DE10218560A1 - Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils - Google Patents

Abstract

Das Formteil wird in einem einzigen Behandlungsschritt gepreßt, thermisch gehärtet und thermisch oberflächenbehandelt, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden. Dies gestattet die Erzielung kurzer Behandlungszeiten bei energiesparender Prozeßführung und äußerst exakter Prozeßsteuerung. Außerdem kann der Preßling entgast werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils, insbesondere eines Reibbelags für einen Brems- oder Kupplungsbelag, wobei eine harzhaltige Preßmasse gepreßt und thermisch gehärtet wird.
• Die Erfindung ist anwendbar auf die Herstellung beliebiger harzgebundener Formteile, und zwar können diese sowohl als Einzelteil gefertigt als auch gleichzeitig mit Funktionsteilen verbunden werden. Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Reibbelägen für Brems- oder Kupplungsbeläge, und zwar gegebenenfalls unter gleichzeitiger Anbindung an zugehörige Trägerplatten mit oder ohne Zwischenschaltung einer Underlayer. Ein anderes Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Herstellung von Kohlebürsten für Elektromotoren.
• Bei den harzhaltigen Preßmassen handelt es sich um pulverförmige Gemische, die unter hohem Druck und oftmals unter gleichzeitiger Erwärmung gepreßt werden Die gleichzeitige Erwärmung dient dazu, die Harze anzuschmelzen und, je nach Höhe der Temperatur, die Vernetzung der Harze einzuleiten. Den Preßvorgang bezeichnet man auch als Formgebung. Aus der amorphen Preßmasse entsteht durch das Pressen ein Produkt, das nahezu seine endgültige Gestalt aufweist.
• Allerdings fehlt ihm noch die erforderliche Festigkeit. Diese wird durch das Härten erzeugt, also durch Wärmezufuhr unter hoher Temperatur, wobei die Vernetzung der als Bindemittel eingesetzten Phenolharze erfolgt.
• Bisher ist es üblich, eine Mehrzahl von einzeln gefertigten Preßlingen gleichzeitig dem thermischen Härten zu unterwerfen. Die Preßlinge wurden daher nach der Formgebung zwischengelagert, wobei sie sich auf Umgebungstemperatur abkühlen. Der Wärmeverlaust ist dann besonders groß, wenn das Pressen bereits unter Wärmezufuhr stattgefunden hat. Anschließend erfolgt dann die erneute Erwärmung im Härteofen.
• Die mehrmaligen Erwärmungsvorgänge sind energie- und zeitaufwendig. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Formteilherstellung zu beschleunigen und energetisch günstiger zu gestalten.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen und das thermische Härten in einem einzigen Behandlungsschritt durchgeführt werden, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden.
• Zwischen den beiden Behandlungsschritten erfolgt also keine Abkühlung mehr. Daher ist kein zusätzlicher Erwärmungsschritt erforderlich. Die Energie- und Zeitersparnis sind entsprechend hoch. Zusätzliche Energie- und Zeitersparnisse ergeben sich dadurch, daß sich die beiden Behandlungsschritte übergreifen, daß also während der Formgebung bereits das Härten einsetzt.
• Da keine Zwischenlagerung stattfindet, vermindert sich der Raumbedarf und auch der Handlingaufwand. Ferner sinken die Umlaufbestände.
• Während der Formgebung kann mit deutlich geringeren Preßkräften gearbeitet werden. Dies kommt der Standzeit der Werkzeuge zugute, und zwar auch dann, wenn an den Werkzeugstahl geringere Ansprüche gestellt werden.
• Schließlich ergibt sich eine Verminderung der Betriebsmittel. Es bedarf lediglich einer beheizbaren Formgebungspresse, in der die Werkstücke bis zu ihrer Fertigstellung verbleiben. Härteöfen können entfallen.
• Entfallen können ferner Spannrahmen zur Aufnahme der Preßlinge nach der Formgebung und vor dem Einsatz in den Härteofen. Auch hier vermindert sich der Handhabungsaufwand. Spannrahmen sind bisher erforderlich, um die Preßlinge vor und während des Härtevorgangs zu fixieren, weil die Preßlinge noch keine ausreichende Eigenstabilität erreicht haben. Auch können entstehende und entweichende Gase sonst zu einer Zerstörung der Produkte führen. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Handhabung der Preßlinge nach der Formgebung erforderlich ist, erübrigen sich entsprechende Maßnahmen.
• Bei Produkten, die eine gezielte Porosität aufweisen, ist oftmals die Endkompressibilität von entscheidender Bedeutung. Diese Produkteigenschaft wird durch den Preßvorgang und durch den Härtevorgang eingestellt. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Preßkräfte, die Preßzeiten und die Preßtemperaturen sehr exakt zu steuern und auf diese Weise sehr enge Kompressibilitätsgrenzen zu erzielen. Die Erfindung ermöglicht eine In Situ-Steuerung zur Einhaltung enger Produkttoleranzen. Die Preßvorgänge können kraft- und/oder wegabhängig gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Anpassung an unterschiedlichste Vorgaben und Betriebsbedingungen.
