DE102007027586A1

DE102007027586A1 - Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen

Info

Publication number: DE102007027586A1
Application number: DE200710027586
Authority: DE
Inventors: Rolf Prehn
Original assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Current assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen, indem einem aus einem Polymermaterial bestehenden Grundmaterial Metallpulver und/oder Metallfasern beigemischt werden, dieses Gemisch in einem ersten Arbeitsschritt in eine Form eingebracht und das Bauteil, insbesondere das Dichtelement, unter Druck- und Temperatureinwirkung teilvernetzt wird, wobei das Bauteil, insbesondere das Dichtelement, in einem zweiten Schritt in einem weiteren Werkzeug, insbesondere einer weiteren Form, unter Energieeinwirkung vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen.
Allgemein bekannt ist, dass Bauteile, wie Dichtungen, aus Polymerwerkstoffen, insbesondere Elastomeren, in flüssiger Phase einem Formgebungsprozess unterzogen werden (z. B. Spritzgießen) und dann durch die Einwirkung von Druck und Temperatur in einer gewissen Zeit vernetzt und somit fertig gestellt werden. Zur Herstellung, insbesondere von Dichtungen aus Elastomermaterial wird vielfach ein Spritzgießprozess verwendet. Hierbei wird das Rohmaterial (z. B. Gummi) in einem Extruder bei ca. 80°C (Kaltkanal) in einen zähflüssigen Aggregatzustand überführt. Diese Schmelze wird anschließend in ein heißes Werkzeug bzw. in eine heiße Form injiziert. Durch die Einwirkung von Druck, Temperatur und Zeit vernetzt das Elastomer. Um die Zykluszeiten in der Spritzgießmaschine zu reduzieren, wird das Elastomer nicht vollständig vernetzt (auch vulkanisiert genannt), sondern nur so weit ausreichend vernetzt, dass die Dichtung aus der Form entnommen werden kann. Weil die Werkstoffeigenschaften jedoch vom Vernetzungsgrad abhängen, muss die vorgefertigte Dichtung in einem zweiten Arbeitsschritt noch ausvulkanisiert werden. Hierfür durchlaufen die Dichtungen in einem Ofen einen Temperprozess. Da Polymere jedoch schlechte Wärmeleitungseigenschaften aufweisen, bedarf es einer längeren Zeit bei erhöhter Temperatur (ca. 180°C), bis das Dichtungsmaterial bis in der Mitte, dem Kern, ausvulkanisiert ist. Empfindliche Materialien müssen über längere Zeit bei niedrigeren Temperaturen getempert werden; unempfindliche Materialien können bei höherer Temperatur innerhalb kürzerer Zeit ausvulkanisiert werden. Problematisch ist allerdings, dass die Oberfläche der Dichtung die meiste Wärme bzw. Energie aufnehmen muss. Dies kann bei empfindlichen Materialien, beispielsweise bei Naturkautschuk, zu Schädigungen bzw. zur Degradation führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere unter dem Blickwinkel der Kostensenkung und der Energiereduzierung, eine Lösung aufzuzeigen, um die Zykluszeiten zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen, während eines Fertigungsprozesses zu verkürzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen, indem einem aus einem Polymermaterial bestehenden Grundmaterial Metallpulver und/oder Metallfasern beigemischt werden, dieses Gemisch in einem ersten Arbeitsschritt in eine Form eingebracht und das Bauteil, insbesondere das Dichtelement, unter Druck- und Temperatureinwirkung teilvernetzt wird, wobei das Bauteil, insbesondere das Dichtelement, in einem zweiten Schritt in einem weiteren Werkzeug, insbesondere einer weiteren Form, unter Energieeinwirkung vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt, wird,
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen, indem einem aus einem Polymermaterial bestehenden Grundmaterial Metallpulver und/oder Metallfasern beigemischt werden, dieses Gemisch in einem ersten Arbeitsschritt in eine Form eingebracht und in einem zweiten Arbeitsschritt das Gemisch innerhalb der gleichen Form unter Energieeinwirkung vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt, wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der nebengeordneten erfindungsgemäßen Verfahren sind den zugehörigen verfahrengemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein aus elastisch verformbares Material, insbesondere einem aus Polymerwerkstoff bestehendes Bauteil, insbesondere Dichtelement, bei dem das Material zumindest an vorgebbaren Stellen mit nicht magnetischem Metallpulver und/oder nicht magnetischen Metallfasern versehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteils sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch den Erfindungsgegenstand werden zwei alternative Herstellungswege aufgezeigt Bauteile, insbesondere Dichtelemente, entweder unter Einsatz zweier Werkzeuge bzw. Formen oder aber innerhalb ein- und desselben Werkzeuges, respektive ein- und derselben Form, herzustellen, wobei bei beiden Varianten infolge der eingelagerten Metalle die Zykluszeiten innerhalb der Fertigungsmaschine, beispielsweise einer Spritzgussmaschine, reduziert werden können.
Unter den Begriffen Metallfasern bzw. Metallpulver sind auch solche Partikel zu verstehen, die sehr klein sind, d. h. metallische Mikro- bzw. Nanopartikel. Der Vorteil der Verwendung sehr kleiner Partikel ist darin zu sehen, dass die spezifische Oberfläche mit kleiner werdenden Partikelgrößen sehr stark ansteigt.
In Abhängigkeit vom Einsatzfall, respektive der zum Einsatz gelangenden Materialien, wird der Fachmann den geeigneten Herstellungsweg, insbesondere unter Kosten- und Energiegesichtspunkten, auswählen.
Das Grundmaterial wird mit einer definierten Menge an Metallpulver und/oder Metallfasern versetzt. Durch das Anlegen eines Wechsel- bzw. Wirbelstroms (Induktion) werden die Partikel bzw. Fasern heiß. Aufgrund einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Partikel bzw. Fasern über dem gesamten Querschnitt des späteren Bauteils, insbesondere des späteren Dichtelementes, wird die benötigte Wärme bzw. Energie zum Vulkanisieren über den gesamten Querschnitt verteilt im Wesentlichen gleichmäßig eingeleitet. Das bedeutet, von den Metallpartikeln bzw. Metallfasern ausgehend wird das Gemisch gleichmäßig zur Erzeugung des Bauteiles, respektive des Dichtelementes, ausvulkanisiert.
Aufgrund der Vulkanisation des gesamten Gemisches über den gesamten Querschnitt der Bauteile lassen sich deutlich kürzere Vernetzungszeiten erreichen. Die Energie kann sehr zielgerichtet, d. h. selektiv, eingesetzt werden. Es müssen somit nicht metallische gut wärmeleitende Werkzeuge bzw. Formen geheizt werden. Hierdurch lassen sich große Energieeinsparungen erzielen.
Da die Vulkanisationsenergie über die im Gemisch enthaltenen Metallpartikel bzw. Metallfasern eingeleitet wird, geht die Vulkanisationsreaktion im mikroskopischen Bereich von den Partikeln bzw. den Fasern aus, wodurch verbesserte Materialeigenschaften im Bauteil, insbesondere im Dichtelement, erzielt werden können.
Dadurch, dass die Vernetzungsreaktion durch den gezielten Eintrag von Energie steuerbar ist und zu einem beliebigen Zeitpunkt gestartet werden kann, ergeben sich folgende Möglichkeiten

