DE69414342T2

DE69414342T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Formen von Gegenständen aus Verbundmaterialien

Info

Publication number: DE69414342T2
Application number: DE69414342T
Authority: DE
Inventors: Antonio I-28100 Novara Addeo; Aurelio I-20020 Cantalupo Di Cerro Maggiore Biscotti; Roberto I-20023 Cerro Maggiore Bonari
Original assignee: Montell Italia SpA; Himont Italia SpA
Current assignee: Basell Poliolefine Italia SRL; Himont Italia SpA
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: EP0648594A3; EP0648594A2; US5512232A; ITMI932198A1; JPH07171856A; ITMI932198A0; EP0648594B1; KR950011088A; DE69414342D1; IT1271538B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formen von Produkten aus Verbundmaterialien bzw. zusammengesetzten Materialien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung mit einer aufnehmenden Formhälfte, die so ausgebildet ist, daß sie ein faserartiges Verstärkungsmaterial aufnimmt, eine eindringende Formhälfte, die so ausgebildet ist, daß sie dicht auf der aufzunehmenden Formhälfte abschließt, und ein Zufuhrmittel, um geeignetes Harz zur Durchtränkung des Verstärkungsmaterials zuzuführen.
Die aktuell verwendeten Verfahren zum Formen von Produkten aus Verbundmaterialien (auf Grundlage eines wärmehärtenden Harzes und eines Verstärkungsmaterials) stellen ein vorkatalysiertes Harz bzw. ein mit einem Katalysator vorbehandeltes Harz bereit, das in eine Form eingespritzt wird, in welcher ein Verstärkungsmaterial vorausgehend eingetragen wurde, und zwar in Gestalt von verwobenen Fasern (Gewebe) oder eines Non-Woven- Gewebes (Vlies).
Die bei einer derartigen Technik verwendeten Einrichtungen bzw. Anlagen, auf die üblicherweise als "RTM (Resin Transfer Moulding bzw. Harzüberführungsformen)" bezug genommen wird, erfordern, daß das Harz in beträchtlichem Ausmaß unter Druck gesetzt wird, damit das Verstärkungsmaterial vollständig durchtränkt werden kann, wobei außerdem ein Reinigungssystem für die Einspritzdüse für das vorkatalysierte Harz vorgesehen ist, um zu verhindern, daß die Düse unbeabsichtigt verstopft. Dieser zweite Nachteil wurde überwunden, indem getrennte Düsen zum Zuführen von nicht vorkatalysiertem Harz und ein Katalysator verwendet wurde, welche Düsen in eine Mischkammer führen, innerhalb welcher ein selbstreinigender Stempel gleitend aufgenommen ist, eine derartige Lösung, die in der europäischen Patentanmeldung EP-A-529 651 offenbart ist, erfordert jedoch hohe Einspritzdrücke, welche abgesehen davon, daß sie die Kompliziertheit und Kosten der genutzten Anlagen erhöhen, das Risiko in sich bergen, daß in den Düsen eine Rückmischung des Harzes und Katalysators stattfindet.
Eine weitere wohlbekannte Formtechnik, auf die als "Kompressionsformen" bezug genommen wird, sieht vor, daß das vorkatalysierte Harz in eine Formhälfte zugeführt wird, welche das Verstärkungsmaterial enthält, gefolgt vom Schließen der Formhälfte und darauf folgender Verstärkungselementdurchtränkung. Eine derartige unvollständig automatisierte Technik erfordert, daß Harz und Katalysator vorgemischt werden und daß eine Menge des Harz/Katalysatorgemisches daraufhin der aufnehmenden Formhälfte zugesetzt wird. Eine derartige Technik ist offensichtlich weder für hohe Durchsatzraten (schnelle Herstellungszyklen) geeignet, noch erlaubt sie die Erzielung hochgradig reproduzierbarer Ergebnisse.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der zu Beginn der vorliegenden Offenbarung festgelegten Art zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist, und es außerdem erlaubt, daß die Kosten im Vergleich zu den Anlagen gemäß dem Stand der Technik verringert werden, und die Hochdruckeinspritzvorgänge für das Harz und den Katalysator verwendet.
