WO2009052990A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von verstärkten polyurethan-verbundmaterialien - Google Patents

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WO2009052990A1
WO2009052990A1 PCT/EP2008/008761 EP2008008761W WO2009052990A1 WO 2009052990 A1 WO2009052990 A1 WO 2009052990A1 EP 2008008761 W EP2008008761 W EP 2008008761W WO 2009052990 A1 WO2009052990 A1 WO 2009052990A1
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fibers
pur
solid particles
mixing head
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PCT/EP2008/008761
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Detlef Mies
Andreas Frahm
Hans-Guido Wirtz
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Bayer Materialscience Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1481—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material
    • B05B7/149—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material with separate inlets for a particulate material and a liquid to be sprayed
    • B05B7/1495—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material with separate inlets for a particulate material and a liquid to be sprayed and with separate outlets for the particulate material and the liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/305—Spray-up of reinforcing fibres with or without matrix to form a non-coherent mat in or on a mould
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/732—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by fluid current, e.g. air-lay
    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D04H1/736—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged characterised by the apparatus for arranging fibres

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for producing reinforced polyurethane composite materials.
  • Spray methods for producing fiber or solid particle reinforced polyurethane composite materials have long been known.
  • the preparation of such materials usually takes place in such a way that the fibers or solid particles used for the reinforcement, preferably compressed air-assisted, are laterally directed into the spray jet of the PUR reactive mixture via a funnel-shaped applicator firmly connected to the PU spray mixing head.
  • rovings that is bundles of endless, untwisted, stretched fibers, which initially pass an optionally also attached to the PUR spray mixing head cutting before the cut fibers are then then fed to the chute.
  • the solid particles are wetted substantially on all sides with a polyurethane reactive mixture, which leads to a significant increase in viscosity and thixotropy of the polyurethane reaction mixture. This in turn causes the polyurethane Reactive mixture without bleeding on slopes or even on vertical surfaces can be applied.
  • the filler also has a positive influence on the microstructure on the surface of the structural element.
  • the flow behavior of the pure polyurethane reactive mixture on the substrate which contains, for example, a fiber fleece, is comparable to the flow of a liquid through a bed.
  • the gravity or the pressure difference which is applied by the closing of the tool, leads to a flow of the liquid through the bed (the nonwoven fabric).
  • the liquid does not form a planar surface to the atmosphere because of the fiber structure; instead, the polyurethane reactive mixture forms an inhomogeneous surface due to the interaction of boundary or surface tensions to the fiber material and the air and the flow behavior. This causes air bubbles between the fibers.
  • the wetted with the polyurethane reactive mixture, fine-grained filler can better fill these spaces on the surface and thereby significantly improve the microstructure on the surface. This is achieved on the one hand by the increased viscosity due to the higher viscosity and on the other hand due to the breaking of the interface between Reactive mixture, air and fibers through the solid particles. As a result, the tendency to form a curved surface between the fibers at the surface due to the interfacial forces is significantly lower.
  • a particular effect which occurs in the process is that in the reaction of the thixotropic PUR reactive mixture during the molding process in a press, the PUR reactive mixture penetrates into the at least one nonwoven fabric and wets all the fibers which then stick together which are bonded with polyurethane. Reactive mixture wetted solid particles, however, are filtered off by the at least one nonwoven fabric to some extent and hang on the surface of the at least one nonwoven fabric and thereby fill all the gaps between the individual fibers. In this way, high-strength, easy-to-construct construction elements with a perfect, homogeneous surface and perfect formation of the desired contours, without having to make additional rework or lamination.
  • WO 2007/073825 also describes a spray head for spraying solid particles laden polyurethane reactive mixture, comprising
  • At least one first channel section for pneumatically conveying the solid particles comprising an inlet opening for a gas stream and a substantially concentrically arranged in the first channel section suction nozzle for the solid particles, wherein the direction of flow extended center of gravity of the first channel section and the spray nozzle in the spray nozzle extended axis of the spray form an angle ⁇ in the range of 10 ° to 120 °, and - A -
  • At least one second channel section for pneumatically conveying the solid particles, into which the first channel section opens, wherein the direction of flow extended center of gravity of the first channel section and the direction of flow extended axis of gravity at the outlet opening of the second channel section an angle ß in the range of 60 ° to 170 And wherein the outlet opening of the second channel section is disposed substantially in the immediate vicinity of the spray nozzle for the polyurethane reactive mixture and is substantially aligned with the area of the spray jet emerging from the spray nozzle for the polyurethane reactive mixture.
  • spray mixing heads it is possible to use customary PUR mixing heads which work according to the high or low pressure mixing method. Round or flat jet spray nozzles can be adapted to these mixing heads by means of pressure or air atomization.
  • a serious disadvantage of a fixed side mounting of the applicator on the PUR spray mixing head as in the prior art is the geometric dependence of the entry of the fibers / particles in the spray of the direction of movement of the robot, which in turn varying wetting of the fibers / particles depending on the way of the spray mixing head (Fig. 1).
  • the fibers / particles are either detected by the PUR spray jet and sprayed by the subsequent reaction mixture, or conveyed into the advance moving spray.
  • Fibers / particles (Fig. 1, direction of movement to the right) oversprayed by the following reaction mixture show a significantly more intense Wetting on the (upper) side facing the PUR spray mixing head.
