EP1009608A1 - Verfahren zur herstellung von aus kunst-, zell- oder holzstoff bestehenden formteilen mit hohlräumen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von aus kunst-, zell- oder holzstoff bestehenden formteilen mit hohlräumen

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Publication number
EP1009608A1
EP1009608A1 EP98946251A EP98946251A EP1009608A1 EP 1009608 A1 EP1009608 A1 EP 1009608A1 EP 98946251 A EP98946251 A EP 98946251A EP 98946251 A EP98946251 A EP 98946251A EP 1009608 A1 EP1009608 A1 EP 1009608A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
matrix material
insert elements
cavities
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98946251A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Michael Ickinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer Chemtech AG
Original Assignee
Ickinger Georg Dipl-Ing- Drtechn
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=3510564&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1009608(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Ickinger Georg Dipl-Ing- Drtechn filed Critical Ickinger Georg Dipl-Ing- Drtechn
Publication of EP1009608A1 publication Critical patent/EP1009608A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C44/00—Shaping by internal pressure generated in the material, e.g. swelling or foaming ; Producing porous or cellular expanded plastics articles
    • B29C44/02—Shaping by internal pressure generated in the material, e.g. swelling or foaming ; Producing porous or cellular expanded plastics articles for articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C44/12—Incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or reinforcements
    • B29C44/18—Filling preformed cavities
    • B29C44/182—Filling flexible bags not having a particular shape
    • B29C44/184—Filling flexible bags not having a particular shape and inserting the bags into preformed cavities
    • B29C44/185—Starting the expansion after rupturing or dissolving the bag
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor
    • Y10T156/1002—Methods of surface bonding and/or assembly therefor with permanent bending or reshaping or surface deformation of self sustaining lamina
    • Y10T156/1003—Methods of surface bonding and/or assembly therefor with permanent bending or reshaping or surface deformation of self sustaining lamina by separating laminae between spaced secured areas [e.g., honeycomb expanding]

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of art, line or
  • Gas-forming insert elements for use in the aforementioned processes are also specified.
  • Plastic coating bulges outwards.
  • the peripheral surface of a roller can thus be deformed in a desired manner.
  • German patent application DE 33 24 705 A1 already describes a method for producing a cavity-containing and sound-absorbing cladding made of textile fibers, which is preferably used in vehicle construction, on the one hand to clad particularly drone-sensitive areas and on the other hand to insulate against airborne noise.
  • the lining consists of at least two mats made of textile fibers, e.g. B. tear wool, are made with the admixture of a binder effective at elevated temperature.
  • a shaped body in the form of an endless web is inserted between the mats. Then the individual layers are needled and pressed together. Here, the mats and the endless web are pressed more strongly in areas than in other areas.
  • the molded body melts or gas under one Treatment temperature off, so that voids form in the areas with the lower compression during pressing.
  • the areas with a higher compression serve as webs for stiffening the
  • the mat is partially connected by the binders that become effective under heat.
  • the moldings are preferably made of foam, for example foamed polystyrene or other plastics with a low gasification temperature.
  • EP 0 679 501 A1 describes a composite material, in particular for the production of seals in automotive engineering
  • the composite material consists of a support material forming a cavity and a hot-foaming material located therein.
  • hot foaming material e.g. B. polymers or copolymers of ethylene and unsaturated acrylic esters, u understand that this material at least partially turns into foam when heated.
  • Support material e.g. B. with polyamide components, has a melting temperature that is greater than the starting temperature for the foaming process.
  • the composite material is manufactured in pre-selected forms in order to place it in an installation location in which the sealing is to take place.
  • the support material has at least one, preferably two oppositely arranged openings through which the hot foaming material can escape after activation and thus the escaping foam seals the composite material with the walls of the installation space.
  • As a manufacturing process for the preformed composite material parts it is specified, for example, to extrude the hot-foaming material between two polyamide films. Then the composite material parts are punched out in the preselected shape and the two outer foils are connected to one another.
  • reaction injection molding process for the production of a tool part with a dense outer layer made of a polyurethane duromer is known from German published patent application DE-OS 1 926 688. Find the tool parts Application in vehicle construction and in the household appliance industry, where tool parts of large dimensions, thick cross sections and with good qualities are required.
  • the reaction injection molding of the foaming polyurethane thermoset takes place in a mold that has a core.
  • the core is formed from an elastic sleeve with a tubular opening and is filled with a gas or a liquid.
  • a laminate is known from European patent application EP 0 443 364 A2, which has stable fastening points in a foam or honeycomb-shaped core layer made of a temperature-resistant plastic.
  • foam-shaped inserts for forming the fastening points with a higher density than the core layer are arranged in the core layer.
  • the core layer is provided with at least one cover layer made of a fiber-reinforced, temperature-resistant plastic.
  • Such laminates are preferably used in the interior of aircraft. As an example for inserting the inserts into the
  • the core layer is given to mill cavities in the core layer and to fill granulate containing blowing agent therein.
  • the foaming granules penetrate into the core layer and anchor themselves there. Then self-tapping threaded bushes can be screwed into the insert.
  • the blowing agents are used to foam a plastic to create a high density foam.
  • honeycomb structures from a thermoplastic for use in lightweight panels is also known from US Pat. No. 4,113,909.
  • a plate of the thermoplastic is inserted between two mold plates, heated and then the mold plates are moved apart.
  • the thermoplastic adheres to the mold plates when hot and the pulled apart thermoplastic forms a honeycomb structure.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing particularly light and solid tool parts, in particular lightweight composite parts.
  • the present invention extends the state of the art by the possibility of creating numerous, but individually closed macro cavities in a matrix material without complex gas supply from the outside, which preferably leads to a honeycomb structure formation with a homogeneous connection with the cover layers.
  • the insert elements that can be excited to form gas consisting of gas-forming substances and a covering or a fixed application, in the form of circular, polygonal or ring-shaped disks, are fixed on nets, inserted individually into a workpiece part, arranged in at least two-layer surrounds, arranged in a grid pattern for the insert between semifinished products or as granules in plastic bags, to be subsequently pressed, extrusion-coated, coated, injected or as a plasticized blowing agent mass during coinjection, extrusion or injection molding together with the plastics in combination after the gas formation to form the cavities.
  • the weaving machine specifically places the insert elements in the programmed grid during the weaving process.
  • Multi-shot machines place the insert elements in the staggered grid positions on two levels. These woven inserts with the inserted insert elements are inserted into the tool parts and overmolded. The subsequent gas formation leads to a prestressing of the fabric.
  • the molded workpiece has a higher strength due to the molded reinforcement.
  • lightweight composite workpieces with cavities can be coated inexpensively in one operation with lacquer films and interior decorations as cover layers using the method according to the invention.
  • These lightweight composite workpieces are unbreakable, high-strength and low-deformation, and are particularly suitable for use as supporting parts in automobile, ship and aircraft construction.
  • fiber-reinforced plastics or thin sheets as cover layers high-strength construction elements are produced.
  • the wall thickness of the components is kept low.
  • the spatially curved shells with a stiffening bond that is homogeneously connected in one work step, as well as the use of the diverse cavity design as pipeline, pipe, corrugated and double corrugated honeycomb structures can be used in numerous further plastic processing processes.
  • the location of the cavity formation is predetermined by the location of the insert elements.
  • the cavity size is in the macro range and is determined by the size of the
  • Cover layers consist of load-bearing, homogeneously bonded material. - The design of the wall thickness of the matrix material, the shape and size of the
  • Cavities are predetermined by shape and location, amount of propellant and arranged according to static expediency.
  • the structured dressing is aligned according to the direction of the shape of the insert elements and their size in accordance with the loads on the workpiece.
  • the gas formation and thus the formation of the cavities advantageously takes place only in a predetermined localized manner.
  • the blowing agent substances are released after thermoplastic spatial deformation of the preform and homogeneous connection of layers or prepregs to form the macro cavities, for example for a stiffening composite, pipe systems, isolation chambers, etc.
  • Bursting of envelopes of enclosed substances and reaction diffusion of two gas-forming substances, which are separated by means of a porous film and penetrate and react to trigger them by means of pressure;
  • Time-delayed processes chemical reactions with a specific time delay, reaching a critical mass by compression in order to trigger the gas or heat-generating reaction; Start of reaction by means of a combination of the above-mentioned processes with additional heat-generating igniters per egg element.
  • the exothermic reaction softens the matrix material during the formation of cavities.
  • the expansion of the endothermic gas is associated with a drop in temperature during expansion, which in turn can be used for the rapid solidification of the thermoplastic materials.
