8a, 8b og ferskt ekstrudert kjernemateriale 9 er ført inn i eller fortrinnsvis gjennom de åpninger i pressverktøyet 2, 3 som vil begrense de ytre dimensjoner på det ferdige produktet. Oppstillingen er her vist med horisontalt innlegg av materiale, men det er likegyldig for oppfinnelsen om orienteringen er en annen. Den kan således gjerne med fordel være vertikalt orientert som angitt i norsk patentsøknad nr. 19993471. Det som imidlertid er essensielt, er at såvel omhylling 8a, 8b som kjerne 9 foreligger i varm, ikke konsolidert form. Figur lb viser neste fase i prosessen. Her er pressverktøyets halvdeler 2, 3 ført tett sammen og innelukker det rom som produktet blir formet i, definert i hovedsak av flatene 6a, 6b. Samtidig er stempelorganet 4 av pressverktøyet 1 ført frem til en posisjon h„ hvor det er i kontakt med en ytre flate av produktemnet 7, som fortsatt i all hovedsak foreligger på plastisk flytende form. Figur lc viser en ytterligere fase av oppfinnelsens fremgangsmåte, og for så vidt den fase som utgjør det helt sentrale trekk. Her er stempelorganet 4 ytterligere trykket inn mot produktemnet til et nivå angitt som h2, slik at produktemnet 7 er komprimert i langt større grad enn hva som tilsvarer den sluttelige, ønskede form på produktet. I denne tilstand er altså den innesluttede luft eller gass i den ferskt ekstruderte kjernen 9 som fortsatt foreligger på ikke størknet form, sterkt komprimert. Den har imidlertid ingen steder å unnslippe, og vil derfor forbli inne i produktets struktur.

Den i fig. lc viste posisjon holdes en kort stund, hvis lengde bl.a. avhenger av produktets størrelse, slik at produktet begynner å størkne. Materialet som er i kontakt med pressverktøyet, det vil si omhyllingsmaterialet 8a, 8b, vil størkne først, mens kjernen 9 av produktet trenger lengre tid på å avkjøles, og vil størkne noe senere. I denne fasen er det meget god kontakt mellom pressverktøyets indre flater 6a, 6b og omhyllingsmaterialet 8a, 8b av produktemnet 7, og produktets ytre flater får derfor den form og fasthet som ønskes, mens produktets indre volum fortsatt er komprimert ut over produktets tilsiktede volum og form. Takket være materialet 11 med lav varmeledningsevne forblir omhyllingsmaterialet 8a langs omkretsen av produktet smidig lengre enn de øvrige deler av omhyllingsmaterialet 8a, 8b.

Så snart produktets omhylling 8a, 8b har størknet tilstrekkelig (har "satt seg"), og i god tid før produktets kjerne 9 har størknet ferdig, trekkes stempelorganet 4 tilbake som vist på figur ld, til et nivå angitt som h3, slik at trykket reduseres. Mer bestemt trekkes elementet tilbake så mye at pressverktøyets kavitet, definert i hovedsak av 6a og 6b, får nøyaktig det volum man ønsker at produktet skal oppta i sin endelige form. Gasstrykket i kjernen 9, som bare såvidt har begynt å størkne, vil i denne fase "blåse opp" kjernen 9 igjen, slik at kjemematerialet fyller hele det indre volum av produktet på tilsiktet måte. Den del av omhyllingsmaterialet 8a, 8b som befinner seg langs kantene av produktet, vil på grunn av bruken av det lite varmeledende materiale 11 beholde mye av sin smidighet frem til dette tidspunkt, og vil derfor tillate at kjernen blåses opp slik at produktet inntar sin sluttelige form.

I denne tilstand hensettes produktet 7 til avkjøling så lenge at hele produktets form får tid til å konsolideres, det vil si til også kjernen 9 har størknet så mye at den ikke endrer sin form når produktet 7 fjernes fra pressverktøyet 1. Når tilstrekkelig størkning også av kjernen har skjedd, åpnes pressverktøyet for uttak av ferdig produkt (for lagring eller eventuell etterbehandling) og er igjen klart for mottak av et nytt produktemne 7 som gis samme behandling.