  • the side of the rovings facing the mold or the substrate carrier can have a much lower wetting and therefore generally insufficient wetting, which very often results in later marks or voids being formed on decorative layers.
  • the degree of wetting of the fibers / particles is therefore directly related to the input conditions and has a significant influence on:
  • a device for producing fiber and / or solid particle-reinforced polyurethane composite materials which comprises at least one PU spray mixing head with a defined spraying direction and at least one applicator for the directed application of fibers and / or solid particles, characterized in that the outlet direction of the fibers and / or solid particles relative to the spray direction of the PUR spray mixing head spatially changed is.
  • an applicator element is to be understood as meaning, in particular, an outlet channel for guiding the fibers, that is to say the cut rovings, and / or solid particles serving hollow bodies.
  • This may for example be a (funnel-shaped) bed, but also, for example, a pipe or hose with at least one defined outlet opening.
  • This applicator organ serves - preferably with the aid of compressed air - to guide the fibers / solid particles to be introduced into the PUR reactive material and gives them a defined outlet direction, either by the orientation of the applicator element itself or by the fiber / solid particle beam deflecting internals present in the applicator element ,
  • the change in the exit direction of the fibers and / or solid particles relative to the spray direction of the PUR spray mixing head in space is to be understood firstly in relation to the angle enclosed by these directional vectors (corresponding to a change in direction of a directional vector within that of this and the other Vector spanned level), for example, caused by a change in the alignment of the applicator member to the spray direction of the PUR spray mixing head.
  • this also includes changes in which the position of the plane spanned by two vectors changes in space.
  • the exit direction of the fibers / solid particles is variable independently of a change in the spray direction of the PU spray mixing head with respect thereto.
  • a change in the discharge direction of the fibers / solid particles should be possible (regardless of, for example, a possible rotation of the PU spray mixing head around itself) in a constant position of the PUR spray mixing head (the above-described vectorial design is based).
  • the exit direction of the fibers / solid particles is variable independently of a movement of the PUR-spray mixing head. This can be achieved if a change in the direction of emergence of the fibers / solid particles for spraying the PUR spray mixing head is to be possible with PUR spray mixing head stationary in space, that is to say no movement. (However, this does not preclude the PUR spray mixing head in principle being able to move that is, for example, can be rotatable about its axis).
  • the application member, in particular the outlet channel of the cutting unit or the blowing device is preferably directly or indirectly connected to the particular robot-controlled PUR-Sprisch mixing head.
  • a direct connection here is to be understood as meaning a physical connection between the application device and the PU spray mixing head.
  • the applicator member is attached to the PUR spray mixing head or is connected to it indirectly via connecting struts, spacers or a cutting unit (cf. for example FIG. 1).
  • struts spacers
  • a cutting unit cf. for example FIG. 1
  • an indirect connection although there is no direct attachment to the PUR spray mixing head, it is still a component connected to the PUR spray mixing head in the sense of the invention (for example to a robot arm). Characteristic of both a direct and an indirect attachment is therefore the fact that the applicator on the one hand and the PUR spray mixing head on the other side can not be performed independently.
  • the object underlying the invention is achieved by the use of the device as described above for the production of fiber or solid particle reinforced polyurethane composite materials.
  • the object underlying the invention is achieved by a process for the production of fibrous or solid particle-reinforced polyurethane composite materials, in which one uses the device described above and the applicator organ of Fibers / solid particles coupled to the direction of movement of the PUR spray mixing head.
  • the adjustment of the exit direction of the fibers / solid particles to the direction of movement of the PUR spray mixing head is preferably carried out in such a way that the fibers / solid particles are introduced into the, trailing 'spray of the PUR spray mixing head (Fig. 1, direction of movement to the right). Because only this allows the reproducible production of fiber / particle-reinforced PUR moldings under uniform wetting of the fibers / particles even in demanding three-dimensional shapes.
  • the method according to the invention is characterized in that the flow of the fibers / solid particles is controlled in a path-controlled manner relative to the spray jet of the PUR reactive mixture.
  • the amount of solid particles applied is preferably adjusted so that only as much solid particles are applied to the substrate as are required to balance uneven surfaces or broken edges or contracted stress points.
  • the optimum amount of PUR reactive mixture and solid particles to be applied can be easily determined for the person skilled in the art by simple experiments in which different amounts of PUR reactive mixture and solid particles are applied to the substrate or composite element.
  • Particularly suitable solid particles are those having a granular or powdery structure with particle sizes in the range of preferably 5 .mu.m to 500 .mu.m. In this case, mixtures of different particle sizes are of particular importance, since in this way optimum packing densities are possible in order to compensate for irregular irregularities on the surface of the substrates. It has been shown that powders made of recycled, finely ground PUR foams, especially rigid foams, are suitable as particle mixtures.
  • the comminution of the Ze 11 structures produces a particle mix size of preferably 10-30, eg about 20% by weight over 300 ⁇ m, 30-50, for example about 40% by weight over 100 ⁇ m and under 300 ⁇ m and 30-50 eg about 40% by weight below 100 ⁇ m (values determined by sieving).
  • Fibers with number-average fiber lengths of preferably 5 ⁇ m to 500 ⁇ m and a diameter-length ratio of preferably 1.0 to 0.01 (rovings) are also suitable according to the invention.