  • One advantage of the endothermic blowing agents is the more controlled process of gas formation and the faster cycle times.
  • Physical blowing agents consisting of easily evaporating hydrocarbons (pentane to heptane KP 30 to 100 ° C) are also suitable. Also chemical are exothermic azo compounds, N-nitroso compounds and
  • Sulfonyl hydrazides can be used at light-off temperatures of 90 to 275 ° C.
  • Suitable chemical endothermic blowing agents are NaHCO 3 and hydrocerol.
  • the abovementioned substances generally begin with the decomposition and thus gas formation when a start temperature is reached which corresponds to the requirements of the matrix material.
  • the much-used azodicarbonamide can be set to 155-200 ° C as the starting temperature using so-called kickers, e.g. Pb and Zn stabilizers.
  • blowing agent substances are produced in powder or granular form.
  • the blowing agents are either added as granules in the feed hopper to the screw of a plastic injection molding machine or, in the case of plastic components, stirred in as a powder.
  • gas formation is delayed due to the high processing pressure.
  • Gas-forming insert elements with heat-stable explosive can also be used, which release prescribed amounts of gas by means of electrical ignition. These are currently used in the airbag of the car.
  • Insensitive explosives blasting agents
  • an effective igniter cellulose nitrate, mercury (ll) -fulminate, lead acid, silver acid, tetrazene, diaodinitrophenol, lead trinitroresorcinate
  • booster charges to complete the explosive reaction and are, for example: glycerol trinitrate, ammonium nitrate, ammonium nitrate.
  • FIG. 1A to 1 D show schematically the sequence of a pressing process.
  • a prefabricated composite part consisting of a left cover layer 4, a matrix material 5 and a right cover layer 6 is placed between the open tool parts 1 and 2 (see FIG. 1A) of a press, not shown.
  • Gas-forming insert elements 7a arranged in a grid are applied to the left of the matrix material 5.
  • gas-forming insert elements 7b are applied.
  • These layers of matrix material 5 and insert elements 7a, 7b can optionally be designed in multiple layers.
  • the composite part is pressed by moving the tool parts together (see FIG. 1B) and the gas formation of the insert elements 7 is triggered by pressure and / or temperature. After complete gas formation, the
  • Tool parts 1, 2 (see Figure 1 C). moved apart, the tool parts 1, 2 being sealed against one another by means of a sealing plunge edge 11 in order to maintain the gas pressure for expanding the matrix material 5.
  • the workpiece detached from the tool parts 1, 2 now consists of the left cover layer 4, the matrix material 5, which is now spatially deformed by the gas pressure, and the right cover layer 6.
  • the residues 12 of the gas-forming insert elements 7 remain In the cavities 9.
  • FIGS. 2A to 2E schematically show the sequence of a blow molding process.
  • An essential application of the plastically inserted gas-forming insert elements 7 is conceivable in blow molding.
  • the preforms for blow molding are either manufactured using the injection molding process (see FIGS. 7 or 8) or - as shown here in FIGS. 2A to B - extruded.
  • the actual blowing process is independent of the manufacture of the preforms and is shown in FIGS. C to E.
  • FIG. 2A shows part of a cross section of a 5-fold co-extrusion nozzle which forms a rotating body about the axis 22.
  • the 5 processable materials consist of the upper cover layer 4, the upper gas-forming insert elements 7a, the matrix material 5, the lower insert elements 7b and the lower cover layer 6.
  • the upper 7a and lower 7b gas-forming insert elements are arranged in a grid pattern between the Cover layers 4, 6 and the matrix material 5 introduced. This is controlled by segmented slider 23 by sliding it back and forth. A tubular, continuously extruded tube 21 is thus produced.
  • the extruded tube 21 is shown in cross section in FIG. 2B.
  • the gas-forming insert elements 7a introduced at the top in a grid pattern are offset by a grid, in relation to the gas-forming insert elements 7b introduced at the bottom in a grid pattern.
  • part of the tube is cut off and squeezed.
  • this preform 28 is introduced into the mold 29 and blown.
  • FIG. 2D shows how an initiator 30 is introduced for stimulating the gas formation of the insert elements 7.
  • the gas formation is ignited by means of UV light. If the material 4, 5, 6 is still pasty, the gas-forming insert elements 7 will trigger the formation of cavities 8 and form a multi-layer workpiece.
  • the multi-layer workpiece has a double-corrugated inner composite with a smooth outer wall. The double wall provides security against leaks, increases thermal insulation and
  • FIGS. 3A to 3C schematically show the process for the production of thermoplastic composite sheets.
  • a thermoplastic preform is inserted between an upper sheet metal plate 34 and a lower sheet metal plate 35 (see FIG. 3A).
  • This preform consists of an upper cover layer 4, the upper gas-forming insert elements 7a, the matrix material 5, the lower gas-forming insert elements 7b and the lower cover layer 6.
  • FIG. 3B shows the thermoplastic composite sheet deformed in a die bending press, not shown, which is subsequently shown in FIG. 3C After initiation of gas formation and optional endothermic heat generation by the gas pressure, the matrix material 5 is thermoplastic deformed and the die is moved apart.
  • FIGS. 4A to 4F schematically show the process for RFK vacuum molding or fiber spraying and pressing.
  • a lower cover layer 4 is applied as a fiber-plastic layer 19 in the form of synthetic resin-impregnated fibers by means of a spray head 17 which is pivoted (see FIG. 4A).
  • gas-forming insert elements 7a are placed (see FIG. 4B).
  • the matrix material 5 is also introduced as a fiber spray 18 (see FIG. 4 C).
  • the upper gas-forming insert elements 7b are then placed (see FIG. 4D).
  • the upper cover layer 6 is injected (see FIG. 4E).
  • the formula is now closed and pressed using a tool part 2.
  • the air is extracted using a vacuum (film process).
  • FIG. 4 F the upper tool part 2 is lifted off after uniform gas formation, and the matrix material 5, which has not yet hardened, is spatially deformed by the gas pressure.
  • FIG. 4 H shows the workpiece removed after the plastic has hardened, with the upper cover layer 6, the matrix material 5 and the lower cover layer 4
  • Cavities 9 remain the residues 12 of the gas-forming insert element 7. Thus, a lightweight workpiece with cavities can be produced in a simple manner.
  • FIGS. 5A and 5B schematically show the sequence for injection molding in the co-injection process.
  • the co-injection nozzle in FIG. 5A is drawn in three layers. 4 denotes the upper cover layer and 6 the lower cover layer.
  • the middle nozzle injects the gas-forming insert elements 7 as part of a sprayable plastic.
  • the intermediate layer in the form of insert elements 7 is pressed alternately between the cover layers 4, 6.
  • a uniform flow of cover layers and insert elements 7 is formed, which flows between the tool parts 1 and 2.
  • FIG. 5B after the gas formation has been initiated, the tool parts 1 and 2 are moved apart, which remains tight due to the formation of a plunge edge 11 on the tool part 1, so that the cavity formation 9 spatially deforms the matrix material 5 due to the internal gas pressure.
  • the process is primarily used to use recycled materials.
  • the use of plastic blowing agent below the reaction temperature and the targeted co-injection, optionally with an interruption of the injection, as well as subsequent triggering of the gas formation process and moving the tool parts 1, 2 apart when cooling results in an injection molding workpiece with a double wall and optionally with webs.
  • FIGS. 6A and 6B schematically show the sequence for the injection molding in the “in mold coating” method
  • Reaction temperature of the blowing agent is preheated, inserted into a tool part 2 and pressed by closing the tool part 2 and the core pull 3.
  • the matrix material 5 is then sprayed from the side of the tool part onto the lacquer film 46 with gas-forming insert elements 7.
  • the gas-forming insert pieces 7 are now heated and gas formation starts, so that the tool part 1 is opened in accordance with the desired bond strength during the expansion of the matrix material 5.
  • FIGS. 7A and 7D schematically show the sequence for injection molding using the “net” preform insertion method.
  • a prefabricated insert consisting of a network 13, on which gas-forming insert elements 7 arranged in a grid are applied, is inserted between the open tool parts 1, 2 (see FIG. 7A).
  • the insert parts 7 of the net 13 come to rest between the tool parts 1 and 2, wherein advantageously a device for maintaining a distance creates a uniform distance between the inner wall of the tool parts 1, 2 and the net 13.
  • the introduction of melt is shown in FIG. 7C.
  • the injection nozzle 14 injects the plastic into the mold and, as the matrix material 5, flows around the gas-forming inserts 7, which are held by the mesh 13 at the intervals provided.