Diese Aufgabe wird Dank der Tatsache gelöst, daß die Harzzuführeinrichtung einen mit einer Ausnehmung versehenen Sitz umfaßt, der an der Oberfläche des Formeindrucks der eindringenden Formhälfte vorgesehen ist, einen Verschlußstempel, der innerhalb des mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes gleitet und dazu ausgelegt ist, in eine hintere (eingezogene) Stellung und eine vordere (ausgefahrene) Stellung bewegt zu werden, die im wesentlichen mit dem Eindruck der eindringenden Formhälfte fluchtet, ein Paar von Düsen zur jeweiliegen Zufuhr des Harzes und des (chemischen) Katalysators, die geneigt bzw. schräg zur Achse des Stempels angeordnet sind und durch die Seitenwände des mit einer Ausnehmung versehenen Schlitzes münden, wobei die Schrägstellung der Düsen derart ist, daß sichergestellt ist, daß eine Mischung aus Harz- und Katalysatorstrahlen im wesentlichen außerhalb des mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes in einer gegenseitig beabstandeten Stellung der Formhälften stattfindet.
Dank dieser Eigenschaften können das Harz und der Katalysator (wobei "Katalysator" beliebige Gemische aus Katalysator, Beschleunigungsmitteln, einem möglichen Hemmstoff und dergleichen bedeutet) unter entscheidend niedrigeren Drücken zugeführt werden können, wie sie in der RTM-Technik verwendet werden, während gleichzeitig sichergestellt ist, daß ein ausreichendes Vermischen Dank des Zusammenflusses der Harz- und Katalysatorstrahlen stattfindet. Die Durchtränkung des Verstärkungselements wird Dank der hohen Harzzuführdrücke nicht erzielt, sondern beim folgenden gegenseitigen Abdichten/Verklemmen der Formhälften. Die Gefahr, daß Harz und Katalysator sich im Innern des mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes zurückmischen, was zu einem Verstopfen der Düsen und/oder des Verschlußstempels führen würde, wird verhindert.
Die Position des Verschlußstempels in dem Schritt, während welchem die Formhälften gegenseitig abgedichtet/verklemmt werden, stellt sicher, daß Risse nicht auftreten und ein dadurch verursachtes Ausmustern nicht erforderlich ist. Die Technik eines "Einspritzens bei offener Form" erlaubt es außerdem, die Probleme eines Faserwaschens durch bei geschlossener Form eingespritztem Harz zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt die aufnehmende Formhälfte am Umfang verlaufend um ihren Eindruck eine Nut, in welcher ein hohler, unter Druck setzbarer O- Ring untergebracht ist. Die unter Druck setzbare Dichtung (O- Ring) erlaubt es, daß die Formverschlußdichte besser gesteuert wird, und die Luft während des Formschritts problemloser ausgetragen wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Offenbarung im Detail, die ausschließlich beispielhaft und nicht beschränkend erfolgt, und zwar unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrer Harz/Katalysator-Einspritzstellung,