  • the microfibers preferably consist of the same material as the at least one substrate to be coated, in particular non-woven fabric. This results in homogeneous and at the same time fibrous surface structures. It is then especially important to ensure that broken edges compensate for composite elements with spacers (eg honeycomb core) or confiscated stress points, so as to achieve a perfect formation of the contours and wall thicknesses.
  • platelet-shaped solid particles having number-average plate diameters (for example, as determined by microscopic analysis) of preferably 5 ⁇ m to 500 ⁇ m and thickness-to-diameter ratios of preferably 1.0 to 0.01 are suitable as solid particles in the process.
  • special surface structures can be generated.
  • platelets made of glass or mineral are suitable for increasing the impression resistance of the surface.
  • fibers preferably glass, mineral, metal, plastic or natural products such. Hemp or jute can be used. In general, one will use especially those fibers / solid particles that are particularly light. Preference is therefore given to plastics. In order to achieve special surface effects, for example, metal powders are particularly suitable with which an optical Metallic effect is possible.
  • the fibers / solid particles are added to the stream of PUR reactive mixture before spraying and sprayed together with this on the substrate. In this way, the solid particles are optimally wetted on all sides.
  • the desired thixotropy of the PUR reactive mixture acts directly, ie without any time delay.
  • FIG. 1 shows a device for the production of reinforced polyurethane composite materials of the prior art, comprising a rigidly connected via a cutting with the PUR spray mixing head applicator (in this case, a funnel-shaped bed).
  • Fig. 2, 3 problems arising during the spraying of cavities with a device of the prior art.
  • Fig. 4a, b show schematic illustrations of a device according to the invention in side view and plan view, comprising a PUR- spray mixing head and a pivotally mounted on this combination consisting of a cutting unit and a funnel-shaped chute.
  • This construction ideally allows optional positioning of the header-bed combination over the pivoting range of the Device, wherein preferably the pivot drive is designed as the 7th axis of the robot and thus the fiber / solid particles entry into the PUR spray with the movements of the robot can be tuned.
  • FIGS. 5 and 6 show the principle of a device according to the invention.
  • the combination of cutter and bed is also on the left side (position A) to allow entry of the fibers / particles in the 'trailing' PUR spray, which, as discussed above (see discussion regarding FIG. 1) results in better wetting of the fibers / solid particles.
  • the cutting unit-bed combination (computer-controlled) also swivels to the right in order to be able to maintain the entry direction of the fibers / particles in the PUR spray jet unchanged. Regardless of the change made by the robot change the direction of movement of the spray head can thus be done by a corresponding pivoting of the cutting unit-bed combination of the fiber / particle entry under constant conditions.
  • Fig. 7 shows a particular type of mixing head guide on flat surfaces where the inclination of the PUR spray mixing head produces a larger entrance surface (projected ellipse) for the incoming fibers, thereby overcoming conventional techniques (perpendicular to the surface ) also significantly larger quantities of fiber or solid particles can be processed.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung faser- und/oder partikelverstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien umfassend mindestens einen PUR-Sprühmischkopf mit definierter Sprührichtung und mindestens einem Auftragsorgan zum gerichteten Applizieren von Fasern und/oder Feststoffpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern und/oder Feststoffpartikel relativ zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes räumlich veränderbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polyurethan- Verbundmaterialien
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien.
Sprühverfahren zur Herstellung von mit Fasern oder Feststoffpartikeln verstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien sind seit langem bekannt. Die Herstellung solcher Materialien erfolgt dabei in aller Regel so, dass die für die Verstärkung verwendeten Fasern bzw. Feststoffpartikel, vorzugsweise druckluftunterstützt, über eine trichterförmige mit dem PUR-Sprühmischkopf fest verbundenes Auftragsorgan seitlich in den Sprühstrahl des PUR- Reaktivgemisches geleitet werden.
Im Falle von faserverstärkten Materialien verwendet man als Ausgangsmaterial meist sogenannte Rovings, das heißt Bündel von endlosen, unverdrehten, gestreckten Fasern, die zunächst ein gegebenenfalls ebenfalls am PUR-Sprühmischkopf befestigtes Schneidwerk passieren bevor die geschnittenen Fasern dann anschließend der Schütte zugeleitet werden.
Bei Sprühverfahren dieser Art wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Faser-/Partikel-PUR-Reaktionsgemisches, meist über mehrere Schichten hinweg, auf der Formoberfläche oder dem Substratträger angestrebt. Bei Anwendungen mit hohem Reproduzierbarkeitsanspruch werden die Sprühmischköpfe samt Schütte daher durch Roboter geführt.
Mit der Vorrichtung und dem Verfahren werden die Feststoffpartikel im Wesentlichen allseitig mit Polyurethan-Reaktivgemisch benetzt, was zu einer deutlichen Viskositätserhöhung und Thixotropierung des Polyurethan- Reaktionsgemischs führt. Das wiederum bewirkt, dass das Polyurethan- Reaktivgemisch ohne Verlaufen auf Schrägen oder sogar an senkrechten Flächen aufgetragen werden kann.
Wichtig ist dabei auch der Effekt, dass das Gemisch aufgrund der Viskositätserhöhung und Thixotropierung ein Faservlies langsamer durchdringt, so dass sich über den Feststoffanteil einstellen lässt, wie viel Polyurethan-Reaktivgemisch an der Oberfläche verbleibt und wie viel ins Innere des Verbundbauteiles eindringt. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad kann der optimale Kompromiss zwischen ausreichender Verklebung des Verbundes, geringem Gewicht und guter Oberfläche des Konstruktionselements erzielt werden.
