WO2011098070A1 - Formkern zum formen und temperieren einer hohlstruktur - Google Patents

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André STIEGLITZ
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    • B29K2995/0007—Insulating

Definitions

  • the present invention relates to a mold core for shaping and tempering a hollow structure and to a method for producing such a mold core.
  • Shaped cores are usually used for the production of hollow structures, such as fiber composite structures. It can be differentiated between lost cores and permanent cores, whereby permanent cores are reusable, while lost cores are washed out of the finished hollow structure after a single use and thereby destroyed. This can be useful, for example, if due to the geometry of the hollow structure to be produced there is no possibility of an ordinary removal of the mandrel. Lost cores can be chemically, thermally or by means of a liquid solvable, that is rinsable, and usually consist of a mold core base material and a binder.
  • a water-soluble mold core for injection molding of plastic parts is known. Enrichment of the mold core material with metal powder particles and other materials is provided to improve the processability of the mold core material. Furthermore, the coating of the mold core is disclosed with a maximum of 0.3 mm thick top layer, which has as a component among other graphite. Another layer is intended to improve the surface quality of the mold core.
  • the mold core thus disclosed has the disadvantage of not having any means for heating the hollow structure to be formed. The curing of the hollow structure is therefore likely to be relatively slow and lacking any means to ensure uniform curing.
  • EP 1 323 686 B1 discloses a method for the production of mold cores, which in turn are to be used for forming hollow bodies of fiber-reinforced ceramic materials. By electrical resistance heating of the mandrel is heated. For this purpose, the starting material of the mold core electrically conductive additives are mixed homogeneously. By means of such mandrels in particular local overheating should be avoided. However, this is not sufficiently possible in practice.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a mold core which is heated so that a uniform, for example, or deliberately an arbitrarily predeterminable temperature distribution results on its outer surface.
  • this object is achieved by a mold core for shaping and tempering a hollow structure, wherein the mold core has an electrically insignificant or only slightly conductive inner region and an electrically conductive outer region, and two externally accessible electrical contacts for applying an electrical voltage, wherein the Strength of the outer region is constant or varies selectively.
  • the term “strength” can also be used.
  • the term “electrically conductive” can also be used instead of the term “electrically conductive”.
  • the outer portion of the mandrel may be formed of a mandrel base material enriched with electrically conductive material such as carbon black, graphite, short and / or long carbon fibers and / or metal powder or fibers, the proportion of electrically conductive material being constant is or varies deliberately.
  • electrically conductive material such as carbon black, graphite, short and / or long carbon fibers and / or metal powder or fibers
  • a contact surface between the inner region and the outer region is smooth. "Smooth” should be interpreted here as a low roughness of the contact surface.
  • a contact surface between the inner region and the outer region is rib-shaped.
  • a contact surface between the inner region and the outer region is coated with silver paint.
  • the mandrel is formed as a lost core and can be flushed out using a liquid, for example.
  • the invention further relates to a method for producing a mold core, comprising forming a first body for forming an inner electrically non-conductive or only slightly conductive region of the mold core; and applying molding material to the first body to form an outer electrically conductive region of the mandrel and attaching two externally accessible electrical contacts to apply an electrical voltage, wherein the thickness of the outer region is constant or selectively varied.
  • the strength can be constant or spatially constant or deliberately varied.
  • a further aspect of the invention relates to the use of a mold core as described above for shaping and tempering a hollow structure, comprising: introducing a material intended for producing the hollow structure into a mold; Inserting the mold core into the mold; Closing the mold and making an electrical connection for applying an electrical voltage to the two electrical contacts of the mandrel for heating the material; and after completion of the curing of the material to the hollow structure releasing the electrical connection and removing the mold core, preferably by rinsing out of the hollow structure and the mold.
  • the mold core can only then be removed from the hollow structure after it has already been removed from the mold.
  • the invention is based on the surprising finding that a multilayer structure of a mold core due to the formation of an inner and an outer region and an interaction of the thickness of the outer region with the thickness of the inner region can influence and control the heat generation properties of a flowing stream in this way, that at any point, in particular at any point of the outer surface of the mandrel, a certain amount of heat can be achieved.
  • the local temperature to be generated can be specified more precisely than is possible with any other known production method or any other known mold core with comparatively little effort.
  • the mold core according to the invention allows a particularly efficient heating of a hollow structure, since the heat arises directly at the surface of the core, where it is needed.
  • a particularly surprising effect of the present invention is that the construction of two areas not only allows a control of the heat distribution, but also provides a thermal insulation of the inner region and thus avoids a heat sink inside the mold core. At the same time there is no unnecessary heating of areas of the mold core, which are not in contact with the hollow structure, so that is an additional advantage to call an efficient use of energy. This also offers over the use of liquid or other movable heat transfer the particular advantage that the mandrel is particularly simple both in terms of its structure and the process steps that are necessary for the construction.
