DE19955171A1

DE19955171A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abführung gasförmiger und flüssiger Substanzen bei der Herstellung von Formteilen aus Reaktionsharzen und reaktiven Schaumsystemen

Info

Publication number: DE19955171A1
Application number: DE1999155171
Authority: DE
Inventors: Ingo Kleba
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gasförmiger und flüssiger Substanzen aus dem Formhohlraum während des Formgebungsprozesses bei der Herstellung von Formteilen aus Reaktionsharzen sowie expandierenden und syntaktischen reaktiven Schaumsystemen. Die abzuführenden gasförmigen und flüssigen Substanzen können dabei entweder in dem Ausgangsmaterial als Verarbeitungshilfsmittel oder ähnliches enthalten sein oder bei der Polymerreaktion als unerwünschte Nebenprodukte anfallen. Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Verwendung von porösen Filter- bzw. Fließmedien, die an den Wänden des Formhohlraumes plaziert werden, und/oder die Nutzung von Formhohlräumen mit einer rauhen Oberfläche. Durch die Filter- bzw. Fließmedien werden Hohlräume und Kanäle erzeugt, über die die gasförmigen und flüssigen Substanzen aus dem Formhohlraum flächig abgeführt und zu geeigneten Auslaßöffnungen im Werkzeug transportiert werden können. Die zur vollständigen Abfuhr der Substanzen aus dem Formnest erforderliche(n) Auslaßöffnung(en) im Formwerkzeug können die Trennebene sein oder durch Kanalsysteme und Bohrungen in der Trennebene des Formwerkzeugs sowie durch Bohrungen in den Wänden des Formhohlraums gebildet werden. Auch die Verwendung poröser Werkzeugwerkstoffe im Kavitätsbereich ist möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung betrifft insbesondere die kunststoffverarbeitende Industrie. Sie kann z. B. bei der Verarbeitung syntaktischer Phenol harzschäume zur Abführung des in der Formmasse vorhandenen Wassers, das als Verarbei tungshilfsstoff dient und bei der Vernetzungsreaktion als Nebenprodukt anfällt, sowie des überschüssigen Formaldehyds eingesetzt werden. Des weiteren kann die Erfindung bei der Verarbeitung von Phenolharzen, z. B. im Resin Transfer Moulding (RTM) oder Vakuumin jektions-Verfahren, zur Abführung des bei der Vernetzungsreaktion entstehenden Nebenpro duktes Wasser Anwendung finden. Des weiteren ist der Einsatz der Erfindung zur Druckent lastung bei der Verarbeitung von Schaumsystemen zu Formschäumen denkbar, wobei die Erfindung dazu genutzt wird, das den Überdruck erzeugende Treibgas aus dem Formhohl raum abzuführen und somit den Forminnendruck abzubauen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abführung gasförmiger und/oder flüssiger Substanzen aus einem Formwerkzeug während der Herstellung von Formteilen aus Reaktionsharzen und re aktiven Schaumsystemen zu ermöglichen bzw. zu begünstigen. Die gasförmigen und flüssi gen Substanzen können als Nebenprodukt bei der Reaktion entstehen oder als Verarbeitungs hilfsmittel in den Ausgangskomponenten des Reaktionssystems enthalten sein. Zum Transport dieser Substanzen müssen geeignete Fließkanäle bzw. Porositäten erzeugt werden, die eine möglichst großflächige und somit schnelle Abführung der gasförmigen und flüssigen Medien aus dem Formhohlraum ermöglichen. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, die aus dem Formhohlraum flächig austretenden Substanzen über ein geeignetes Kanal- und/oder Boh rungssystem aus dem Formgebungswerkzeug abzuführen.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß während der Verarbeitung von Reaktionsharzen und reaktiven Schaumsystemen zu Formteilen gasförmige und flüssige Substanzen, die in der Formmasse als Verarbeitungshilfsstoff enthalten sind oder bei der Reaktion als Nebenpro dukt anfallen und deren Anwesenheit im fertigen Formteil für die Qualität des Produktes nachteilig sind, großflächig und somit effektiv aus der Kavität des Formwerkzeugs abgeführt werden können. Die Effektivität der Abscheidung der unerwünschten Substanzen äußert sich vor allem in der Verkürzung der Formzeit und somit der Reduzierung der Fertigungszeit und -kosten.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Das Verfahren und die Vorrichtung nach Anspruch 1 zur flächigen Abführung gasförmiger und flüssiger Substanzen dient der Verarbeitung von Reaktionsharzen sowie expandierenden und insbesondere von syntaktischen reaktiven Schaumsystemen zu flächigen dreidimensional gestalteten Formteilen. Die abzuführenden gasförmigen und/oder flüssigen Substanzen kön nen zum einen bereits in dem Ausgangsrohstoff z. B. als Verarbeitungshilfsmittel enthalten sein. Als Beispiel seien hier syntaktische Phenolharz (PF)-Schaumsysteme erwähnt, bei denen die Schaumstruktur und somit das geringe Raumgewicht nicht durch die Blähwirkung eines Treibgases sondern durch leichte Füllstoffe, z. B. Mikrohohlkugeln aus Glas oder Phenolharz, die in eine Phenolharzmatrix eingebettet sind, erzeugt wird. Diesem durch den hohen Füll stoffanteil pulverförmigen Gemisch wird zur Erzeugung einer pastösen Formmasse und zur Inhibierung der Vernetzungsreaktion der Phenolharzmatrix Wasser als Verarbeitungshilfs mittel zugegeben. Zum anderen können die gasförmigen und/oder flüssigen Substanzen wäh rend der Polymerreaktion als Nebenprodukt entstehen. Als Beispiel seien hier ebenfalls Formmassen und flüssige Mehrkomponentenreaktionssysteme auf der Basis von Phenolhar zen genannt, die während der Phenolharz-spezifischen Polykondensationsreaktion Wasser als Nebenprodukt abspalten. Um einen möglichst schnellen und somit effektiven Reaktionsfort schritt zu gewährleisten, muß das Wasser aus dem Formhohlraum kontinuierlich abgeführt werden. Insbesondere bei den bereits im Ausgangszustand stark wasserhaltigen reaktiven syntaktischen PF-Schaumsystemen, die während der Vernetzungsreaktion weiteres Wasser produzieren, ist zur Realisierung eines qualitativ hochwertigen Schaumproduktes eine konti nuierliche und effektive Wasserabführung während des gesamten Formgebungsprozesses un umgänglich. Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindungen sollen vor diesem Hin tergrund am Beispiel der Formteilherstellung aus syntaktischen PF-Schaumsystemen aus führlich beschrieben werden.

