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Die vorliegende Erfindung kann im Zusammenhang mit dem Formen
von hohlen Kunststoffteilen, die Schichten aus verstärktem
Kunststoff aufweisen, verwendet werden. Die fraglichen
Kunststoffteile werden im Zusammenhang mit der Erfindung als
Hohlkörper bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von hohlen
Körpern, die mindestens eine Schicht aus verstärktem
Kunststoff aufweisen.
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Die Erfindung kann in vielen verschiedenen Gebieten eingesetzt
werden, wo ein Bedarf an Hohlkörpern besteht, welche
verstärkten Kunststoff aufweisen, z. B. auf dem Gebiet der Herstellung
von Fahrzeugkomponenten, die aus verstärktem Kunststoff
bestehen.
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Zur Zeit gibt es verschiedene Herstellungsverfahren für
verstärkte Kunststoffteile. Ein solches vorbekanntes Verfahren
ist das sogenannte Drucksackverfahren, das bei der
Massenproduktion von hohlen verstärkten Kunststoffteilen eingesetzt
wird und darin besteht, dass Verstärkungsmaterial in Form von
ausgeschnittenen Gewebestücken, Geflecht, SMC (Up-Formmasse
oder -Harzmatte) oder vorgeformten Glasfaserverstärkungen in
eine zweiteilige Form eingelegt wird. Ein Drucksack o. dgl.
bestehend aus einem weichen, flexiblen Material, wird in die
Form in das Verstärkungsmaterial eingelegt, danach wird die
Form beschlossen. Matrixmaterial in Form von härterinitiiertem
Polyesterharz wird dann in die Form eingespritzt, um das
Verstärkungsmaterial zu durchtränken, der Drucksack wird einem
Druck von 0,5 bis 1 MPa unterworfen. Auf diese Weise wird das
Verstärkungsmaterial, das jetzt mit dem Härtermaterial
durchtränkt ist, gegen die Innenseite der Form mit gutem Kontakt
gedrückt. Nachdem das Matrixmaterial ausreichend ausgehärtet
ist, werden die Formhälften geöffnet und der Hohlkörper aus
glasfaserverstärktem Polyesterkunststoff kann entnommen
werden. Ein Beispiel eines solchen Verfahren ist in US 36 10 563
beschrieben.
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Eine modifizierte Variante des Drucksackverfahren wird bei der
Herstellung von länglichen Hohlkörpern, wie Masten und
Fahnenstangen verwendet. Hier wird das Verstärkungsmaterial
zerschnitten und auf einer Folie angeordnet, welche sowohl als
äußere Form als auch als Ablöseschicht dient. Eine Blase aus
weichem und flexiblem Material wird oben auf das
Verstärkungsmaterial gesetzt, wobei die Blase im aufgeblasenen Zustand
etwa die Innenabmessungen des fertigen Produktes haben wird. Die
Blase wird dann zu dem gleichen Zeitpunkt, an dem das
Verstärkungsmaterial um die aufgeblasene Blase gelegt und in dieser
Stellung befestigt wird, einem geringen Druck ausgesetzt. Es
kann mit Hilfe vom Klemmvorrichtungen o. dgl. festgelegt
werden. Polymerisationsinitiiertes Esterharz mit Härtemittel oder
ein anderes ähnliches Matrixmaterial wird dann in die Form
gegossen, welche zwischen der rundgefalteten Folie auf der
Außenseite und der aufgeblasenen Blase auf der Innenseite
gebildet ist, wobei das Verstärkungsmaterial mit dem Matrixmaterial
durchtränkt ist. Die Form wird in diesem Zustand belassen, bis
das Matrixmaterial ausreichend ausgehärtet ist, um eine
Freigabe der Form zu ermöglichen.
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Ein weiteres bekanntes Herstellungsverfahren für Teile aus
verstärktem Kunststoff besteht darin, dass ein Kern aus sich
ausdehnendem Thermokunststoff verwendet wird. Dieses Verfahren
ist hauptsächlich für die Herstellung kleinerer Bestandteile,
wie Gitarrenhälse und Kanupaddel geeignet. Bei diesem
Verfahren wird Verstärkungsmaterial in eine zweiteilige Form
eingelegt, danach wird ein Kern aus sich unter Wärme ausdehnendem
Thermokunststoff in das Verstärkungsmaterial gesetzt, die
Formhälften werden zusammengepresst und gleichzeitig beheizt,
der Thermokunststoff dehnt sich aus und füllt den Hohlraum in
der Form zur gleichen Zeit aus, wie der geschmolzene
Thermokunststoff das Verstärkungsmaterial durchtränkt. Nach dem
Abkühlen erhält man ein Kunststoffteil mit einem Kern aus
expandiertem Thermokunststoff, der von dem Matrixmaterial auf der
Oberseite der Komponente umschlossen ist.