Positiven Einfluss hat der Füllstoff auch auf die Mikrostruktur an der Oberfläche des Konstruktionselements. Das Fließverhalten des reinen Polyurethan-Reaktivgemisches auf das Substrat, welches beispielsweise ein Faservlies enthält, ist dabei mit dem Fließen einer Flüssigkeit durch eine Schüttung vergleichbar. Die Schwerkraft bzw. die Druckdifferenz, welche durch das Schließen des Werkzeugs aufgebracht wird, führt zu einem Fließen der Flüssigkeit durch die Schüttung (das Faservlies).
An der Oberfläche bildet die Flüssigkeit dabei wegen der Faserstruktur keine ebene Oberfläche zur Atmosphäre aus; statt dessen bildet das Polyurethan- Reaktivgemisch bedingt durch das Zusammenwirken von Grenz- bzw. Oberflächenspannungen zu dem Fasermaterial und der Luft sowie dem Fließverhalten eine inhomogene Oberfläche aus. Dadurch kommt es zwischen den Fasern zu Lufteinschlüssen.
Der mit dem Polyurethan-Reaktivgemisch benetzte, feinkörnige Füllstoff kann diese Zwischenräume an der Oberfläche besser ausfüllen und dadurch die Mikrostruktur an der Oberfläche deutlich verbessern. Dies wird einerseits durch den aufgrund der höheren Viskosität erhöhten Fließwiderstand erreicht und andererseits aufgrund des Aufbrechens der Grenzfläche zwischen Reaktivgemisch, Luft und Fasern durch die Feststoffpartikel. Dadurch ist die Tendenz zur Ausbildung einer gekrümmten Oberfläche zwischen den Fasern an der Oberfläche aufgrund der Grenzflächenkräfte deutlich geringer.
Ein besonderer, bei dem Verfahren auftretender Effekt ist, dass bei der Reaktion des thixotropierten PUR-Reaktivgemisches während des Formgebungsprozesses in einer Presse das PUR-Reaktivgemisch zwar in das zumindest eine Faservlies eindringt und sämtliche Fasern benetzt, die dann miteinander verkleben, die mit PUR-Reaktivgemisch benetzten Feststoffpartikel jedoch durch das zumindest eine Faservlies zum Teil abgefiltert werden und auf der Oberfläche des zumindest einen Faservlieses hängen bleiben und dabei sämtliche Lücken zwischen den einzelnen Fasern auffüllen. Auf diese Weise entstehen hochfeste, leicht bauende Konstruktionselemente mit einer einwandfreien, homogenen Oberfläche und einwandfreier Ausbildung der gewünschten Konturen, ohne eine zusätzliche Nacharbeit bzw. Kaschierung vornehmen zu müssen.
WO 2007/073825 beschreibt auch einen Sprühkopf zum Versprühen von mit Feststoffpartikeln beladenem Polyurethan-Reaktivgemisch, umfassend
a) mindestens einen Sprühmischkopf für das Polyurethan-Reaktivgemisch enthaltend eine Sprühdüse für das Polyurethan-Reaktivgemisch, und
b) mindestens einen ersten Kanalabschnitt zur pneumatischen Förderung der Feststoffpartikeln, enthaltend eine Einlassöffnung für einen Gasstrom und einen im Wesentlichen in dem ersten Kanalabschnitt konzentrisch angeordneten Ansaugstutzen für die Feststoffpartikeln, wobei die in Strömungsrichtung ausgedehnte Schwerpunktsachse des ersten Kanalabschnitts und die in Sprührichtung der Sprühdüse ausgedehnte Achse des Sprühstrahls einen Winkel α im Bereich von 10° bis 120° ausbilden, und - A -
c) mindestens einen zweiten Kanalabschnitt zur pneumatischen Förderung der Feststoffpartikeln, in den der erste Kanalabschnitt mündet, wobei die in Strömungsrichtung ausgedehnte Schwerpunktsachse des ersten Kanalabschnitts und die in Strömungsrichtung ausgedehnte Schwerpunktsachse an der Austrittsöffnung des zweiten Kanalabschnitts einen Winkel ß im Bereich von 60° bis 170° einschließen, und wobei die Austrittsöffnung des zweiten Kanalabschnitts im Wesentlichen in unmittelbarer Nähe der Sprühdüse für das Polyurethan-Reaktivgemisch angeordnet ist und im Wesentlichen zu dem Bereich des aus der Sprühdüse für das Polyurethan-Reaktivgemisch austretenden Sprühstrahls hin ausgerichtet ist.
Dadurch wird erreicht, dass der aus der Austragsöffnung des zweiten Kanalabschnitts austretende Strom an Feststoffpartikeln in den Sprühstrahl aus der Sprühdüse für das Polyurethan-Reaktivgemisch mündet. Als Sprühmischköpfe können übliche PUR Mischköpfe verwendet werden, die nach dem Hoch- oder Niederdruckmischverfahren arbeiten. An diese Mischköpfe können Rund- oder Flachstrahlsprühdüsen adaptiert werden die mittels Druckoder Luftzerstäubung arbeiten.
