WO2009121615A2 - Verfahren zur herstellung eines formteils und formwerkzeug hierfür - Google Patents

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WO2009121615A2
WO2009121615A2 PCT/EP2009/002463 EP2009002463W WO2009121615A2 WO 2009121615 A2 WO2009121615 A2 WO 2009121615A2 EP 2009002463 W EP2009002463 W EP 2009002463W WO 2009121615 A2 WO2009121615 A2 WO 2009121615A2
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mold
volume
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matrix
molded part
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WO2009121615A3 (de
Inventor
Peter Gansen
Guido Hagel
Dirk Gross
Marc Herrmann
Original Assignee
Otto Bock Schaumsysteme Gmbh
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Publication date
Application filed by Otto Bock Schaumsysteme Gmbh filed Critical Otto Bock Schaumsysteme Gmbh
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Publication of WO2009121615A3 publication Critical patent/WO2009121615A3/de

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Classifications

    • 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
    • B29C44/00—Shaping by internal pressure generated in the material, e.g. swelling or foaming ; Producing porous or cellular expanded plastics articles
    • B29C44/34—Auxiliary operations
    • B29C44/58—Moulds
    • B29C44/586—Moulds with a cavity increasing in size during foaming

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fiber-reinforced molded part with a foamed matrix, preferably a hard foam molding and in particular a foam board, in a closed mold.
  • foamed articles is known as such and is carried out using various technologies. One differentiates the filling of open and closed forms.
  • the mold With the filling technique closed, the mold is filled at at least one suitable point of the mold by means of a specially designed gate or directly through the outlet tube of a mixing head.
  • the mold is completely filled in that the reacting mixture expands after filling, i. foams.
  • the mixing head is generally moved over the mold during the filling process in order to minimize the flow paths in this way.
  • the raw material mixture can be sprayed, with the mixing head also being moved above the mold surface, which now no longer has to lie.
  • a stationary addition of an injection port or mixing head may suffice, or several stationary feed points may be provided, including for the material application by spraying.
  • the closed filling technique leads to relatively long flow paths. Therefore, it is customary to fill only foamed moldings with simple geometry closed. Open are filled moldings, which would come due to the geometry of the molded part closed to long flow paths.
  • the closing of a mold takes a relatively long time, especially for large shapes because of the moving masses. Because of this, highly reactive systems can only be processed to a limited extent in open forms. Particularly short mold life is therefore usually realized in closed tools.
  • the reason for the unfavorable flow behavior of rising foams lies in the rapid increase in viscosity of the material.
  • the viscosity As the polymerization of the base material progresses, the increase in viscosity increases due to the foam, which as such has a higher viscosity than the liquid constituting it. In this way, the effect of increasing the viscosity of the reacting liquid by foaming is enhanced.
  • the reinforcing materials and inserts must then be introduced into the mold before filling the mold with the bonding matrix material, here the foam.
  • This may be tissue, e.g. from continuous fiber mats, or specially developed complex composite inserts.
  • additional core materials may be surrounded by constraints.
  • reinforcements and / or inserts may be held in place by so-called "spacers.”
  • the spacers must be porous or permeable to the matrix material intended to fill the mold.
  • fiber materials i. as reinforcing materials and optionally also as spacers, for example, glass fibers, aramid fibers, carbon fibers (carbon fibers), basalt fibers, silicate fibers, natural fibers or hybrid yarns of different fibers come into question.
  • fiber materials i. as reinforcing materials and optionally also as spacers, for example, glass fibers, aramid fibers, carbon fibers (carbon fibers), basalt fibers, silicate fibers, natural fibers or hybrid yarns of different fibers come into question.
  • core materials for sandwich constructions prefabricated inserts made of PUR foam, PVC foam or even wood are often used.
  • reinforcing fibers are used in this process, one generally speaks of R-RIM (Reinforced RIM).
  • the fibers may be admixed with a reaction component.
  • R-RIM Structure-RIM
  • S-RIM Structure-RIM
  • RTM process Resin Transfer Molding
  • inserts, core materials, spacers and reinforcements e.g. in the form of fiber mats
  • a resin-hardener mixture is introduced or sprayed into the mold via one or more injection ports.
  • the resin flow can be improved by applying vacuum to the mold.
  • Curing is typically accelerated by heating the molds.
  • resin systems e.g. Polyester, vinyl esters, epoxy resins or phenolic resins used.
  • the resins commonly used as pure binder in the RTM process do not foam.
  • reaction foaming matrix material is generally difficult to penetrate reinforcing materials and spacer mats.
  • the hereby rapidly increasing viscosity and the higher filling pressure required thereby, as well as the resulting inhomogeneities in the product present the skilled person with serious problems when filling closed molds with foams.
  • the object of the invention is to provide a respect to the aforementioned disadvantages of foaming in closed molds significantly improved manufacturing process for moldings with a foamed matrix and thereby in particular for fiber-reinforced moldings.
  • This object is achieved by a method for producing a molded part with a foamed matrix in a closed mold, in which
  • reaction mixture containing propellant for the matrix of the molding is produced in one or more steps and introduced into the cavity of the molding tool
  • reaction mixture is allowed to foam by enlarging the cavity volume
  • the molding is removed from the mold after a predetermined reaction time.
  • the reaction mixture for the matrix is preferably a rigid foam mass and the matrix is preferably formed from polystyrene or polyurethane, more preferably polyurethane.
  • the polyurethane reaction mixture can be prepared immediately prior to introduction into the cavity of the mold from the starting components in the so-called one-shot process or with the aid of prepolymers, as is familiar to the expert.
  • blowing agents are suitable as blowing agents, as they are used by the skilled person for foaming the relevant polymers (called matrix above).
  • blowing agent When working quickly in the warmth water can be provided as blowing agent or substances are used which release a gaseous propellant such as CO 2 during the reaction (the reactive formation of the matrix material in the mold).
  • a gaseous propellant such as CO 2 during the reaction (the reactive formation of the matrix material in the mold).
  • Suitable for this purpose are, for example, carbamates.
  • blowing agents are suitable for carrying out the invention. Including all types of inert gases, CO 2 , water vapor, air, nitrogen, noble gases and / or fluorocarbons, but also nitrogen oxides. Preference is also given to using those blowing agents which lead to the formation of an integral skin. These are generally liquids that have their boiling point in the room temperature range. Traditionally, chlorofluorocarbons have been used for this purpose. Today, mainly fluorocarbons such as 365mfc or 245fa or various alkanes are used, in particular while pentane is used.
  • the fiber reinforcement may be a reinforcement of organic and / or inorganic fibers, preferably carbon fibers, glass fibers or basalt fibers. Also suitable net are aramid fibers, silicate fibers, etc. These fibers are usually used in the form of woven, knitted or felt-like mats (fabric, knitted fabric, fleece).
  • spacers serve to keep the volume for the matrix material in the intended position relative to inserts and reinforcements within the later molding.
  • Loose natural fiber mats with large free spaces are often used for this purpose.