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Bei einem weiteren vorbekannten Herstellungsverfahren können
Hohlkörper durch Warmformen hergestellt werden, wobei massive
Kerne verwendet werden, die entweder entfernt werden können
oder als bleibender Bestandteil des fertigen Kunststoffteils
bestehen bleiben können. Dieses Verfahren kann auch für die
Herstellung von Teilen aus verstärktem Kunststoff verwendet
werden, wobei das Verstärkungsmaterial in Form eines
fertiggewebten Strumpfes, welcher über den Kern gezogen wird, oder in
Form von ausgeschnittenen Verstärkungsmaterialstücken, welche
um den Kern drapiert sind, zu dem Kern hinzugefügt wird.
Verschiedene Arten von Polyurethanschaumstoff sind das am
häufigsten verwendete Material für diese Permanentkerne. Als
entfernbare Kerne kommen als mögliche Materialien Wachs,
Paraffin, Sand mit Binder und Metalllegierungen mit niedrigem
Schmelzpunkt in Betracht.
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Ein weiteres vorbekanntes Herstellungsverfahren für einfachere
Hohlkörper aus verstärktem Kunststoff ist das sogenannte
Wickeln. Bei diesem Verfahren können blasgeformte, feste
Hohlkörper als Permanentkern verwendet werden und
harzimprägniertes Verstärkungsmaterial in Form von sogenannten Rovings wird
in einem vorgegebenen Muster um den Kern gewickelt und
anschließend ausgehärtet.
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Bei der Herstellung von Golfschlägerschäften z. B. wird das
sogenannte Profilextrudieren oder Strangpressen verwendet.
Dieses Verfahren erzeugt starkes, längs ausgerichtetes Material
hinsichtlich
der Verstärkungsfasern oder Fäden. Um
verbesserte Materialeigenschaften zu erhalten, kann dieses Verfahren
mit dem oben beschriebenen Wickeln kombiniert werden.
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Ein weiteres Herstellungsverfahren zur Herstellung hohler
Artikel ist in der US 50 80 850 beschrieben, bei dem in einem
ersten Verfahrensschritt ein vorgeformter zusammenfaltbarer
hohler Kern mit einer über den Umfang veränderlichen Dicke
hergestellt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt werden
fasern um den Kern gewickelt. Um dem Druck beim Wickeln
standzuhalten kann der Kern während des Wickelns unter Druck
gesetzt werden.
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Die vorbeschriebenen Herstellungsverfahren zur Herstellung
hohler Körper aus verstärktem Kunststoff weisen verschiedene
Nachteile auf.
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Bei den Herstellungsverfahren, die ein aufblasbares Rohr, eine
Blase oder eine weiche Membrane als Kern verwenden, kann die
Anbringung des Verstärkungsmaterials auf der Außenseite des
Kernes als schwierig angesehen werden, da das weiche Rohr oder
die Blase keine stabile Unterstützung darstellt, wenn das
Verstärkungsmaterial angebracht wird. Außerdem weist eine weiche
Membrane dieser Art keine definierte Form im drucklosen
Zustand auf, d. h. wenn das Verstärkungsmaterial aufgebracht
wird.
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Verfahren, welche Kerne aus sich ausdehnendem Thermokunststoff
verwenden, bringen oft teure Endprodukte hervor und bei
Anwendungen, bei denen ein geringes Gewicht wichtig ist, können sie
Probleme verursachen, weil das Gewicht des Endprodukts im
Vergleich zu Hohlkörpern zu groß ist.
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Massive Kerne herkömmlicher Art ergeben eine ausgezeichnete
Unterstützung für die Aufbringung von Verstärkungsmaterial,
aber sie sind relativ teuer. Außerdem wird die Druckkraft, die
das Verstärkungsmaterial formen muss, von außen zugeführt, was
die Ausgestaltung des Formwerkzeugs und den
Herstellungsvorgang verkomplizieren kann.