Ein gravierender Nachteil eines festen seitlichen Anbaus des Auftragsorgans am PUR-Sprühmischkopf wie im Stand der Technik ist die geometrische Abhängigkeit des Eintrags der Fasern/Partikel in den Sprühstrahl von der Bewegungsrichtung des Roboters, was wiederum eine variierende Benetzung der Fasern/Partikel in Abhängigkeit des Weges des Sprühmischkopfes zur Folge hat (Fig. 1). Je nach Anbauseite des Auftragorgans bzw. Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes werden die Fasern/Partikel entweder vom PUR-Sprühstrahl erfasst und vom nachfolgenden Reaktionsgemisch übersprüht, oder in den vorweg fahrenden Sprühstrahl hineingefördert.
Vom nachfolgenden Reaktionsgemisch übersprühte Fasern/Partikel (Fig. 1, Bewegungsrichtung nach rechts) zeigen dabei eine deutlich intensivere Benetzung auf der dem PUR-Sprühmischkopf zugewandten (Ober-) Seite. Die der Form bzw. dem Substratträger zugewandte Seite der Rovings kann dagegen eine wesentlich geringere und damit in der Regel unzureichende Benetzung aufweisen, was sehr oft spätere Abzeichnungen oder Lunkerbildungen auf Dekorschichten zur Folge hat.
Ein Teil der Fasern/ Partikel, die in den vorweg fahrenden Sprühstrahl hinein gefördert werden sollen (Fig. 1, Bewegungsrichtung nach links), werden vom Luftstrom des PUR-Sprühstrahls erfasst und umgelenkt. In einem solchen Fall erfolgt eine Ablage der Fasern/ Partikel außerhalb des eigentlichen Sprühstrahls, wodurch eine nur unzureichende Fixierung des Fasern/Partikel- PUR-Reaktionsgemisch an der Kontaktfläche zu den vorab mit Reaktionsgemisch besprühten Bereichen erfolgt.
Der Benetzungsgrad der Fasern/Partikel steht somit im direkten Zusammenhang mit den Eintragsbedingungen und nimmt deutlichen Einfluss auf:
1. die mechanischen Eigenschaften
2. die Oberflächengüte
3. Lunkerbildung in der Polyurethanschicht
4. Abzeichnung von Fasern an Dekorgrenzschichten
5. dem Eintrag der max. möglichen Glasmenge.
Abgesehen von der oben umrissenen Abhängigkeit des Faser- /Partikeleintrages von der Anbringung des Auftragsorgans bzw. Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes ergibt sich bei Vorrichtungen mit einem fest mit einem PUR-Sprühmischkopf verbundenen Auftragorgans ein weiteres Problem, nämlich das einer erschwerten Faser-/Partikelablage in Radien (oder Kavitäten) und Randbereichen dreidimensionaler Formen. Um eine Faser-/Partikelablage bis in die Randbereiche realisieren zu können, wird der Sprühwinkel durch Drehen des PUR-Sprühmischkopfes über den Roboter dem Kavitätsverlauf angepasst. Dennoch muss häufig ein Übersprühen der Kavität mit inhomogener Faserverteilung in Kauf genommen werden. In manchen Fällen ist eine vollständige Benetzung mit Faser/Reaktionsgemisch nahezu unmöglich (Fig. 2 und 3).
Bei einer Faser-/Partikelablage in das vorweg fahrende PUR-Reaktionsgemisch hinein (dem Sprühstrahl folgend) werden die Fasern vom Sprühstrahl erfasst und in den Grund der Kavitäten gedrückt (Fig. 2) (zum Teil liegt dies auch darin begründet, dass die Fasern/Partikel der Schwerkraft folgen und bei dieser Bewegungsrichtung „aus dem Sprühstrahl herausfallen").
Bei gleicher Anbausituation des Auftragorgans ändert sich jedoch das Eintragsverhalten auf der gegenüberliegenden Formhälfte (Fig. 3). Das Schwenken des PUR-Sprühmischkopfes und der nun günstigere Eintritt der Fa sern/ Partikel ermöglicht eine Ablage bis hoch in den Randbereich der Kavität. Die eintretenden Fasern/Partikel werden dabei über den kompletten Strahlbereich des PUR-Reaktionsgemisches auf der Kavität fixiert, ohne in die Bodenbereiche der Form gedrückt zu werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die oben beschriebenen durch eine feste Anbringung des Auftragsorgan für die Fasern/Feststoffpartikel an den PUR-Sprühmischkopf bedingten Probleme des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung so zu gestalten, dass sie eine Herstellung Faser-/Feststoffpartikelverstärkter PUR-Formkörper (gegebenenfalls aufgebaut aus mehreren Schichten) unter reproduzierbarer Ablage und Benetzung der Fasern/Feststoffpartikel unabhängig von der Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes auch bei dreidimensionalen Formen ermöglicht.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe in einer ersten Ausführungsform durch eine Vorrichtung zur Herstellung von faser- und/oder feststoffpartikelverstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien, welche mindestens einen PUR-Sprϋhmischkopf mit definierter Sprührichtung und mindestens einem Auftagsorgan zum gerichteten Applizieren von Fasern und/oder Feststoffpartikeln umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern und/oder Feststoffpartikel relativ zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes räumlich veränderbar ist.