  • a further advantage is that the particular difficulties posed by mobile heat transfer media associated with soluble lost cores are avoided.
  • Another particular advantage is that alternative heating methods, which provide for instance metallic heating coils in the mandrel, are difficult to reconcile with the consistency and in particular the dissolution of a lost core.
  • the present invention allows to avoid the formation of thermal local expansions and thus stresses in the mold core. As has been shown above in the discussion of the known technique, thermal local expansions can not be effectively counteracted so that prior art stresses based thereon also pose an unsolved problem.
  • Figure 1 shows a side view of a mandrel according to a particular embodiment of the invention in a hollow structure in section;
  • Figure 2 is a side view of a mandrel according to another embodiment of the
  • the mold core 10 shown in FIG. 1 is in surface contact with a hollow structure 11 or its starting material in a mold (not shown) which is to be shaped and tempered by the mold core.
  • the mandrel 10 has an inner region 13 and an outer region 12, the outer region 12 covering the inner region 13 in all directions towards the hollow structure.
  • the mandrel 10 can be divided in the embodiment shown in sections of different thickness of the mandrel 10, that is cylindrical sections with different radii. Thus, the mandrel 10 is considerably thinner in the portion 19a than in the portion 19b.
  • the outer region 12 is preferably made of molding sand, which is enriched with certain electrically conductive substances in order to increase its electrical conductivity.
  • a substance may be, for example Leitruß or graphite.
  • the inner region 13 is preferably made of molding sand and thus does not conduct the electrical current or only a small extent.
  • the inner region 13 preferably has only a low thermal conductivity. It can be seen in particular from FIG. 1 that the thickness or thickness in the radial direction of the outer region 12 can vary locally with respect to the thickness of the inner region 13. For example, its thickness is considerably greater in section 19a than in section 19b. Due to a greater strength results in a lower electrical resistance, which in turn leads to a lower heating effect of a current flowing through it.
  • the mandrel 10 may also be formed as a hollow core, wherein the inner region 13 at least partially has a cavity.
  • the outer region 12 is provided with contacts to which an electrical voltage can be applied.
  • the contacts are not shown in FIG. However, they may be attached anywhere on the outer region 12.
  • the contacts may be mounted on opposite sides of the mold core; However, depending on the requirements of the hollow structure to be cured, a different constellation of the contacts is conceivable.
  • the contact surface between the two regions can be made smooth. Under a smooth surface while a surface of low roughness ver-stood.
  • the contact surface may also be rib-shaped or otherwise have a three-dimensional structure. In particular, in this way the contact area between the inner region 13 and the outer region 12 can be increased.
  • the surface may be enlarged by rib-shaped contacts, for example by a factor of 3.4 compared to a smooth contact surface.
  • the contact surface with a Silver paint coating be provided. This serves in particular for a further thermal insulation of the inner region 13 of the outer layer 12, in order to be able to adjust the desired heat distribution even more precisely.
  • the shape of the mandrel according to the invention can be of any desired design both in the longitudinal and in the transverse direction.
  • a hollow structure which has a cavity in the form of two coaxially juxtaposed hollow cylinder with different radii.
  • the required cross-sectional area of the inner area at a given section should be determined given the outer dimensions of the mold core.
  • the question then arises as to how great the radius of radius rj nnenj2 in section 19b must be in order to supply the same thermal output to the outside. For this we take the following considerations:
  • the circumference of a cylinder is as
  • the electrical resistance of a cylinder i is inversely proportional to the cross-sectional area A au SEN, i its outer region 12 for two cylinders 1 and 2, this relationship as
  • the cross-sectional area of the inner and outer regions at section 19b is known.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the present invention, wherein a mold core 20 with an inner region 23 and an outer region 22 is shown.
  • the regions 22 and 23 have, in the longitudinal direction of the mandrel 20, a cross-section which changes continuously over several sections, for example in the section labeled A. Transverse to the longitudinal direction of the mandrel, the regions 22 and 23 have a rectangular cross-section.
  • FIG. 2 further shows a temperature profile 21 on the surface of the outer region 22. This shows, for example, that the temperature in the section A is much lower than in the section B.
  • Leitruß, graphite or carbon fibers the latter may be in the form of short or long fibers.
  • metal powder and / or metal fibers can also be used.
  • combinations of said materials are usable.
  • graphite is used, since this substance not only has a high thermal conductivity and electrical conductivity, but also has a high temperature resistance and in particular a high thermal shock resistance. The latter promotes acceleration of heating and cooling phases during the curing process of a Fiber composite structure.
  • graphite has a high resistance to oxidation and is particularly resistant to certain chemicals.
  • Graphite can also be produced in high purity and is easy to process, finally also offers good environmental compatibility and is harmless to health in the processing.