Figur 2a-2d illustrerer prinsipielt sett det samme som fig. la- ld. Her er det imidlertid vist et press- og formeverktøy som inneholder et spor 10 i stempelet (4), slik at deler av overflaten 8a på produktemnet 7 vil trenge inn i og formes av sporet 10. Også kjemematerialet 9 vil til en viss grad trenge inn i og formes av sporet 10 hvis dette har en størrelse av en viss utstrekning. På figur 2 er det vist kun et spor, det er klart at det like gjerne kan benyttes flere spor, eller et sammensatt mønster av spor eller utsparinger for å gi funksjonelle eller visuelle strukturer i overflaten på det ferdige produkt. Sporene kan være bagatellartede riller eller dype utsparinger alt etter deres formål. Det kan også like gjerne formes spor eller utsparinger i verktøyhalvdel 3 som i stempelorganet 4.

Mens det ovenfor er illustrert kun et bevegelig stempelorgan 4 i pressverktøyet 1, er det klart at det alt etter produktets form vil kunne brukes flere slike elementer, til en eller flere sider av produktemnet. Det vil i slike tilfeller være mulig å komprimere produktet ved å bevege inn flere slike stempelorganer, mens ikke nødvendigvis alle stempelorganer trekkes tilbake når trykket etterpå skal reduseres. Satt på spissen kan det tenkes at man benytter helt andre stempelorganer i pressverktøyet for reduksjon av trykket i henhold til fig. ld enn det eller de stempelorganer som man i forutgående fase (fig. lc) trykker inn for å bevirke komprimeringen av produktemnet.

Selve pressverktøyet 1 er vist som sammensatt av to omtrent like store halvdeler 2 og 3. Det er imidlertid ikke noe til hinder for at pressverktøyet kan omfatte flere enn to ytre deler, og eller at de forskjellige deler slett ikke trenger å være like eller tilnærmet like store. Variasjoner i verktøyutformingen vil generelt styres av formen på produktene, slik at produkter med enkel geometri lages med tilsvarende enkle verktøyformer, mens produkter med mer komplisert overflate kan kreve mer komplisert konstruerte pressverktøy.

Det er som antydet mulig at pressverktøyets 1 indre kavitet 6a, 6b kan ha helt andre og mer kompliserte overflater enn den viste, alt etter hvilken form som ønskes på det endelige produkt. Ved spesielt kompliserte produktoverflater, kan det likeledes bli nødvendig å benytte spesielle former for armering for å tillate den tilstrekkelige fleksibilitet av produktemnet, for eksempel fiberarmeringer med korte, avrevne fibre eller lignende. Dette er imidlertid forhold som ligger utenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

Fremgangsmåten kan modifiseres på ulike måter uten at oppfinnelsestanken fravikes. For eksempel kan det tenkes at flere like eller ulike produkter 7„ 72 7n kan dannes parallelt i ett og samme pressverktøy, ved at dette er anordnet til å avgrense flere like eller ulike kaviteter som hver mottar et kjernemateriale og et omhyllingsmateriale. For eksempel kan det for relativt små produkter tenkes matriser av 2x2, 2x4 eller 4x4 produkter ad gangen.

Det er ingen forutsetning at omhyllingsmaterialet 8 kun er ett og samme materiale. Det kan godt tenkes ett sjikt av et slikt materiale 8a på den ene side av kjernen, og to eller flere - like eller forskjellige - sjikt 8b,, 8b2 på den andre siden av kjernen, alt etter produktets bruksbehov.

Det er videre mulig å gjennomføre den fase av produktets forming som omfatter tilbaketrekking av stempelorganet 4, i flere trinn, eller som en svært langsom sammenhengende bevegelse. Tiden man venter før man starter tilbaketrekkingen av verktøyet, og måten man gjør dette på, er i stor grad bestemmende for tetthet og tetthetsvariasjon i den ferdige kjernen. Tidsaspektet har naturligvis også sammenheng med hvor stort produktet er, ettersom det tar lengre tid å avkjøle et stort produkt enn et lite produkt.

