CARTIER, André (Letzigasse 13, Zofingen, CH-4800, CH)
PEIKERT, Gregor (Loretohöhe 34, Zug, CH-6300, CH)
FIEDLER, Bodo (Mattli 2, Hergiswil, CH-6052, CH)
CARTIER, André (Letzigasse 13, Zofingen, CH-4800, CH)
PEIKERT, Gregor (Loretohöhe 34, Zug, CH-6300, CH)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörpers (2) , umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines formstabilen Formkerns (D; b) Auflegen von verfestigbarem Material (17) auf den formstabilen Formkern (1) ; c) Umschliessen des formstabilen Formkerns (1) mit dem darauf angeordneten verfestigbaren Material (17) mit einer Form (8) deren Innenkontur der gewünschten Aussenkontur des herzustellenden Hohlkörpers (2) entspricht; d) Anpressen des auf dem formstabilen Form- kern (1) angeordneten verfestigbaren Materials (17) an die Innenkontur der Form (8) durch eine Erwärmung und die dadurch bedingte thermische Ausdehnung zumindest eines Teils des formstabilen Formkerns (D ; e) Verfestigen des durch den thermisch ausgedehnten formstabilen Formkern (1) an die Innenkontur der Form angepressten Materials (17) zu einem formstabilen Verbundwerkstoff -Hohlkörper (2) ; f) Entfernen der Form (8) vom Hohlkörper (2) ; und g) Entfernen des Formkerns (1) aus dem Hohlkörper (2) unter einem Aufheben der Formstabilität des Formkerns (1) . 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Verfestigen des aufgelegten verfestigbaren Materials (17) weiteres verfestigbares Material in den Bereich zwischen dem formstabilen Formkern (1) und der Form (8) eingebracht wird, welches anschliessend zusammen mit dem bereits in diesem Bereich vorhandenen verfestigbaren Mate- rial (17) verfestigt wird. 3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte a) bis g) mehrfach unter Verwendung desselben Formkerns (1) durchgeführt werden, zur Herstellung mehrerer, insbesondere identischer Verbundwerkstoff-Hohlkörper (2) . 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein hinterschnittener formstabiler Formkern (1) bereitgestellt wird und damit ein formstabiler Verbundwerkstoff-Hohlkörper (2) mit einer hinterschnit- tenen Innenkontur hergestellt wird. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Form (8) verwendet wird, welche, insbesondere umfangsmässig, einfach oder mehrfach geteilt ist. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden An- sprüche, wobei ein formstabiler Formkern (1) bereitgestellt wird, der mit einer evakuierten flexiblen Hülle (5) aus einem im Wesentlichen inkompressiblen Material, die mit einem rieselfähigen, im Wesentlichen inkompressiblen Schüttgut (4) gefüllt ist, gebildet ist und wobei zum Aufheben der Formstabilität des Formkerns (1) und zum Entfernen desselben aus dem Hohlkörper (2) das Vakuum in der flexiblen Hülle (5) aufgehoben wird und zumindest ein Teil des Schüttguts (4) aus der Hülle (5) entfernt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ent- fernen von Schüttgut (4) aus der flexiblen Hülle (5) aus- schliesslich durch Schwerkraftförderung erfolgt. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei nach dem Entfernen von Schüttgut (4) aus der flexiblen Hülle (5) die flexible Hülle (5) evakuiert wird, zur Erleichterung eines Entfernens der flexiblen Hülle (5) aus dem Hohlkörper (2) . 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein formstabiler Formkern (1) bereitgestellt wird, der mit einer flexiblen Hülle (5) aus einem im We- sent liehen inkompressiblen Material gebildet ist, innerhalb derer ein Festkörper (16) aus einem inkompressiblen Material entnehmbar angeordnet ist und wobei zum Aufheben der Formstabilität des Formkerns (1) und zum Entfernen desselben aus dem Hohlkörper (2) der Festkörper (16) ganz oder teilweise aus der flexiblen Hülle (5) entnommen wird. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die flexible Hülle (5) aus einem Werkstoff mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten bei 200C im Bereich zwischen ΞOxlO^/K"1 und 35OxIO-5ZK"1, insbesondere zwischen 20OxIO-6ZK"1 und 30OxIO-6ZK"1, gebildet wird, insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer, Gummi, Latex oder Silikon. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die flexible Hülle (5) eine Mindestdicke von 5 mm, insbesondere von 10 mm aufweist. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das Verhältnis von Dicke der flexiblen Hülle (5) zur Dicke der verfestigten Materialschicht des fertigen Hohlkörpers (2) grösser als 5 ist. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein formstabiler Formkern (1) bereitgestellt wird, welcher zumindest zum Teil aus einem Material besteht, dessen Schmelzpunkt unter einer Temperatur liegt, bei der das Material des fertigen mit dem Verfahren herzustellenden Hohlkörpers (2) geschädigt oder zerstört wird, und wobei zum Aufheben der Formstabilität des Formkerns (1) und zum Entfernen desselben aus dem Hohlkörper (2) der Formkern (1) oder zumindest ein Teil des Formkerns (1) geschmolzen wird. 14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein mit einem verfestigbaren Bindemittel imprägniertes Gewebe (17) auf den Formkern (1) aufgelegt wird, insbesondere ein Fasergewebe oder -gelege, insbesondere aus Kohlenstofffasern. 15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Gewebe (17) aufgelegt wird, welches mit einem warmver- festigbaren Kunstharz, insbesondere mit Epoxydharz, imprägniert ist . 16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verfestigbare Material durch Erwärmen verfestigt wird. |
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Verbundwerkstoff -Hohlkörpers gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, formstabile Verbundverkstoff- Hohlkörpern dadurch herzustellen, dass ein verfestigbares Material auf einen Formkern aufgelegt und anschliessend verfestigt wird. Hierdurch lassen sich typischerweise Hohlkörper mit einer genau definierten Innenkontur herstellen, deren Aussenkontur jedoch relativ Undefiniert ist.
Soll mit einem derartigen Verfahren ein Hohlkörper mit einer genau definierten Aussenkontur herge- stellt werden, so wird der Formkern nach dem Auflegen des verfestigbaren Materials mit einer Form umschlossen und das Material vor und während dem Verfestigen gegen die Innenwandung der Form gepresst. Dies geschieht dadurch, dass eine zwischen dem eigentlichen Formkern und dem auf- gelegten Material angeordnete schlauchartige Hülle unter einen Überdruck gesetzt wird und dadurch das Material gegen die Form presst. Dabei wird jedoch das verfestigbare Material vom eigentlichen Formkern abgehoben, so dass es vor dem Verfestigen des Materials zu einer Mate- rialverlagerung, z.B. infolge der Schwerkraft, kommen kann, mit dem Resultat, dass der fertige Hohlkörper eine unpräzise Innenkontur und Undefinierte Wandstärken aufweist, was insbesondere bei hochbelasteten Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt nicht tolerierbar ist. Weiter ergibt sich bei den obigen Verfahren, insbesondere bei der Herstellung von Hohlkörpern mit hin- terschnittenen Innenkonturen, das Problem, dass der Formkern nach der Verfestigung des Materials in seiner bestehenden Form nicht mehr aus dem um ihn herum gebildeten Hohlkörper entfernt werden kann.
Eine Lösung für dieses Problem ist aus EP 0 370 472 A2 bekannt. Zur Herstellung eines Verbundwerkstoff-Hohlkörpers wird hier ein Formkern aus Polystyrol eng anliegend mit einer ersten Kunststofffolie umschlossen. Auf diese Kunststofffolie werden sodann mehrere Lagen eines mit einem aushärtbaren Bindemittel imprägnier- ten Gewebematerials aufgelegt und das ganze sodann in einer Form angeordnet . Diese Form wird mit einer zweiten Kunststofffolie umschlossen, innerhalb welche ein Unterdruck erzeugt wird, während der Innenraum der ersten Kunststofffolie auf Atmosphärendruck gehalten wird, so dass die Gewebelagen von der ersten Kunststofffolie vom Formkern abgehoben und gegen die Wandungen der Form ge- presst werden. Anschliessend wird das Bindemittel des Gewebematerials durch Erhitzen ausgehärtet, wobei gleichzeitig der Polystyrolkern schrumpft bzw. zusammenfällt, so dass seine Überreste problemlos aus dem fertiggestellten Hohlkörper entfernt werden können. Dieses Verfahren erlaubt zwar die Herstellung von Verbundwerkstoff -Hohlkörpern mit hinterschnittenen Innenkonturen, weist jedoch ansonsten ebenfalls die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik auf. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass eine mehrmalige Verwendung des Formkerns bzw. des Formkernmaterials systembedingt von vornherein ausgeschlossen ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren für die Herstellung formstabiler Verbundwerkstoff - Hohlkörper zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist oder zumin- dest teilweise vermeidet . Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss
Patentanspruch 1 gelöst.