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Verfahren, welche massive Kerne verwenden, können auch
Probleme hinsichtlich der Tatsache verursachen, dass das
Verstärkungsmaterial nicht in zufriedenstellenden Kontakt mit den
Innenwänden des Formwerkzeugs gedrückt wird.
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Somit besteht eine erste Aufgabe der Erfindung darin, ein
Verfahren zum Formen von hohlen Körpern, die mindestens eine
Schicht aus verstärktem Kunststoff aufweisen, anzugeben, wobei
das Verfahren die obengenannten Schwierigkeiten beseitigt, die
in der Anbringung von Verstärkungsmaterial an weichen
Druckmembranen nach dem Stand der Technik bestehen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem beigefügten
Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden in allen Einzelheiten mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Druckmembrane zur
Verwendung bei der Ausführung der Erfindung,
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Fig. 2 eine Abbildung eines Verfahrens nach der Erfindung,
welche die wichtigsten Teile und Verfahrensschritte
zeigt,
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Fig. 3 einen Querschnitt eines Hohlkörpers, hergestellt
nach der. Erfindung.
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Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
wird eine Druckmembrane gemäß Fig. 1 in Form eines vorgeformten
hohlen Kerns, bestehend aus einem steifen, dünnwandigen
jedoch gleichwohl dehnbaren Matetrial, verwendet.
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Eine selbsttragende Druckmembrane 1 dieser Art kann nach einem
geeigneten Herstellungsverfahren hergestellt werden, welches
Fachleuten für die Herstellung hohler Kunststoffteile bekannt
ist, zum Beispiel durch Blasformen oder Pressformen.
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Die Wände 2, 2' der Druckmembrane 1 können aus einer Anzahl
verschiedener Kunststoffmaterialien bestehen, solange das
Wandmaterial in einen hohlen, dünnwandigen Kern mit der
gewünschten Form geformt werden kann und so lange das verwendete
Material in der Lage ist, sowohl eine ausreichende Steifheit
als auch Dehnbarkeit/Elastizität für die Anwendung zu
gewährleisten und das Wandmaterial die Eigenschaften aufweist,
welche für eine Druckbeaufschlagung der Druckmembrane
erforderlich sind.
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Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung bestehen die
Wände 2, 2' der Druckmembrane 1 aus einem thermoplastischen
Polyestermaterial, welches zu der gewünschten und im wesentlichen
hohlen Form und in die gewünschten Abmessungen blasgeformt
ist.
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Gemäß der Erfindung weist die Druckmembrane 1 wenigstens eine
zweckmäßig ausgebildete Öffnung o. dgl., d. h. einen
Druckanschluss 3, zur Verbindung mit einem Druckerzeuger auf.
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Fig. 2 ist eine Abbildung einer Anordnung und eines Verfahrens
nach der Erfindung. Die wichtigsten Schritte nach einer ersten
bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens nach der
Erfindung werden im folgenden beschrieben, zusammen mit der
Beschreibung einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer
Vorrichtung nach der Erfindung.
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Nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
eine Materialbeschichtung 5, bestehend aus einem gewebten Textilmaterial
mit 50 Gewichts-% Glasfasern als
Verstärkungsfasern und einem Matrixmaterial in Form von 50 Gewichts-%
Polyesterfasern, auf die Außenseite der Druckmembrane 1
aufgebracht 4. Obwohl dies für die beschriebene Ausführungsform
zutrifft, kann die Zusammensetzung der Materialbeschichtung auf
viele andere Arten variiert werden, wie im folgenden
beschrieben wird.
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Bei der ersten Ausführungsform besteht die
Materialbeschichtung 5 mit dem Verstärkungsmaterial und dem Matrixmaterial aus
einem aus Textilmaterial bestehenden Netz, das auf die
Druckmembrane 1 aufgebracht wird 4. Dies geschieht bei der
beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die
Materialbeschichtung 5 um die Druckmembrane 1 drapiert und befestigt
wird, zum Beispiel mit einem thermoplastischen Band 6.
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Auf Grund der Tatsache, dass die Druckmembrane 1 bereits im
drucklosen Zustand selbsttragend ist, bildet sie eine
zuverlässige Unterstützung für die Anbringung 4 der
Materialbeschichtung 5.
