ILZHÖFER, Karl-Heinz (Schimmingweg 37, Kirchheim, 73230, DE)
GOEDECKE, Jens (Danziger Str. 14, Schwalbach, 65824, DE)
ILZHÖFER, Karl-Heinz (Schimmingweg 37, Kirchheim, 73230, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Fertigung eines SMC-Mehrschicht-Bauteils in einem Fertigungsvorgang, wobei das Bauteil einen Sandwichaufbau hat und zumindest eine Schaum-Materialschicht (3) zwischen zwei SMC-Decklagen (2,2') eingebettet ist, umfassend die Schritte a) Positionieren einer Einlage-Schichtanordnung umfassend zumindest eine erste und eine zweite SMC-Halbzeugdecklage (2,2') in einer Pressform umfassend einen Stempel (1 ) und eine Matrize (1 '), b) Umformen einer ersten und einer zweiten SMC-Halbzeugdecklage (2,2') zu zwei SMC-Decklagen (2,2') unter Aufbringen eines Pressdruckes auf die Schichtanordnung, und c) Initiieren der Aushärtung der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage (2,2'), d) Beabstanden des Stempels (1) und der Matrize (V) voneinander, bis der dazwischen bereitgestellte Abstand einer Dicke des zu fertigenden SMC-Mehrschicht- Bauteils entspricht, und e) Initiieren eines Schaumbildungsprozesses eines zwischen den zwei SMC- Decklagen (2,2') bereitgestellten schäumbaren Materials (3') und Erzeugen der Schaum-Materialschicht (3) und f) nach Beenden des Aufschäumens Entnehmen des SMC-Mehrschicht-Bauteils aus der Pressform. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen den zwei SMC-Decklagen (2,2') bereitgestellte schäumbare Material (3') ein schäumbarer formstabiler Formkörper (3'), insbesondere ein Polyurethan-Formkörper ist, und wobei der schäumbare Formkörper (3') vor dem Positionieren der Einlage- Schichtanordnung in einer Pressform zwischen den zwei SMC-Halbzeugdecklagen (2,2') angeordnet worden ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - die Einlage-Schichtanordnung zwischen der ersten und der zweiten SMC- Halbzeugdecklage (2,2') zwei benachbart zueinander angeordnete und miteinander nicht verbindbare Trenn-Folienlagen aufweist, und - sich bei dem Umformen der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage (2,2') zu den zwei SMC-Decklagen (2,2') die erste der zwei Trenn-Folienlage mit der ersten SMC-Decklage (2) und die zweite Trenn-Folienlage mit der zweiten SMC- Decklage (2') dauerhaft verbindet, und wobei das zwischen den zwei SMC-Decklagen (2,2') bereitgestellte schäumbare Material (3') während des Beabstandens des Stempels (1 ) und der Matrize (1 ') voneinander zwischen die zwei Trenn-Folienlagen eingespritzt wird. 4. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage-Schichtanordnung zwischen der ersten und der zweiten SMC- Halbzeugdecklage (2,2') Endlosfasern oder Langfasern aufweist. 5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 3 oder 4,, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie zur Bereitstellung der zwei Trenn-Folienlagen eine Schmelztemperatur aufweist, die über einer zum Ausführen der Umformung der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage (2,2') zu den zwei SMC-Decklagen (2,2') erforderlichen Temperatur liegt. 6. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Initiieren der Schaum-Bildung des schäumbaren Materials (3') durch Wärmeerzeugung, Wärmezuführung, oder durch Energieeintrag in das schäumbare Material, insbesondere durch Einkopplung von Mikrowellen oder durch Ultraschallwellen, bereitgestellt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Initiieren der Schaum-Bildung des schäumbaren Formkörpers (3) durch Wärmezuführung mittels in dem Formkörper (3) verlegter Heizdrähte erfolgt. 8. Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d) und e) gleichzeitig durchgeführt werden. 9. Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vollständige Aushärtung der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage (2,2') erst im Schritt e) abgeschlossen wird. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von SMC-Mehrschicht-Bauteilen.