Demgemäss umfasst das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörpers folgende Schritte: In einem ersten Schritt wird ein formstabiler
Formkern bereitgestellt, welcher eine Aussenkontur aufweist, die im Wesentlichen der gewünschten Innenkontur des herzustellenden Verbundwerkstoff-Hohlkörpers entspricht . Sodann wird ein verfestigbares Material bzw. werden verfestigbare Materialschichten auf dem formstabilen Formkern aufgelegt, z.B. mehrere Lagen eines mit Epoxydharz getränkten Gewebematerials.
In einem weiteren Schritt wird der formsta- bile Formkern mit dem darauf aufgelegten verfestigbaren Material mit einer Form umgeben, deren Innenkontur der gewünschten Aussenkontur des herzustellenden Hohlkörpers entspricht .
In diesem Zustand wird das auf dem formstabi- len Formkern angeordnete verfestigbare Material an die
Innenkontur der Form angepresst, indem der Formkern oder zumindest ein Teil desselben erwärmt wird und sich dadurch thermisch ausdehnt. Die zum Anpressen des Materials an die Innenkontur der Form benötigte Anpresskraft wird also ausschliesslich dadurch bereitgestellt, dass zumindest ein Teil des den formstabilen Formkern bildenden Materials erwärmt wird und sich infolge der Erwärmung ausdehnt .
Während nun das verfestigbare Material vom thermisch ausgedehnten Formkern gegen die Innenkontur der Form gepresst wird, wird es verfestigt, so dass das Material einen (den herzustellenden) formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörper bildet.
Nach dem Verfestigen des verfestigbaren Mate- rials zu dem formstabilen Hohlkörper wird in weiteren
Schritten die Form, welche den Hohlkörper beim Verfesti- gen umgeben hat, entfernt und der Formkern aus dem durch diesen gebildeten Hohlraum im Hohlkörper entfernt, wozu zur Erleichterung bzw. Ermöglichung des Entfernens die Formstabilität des Formkerns aufgehoben wird.
Mit anderen Worten gesagt betrifft die Erfin- düng also ein Verfahren zur Herstellung formstabiler Verbundwerkstoff-Hohlkörper durch Auflegen von verfestigbarem Material auf einen formstabilen Formkern. Der Formkern mit dem darauf aufgelegten Material wird mit einer Form umgeben, wobei das Material an die Form angepresst wird, indem der Formkern erwärmt wird und sich dadurch thermisch ausdehnt . Während das Material vom thermisch ausgedehnten Formkern gegen die Form gepresst wird, wird es verfestigt, so dass es den herzustellenden formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörper bildet. Nach dem Verfes- tigen des Materials wird die Form entfernt und der Formkern aus dem durch diesen gebildeten Hohlraum im Hohlkörper entfernt, wozu die Formstabilität des Formkerns aufgehoben wird.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird es erstmals möglich, hochfeste und sehr leichte formstabile Verbundwerkstoff-Hohlkörper mit hinterschnittenen Hohlräumen herzustellen, welche präzise definierte Innen- und Aussenkonturen sowie eng tolerierte Wandstärken aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Verfestigen des aufgelegten verfestigbaren Materials weiteres verfestigbares Material in den Bereich zwischen dem formstabilen Formkern und der Form eingebracht, z.B. mittels Injektion, welches an- schliessend zusammen mit dem bereits in diesem Bereich vorhandenen verfestigbaren Material verfestigt wird. Auf diese Weise kann ein porenfreies Verbundwerkstoffmaterial gebildet werden, dessen Oberfläche höchsten Ansprüchen genügt . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die zuvor erwähnten Verfahrens- schritte mehrfach unter Verwendung desselben Formkerns bzw. Formkernmaterials oder zumindest der wesentlichen Komponenten des Formkerns durchgeführt, zur Herstellung mehrerer, bevorzugterweise identischer formstabiler Verbundwerkstoff-Hohlkörper . Durch die Mehrfachbenutzung können Kosten und Material eingespart werden.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein hinterschnittener formstabiler Formkern bereitgestellt und damit ein formstabiler Verbundwerkstoff-Hohlkörper mit einer hinterschnitte- nen Innenkontur hergestellt. Der bereitgestellte Formkern weist also eine derartige Aussenkontur auf, dass er sich nach dem Verfestigen des Materials in seiner formgebenden Form nicht aus dem durch ihn gebildeten Hohlraum entfernen lässt. Bei derartigen Ausführungsformen treten die Vorteile der Erfindung besonders deutlich in Erscheinung.