Ved bruk av et skummende materiale med høy viskositet til kjernen, er det ikke helt nødvendig å lukke pressverktøy-halvdelene 2, 3 langs deres omkrets før stempelorganet 4 komprimerer produktemnet 7. Høy viskositet i kjemematerialet 9 vil bidra til å holde gassen på plass den tid som er nødvendig for at fremgangsmåten skal kunne gjennomføres. Andre alternativer kan bestå i at verktøyhalvdelene 2, 3 lukkes delvis eller bare langs deler av sin omkrets, eller at lukkingen skjer i en fase som kommer etter at komprimeringen er påbegynt. Oppfinnelsens bærende ide er likevel den samme, at man i et begrenset tidsrom utsetter produktemnet 7 for et trykk som komprimerer det utover hva som er nødvendig for å gi det dets sluttelige form for derved å sikre en best mulig konsolidert overflate, og at trykket deretter reduseres slik at produktet inntar den ønskede form.

Ytterligere elementer som er nødvendig i slike prosesser, er som i kjente prosesser, for eksempel hva angår ekstrudering, forvarming etc. Som nevnt kan orienteringen av verktøyet være horisontal eller vertikal eller en annen orientering.

Eksempler på produkter som egner seg for slik fremstilling, er interiør- og eksteriørdetaljer på biler, som seterygger, dørsider, detaljer i front- og/ eller bakparti, herunder støtfangere etc, samt for øvrig produkter som krever lette og sterke/ støtabsorberende komponenter. For mange produkter er det ønskelig eller nødvendig å innplassere forsterkninger, maljer, festepunkter for bolter eller fester for nakkestøtter på et bilsete. Dette lar seg greit kombinere ved metoden ifølge oppfinnelsen, for eksempel ved at ønskede detaljer/ fester på forhånd innplasseres mellom

pressverktøyets halvdeler ved hjelp av egnet fikstur.

For formålet av best mulig miljøvennlighet er det ofte hensiktsmessig å benytte samme polymer i kjernen som i omhyllingsmaterialet, men dette er ingen forutsetning for prosessen ifølge oppfinnelsen.

Når det gjelder armeringen, som i seg selv er valgfri, kan denne være av enhver hensiktsmessig type for slike produkter.

Utførelsesformene beskrevet ovenfor er kun eksempler på oppfinnelsen som kun er begrenset av de følgende patentkrav.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av komposittprodukt som omfatter en kjerne av skummet materiale og minst ett omhyllingsmateriale som består av eller omfatter en fiberarmering med termoplast, og hvor et vesentlig produksjonstrinn består i å forme produktet i et pressverktøy, karakterisert ved at omhyllingsmaterialet og kjemematerialet tilføres pressverktøyet mens kjemematerialet og omhyllingsmaterialet enda befinner seg i plastisk flytende tilstand, og der minst et bevegelig element av pressverktøyet så påfører produktet et første relativt høyt trykk i en første tidsperiode hvor produktet inntar en midlertidig og komprimert form mens kjernen fortsatt i hovedsak er plastisk, hvoretter minst et bevegelig element av pressverktøyet trekkes tilbake så skumkjernen i en etterfølgende tidsperiode får ekspandere slik at produktet inntar sin endelige form og tillates å størkne ferdig.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at pressverktøyet helt eller delvis lukkes langs hele eller deler av sin periferi etter at materialene er ført inn i pressverktøyet, men før pressverktøyet påfører materialene trykk, slik at det effektivt hindres at deler av det skummende materiale kan bli klemt ut av pressverktøyet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at deler av pressverktøyet utformes med tilformede utsparinger til hvilke omhyllingsmateriale, armering og skumkjerne tillates å bevege seg under formeprosessen for dannelse av spesielle overflateformer på sluttproduktet.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det i pressverktøyet forut for formeprosessen innføres ytterligere minst ett fast eller ferdig skummet kjemeelement, som fikseres i pressverktøyet og danner minst et element i det ferdige produktet.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved det i pressverktøyet i tillegg som et ytterste sjikt innføres et spesielt ønsket materiale, så som filt, PMMA-folie eller lignende, for oppnåelse av en spesiell overflatefinish.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at omhyllingsmaterialet forvarmes til en temperatur hvor termoplast-komponenten i materialet foreligger i flytende eller tilnærmet flytende form, før det innføres i pressverktøyet.