Unter einem Auftragsorgan im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Austrittskanal zur Führung der Fasern, das heißt der zerschnittenen Rovings, und/oder Feststoffpartikel dienender Hohlkörper zu verstehen. Dies kann zum Beispiel eine (trichterförmige) Schüttung sein, aber auch zum Beispiel ein Rohr oder Schlauch mit mindestens einer definierten Austrittsöffnung. Dieses Auftragsorgan dient - bevorzugterweise unter Zuhilfenahme von Druckluft - der Führung der in das PUR-Reaktivmaterial einzubringenden Fasern/Feststoffpartikel und verleiht diesen, entweder durch die Ausrichtung des Auftragsorgans an sich oder durch im Auftragsorgan vorhandene den Faser-/Feststoffpartikelstrahl umlenkende Einbauten, eine definierte Austrittsrichtung.
Die Veränderung der Austrittsrichtung der Fasern und/oder Feststoffpartikel relativ zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes im Raum ist dabei zum einen in Bezug auf den sich zwischen den von diesen Richtungsvektoren eingeschlossenen Winkel zu verstehen (entsprechend einer Richtungsveränderung eines Richtungsvektors innerhalb der von diesem und dem anderen Vektor aufgespannten Ebene), zum Beispiel hervorgerufen durch eine Veränderung der Ausrichtung des Auftragsorgans zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes.
Zum anderen sind damit aber auch solche Änderungen umfasst, bei denen sich die Lage der von zwei Vektoren aufgespannten Ebene im Raum ändert.
Nicht erfindungsgemäß sind in diesem Zusammenhang solche Richtungsänderungen, die sich durch eine Änderung der Austrittsgeschwindigkeit der Fasern/Feststoffpartikel ergeben, das heißt mit anderen Worten, dass eine entsprechende Veränderung der Vektoren zueinander bei einer konstanten Austrittsgeschwindigkeit möglich sein muss.
Bevorzugt sind hierbei solche Veränderungen der Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes, bei denen eine Bewegung des Vektors der Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel um den Vektor der Sprührichtung des PUR- Sprühmischkopfes herum möglich ist, wobei das Auftragsorgan relativ zur Sprührichtung des PUR-Reaktivgemisches auf einer Kreisbahn von 360 °, mindestens aber 180 ° verläuft. Diese Bewegung kann sich dabei so vollziehen, dass die Spitze des einen Vektors eine Ellipsen- oder bevorzugt eine Kreisbahn um den anderen Vektor herum beschreibt.
Ferner ist es möglich, dass die Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel unabhängig von einer Änderung der Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes in Bezug auf diese veränderbar ist. Dies ist so zu verstehen, dass bei einer im Raum konstanten Lage des PUR-Sprühmischkopfes (ungeachtet zum Beispiel einer möglichen Drehbewegung des PUR-Sprühmischkopfes um sich selbst) eine Veränderung der Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel möglich sein soll (die der oben beschriebene vektorielle Auslegung zugrunde gelegt ist).
Auch ist es möglich, dass die Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel unabhängig von einer Bewegung des PUR-Sprühmischkopfes veränderbar ist. Dies ist erreichbar, wenn eine Veränderung der Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes bei im Raum ortsgebundenen, also keine Bewegung ausführenden, PUR- Sprühmischkopf möglich sein soll (was jedoch nicht ausschließt, dass der PUR- Sprühmischkopf an sich prinzipiell beweglich, d.h. zum Beispiel um seine Achse drehbar, sein kann). Das Auftragsorgan, insbesondere der Austrittskanal des Schneidwerks oder der Blasvorrichtung ist dabei bevorzugt direkt oder indirekt mit dem insbesondere robotergeführten PUR-Sprϋhmischkopf verbunden. Unter einer direkten Verbindung ist dabei eine solche zu verstehen, bei der eine physikalische Verbindung zwischen dem Auftragsorgan und dem PUR- Sprühmischkopf besteht. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Auftragsorgan an den PUR-Sprühmischkopf befestigt ist oder mit diesem indirekt über Verbindungsstreben, Abstandshalter oder ein Schneidwerk (vergleiche zum Beispiel Fig. 1) verbunden ist. Bei einer indirekten Verbindung liegt zwar keine direkte Anbringung an den PUR- Sprühmischkopf dennoch ein im Sinne der Erfindung mit dem PUR- Sprühmischkopf verbundenem Bauteil vor (zum Beispiel an einen Roboterarm). Kennzeichnend sowohl für eine direkte als auch eine indirekte Anbringung ist daher die Tatsache, dass das Auftragsorgan auf der einen Seite und der PUR-Sprühmischkopf auf der anderen Seite nicht unabhängig voneinander geführt werden können.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Reaktionsgemisches aus PUR- Reaktivgemisch einerseits und Faser/Feststoffpartikel andererseits zu erreichen und um eine hohe Reproduzierbarkeit zu gewährleisten ist es bevorzugt, obige Vorrichtung an einen Roboter/Roboterarm zu befestigen. Die übliche Steuerung erfolgt dann entsprechend durch eine übliche EDV-Anlage.
In einer zweiten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung der Vorrichtung wie zuvor beschrieben zur Herstellung von faser- oder feststoffpartikelverstärkten Polyurethan- Verbundmaterialien.
In einer dritten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von faser- oder feststoffpartikelverstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien, bei der man die oben beschriebene Vorrichtung einsetzt und das Auftragsorgan der Fasern/Feststoffpartikel an die Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes koppelt. Die Anpassung der Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel an die Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes erfolgt dabei bevorzugt in der Art, dass die Fasern/Feststoffpartikel in den , nachlaufenden' Sprühstrahl des PUR-Sprühmischkopfes eingetragen werden (Fig. 1, Bewegungsrichtung nach rechts). Denn nur dies ermöglicht die reproduzierbare Herstellung faser- /partikelverstärkter PUR-Formkörper unter gleichförmiger Benetzung der Fasern/Partikel auch bei anspruchsvollen dreidimensionalen Formen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass man den Strom der Fasern/Feststoffpartikel relativ zum Sprühstrahl des PUR-Reaktivgemisches bahngesteuert verändert.