  • the gas formation 8 is by z. B. initiated by pressure and / or temperature (see Figure 7D). After complete gas formation, the tool parts are moved apart, the tool parts 1, 2 remaining sealed by means of a plunge edge 11. Cavities 9 are formed, which are surrounded by plastically deformed plastic 15, which is formed from the matrix material 5.
  • the gas-forming insert elements 7 can optionally be introduced in several planes to form spatially biaxially curved matrix materials 5 (egg-box shaped).
  • FIGS. 8A and 8D schematically show the sequence for injection molding by means of the “prepreg” preform insertion method.
  • a prefabricated insert consisting of a matrix material 5 is inserted between the open tool parts 1, 2.
  • Gas-forming insert elements 7a arranged in a grid are applied to the left of the matrix material 5, and gas-forming insert elements 7b arranged in a staggered grid are applied to the right of the matrix material 5 (see FIG. 8A).
  • These layers can optionally be carried out several times.
  • the insert part becomes the contour of the mold adapted pressed and the right cover layer 6 injected into the mold by means of an injection nozzle 14a.
  • the injection of the right cover layer 4 is shown in FIG. 8C.
  • a hot melting plastic is advantageously injected, which, for example, triggers the gas formation by pressure and / or temperature (see FIG. 8D).
  • the tool parts 1, 2 are moved apart, the tool parts remaining sealed by means of a diving edge 11.
  • the workpiece now consists of the left cover layer 4, the matrix material 5, which is now spatially deformed by the gas pressure, and the right cover layer 6.
  • FIGS. 9A and 9C schematically show the sequence for injection molding using gas pressure melting processes. After inserting the right cover layer 4 and the gas-forming insert elements 7, the tool parts 1 and 2 are closed (see FIG. 9A).
  • FIG. 9B shows the injection process, the right cover layer 6 being injected via the injection nozzle 14. The gas formation is triggered by the temperature and / or pressure.
  • FIG. 9C shows the reflux of the plastic melt 39 through the injection nozzle 14, so that the cavities 9 are created by the gas pressure.
  • the plastic introduction of the gas-forming substances takes place in two-component machines by injection into the thermoplastic stream of the two plastic cover layers 4 and 6. According to the flow laws, the layers 32 are distributed in the tool parts 1 and 2 and form points with gas-forming properties 33.
  • Insert elements 7 can, for. B. on two-color machines. Both the quantity and distance of the insert elements is controlled via the second component, or distributed by the injection nozzle according to position and quantity. The tool parts 1 and 2 are kept under pressure until all insertion elements 7 have been initiated in order to enable the cavities to be formed by subsequently opening the mold.
  • FIGS. 11A to 11D schematically show the procedure for implanting gas-forming insertion elements 7.
  • the tool part 1 is provided with numerous injection needles 20, which are displaceably arranged in the axial position (see FIG. 11A). Between the tool parts 1, 2, the matrix material 5 is a Injection nozzle 14 injected (see Figure 11 B). The injection needles 20 in the tool part 1 are inserted into the matrix material 5 (see FIG. 1C). The gas-forming insert elements 7 are optionally injected while the tool parts 1 and 2 are being moved apart and gas formation is triggered, for example, by pressure and / or temperature (see FIG. 11D). The injection needles 20 are retracted. After complete gas formation, the tool parts 1 and 2 are moved apart, the shape remaining tight by means of the plunge edge 11. Cavities 9 are formed, which are surrounded by plastically deformed plastic 15, which is formed from the matrix material 5. The injection needles 20 are inserted in multilevel cavity layers in the planes in corresponding different axial positions.
  • FIG. 12 schematically shows the sequence for a jacketed implantation of gas-forming insert elements.
  • Another form of implantation of gas-forming insert elements is shown in FIG.
  • the injection needle consists of two concentric tubes.
  • the inner tube 45 and the outer tube 42 are inserted into the matrix material 5.
  • a tougher, lower-melting plastic 41 than the matrix material 5 is injected through the space between the outer and inner tubes 43.
  • the gas-forming insert element is injected through the inner tube 44 into the enveloping bladder 41.
  • the injection needles are then withdrawn, so that a bubble of gas-forming substances is covered with a tough plastic.
  • FIGS. 13A and 13C schematically show the sequence for a back injection molding process.
  • the tool part 1 is to be back-injected
  • FIGS. 14A and 14B schematically show the sequence for the “reinforcement” method.
  • FIG. 14A and 14B schematically show the sequence for the “reinforcement” method.
  • FIG. 14A a single-layer gas-forming layer of insert elements 7 is enclosed by means of a reinforcement in the form of fabric threads.
  • the first reinforcement layer 36 alternately wraps around the insert elements 7, while the second reinforcement layer comes to lie on the other side of the insert elements 7.
  • the outer layers 4 and 6 can then optionally be applied.
  • FIG. 14B shows a two-layer gas-forming insert layer 7a and 7b. Both layers enclose the matrix material 5.
  • the first reinforcement layer 36 alternately wraps around the second reinforcement layer 37 and alternately the third reinforcement layer 38.
  • the cover layers 4 and 6 are optionally applied.
  • FIGS. 15A to 15C schematically show the sequence for the "thermoplastic forming" method using a 4-layer workpiece with 3 layers of gas-forming inserts 7a to 7c.
  • the upper cover layer 4 and the upper matrix material 5a enclose the gas-forming upper insert elements 7a.
  • the gas-forming middle insert elements 7b lie between the matrix materials 5a and 5b.
  • And between the matrix material 5b and the lower cover layer 6 are the lower gas-forming insert elements 7c.
  • the thermally deformed matrix materials 5a and 5b are created by the internal gas pressure initiated from outside and the cover layers 4, 6 being moved apart, so that the workpiece is formed in FIG. 15C and has high strength after cooling.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zell- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen (9), insbesondere von Leichtbau-Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen (1, 2), mit den folgenden Verfahrensschritten: a) ein Matrixwerkstoff (5) wird an vorgewählten Orten mit gasbildenden Treibmittelsubstanzen enthaltenen Einlageelementen (7) versehen und b) die Einlageelemente (7), die in den Werkzeugteilen (1, 2) zur Gasbildung angeregt werden, weiten den Matrixwerkstoff (5) auf. Auch sind gasbildende Einlageelemente für die Verwendung in den vorgenannten Verfahren angegeben, die aus gasbildenden Treibmittelsubstanzen, die von gasdichten Hüllen umschlossen sind oder als örtlich begrenzter Bereich in den Matrixwerkstoff (5) eingebracht sind, bestehen. Durch das vorbeschriebene Verfahren können besonders leichte und gleichzeitig feste Werkzeugteile, insbesondere Leichtbau-Verbundteile, hergestellt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden
Formteilen mit Hohlräumen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder
Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau- Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen. Auch sind gasbildende Einlageelemente für die Verwendung in den vorgenannten Verfahren angegeben.
Bereits in dem europäischen Patent EP 0 478 535 B1 sind kunststoffbeschichtete Werkstücke, wie z. B. Walzen, Druckkissen beschrieben, wobei zwischen dem Werkstück und der Kunststoffbeschichtung jeweils örtlich begrenzt eine weitere Schicht mit einem Mittel zur Verminderung bzw. Aufhebung der Adhäsionskräfte vorgesehen ist. Zur Bildung von Hohlräumen im Bereich der Schicht wird diese mit flüssigen oder gasförmigen Medien beaufschlagt, wodurch die
Kunststoffbeschichtung sich nach außen wölbt. Je nach Anordnung und Größe der Hohlräume kann somit die Umfangsfläche einer Walze in einer gewünschten Weise verformt werden.