  • spacer fabrics, mats or webs on the market e.g. of viscose, cellulose, cotton, plastics or wire, or synthetic fibers, as in the example below, e.g. made of polyamide or polyester.
  • the process is not particularly limited. Rather, the core of the invention lies in the procedural feature, the cavity volume, that is, the internal volume of the mold, which is filled by the intumescent mass after reinforcements and possibly additionally spacer and other sandwich or liner materials were inserted before filling with the foaming To reduce the mass to such an extent that the initial volume of the filling material fills the mold more largely, if not almost completely, so that thereby significantly lessened flow paths are achieved during the subsequent foaming.
  • the cavity volume that is, the internal volume of the mold, which is filled by the intumescent mass after reinforcements and possibly additionally spacer and other sandwich or liner materials were inserted before filling with the foaming
  • the molded part is a plate or a cuboid.
  • other geometries are also feasible, provided that in the associated mold enlargement and reduction of the cavity during the mold part production can be performed.
  • the mold is at least two parts, wherein the volume of the cavity of the mold can be increased and decreased by moving at least one mold part relative to another.
  • a cover, a stamp or a shell can be moved, adjusted or moved relative to a fixed mold part; a lid or punch will normally be raised and lowered.
  • the lid or upper punch can optionally also be removed completely.
  • a lower tool in the form of a shell can be moved relative to a fixed lid or stamp.
  • the lower tool - the "bottom" - is first driven under the lid or punch from the side after the reinforcement has been placed in.
  • a plurality of lower tools may be present on a mold carrier, which are moved laterally, lifted and lowered in a cyclic manner.
  • the reduction in the cavity volume of the mold cavity i. of the space to be filled by the later molding so far that the volume is just the volume and dimensions of the reinforcement and possibly other inserts, more preferably the reduction is done by compression of the reinforcement. It is a slight compression, the permeability of the reinforcement for the reaction mixture - at least the not yet foamed, liquid reaction mixture - may not affect too much.
  • the reduced free volume of the cavity is less than or equal to the shot volume of the matrix mass, i. the reaction mixture.
  • the reduced free volume is not more than 20%, more preferably not more than 10% larger than the shot volume of the matrix mass.
  • the injected shot mass completely or almost completely fills the reduced volume, including possibly fine formations formed on the shape, channels, bulges, sumps and the like.
  • the reduced free volume of the cavity is understood as meaning the volume of the cavity reduced by relative movement of the one mold part, preferably the upper tool, minus the volume of the reinforcement, spacer and other inserts which is not penetrated by the matrix material (foam). This means that the shot volume of the reaction mixture can largely or completely fill the cavity and all interstices of the spacer, reinforcement and other liner mats.
  • shot or "shot volume” is understood to mean the mass or volume of the portion of the reaction mixture which is dimensioned for a molded part.
  • the enlargement of the cavity volume can be effected by the expansion of the matrix during foaming.
  • the movable mold part is guided freely movable during foaming of the matrix material, for. Example, by causing a mold lid on the foam matrix, either until the foaming has come to a standstill, or until a predetermined stop.
  • the enlargement of the cavity volume is performed up to a predetermined maximum volume and the molding dimensions are kept constant.
  • a pressure on the molding can be generated, which causes a compacted molding surface. This can be adjusted, inter alia, by adjusting the shot mass to a limited by stop end volume.
  • the enlargement of the cavity volume can be effected by controlled movement of the mold part.
  • positive or negative pressure can be temporarily generated in the cavity of the molding.
  • the pressure should preferably always be adjusted so that the present in each moment existing mold volume completely or almost completely (at least 90 or 95 vol%) is filled.
  • the various process guides allow variations in the bulk density of the product, i. of the finished molding, too.
  • the introduction of the reaction mixture for the matrix should take place in as short a time as possible.
  • the pot life or reaction time for many of the usable foam masses is between a few seconds to a few minutes (from about 1 to 20 seconds to a maximum of 5 to 10 minutes). In contrast, the foaming times are longer.
  • the introduction should take place before the viscosity is increased too much, ie in a period of up to a few minutes, preferably a few seconds, preferably less than 20 seconds, more preferably less than 10 seconds.
  • the reaction mixture for the matrix ie the freshly prepared and mixed reaction mass (matrix mass) before foaming or at the beginning of the foaming, so in the (at this time reduced) form introduced that all or much of the already in are wetted to the shape of the reinforcing fibers, preferably distributed at least over a molding cross-sectional area.
  • the mold may possibly be moved during filling, for example, rotated.
  • the mass can also, as is known, be drawn into the cavity with the aid of negative pressure.
  • a vacuum is generated in a particularly preferred embodiment in the cavity prior to introduction of the reaction mixture.
  • the vacuum is preferably applied to both end faces of the cavity; the generated negative pressure is preferably between -0.1 and -1, 0 bar, more preferably between about -0.5 to -0.7 bar.
  • the reaction mixture is introduced into the under-pressure cavity and the Vakuumansaugö Stammen be closed.
  • the volume has been reduced to such an extent that the initial mass practically fills this reduced volume, it goes without saying that the reinforcing fibers as a whole are also wetted.
  • the degree of reduction is lower so that the initial reactive matrix mass distributes only in the mold but does not fill it, it is advantageous if the mass initially distributes as evenly as possible along the dimension with the greatest linear expansion, e.g. over the largest possible part cross section, so that the flow paths, which still have to be covered during foaming and then with steadily increasing viscosity, are as small as possible.
  • the inventive reduction of the cavity, or the volume of the cavity has the advantage that significantly less propellant must be used than in conventional methods, since the flow path in the method according to the invention carried out in this way is only equal to the buoyancy measure. Even with a smaller shot volume, the cavity is always wider and more uniformly distributed between reinforcement and spacer mats after a reduction in the cavity volume compared to the final molding volume as without cavity reduction.
  • Another advantage of the invention is that a lower mold internal pressure is produced than in conventional methods, which allows a more favorable design of the sealing surfaces in the tool. Because of the lower internal mold pressure, lower amounts of blowing agent can be used in the formulation. This leads to cheaper and process-safe raw material systems.
  • the mold is separated and the reinforcing material shaped as desired is placed in the mold, or a mold part, e.g. as reinforcements one or more mats or fleeces, and optionally further structuring materials, such as e.g. various core and composite materials.
  • the mold is closed and, if necessary, set up for volume reduction and subsequent enlargement.
  • the volume of the tool cavity is reduced, e.g. via the immersion depth of the upper tool in the form of a lid or stamp.
  • a vacuum is now applied to the cavity.
  • the reactive matrix material is introduced or injected via at least one attachment or mixing head.
  • the feeder and, if necessary, the vacuum nozzles are closed.
  • the mold cavity i. their cavity volume is increased as desired during the reaction and foaming of the matrix material, e.g. by the increase in volume of the matrix mass even with pressure-free held upper tool.
  • the mold is opened and removed the molding.
