DE102008017508A1

DE102008017508A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils

Info

Publication number: DE102008017508A1
Application number: DE200810017508
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Gansen; Guido Hagel; Dirk Gross; Marc Dr. Herrmann
Original assignee: Otto Bock Schaumsysteme GmbH
Current assignee: Otto Bock Schaumsysteme GmbH
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009121615A3; TW200942395A; WO2009121615A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere 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: - 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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere 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 verschiedenen 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 eines 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. Alternativ 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. Befällt 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 Formzeiten 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 Faservertärkungen 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 typischerweise 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

– 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 des Formwerkzeugs eingebracht wird,
– das Reaktionsgemisch unter Vergrößerung des Kavitätsvolumens aufschäumen gelassen wird,
– das Formteil nach vorbestimmter Reaktionszeit entformt wird.

Für die Herstellung eines faserverstärkten Formteils mit aufgeschäumter Matrix in einer geschlossenen Form wird:

– die für das faserverstärkte Formteil vorgesehene Verstärkung – und gegebenenfalls zusätzliche Einlagen, Kernwerkstoffe und/oder Spacer – in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht,
– das Kavitätsvolumen der Form auf einen Bruchteil des späteren Formteilvolumens verkleinert,
– ein Treibmittel enthaltendes Reaktionsgemisch für die Matrix des Formteils in einem oder mehreren Schritten hergestellt und in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht,
– das Reaktionsgemisch unter Vergrößerung des Kavitätsvolumens aufschäumen gelassen und
– das Formteil nach vorbestimmter Reaktionszeit entformt.

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 geeignet 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 deutlich 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 Schaumvorgang 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 vorzugsweise 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, vorzugsweise 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 Kavität, 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 vorbestimmten 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 jeweili gen 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.
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 Rohstoffsystemen.
Die prinzipielle Abfolge der Verfahrensschritte in der Praxis ist folgendermaßen:
Zunächst wird das Formwerkzeug eingetrennt und das wie gewünscht geformte Verstärkungsmaterial 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 Oberwerkzeugs in Form eines Deckels oder Stempels. Danach wird die reaktive Matrixmasse über wenigstens einen Anguss oder Mischkopf eingetragen, bzw. eingeschossen. Die Zuführung wird danach ebenfalls verschlossen. Dann wird die Formwerkzeugkavität, d. h. deren Kavitätsvolumen, während der Reaktion und des Aufschäumens des Matrixmaterials wie gewünscht 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 bewegliche 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 Kavitätsvolumen 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:
1 das geöffnete Formwerkzeug mit eingelegter Verstärkung;
2 das geschlossene Formwerkzeug mit verkleinerter Kavität vor Einbringen der Gussmasse;
3 das geschlossene Formwerkzeug nach Erreichen der Endformzeit mit vergrößerter Kavität.
Wie in 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 eingelegten 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.
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 3 gezeigt, treibt die aufschäumende Polyurethan-Matrixmasse den Deckel 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 Formteiloberfläche 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 Spanner der Firma DE-STACO^®. Formwerkzeug- und Beispielspezifikationen:

Länge:	1350 mm
Breite:	350 mm
Höhe bei Max. Volumen:	19 mm
Höhe bei Min. Volumen:	11 mm
Werkzeug Temp:	60°C
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, 1 mm – 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 Kavitätsmaßen 1350 × 350 × 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

Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit aufgeschäumter Matrix in einem geschlossenen Formwerkzeug (10), dadurch gekennzeichnet, dass – 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.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit aufgeschäumter Matrix in einem geschlossenen Formwerkzeug (10) nach Anspruch 1, 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.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch für die Matrix eine Hartschaummasse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Polystyrol oder Polyurethan gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung eine Verstärkung aus organischen und/oder anorganischen Fa sern, vorzugsweise Karbonfasern, Glasfasern oder Basaltfasern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil eine Platte ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleinerung des Kavitätsvolumens unter Kompression der Verstärkung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das verkleinerte freie Volumen der Kavität (6) wenig größer oder gleich dem Schussvolumen der Matrixmasse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung des Volumens der Kavität (6) durch die Expansion der Matrix beim Aufschäumen bewirkt wird.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung des Volumens der Kavität (6) bis zu einem vorbestimmten maximalen Volumen geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Reaktionsgemisches für die Matrix in einem möglichst kurzen Zeitraum erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch für die Matrix so eingebracht wird, dass alle oder ein Großteil der Verstärkungsfasern, vorzugsweise über eine Formteilquerschnittsfläche verteilt, benetzt werden.
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.
Formwerkzeug (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formwerkzeug ein Anschlag (4) angeordnet ist, der das maximale Volumen der Kavität (6) begrenzt.
Formwerkzeug nach Anspruch 15 oder 16, 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.