Die Menge an aufgebrachten Feststoffpartikeln wird bevorzugt so eingestellt, dass nur so viel Feststoffpartikeln auf das Substrat aufgebracht werden, wie erforderlich sind, um unebene Oberflächen bzw. eingebrochene Kanten bzw. eingezogene Stressstellen abzugleichen. Die optimal aufzubringende Menge an PUR-Reaktivgemisch und Feststoffpartikeln lässt sich für den Fachmann durch einfache Versuche, in denen unterschiedliche Mengen an PUR-Reaktivgemisch und Feststoffpartikeln auf das Substrat bzw. Verbundelement aufgetragen werden, leicht ermitteln.
Als Feststoffpartikel sind insbesondere solche mit körniger bzw. pulvriger Struktur mit Korngrößen im Bereich von bevorzugt 5 um bis 500 um in Frage. Dabei sind besonders Mischungen verschiedener Korngrößen von Bedeutung, da auf diese Weise optimale Packungsdichten möglich sind, um unregelmäßige Unebenheiten an der Oberfläche der Substrate auszugleichen. Es hat sich gezeigt, dass Pulver aus recyceltem, kleingemahlenen PUR- Schaumstoffen, besonders von Hartschaumstoffen, als Partikelmischungen geeignet sind. Durch das Zerkleinern der Ze 11 Strukturen entsteht eine Partikelmixgröße von bevorzugt 10 - 30, z.B. ca. 20 Gew.-% über 300 um, 30 - 50, z.B. ca. 40 Gew.-% über 100 um und unter 300um sowie 30 - 50, z.B. ca. 40 Gew.-% unter 100 um (Werte ermittelt durch Siebung). Auch Fasern mit zahlenmittleren Faserlängen von bevorzugt 5 um bis 500 um und einem Durchmesser-Längen-Verhältnis von bevorzugt 1,0 bis 0,01 (Rovings) sind erfindungsgemäß geeignet. Bevorzugt bestehen die Mikrofasern aus dem gleichen Material wie das mindestens eine zu beschichtende Substrat, insbesondere Faservlies. Dabei entstehen homogene und gleichzeitig faserige Oberflächenstrukturen. Es ist dann vor allem darauf zu achten, dass eingebrochene Kanten bei Verbundelementen mit Distanzelementen (z.B. Wabenkern) bzw. eingezogene Stressstellen auszugleichen, um so eine einwandfreie Ausbildung der Konturen und Wandstärken zu erreichen.
Auch Feststoffpartikel mit Plättchenform mit zahlenmittleren Plättchendurchmessern (z.B. ermittelt durch mikroskopische Analyse) von bevorzugt 5 um bis 500 um und Dicken-Durchmesser-Verhältnissen von bevorzugt 1,0 bis 0,01 sind als Feststoffpartikeln in dem Verfahren geeignet. Auf diese Weise sind besondere Oberflächenstrukturen erzeugbar. Plättchen aus Glas oder Mineral sind beispielsweise geeignet die Eindruckfestigkeit der Oberfläche zu erhöhen.
Als Fasern können bevorzugt Glas-, Mineral-, Metall-, Kunststoff- oder auch Naturprodukte wie z.B. Hanf oder Jute eingesetzt werden. In der Regel wird man vor allem solche Fasern/Feststoffpartikel einsetzen, die besonders leicht sind. Bevorzugt sind daher Kunststoffe. Um spezielle Oberflächeneffekte zu erzielen, sind beispielsweise Metallpulver besonders geeignet, mit denen ein optischer Metalliceffekt möglich wird.
Als Feststoffpartikel können auch Gemische verschiedener Feststoffpartikel hinsichtlich Materialien und/oder Struktur und/oder Partikelgrößenverteilung eingesetzt werden. Es können jedoch auch Gemische gleichen Materials und gleicher Struktur und unterschiedlicher volumenmittlerer Korngröße eingesetzt werden. Bevorzugt werden die Fasern/Feststoffpartikel vor dem Versprühen in den Strom aus PUR-Reaktivgemisch eingetragen und mit diesem zusammen auf das Substrat aufgesprüht. Auf diese Weise werden die Feststoffpartikel optimal allseitig benetzt. Zudem wirkt die gewünschte Thixotropierung des PUR- Reaktivgemischs direkt, d.h. ohne jeglichen Zeitverzug.
Es ist jedoch, insbesondere für einfache Anwendungen, ebenfalls möglich, die Fasern/Feststoffpartikel erst nach dem Besprühen bzw. Benetzen des Substrats mit dem PUR-Reaktivgemisch auf das PUR-Reaktivgemisch bzw. die das Faservlies aufzutragen. Dieses nachträgliche Auftragen der Feststoffpartikel erfolgt dann jedoch bevorzugt unmittelbar, d.h. ohne wesentlichen Zeitverzug nach dem Auftragen des PUR-Reaktivgemisches, um so die erforderliche Thixotropierung des PUR-Reaktivgemischs im zeitlichen Toleranzbereich sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung soll beispielhaft an in den Fig. 4-7 gezeigten Ausführungsformen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Vorrichtung zur Herstellung von verstärkten Polyurethan- Verbundmaterialien des Standes der Technik, umfassend ein starr über ein Schneidwerk mit dem PUR-Sprühmischkopf verbundenes Auftragsorgan (in diesem Falle eine trichterförmige Schüttung).