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Die mit der Materialbeschichtung überzogene selbsttragende
Druckmembrane 7 wird dann in ein zweiteiliges, sich in einer
Öffnungsstellung befindliches Formwerkzeug (nicht dargestellt)
eingelegt 8, danach wird der Druckanschluss 3', 3" der
Druckmembrane mit einem Druckerzeuger 9 verbunden, welcher in der
beschriebenen Ausführungsform ein Druckluftkompressor ist.
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Danach werden die Hälften 11, 11' des Formwerkzeugs 10 um die
von der Materialbeschichtung 5 umgebene Druckmembrane 7
geschlossen.
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Die selbsttragende Druckmembrane wird dann mit Hilfe eines
Druckmediums 12 unter Druck gesetzt, welches in der
beschriebenen Ausführungsform Druckluft von dem Kompressor 9 ist. Als
Folge davon wird das elastische Wandmaterial der selbsttragenden
Druckmembrane 1 ausgedehnt und presst dadurch die äußere
Materialbeschichtung 5 gegen die Innenwände des geschlossenen
Formwerkzeugs 10. Die Wände des Formwerkzeugs 10 sind in
diesem Fall auf eine Temperatur aufgeheizt, welche die
Erweichungstemperatur der thermoplastischen Matrixfasern
übersteigt, in der beschriebenen Ausführungsform ungefähr 220ºC.
Als Folge davon erweicht das thermoplastische Matrixmaterial
oder schmilzt teilweise und eine Verschmelzung und Formung der
Materialbeschichtung wird erreicht. Der Druck in der
Druckmembrane 1 beträgt in der beschriebenen Ausführungsform
ungefähr 5 bar, aber er kann auf der Basis der gewünschten
Anwendung und auf der Basis der Ergebnisse von Warmformversuchen
angepasst werden.
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Nach dem Formvorgang wird das Formwerkzeug 10 auf etwa
Zimmertemperatur abgekühlt, der Innendruck in der Druckmembrane wird
abgelassen und der Anschluss 3" zum Druckerzeuger 9 wird
getrennt. Nachdem das zweiteilige Formwerkzeug 10 geöffnet
worden ist, kann der Hohlkörper aus verstärktem Kunststoff
entnommen werden 13.
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Nach einem alternativen Verfahren wird die
Materialbeschichtung bereits aufgeheizt, bevor die Materialbeschichtung und
die Druckmembrane in das Formwerkzeug eingesetzt werden,
anstatt dass ein Heizen in dem Formwerkzeug stattfindet.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
hat der fertige Hohlkörper 14 einen bestimmten Aufbau, bei dem
die selbsttragende Druckmembrane einen integralen Teil bildet.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Hohlkörpers 14, der mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform bestehen die Wände
des Hohlkörpers 14, vom Inneren des Innenhohlraums 15 aus
gezählt, aus einer ersten Schicht 16 aus thermoplastischem Material,
entstanden aus der vorgeformten, selbsttragenden
Druckmembrane. Auf der Außenseite der ersten Schicht folgt eine
zweite Schicht 17, entstanden aus der
Textilmaterialbeschichtung, wobei diese zweite Schicht 17 Verstärkungsmaterial in
Form von Glasfasern und Matrixmaterial in Form von
Polyesterfasern enthält. Während des Formens sind die thermoplastischen
Polyesterfasern wenigstens teilweise geschmolzen und fungieren
im fertigen Hohlkörper im wesentlichen als Binder für die
Verstärkungsfasern. Die thermoplastischen Matrixfasern in der
zweiten Schicht 17 geben der ersten Schicht 16 durch
thermische Bindung zusätzlich einen bestimmten Grad an Haftfähigkeit
an der ersten Schicht 16.
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Durch die Verwendung der vorgeformten, selbsttragenden
Druckmembrane beim Verfahren nach der Erfindung ist es möglich,
einen Hohlkörper aus verstärktem Kunststoff mit einer größeren
Dicke in einem gewünschten Wandbereich des Hohlkörpers 14
herzustellen. Ein solcher Bereich 18 ist in Fig. 3 gezeigt.