Es ist bekannt, Leichtbauteile zum Einsatz in Anwendungsgebieten, die große mechanische Beanspruchungen mit sich bringen, aus einem duromeren Verbundwerkstoffsystem, auch als Sheet Moulding Compound (SMC) bezeichnet, zu fertigen. Dabei werden duroplastische Reaktionsharze wie Polyester- oder Vinylesterharze mit Füllstoffen und Additiven sowie Fasern, bevorzugt Glasfasern, angeteigt, in Form, etwa in Folienform gebracht und als verarbeitungs-, respektive umformungsbereite Halbzeuge bereitgestellt, die zum fertigen Bauteil weiter verarbeitet werden können. Die Komposition stellt leichte, aber widerstandsfähige, stabile und belastbare Komponenten zur Fertigung von für Kraft- und Nutzfahrzeuge geeigneten Mehrschichtbauteilen zur Verfügung, wobei bei es bei Mehrschichtbauteilen, die weitere Materiallagen neben einer oder mehreren stabilisierenden SMC-Lagen aufnehmen, erforderlich ist, dass die Lagen mit den Zwischenschichten in komplexen Fügeoperationen miteinander verbunden werden.
Mehrschichtmaterialien zur Fertigung von leichten Mehrschichtbauteilen wie etwa von einem Vorformteil für einen Autohimmel und ein entsprechendes Herstellungsverfahren werden in der DE 199 56 152 C2 offenbart. Die dort bearbeitete Aufgabe der Vereinfachung der Herstellung von Mehrschichtmaterialien wird dadurch gelöst, dass ein Schaumkunststoff mit einer Faserverstärkung und mindestens einer Decklage versehen wird, indem die Kreuzungspunkte des Faservlieses mit einem thermoplastischen Bindemittel festgelegt sind und dass das Faservlies mit einer fließfähigen Masse aus einer Schaum bildenden Komponente beaufschlagt und dann durch eine Bandpresse geführt wird. Die Glastemperatur des Bindemittels liegt unterhalb einer Reaktionstemperatur der Schaum bildenden Komponente bei der Schaumbildung, wobei diese erst ganz kurz vor der Einführung in die Bandpresse aufgebracht wird, so dass die Schaumbildung zum gewünschten Zeitpunkt zwischen den Bändern stattfindet. Hierbei ist präzises Arbeiten insbesondere hinsichtlich des Zugabezeitpunktes der Schaum bildenden Komponente erforderlich und es kann ferner eine Nachbearbeitung des Bauteiles nötig sein. Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, Mehrschichtmaterialien mit SMC-Schichten in einem Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, auch komplexere Strukturen in möglichst wenigen, zeitunkritischen Arbeitsschritten endfertig herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens bezieht sich auf die Fertigung eines SMC- Mehrschicht-Bauteils in einem einzigen Fertigungsvorgang. Dabei wird das Bauteil in Sandwichaufbauweise geschaffen und es weist zwischen zwei SMC-Decklagen eine Schaum-Materialschicht auf.
Das Verfahren umfasst die Schritte des Positionierens einer Einlage-Schichtanordnung mit einer ersten und einer zweiten SMC-Halbzeugdecklage in einer Pressform, wobei die Pressform einen Stempel und eine Matrize aufweist. Sodann erfolgt das Umformen der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage zu zwei SMC-Decklagen, wobei ein Pressdruck auf die Schichtanordnung ausgeübt wird.
Nach erfolgtem Umformen wird die erste und die zweite SMC-Decklage ausgehärtet, beziehungsweise der Aushärteprozess initiiert.
Beim Umformen und zumindest partiellen Aushärten im SMC-Prozess muss verhindert werden, dass sich die beiden SMC-Halbzeugdecklagen, bzw. die SMC-Decklagen beim Aushärteprozess miteinander verbinden, damit sich die dazwischen liegende
Schaumschicht ausbilden oder noch aufschäumen kann. Dies wird durch Trennfolien, Trennkörper oder dergleichen zwischen den beiden SMC-Lagen erreicht. Insbesondere werden die Formkörper oder die Trennfolien so angeordnet, dass sie aus der
Werkzeuggeometrie heraus ragen. Der Überstand kann dann zwischen zwei
umlaufenden Niederhaltern eingeklemmt werden. Somit wird eine Trennebene gebildet. Nachdem zumindest die werkzeugnahen Randschichten der SMC-Decklagen ausgehärtet sind, wird der Schaumbildungsprozess zwischen den SMC-Decklagen initiiert.