Die Verarbeitung der im Ausgangszustand als pastöse Massen vorliegenden syntaktischen PF-Schaumsysteme zu Formteilen erfordert einen Preßvorgang unter Verwendung eines Tauchkantenwerkzeugs und ist in Abb. 1 in ihren einzelnen Verfahrensschritten darge stellt:

1. Einlegen der mit einem Katalysator vermischten Formmasse (1a) und gegebenenfalls der Filter- bzw. Fließmedien (2) in die Kavität des Formwerkzeugs (untere Werkzeughälfte mit Formnest (3a), obere Werkzeughälfte mit Tauchkante (3b)),
2. Schließen des Werkzeugs und Formgebung durch Verpressen der Formmasse unter Druckaufbau und Beginn der Entweichung der abzuführenden Substanzen,
3. Aushärtung der Phenolharzmatrix unter Temperatureinwirkung und kontinuierlicher Ab scheidung der abzuführenden Substanzen (4), bei diesem Anwendungsbeispiel vornehm lich Wasser,
4. Entformung des Schaumformteils (1b) nach dem Erreichen einer hinreichenden Formsta bilität.

Durch die Kompaktierung der Formmasse während des Preßvorgangs (Abb. 1, Verfahrens schritt I) werden Lufteinschlüsse vermieden, die u. a. von der Gemischaufbereitung (Vermi schung von Schaumharz, Katalysator und gegebenenfalls weiteren Zuschlagstoffen) herrühren und die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes nachteilig beeinflussen würden. Des weiteren ist der Verarbeitungsprozeß derart zu gestalten, daß vor allem das in der Formmasse enthaltene Verarbeitungshilfsmittel Wasser sowie das während der Vernetzungsreaktion ge bildete Reaktionswasser während des Preßvorgangs sowie während des gesamten weiteren Formgebungsprozesses entweichen kann bzw. abgeführt wird. Dies ist erforderlich, um einen schnellen Reaktionsfortschritt und somit kurze Zykluszeiten sowie eine gute Schaumqualität zu erzielen. Als treibende Kraft für die Wasserabscheidung dient dabei der durch den Preß vorgang in der Kavität erzeugte Überdruck. Die Erzeugung des Überdrucks kann durch Zuga be eines Treibmittels noch unterstützt werden.