• Insbesondere bei der Herstellung von Bremsbelägen bedarf es außerdem einer Oberflächenbehandlung, nämlich einer starken Erwärmung der Reibfläche, um diese zu karbonisieren. Erst in karbonisiertem Zustand entwickelt der Reibbelag seine volle Reibwirkung. Durch das sogenannte Scorchen wird sichergestellt, daß der Reibbelag bereits von Beginn an seine volle Wirkung entfaltet.
• Auch die gehärteten Reibbeläge werden in der Regel nochmals zwischengelagert, bis die Oberflächenerwärmung zum Durchführen des Scorchens erfolgt.
• In Weiterbildung der Erfindung hingegen besteht die Möglichkeit, die thermische Oberflächenbehandlung in den einzigen Behandlungsschritt zu integrieren. Auch insoweit entfallen also zusätzliche Handhabungsschritte sowie eine weitere Erwärmung. Von Bedeutung ist ferner, daß das Scorchen zeitgleich mit dem thermischen Härten erfolgen kann. Die Behandlungsdauer vom Beginn des Pressens bis zur Beendigung der Oberflächenbehandlung ist also extrem kurz.
• Vorzugsweise wird zum thermischen Härten und zur thermischen Oberflächenbehandlung elektrischer Strom durch die Preßmasse hindurchgeleitet. Die Wärme wird also nicht von außen zugeführt, sondern innerhalb der Preßmasse erzeugt. Man macht sich den Umstand zunutze, daß die Preßmasse elektrisch leitfähig ist und sich daher unter Stromdurchfluß erwärmt.
• Ferner wird vorgeschlagen, daß gleichzeitig und/oder nacheinander elektrische Stromflüsse erzeugt werden, die einerseits durch die Preßmasse hindurchgehen und andererseits nahe der zu behandelnden Fläche etwa parallel zu dieser verlaufen. Der durch die Preßmasse hindurchgehende Stromfluß dient dem Härten, während der andere Stromfluß das Scorchen bewirkt. Handelt es sich um einen Reibbelag mit Trägerplatte, so beschränkt sich das Scorchen auf die Reibfläche. Ist keine Trägerplatte vorgesehen, können beide Flächen des Belages gescorcht werden. Wie bereits erwähnt, ist das gleichzeitige Scorchen und Härten besonders vorteilhaft. Die beiden Maßnahmen können sich allerdings zeitlich auch mehr oder weniger überlappen.
• Je nach den Anforderungen sind die Stromflüsse von unterschiedlicher Stärke.
• Auf der zu scorchenden Seite des Reibbelags arbeitet man vorzugsweise mit einer Matrix von Elektroden, die abwechselnd entgegengesetzt gepolt sind. Ein Teil der Elektroden arbeitet dabei sowohl mit der entgegengesetzten Abstützung der Presse als auch mit dem anderen Teil der Elektroden zusammen.
• Während des Preßvorganges und während des Härtens entstehen Reaktionsgase in der Preßmasse. Daher wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Preßmasse während des Behandlungsschrittes kontinuierlich oder intermitierend zu entgasen. Dabei entweicht dann auch die beim Pressen eingeschlossene Luft.
• Die Entgasung der Preßmasse kann in Preßrichtung und/oder quer dazu durchgeführt werden. Eine radiale Entgasung ist deshalb ganz besonders vorteilhaft, weil die seitlichen Flächen des Preßlings weniger geglättet und verfestigt sind als die am Stempel und an der Stopfenstempelhalteplatte anliegenden Flächen. Bevorzugt hält man den Preßling zwischen dem Stempel und der Stopfenstempelhalteplatte eingespannt, während man den Profileinsatz der Form, der beim Pressen und anfänglich beim Härten den Spannrahmen bildet, vom Preßling nach oben oder nach unten abzieht und dadurch die radialen Flächen des Preßlings freilegt. Diese Maßnahme eignet sich insbesondere auch für ein Härten unter Stromzufuhr, da der Stempel und die Stopfenstempelhalteplatte bei abgezogenem Profileinsatz elektrisch gegeneinander isoliert sind und nur über den Preßling in elektrisch leitender Verbindung stehen.
• Zur weiteren Energieersparnis wird vorgeschlagen, den Behandlungsschritt unter Wärmeisolation durchzuführen.
• Von wesentlicher Bedeutung ist, daß durch die angepaßte und optimierte Druck- und Temperatursteuerung eine integrierte Wärmebehandlung in einem einzigen Behandlungsschritt ermöglicht wird.
Beispiel
• Ein Preßwerkzeug wird in üblicher Weise mit Preßmasse gefüllt. Sodann wird die Stopfenstempelhalteplatte auf den Profileinsatz des Werkzeugs abgesenkt. Zwischen dem Profileinsatz und der Stopfenstempelhalteplatte wird eine Schließkraft erzeugt, und sodann wird zwischen dem Stempel und der aus Stopfenstempelhalteplatte und Profileinsatz bestehende Baugruppe die Formgebungskraft erzeugt. Der Formgebungsvorgang ist im Sekundenzeitraum abgeschlossen. Sodann kann die Schließkraft aufgehoben werden. Gleichzeitig wird die Formgebungskraft auf dasjenige Maß minimiert, daß notwenig ist, um eine unzulässige Verformung des Preßlings unter dem Gasinnendruck zu vermeiden und um die Kompressibilitätseigenschaften des Preßlings einzustellen. Diese Kraft wird als Spannkraft bezeichnet.