Der Schaumbildungsprozesses umfasst das bereitstellen eines zwischen den zwei SMC- Decklagen angeordneten schäumbaren Materials und das Aufschäumen.
Durch anschließendes oder mit dem Aufschäumen erfolgendes Beabstanden des Stempels von der Matrize, wird dem Kernmaterial der nötige Raum zum Aufschäumen bereitgestellt, bis die gewünschte Dicke des SMC-Mehrschichtbauteils erreicht ist. Der Trennkörper zwischen den beiden SMC-Lagen kann dabei in bevorzugter
Ausgestaltung auch durch das schäumbare Material gebildet werden. Auf Trennfolien oder dergleichen kann dann auch verzichtet werden.
Nach erfolgtem Aufschäumen des schäumbaren Materials kann das endgefertigte SMC- Mehrschicht-Bauteil aus der Pressform entnommen werden.
Erfindungsgemäß gibt es im Wesentlichen zwei Vorgehensweisen, um das schäumbare Material zwischen den beiden SMC-Decklagen nach deren Umformung in einen festen Schaum umzuwandeln:
Eine erste Vorgehensweise besteht darin, dass das zwischen den beiden SMC-Decklagen bereitgestellte schäumbare Material ein schäumbarer, formstabiler Formkörper ist, der etwa ein Polyurethanformkörper sein kann und der bereits vor dem Positionieren der Einlage-Schichtanordnung in die Umformpresse zwischen den beiden SMC-Halbzeug- decklagen angeordnet und mit diesen in die Pressform eingelegt und positioniert worden ist. Der schäumbare, formstabile Formkörper erfüllt dabei auch die Funktion eines Trennkörpers zwischen den beiden SMC-Lagen. Dann muss lediglich der Aufschäum- Vorgang initiiert werden, was sich bei der Verwendung eines Formkörpers auf besonders leichte Weise dadurch realisieren lässt, dass ein Wärmeeintrag in den schäumbaren Formkörper erfolgt, beispielsweise durch bereits im Vorfeld in den Formkörper eingelegte Heizdrähte erfolgt. Selbstverständlich sind weitere, nachfolgend genannte
Verfahrensschritte zum in Gang Setzen des Aufschäumens denkbar.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Einlage-Schichtanordnung zwischen der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage zwei benachbart zueinander angeordnete, aber miteinander nicht verbindbare Trenn-Folienlagen aufweisen. Diese beiden Trenn- Folienlagen bewirken, dass bei dem Umformen verhindert wird, dass sich die erste und die zweite SMC-Halbzeugdecklage miteinander verbinden; vielmehr sind die Trenn-Folienlagen aus einer derart beschaffenen Folie hergestellt, dass sich jeweils eine der beiden Trenn-Folienlagen mit der ersten und die andere mit der zweiten SMC-Halbzeugdecklage dauerhaft verbindet. Nun kann zugleich das Beabstanden des Stempels und der Matrize der Pressvorrichtung voneinander erfolgen, während zwischen den beiden durch Trenn-Folienlagen voneinander getrennten SMC-Decklagen das schäumbare Material bereitgestellt wird, unmittelbar gefolgt vom Initiieren des Aufschäumens. Das aufschäumende Material füllt den Abstand zwischen den beiden Trenn-Folienlagen, die mit den SMC- Decklagen verbunden sind, es erhärtet und somit liegt das SMC-Mehrschicht-Bauteil endgefertigt in der Pressform vor.
Bei beiden alternativen Vorgehensweisen kann vorgesehen sein, dass die Einlage- Schichtanordnung zwischen der ersten und der zweiten S C-Halbzeugdecklage Endlosfasern oder auch Langfasern aufweist. Fasern sind grundsätzlich auch in der SMC- Masse, die vorliegend als Folie die Halbzeugdecklage bereitstellt, enthalten. Übliche SMC-Massen enthalten vernetzungsfähige Harze in einer Menge in einem Bereich um etwa 8 bis 15 %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, mineralische Füllstoffe, z. B. Kreide oder Gesteinsmehle in einem Bereich von etwa 38 bis 50 % und Faserstoffe wie etwa Glasfasern. Bekannte Zusammensetzungen umfassen entsprechend etwa 30 % Glasfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse. Weiter ist es möglich, Additive hinzuzufügen, die ein unerwünschtes Schwinden reduzieren, Inhibitoren, die eine definierte Vernetzung der Harze erlauben und weitere Zusatzstoffe.