  • the invention described above can be used for the production of hollow structures, for example fiber composite structures, as well as in die-casting or in the injection molding process.
  • the invention represents an improvement in the production of complex hollow structures, in which a temperature of the mold is required or advantageous.
  • the inner electrically or only slightly conductive region is formed, for example, a printing process is used.
  • the inner region consists of molding sand.
  • the outer electrically conductive region 12 is applied to the inner region 13, so that the outer region 12 covers the inner region 13.
  • contacts are applied to the outer region 12 in order to be able to apply an electrical voltage to the outer region 12.
  • the strengths of the two areas are measured according to the requirements of the application, in particular taking into account the above embodiments of the invention.
  • a material provided for producing the hollow structure is first introduced into a mold. Subsequently, the mold core is embedded in the mold, so that it forms a cavity together with this. For this purpose, any known to the expert procedure can be selected. Subsequently, an electrical voltage is applied to the two contacts of the mandrel 10 to heat the material.
  • the electrical connection is released and the mandrel 10 - if it is a lost core - rinsed out of the hollow structure and the mold or only after removal of the hollow structure from the mold or - if the mandrel is designed as a permanent core - on other Routes taken from the hollow structure 11 and the mold for later reuse.
  • a mold core which represents a novel and particularly efficient way of achieving a certain distribution of for curing a surrounding fiber composite structure.
  • advantages of the invention should be pointed to a particularly simple, fast and inexpensive core production, which is also advantageous to automate. Due to the simple structure low costs in the construction of such a mold core are to be expected, especially since the main components of a corresponding system include only a power generator and a current control.
  • the already mentioned good environmental compatibility of the mold core according to the invention is further based on the fact that no medium for the heat input into the core is necessary. It is therefore not a potentially expensive to dispose of waste product.

Abstract

Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur, umfassend: einen elektrisch nicht oder nur gering leitenden inneren Bereich und einen elektrisch leitenden äußeren Bereich sowie zwei von außen zugängliche elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs konstant ist oder gezielt variiert, sowie Verfahren zur Herstellung eines Formkerns, umfassend: Formen eines ersten Körpers zum Ausbilden eines inneren elektrisch nicht oder nur gering leitenden Bereichs des Formkerns; und Aufbringen von Formmaterial auf den ersten Körper zum Ausbilden eines äußeren elektrisch leitenden Bereichs des Formkerns und Anbringen von zwei von außen zugänglichen elektrischen Kontakten zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs konstant ist oder gezielt variiert.

Description

„Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur"
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkernes.
Formkerne werden üblicherweise zur Fertigung von Hohlstrukturen, beispielsweise Faserverbundstrukturen, eingesetzt. Es kann zwischen verlorenen Kernen und Dauerkernen unterschieden werden, wobei Dauerkerne wiederverwendbar sind, während verlorene Kerne nach einmaliger Verwendung aus der fertigen Hohlstruktur ausgewaschen und dabei zerstört werden. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn aufgrund der Geometrie der zu fertigenden Hohlstruktur keine Möglichkeit einer gewöhnlichen Entnahme des Formkerns besteht. Verlorene Kerne können chemisch, thermisch oder mittels einer Flüssigkeit lösbar, das heißt ausspülbar, sein und bestehen üblicherweise aus einem Formkerngrundmaterial und einem Bindemittel.
Aus DE 195 34 836 C2 ist ein wasserlöslicher Formkern zum Spritzgießen von Kunststoffteilen bekannt. Ein Anreichern des Formkernmaterials mit Metallpulverpartikeln und anderen Materialien ist vorgesehen, um die Verarbeitbarkeit des Formkernmaterials zu verbessern. Ferner ist das Überziehen des Formkerns mit einer maximal 0,3 mm dicken Deckschicht offenbart, die als Bestandteil unter anderem Graphit aufweist. Eine weitere Schicht soll die Oberflächengüte des Formkerns verbessern. Der somit offenbarte Formkern weist jedoch den Nachteil auf, über keinerlei Mittel zum Beheizen der zu formenden Hohlstruktur zu verfügen. Das Aushärten der Hohlstruktur dürfte somit relativ langsam ablaufen und entbehrt jeglicher Mittel zum Gewährleisten eines gleichmäßigen Aushärtens. Aus der EP 1 323 686 Bl geht ein Verfahren zur Herstellung von Formkernen hervor, die wiederum zum Ausbilden von Hohlkörpern aus faserverstärkten keramischen Materialien verwendet werden sollen. Durch elektrisches Widerstandsheizen ist der Formkern beheizbar. Dazu sind dem Ausgangsmaterial des Formkerns elektrisch leitfähige Zusatzstoffe homogen beigemischt. Mittels solcher Formkerne sollen insbesondere lokale Überhitzungen vermieden werden. Dies ist in der Praxis jedoch nicht ausreichend möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Formkern bereitzustellen, der so beheizbar ist, dass auf seiner Außenfläche gezielt eine beispielsweise gleichmäßige oder aber auch gezielt eine beliebig vorgebbare Temperaturverteilung resultiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur gelöst, wobei der Formkern einen elektrisch nicht oder nur gering leitenden inneren Bereich und einen elektrisch leitenden äußeren Bereich, sowie zwei von außen zugängliche elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung aufweist, wobei die Stärke des äußeren Bereichs konstant ist oder gezielt variiert. Anstelle des Begriffes „Stärke" kann auch der Begriff „Dicke" verwendet werden. Zudem kann anstelle der Formulierung „elektrisch leitend" auch die Formulierung „elektrisch leitfähig" benutzt werden.