Diesen Bereich 18 hat man dadurch erhalten, dass die
selbsttragende Druckmembrane während ihrer Vorformung mit einer inneren
Krümmung 19 an einer Stelle versehen wurde, wo an dem fertigen
Hohlkörper 14 eine größere Materialdicke gewünscht wird. Durch
die Anwendung eines geeigneten Druckes in der Druckmembrane
während des Formens des Hohlkörpers 14 wird die innere
Krümmung 19 in der Druckmembrane während des Formvorganges an der
Stelle bleiben und als Folge davon wird sich mehr
Verstärkungsmaterial und Matrixmaterial an dieser Stelle sammeln.
Dies erzeugt eine größere örtliche Materialdicke in diesem
Wandbereich des fertigen Hohlkörpers 14.
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In Fällen, in denen eine örtlich größere Materialdicke
gewünscht wird, besteht ein alternatives Verfahren zum Beispiel
darin, doppelte Schichten von Materialverstärkungen im Bereich
18 vor dem Formen anzuordnen.
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Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
die unter Hinweis auf Fig. 2 beschrieben ist, wird in einem
ersten Schritt eine Materialbeschichtung 5 auf die Außenseite
einer selbsttragenden Druckmembrane 1 aufgebracht, ähnlich wie
bei der ersten Ausführungsform.
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Bei der zweiten Ausführungsform besteht die
Materialbeschichtung 5 ausschließlich aus Verstärkungsmaterial, in diesem Fall
aus Glasfasern in Form eines Gewebes, welches in geeigneter
Weise um die selbsttragende Druckmembrane 1 drapiert und an
ihr befestigt wird. Auch bei dieser zweiten Ausführungsform
erfolgt dies mittels der Materialverstärkung 5, die um die
Druckmembrane 1 drapiert und durch geeignete Mittel 6, z. B.
eine Klebeband, befestigt wird.
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Die selbsttragende Membrane 1 wird dann mit der umgebenden
Materialverstärkung 5 in ein sich in Öffnungsstellung
befindliches zweiteiliges Formwerkzeug (nicht gezeigt) eingesetzt.
Danach wird die Druckmembrane an einen Druckerzeuger 9
angeschlossen, in der beschriebenen Ausführungsform ein
Druckluftkompressor.
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Danach werden die Hälften 11, 11' des Formwerkzeugs 10 um die
von der Materialbeschichtung 5 umgebene selbsttragende
Druckmembrane 7 geschlossen und ein wärmeaushärtbarer Kunststoff,
hier ein Polyesterharz, wird über ein Einspritzelement 20,
welches für diesen Fall vorgesehen ist (gestrichelt
dargestellt), in das Formwerkzeug 10 eingespritzt, um die aus
Verstärkungsmaterial bestehende Materialverstärkung 5 zu
durchtränken. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das
Aushärten des wärmeaushärtbaren Kunststoffs schon eingeleitet,
wenn er in das Formwerkzeug 10 gespritzt wird.
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Die selbsttragende Druckmembrane wird dann in der gleichen
Weise wie bei der ersten Ausführungsform mit Hilfe von
Druckluft aus einem Kompressor 9 unter Druck gesetzt. Als Folge davon
werden die Wände der Druckmembrane ausgedehnt und dadurch
wird die äußere Materialbeschichtung 5 gegen die Innenwände
des Formwerkzeugs 10 zum Formen gepresst. Falls erforderlich
kann durch ein Beheizen der Innenwände des Formwerkzeugs 10
die Verschmelzung und Formung beschleunig werden.
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Nachdem der wärmeaushärtbare Kunststoff, hier Polyester,
ausreichend ausgehärtet ist, wird der Druck in der Druckmembrane
abgelassen und der Anschluss 3' zum Druckerzeuger 9 gelöst.
Nach dem Öffnen des Formwerkzeugs 10 kann der Hohlkörper 14
aus dem Formwerkzeug entnommen werden.
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Auch bei dieser zweiten Ausführungsform hat der fertige
Hohlkörper nach der Erfindung einen bestimmten Aufbau, bei dem die
selbsttragende Druckmembrane einen integralen Teil bildet.
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Wie schon erwähnt zeigt Fig. 3 einen Querschnitt durch einen
nach der Erfindung hergestellten Hohlkörper 14. Bei der
zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht der Hohlkörper 14 von
innen nach außen aus einer ersten Schicht 16 aus
thermoplastischem Material, entstanden aus der vorgeformten,
selbsttragenden Druckmembrane. Auf deren Außenseite folgt eine zweite
Schicht 17, entstanden aus der Textilmaterialbeschichtung,
wobei diese zweite Schicht 17 bei der beschriebenen
Ausführungsform Verstärkungsmaterial in Form von Glasfasern und
ausgehärtetem Polyesterharz als Matrixmaterial enthält, welches im
wesentlichen als Binder für die Verstärkungsfasern dient und
zumindest einen bestimmten Grad an Haftfähigkeit an der ersten
Schicht 16 erzeugt.