In der deutschen Patentanmeldung DE 33 24 705 A1 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlräume aufweisenden und schalldämmenden Verkleidung aus Textilfasem beschrieben, die vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt wird, um besonders dröhnempfindliche Bereiche einerseits zu verkleiden, andererseits gegen Luftschall zu dämmen. Die Verkleidung besteht mindestens aus zwei Matten, die aus Textilfasem, z. B. Reißwolle, unter Beimischung eines unter erhöhter Temperatur wirksamen Bindemittels hergestellt sind. Zwischen die Matten wird ein Formkόrper in Form einer Endlosbahn eingelegt. Anschließend werden die einzelnen Lagen genadelt und miteinander verpreßt. Hierbei werden die Matten und die Endlosbahn bereichsweise stärker als in anderen Bereichen verpreßt. Während des Preßvorganges schmilzt oder gast der Förmkörper unter einer Behandlungstemperatur aus, so daß sich Hohlräume in den Bereichen mit der geringeren Verdichtung beim Pressen bilden. Die Bereiche mit einer höheren Verdichtung dienen als Stege zur Versteifung der
Matten. Außerdem werden hierbei durch die unter Wärme wirksam werdenden Bindemittel die Matte bereichsweise verbunden. Die Formkörper bestehen vorzugsweise aus Schaumstoff, beispielsweise aufgeschäumtes Pollystyrol oder anderen Kunststoffe mit niedriger Vergasungstemperatur.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 679 501 A1 ist ein Composite-Material, insbesondere für die Herstellung von Abdichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik, um
Hohlräume abzudichten, bekannt. Das Composite-Material bestehend aus einem einen Hohlraum bildenen Stützmaterial und einem hierin befindlichem heißschäumenden Material. Unter heißschäumenden Material, z. B. Polymere oder Copolymere von Äthylen und ungesättigten Acrylestem, ist u verstehen, daß dieses Material zumindest teilweise sich in Schaum verwandelt, wenn es erhitzt wird. Das
Stützmaterial, z. B. mit Polyamidbestandteilen, weist eine Schmelztemperatur auf, die größer als die Startemperatur für den Schäumprozess ist. Das Composite-Material wird jeweils in vorgewählten Formen hergestellt, um diese anschließend in einem Einbauort zu plazieren, in dem die Abdichtung erfolgen soll. Hierzu weist das Stützmaterial zumindest eine, vorzugsweise zwei gegenüberliegend angeordnete Öffnungen auf, durch die das nach erfolgter Aktivierung heißschäumende Material entweichen kann und somit der entweichende Schaum das Composite-Material mit den Wänden des Einbauraums abdichtet. Als Herstellungsverfahren für die vorgeformten Composite-Material-Teile ist beispielweise angegeben, zwischen zwei Polyamid-Folien das heißschäumende Material hinein zu extrudieren. Anschließend werden die Composite-Material-Teile in der vorgewählten Form ausgestanzt und hierbei die beiden äußeren Folien miteinander verbunden.
Bei der Herstellung der Abdichtung in dem Einbauraum durch Schäumen findet keine Verformung des Stützmaterials statt, dies hat nur die Funktion den entweichenden Schaum in Richtung der Dichtfiächen zu leiten.
Desweiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 1 926 688 ein Reaktionsspritzgußverfahren für die Herstellung eines Werkzeugteils mit einer dichten äußeren Schicht aus einem Polyurethan-Duromer bekannt. Die Werkzeugteile finden Anwendung im Fahrzeugbau und in der Haushaltgeräteindustrie, wo Werkzeugteile großer Dimensionen, dicker Querschnitte sowie mit guten Qualitäten benötigt werden. Das Reaktionsspritzgießen des aufschäumenden Polyurethan-Duromers erfolgt in eine Form, die einen Kern aufweist. Der Kern ist aus einer elastischen Hülle mit einer schlauchförmigen Öffnung gebildet und mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Ferner ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 443 364 A2 ein Laminat bekannt, das stabile Befestigungsstellen in einer schäum- oder wabenförmigen Kernschicht aus einem temperaturbeständigen Kunststoff aufweist. Hierzu sind in der Kernschicht schaumförmigen Einsätze zur Bildung der Befestigungsstellen mit einer gegenüber der Kernschicht erhöhten Dichte angeordnet. Die Kernschicht ist mit mindestens einer Deckschicht aus einem faserverstärktem temperaturbeständigen Kunststoff versehen. Derartige Laminate finden bevorzugt beim Innenausbau von Flugzeugen Anwendung. Als Beispel für die Einbringung der Einsätze in die
Kernschicht ist angegeben, Höhlungen in die Kernschicht zu fräsen und in diese treibmittelhaltiges Granulat zu füllen. Das aufschäumende Granulat dringt in die Kernschicht und verankert sich dort. Anschließend können in den Einsatz selbstschneidende Gewindebuchsen eingedreht werden. Auch hier werden die Treibmittel zum Aufschäumen eines Kunststoffs verwendet, um einen Schaum mit hoher Dichte zu schaffen.
Auch ist aus der US 4,113,909 die Herstellung von Wabenstrukturen aus einem Thermoplast für die Verwendung in Leichtbauplatten bekannt. Hierzu wird eine Platte des Thermoplasts zwischen zwei Formplatten eingelegt, erhitzt und anschließend die Formplatten auseinandergefahren. Hierbei haftet der Thermoplast im heißen Zustand an den Formplatten und der auseinandergezogene Thermoplast bildet eine Wabenstruktur.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von besonders leichten und gleichzeitig festen Werkzeugteilen, insbesondere von Leichtbau-Verbundteilen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau- Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen, durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben. Auch sind den Unteransprüchen 11 bis 16 gasbildende Einlageelemente für die Verwendung in den vorgenannten Verfahren angegeben.
Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen, insbesondere von Leichtbau- Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen, durch das Versehen eines Matrixwerkstoffes an vorgewählten Orten mit gasbildenden Treibmittelsubstanzen enthaltenen Einlageelementen und der anschließenden Anregung der Einlageelemente in den Werkzeugteilen zur Gasbildung, eine Aufweitung des Matrixwerkstoffes erreicht, die zur Ausbildung gewichtssparender Makro-Hohlräume führt, die vorteilhafterweise nur mit Gas und einem Rückstand der Treibmittelsubstanz und nicht mit schwererem Schaum gefüllt sind.
Die vorliegende Erfindung erweitert den Stand der Technik durch die Möglichkeit ohne aufwendige Gaszuführung von außen zahlreiche, jedoch einzeln geschlossene Makro-Hohlräumen in einem Matrixwerkstoff entstehen zu lassen, die vorzugsweise zu einer Wabenstrukturbildung mit homogener Verbindung mit den Deckschichten führt.
Vorteilhafterweise werden die zur Gasbildung angeregbaren Einlageelemente, bestehend aus gasbildenden Substanzen und einer Umhüllung oder einer ortsfesten Auftragung, in Form von kreisförmigen, polygonförmigen oder ringförmigen Scheiben auf Netzen fixiert, in ein Werkstückteil einzeln eingelegt, in mindestens zweischichtigen Umwebungen angeordnet, rasterförmig angeordnet für die Einlage zwischen Halbfabrikate oder als Granulat in Folientaschen, um anschließend gepreßt, umspritzt, Beschichtung, injiziert oder als plastifizierte Treibmittel-Masse bei der Coinjection, Extrusion oder Spritzgießung gemeinsam mit den Kunststoffen im Verbund nach der der Gasbildung die Hohlräume zu bilden.
Eine weitere Möglichkeit der ortsfesten Fixierung der Einlageelemente erfolgt mittels Gewebeeinlagen. Die Webmaschine plaziert gezielt die Einlageelemente während des Webvorganges in der programmierten Rasterung. Mehrschüssige Maschinen plazieren die Einlageelemente in den genannten versetzten Rasterungen in zwei Ebenen. Diese Webeinlagen mit den eingeschlossenen Einlageelementen werden in die Werkzeugteile eingelegt und umspritzt. Durch die nachfolgende Gasbildung erfolgt eine Vorgespannung des Gewebes. Das Verbundwerkstück weist durch die umspritzte Armierung eine höhere Festigkeit auf.
Auch Leichtbau-Verbundwerkstücke mit Hohlräumen können mit erfindungsgemäßen Verfahren kostengünstig in einem Arbeitsgang wahlweise mit Lackfolien und Innendekor als Deckschichten beschichtet werden. Diese Leichtbau- Verbundwerkstücke sind bruch- und hochfest sowie verformungsarm und besonders geeignet für eine Verwendung als Tragteile in dem Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau. Bei Auswahl von faserverstärkten Kunststoffen oder Dünnblechen als Deckschichten werden hochfeste Konstruktionselemente hergestellt. Neben der guten Schall- und Wärmeisolierung durch die Hohlräume wird die Wandstärke der Bauelemente gering gehalten. Die räumlich gekrümmten Schalen mit homogen in einem Arbeitsgang verbundenen versteifenden Verbund, sowie die Nutzung der vielfältigen Holraumgestaltung als Leitungs-, Rohr-, Well-, Doppelwell- Wabenstrukturen sind in zahlreichen weiterführenden Kunststoff- Verarbeitungsverfahren zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung grenzt sich vorteilhafterweise durch die folgenden Merkmale von Schäumen und ausgeschäumten Hohlräumen ab:
Die örtliche Lage der Hohlraumbildung wird durch die Lage der Einlageelemente vorbestimmt. - Die Hohlraumgröße liegt im Makrobereich und wird durch die Größe der
Einlageelemente vorbestimmt.