Insbesondere kann der äußere Bereich des Formkerns aus einem Formkerngrundmaterial bestehen, das elektrisch leitfähigem Material, wie zum Beispiel Leitruß, Graphit, kurzen und/oder langen Kohlenstofffasern und/oder mit Metallpulver oder -fasern, angereichert ist, wobei der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials konstant ist oder gezielt variiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich glatt ausgebildet. „Glatt" soll hierbei als geringe Rauheit der Kontaktfläche ausgelegt werden. Alternativ ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich rippenförmig ausgebildet.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich mit Silberlack beschichtet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Formkern als verlorener Kern ausgebildet und kann beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkeit ausspülbar sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Formkerns, umfassend Formen eines ersten Körpers zum Ausbilden eines inneren elektrisch nicht oder nur gering leitenden Bereichs des Formkerns; und Aufbringen von Formmaterial auf den ersten Körper zum Ausbilden eines äußeren elektrisch leitenden Bereichs des Formkerns und Anbringen von zwei von außen zugänglichen elektrischen Kontakten zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs konstant ist oder gezielt variiert. Die Stärke kann räumlich bzw. flächig konstant sein oder gezielt variieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines wie oben beschriebenen Formkerns zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur, umfassend: Einbringen eines zur Herstellung der Hohlstruktur vorgesehenen Werkstoffs in eine Form; Einbringen des Formkerns in die Form; Schließen der Form und Herstellen einer elektrischen Verbindung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden elektrischen Kontakte des Formkerns zum Beheizen des Werkstoffs; und nach abgeschlossenem Aushärten des Werkstoffs zur Hohlstruktur Lösen der elektrischen Verbindung und Entfernen des Formkerns vorzugsweise durch Ausspülen aus der Hohlstruktur und der Form. Alternativ kann der Formkern auch erst dann aus der Hohlstruktur entfernt werden, nachdem diese bereits aus der Form entfernt wurde. Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch einen mehrschichtigen Aufbau eines Formkerns aufgrund des Ausbildens eines inneren und eines äußeren Bereichs und einem Zusammenspiel der Stärke des äußeren Bereichs mit der Stärke des inneren Bereichs die Wärmeerzeugungseigenschaften eines hindurchfließenden Stromes derart beeinflusst und gesteuert werden können, dass an jedem Punkt, insbesondere an jedem Punkt der Außenfläche, des Formkerns eine bestimmte Wärmemenge erzielt werden kann. Die zu erzeugende lokale Temperatur kann genauer vorgegeben werden, als dies mit jedem anderen bekannten Herstellungsverfahren bzw. jedem anderen bekannten Formkern bei vergleichbar geringem Aufwand möglich ist. Auch erlaubt der erfindungsgemäße Formkern eine besonders effiziente Erwärmung einer Hohlstruktur, da die Wärme direkt an der Oberfläche des Kernes entsteht, wo sie benötigt wird.
Ein besonders überraschender Effekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Aufbau aus zwei Bereichen nicht nur eine Steuerung der Wärmeverteilung zulässt, sondern gleichzeitig eine thermische Isolierung des inneren Bereiches bietet und so eine Wärmesenke im Inneren des Formkernes vermeidet. Gleichzeitig findet dabei keine unnötige Erwärmung von Bereichen des Formkern statt, die mit der Hohlstruktur gar nicht in Kontakt stehen, so dass als weiterer Vorteil ein effizienter Energieeinsatz zu nennen ist. Dies bietet zudem gegenüber der Verwendung flüssiger oder sonstiger beweglicher Wärmeträger den besonderen Vorteil, dass der Formkern sowohl hinsichtlich seiner Struktur als auch der Verfahrensschritte, die zum Bau nötig sind, besonders einfach ist.
Ein Vorteil besteht weiter darin, dass die besonderen Schwierigkeiten, die bewegliche Wärmeträger in Verbindung mit löslichen verlorenen Kernen darstellen, vermieden werden.
Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass alternative Heizverfahren, die etwa metallische Heizwendeln im Formkern vorsehen, nur schwer mit der Konsistenz und insbesondere der Auflösung eines verlorenen Kerns zu vereinen sind. Darüberhinaus erlaubt die vorliegende Erfindung, das Entstehen thermischer lokaler Ausdehnungen und damit Spannungen im Formkern zu vermeiden. Wie oben in der Diskussion der bekannten Technik gezeigt, kann thermischen lokalen Ausdehnungen bisher nicht wirkungsvoll begegnet werden, so dass auch darauf basierende Spannungen gemäß dem Stand der Technik ein ungelöstes Problem darstellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind, in denen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Formkerns gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung in einer Hohlstruktur im Schnitt zeigt; und
Figur 2 eine Seitenansicht eines Formkerns gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung zeigt.
Der in Figur 1 gezeigte Formkern 10 steht in flächigem Kontakt mit einer Hohlstruktur 11 bzw. dessen Ausgangsmaterial in einer Form (nicht gezeigt), die durch den Formkern geformt und temperiert werden soll. Der Formkern 10 weist einen inneren Bereich 13 und einen äußeren Bereich 12 auf, wobei der äußere Bereich 12 den inneren Bereich 13 nach allen Seiten zur Hohlstruktur hin bedeckt. Der Formkern 10 kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Abschnitte unterschiedlicher Dicke des Formkerns 10, das heißt zylinderförmige Abschnitte mit unterschiedlichen Radien, untergliedert werden. So ist der Formkern 10 in dem Abschnitt 19a erheblich dünner als in dem Abschnitt 19b.
Der äußere Bereich 12 besteht vorzugsweise aus Formsand, der mit bestimmten elektrisch leitfähigen Stoffen angereichert ist, um seine elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Ein solcher Stoff kann beispielsweise Leitruß oder Graphit sein. Alternativ kommen aber auch kurze oder lange Kohlenstofffasern in Frage, alternativ kann/können auch Metallpulver und/oder Metallfasern verwendet werden. Auch der innere Bereich 13 besteht vorzugsweise aus Formsand und leitet somit den elektrischen Strom nicht oder nur geringem Ausmaß. Auch weist der innere Bereich 13 vorzugsweise lediglich eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Aus der Figur 1 ist insbesondere ersichtlich, dass die Stärke bzw. Dicke in radialer Richtung des äußeren Bereichs 12 gegenüber der Stärke des inneren Bereichs 13 lokal variieren kann. So ist seine Stärke beispielsweise in dem Abschnitt 19a erheblich größer als in dem Abschnitt 19b. Durch eine größere Stärke ergibt sich ein geringerer elektrischer Widerstand, der wiederum zu einem geringeren Heizeffekt eines hindurchfließenden Stromes führt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der Formkern 10 auch als Hohlkern ausgebildet sein, wobei der innere Bereich 13 wenigstens teilweise einen Hohlraum aufweist.
Zum elektrischen Widerstandsheizen des Formkerns ist der äußere Bereich 12 mit Kontakten versehen, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Die Kontakte sind in Figur 1 nicht gezeigt. Sie können jedoch an beliebigen Stellen des äußeren Bereichs 12 angebracht sein. Beispielsweise können die Kontakte an einander gegenüberliegenden Seiten des Formkerns angebracht sein; jedoch ist je nach Anforderungen der auszuhärtenden Hohlstruktur auch eine andere Konstellation der Kontakte denkbar.
Um den unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten des inneren Bereichs 13 und des äußeren Bereichs 12 Rechnung zu tragen, kann die Kontaktfläche zwischen beiden Bereichen glatt ausgebildet sein. Unter einer glatten Fläche wird dabei eine Fläche von geringer Rauheit ver-standen. Alternativ kann die Kontaktfläche jedoch auch rippenförmig ausgebildet sein oder auch auf andere Weise eine dreidimensionale Struktur aufweisen. Insbesondere kann auf diese Weise die Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich 13 und dem äußeren Bereich 12 vergrößert werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Oberfläche durch rippenförmigen Kontakte zum Beispiel um den Faktor 3,4 gegenüber einer glatten Kontaktfläche vergrößert werden. Alternativ kann die Kontaktfläche mit einer Silberlackbeschichtung versehen werden. Dies dient insbesondere einer weitergehenden thermischen Isolierung des inneren Bereiches 13 von der äußeren Schicht 12, um die angestrebte Wärmeverteilung noch genauer justieren zu können.
Die Form des erfindungsgemäßen Formkerns kann sowohl in Längs- als auch in Querrichtung beliebig ausgebildet sein.