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Aussenform verwendet, welche, bevorzugterweise umfangsmässig, einfach oder mehrfach geteilt ist. Hierdurch ist es möglich, formsta- bile Verbundwerkstoff-Hohlkörper mit einer hinterschnit- tenen Aussenkontur herzustellen.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird ein formstabiler Formkern bereitgestellt, der durch Evakuieren eine flexiblen Hülle aus einem im Wesentlichen inkompressiblen Material, die mit einem rieselfähigen, im Wesentlichen inkompressiblen Schüttgut gefüllt ist, gebildet wurde. Dieser Verfestigungseffekt einer mit losem Schüttgut befüllten evakuierten Hülle ist unter anderem von vakuumverpacktem Kaffee bekannt. Der so gebildete Formkern ist formstabil solange das Vakuum im Innern der flexiblen Hülle aufrecht erhalten wird. Nach dem Verfestigen des verfestigbaren Materials zu dem formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörper wird, zum Entfernen des Formkerns aus dem Hohlkörper, das Vaku- um in der flexiblen Hülle aufgehoben und zumindest ein Teil des Schüttguts aus der Hülle entfernt, bevor die flexible Hülle aus dem Hohlraum entfernt wird. Hierdurch wird es möglich, mit dem erfindungsgemässen Verfahren Verbundwerkstoff-Hohlkörper mit stark hinterschnittenen Innenkonturen herzustellen, wobei die flexible Hülle und das Schüttgut mehrfach verwendet werden können. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass das Entfernen von Schüttgut aus der flexiblen Hülle ausschliess- lich durch Schwerkraftförderung erfolgt, so dass auf aufwendige Einrichtungen für diesen Zweck verzichtet werden kann. Weiter ist es bevorzugt, dass die flexible
Hülle nach dem Entfernen zumindest eines Teils des Schüttguts aus ihrem Innenraum evakuiert wird, wodurch sie sich leichter aus dem um sie herum gebildeten Hohlkörper entfernen lässt. Hierdurch wird insbesondere das Entfernen der Hülle aus hinterschnittenen Hohlräumen erleichtert .
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird ein formstabiler Formkern bereitgestellt, der mit einer flexiblen Hülle aus einem im Wesentlichen inkompressiblen Material gebildet ist, innerhalb derer ein Festkörper aus einem inkompressiblen Material entnehmbar angeordnet ist. Zum Aufheben der Formstabilität des Formkerns und zum Entfernen des Formkerns aus dem Hohlkörper wird der Festkörper ganz oder zumindest teilweise aus der flexiblen Hülle entnommen. Um eine Entnehmbarkeit des Festkörpers aus der flexiblen Hülle zu ermöglichen, sind der Festkörper und der den Festkörper aufnehmende Hohlraum in der flexiblen Hülle in Entnahmerichtung hinterschneidungsfrei, z.B. zylindrisch, ausgebildet. Auch ist es denkbar, den Festkörper derartig auszubilden, dass dessen Aussenkontur zum Entnehmen verändert werden kann oder dieser in einzelnen Teilen aus der flexiblen Hülle entfernt werden kann. Weiter ist es auch denkbar, dass der Festkörper schraubenartig ausge- bildet ist und die flexible Hülle einen entsprechenden sacklochartigen Hohlraum zur Aufnahme desselben aufweist, wobei es auch vorgesehen sein kann, dass dieser Hohlraum beim Einschrauben des Festkörpers radial aufgeweitet wird. Diese Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens eignet sich besonders für die Herstellung von formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörpern mit nicht oder lediglich leicht hinterschnittenen Hohlraumkonturen und weist den Vorteil auf, dass der Formkern mehrfach verwendet werden kann und zur Bildung und zum Entfernen des Formkerns keine Prozesse erforderlich sind, welche typischerweise Staub oder Schmutz generieren, so dass sich diese Variante auch bestens zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Hohlkörpern unter Reinraum-Bedingungen eignet.
Mit Vorteil wird die flexible Hülle aus einem Werkstoff mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten bei 2O 0 C im Bereich zwischen ΞOxlO "5 /^ 1 und 35OxIO -6 ZK "1 , bevorzugterweise zwischen 20OxIO -6 ZK "1 und 30OxIO -6 ZK "1 , gebildet, und zwar bevorzugterweise aus einem thermoplastischen Elastomer, Gummi, Latex oder Silikon. Mit derartigen Materialien lassen sich, bei vertretbarer Wandstärke der flexiblen Hülle, durch Erwärmung z.B. ausgehend von Raumtemperatur, um 100 0 C bis 200 0 C relativ grosse Wärmeausdehnungen der flexiblen Hülle erzeugen, was wünschenswert ist, um eine möglichst grosse Anpressfähigkeit zu ermöglichen.