Der strukturierte Verband, aus der dünnwandigen Umschließung der Hohlräume durch den Matrixwerkstoff, wie auch die Verbindung zu den angrenzenden
Deckschichten besteht aus tragendem homogen verbundenen Werkstoff. - Die Gestaltung der Wandstärke des Matrixwerkstoffes, die Form und Größe der
Hohlräume wird durch Form und Lage, Treibmittelsubstanzmenge vorbestimmt und nach statischer Zweckmäßigkeit angeordnet.
Der strukturierte Verband wird nach Richtung der Form der Einlageelemente und deren Größe entsprechend den Belastungen des Werkstückes ausgerichtet. Vorteilhafterweise findet die Gasbildung und somit die Enstehung der Hohlräume nur vorbestimmt örtlich begrenzt statt. Die Auslösung der Treibmittelsubstanzen erfolgt nach thermoplastischer räumlicher Verformung des Vorformlings und homogener Verbindung von Schichten oder Prepregs zur Ausbildung der Makro-Hohlräume z.B. für einen versteifenden Verbund, Leitungssystemen, Isolationskammern usw.
Für die rechtzeitige Auslösung des Gasbildungsvorganges der in dem Matrixwerkstoff aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff eingebetteten Einlageelemente kann vorteilhafterweise wie nachfolgend beschrieben erfolgen: Exotherme Prozesse:
Überschreitung eines kritischen Druckes, der zur Gasbildung notwendig ist, durch Einspritzen von zusätzlicher Matrixwerkstoff, durch Pressen und Zusammendrücken einer Form, - Überschreitung einer kritischen Temperatur, die zur Gasbildung notwendig ist, durch äußere zusätzliche Erwärmung wie Strahlung oder Konvektion, durch Aneinanderreiben fester Teilchen mittels Druck oder Verschiebung, durch Aneinanderdrücken von Folien und daraus entstehender Kontaktreibung, Mikrowelleneinstrahlung, Ultraschall, energetischer
Strahlung von außen; Endotherme Prozesse: mechanische Vermischung von gas- bzw. wärmebildenden Komponenten durch äußeren Druck oder Verschiebung, thermisches Aufschmelzen von, mit Schutzschichten umhüllten mindestens zwei Komponenten aufweisende gas- bzw. wärmebildende Substanzen mit anschließender Reaktion,
Aufplatzen von Umhüllungen eingeschlossener Substanzen und Reaktion, Diffusion zweier gasbildender Substanzen, die mittels poröser Folie getrennt sind und zur Auslösung mittels Druck die Folie durchdringen und reagieren; Zeitverzögerte Prozesse: chemische Reaktionen mit konkreter Zeitverzögerung, Erreichen einer kritischen Masse durch Verdichtung zwecks Auslösung der gas- bzw. wärmebildenden Reaktion; Reaktionsbeginn mittels zusätzlich pro Eilegeelement eingebrachter wärmebildender Zündstoffe Kombination der vorgenannten Prozesse.
Die Vorgänge ders exothermen Gasbildung sind vorteilhafterweise auch mit einer
Wärmeeinbringung in die Matrixwerkstoffschicht verbunden. Die exotherme Reaktion erweicht den Matrixwerkstoff während der Hohlraumbildung. Die endotherme Gasbildung ist bei der Ausdehnung mit einem Temperaturrückgang verbunden, der wiederum für die rasche Verfestigung der thermoplastischen Werkstoffe genutzt werden kann. Ein Vorteil der endothermen Treibmittel liegt im kontrollierterem Ablauf der Gasbildung und den rascheren Zykluszeiten.
Geignet sind außerdem physikalische Treibmittel, die aus leicht verdampfenden Kohlenwasserstoffen bestehen (Pentan bis Heptan KP 30 bis 100°C). Auch sind chemische exotherme Azo- Verbindungen, N-Nitroso- Verbindungen und
Sulfonylhydrazide bei Anspringtemperaturen von 90 bis 275°C verwendbar. Geeignete chemische endotherme Treibmittel sind NaHCO3 und Hydrocerol. Die vorgenannten Stoffe beginnen im allgemeinen bei Erreichen einer Starttemperatur, die den Erfordernissen der Matrixwerkstoff entsprechen, mit der Zersetzung und somit Gasbildung. Das vielgebrauchte Azodicarbonamid kann durch sogenannte Kicker z.B. Pb- und Zn-Stabilisatoren auf 155-200°C als Startemperatur eingestellt werden.
Die Herstellung der Treibmittelsubstanzen erfolgt in Pulver oder Granulatform. Die Treibmittel werden entweder als Granulat im Aufgabetrichter der Schnecke einer Kunststoffspritzgießmaschine beigegeben oder im Falle von Kunststoffkomponenten als Pulver eingerührt. Beim Extrudieren, Spritzgießen, Pressen wird die Gasbildung durch den hohen Verarbeitungsdruck hinausgezögert.
Auch sind gasbildende Einlageelemente mit hitzestabiien Explosivstoff einsetzbar, die mittels elektrischer Zündung vorgeschriebene Gasmengen freisetzen. Diese sind derzeit im Airbag des PKW's im Einsatz. Unempfindliche Explosivstoffe (blasting agents) benötigen zur vollständigen explosiven Umsetzung ein wirksames Zündmittel (Celluiosenitrat, Quecksilber(ll)-fulminat, Bleiacid, Silberacid, Tetrazen, Diaodinitrophenol, Bleitrinitroresorcinat) bzw. Verstärkerladungen (booster) und sind z.B.: Glycerintrinitrat, Glykioldinitrat, Ammoniumnitrat. Für GFK.CFK, RFK, Holzstoff, Zellstoff als Matrixwerkstoff werden vor duroplastischer Aushärtung und nach Formgebung der Außenkontur durch die Gasbildung innerhalb von Folienblasen bzw. luftmatrazenähnlicher geschweißter Doppelfolien wahlweise bei umschließender Armierung ein doppelt gewellter Verbund oder versteifende
Wabenstrukturen geschaffen, die homogen durch den Innendruck miteinander verbunden und geformt sowie bleibend aushärten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in Zeichnungen schematisch dargestellten Abläufen von Herstellungsverfahren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1A bis 1 D Pressen
Figur 2A bis 2E Blasformen
Figur 3A bis 3C Thermoplast-Verbundblech Figur 4A bis 4F RFK Vakuum Formen oder Faserspritzen und Pressen
Figur 5A bis 5B Spritzgießen mit Co-Injektionsverfahren
Figur 6A und 6B Spritzgießen im „In Mold Coating,,
Figur 7A bis 7D Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren „Netz"
Figur 8A bis 8D Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren „Prepreg" Figur 9A bis 9C Spritzgießen Gasdruck-Schmelzverfahren mittels Vorformling-
Einlege-Verfahren
Figur 10 Zweikomponenten Einspritzung
Figur 11 A und 11 B Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen
Figur 12 Ummantelte Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen
Figur 13A bis 13C Hinterspritzverfahren
Figur 14A und 14B Armierung
Figur 15A bis 15 C Thermoplastisches Verformen
Die Figuren 1A bis 1 D zeigen schematisch den Ablauf ein Preßvorganges. Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 und 2 (siehe Figur 1A) einer nicht dargestellten Presse wird ein vorgefertigtes Verbundteil bestehend aus einer linken Deckschicht 4, einem Matrixwerkstoff 5 und einer rechter Deckschicht 6 gelegt. Links von dem Matrixwerkstoff 5 sind in einem Raster angeordnete gasbildende Einlageelemente 7a aufgebracht. Hierzu sind in einem versetzten Raster rechts von dem Matrixwerkstoff 5 weitere gasbildende Einlageelemente 7b aufgebracht. Diese Schichten aus Matrixwerkstoff 5 und Einlageelementen 7a, 7b können wahlweise mehrlagig ausgeführt sein. Durch Zusammenfahren der Werkzeugteile (siehe Figur 1 B) wird das Verbundteil verpreßt und durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung der Einlegeelemente 7 ausgelöst. Nach vollständiger Gasbildung werden die
Werkzeugteile 1 , 2 (siehe Figur 1 C). auseinandergefahren, wobei mittels einer abdichtenden Tauchkante 11 die Werkzeugteile 1 , 2 gegeneinander abgedichtet sind, um den Gasdruck zur Aufweitung des Matrixwerkstoffes 5 aufrechtzuerhalten. Das aus den Werkzeugteilen 1 , 2 herausgelöste Werkstück (siehe Figur 1 D) besteht nun aus der linken Deckschicht 4, dem Matrixwerkstoff 5, der nun durch den Gasdruck räumlich verformt ist, und der rechten Deckschicht 6. Die Rückstände 12 der gasbildenden Einlageelemente 7 verbleiben in den Hohlräumen 9. Durch eine Ausbildung der Einlegeelemente 7 in Form von Kreisen, Sechsecken oder Achtecken und eine entsprechende Versetzung der Einlegeelemente 7 auf den beiden Seiten des Matrixwerkstoffes 5 können honeycomb-förmige Zwischenschichten erzielt werden, die abgeschlossene Makro Hohlräume 9 aufweisen und homogen mit den Deckschichten 4, 6 verbunden sind. Wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil besteht darin, daß dieses Verbundteil in einem Arbeitsgang ohne den sonst zusätzlichen Schritt der Verklebung der Deckschichten mit dem honeycombförmigen Matrixwerkstoff herstellbar ist.