Im folgenden wird eine besondere Ausführungsform beschrieben, in der eine Hohlstruktur hergestellt werden soll, die einen Hohlraum in Form zweier koaxial aneinandergereihter Hohlzylinder mit unterschiedlichen Radien aufweist. Unter der Randbedingung, dass der dem Hohlraum entsprechende Formkern über seine gesamte Außenfläche eine gleichmäßige Wärmeentwicklung erzeugen soll, soll bei gegebenen Außenabmessungen des Formkerns die dafür erforderliche Querschnittsfläche des inneren Bereichs an einem bestimmten Abschnitt bestimmt werden. Möge der äußere Bereich 12 des Formkern im Abschnitt 19a einen Innenradius rjnnen,i und einen Außenradius rauisen,i sowie im Abschnitt 19b einen Außenradius raußenl2 besitzen. Es stellt sich dann die Frage, wie groß der Tnnenradius rjnnenj2 im Abschnitt 19b sein muss, um nach außen dieselbe Wärmeleistung zu liefern. Hierzu nehmen wir folgende Betrachtungen vor:
Der Umfang eines Zylinders ist als
U = 2π · r ergeben.
Mit steigendem Umfang U erhöht sich linear die zu erbringende Wärmeleistung, die nötig ist, um eine gleichbleibende Temperierung zu bewirken. Diese Wärmeleistung ist außerdem proportional zu dem elektrischen Widerstand R. Ferner beträgt die Querschnittsfläche eines zylinderförmig inneren Bereichs 13. 7t ' Γ innen;
die Gesamtquerschnittsfläche A eines Zylinders i beträgt
Aj 7t · Γ außen-
Damit lässt sich die Querschnittsfläche Aaußen,i des äußeren Bereichs 12 ohne den inneren Bereich 13 für einen Zylinder i als
Aaußen.i — A— Ajnnen
angeben. Der elektrische Widerstand eines Zylinders i ist umgekehrt proportional zu der Querschnittsfläche Aaußen,i seines äußeren Bereiches 12. Für zwei Zylinder 1 und 2 kann diese Beziehung als
A außen, 1
außen,!
angegeben werden. Ferner gilt · Α außen,!
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Aus dieser Gleichung kann der gesuchte Radius ηηβη,2 aus
Figure imgf000011_0001
berechnet werden. Anders ausgedrückt kann also bei festem Radius raußen,i an einem ersten Abschnitt 19a des Formkerns 10 und festem Radius raußen,2 an einem zweiten Abschnitt 19b des Formkerns 10 der Außenradius (= rinnen, i) des inneren Bereichs 13 am ersten Abschnitt 19a so gewählt werden, dass am ersten Abschnitt 19a eine vorbestimmte Erwärmung erzeugt wird; und der Außenradius (=
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des inneren Bereichs 13 am zweiten Abschnitt 19b abhängig von rinnen,i , raußen,i und raußen,2 so gewählt werden, dass am zweiten Abschnitt 19b die gleiche Erwärmung wie am ersten Abschnitt 19a erzeugt wird. Damit ist die Querschnittsfläche des inneren und des äußeren Bereichs am Abschnitt 19b bekannt.
In einer alternativen Ausführungsform mit quadratischen, rechteckigen oder auch beliebigen Querschnittsformen des Formkerns sind die obigen Gleichungen analog anwendbar, wobei lediglich die korrekten Funktionen zur Berechnung der jeweiligen Querschnittsfläche und des Umfangs zu verwenden sind.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Formkern 20 mit einem inneren Bereich 23 und einem äußeren Bereich 22 gezeigt ist. Die Bereiche 22 und 23 weisen in Längsrichtung des Formkerns 20 einen Querschnitt auf, der sich über mehrere Abschnitte hinweg kontinuierlich ändert, so beispielsweise in dem mit A markierten Abschnitt. Quer zur Längsrichtung des Formkerns weisen die Bereiche 22 und 23 einen rechteckigen Querschnitt auf. Figur 2 zeigt ferner ein Temperaturprofil 21 auf der Oberfläche des äußeren Bereichs 22. Dieses zeigt beispielsweise, dass in dem Abschnitt A eine sehr viel geringere Temperatur herrscht als im Abschnitt B. Dieser Unterschied beruht darauf, dass die Stärke des äußeren Bereichs 22 im Abschnitt B sehr viel kleiner ist als im Abschnitt A; dadurch weist der äußere Bereich 22 im Abschnitt B einen größeren elektrischen Widerstand als im Abschnitt A auf, was beim Hindurchfließen eines elektrischen Stromes zu einer höheren Heizwirkung und damit zu einer erhöhten Temperatur führt. Das Temperaturprofil 21 zeigt ferner einen geringfügigen Anstieg der Temperatur im Abschnitt A des äußeren Bereichs 22 in Richtung des Abschnitts B. Dies resultiert aus der sich verjüngenden Stärke des äußeren Bereiches 22 im Abschnitt A in Richtung des Abschnitts B und beruht auf einer damit einhergehenden kontinuierlichen Verringerung des elektrischen Widerstandes des äußeren Bereichs 22. Die Beschaffenheit der Bereiche 22 und 23 der Figur 2 sowie die übrigen Eigenschaften des gezeigten Formkerns 20 können im übrigen die gleichen Eigenschaften wie der Formkern 10 aus Figur 1 aufweisen.