  • the mold itself is integrated into a system as known as such.
  • the system may additionally contain storage tanks, work containers, metering units, mixing units, mold carriers with one or more tools and associated closing units, heaters and more, as appropriate.
  • storage tanks work containers, metering units, mixing units, mold carriers with one or more tools and associated closing units, heaters and more, as appropriate.
  • tools and associated closing units heaters and more, as appropriate.
  • stationary systems are common, with smaller parts can be worked intermittently intermittently on moving carriers. This is known to the person skilled in the art and therefore does not need to be carried out separately.
  • the invention therefore also includes a mold for casting, preferably the pressure foam casting (RIM, or S-RIM) in a closed form.
  • This molding tool has a cavity which determines the volume and the shape of the molded part, and at least two mold parts which are movable relative to one another and which form this cavity, for example a trough and a lid or punch movable relative thereto or also two shells which one can be stationary.
  • the mold is set up so that the volume of the cavity can be reduced by a relative movement of the mold parts to each other up to a fraction of the later part volume and can be increased with filled cavity except for the molding volume.
  • a stop is arranged on the mold which limits the maximum volume of capacity.
  • a control can be assigned to the mold with which the enlargement and reduction of the cavity volume can be controlled or regulated.
  • Figure 1 shows the opened mold with inserted reinforcement.
  • FIG. 3 the closed mold after reaching the Endformzeit with enlarged cavity.
  • the molding tool 10 as a whole is first opened, ie the cover or the molding tool top 1 is raised to such an extent that the reinforcing and spacing mats 20 in the desired composition and order into the lower tool or the molding tool -Schteil 2 can be inserted.
  • the lid could be completely removed.
  • the mold 10 has side guides 3, which limit the movement of the lid laterally.
  • the volume of loosely laid mats 20 is greater than the cavity volume and thus also as the later molding volume. These mats are therefore compressed in the course of the further process.
  • the method basically also runs when the mats do not fill the lower mold part 2.
  • Figure 2 shows the shape after the lid 1 has already been lowered and closed.
  • the cavity volume was reduced compared to the final volume of the finished molded part and the mats were compressed.
  • the stops 4 were brought into position, which can for example be extended or swung out of the side guide or clamped to this.
  • the reaction mixture for the matrix material of the plate i. preferably the rigid polyurethane foam mass, introduced through the central sprue 5 in the reduced cavity 6 of the mold.
  • the foaming polyurethane matrix mass drives the lid 1 upwards, up to the stops 4, which serve as lift limit.
  • the cover 1 abuts against the stops and lift boundaries 4, so that the maximum volume of the cavity 6 is reached, and the cavity now determines the final size and shape of the molding.
  • the buoyant height and the initial reduction of the cavity volume is chosen so that the shot volume of the reaction mixture practically fills the reduced cavity 6 and the maximum cavity volume is reached when the foaming process is practically completed.
  • the lowering and raising of the lid 1 relative to the lower part 2 can also be controlled. The operated via a controlled actuator lid would start up to a respective predetermined end point and optionally also lowered. A separate stop may then be unnecessary.
  • Width 350 mm
  • polyamide mats ENKA® GmbH
  • each 15 mm spacer mat core plate 1 mat of basalt roving fabric 550 g / m 2 , 1mm - reinforcement mat
  • 1 polyamide mat ENKA® GmbH
  • 3 mm spacer mat plate surface 1 polyamide mat (ENKA® GmbH), 3 mm spacer mat plate surface.
  • Polyamide nylon ®
  • the spacer mats serve to keep the volume for the matrix material in the intended position relative to inserts and reinforcements within the later molded part.
  • polyamide mats were namely commercial Enka®matten Nylon ® used.
  • a basaltroving mat was chosen in this example. It is a web of basalt continuous fibers (roving)
  • the matrix mass was a conventional rigid polyurethane foam mass.
  • the basic tool had a rectangular cavity for a plate with the dimensions 1350 x 350 x 19.
  • the cavity was formed by a trough-shaped or cup-shaped lower tool with the aforementioned tub dimensions and a flat lid as an upper tool.
  • the lid has been reinforced so that the cavity height is at full, i. positively closed lid reduced from 19 to 10 mm.
  • the pre-compaction of the inserted mats with the aid of the tool lid was carried out with forceps to a height of 11 mm with a residual volume of 5.11 liters.
  • the cavity designed with the reinforcement and spacer mats was almost completely filled.
  • the shot mass was thus adjusted so that the shot volume, i. the volume of the not yet foamed and reacted reaction mass, or matrix mass, was only slightly smaller than the cavity volume minus the volume losses through the mats.
  • reaction mass here the polyurethane
  • the reaction mass has significantly shorter flow paths; the flow path is only the lift height.
  • the relaxed after filling the mixture lid drives through the reacting mixture to the height stop.

Landscapes

  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Formteils mit aufgeschäumter Matrix und ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Formwerkzeug vorgestellt, bei dem sich in einer geschlossenen Form das Matrixmaterial gleichmäßig verteilt, so dass während des Aufschäumens kurze Fließwege erreichbar sind. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: - eine Verstärkung wird in die Kavität (6) des Formwerkzeugs eingebracht, - das Kavitätsvolumen der Form wird auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens verkleinert, - es wird ein Treibmittel enthaltendes Reaktionsgemisch für die Matrix des Formteils in einem oder mehreren Schritten hergestellt und in die Kavität (6) des Formwerkzeugs (10) eingebracht, - das Reaktionsgemisch wird unter Vergrößerung des Kavitätsvolumens aufschäumen gelassen, - das Formteil wird nach vorbestimmter Reaktionszeit entformt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Formteils und Formwerkzeug hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Formteils mit aufgeschäumter Matrix, vorzugsweise eines Hartschaumformteils und insbesondere einer Hartschaumplatte, in einer geschlossenen Form.
Die Herstellung geschäumter Formkörper ist als solches bekannt und wird mit verschiede- nen Technologien durchgeführt. Man unterscheidet die Befüllung von offenen und geschlossenen Formen.
Bei geschlossener Fülltechnik wird die Form an wenigstens einem geeigneten Punkt der Form mittels eines speziell konstruierten Angusses oder direkt durch das Auslaufrohr ei- nes Mischkopfes befüllt. Die Form wird vollständig ausgefüllt, indem das reagierende Gemisch sich nach dem Füllen ausdehnt, d.h. aufschäumt.
Bei der offenen Befüllung wird im Allgemeinen der Mischkopf während des Füllvorgangs über der Form bewegt, um auf diese Weise die Fließwege möglichst gering zu halten. Al- ternativ kann das Rohstoffgemisch gesprüht werden, wobei ebenso der Mischkopf auch über der Formenoberfläche, die nun nicht mehr liegen muss, bewegt wird. Gerade bei kleineren Formen genügt unter Umständen eine stationäre Zugabe von einem Injektionsport oder Mischkopf aus, oder es können mehrere stationäre Zuführpunkte, auch für die Materialaufgabe durch Sprühen, vorgesehen werden.