• Synchron mit dem Abbau der Kräfte wird der Profileinsatz abgesenkt. Der Preßling kann nun über seine radialen Bereiche ausgasen.
• Da harzgebundene Preßmassen unter Spannkrafteinwirkung in bestimmten Temperaturbereichen irreversibel komprimiert werden können, bleibt die Spannkraft nur über einen festzulegenden Weg aufrechterhalten. Sie muß auf ein Maß reduziert werden, daß nur eine vorher eingestellte, zulässige Komprimierung ergibt. Wird der im Spannvorgang zurückgelegt Weg begrenzt und ist ein akzeptiertes Schrumpfmaß erreicht, wird durch eine Arretierung jede weitere Wegänderung verhindert.
• Sobald der Profileinsatz abgesenkt worden ist, kann zwischen der Reibseite des eingespannten Preßlings und der Stopfenstempelhalteplatte eine elektrische Spannung angelegt werden. Hierzu ist die Stopfenstempelhalteplatte elektrisch gegen den Maschinenkörper isoliert. Der durch den Preßling hindurchfließende Strom erwärmt die Preßmasse homogen von innen heraus.
• Zum gleichzeitigen Härten und Scorchen durch elektrischen Strom verwendet man auf derjenigen Seite des Preßlings, die oberflächenbehandelt werden soll, eine Matrix aus Elektroden mit abwechselnder Polarität. Ein Teil des Stroms fließt zur anderen Seite des Werkzeugs und bewirkt das Härten. Ein anderer Teil des Stroms fließt zwischen benachbarten Elektroden und besorgt das Scorchen der zugehörigen Oberfläche.
• Die Anlage ist mit Einrichtungen versehen, welche die Dicke des Preßlings erfassen, Wegänderungen während des Prozesses registrieren und der In Situ-Steuerung des Prozesses dienen.
• Temperaturfühler mit Produktkontakt befinden sind im Stempel und in der Stopfenstempelhalteplatte. Die Produkttemperatur während des Spannens wird durch Kontakt eines Sensors an der Ausformschräge des Preßlings gemessen. Die Temperaturerfassung dient ebenfalls der In Situ-Steuerung des Prozesses.
• Die relativ hohe Formgebungskraft kann aus dem Druck eines Hydrauliksystems oder über den Stempel abgegriffen werden. Die niedrigere Spannkraft muß genau gemessen und eingehalten werden. Daher ist die Stopfenstempelhalteplatte mit entsprechenden Kraftsensoren ausgestattet. Die Informationen aus den Kraftmessungen dienen ebenfalls der In Situ-Steuerung des Prozesses.
• Gase, die während des Prozesses entstehen, werden durch eine den Preßling umschließende Absaubeinrichtung so abgeführt, daß möglichst wenig Fremdluft erfaßt wird. Der Preßling soll sich durch Fremdlufteinwirkung nicht abkühlen. Ggf. wird konditionierte Zuluft zugeführt.
• Die Formgebungszeit kann unter einer Sekunde liegen. Die Formgebungstemperatur beträgt 20°C bis 230°C. Die Spanntemperatur während des Härtens kann bis zu 800°C betragen.
• Die Formgebungskraft liegt bei 5 kN bis 250 kN oder mehr, während die Spannkraft 0,5 kN bis 7 kN oder mehr beträgt. Beide Kräfte sind während der Behandlung veränderbar. Die Dauer des Spannens kann unter fünf Sekunden liegen.
• Das Verfahren läßt sich mit einer Anlage geringer Baugröße durchführen, beispielsweise mit einer Anlage, die einen mobilen und modularen Aufbau besitzt. Dabei besteht kein Unterschied zwischen Kalt- und Heißpressen. Da gasbedingte Fehler (Blasen, Risse, ggf. Kantenlösen) vermieden werden, ergibt sich eine sehr geringe Schrottrate.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines harzgebundenen Formteils, insbesondere eines Reibbelags für einen Brems- oder Kupplungsbelag, wobei eine harzhaltige Preßmasse gepreßt und thermisch gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen und das thermische Härten in einem einzigen Behandlungsschritt durchgeführt werden, wobei der Druck und die Temperatur gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzigen Behandlungsschritt eine thermische Oberflächenbehandlung integriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermischen Härten und zur thermischen Oberflächenbehandlung elektrischer Strom durch die Preßmasse hindurchgeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder nacheinander elektrische Stromflüsse erzeugt werden, die einerseits durch die Preßmasse hindurch gehen und andererseits nahe der zu behandelnden Fläche etwa parallel zu dieser verlaufen.

5. Verfahren nach Anpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflüsse in unterschiedlicher Stärke erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßmasse während des Behandlungsschrittes kontinuierlich oder intermettierend entgast wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasung der Preßmasse in Preßrichtung und/oder quer dazu durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsschritt unter Wäremeisolation durchgeführt wird.