Die oben beschriebene Ansätze zum Beeinflussen einer lokalen Erwärmung innerhalb eines Formkerns, der wie gezeigt besonders auf einer Anpassung der Bereichsstärken basiert, kann vorteilhaft kombiniert werden mit einer räumlich oder flächig unterschiedlich starken Anreicherung von Zusatzstoffen im äußeren Bereich 12. Insbesondere kann eine nach der obigen Vorschrift notwendige besonders starke lokale Variation der Bereichsstärken dadurch abgeschwächt werden, dass durch Zusatz elektrisch leitender Zusatzstoffe in dem betreffenden Bereich die elektrischen Leiteigenschaften so angepasst werden, dass nur noch eine geringere Variierung der Bereichsstärken nötig ist. Bei der Auswahl solcher Zusatzstoffe ist dabei nicht nur auf elektrische Leitfähigkeit, sondern auch auf Wärmeleitfähigkeit zu achten, wobei beispielsweise bei einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes auch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit angestrebt werden soll. Diese Anforderung wird beispielsweise durch Leitruß, Graphit oder auch Kohlenstofffasern erfüllt, wobei letztere in Form von kurzen oder langen Fasern vorliegen können. Alternativ oder zusätzlich kann/können auch Metallpulver und/oder Metallfasern verwendet werden. Schließlich sind auch Kombinationen der genannten Materialien verwendbar. Bevorzugt wird jedoch Graphit eingesetzt, da dieser Stoff nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweist, sondern auch über eine hohe Temperaturbeständigkeit und insbesondere eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Letztere begünstigt eine Beschleunigung von Aufheiz- und Abkühlphasen während des Aushärtungsprozesses einer Faserverbundstruktur. Darüberhinaus verfügt Graphit über eine hohe Resistenz gegenüber Oxidation und ist besonders widerstandsfähig gegen bestimmte Chemikalien. Graphit kann auch in hoher Reinheit hergestellt werden und ist gut bearbeitbar, bietet schließlich auch eine gute Umweltverträglichkeit und ist gesundheitlich unbedenklich in der Verarbeitung.
Die vorstehend beschriebene Erfindung kann zur Herstellung von Hohlstrukturen, beispielsweise Faserverbundstrukturen, sowie im Druckgußverfahren oder im Bereich des Spritzgußverfahrens verwendet werden. Allgemein stellt die Erfindung eine Verbesserung bei der Herstellung komplexer Hohlstrukturen dar, bei denen eine Temperierung der Form erforderlich oder vorteilhaft ist.
Zur Fertigung eines Formkerns gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind im wesentlichen zwei Schritte nötig. In einem ersten Schritt wird dabei der innere elektrisch nicht oder nur gering leitende Bereich ausgebildet, wobei beispielsweise ein Druckverfahren zur Anwendung kommt. Typischerweise besteht der innere Bereich dabei aus Formsand. In einem zweiten Schritt wird der äußere elektrisch leitende Bereich 12 auf den inneren Bereich 13 aufgebracht, so dass der äußere Bereich 12 den inneren Bereich 13 hin bedeckt. Ferner werden Kontakte an den äußeren Bereich 12 angelegt, um eine elektrische Spannung an den äußeren Bereich 12 anlegen zu können. Die Stärken der beiden Bereiche sind den jeweiligen Anforderungen der Anwendung gemäß bemessen, insbesondere unter Berücksichtigung der obigen erfindungsgemäßen Ausführungen.
Um den erfindungsgemäßen Formkern zum Formen und Temperieren einer auszuhärtenden Hohlstruktur 11 zu verwenden, wird gemäß einer besonderen Ausführungsform zunächst ein zur Herstellung der Hohlstruktur vorgesehener Werkstoff in eine Form eingebracht. Anschließend wird der Formkern in die Form eingebettet, so dass er gemeinsam mit dieser eine Kavität bildet. Hierzu kann ein beliebiges dem Fachmann bekanntes Vorgehen gewählt werden. Anschließend wird eine elektrische Spannung an die beiden Kontakte des Formkerns 10 angelegt, um den Werkstoff zu beheizen. Nach abgeschlossenem Aushärten der Hohlstruktur 1 1 wird die elektrische Verbindung gelöst und der Formkern 10 - falls es sich um einen verlorenen Kern handelt - aus der Hohlstruktur und der Form oder erst nach Herausnahme der Hohlstruktur aus der Form herausgespült oder - falls der Formkern als Dauerkern ausgeführt ist - auf anderem Wege aus der Hohlstruktur 11 und der Form entnommen, um später wiederverwendet zu werden.