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Auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform kann
der nach der zweiten Ausführungsform hergestellte Hohlkörper
14 mit einem Wandbereich 18 mit größerer örtlicher
Materialdicke versehen sein.
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Die Erfindung wurde oben mit Hinweis auf die beigefügten
Figuren und auf der Basis bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung in keiner Weise
auf diese Beispiele beschränkt ist und stattdessen ihr Umfang
durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt ist.
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Somit ist es unter bestimmten Umständen, zum Beispiel, wenn
ein möglichst niedriges Gewicht gefordert wird und es die Form
des Hohlkörpers zulässt, möglich, die Druckmembrane aus dem
fertigen Hohlkörper zu entfernen.
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Da der bei der Erfindung benutzten Druckmembrane eine Form
gegeben werden kann, welche den Innenabmessungen eines im
Formwerkzeug herzustellenden Hohlkörper bestens angepasst ist,
wird eine Zahl von Vorteilen erzielt. Einer der Vorteile
besteht darin, dass eine verbesserte Überwachung und ebenso
Steuerung und Regelung der Dicke einer aufgebrachten
Materialverstärkung durch eine Anpassung der Form und der Abmessungen
der Druckmembrane bezüglich der Form und der Abmessungen des
Innenhohlraums in dem Formwerkzeug bezüglich der Dicke der
Materialverstärkung und bezüglich der gewünschten Materialdicke
des fertigen Hohlkörpers möglich ist.
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Wenn die Druckmembrane ein Innenteil des fertigen Hohlkörpers
bilden söll und nicht entfernt zu werden braucht, bestehen
keine großen Beschränkungen hinsichtlich der Form der
vorgeformten Druckmembrane. Die Form der Druckmembrane kann in
diesem Fall auf der Form des herzustellenden Hohlkörpers basieren
und auch an die Innenabmessungen des Formwerkzeugs angepasst
werden, so dass die Außenabmessungen der Druckmembrane nur
geringfügig kleiner sind als die Innenabmessungen des
Innenhohlraums des Formwerkzeugs, abhängend von der gewünschten
Materialdicke und dem gewünschten örtlichen Formdruck.
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Die bei der Erfindung verwendete Druckmembrane unterscheidet
sich von bisher gebräuchlichen Membranen in einer Vielzahl von
Punkten, welche schon erklärt worden sind.
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Ein solcher wesentlicher Unterschied im Vergleich zum Stand
der Technik besteht darin, dass die Druckmembrane schon im
drucklosen Zustand eine Form aufweist, die im Grunde mit dem
zu bildenden Hohlkörper übereinstimmt. Dies kann auch dadurch
ausgedrückt werden, dass man sagt, dass die imaginären
Mittelachsen von Schwerpunkten der Druckmembrane im drucklosen
Zustand im wesentlichen mit den zugehörigen imaginären
Mittelachsen von Schwerpunkten des Innenhohlraums des verwendeten
Formwerkzeugs zusammenfallen, wenn das Formwerkzeug
geschlossen ist.
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In den Fig. 1 und 2 sind diese imaginären Längsmittelachsen
von Schwerpunkten der Druckmembrane mit den Positionsziffern
a, b und c bezeichnet.
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Ein typisches Merkmal der beim Ausführen der Erfindung
verwendeten Druckmembrane besteht darin, dass bei der Herstellung
der verstärkten Kunststoffbestandteile mit einer komplizierten
Form die imaginären Längsmittelachsen von Schwerpunkten in
verschiedenen Bereichen der Druckmembrane sowohl im drucklosen
Zustand der Druckmembrane als auch im druckbeaufschlagten
Zustand im wesentlichen miteinander zusammenfallen und dass die
imaginären Fortsetzungen der imaginären Längsmittelachsen von
Schwerpunkten sowohl im drucklosen Zustand der Druckmembrane
als auch im druckbeaufschlagten Zustand parallel zueinander
verlaufen oder sich kreuzen.