Bei herkömmlichen Werkzeugen und Formgebungskonzepten könnte das Wasser lediglich über die Trennebene aus dem Formnest entweichen und müßte sich einen Weg durch die ge samte Formmasse bahnen. Dies ist mit einem hohen Zeitaufwand verbunden und würde auf grund der stetig fortschreitenden Vernetzungsreaktion zu Fehlstellen führen, die aus dem nicht rechtzeitig aus dem Formnest abgeführten Wasser resultieren. Vor diesem Hintergrund ist ein wesentlicher Bestandteil des Verfahren und der Vorrichtung dieser Erfindung die Er zeugung von Hohlräumen und Fließkanälen an den Wänden des Formnestes. Dies wird durch die Verwendung von porösen folienartigen Filter- bzw. Fließmedien, im weiteren kurz als Fließmedien (2) bezeichnet, die an den Wänden des Formhohlraumes plaziert werden (Abb. 1, Verfahrensschritt I) und/oder durch die Verwendung von Formhohlräumen mit defi nierter Oberflächenrauhigkeit realisiert.

Das Funktionsprinzip des Fließmediums ist in Abb. 2 dargestellt. Das Fließmedium er möglicht es einerseits in seiner Funktion als Filter die monomeren und oligomeren Bestand teile der Harzmatrix sowie die Füll- und Verstärkungsstoffe weitestgehend zurückzuhalten und vor dem Austritt aus dem Formnest zu schützen. Andererseits ist es Aufgabe des Fließ mediums, durch die zwischen Werkzeugwand - in dem in Abb. 2 dargestellten Aus schnitt die Werkzeugwand der unter Werkzeughälfte (3a) - und Fließmedium (2) erzeugten sowie innerhalb des Fließmediums (2) vorhandenen Hohlräume bzw. Kanäle (5) das flüssige und teilweise dampfförmige Wasser (abzuführende Substanzen (4)) aus dem Formhohlraum flächig und somit effektiv während des gesamten Formgebungsprozesses abzuführen. Zur Vergrößerung des dabei zur Verfügung stehenden Fließquerschnitts und somit zur Verbesse rung der Abführwirkung können Werkzeugwände mit einer definierten Oberflächenrauhigkeit vorgesehen werden. Die bei diesem Konzept vorgesehenen Fließmedien (2) können bei der Entformung des Schaumformteils (1b) (Abb. 1, Verfahrensschritt IV) zusätzlich als Trennfo lie genutzt werden und erleichtern somit die Entformung. Nach der Entformung werden die Fließmedien (2) von dem Schaumformteil (1b) abgezogen und können bei geringer Ver schmutzung gegebenenfalls mehrfach wiederverwendet werden.

Bei geeigneter Rauhtiefe der Werkzeugwände sowie geeigneten Schaumsystemen und Pro zeßparametern (z. B. hinreichend geringer Forminnendruck) ist es auch denkbar, daß auf die Fließmedien verzichtet werden kann und lediglich ein Werkzeug mit einem Formnest mit rauhen Werkzeugwänden (6) zur flächigen Abfuhr der gasförmigen und flüssigen Substanzen (4) eingesetzt wird (Abb. 3). Bei diesem Konzept wird ausgenutzt, daß die rauhe Werkzeug wand (6) nicht vollständig durch die Formmasse abgeformt wird und sich somit eine Kanal struktur (7) ausbildet, die zur flächigen Abführung der unerwünschten Substanzen (4) genutzt werden kann.

Insgesamt betrachtet garantieren diese beiden Konzepte zur flächigen Wasserabscheidung aus der Formmasse sehr kurze Wege für das abzuführende Wasser durch die Formmasse und somit einen schnellen effektiven Abtransport zu geeigneten Auslaßöffnungen im Werkzeug, durch die das Wasser vollständig aus dem Werkzeug entweichen kann und in die Umgebung ge langt. Bei dem in Abb. 1 (Verfahrensschritt II und III) dargestellten vergleichsweise einfachen Verfahrenskonzept bestehen diese Auslaßöffnungen in mehrere Bohrung (8) in der unteren Werkzeughälfte (3a), durch die das Wasser über das Fließmedium (2), das in diesem Fall nur an der unteren Werkzeugwand plaziert wurde, direkt in die Umgebung und in geeig nete Auffangbehälter (9) gelangt.