Fig. 2 und 3 analoge Ansichten zu Fig. 1 unter Darstellung von zwei nachfolgenden Schritten des Formprozesses, und Fig. 4 ein Detail des Düsenströmungssteuersystems.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist bei 10 eine Vorrichtung zum Formherstellen von Produkten aus Verbundmaterialien bzw. aus zusammengesetztem Material gezeigt, die eine untere Formhälfte (aufnehmende Formhälfte) 12 und eine obere (eindringende Formhälfte) 14 umfaßt.
Die eindringende Formhälfte 14 ist zentral mit einem Einspritzkopf 15 versehen, der einen kreisförmigen zylindrischen, mit einer Ausnehmung versehenen Sitz 16 aufweist, im Innern von welchem ein Verschlußstempel 17 gleitend angeordnet ist, der durch eine (nicht gezeigte) Einrichtung zur Druckerzeugung angetrieben wird.
Der Einspritzkopf 15 ist außerdem mit Einspritzdüsen 21 und 22 für das Harz und den Katalysator versehen, deren Achsen X-X unter 45º zur Achse Y-Y des Stempels 17 geneigt bzw. schräg verlaufen. Jede Düse umfaßt eine Auslaßbohrung 25 und einen zentralen Stift 26, um den Düsenausströmungsquerschnitt zu regulieren. Die Einstellung der Position des zentralen Stifts 26 wird mittels eines Schrauben-Muttersystems verwirklicht, das in Fig. 4 mit der Bezugsziffer 27 bezeichnet ist. In dieser Figur ist außerdem der Zuführkanal zum Zuführen des Katalysators oder des Harzes zu der Düse dargestellt, wie durch die Bezugsziffer 24 bezeichnet. Die aufnehmende Formhälfte 12 ist mit einem Eindruck 12a versehen, deren Umfang verlaufend durch eine Nut 28 umgeben ist, innerhalb welcher ein hohler, unter Druck setzbarer O-Ring 30 untergebracht ist.
Zum Zeitpunkt des Formens wird in den Eindruck 12a der aufnehmenden Formhälfte 12 ein Verstärkungsmaterial R, beispielsweise ein Glasfaservlies, eingetragen. Das Harz und der Katalysator werden daraufhin den Düsen 21 und 22 jeweils zugeführt (Fig. 1), wobei die Formen geringfügig voneinander beabstandet derart gehalten werden, daß die die Bohrungen 25 der Düsen verlassenden Strahlen außerhalb des mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes 16, bevorzugt über dem Verstärkungselement R, in einem Bereich vermischt werden, der mit der Bezugsziffer M in den Zeichnungen bezeichnet ist. Während dieses Schritts wird der Verschlußstempel 17 in eingezogener (hinterer) Stellung gehalten, um mit den Düsen nicht in störenden Eingriff zu gelangen.
Während des nachfolgenden Schritts, der in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Stempel 17 derart bewegt, daß seine mit der Bezugsziffer 17a bezeichnete flache Stirnseite in eine Position fluchtend und mit der Oberfläche der Form der eindringenden Formhälfte gelangt und gleichzeitig die Düsen 21 und 22 verschließt.
In einer derartigen Stellung wird die eindringende Formhälfte 14 auf der aufnehmenden Formhälfte 12 verschlossen bzw. verschließend angebracht, wobei die Dichte gegenüber Harzausleckungen durch den unter Druck gesetzten O-Ring 30 sichergestellt ist. Am Ende des Harzaushärtens wird die Form geöffnet und das hergestellte Produkt wird ausgeworfen.
Im Fall von besonders aktiven Harz/Katalysator-Systemen können extrem verkürzte Zykluszeiten in der Größenordnung von 3 bis 5 Minuten erzielt werden, die für Massenproduktionszyklen geeignet sind, die typisch für die Autoindustrie sind.
Die Erfindung wird außerdem unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele offenbart, die in keinster Weise beschränkend für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sind.