Die Figuren 2A bis 2E zeigen schematisch den Ablauf ein Blasformvorganges. Ein wesentlicher Anwendungsfall der plastisch eingebrachten gasbiidenden Einlageelemente 7 ist beim Blasformen denkbar. Die Vorformlinge zum Blasformen werden entweder im Spritzgießverfahren hergestellt (siehe Figuren 7 oder 8) oder - wie hier in den Figuren 2 A bis B gezeigt - extrudiert. Der eigentliche Blasvorgang ist unabhängig von der Herstellung der Vorformlinge und in den in Figuren C bis E dargestellt.
In der Figur 2A ist ein Teil eines Querschnitts einer 5 fach Co-Extrusionsdüse dargestellt, die um die Achse 22 einen Drehkörper bildet. Die 5 verarbeitbaren Materialien bestehen aus der oberen Deckschicht 4, den oberen gasbildenden Einlageelementen 7a, dem Matrixwerkstoff 5, den unteren Einlageelementen 7b und der unteren Deckschicht 6. Während des Extrusionsvorganges werden die oberen 7a und unteren 7b gasbildenden Einlageelemente rasterförmig zwischen die Deckschichten 4, 6 und den Matrixwerkstoff 5 eingebracht. Dies wird durch segmentiert unterteilte Schieber 23 durch Hin- und Herschieben gesteuert. Es entsteht somit ein rohrfömiger kontinuierlich extrudierter Schlauch 21. In Figur 2B ist der extrudierte Schlauch 21 im Querschnitt dargestellt. Die rasterförmig oben eingebrachten gasbildenden Einlageelemente 7a sind um eine Rasterung versetzt, gegenüber den rasterförmig unten eingebrachten gasbildenden Einlageelementen 7b. Im bekannten Herstellverfahren der Vorformlinge wird ein Teil des Schlauches abgeschnitten und verquetscht. Dieser Vorformling 28 wird wie in Figur 2C dargestellt in die Form 29 eingebracht und geblasen. In Figur 2D ist gezeigt, wie ein Initiator 30 für die Anregung der Gasbildung der Einlageelemente 7 eingebracht wird.
Beispielsweise mittels UV-Licht wird die Gasbildung gezündet. Bei noch teigigem Material 4, 5, 6 werden die gasbildenden Einlageelemente 7 die Hohlraumbildung 8 auslösen und ein mehrschichtiges Werkstück bilden. Das mehrschichtige Werkstück weist einen doppelt gewellten Innenverbund bei glatter Außenwand auf. Die Doppelwandung gibt Sicherheit gegen Leckagen, erhöht die Wärmeisolation und die
Standsicherheit des Behälters.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen schematisch den Ablauf für die Herstellung von Thermoplast-Verbundblechen. Zwischen eine obere Blechplatte 34 und eine untere Blechplatte 35 wird ein thermoplastischer Vorformling eingelegt (siehe Figur 3A).
Dieser Vorformling besteht aus einer oberen Deckschicht 4, den oberen gasbildenden Einlageelementen 7a, dem Matrixwerkstoff 5, den unteren gasbildenden Einlageelementen 7b und der unteren Deckschicht 6. Die Figur 3 B zeigt das in einem nichtdargestellten Gesenkbiegepresse verformte Thermoplast-Verbundblech, das anschließend in Figur 3C nach Initiierung der Gasbildung und wahlweiser endothermer Wärmebildung durch den Gasdruck den Matrixwerkstoff 5 thermoplastisch verformt und hierbei das Gesenk auseinandergefahren.
Die Figuren 4A bis 4F zeigen schematisch den Ablauf für das RFK-Vakuum-Formen oder Faserspritzen und Pressen. In das Werkzeugteil 1 wird eine untere Deckschicht 4 als Faser-Kunststoff-Lage 19 in Form von kunstharzgetränkten Fasern mittels eines Spritzkopfs 17, der geschwenkt wird, aufgebracht (siehe Figur 4A). Dannach werden (siehe Figur 4B) gasbildende Einlageelemente 7a plaziert. Der Matrixwerkstoff 5 wird ebenfalls als Faserspritzung 18 eingebracht (siehe Figur 4 C). Dannach werden die oberen gasbildenden Einlageelemente 7b plaziert (siehe Figur 4 D). Als Abschluß wird die obere Deckschicht 6 eingespritzt (siehe Figur 4E). Die Forml wird nun mittels eines Werkzeugteils 2 verschlossen und verpreßt. Wahlweise wird die Luft mittels Vakuum abgesaugt (Folienverfahren). Die Tauchkante 11 der Werkzeugteile 1 und 2 dichten ab. Die Faserschichten werden verpreßt, so daß die Fasern der Schichten untereinander verhaken. Mittels Druck, Temperatur oder beispielsweise UV Licht wird die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 4 F). In Figur 4G wird nach gleichmäßiger Gasbildung das obere Werkzeugteil 2 abgehoben und der noch nicht ausgehärtete Matrixwerkstoff 5 wird durch den Gasdruck räumlich verformt. Figur 4 H zeigt das, nach Aushärten des Kunststoffes entnommene Werkstück mit der oberen Deckschicht 6, dem Matrixwerkstoff 5 und der unteren Deckschicht 4. In den
Hohlräumen 9 verbleiben die Rückstände 12 des gasbildenden Einlageelementes 7. Somit ist in einfacher Weise ein Leichtbau-Werkstück mit Hohlräumen herstellbar.
Die Figuren 5A und 5B zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen im Coinjektionsverfahren. Die Co-Injektionsdüse in der Figur 5 A ist 3-lagig ausgeführt gezeichnet. Mit 4 ist die obere Deckschicht und mit 6 die untere Deckschicht bezeichnet. Die mittlere Düse injiziert die gasbildenden Einlegelemente 7 als Bestandteil eines spritzbaren Kunststoffes. Mittels des Schiebers 23 wird die Zwischenschicht in Form von Einlegeelementen 7 alternierend zwischen die Deckschichten 4, 6 gepreßt. Entsprechend der Viskosität der Schichten 4, 6, 7 bildet sich ein gleichmäßiger Strom aus Deckschichten und Einlegeelementen 7, der sich zwischen die Werkzeugteile 1 und 2 ergießt. In Figur 5B werden nach Initiierung der Gasbildung die Werkzeugteile 1 und 2 auseinander bewegt, die durch die Ausbildung einer Tauchkante 11 an dem Werkzeugteil 1 dicht bleibt, so daß die Hohlraumbildung 9 durch den Gasinnendruck den Matrixwerkstoff 5 räumlich verformt. Dieses
Verfahren dient vor allem zur Nutzung von Recycling-Material. Die Verwendung von plastischem Treibmittel unterhalb der Reaktionstemperatur und die gezielte Co- Injektion, wahlweise mit Unterbrechung der Einspritzung, sowie anschließende Auslösung des Gasbildungsvorganges und Auseinanderfahren der Werkzeugteile 1 , 2 beim Abkühlen ergibt ein Spritzgießwerkstück mit einer Doppelwand und wahlweise mit Stegen.
Die Figuren 6A und 6B zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen im „In Mold Coating"-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Werkstoffverbund aus einer Lackfolie 46 und einem mit gasbildenden Einlageelementen 7, der unterhalb der Reaktionstemperatur der Treibmittel vorgewärmt ist, in ein Werkzeugteil 2 eingelegt und durch Schließen des Werkzeugteils 2 und des Kernzugs 3 verpreßt. Anschließend wird der Matrixwerkstoff 5 von der Seite des Werkzeugteils auf die Lackfolie 46 mit gasbildenden Einlageelementen 7 gespritzt. Die gasbildenden Einlagestücke 7 sind nun erhitzt und Gasbildung läuft an, so daß das Werkzeugteil 1 entsprechend der gewünschten Verbundstärke während der Aufweitung des Matrixwerkstoffes 5 aufgefahren wird.