Die geschlossene Fülltechnik führt zu relativ langen Fließwegen. Deswegen ist es üblich, nur geschäumte Formteile mit einfacher Geometrie geschlossen zu füllen. Offen werden Formteile befüllt, bei denen es aufgrund der Formteilgeometrie geschlossen zu langen Fließwegen käme. Das Schließen einer Form dauert jedoch insbesondere bei großen Formen wegen der bewegten Massen relativ lange. Deswegen können hochreaktive Systeme nur bedingt in offenen Formen verarbeitet werden. Besonders kurze Formenstandzeiten werden daher meist in geschlossenen Werkzeugen realisiert.
Der Grund für das ungünstige Fließverhalten von aufsteigenden Schaumstoffen liegt in dem rasanten Viskositätsanstieg des Materials. Hierbei überlagern sich der Viskositätsan- stieg bei fortschreitender Polymerisation des Grundmaterials mit dem Viskositätsanstieg durch den Schaum, der als solches eine höhere Viskosität als die ihn konstituierende Flüssigkeit besitzt. Auf diese Weise wird der Effekt des Viskositätsanstiegs der reagierenden Flüssigkeit durch die Schaumbildung verstärkt.
Dies hat in der Praxis konkrete Auswirkungen. Befüllt man eine Form geschlossen, so wird zur vollständigen Befüllung mehr Material benötigt, als wenn man diese Form offen befüllt. Mit anderen Worten lassen sich mit offenen Formen niedrigere Rohdichten realisieren.
Besonders kompliziert wird die Situation, wenn Verbundwerkstoffe, insbesondere faserverstärkte Formteile und Formteile in Sandwich-Bauweise hergestellt werden sollen. Die Verstärkungsmaterialien und Einlagen müssen dann vor dem Befüllen der Form mit dem verbindenden Matrixmaterial, hier dem Schaum, in die Form eingebracht werden. Dabei kann es sich um Gewebe, z.B. aus Endlosfasermatten, oder speziell entwickelte komplexe Verbundeinlagen handeln. Auch können zusätzliche Kernwerkstoffe von Auflagen umgeben sein. Ferner können Verstärkungen und/oder Einlagen durch sogenannte „Spacer" in der richtigen Position innerhalb der Form gehalten werden. Die Spacer müssen porös oder durchlässig für das für die Befüllung der Form vorgesehene Matrixmaterial sein.
Als Faserwerkstoffe, d.h. als Verstärkungsmaterialien und gegebenenfalls auch als Abstandshalter, kommen zum Beispiel Glasfasern, Aramidfasern, Kohlefasern (Carbonfasern), Basaltfasern, Silikatfasern, Naturfasern oder Hybridgarne aus verschiedenen Fasern in Frage. Als Kernwerkstoffe für Sandwich-Konstruktionen werden häufig vorgefertigte Einlagen aus PUR-Schaum, PVC-Schaum oder auch Holz verwendet.
Die Verwendung von Verstärkungen und Einlagen in auszuschäumenden Formen ist grundsätzlich sowohl für das Niederdruckverfahren - dann bei langsam ausreagierenden Systemen - wie auch für das Einschießen hochreaktiver, schnell ausreagierender Systeme möglich. Die Beherrschung hochreaktiver Schaum- und Massivsysteme, deren Form- zeiten im Minutenbereich bis zu unter einer Sekunde liegen können, gelingt mit dem sogenannten Reaktionsschaumguss (RSG) oder „Reaction Injection Molding" (RIM).
Sofern bei diesem Verfahren Verstärkungsfasern verwendet werden, spricht man allgemein von R-RIM (Reinforced RIM). Die Fasern können dabei einer Reaktionskomponente beigemischt sein. Für den spezielleren Fall, dass die Verstärkungen strukturiert, z.B. in Form von Matten oder anderen strukturierten Verstärkungsgebilden, eingebracht werden, spricht man auch von S-RIM (Structural RIM)
Eine weitere bekannte Technologie zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Faserver- tärkungen ist das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Zunächst werden Einlagen, Kernmaterialien, Spacer und Verstärkungen, z.B. in Form von Fasermatten, in die Form eingebracht und die Form wird geschlossen. Danach wird ein Harz-Härter-Gemisch über ein oder mehrere Injektionsports in die Form eingeführt bzw. gesprüht. Der Harzfluss kann verbessert werden, indem Vakuum an die Form angelegt wird. Die Aushärtung wird typi- scherweise durch ein Beheizen der Formen beschleunigt. Als Harzsysteme werden z.B. Polyester, Vinylester, Epoxidharze oder Phenolharze verwendet. Die beim RTM-Verfahren gewöhnlich als reines Bindemittel verwendeten Harze schäumen jedoch nicht auf.
Ein bei Reaktion aufschäumendes Matrixmaterial kann Verstärkungsmaterialien und Spacermatten jedoch im Allgemeinen nur noch schwer durchdringen. Die hierbei sprunghaft ansteigende Viskosität und der damit erforderliche höhere Fülldruck, wie auch dadurch sich ergebende Inhomogenitäten im Produkt stellen den Fachmann vor ernsthafte Probleme beim Befüllen geschlossener Formen mit Schäumen.
Ein Verfahren, bei dem sich in einer geschlossenen Form das Matrixmaterial gleichmäßig verteilt, so dass während des Aufschäumens kurze Fließwege erreichbar sind, wäre ein nennenswerter technischer Fortschritt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein bezüglich der vorgenannten Nachteile beim Schäumen in geschlossenen Formen deutlich verbessertes Herstellungsverfahren für Formteile mit aufgeschäumter Matrix und dabei insbesondere für faserverstärkte Formteile zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit aufgeschäumter Matrix in einem geschlossenen Formwerkzeug, bei welchem
- die für das faserverstärkte Formteil vorgesehene Verstärkung - und gegebenenfalls zusätzliche Einlagen, Kernwerkstoffe und/oder Spacer - in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht wird, - das Kavitätsvolumen der Form auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens ver- kleinert wird,
- ein Treibmittel enthaltendes Reaktionsgemisch für die Matrix des Formteils in einem oder mehreren Schritten hergestellt und in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht wird,
- das Reaktionsgemisch unter Vergrößerung des Kavitätsvolumens aufschäumen gelas- sen wird und
- das Formteil nach vorbestimmter Reaktionszeit entformt wird.
Das Reaktionsgemisch für die Matrix ist vorzugsweise eine Hartschaummasse und die Matrix wird vorzugsweise aus Polystyrol oder Polyurethan gebildet, besonders bevorzugt ist Polyurethan. Dabei kann das Polyurethan-Reaktionsgemisch unmittelbar vor dem Einbringen in die Kavität des Formwerkzeugs aus den Ausgangskomponenten im sogenannten one-shot-Verfahren oder mit Hilfe von Prepolymeren hergestellt werden, wie dies dem Fachmann geläufig ist.