Geeigneter Weise wird die Folie, die die beiden Trenn-Folienlagen bei der zweiten Verfahrensvariante bereitstellt, eine Schmelztemperatur aufweisen, die über der Temperatur liegt, die zum Ausführen der Umformung der ersten und der zweiten SMC-Halbzeugdecklage zu den SMC-Decklagen erforderlich ist.
Das Einführen des schäumbaren Materials zwischen die beiden Trenn-Folienlagen kann mittels einer geeigneten Vorrichtung geschehen, die eine entsprechende Einspritzdüse aufweist. Der Schaum, der nach Initiieren des Aufschäumens aus dem schäumbaren Material entsteht, verbindet sich dauerhaft mit den Trenn-Folienlagen, die wiederum dauerhaft mit den SMC-Decklagen verbunden sind.
In der ersten Ausführungsvariante, in der durch den aufschäumbaren Formkörper der Schaum zwischen den beiden Decklagen bereitgestellt wird, wird dieser ebenfalls mit den SMC-Decklagen unmittelbar und dauerhaft verbunden.
Während bei der Variante des Aufschäumens eines Formkörpers mit bereits in dem Formkörper vorliegenden Heiz- oder Widerstandsdrähten zur Initiierung einer Temperaturerhöhung, die in dem Aufschäumvorgang resultiert, gearbeitet werden kann, können zum Initiieren der Schaumbildung bei einzuspritzendem schäumbaren Material Initiiervorgänge wie Wärmeerzeugung von außen, Wärmezuführung, Eintragen von Energie in das schäumende Material durch Einkopplung von Mikrowellen oder durch Ultraschallwellen oder auch photochemische Verfahren gewählt werden. In beiden Ausführungsalternativen wird jedenfalls in einem Arbeitsschritt ein präzise gefertigtes Leichtbauteil hergestellt, dessen innere Schaumschicht nach Sandwichart von exakt geformten SMC-Decklagen bedeckt ist, die den Schaum zwischen sich dauerhaft aufnehmen, so dass sich Verbindungs-, respektive Fügeoperationen, etwa durch Einpassen und Verkleben, erübrigen.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen SMC-Mehrschichtaufbaus in einer Presse vor der Aufschäumung der Schaum bildenden Materialschicht,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen SMC-Mehrschichtaufbaus in einer Presse nach der Aufschäumung der Schaum bildenden Materialschicht.
Grundsätzlich bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Fertigung eines SMC-Mehrschicht-Bauteils in einem einzigen Fertigungsvorgang, der in einer Pressform ausgeführt wird. Dabei handelt es sich nicht um eine Bandpresse. Das Bauteil ist nach Sandwich-Bauart geschaffen und hat eine Schaum-Materialschicht, die zwischen zwei SMC-Decklagen eingebettet ist. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise umfasst zur Schaffung des SMC-Mehrschicht-Bauteils das Positionieren einer Einlage-Schichtanordnung, die aus wenigstens zwei SMC-Halbzeugdecklagen besteht, in einer Pressform, die geeigneter Weise über einen Stempel und eine Matrize verfügt. Nun werden die erste und die zweite SMC-Halbzeugdecklage zu je einer SMC-Decklage in der gewünschten Endgeometrie umgeformt, was erreicht wird, indem das SMC-Material unter Druck zum Fließen gebracht wird. Durch Wärmeeinwirkung des beheizten Werkzeuges härtet das SMC- Material aus. Der Aushärtevorgang muss hier noch nicht vollständig abgeschlossen werden. Es reicht aus, die SMC-Decklagen nur so weit zu härten, dass sie das öffnen der Pressform und das Einbringen des schäumbaren Materials unbeschadet überstehen. Die End-Aushärtung kann dann zusammen mit dem Aufschäumen des schäumbaren Materials erfolgen. So wird aus jeder der beiden SMC-Halbzeugdecklagen eine SMC-Decklage hergestellt. Die Pressformkomponenten Stempel und Matrize können nunmehr voneinander beabstandet werden, bis der dazwischen bereitgestellte Abstand hinreichend groß ist, um einer Schaum-Materialschicht zwischen den beiden SMC-Decklagen den gewünschten Raum zu geben. Ist ein schäumbares Material zwischen den beiden SMC-Decklagen bereitgestellt, so kann durch Initiieren eines Schaumbildungsprozesses das schäumbare Material aufgeschäumt werden und den durch die Beabstandung von Matrize und Stempel erreichten Raum ausfüllen. Sobald das Aufschäumen beendet ist, kann das endgefertigte SMC-Mehrschicht-Bauteil aus der Pressform entnommen werden.