Als Konzept für die Auslaßöffnungen bzw. das Auslaßöffnungssystem sind neben der bereits erläuterten und in Abb. 1 dargestellten Vorrichtung weitere, effektivere Lösungswege möglich. Bei dem in Abb. 4 dargestellten Konzept gelangt das aus der Formmasse (1a) herausgefilterte und über das Fließmedium, das hier an beiden Werkzeugwänden vorgesehen und aufgrund der Übersichtlichkeit in Abb. 4 nicht dargestellt ist, transportierte Wasser zu Auslaßbohrungen (8) in den Wänden des Formnestes. Über diese Bohrungen (8), die idea lerweise über den gesamten Formnestbereich verteilt, d. h. sowohl in der obere (10b) als auch in der unteren (10a) Kavitätswand, die in ein Stammwerkzeug (11) integriert sind, angeordnet werden sollten, gelangen die abzuführenden Substanzen in Kanalsysteme (12), die über zen trale Bohrungen (13) in einer oder beiden Werkzeughälften den Transport in die Umgebung bzw. in geeignete Behältnisse ermöglichen. In dem in Abb. 4 dargestellten Fall besitzen sowohl die obere (10b) als auch die untere (10a) Kavitätswand Auslaßbohrungen (8). Es ist jedoch auch die Nutzung eines Werkzeugs, bei dem nur eine Kavitätswand Bohrungen besitzt, möglich. Als Alternative zu den in diesem Konzept vorgesehenen Kavitätswände (10) mit mehreren Bohrungen können auch poröse Werkzeugwerkstoffe für den Kavitätsbereich vor gesehen werden.

Ein weiteres Konzept zur Gestaltung des Auslaßöffnungssystems ist in Abb. 5 darge stellt. Hier wird auf Bohrungen in den Kavitätswänden verzichtet und als Sammelkanal für das aus dem Formnest bzw. aus der Formmasse (1a) abgeführte Wasser ein oder mehrere Nuten (14) in der Trennebene (15) genutzt. Um bei diesem Konzept einen einwandfreien Transport der abzuführenden Substanzen (4) über das Fließmedium (2) in die Nut(en) (14) zu gewährleisten, sollte dabei mindestens eines der Fließmedien (2) über die Trennebene (15) bis in die Nut(en) (14) hineinragen. Idealerweise sollte diesbezüglich das Fließmedium, das an der Wand der unteren Werkzeughälfte (3a) plaziert ist, gewählt werden, da dieses bei einer solchen Anordnung nach der Formgebung zusätzlich als Entformungshilfe genutzt und das Schaumformteil (1b) einfach mit der Folie aus dem Formnest herausgehoben werden kann.

Zum Abtransport der abzuführenden Substanzen (4) aus der oder den Nuten (14) und somit aus dem Werkzeug dienen wiederum ein oder mehrere zentrale Bohrungen (16).