Grundsätzlich sind als Treibmittel alle gängigen physikalischen oder chemischen Treibmittel geeignet, wie sie vom Fachmann zum Schäumen der betreffenden Polymere (vorstehend Matrix genannt) verwendet werden.
Beim schnellen Arbeiten in der Wärme kann als Treibmittel Wasser vorgesehen sein, oder es kommen Stoffe zum Einsatz, die während der Reaktion (der reaktiven Bildung des Matrixmaterials in der Form) ein gasförmiges Treibmittel wie zum Beispiel CO2 abgeben. Geeignet hierfür sind beispielsweise Carbamate.
Ferner sind alle üblichen physikalischen Treibmittel für die Durchführung der Erfindung geeignet. U.a. alle Arten inerter Gase, CO2, Wasserdampf, Luft, Stickstoff, Edelgase und/oder Fluorkohlenwasserstoffe, aber auch Stickoxide. Bevorzugt werden auch solche Treibmittel eingesetzt, die zur Ausbildung einer integralen Haut führen. Dies sind im Allgemeinen Flüssigkeiten, die ihren Siedpunkt im Bereich Raumtemperatur haben. Traditionell wurden dafür Chlorfluor-Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Heute werden vorwiegend Fluorkohlenwasserstoffe wie 365mfc oder 245fa oder auch verschiedene Alkane zum Einsatz gebracht, insbesondere wird dabei Pentan genutzt.
Die Faserverstärkung kann eine Verstärkung aus organischen und/oder anorganischen Fasern, vorzugsweise Karbonfasern, Glasfasern oder Basaltfasern sein. Ebenfalls geeig- net sind Aramidfasern, Silikatfasern u.a.m.. Diese Fasern werden üblicherweise in Form von gewebten, gewirkten oder filzartigen Matten verwendet (Gewebe, Gewirk, Vlies).
Die Spacer (meist Abstandsmatten oder Abstandsgewirke) dienen dazu, das Volumen für das Matrixmaterial an der vorgesehenen Position relativ zu Einlagen und Verstärkungen innerhalb des späteren Formteils freizuhalten. Hierfür werden häufig lockere Naturfasermatten mit großen freien Zwischenräumen verwendet. Es gibt am Markt zahlreiche bekannte Abstandsgewirke, -matten oder -vliese, z.B. aus Viskose, Zellulose, Baumwolle, Kunststoffen oder Draht, oder aus Kunstfasern, wie unten im Beispiel, z.B. aus Polyamid oder Polyester.
Bezüglich der Werkstoffe, Verstärkungsfasern und der Chemie der Martrixmaterialien ist das Verfahren keinen besonderen Beschränkungen unterworfen. Der Kern der Erfindung liegt vielmehr in dem verfahrenstechnischen Merkmal, das Kavitätsvolumen, das heißt das Innenvolumen der Form, welches durch die aufschäumende Masse ausgefüllt wird nachdem Verstärkungen und ggf. zusätzlich Spacer und weitere Sandwich- oder Einlagematerialien eingelegt wurden, vor dem Befüllen mit der aufzuschäumenden Masse soweit zu verkleinern, dass das Anfangsvolumen des Füllmaterials die Form weitgehender, wenn nicht fast vollständig, ausfüllt, so dass dadurch beim anschließenden Aufschäumen deut- lieh verringerte Fließwege erzielt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil eine Platte oder ein Quader ist. Auch andere Geometrien sind jedoch realisierbar, sofern bei dem zugehörigen Formwerkzeug eine Vergrößerung und Verkleinerung der Kavität während der Form- teilherstellung durchgeführt werden kann.
Generell ist das Formwerkzeug wenigstens zweiteilig, wobei das Volumen der Kavität der Form durch bewegen wenigstens eines Formwerkzeugteils relativ zu einem anderen vergrößert und verkleinert werden kann. Praktisch kann hierfür beispielsweise ein Deckel, ein Stempel oder eine Schale relativ zu einem fixierten Formwerkzeugteil bewegt, verstellt oder verfahren werden; ein Deckel oder Oberstempel wird im Normalfall angehoben und abgesenkt. Für das leichtere Einführen der Verstärkung kann der Deckel oder Oberstempel wahlweise auch ganz abgenommen werden. Eine andere Variante besteht darin, den Deckel zunächst horizontal verfahrbar und dann zusätzlich aufklappbar zu gestalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch ein Unterwerkzeug in Form einer Schale relativ zu einem feststehenden Deckel oder Stempel verfahren werden. Dabei wird vorzugsweise das Unterwerkzeug - der „Boden" - zunächst von der Seite unter den Deckel oder Stempel gefahren, nachdem die Verstärkung eingelegt wurde. Wenn das Unterwerkzeug unter dem Deckel oder Stempel richtig positioniert wurde, wird es in Richtung Deckel angehoben, und zwar soweit, bis das verkleinerte Volumen erzeugt wurde. Der Boden kann nun entweder gesteuert während des Schäumens nach unten bewegt oder durch den Schäumvorgang nach unten gedrückt werden, wie oben grundsätzlich schon beschrieben. Durch weiteres absenken des Bodens kann nun die Form getrennt und das Formteil entnommen werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können mehrere Unterwerkzeuge auf einem Formträger vorhanden sein, die taktweise seitlich verfahren, angehoben und abgesenkt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Verkleinerung des Kavitätsvolumens der Formteilkavität, d.h. des Raums, der durch das spätere Formteil ausgefüllt wird, so weit, dass das Volumen gerade dem Volumen und den Ausmaßen der Verstärkung und ggf. anderer Einlagen entspricht, weiter vorzugsweise erfolgt die Verkleinerung unter Kompression der Verstärkung. Dabei handelt es sich um eine leichte Kompression, die die Permeabilität der Verstärkung für das Reaktionsgemisch - zumindest das noch nicht aufgeschäumte, flüssige Reaktionsgemisch - nicht zu sehr beeinträchtigen darf.
In bevorzugter Ausführungsform ist das verkleinerte freie Volumen der Kavität wenig größer oder gleich dem Schussvolumen der Matrixmasse, d.h. des Reaktionsgemisches. Vorzugsweise ist das verkleinerte freie Volumen um nicht mehr als 20 %, weiter vorzugs- weise nicht mehr als 10 % größer als das Schussvolumen der Matrixmasse. Auf diese
Weise füllt die injizierte Schussmasse das verkleinerte Volumen ganz oder fast vollständig aus, einschließlich womöglich an der Form gebildeter feiner Strukturierungen, Kanäle, Ausbuchtungen, Aussackungen und dergleichen. Unter dem verkleinerten freien Volumen der Kavität wird dabei das durch Relativbewegung des einen Formwerkzeugteils, vor- zugsweise des Oberwerkzeugs, verkleinerte Volumen der Kavität abzüglich des vom Matrixmaterial (Schaum) nicht durchdringlichen Volumens der Verstärkung, Spacer und sonstigen Einlagen verstanden. Dies bedeutet, dass das Schussvolumen des Reaktionsgemisches die Kavität und alle Zwischenräume der Abstands-, Verstärkungs- und sonstigen Einlagematten weitgehend oder vollständig ausfüllen kann. Dies zwingt die Masse vor dem Aufschäumen oder zumindest im Anfangsstadium des Aufschäumens an jeden Ort der Kavität, so dass die gleichmäßige Verteilung der Schussmasse in einer größeren Kavi- tät, die bei herkömmlichen Verfahren dem Volumen des späteren Formteils entspräche, kein Problem mehr darstellt. Unter Schussmasse, bzw. Schussvolumen versteht man Masse bzw. Volumen der für ein Formteil bemessenen Portion des Reaktionsgemisches.