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Polyester ist das am meisten bevorzugte Kunststoffmaterial zur
Verwendung als Wandmaterial für die Druckmembrane, obwohl es
auch Vorstellbar ist, andere geeignete Polymere wie
Polypropylen, Polyamid oder Weichpolystyren zu verwenden.
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Warmblasen gemäß dem Stand der Technik wird vorteilhafterweise
zum Formen der selbsttragenden Druckmembrane zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung verwendet, obwohl auch andere
bekannte Formverfahren, wie Thermoformen, verwendet werden
können.
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In Fällen, bei denen aus irgendeinem Grund eine zusätzliche
Stabilisierung der Druckmembrane gewünscht wird, kann der
Hohlraum innerhalb der Druckmembrane mit Sand oder anderem
pulverigen Material ausgefüllt werden, das nach Abschluss des
Formvorgangs entfernt werden kann.
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Das Material für die Wände der Druckmembrane muss so gewählt
werden, dass die Wände für das bei der Ausführung der
Erfindung verwendete Druckmedium im wesentlichen undurchlässig
sind. Mögliche Druckmittel sind verschiedene wässrige oder
Kohlenwasserstoff enthaltende Flüssigkeiten, Luft, Stickstoff
oder Wasserdampf, obwohl auch andere Druckmedien vorstellbar
sind. So können sowohl Druckluft als auch Hydraulik zum
Erzeugen des Drucks verwendet werden. Der Druck kann in
Übereinstimmung mit der Anwendung und den verwendeten Materialien
ausgewählt werden.
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Die Dicke der Wände der Druckmembrane und die Auswahl des
Materials ist sehr flexibel, aber muss einerseits so angepasst
werden, dass die Druckmembrane eine stabile Unterstützung für
die Anbringung eine Materialverstärkung darauf bildet, aber
andererseits auch so, dass die Wände gleichzeitig elastisch
genug sind, um eine äußere Materialverstärkung in guten
Kontakt mit dem umgebenden Formwerkzeug zu pressen. Zusätzlich
muss das Wandmaterial, wie bereist erwähnt, für das verwendete
Druckmedium im wesentlichen undurchlässig sein. Wenn die
Druckmembrane aus einem fertigen Hohlkörper entfernt werden
muss, sind die Wände der Druckmembrane zweckmäßigerweise mit
einer Ablöseschicht o. dgl. Überzogen.
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Das in der Materialverstärkung verwendete Verstärkungsmaterial
braucht nicht in Form eines gewebten Stoffes vorzuliegen,
sondern kann stattdessen in vielen anderen Formen vorlegen, zum
Beispiel in Form von Fasersträngen, in Form eines
nichtgewebten Materials oder in Form von individuellen
Verstärkungsfasern. Verschiedene Arten von Verstärkungen, die vorgeformt
sind, z. B. durch Blasen oder Spritzen von Verstärkungsfasern
auf vorgeformte Schirme, können ebenfalls verwendet werden.
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Das Verstärkungsmaterial muss nicht zwingend aus Glasfasern
bestehen, sondern kann stattdessen aus irgendeiner geeigneten
Faser bestehen, die eine ausreichend hohe Haftfähigkeit mit
dem verwendeten Matrixmaterial aufweist und welche in der Lage
ist, die gewünschten Eigenschaften des fertigen Hohlkörpers zu
gewährleisten. Kohlenstofffasern sind ein Beispiel einer der
möglichen Verstärkungsfasern.
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Die Verstärkungsfasern können entweder Stücke mit einer
definierten Länge sein oder ununterbrochene Fäden aufweisen. Der
Durchmesser der Fasern oder Fäden kann innerhalb eines großen
Bereichs von Mikrofasern mit einem Faserdurchmesser von
weniger als 1 u bis zu äußerst groben Fasern, die Durchmesser von
mehreren 100 u haben, variieren. Die Faserabmessungen können
somit in Abhängigkeit der Anwendung in einem sehr großen
Bereich variieren.
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Zusätzlich zu verschiedenen synthetischen Verstärkungsfasern
oder Mineralfasern, wie Glasfasern oder Kohlenstoffasern, ist
es auch möglich, Naturfasern, wie Flachs oder Chinagras, zu
verwenden. Mischungen verschiedener Verstärkungsfasern können
auch als Materialverstärkung verwendet werden. Der Gehalt von
Verstärkungsmaterial in der Materialverstärkung liegt
vorteilhafterweise zwischen 25 und 60 Gewichts-%.