Beispiel 1

Eine Vorrichtung wurde verwendet, die aus zwei Aluminiumformhälften besteht, d. h. aus einer eindringenden Formhälfte und einer aufnehmenden Formhälfte mit einer Länge von 1600 mm und einem Eindruck rechteckiger ebener Form eine Breite von 125 mm aufweist. Der Querschnitt der Formhälften hatte eine gleichseitige trapezförmige Form mit Grundseiten von 90 und 125 mm und eine Höhe von 50 mm. Die eindringende Formhälfte war so geformt, daß sie zusammen mit der aufnehmenden Formhälfte einen konturierten Eindruck einer Dicke von 4 mm derart festlegt, daß es möglich ist, ein Herstellungsprodukt in "U"-Balkenform herzustellen. Die eindringende Formhälfte trägt in ihrem zentralen Abschnitt ein Harz- und Katalysatoreinspritzsystem des vorstehend offenbarten Typs. In diesem speziellen Fall weist der Stempel einen Durchmesser von 30 mm auf und die Düsen, die unter 45º relativ zu der Seitenwand der Bohrung angeordnet sind, innerhalb welcher der Stempel angeordnet ist, weisen unterschiedliche Durchmesser auf, insbesondere von 15 mm und 10 mm für die Harzzuführdüse bzw. die Katalysatorzuführdüse. Beide Düsen weisen eine Auslaßbohrung mit einem Durchmesser von 3 mm auf.
Die unter Druck setzbare hohle Dichtung (O-Ring) weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von ungefähr 10 mm auf und ist mit einer Druckluftversorgung verbunden. Die Formhälften sind an den Platten einer Presse PKO 1515 befestigt, die durch die OMS-Gesellschaft hergestellt wird. Die Eindrücke der zwei Formhälften wurden daraufhin mit einem Formfreigabemittel ELKOAT 441, hergestellt durch Elgadi Chemicals behandelt. In das Innere der aufnehmenden Formhälfte wurde daraufhin ein Vlies aus einsträngiger Glasfaser eingetragen, die von VETROTEX erhältlich ist, eine Dicke von ungefähr 4 mm hat, 470 g wiegt und unter einer Temperatur von 150ºC derart vorgeformt wurde, daß sie geeignet ist, in den Eindruck eingebracht zu werden.
Unter Halten beider Formhälften auf einer Temperatur von 100ºC sowie voneinander beabstandet mit einer Distanz von 50 mm, wurden 100 g/s SIRESTER FS 0940/R-Harz, hergestellt durch Sir Industriale, und 5 g/s LUPEROX GZN-Katalysator, hergestellt von Elgadi Chemicals, beide auf eine Temperatur von 23ºC gehalten, gleichzeitig mit einer konstanten Strömungsrate während einer Zeitperiode von 40 Sekunden eingespritzt.
Am Ende des Einspritzschritts wurde der Verschlußstempel in eine Endposition bewegt, in welcher er mit der Unterseite der eindringenden Formhälfte fluchtete, durch Anlegen eines Drucks von etwa 25 bar mittels einer Pumpe. Die Dichtung wurde daraufhin auf 3 bar unter Druck gesetzt, und die eindringende Form hälfte wurde auf die aufnehmende Formhälfte abgesenkt, bis eine dichte Abdichtung erzielt war. Die Abwärtsbewegung der eindringenden Formhälfte wurde daraufhin fortgesetzt, bis beide Formhälften in gegenseitigen Kontakt gelangten, wobei der O-Ring zwangsweise derart verformt wurde, daß er innerhalb seiner ihm zugeordneten Nut integral enthalten ist.
Das hergestellte Produkt, das nach 3 Minuten nach dem Schließen der Form entformt wurde, zeigte die in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften. Um die Biegesteifigkeit bzw. -festigkeit und die biaxiale Stoßfestigkeit des hergestellten Produkts zu ermitteln, wurden aus ihm 8 Scheiben eines Durchmessers von ungefähr 100 m gewonnen, deren Position in Tabelle 1 mit den Bezugsziffern 1 bis 8 bezeichnet ist; die Scheiben 4 und 5 lagen mit ihren Zentren gleich beabstandet vom Einspritzpunkt und befanden sich am nächsten zueinander, und die Scheiben 1 und 8 waren diejenigen, die vom Einspritzpunkt am weitesten weglagen. Die in der Tabelle angeführten Ergebnisse zeigen, daß die Werte der Biegesteifigkeit praktisch unabhängig von der Orientierung relativ zur Strömung des Harzstroms war, und daß die Wärmebehandlung keinen wesentlichen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften hat. TABELLE 1

Beispiel 2

Dieselbe Einspritzvorrichtung wie im Beispiel 1 wurde verwendet, die jedoch in diesem Fall im zentralen Bereich der oberen Formhälfte einer kreisförmigen Form eines Durchmessers von 380 mm angebracht war, mit einer Eindrucktiefe von 3 mm. Auch in diesem Fall wurde außerhalb der Eindruckkontur ein O-Ring angeordnet, der ähnlich zu dem im Beispiel 1 genannten O-Ring war.
Die Menge der verwendeten Materialien (dieselben Bestandteile wie im Beispiel 1) war die folgende:
-- 300 g Glasfaservlies (entsprechend derselben Modalität wie im Beispiel 1 vorgeformt)
-- 17 g Katalysator;
-- 350 g Harz.
Durch Folgen derselben Betriebsabläufe wie sie in Beispiel 1 offenbart sind, wurden hergestellte Produkte in Form von Scheiben mit einem Durchmesser von 380 mm und einer mittleren Dicke von 3 mm erhalten, deren Eigenschaften in der folgenden Tabelle 2 angeführt sind. Tabelle 2
Auch in diesem Fall wurden die Charakterisierungen der kreisförmigen Proben eines Durchmessers von ungefähr 100 mm ausgeführt, gewonnen aus den hergestellten Teilen.