Bevorzugterweise weist die flexible Hülle in ihrem formgebenden Bereich eine Mindestdicke von 5 mm, bevorzugterweise von 10 mm auf.
Um eine gute Anpressung des auf den Formkern aufgelegten Materials auf den Formkern zu gewährleisten ist es bevorzugt, dass das Verhältnis aus der Dicke der flexiblen Hülle zu der Dicke der verfestigten Materialschicht des fertig gestellten Hohlkörpers grösser als 5 ist .
In einer dritten bevorzugten AusführungsVariante des Verfahrens wird ein formstabiler Formkern be- reitgestellt, welcher zumindest zum Teil aus einem Material besteht, dessen Schmelzpunkt unter einer Temperatur liegt, bei der das Material des fertigen mit dem Verfahren herzustellenden Hohlkörpers geschädigt bzw. zerstört wird. Zum Aufheben der Formstabilität des Formkerns und zum Entfernen desselben aus dem Hohlkörper wird der Formkern oder zumindest ein Teil des Formkerns geschmolzen. Für diese Verfahrensvariante eignen sich besonders massive Formkerne aus thermoplastischen Elastomeren. Nach dem Aufschmelzen dieser Formkerne zwecks Entfernung derselben aus dem jeweiligen durch sie gebildeten Hohlraum kann das aufgescholzene Material mit Vorteil in einem direkt darauf folgenden Arbeitsgang erneut durch Abgies- sen in eine Form zu einem neuen Formkern geformt werden.
Natürlich sind auch Kombinationen der zuvor genannten Ausführungsformen und Ausführungsvarianten vorgesehen. So kann z.B. bei der zweiten Ausführungsvariante der in der flexiblen Hülle angeordnete Festkörper aus einem Material gebildet sein, welches, wie in der dritten Ausführungsvariante gelehrt, durch Aufschmelzen entfernt werden kann, ohne dass hierdurch der hergestellte Hohlkörper Schaden nimmt . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein mit einem verfestigbaren Bindemittel imprägniertes Gewebe auf den Formkern aufgelegt, bevorzugterweise ein imprägniertes Fasergewebe oder -gelege, und zwar bevorzugterweise aus Kohlenstofffasern. Hierdurch lassen sich leichte, hochfeste Verbundwerkstoff-Hohlkörper herstellen, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt benötigt werden.
Dabei ist es von Vorteil, das ein Gewebe auf- gelegt wird, welches mit einem warmverfestigbaren Kunstharz, bevorzugterweise mit Epoxydharz, imprägniert ist. Generell ist es bevorzugt, wenn das verfestigbare Material durch Erwärmen verfestigt wird, auch bei Materialien, welche sich nach einer längeren Zeit auch ohne Erwärmung verfestigen würden. Hierdurch wird es möglich, dass Erwärmen des
Formkerns zum Anpressen des verfestigbaren Materials an die Form und das Erwärmen des verfestigbaren Materials zum Verfestigen desselben in einem gemeinsamen Erwärmungsschritt durchzuführen und dadurch Energie und/oder Zeit zu sparen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- Sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Formwerkzeug zur Bildung eines formstabilen Formkerns zur Verwendung im einer ersten AusführungsVariante des erfindungs- gemässen Verfahrens in einem ersten Zustand;
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch das Formwerkzeug aus Fig. 1 in einem zweiten Zustand;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch das Formwerkzeug aus Fig. 2 nach dem Auflegen von verfestigbarem Ma- terial;
Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch das Formwerkzeug aus Fig. 3 mit dem belegten Formkern angeordnet in einer Form;
Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch das Formwerk- zeug aus Fig. 4 mit einem auf dessen Formkern angeordneten formstabilen Hohlkörper nach dem Entfernen der Form in einem ersten Zustand;
Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch das Formwerkzeug aus Fig. 4 mit einem auf dessen Formkern angeordne- ten formstabilen Hohlkörper nach dem Entfernen der Form in einem zweiten Zustand;
Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch einen formstabilen Formkern und eine Form bei der Durchführung einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Ver- fahrens; und Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch, einen formstabilen Formkern und eine Form bei der Durchführung einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens .
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine erste bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 dargelegt.
Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Formwerkzeug zur Bildung eines formstabilen hinterschnit- tenen Formkerns für die Herstellung eines formstabilen Hohlkörpers durch Auflegen von verfestigbarem Material und anschliessendes Verfestigen des Materials zu einem formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörper . Dabei ist das Formwerkzeug in Fig. 1 in einem aufrechten Grundzustand gezeigt, in welchem es noch keinen formstabilen Formkern bildet. Wie zu erkennen ist, weist das Formwerkzeug ein Behältnis 5, 7, 9, 18 mit einem rotationssymmetrischen vakuumdichten Innenraum 3 auf, welcher von einer flexi- blen Hülle 5 aus Gummi und einem Schüttgutreservoir 7, 9, 18 gebildet wird. Wie zu erkennen ist, hat die flexible Hülle 5 in der dargestellten Situation bei Raumtemperatur und bei auf Umgebungsdruck liegendem Innenraum 3 eine eigenständige, definierte Aussenform, und weist in dem Bereich, der bei ihrer bestimmungsgemässen Verwendung der Formung des zu bildenden Hohlkörpers dient , eine Wanddicke von ca . 6 mm auf .
Das Schüttgutreservoir 7, 9, 18 weist einen RoIl- balg 18 auf, der in einem Metallbecher 7 angeordnet ist und an seiner Oberseite mittels des Metallbechers 7 fest und sowohl druck- als auch vakuumdicht auf den Rand eines Metalldeckels 9 geklemmt ist. An seiner Unterseite weist der Metallbecher 7 eine Belüftungsöffnung 19 auf. Im vorliegenden Fall sind der Becher 7 und der Deckel 9 aus rostfreiem Stahl gefertigt. Ebenso geeignet wäre jedoch beispielsweise auch Aluminium oder faserverstärkter Kunststoff .
Der Deckel 9 weist eine zentrale Durchgangsöffnung 10 auf, welche sich in Richtung zum Rollbalg 18 hin trichterförmig erweitert. Die flexible Hülle 5 bildet an ihrem dem Rollbalg 18 zugewandten Ende eine Flanschpartie 11, welche mittels eines Befestigungsflansches 12 und mehrerer Befestigungsschrauben 13 druck- und vakuumdicht auf der Oberseite des Deckels 9 befestigt ist, derart, dass die Durchgangsöffnung 10 ohne sprunghafte Quer- Schnittsveränderung in die Innenkontur der flexiblen Hülle 5 übergeht .
Im dargestellten Grundzustand ist der vom RoIl- balg 18 gebildete Teil des Innenraums 3 etwa zur Hälfte mit trockenem Quarzsand 4 gefüllt . Der Innenraum 3 steht über eine Öffnung 6 im Deckel 9 mit der Umgebung in Verbindung, also unter Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck. Die Öffnung 6 weist ein Filterelement 14 auf, welches derartig ausgelegt ist, dass zwar Luft in den Innenraum 3 eingebracht und aus diesem entnommen werden kann, der Quarz- sand 4 die Öffnung 6 jedoch nicht passieren kann.
Ausgehend von dem in Fig. 1 gezeigten Grundzustand kann der Sand 4 durch Änderung der Lage des Formwerkzeugs gegenüber der Schwerkraftrichtung derart, dass das Formwerkzeug mit dem Rollbalg 18 nach oben und mit der flexiblen Hülle 5 nach unten orientiert wird, durch Schwerkraftförderung in freiem Fall aus dem Rollbalg 18 in die flexible Hülle 5 verlagert werden, wobei die trichterförmige Durchgangsöffnung 10 im Deckel 9 als Einfülltrichter dient. Wird in diesem Zustand nun der Innenraum 3 des
Formwerkzeugs über die Öffnung 6 mittels einer Vakuumpumpe evakuiert, so wird der Rollbalg 18 in Richtung auf die Durchtrittsöffnung 10 hin zurückgerollt, bis er auf dem die Durchgangsöffnung 10 bedeckenden Sand 4 aufliegt. In dieser Situation, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist das Gesamtvolumen des Innenraums 3 im Wesentlichen gleich dem Volumen der im Innenraum 3 angeordneten Sandmenge 4 , und die flexible Hülle 5 mit dem darin befindlichen Sand 4 hat sich zu einem formstabilen Körper 1 verfestigt, welcher als Formkern 1 zum Auflegen von verfestigbarem Material dienen kann. Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch das
Formwerkzeug, nachdem dieses ausgehend von der in Fig. 2 gezeigten Situation wieder mit der flexiblen Hülle 5 nach oben orientiert wurde und nachdem ein mit Epoxydharz vorimprägniertes Kohlenstofffasergewebe 17 (Prepreg) auf den Formkern 1 aufgelegt wurde.
Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch das Formwerkzeug, nachdem dessen formstabiler Formkern 1 mit dem darauf angeordneten Gewebe 17 ausgehend von der in Fig. 3 dargestellten Situation mit einer zweiteiligen Form 8 umschlossen worden ist, welche als Innenkontur die gewünschte Aussenkontur des herzustellenden Verbundwerkstoff-Hohlkörpers aufweist. Die Form 8 umgreift dabei eine Flanschpartie 15 am Deckel 9 des Behältnisses 5, 7, 9, 18 und ist dadurch formschlüssig am Formwerkzeug be- festigt. In diesem Zustand besteht zwischen der Innenkontur der Form 8 und dem aufgelegten Gewebematerial 17 zumindest stellenweise ein kleiner Spalt (nicht gezeigt) .
Ausgehend von dem in Fig. 4 gezeigten Zustand wird die gesamte Anordnung in einem Ofen von Räumtempe- ratur auf etwa 180 0 C erhitzt und eine längere Zeit auf dieser Temperatur gehalten. Dabei dehnt sich die flexible Hülle 5 des formstabilen Formkerns 1 aus und presst dadurch das Gewebematerial 17 gegen die Innenwandung der Form 8, während das Epoxydharz, mit welchem dieses ge- tränkt ist, aushärtet, so dass das Gewebe 17 mit dem darin enthaltenen ausgehärteten Epoxydharz anschliessend den herzustellenden formstabilen Verbundwerkstoff -Hohlkörper 2 bildet.
Anschliessend wird die zweiteilige Form 8 ent- fernt und der Innenraum 3 über die Öffnung 6,. 14 mit der Umgebung verbunden. Infolge des Druckausgleichs zwischen Innenraum 3 und der Umgebung wird der Sand 4 wieder mobil und rieselt durch Schwerkraft zurück in das Schüttgutreservoir 7, 9, 18. Die Situation nach Durchführung dieser Schritte ist in Fig. 5 im Vertikalschnitt dargestellt. Fig. 6 zeigt das Formwerkzeug mit dem daran be- findlichen Verbundwerkstoff-Hohlkörper 2 im Vertikal - schnitt in einer Situation, nachdem ausgehend von der in Fig. 5 dargestellten Situation der Innenraum 3 über die Öffnung 6 unter ein leichtes Vakuum gesetzt worden ist. Wie zu erkennen ist, hat sich infolge des Vakuums im In- nenraum 3 die flexible Hülle 5 in dem von ihr geformten Hohlraum im Hohlkörper 2 zusammengezogen, während hingegen der Rollbalg 18 durch die Gewichtskraft des Sandes 4 am Boden des Bechers 7 gehalten wird. In diesem Zustand kann der Hohlkörper 2 nun problemlos vom Formwerkzeug nach oben abgehoben bzw. von der flexiblen Hülle 5 abgezogen werden.
Natürlich kann auch darauf verzichtet werden, den Innenraum 3 zur Erleichterung des Abhebens bzw. Abziehens des Gusshohlkörpers 2 unter ein leichtes Vakuum zu set- zen, insbesondere auch dann, wenn keine hinterschnittenen Hohlräume mit dem Formkern gebildet werden.
Nach dem Aufheben des leichten Vakuums im Innenraum 3 des Formwerkzeugs stellt sich automatisch wieder die Situation gemäss Fig. 1 ein und der zuvor beschrie- bene Ablauf kann von neuem durchgeführt werden, um mit demselben Formwerkzeug einen weiteren Hohlkörper 2 herzustellen.
Fig. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen formstabilen Formkern und durch eine diesen umgebende Form bei der Durchführung einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens . Wie zu erkennen ist, wird der formstabile Formkern 1, auf dessen Aussen- seite wiederum ein mit einem verfestigbaren Bindemittel wie z.B. Epoxydharz imprägniertes Gewebematerial 17 aufgelegt ist, aus einer flexiblen Hülle 5 aus Silikon gebildet, welche in ihrem Zentrum eine zylindrische Öff- nung aufweist, in der als anspruchsgemässer Festkörper ein zylindrisches Kupferrohr 16 mit einem dem Innendurchmesser der Öffnung entsprechenden Aussendurchmesser angeordnet ist . Der so gebildete formstabile Formkern 1 mit dem darauf aufgelegten Gewebematerial 17 ist von einer längs geteilten zweiteiligen Form 8 umgeben, deren Innenkontur der gewünschten Aussenkontur des herzustellenden Hohlkörpers entspricht. Nach dem Umschliessen des Formkerns 1 mit dem darauf angeordneten Gewebematerial 17 mit der Form 8 besteht zumindest stellenweise zwischen der Aussenseite der Gewebeauflage 17 und der Innenseite der Form 8 ein kleiner Spalt (nicht gezeigt) , welcher sodann durch ein Erwärmen der flexiblen Hülle 5 und der daraus resultierenden Wärmeausdehnung der Hülle 5 aufgehoben wird, so dass das imprägnierte Gewebematerial 17 durch die thermisch ausgedehnte flexible Hülle 5 gegen die
Innenkontur der Form 8 gepresst wird. Dieser Zustand wird beibehalten, bis das Bindemittel, mit dem das Gewebe 17 imprägniert ist, verfestigt ist, wodurch das Gewebe 17 dann den herzustellenden formstabilen Verbundwerkstoff - Hohlkörper bildet. Das Erwärmen zur Ausdehnung der flexiblen Hülle 5, welches bei durch Wärme aushärtenden Bindemitteln auch zur Verfestigung des aufgelegten imprägnierten Gewebematerials 17 dienen kann, kann z.B. dadurch erfolgen, dass die gesamte Anordnung in einem Ofen er- wärmt wird oder z.B. dadurch, dass in das Rohr 16 ein Heizelement eingebracht wird.