Eine derartige Pressform ist in Fig. 1 und 2 gezeigt; dort wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Variante mit der Verwendung eines schäumbaren formstabilen Formkörpers ausgeführt. Der schäumbare Formkörper 3', siehe Fig. 1 , wird bereits perfekt positioniert zwischen den beiden SMC-Halbzeugdecklagen 2, 2' angeordnet, ehe diese als Einlage-Schichtanordnung in der Pressform positioniert werden. Der schäumbare Formkörper 3' liegt zwischen den SMC-Halbzeugdecklagen, während diese durch Aufbringen des entsprechenden Pressdrucks umgeformt werden.
Werden Stempel 1 und Matrize 1 " nun voneinander beabstandet, wie in Fig. 2 gezeigt, und wird der Schaumbildungsprozess hervorgerufen, so expandiert der Formkörper 3' und bildet den Formschaum 3, der den Raum zwischen den beiden Decklagen 2,2' vollständig ausfüllt.
Dabei bindet der Schaum dauerhaft an den ihm zugewandten Seiten der SMC-Decklagen, so dass ein Verkleben oder Verbinden des Schaums auf andere Weise mit den Decklagen sich erübrigt und insofern keine weiteren Verbindungsprozesse zwischen Schaum und Decklagen auszuführen sind. Die Schaumbildung kann, figurativ nicht gezeigt, durch in dem schäumbaren Formkörper bereits bereitgestellte Heizdrähte hervorgerufen werden, die mit einer entsprechenden Heizquelle verbunden sind.
Es ist ferner denkbar, dass die Schäumreaktion durch eine prozessintegrierte Wärmeleitung initiiert wird.
Grundsätzlich sind zum Bewirken des Aufschäumens aber auch andere Reaktionsmechanismen denkbar, die etwa die Einkopplung von Energie in Form von Mikro- oder Ultra- schallweilen, Erwärmung durch im Schaumkörper integrierte Widerstandsheizungen oder -drähte oder photochemische Reaktionsmechanismen.
Figurativ nicht dargestellt ist die alternative Verfahrensform, in der zwischen den beiden S C-Lagen Folien-Lagen angeordnet sind, die bewirken, dass sich die beiden SMC- Halbzeugdecklagen während und nach dem Umform-, respektive Aushärtevorgang, nicht direkt miteinander verbinden können. Die Trenn-Folien sind derart gestaltet, dass sich die den SMC-Schichten zugewandten Seiten während des Aushärteprozesses nach dem Umformen desselben mit dem SMC-Material dauerhaft verbinden. Zugleich sind die Folien derart temperaturbeständig, dass sie während des SMC-Umformprozesses nicht beschädigt werden. Sobald die SMC-Decklagen ausgeformt und ausgehärtet sind, können während des Beabstandens des Stempels von der Matrize der entsprechenden Pressform über entsprechend angeordnete Einspritzdüsen schäumbare Materialien zwischen den beiden Trenn-Folien eingeführt werden. Zugleich können Stempel und Matrix bis zu einem gewünschten Abstand voneinander beabstandet werden und eine mit Schaum auffüllbare Kavität bereitstellen. Das eingespritzte, aufschäumbare Material verbindet sich während des Aufschäumens dauerhaft mit den Trenn-Folienlagen, die wiederum dauerhaft mit den SMC-Decklagen verbunden sind. Nach aushärten Lassen der Schaumschicht kann auch hier das Bauteil entnommen werden.
So stellen beide der vorgenannten Verfahrensalternativen zur Fertigung eines SMC- Mehrschicht-Bauteils rasch und präzise ausführbare Fertigungsvorgänge bereit, bei denen Kosten und zeitaufwendige Nachbearbeitungen des Bauteils durch Verbindungsoperationen sich erübrigen.
Next Patent: BIOCIDE COMPOSITIONS COMPRISING GLYCEROL(ETHER)PHOSPHATES