Für die anschließende Vergrößerung des Kavitätsvolumens bis auf das Volumen des späteren Formteils ergeben sich mehrere Verfahrensvarianten:
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Vergrößerung des Kavitätsvolumens durch die Expansion der Matrix beim Aufschäumen bewirkt werden. Hierfür wird das bewegliche Formwerkzeugteil beim Aufschäumen des Matrixmaterials frei beweglich geführt, z. B. indem man einen Formwerkzeug-Deckel auf der Schaummatrix auftreiben lässt, und zwar entweder bis der Aufschäumvorgang zum erliegen gekommen ist, oder bis zu einem vorher bestimmten Anschlag. Die Vergrößerung des Kavitätsvolumens wird bis zu einem vor- bestimmten maximalen Volumen geführt und die Formteilabmessungen werden konstant gehalten. Zum Ende des Aufschäumvorgangs kann ein Druck auf das Formteil erzeugt werden, der eine verdichtete Formteiloberfläche bewirkt. Dies ist unter anderem durch Abstimmung der Schussmasse auf ein durch Anschlag begrenztes Endvolumen einstellbar.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Vergrößerung des Kavitätsvolumens durch gesteuertes Bewegen des Formwerkzeugteils bewirkt werden. Hierbei kann in der Kavität des Formteils zeitweise positiver oder negativer Druck erzeugt werden. Der Druck sollte vorzugsweise immer so eingestellt werden, dass das im jeweiligen Moment vorhandene Formvolumen vollständig oder fast vollständig (zu wenigstens 90 oder 95 Vol-%) ausgefüllt wird. Die verschiedenen Verfahrensführungen lassen Variationsmöglichkeiten bei der Rohdichte des Produkts, d.h. des fertigen Formteils, zu.
Das Einbringen des Reaktionsgemisches für die Matrix sollte in einem möglichst kurzen Zeitraum erfolgen. Die Topfzeit oder Reaktionszeit liegt für viele der verwendbaren Schaummassen zwischen einigen Sekunden bis zu einigen Minuten (von ca. 1 bis 20 Sekunden bis maximal 5 bis 10 Minuten). Die Aufschäumzeiten sind demgegenüber länger. Das Einbringen sollte vor zu starker Viskositätserhöhung erfolgen, d.h. in einem Zeitraum bis zu wenigen Minuten, vorzugsweise wenigen Sekunden, vorzugsweise unter 20 Sekunden, weiter vorzugsweise unter 10 Sekunden. In Weiterbildung der Erfindung wird das Reaktionsgemisch für die Matrix, d.h. die frisch angesetzte und gemischte Reaktionsmasse (Matrixmasse) vor dem Aufschäumen bzw. anfangs des Aufschäumens, so in die (zu diesem Zeitpunkt verkleinerte) Form eingebracht, dass alle oder ein Großteil der bereits in der Form befindlichen Verstärkungsfasern benetzt werden, und zwar vorzugsweise wenigstens über eine Formteilquerschnittsfläche verteilt. Bei kleinen Formteilen kann das Formwerkzeug während des Befüllens ggf. bewegt, z.B. gedreht werden. Die Masse kann auch, wie an sich bekannt, mit Hilfe von Unterdruck in die Kavität eingezogen werden.
Hierfür wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in der Kavität vor Einbringen des Reaktionsgemisches ein Vakuum erzeugt. Für ein plattenförmiges oder sonst langgestrecktes Formteil wird das Vakuum vorzugsweise an beiden Stirnseiten der Kavität angelegt; der erzeugte Unterdruck liegt dabei vorzugsweise zwischen -0,1 und -1 ,0 bar, weiter vorzugsweise zwischen ca. -0,5 bis -0,7 bar. Anschließend wird das Reaktionsgemisch in die mit Unterdruck beaufschlagte Kavität eingebracht und die Vakuumansaugöffnungen werden verschlossen.
Wenn das Volumen, wie oben beschrieben, soweit verkleinert wurde, dass die initiale Masse dieses verkleinerte Volumen praktisch ausfüllt, werden selbstverständlich auch die Verstärkungsfasern insgesamt benetzt. Ist jedoch der Verkleinerungsgrad geringer, so dass die initiale, reaktionsfähige Matrixmasse sich lediglich in der Form verteilt, ohne diese jedoch auszufüllen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Masse zunächst möglichst gleichmäßig entlang der Dimension mit der größten Längenausdehnung verteilt, z.B. über einen möglichst großen Formteilquerschnitt, damit die Fließwege, die beim Aufschäumen und mit dann stetig steigender Viskosität noch zurückgelegt werden müssen, möglichst klein sind.
Die erfindungsgemäße Verkleinerung der Kavität, bzw. des Volumens der Kavität, hat den Vorteil, dass deutlich weniger Treibmittel eingesetzt werden muss als bei herkömmlichen Verfahren, da der Fließweg bei dem in dieser Weise durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren lediglich gleich dem Auftriebsmaß ist. Auch bei geringerem Schussvolumen wird die Kavität nach einer Verringerung des Kavitätsvolumens im Vergleich zum Formteil- Endvolumen immer breiter und gleichmäßiger zwischen Verstärkung und Abstandsmatten verteilt als ohne Kavitätsverkleinerung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein geringerer Formeninnendruck entsteht als bei herkömmlichen Verfahren, was eine günstigere Gestaltung der Dichtflächen im Werkzeug erlaubt. Wegen des geringeren Forminnendrucks können geringere Treibmittelmengen in der Formulierung eingesetzt werden. Dies führt zu preiswerteren und prozesssicheren Rohstoff Systemen.