Fig. 2, 3: Probleme, die sich beim Aussprühen von Kavitäten mit einer Vorrichtung des Standes der Technik ergeben.
Fig. 4a, b zeigen schematische Abbildungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht bzw. Draufsicht, umfassend einen PUR- Sprühmischkopf und eine an diesen schwenkbar angebrachte Kombination bestehend aus einem Schneidwerk und einer trichterförmigen Schütte. Dieser Aufbau ermöglicht in idealer Weise eine wahlfreie Positionierung der Schneidwerk-Schüttungs-Kombination über den Schwenkbereich der Vorrichtung, wobei vorzugsweise der Schwenkantrieb als 7. Achse des Roboters ausgeführt ist und somit der Faser-/Feststoffpartikeleintrag in den PUR-Sprühstrahl mit den Bewegungsabläufen des Roboters abgestimmt werden kann.
Die Fig. 5 und 6 zeigen das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bewegt sich, wie in Fig. 5 gezeigt, der PUR-Sprühmischkopf beispielsweise nach links, so befindet sich die Kombination aus Schneidwerk und Schüttung ebenfalls auf der linken Seite (Position A), um so einen Eintrag der Fasern/Partikel in den , nachlaufenden' PUR-Sprühstrahl zu ermöglichen, was, wie oben diskutiert (vergleiche Diskussion bezüglich Fig. 1) eine bessere Benetzung der Fasern/Feststoffpartikel zur Folge hat. Ändert sich nun die Bewegungsrichtung des PUR-Sprühmischkopfes nach rechts (Drehung um 180°), so schwenkt die Schneidwerk-Schüttung-Kombination (computergesteuert) ebenfalls nach rechts, um die Eintragsrichtung der Fasern/Partikel in den PUR-Sprühstrahl unverändert beibehalten zu können. Unabhängig von der vom Roboter vorgenommenen Änderung der Bewegungsrichtung des Sprühkopfes kann somit durch ein entsprechendes Schwenken der Schneidwerk-Schüttung-Kombination der Faser- /Partikeleintrag unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgen.
Ganz besonders zu Tage treten die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem Aussprühen von Kavitäten, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Kombination aus Schneidwerk und Schüttung befindet sich dabei immer oberhalb des PUR-Sprühstrahls, so dass ein Faser-/Feststoffpartikeleintrag bis zum Außenrand der Kavitäten hin erfolgen kann. Der keilförmige Eintrag der Fasern/Feststoffpartikel zwischen Kavität und Sprühstrahl erlaubt zudem eine Faserablage bzw. Fixierung in auch extrem steilen Form- und Radienbereichen. In der Summe wird also durch das Schwenken der Schneidwerk-Schüttung- Kombination eine absolut symmetrische Faserverteilung beider Formhälften ermöglicht.
Ähnlich zu Fig. 6, zeigt Fig. 7 eine besondere Art der Mischkopfführung auf ebenen Flächen, bei der durch die Schrägstellung des PUR-Sprühmischkopfes eine größere Eintrittsoberfläche (projiziert Ellipse) für die eintretenden Fasern erzeugt wird, wodurch gegenüber üblichen Verfahren (senkrecht zur Fläche) auch deutlich größere Faser- oder Feststoffpartikel mengen verarbeitet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung von faser- und/oder partikelverstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien umfassend mindestens einen PUR- Sprühmischkopf mit definierter Sprührichtung und mindestens einem Auftragsorgan zum gerichteten Applizieren von Fasern und/oder Feststoffpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern und/oder Feststoffpartikel relativ zur Sprührichtung des PUR- Sprühmischkopfes räumlich veränderbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern und/oder Partikel relativ zur Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes bei konstanter Austrittsgeschwindigkeit der Fasern/Feststoffpartikel räumlich veränderbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Austrittsrichtung der Fasern/Partikel um die Sprührichtung des PUR-Sprühmischkopfes auf einer Kreisbahn verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel unabhängig von einer Änderung der Sprührichtung des PUR- Sprühmischkopfes in Bezug auf diese veränderbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung der Fasern/Feststoffpartikel unabhängig von einer Bewegung des PUR-Sprühmischkopfes veränderbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragsorgan direkt oder indirekt mit dem PUR-Sprühmischkopf verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Roboters oder eines Roboterarms ist.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von faser- oder partikelverstärkten Polyurethan- Verbundmaterialien.
9. Verfahren zur Herstellung von faser- oder partikelverstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien, wobei man ein PUR-Reaktivgemisch au einem Sprühkopf einerseits und Fasern/Feststoffpartikel andererseits aus einem Austrittsorgan auf ein Substrat aufsprüht, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strom der Fasern/Feststoffpartikel relativ zum Sprühstrahl des PUR-Reaktivgemisches bahngesteuert verändert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen der Austrittsrichtung der Fasern/ Partikel und der zu besprühenden Oberfläche einen Winkel w in einem Bereich von 0° < w < 90°, bevorzugt 20° < w < 70°, einstellt.
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