Die Figuren 7A und 7D zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren "Netz". Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 , 2 wird ein vorgefertigtes Einlegeteil, bestehend aus einem Netz 13, auf dem im Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7 aufgebracht sind, eingelegt (siehe Figur 7A). Nach dem Zusammenfahren der Werkzeugteile 1 , 2 in Figur 7B kommen die Einlegeteile 7 des Netzes 13 zwischen den Werkzeugteilen 1 und 2 zum Liegen, wobei vorteilhaft eine Vorrichtung zur Abstandshaltung einen gleichmäßigen Abstand zwischen der Innenwand der Werkzeugteile 1, 2 und dem Netz 13 herstellt. In Figur 7C ist die Schmelzeinbringung dargestellt. Die Injektionsdüse 14 spritzt den Kunststoff in die Form und umspült als Matrixwerkstoff 5 die gasbildenden Einlegeteile 7, die durch das Netz 13 in den vorgesehenen Abständen gehalten werden. Die Gasbildung 8 wird durch z. B. durch Druck und/oder Temperatur eingeleitet (siehe Figur 7D). Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile auseinandergefahren, wobei mittels Tauchkante 11 die Werkzeugteile 1 , 2 dicht bleiben. Es bilden sich Hohlräume 9, die von plastisch verformtem Kunststoff 15, der sich aus der Matrixwerkstoff 5 bildet, umschlossen sind. Die gasbildenden Einlegeelemente 7 können wahlweise in mehreren Ebenen zur Bildung räumlich zweiachsig gekrümmter Matrixwerkstoffe 5 (eierkartonförmig) eingebracht werden.
Die Figuren 8A und 8D zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mittels Vorformling-Einlege-Verfahren "Prepreg". Zwischen die offenen Werkzeugteile 1 , 2 wird ein vorgefertigter Einlegeteil bestehend aus einem Matrixwerkstoff 5 eingelegt. Links von dem Matrixwerkstoff 5 sind im Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7a und rechts von der Matrixwerkstoff 5 sind im versetzten Raster angeordnete gasbildende Einlegeelemente 7b aufgebracht (siehe Figur 8A). Diese Schichten können wahlweise mehrfach ausgeführt sein. Nach dem Zusammenfahren der Werkzeugteile 1 und 2 (siehe Figur 8B) wird der Einlegeteil der Formkontur angepaßt verpreßt und die rechte Deckschicht 6 mittels einer Injektionsdüse 14a in die Form eingespritzt. In Figur 8C wird das Einspritzen der rechten Deckschicht 4 dargestellt. Mittels einer zweiten Injektionsdüse 14b wird vorteilhaft ein heißer schmelzender Kunststoff eingespritzt, der z.B. durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 8 D). Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile 1, 2 auseinandergefahren, wobei mittels Tauchkante 11 die Werkzeugteile dicht bleiben.
Das Werkstück besteht nun aus der linken Deckschicht 4, dem Matrixwerkstoff 5, der nun durch den Gasdruck räumlich verformt ist, und der rechten Deckschicht 6.
Die Figuren 9A und 9C zeigen schematisch den Ablauf für das Spritzgießen mit Gasdruck-Schmelzverfahren. Nach Einlegen der rechten Deckschicht 4 und der gasbildenden Einlageelemente 7 werden die Werkzeugteile 1 und 2 geschlossen (siehe Figur 9A). In Figur 9B wird der Einspritzvorgang dargestellt, wobei die rechte Deckschicht 6 über die Einspritzdüse 14 injiziert wird. Durch die Temperatur und/oder Druck wird die Gasbildung ausgelöst. In Figur 9C wird der Rückfluß der Kunststoffschmelze 39 durch die Injektionsdüse 14 dargestellt, so daß durch den Gasdruck die Hohlräume 9 entstehen.
Die Figuren 10 zeigt schematisch den Ablauf für eine Zwei-Komponenten
Einspritzung. Die plastische Einbringung der gasbildenden Substanzen erfolgt bei Zwei-Komponentenmaschinen mittels Injektion der in den Thermoplaststrom der zwei Kunststoff-Deckschichten 4 und 6. Gemäß der Fließgesetze werden die Schichten 32 in den Werkzeugteilen 1 und 2 verteilt und bilden Stellen mit gasbildenden Eigenschaften 33. Die plastische Einbringung der gas- bzw. wärmebildenden
Einlegeelemente 7 kann z. B. auf Zweifarbenmaschinen erfolgen. Sowohl Menge und Abstand der Einlegeelemente wird über die zweite Komponente gesteuert, bzw. von der Injektionsdüse nach Lage und Menge verteilt. Die Werkzeugteile 1 und 2 werden auf Druck gehalten bis alle Einlegeelemente 7 initiiert sind, um durch anschließendes Öffnen der Form die Bildung der Hohlräume zu ermöglichen.
Die Figuren 11 A bis 1 1 D zeigen schematisch den Ablauf für eine Implantierung von gasbildenden Einlegeelementen 7. Der Werkzeugteil 1 ist mit zahlreichen Einspritznadeln 20 versehen, die in der Axiallage verschiebbar angeordnet sind (siehe Figur 11 A). Zwischen die Werkzeugteile 1 , 2 wird der Matrixwerkstoff 5 über eine Injektionsdüse 14 eingespritzt (siehe Figur 11 B). Die Injektsionsnadeln 20 im Werkzeugteil 1 werden in die Matrixwerkstoff 5 eingefahren (siehe Figur 1C). Die gasbildenden Einlegeelemente 7 werden wahlweise unter Auseinanderfahren der Werkzeugteile 1 und 2 eingespritzt und z.B. durch Druck und/oder Temperatur die Gasbildung ausgelöst (siehe Figur 11 D). Die Injektionsnadeln 20 werden zurückgefahren. Nach vollständiger Gasbildung werden die Werkzeugteile 1 und 2 auseinandergefahren, wobei mittels der Tauchkante 11 die Form dicht bleibt. Es bilden sich Hohlräume 9, die von plastisch verformtem Kunststoff 15, der sich aus der Matrixwerkstoff 5 bildet, umschlossen sind. Die Injektionsnadeln 20 werden für mehrlagige Hohlraumschichten in den Ebenen in entsprechenden unterschiedlichen Axiallagen eingefahren.
Die Figur 12 zeigt schematisch den Ablauf für eine ummantelte Implantierung von gasbildenden Einlageelementen. Eine weitere Form der Implantierung von gasbildenden Einlageelementen ist in Figur 12 dargestellt. Die Injektionsnadel besteht aus zwei konzentrischen Röhren. Die innere Röhre 45 und die äußere Röhre 42 werden in den Matrixwerkstoff 5 eingefahren. Im ersten Schritt wird einen zäherer nieder-schmelzender Kunststoff 41 als dem Matrixwerkstoff 5 durch den Zwischenraum der äußeren und inneren Röhre 43 injiziert. Das gasbildende Einlageelement wird durch die innere Röhre 44 in die umhüllende Blase 41 eingespritzt. Anschließend werden die Injektionsnadeln zurückgezogen, so daß eine mit zähem Kunststoff umhüllte Blase aus gasbildenden Substanzen entsteht.
Die Figuren 13A und 13C zeigen schematisch den Ablauf für ein Hinterspritzgießverfahren. In das Werkzeugteil 1 wird das zu hinterspritzende
Material, beispielsweise ein Textil 41 , eingelegt. Mittels einer Austragsdüse 40 wird die Schmelze als Matrixwerkstoff 5 aufgetragen. Nach der ersten Schicht hinter dem Textil 41 werden die gasbildenden Einlageelemente eingelegt und anschließend mit Matrixwerkstoff 5 bedeckt (siehe Figur 13A). In Figur 13 B wird das Werkzeugteil 2 durch Einfahren des Werkzeugteiles 1 und des Kernzugs 3 geschlossen. Nach Verpressen des Matrixwerkstoffs 5 mit dem Textil 41 und den gasbildenden Einlageelementen 7 wird die Gasbildung 8 angeregt. In Figur 13 C wird der Werkzeugteil 1 auseinandergefahren und der Werkzeugteil 3 verpresst weiterhin die Schmelze und das Textil 41. Die Hohlräume 9 entstehen im Bereich des Werkzeugteiles 1. Die Figuren 14A und 14B zeigen schematisch den Ablauf für das Verfahren "Armierung". In Figur 14A ist eine einschichtige gasbildende Schicht aus Einlageelementen 7 mittels einer Armierung in Form von Gewebefäden umschlossen. Die erste Armierungslage 36 umschlingt wechselweise die Einlageelemente 7, während die zweite Armierungslage auf der anderen Seite der Einlageelemente 7 zu liegen kommt. Wahlweise können anschließend die Deckschichten 4 und 6 aufgebracht werden. In Figur 14B ist eine zweischichtige gasbildende Einlageschicht 7a und 7b dargestellt. Beide Lagen umschließen den Matrixwerkstoff 5. Die erste Armierungsschicht 36 umschlingt wechselweise zur zweiten Armierungsschicht 37 und wechselweise die dritte Armierungsschicht 38. Wahlweise werden die Deckschichten 4 und 6 aufgebracht.