Die prinzipielle Abfolge der Verfahrensschritte in der Praxis ist folgendermaßen:
Zunächst wird das Formwerkzeug eingetrennt und das wie gewünscht geformte Verstär- kungsmaterial wird in die Form, bzw. ein Formwerkzeugteil, eingelegt, z.B. als Verstärkung ein oder mehrere Matten oder Vliese, und ggf. weitere strukturgebende Werkstoffe, wie z.B. verschiedene Kern- und Verbundwerkstoffe. Die Form wird geschlossen und, falls erforderlich, für die Volumenverkleinerung und anschließende -Vergrößerung eingerichtet. Das Volumen der Werkzeugkavität wird reduziert, z.B. über die Eintauchtiefe des Ober- Werkzeugs in Form eines Deckels oder Stempels. .Falls gewünscht, wird jetzt ein Vakuum an die Kavität angelegt. Danach wird die reaktive Matrixmasse über wenigstens einen An- guss oder Mischkopf eingetragen, bzw. eingeschossen. Die Zuführung und ggf. die Vakuumstutzen werden verschlossen. Dann wird die Formwerkzeugkavität, d.h. deren Kavitäts- volumen, während der Reaktion und des Aufschäumens des Matrixmaterials wie ge- wünscht vergrößert, z.B. durch die Volumenvergrößerung der Matrixmasse selbst bei druckfrei gehaltenem Oberwerkzeug. Nach Erreichen der Endformzeit wird das Formwerkzeug geöffnet und das Formteil entnommen.
Zur Durchführung des Verfahrens ist das Formwerkzeug selbst wie als solches bekannt in eine Anlage eingebunden. Die Anlage kann zusätzlich Lagertanks, Arbeitsbehälter, Dosieraggregate, Mischeinheiten, Formenträger mit jeweils ein oder mehreren Werkzeugen und zugehörigen Schließeinheiten, Heizvorrichtungen und anderes mehr enthalten, jeweils soweit erforderlich. Bei großen Teilen, wie z.B. Platten, sind stationäre Anlagen üblich, bei kleineren Teilen kann diskontinuierlich taktweise auf bewegten Trägern gearbeitet werden. Dies ist dem Fachmann bekannt und braucht daher nicht gesondert ausgeführt zu werden.
Wesentlich für die Erfindung ist das neue Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens. Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Erfindung daher auch ein Formwerkzeug für den Guss, vorzugsweise den Druckschaumguss (RIM, bzw. S-RIM) in geschlossener Form. Dieses erfindungsgemäße Formwerkzeug besitzt eine Kavität, die das Volumen und die Form des gegossenen Formteils bestimmt, und wenigstens zwei relativ zueinander be- wegliche Formwerkzeugteile, die diese Kavität bilden, beispielsweise eine Wanne und einen relativ hierzu beweglichen Deckel oder Stempel oder auch zwei Schalen, von denen die eine stationär sein kann. Dabei ist das Formwerkzeug so eingerichtet, dass durch eine relative Bewegung der Formwerkzeugteile zueinander das Volumen der Kavität bis auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens verkleinert und bei befüllter Kavität bis auf das Formteilvolumen vergrößert werden kann.
Vorzugsweise ist an dem Formwerkzeug ein Anschlag angeordnet, der das maximale Ka- vitätsvolumen begrenzt.
In Weiterbildung der Erfindung kann dem Formwerkzeug eine Steuerung zugeordnet sein, mit der die Vergrößerung und Verkleinerung des Kavitätsvolumens Steuer- oder regelbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dies dient allein der Illustration und zum besseren Verständnis der Erfindung und beschränkt nicht die vorausgegangene allgemeine Beschreibung bezüglich der möglichen Ausgestaltungen der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 das geöffnete Formwerkzeug mit eingelegter Verstärkung;
Fig. 2 das geschlossene Formwerkzeug mit verkleinerter Kavität vor
Einbringen der Gussmasse;
Fig. 3 das geschlossene Formwerkzeug nach Erreichen der Endformzeit mit vergrößerter Kavität. Wie in Figur 1 gezeigt, wird das im Ganzen mit 10 bezeichnete Formwerkzeug zunächst geöffnet, d.h. der Deckel oder das Formwerkzeug-Oberteil 1 wird soweit angehoben, dass die Verstärkungs- und Abstandsmatten 20 in der gewünschten Zusammenstellung und Reihenfolge in das Unterwerkzeug bzw. das Formwerkzeug-Unterteil 2 eingelegt werden können. Alternativ könnte der Deckel, anders als hier gezeigt, ganz abgenommen werden. In der Zeichnung nicht dargestellt sind die hier hinter der Zeichnungsebene liegenden höhenverstellbaren Scharniere des Deckels und die zum Schließen der Form verwendeten Klammern und Spanner. Das Formwerkzeug 10 besitzt Seitenführungen 3, die die Bewegung des Deckels seitlich begrenzen. In diesem Beispiel ist das Volumen der locker einge- legten Matten 20 größer als das Kavitätsvolumen und damit auch als das spätere Formteilvolumen. Diese Matten werden daher im Verlauf des weiteren Verfahrens komprimiert. Das Verfahren verläuft jedoch grundsätzlich ebenso, wenn die Matten das Formwerkzeug- Unterteil 2 nicht ausfüllen.
Figur 2 zeigt die Form, nachdem der Deckel 1 bereits abgesenkt und geschlossen wurde. Dabei wurde das Kavitätsvolumen gegenüber dem Endvolumen des fertiggestellten Formteils verkleinert und die Matten wurden komprimiert. Nach Absenken des Deckels 1 wurden die Anschläge 4 in Position gebracht, die beispielsweise aus der Seitenführung ausgefahren oder ausgeschwenkt oder an diese angeklemmt werden können. Nun wird das Reaktionsgemisch für das Matrixmaterial der Platte, d.h. vorzugsweise die Polyurethan- Hartschaummasse, durch den zentralen Anguss 5 in die verkleinerte Kavität 6 der Form eingebracht.
Wie nun in Figur 3 gezeigt, treibt die aufschäumende Polyurethan-Matrixmasse den De- ekel 1 nach oben, und zwar bis zu den Anschlägen 4, die als Auftriebsbegrenzung dienen. Wenn der Deckel 1 an die Anschläge und Auftriebsbegrenzungen 4 anschlägt, ist damit das Maximalvolumen der Kavität 6 erreicht, und die Kavität bestimmt nun die endgültige Größe und Form des Formteils. Je nach Einstellung des Reaktionsgemisches und insbesondere der Treibmittelmenge kann dabei eine mehr oder weniger verdichtete Formteil- Oberfläche entstehen. In diesem Beispiel ist die Auftriebshöhe und die anfängliche Verkleinerung des Kavitätsvolumens so gewählt, dass das Schussvolumen des Reaktionsgemisches die verkleinerte Kavität 6 praktisch ausfüllt und das maximale Kavitätsvolumen erreicht wird, wenn der Aufschäumvorgang praktisch abgeschlossen ist. Alternativ kann das Absenken und Anheben des Deckels 1 relativ zum Unterteil 2 auch gesteuert erfolgen. Der über einen gesteuerten Stellmotor betätigte Deckel würde bis zu einem jeweils vorbestimmten Endpunkt hochgefahren und gegebenenfalls auch abgesenkt. Ein gesonderter Anschlag kann sich dann erübrigen.