In den vorstehend dargestellten Ausführungsformen wird ein Formkern beschrieben, der einen neuartigen und besonders effizienten Weg darstellt, eine bestimmte Verteilung von zum Aushärten einer umgebenden Faserverbundstruktur zu erzielen. Neben den bereits genannten Vorteilen der Erfindung sei noch auf eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Kernherstellung hingewiesen, die zudem vorteilhaft zu automatisieren ist. Aufgrund des einfachen Aufbaus sind geringe Kosten beim Bau eines solchen Formkerns zu erwarten, insbesondere da die Hauptbestandteile einer entsprechenden Anlage lediglich einen Stromgenerator und eine Stromregelung umfassen. Die bereits erwähnte gute Umweltverträglichkeit des erfindungsgemäßen Formkerns beruht weiter darauf, dass kein Medium für die Wärmezufuhr in den Kern nötig ist. Es fällt damit kein eventuell aufwendig zu entsorgendes Abfällprodukt an.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10, 20 Formkern
1 1 Hohlstruktur
12. 22 äußerer B ereich
13. 23 innerer Bereich
18, 28 Kontaktfläche
19a Abschnitt
19b Abschnitt
21 Temperaturprofi 1
Γίηηεη,ι Innenradius vom äußeren Bereich rinnen,2 Innenradius vom äußeren Bereich r außen, ι Außenradius vom äußeren Bereich iaußen,2 Außenradius vom äußeren Bereich

Claims

Ansprüche
1. Formkern (10, 20) zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur (1 1), umfassend:
einen elektrisch nicht oder nur gering leitenden inneren Bereich (13, 23) und einen elektrisch leitenden äußeren Bereich (12, 22),
sowie
zwei von außen zugängliche elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung,
wobei die Stärke des äußeren Bereichs konstant ist oder gezielt variiert.
2. Formkern (10, 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (12, 22) aus einem Formkerngrundmaterial besteht, das mit elektrisch leitfähigem Material, wie zum Beispiel Leitruß, Graphit, kurzen und/oder langen Kohlenstofffasern und/oder mit Metallpulver oder -fasern, angereichert ist, wobei der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials konstant ist oder gezielt variiert. Formkern (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem inneren Bereich (13, 23) und dem äußeren Bereich (12, 22) glatt ausgebildet ist.
Formkern (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem inneren Bereich (13, 23) und dem äußeren Bereich (12, 22) rippenförmig ausgebildet ist.
Formkern (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem inneren Bereich (13, 23) und dem äußeren Bereich (12, 22) mit Silberlack beschichtet ist.
Formkern (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (10, 20) als verlorener Kern ausgebildet ist und vorzugsweise unter Verwendung einer Flüssigkeit ausspülbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkerns (10, 20), umfassend:
Formen eines ersten Körpers zum Ausbilden eines inneren elektrisch nicht oder nur gering leitenden Bereichs (13, 23) des Formkerns (10, 20); und
Aufbringen von Formmaterial auf den ersten Körper zum Ausbilden eines äußeren elektrisch leitenden Bereichs (12, 22) des Formkerns (10, 20) und Anbringen von zwei von außen zugänglichen elektrischen Kontakten zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs (12, 22) konstant ist oder gezielt variiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (12, 22) aus einem Formkerngrundmaterial besteht, das mit elektrisch leitfähigem Material, wie zum Beispiel Leitruß, Graphit, kurzen und/oder langen Kohlenstofffasern und/oder Metallpulver oder -fasern, angereichert ist, wobei der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials konstant ist oder gezielt variiert.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem inneren Bereich (13, 23) und dem äußeren Bereich (12, 22) glatt ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem inneren Bereich (13, 23) und dem äußeren Bereich (12, 22) rippenförmig ausgebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (18, 28) zwischen dem äußeren Bereich (12, 22) und dem inneren Bereich (13, 23) mit Silberlack beschichtet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des äußeren Bereichs (12, 22) auf den inneren Bereich (13, 23) als Aufbacken unter Druck- und/oder Hitzeeinwirkung erfolgt.
13. Verwendung eines Formkerns (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur (11) umfassend:
Einbringen eines zur Herstellung der Hohlstruktur (11) vorgesehenen Werkstoffs in eine Form; Einbringen des Formkerns (10, 20) in die Form;
Schließen der Form und Herstellen einer elektrischen Verbindung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden elektrischen Kontakte des Formkerns (10, 20) zum Beheizen des Werkstoffs; und
nach abgeschlossenem Aushärten des Werkstoffs zur Hohlstruktur (11) Lösen der elektrischen Verbindung und Ausspülen des Formkerns (10, 20) aus der Hohlstruktur (1 1) und der Form.
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