Die Figuren 15A bis 15C zeigen schematisch den Ablauf für das Verfahren "Thermoplastisches Verformen" anhand eines 4-lagigen Werkstückes mit 3 Lagen aus gasbildenden Einlagen 7a bis 7c. Die obere Deckschicht 4 und der obere Matrixwerkstoff 5a umschließen die gasbildenden oberen Einlageelemente 7a. Zwischen den Matrixwerkstoffen 5a und 5b liegen die gasbildenden mittleren Einlageelemente 7b. Und zwischen der Matrixwerkstoff 5b und der unteren Deckschicht 6 liegen die unteren gasbildenden Einlageelemente 7c. Durch den von außen initiierten Gasinnendruck und ein Auseinanderfahren der Deckschichten 4, 6 ensteht die thermoplastische Verformung der Matrixwerkstoffe 5a und 5b, so daß das Werkstück in Figur 15 C entsteht und nach dem Auskühlen eine hohe Festigkeit aufweist.
Bezugszeichenliste
1 erstes Werkzeugteil 23 Schieber
2 zweites Werkzeugteil 28 Vorformling zum Biasformen
3 Kernzug 29 Blasform
4 erste Deckschicht 2e > 30 Initiiator
5 Matrixwerkstoff 32 Bläh-Substanz-Schicht
6 zweite Deckschicht 33 Gasbildende Schicht
7 Einlageelemente 34 obere Blechplatte
9 Hohlraum 35 untere Blechplatte
11 Tauchkante 3c ) 36 erste Armierungslage
12 Rückstande 37 zweite Armierungslage
13 Netz 38 dritte Armierungslage
14 Injektionsdüse 39 Rückfluß der
15 räumlich verformter Kunststoffschmelze
Matrixwerkstoff 3ε i 40 Hinterspritzeinrichtung
17 Spritzeinrichtung 41 umschließende Kunststoffblase
19 Faser-Kunststoff-Lage 42 äußeres Injektionsrohr
20 Injektionsdüse 43 inneres Injektionsrohr
21 extrudierter mehrschichtiger 44 gasbildende Substanz
Schlauch c ) 45 niedrigschmelzender Kunststoff
22 Achse der Düse 46 Lackfolie

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von aus Kunst-, Zeil- oder Holzstoff bestehenden Formteilen mit Hohlräumen (9), insbesondere von Leichtbau-Verbundteilen, unter Verwendung von Werkzeugteilen (1 ,2), mit den folgenden Verfahrensschritten: a) ein Matrixwerkstoff (5) wird an vorgewählten Orten mit gasbildenden Treibmittelsubstanzen enthaltenen Einlageelementen (7) versehen und b) die Einlageelemente (7), die in den Werkzeugteilen (1 ,2) zur Gasbildung angeregt werden, weiten den Matrixwerkstoff (5) auf.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die Treibmittelsubstanz enthaltenen Einlageelemente (7) durch
Überschreitung eines kritischen Druckes, einer kritischen Temperatur und/oder zeitverzögerte chemische Prozesse zur Gasbildung angeregt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, für die Einlegeelemente (7) auf Folien oder Netzen (13) fixiert werden, die mit den Einlegeelementen (7) in ein Werkzeugteil (1 ,2) eingelegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Preßverfahren die Einlegeelemente (7) zwischen mindestens zwei Deckschichten (4,6) in einen Matrixwerkstoff (5) in ein Werkzeugteil (1) eingelegt werden, durch den Preßvorgang die Schichten heiß verschmolzen werden, durch den Preßdruck und die Temperatur die Gasbildung ausgelöst wird und die Werkzeugteile (1 ,2) zur Bildung der Hohlräume (9) in dem
Matrixwerkstoff (5) auseinandergefahren werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlageelemente (7) mittels Schiebern (23) in der Extrusionsdüse (20) in den Matrixwerkstoff (5) der Extrusionsschicht eingebracht werden und anschließend ein Blasverfahren mit anschließender Auslösung des Gasbildungsvorganges zur Bildung der Hohlräume (9) in dem Werkzeug (1 ,2) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Auflageverfahren die Einlegeelemente (7) zwischen mindestens zwei Deckschichten (4,6) aus GFK, RFK oder Homogenholz in einen Matrixwerkstoff (5) in ein Werkzeugteil (1) eingelegt werden, die Schichten heiß verschmolzen werden, die Gasbildung ausgelöst wird und die Bildung der Hohlräume (9) in dem Matrixwerkstoff (5) noch während der Topfzeit erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Thermoplast-Verbundblech-Formung die Einlegeelemente zwischen mindestens zwei Deckschichten (4,6) aus Verbundblech in einen Matrixwerkstoff (5) in ein Werkzeugteil (1) eingelegt werden, durch den Preßvorgang die Schichten heiß verschmolzen werden, durch den Preßdruck und die Temperatur die Gasbildung ausgelöst wird und die Werkzeugteile (1 ,2) zur Bildung der Hohlräume (9) in dem Matrixwerkstoff (5) auseinandergefahren werden.
8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Spritzgießverfahren die Einlegeelemente (7) zwischen mindestens eine vorgespritze Deckschicht (4,6) und dem anderen Werkzeugteil (2) in ein Werkzeugteil (1) eingelegt werden, anschließend der Spritzgießvorgang durchgeführt wird, durch den Spritzdruck und/oder die Temperatur die Gasbildung ausgelöst wird und die Werkzeugteile (1 ,2) zur Bildung der
Hohlräume (9) auseinandergefahren werden.
9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Spritzgießen im In Mold Coating-Verfahren die Einlageelemente (7) zwischen mindestens eine in ein Werkteugteil (1) eingelegte Lackschicht (46) und dem anderen Werkzeugteil (2) eingelegt werden, anschließend der Spritzgießvorgang durchgeführt wird, durch den Spritzdruck und/oder die Temperatur die Gasbildung ausgelöst wird und die Werkzeugteile (1 ,2) zur Bildung der Hohlräume (9) auseinandergefahren werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Spritzgießverfahren nach Einspritzen eines Matrixwerkstoffes (5) zwischen die Werkstückteile (1 ,2) in einem weiteren Matrixwerkstoff (5) befindliche gasbildende Einlageelementen (7) über an dem Werkstückteil (2) angeordnete Düsen (20) örtlich gezielten in den vorhandenen Matrixwerkstoff (5) eingespritzt werden, durch den Spritzdruck und/oder die Temperatur die Gasbildung ausgelöst wird und die Werkzeugteile zur Bildung der Hohlräume (9) auseinandergefahren werden.
1 1. Gasbildendes Einlageelement für die Verwendung in den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bestehend aus gasbildenden Treibmittelsubstanzen, die von gasdichten Hüllen umschlossen sind oder als örtlich bergrenzter Bereich in den Matrixwerkstoff (5) eingebracht sind.
12. Gasbildendes Einlageelement nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelsubstanzen in Form von handelsüblichen Granulat vorliegt, das in den gasdichten Hüllen durch formgebende Verfahren wie Stanzen, Prägen, Schmelzen oder Pressen zu Halbzeug in Form von Makrokugeln, Bändern, Platten, Folien, Scheiben oder Ringen verarbeitet wird.
13. Gasbildendes Einlageelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug auf Netzen (13) bzw. Geweben rasterförmig angebracht ist.
14. Gasbildendes Einlageelement nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelsubstanzen in Form von handelsüblichen Pulver vorliegt, die in einer konkreten Musterung als Beschichtung auf Trägerfolien, Platten, bzw. auf das Halbzeug, vorzugsweise mittels Laser-/Sieb- Druckverfahren, aufgebracht sind.
15. Gasbildendes Einlageelement nach einem der Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelsubstanz aus zwei Komponenten in Teilchen konkreter Größe besteht, die mechanisch voneinander mittels einer Umhüllung, porösen oder noppenförmigen Folie getrennt sind und die Trennung der Komponenten zur
Gasbildung aufhebbar ist.
16. Gasbildendes Einlageelement nach einem der Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelsubstanz mittels chemischer, physikalischer, zeitverzögerter exothermer oder endothermer Prozesse sowie Kombination aus diesen Prozessen zur Gasbildung anregbar sind.
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