Bei den in den Abb. 4 und 5 dargestellten Konzepten zur Wasserabführung kann, wie auch in beiden Graphiken dargestellt, die Abscheidung der abzuführenden Substanzen zusätzlich durch Anlegen eines Vakuums (17) unterstützt werden. Das Werkzeug ist in die sem Fall durch Dichtungen (18) an den notwendigen Stellen abzudichten. Auf diese Weise werden die Abscheidung beschleunigt und darüber hinaus ein geschlossenes Absaugsystem und somit die Vermeidung der Emission z. B. von physiologisch bedenklichen Stoffen ermög lichen.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Abführung gasförmiger und flüssiger Substanzen, die in dem Ausgangsmaterial als Verarbeitungshilfsmittel oder ähnliches enthalten sind oder bei der Polymerreaktion als Nebenprodukte entstehen, aus dem Formhohlraum bei der Herstellung von Formteilen aus Reaktionsharzen sowie expandierenden und syntaktischen reaktiven Schaumsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß an den begrenzenden Wänden des Formnestes Hohlräume bzw. Fließkanäle erzeugt werden, die einen vorzugsweise großflächigen Transport der im Endprodukt unerwünschten abzuführenden flüssigen und gasförmigen Substanzen aus der Formmasse während des Formteilbildungsprozesses ermöglichen.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die erforderlichen Hohlräume bzw. Fließkanäle durch an den Wänden des Formnestes plazierte folienartige Filter- bzw. Fließmedien erzeugt werden, die die monomeren und/oder oligomeren Bestandteile des Reaktionssystems sowie die Füll- und Verstärkungsstoffe weitestgehend zurückhalten, hauptsächlich die abzuführenden gasförmigen und flüssigen Substanzen hindurchlassen und durch die Hohlräume innerhalb des Fließmediums sowie die Hohlräume und Kanäle, die sich zwischen den Wänden des Formnestes und des Filter- bzw. Fließmedium bilden, den Transport der abzuführenden Substanzen aus dem Formnest ermöglichen,
b) die Hohlräume zwischen dem Filter- bzw. Fließmedium und der Werkzeugwand durch rauhe Werkzeugoberflächen im Formnestbereich noch vergrößert und somit die Abscheidung der abzuführenden Substanzen verbessert werden können,
c) anstelle der Filter- bzw. Fließmedien die Hohlräume und Fließkanäle im Bereich der Wände des Formnestes zur Abführung der flüssigen und gasförmigen Substanzen genutzt werden, die bei geeigneten Verarbeitungsbedingungen und hinreichender Rauhigkeit der Werkzeugoberflächen im Formnestbereich durch eine unvollständige Abformung der rauhen Oberflächen des Formnestes durch die Formasse entstehen.

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Formnest austretenden gasförmigen und flüssigen Substanzen durch ein geeignetes System von Austrittsöffnungen aus dem Formnest (Kavität) des Formwerkzeug abgeführt werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein hinreichend großer Spalt in der Trennebene in Kombination mit einer Nut oder mehreren Nuten in der Trennebene sowie einer oder mehreren Bohrungen zur Abführung der Substanzen aus der oder den Nuten vorhanden ist,
b) das oder die folienartigen Fließmedien über den Spalt in der Trennebene bis in die Nut oder Nuten in die Trennebene hineinragen können und somit bei geeigneter Spaltbreite eine Verstopfung des Spaltes in der Trennebene durch die Formmasse vermieden wird und Fließ- bzw. Strömungskanäle gebildet werden, die den Transport der abzuführenden Substanzen in die Nut oder Nuten ermöglichen,
c) die Nut oder Nuten in der Trennebene durch eine oder mehrere Bohrungen den Transport der abzuführenden Substanzen aus der Nut oder den Nuten und somit aus dem Werkzeug ermöglichen.

5. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die in die Trennebene hineinragenden Filter- bzw. Fließmedien nach der Formgebung und Aushärtung als Entformungshilfen dienen.

6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die begrenzenden Wände des Formnestes mit mehreren Bohrungen versehen sind und die durch das Filter- bzw. Fließmedium hindurchtretenden abzuführenden Substanzen durch diese Bohrungen aus dem Formnest transportiert werden können,
b) die einzelnen Bohrung außerhalb des Formnestes durch ein oder mehrere Kanalsysteme verbunden sind, durch die die abzuführenden Substanzen gesammelt und einer oder mehreren zentralen Auslaßbohrungen zugeführt werden,
c) die zentralen Auslaßbohrungen den Transport der abzuführenden Substanzen aus dem Werkzeug ermöglichen.

7. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die treibende Kraft zur Abführung der gasförmigen und flüssigen Substanzen ein in der Kavität durch einen Preßvorgang und/oder durch die Blähwirkung eines Treibgases erzeugter Überdruck ist.

8. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung der gasförmigen und flüssigen Substanzen durch Anlegen eines Vakuums unterstützt werden kann.

9. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die treibende Kraft zur Abführung der gasförmigen und flüssigen Substanzen durch Anlegen eines Vakuums erzeugt wird.

10. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die untere Kavitätswand mit mehreren Bohrungen versehen ist, durch die die durch das Filter- bzw. Fließmedium hindurchtretenden abzuführenden Substanzen direkt aus dem Werkzeug befördert werden.

11. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der mit Bohrungen versehenen Kavitätswände für das gesamte Formnest oder Teilbereiche des Formnestes poröse Werkzeugwerkstoffe eingesetzt werden.