BEISPIEL
Für die Herstellung einer basaltfaserverstärkten Polyurethan-Hartschaumplatte mit einem angestrebten Raumgewicht von 400 ± 50 kg/m3, inklusive aller Gewebeeinlagen, wurde ein Aluminium-Werkzeug mit den nachfolgenden Spezifikationen verwendet, das über einen zentralen Anguss im Oberdeckel verfügte. Der Deckel, d.h. das Oberwerkzeug besaß entlang einer seiner Kanten höhenverstellbar einstellbare Scharniere und gegenüber von diesen Scharnieren Verschlussklammern, hier in Form von Spannern der Firma DE-STA- CO®.
Formwerkzeug- und Beispielspezifikationen:
Länge: 1350 mm
Breite : 350 mm
Höhe bei Max.Volumen: 19 mm
Höhe bei Min.Volumen: 11 mm
Werkzeug Temp: 60 0C
Einschussgewicht: 2700 g
Gewicht der
Gewebeeinlage: 985 g
Formteilgewicht: 3695 g
Austragsleistung: 400 g/sec
Für die Gewebeeinlage wurden folgende Matten übereinandergelegt:
1 Polyamidmatte (Fa. ENKA® GmbH), 3 mm - Abstandsmatte Plattenoberfläche;
1 Matte aus Basaltroving -Gewebe 550 g/m2, 1 mm - Verstärkungsmatte;
2 Polyamidmatten (Fa. ENKA® GmbH), je 15 mm - Abstandsmatte Plattenkern; 1 Matte aus Basaltroving-Gewebe 550 g/m2, 1mm - Verstärkungsmatte; 1 Polyamidmatte (Fa. ENKA® GmbH), 3 mm - Abstandsmatte Plattenoberfläche. (Polyamid = Nylon®) Die Abstandsmatten dienen dazu, das Volumen für das Matrixmaterial an der vorgesehenen Position relativ zu Einlagen und Verstärkungen innerhalb des späteren Formteils freizuhalten. Hier wurden Polyamidmatten, nämlich im Handel erhältliche Enka®matten aus Nylon®, verwendet.
Für die Verstärkung wurde in diesem Beispiel eine Basaltrovingmatte gewählt. Es handelt sich dabei um ein Gewebe aus Basaltendlosfasern (Roving)
Die Matrixmasse war eine konventionelle Polyurethan-Hartschaummasse.
Das Grundwerkzeug besaß eine quaderförmige Kavität für eine Platte mit den Kavitäts- maßen 1350 x 350 x 19. Die Kavität wurde durch ein wannenförmiges oder schalenförmiges Unterwerkzeug mit den vorgenannten Wannenmaßen und einen ebenen Deckel als Oberwerkzeug gebildet. Im Bereich der Kavität wurde der Deckel so verstärkt, dass die Kavitätshöhe sich bei vollständig, d.h. formschlüssig geschlossenem Deckel von 19 auf 10 mm reduzierte. Die Vorverdichtung der eingelegten Matten mit Hilfe des Werkzeugdeckels erfolgte mit Kraftzangen auf eine Höhe von 11 mm bei einem Restvolumen von 5,11 Litern.
Während des Formteilgusses wurde das Werkzeugoberteil entspannt, wobei der Auftrieb des Deckels mit dem aufschäumenden Gemisch durch länger gestellte Spanner und eine Vergrößerung des Spiels an den Scharnieren bewerkstelligt wurde. Die Begrenzung der seitlichen Verschiebung des Werkzeugoberteils erfolge in diesem Beispiel durch mit Kraftzwingen am Werkzeugunterteil gehaltene Flachstähle.
Durch die Schussmasse wurde die mit den Verstärkungs- und Abstandsmatten ausgelegte Kavität nahezu vollständig gefüllt. Die Schussmasse war hier also so eingestellt, dass das Schussvolumen, d.h. das Volumen der noch nicht aufgeschäumten und ausreagierten Reaktionsmasse, bzw. Matrixmasse, nur wenig kleiner als das Kavitätsvolumen abzüglich der Volumenverluste durch die Matten war.
Aufgrund der nahezu vollständigen Füllung der Kavität hat die Reaktionsmasse (Matrixmasse), hier das Polyurethan, deutlich kürzere Fließwege; der Fließweg beträgt lediglich die Auftriebshöhe. Der nach dem Einfüllen des Gemisches entspannte Deckel treibt durch das reagierende Gemisch bis zum Höhenanschlag auf.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit aufgeschäumter Matrix in einem ge- schlossenen Formwerkzeug (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein faserverstärktes Formteil hergestellt wird, indem
- eine Verstärkung in die Kavität (6) des Formwerkzeugs eingebracht wird,
- das Kavitätsvolumen der Form auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens verkleinert wird, - ein Treibmittel enthaltendes Reaktionsgemisch für die Matrix des Formteils in einem oder mehreren Schritten hergestellt und in die Kavität (6) des Formwerkzeugs (10) eingebracht wird,
- das Reaktionsgemisch unter Vergrößerung des Kavitätsvolumens aufschäumen gelassen wird, - das Formteil nach vorbestimmter Reaktionszeit entformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch für die Matrix eine Hartschaummasse ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus
Polystyrol oder Polyurethan gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung eine Verstärkung aus organischen und/oder anorganischen Fa- sern, vorzugsweise Karbonfasern, Glasfasern oder Basaltfasern ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil eine Platte ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Formwerkzeug (10) wenigstens zweiteilig ist, wobei das Kavitätsvolumen der Form durch bewegen wenigstens eines Formwerkzeugteils (1) relativ zu einem anderen (2) vergrößert und verkleinert werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleinerung des Kavitätsvolumens unter Kompression der Verstärkung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verkleinerte freie Volumen der Kavität (6) wenig größer oder gleich dem Schussvolumen der Matrixmasse ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung des Volumens der Kavität (6) durch die Expansion der Matrix beim Aufschäumen bewirkt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung des Volumens der Kavität (6) durch gesteuertes Bewegen des Formwerkzeugteils (1 ; 2) bewirkt wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung des Volumens der Kavität (6) bis zu einem vorbestimmten maximalen Volumen geführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität vor Einbringen des Reaktionsgemisches ein Vakuum erzeugt wird und das Reaktionsgemisch in die mit Unterdruck beaufschlagte Kavität eingebracht wird.
13. Formwerkzeug (10) für den Guss in geschlossener Form mit einer Kavität (6), die das Volumen und die Form des gegossenen Formteils bestimmt, und wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeugteilen (1;2), dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (10) so eingerichtet ist, dass durch eine relative Bewegung der Formwerkzeugteile (1;2) zueinander das Volumen der Kavität (6) bis auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens verkleinert und bei befüllter Kavität bis auf das Formteilvolumen vergrößert werden kann.
14. Formwerkzeug (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formwerkzeug ein Anschlag (4) angeordnet ist, der das maximale Volumen der Ka- vität (6) begrenzt.
15. Formwerkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formwerkzeug (10) eine Steuerung zugeordnet ist, mit der die Vergrößerung und Verkleinerung des Volumens der Kavität (6) Steuer- oder regelbar ist.
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