Claims

Vorrichtung (10) zur Herstellung von Produkten aus zusammengesetztem Material durch Formen, umfassend eine aufnehmende Formhälfte (12), die so ausgebildet ist, daß sie ein faserartiges Verstärkungsmaterial (R) aufnimmt, eine eindringende Formhälfte (14), die so ausgebildet ist, daß sie dicht auf der aufnehmenden Formhälfte abschließt, und Zufuhrmittel, um geeignetes Harz zur Durchtränkung des Verstärkungsmaterials zuzuführen, worin die genannten Harzzufuhrmittel umfassen:

- einen mit einer Ausnehmung versehenen Sitz (16), der an der Oberfläche des Formeindrucks der eindringenden Formhälfte (14) vorgesehen ist;

- einen Verschlußstempel (17), der innerhalb des genannten, mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes (16) gleitet und dazu angebracht ist, um zu einer hinteren (eingezogenen) Stellung und einer vorderen (ausgefahrenen) Stellung bewegt zu werden, die im wesentlichen mit dem Eindruck der eindringenden Formhälfte (14) fluchtet, und

- ein Paar Düsen (21, 22) zur Zufuhr des Harzes und des chemischen Beschleunigers, die in die Seitenwände des genannten mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes (16) münden, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenpaar zu der Achse (Y-Y) des genannten Stempels (17) schräg angeordnet ist, wobei die Schrägstellung der Düsen (21, 22) so ist, um sicherzustellen, daß eine Mischung aus Harz und Beschleuniger im wesentlichen außerhalb des genannten, mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes (16) in einer gegenseitig beabstandeten Stellung der genannten Formhälften (14,12) eingespritzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte aufnehmende Formhälfte (12) am Umfang verlaufend um ihren Eindruck (12a) eine Nut (28) umfaßt, in der ein hohler, unter Druck setzbarer O-Ring (30) untergebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (21, 22) eine Flußsteuerungsvorrichtung in Form einer Düsenregelungseinrichtung (26) umfaßt.
4. Verfahren zum Formen von Produkten aus zusammengesetztem Material, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt:

- das Bereitstellen einer aufnehmenden Formhälfte (12), in derem Inneren ein Verstärkungsfasermaterial (R) vorbereitet ist,

- das Bereitstellen einer eindringenden Formhälfte (14) gegenüber der aufnehmenden Formhälfte und mit einem zentralen, mit einer Ausnehmung versehenen Sitz (16) versehen, in dem ein Verschlußstempel (17) verschiebbar angebracht ist,

und in den zwei Zufuhrdüsen (21, 22) flur die Zufuhr eines Harzes und Beschleunigers münden,

- das Beschicken der genannten Düsen, wobei der Verschlußstempel sich in einer eingezogenen Stellung befindet, mit Harz- und Beschleunigermengen, die ausreichend sind, um die nachfolgende Durchtränkung des Verstärkungsmaterials sicherzustellen,

- das Bewegen des Verschlußstempels derart, daß sein Ende mit dem Eindruck der eindringenden Formhälfte fluchtet, wobei gleichzeitig die Düsen geschlossen werden,

- das Bewegen beider Formhälften getrennt voneinander, um es zu ermöglichen, daß der hergestellte Gegenstand entformt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Formhälften (12, 14) voneinander beabstandet werden, wenn die Düsen mit Harz und Beschleuniger beschickt werden,

- die Düsen (21, 22) schräg zu der Achse (Y-Y) des Stempels gestellt werden, wobei die Schrägstellung der Düsen so ist, um sicherzustellen, daß eine Mischung der Zufuhrstrahlen im wesentlichen außerhalb des mit einer Ausnehmung versehenen Sitzes stattfindet,

- die Formhälften gegeneinander fest verschlossen werden, um zu ermöglichen, daß das mit einem Beschleuniger versehene Harz das Verstärkungsmaterial durchtränkt und abbindet, nachdem der Verschlußstempel (17) in die Stellung bewegt wurde, die mit der Formoberfläche fluchtet.