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Um die Haftfähigkeit an dem verwendeten Matrixmaterial zu
erhöhen, können die Verstärkungsfasern oder das Verstärkungsmaterial
verschiedenen chemischen oder physikalischen
Behandlungsverfahren unterzogen werden. Beispiele solcher Verfahren
sind Oxydation mit chemischen Sauerstoffträgern,
Koronabehandlung oder Plasmabehandlung.
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Die Anbringung einer Materialverstärkung oder eines
Verstärkungsmaterials muss nicht durch manuelles Drapieren und
Befestigen eines gewebten Stoffes oder einer nicht gewebten Lage um
die vorgeformte und selbsttragende Druckmembrane erfolgen,
sondern kann stattdessen durch das Herumwickeln eines
Faserstrangs von Verstärkungsmaterial oder eines gewebten Stoffes
aus Verstärkungsmaterial um die Druckmembrane erfolgen, indem
das Verstärkungsmaterial um die Druckmembrane geflochten wird
oder indem einzelne Verstärkungsfasern auf die Druckmembrane
geblasen oder gespritzt werden und diese darauf mit einem
geeigneten Binder befestigt werden.
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Die Materialbeschichtung erfolgt vorteilhafterweise so, dass
zum Beispiel die Faserausrichtung und die Materialdicke des
Verstärkungsmaterials derart gesteuert wird, dass die
Tragfähigkeit des Verstärkungsmaterials optimal in dem fertigen
Hohlkörper genutzt werden kann.
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Die Anbringung einer Materialverstärkung auf einer
Druckmembrane, die bei der Anordnung nach der Erfindung verwendet wird,
kann vorteilhafterweise automatisiert werden, zum Beispiel
derart, dass ein gewebter, gestrickter oder geflochtener
ununterbrochener Strumpf maschinell über die Druckmembrane gezogen
und auf eine geeignete Länge abgeschnitten wird oder dass
Verstärkungsfasern mit einem geeigneten Binder auf die
vorgeformte, selbsttragende Druckmembrane gespritzt werden. Wenn
Verstärkungsfasern mit einem Binder aufgespritzt werden, besteht
der Binder vorteilhafterweise ebenfalls aus Matrixmaterial,
zum Beispiel einem härterinitiierten Polyesterharz.
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Das Matrixmaterial in der Materialverstärkung kann im Fall von
thermoplastischem Matrixmaterial aus einer Vielzahl von
thermoplastischen Polymeren ausgewählt werden, solange ihr
Erweichungspunkt auf einem geeigneten Niveau liegt.
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Geeignetes Niveau bedeutet, dass der Erweichungspunkt
(Schmelzpunkt) auf einem ausreichend hohen Niveau liegen
sollte, um die Hitzewiderstandsanforderungen, die an den fertigen
Hohlkörper gestellt werden, zu befriedigen und gleichzeitig
auf einem ausreichend niedrigen Niveau, um ein realistisches
Erweichen/Schmelzen in einem wirkungsvollen Verfahren
sicherzustellen.
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Beispiele von Polymeren, die diese Anforderungen erfüllen
können und die einen vernünftigen Preis haben, sind
thermoplastische Polyester und Polypropylene, aber es gibt auch viele
andere mögliche Polymere, die zur Verwendung als Matrixmaterial
beim Ausführen der Erfindung geeignet sind.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung, welche die Einspritzung
von härtbarem oder polymerisierbarem Harz u. dgl. verwenden,
gibt es eine große Anzahl von chemischen Verbindungen, die als
Matrixmaterial verwendet werden können. Beispiele solcher
wärmeaushärtbarer Kunststoffe sind Polyester und Vinylester. Bei
Anwendungen der Erfindung, bei denen wärmeaushärtbare
Kunststoffe verwendet werden, ist es möglich, neben Zusätzen von
Polymerisationsinitiatoren, Beschleunigern und Härtemitteln
andere Zusätze zu verwenden, zum Beispiel Pigmente oder UV-
Stabilisatoren. Solche Zusätze werden vorzugsweise zugegeben,
bevor das aushärtbare Matrixmaterial zu dem
Verstärkungsmaterial zugegeben wird, obwohl die Zugabe auch im Formwerkzeug
stattfinden kann.