Nachdem das aufgelegte imprägnierte Gewebematerial 17 verfestigt ist, wird die Form 8 entfernt und das Rohr 16 axial aus der flexiblen Hülle 5 herausgezogen. Sodann wird die flexible Hülle 5 unter radialer Verformung axial aus dem durch das verfestigte Gewebematerial 17 gebildeten Hohlkörper entnommen, wodurch der hergestellte formstabile Verbundwerkstoff -Hohlkörper als einzelnes Element erhalten wird. Fig. 8 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen formstabilen Formkern mit einem darauf aufgelegten ver- festigbaren Material und durch eine diesen umgebende Form bei der Durchführung einer dritten AusführungsVariante des erfindungsgemässen Verfahrens. Im vorliegenden Fall wird ein identischer Verbundwerkstoff-Hohlkörper wie anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben hergestellt, jedoch mit einer anderen AusführungsVariante des Verfahrens. Wie zu erkennen ist, besteht hier der formstabile Formkern 1 aus einem massiven Formkern aus einem thermoplastischen Elastomer. Die Form 8 ist identisch mit der in Fig. 4 gezeigten Form. Wie schon bei den zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens wird nach dem Auflegen des verfestigbaren Materials 17 auf den Formkern 1 dieser mit dem darauf aufgelegten Material 17 mit einer Form 8 umgeben, deren Innenkontur der gewünschten Aussenkontur des herzustellenden Hohlkörpers entspricht. Nach diesem Umschliessen besteht zumindest stellenweise zwischen der Aussenseite der Materialauflage 17 und der Innenseite der Form 8 ein kleiner Spalt (nicht gezeigt) , welcher sodann durch ein Erwärmen des formstabilen Formkerns 1 und der daraus resultierenden Wärmeaus- dehnung desselben aufgehoben wird, so dass das verfestigbare Material 17 durch den ausgedehnten Formkern 1 gegen die Innenkontur der Form 8 gepresst wird. Dieser Zustand, welcher in Fig. 8 dargestellt ist, wird beibehalten, bis das Material 17 verfestigt ist, wodurch dieses Material 17 dann den herzustellenden formstabilen Verbundwerkstoff-Hohlkörper bildet. Das Erwärmen zur Ausdehnung des formstabilen Formkerns 1 erfolgt hier durch Aufheizen der gesamten in Fig. 8 gezeigten Anordnung in einem Ofen auf eine Temperatur, welche deutlich unterhalb der Schmelz- temperatur des Materials des formstabilen Formkerns liegt und dient auch zur Aushärtung des Epoxydharzes, mit welchem das Kohlenstofffasergewebe 17 getränkt ist.
Nachdem das aufgelegte Gewebematerial 17 verfestigt ist, wird die Temperatur im Ofen auf eine Tempe- ratur erhöht, die über dem Schmelzpunkt des Materials des Formkerns 1 und unter der Schädigungstemperatur des ver- festigten Gewebematerials 17 liegt, wobei der Formkern 1 aufgeschmolzen und das Gewebematerial 17 weiter verfestigt wird. Anschliessen wird die gesamte Anordnung aus dem Ofen entnommen und das nun flüssige Material des Formkerns 1 durch Ausgiessen aus dem durch den Formkern gebildeten Hohlraum entfernt. Sodann wird die Form 8 um den gebildeten Verbundwerkstoff-Hohlkörper entfernt, wodurch dieser dann als einzelnes Element vorliegt.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und auch in anderer Weise innerhalb des Umfangs der nun folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.
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