– das Polymer kann auf einem bestimmten Temperaturniveau gehalten werden, wobei die Temperatur so eingestellt werden kann, dass das Polymer sehr gut fließfähig ist, aber noch nicht oder nur sehr langsam reagiert bzw. vernetzt
– durch die Kontrolle der Fließfähigkeit bzw. dem Start der Vernetzungsreaktion können auch sehr lange Fließwege realisiert werden.

Durch die Zugabe unterschiedlicher Mengen an Metallpulver/-fasern an verschiedenen Stellen können:

– die Werkstoffeigenschaften gezielt an unterschiedlichen Stellen variiert werden (z. B. gezielte lokale Verstärkung/Versteifung, gezielte lokale Einstellung des elastischen Verhaltens)
– beim Vernetzen bzw. Ausvulkanisieren können unterschiedliche Materialeigenschaften eingestellt bzw. realisiert werden, wobei an Stellen mit einem höheren Gehalt an Metallpulver/-fasern ein höherer Energieeintrag erzielt werden kann und an diesen Stellen das Material schneller vernetzt bzw. vulkanisiert

Je nach angewandtem Herstellungsverfahren kann innerhalb kurzer Zeit im Werkstoff der Vulkanisationsprozess durchgeführt werden, wodurch ein zweiter Prozessschritt, nämlich das Tempern, eingespart werden kann. Die Energie bzw. Wärme, die für das Tempern benötigt wird, muss nicht über die Oberfläche eingebracht werden, was bedeutet, dass auch sehr empfindliche Materialien sich innerhalb kürzester Zeit vollständig vernetzen lassen.
Alternativ zum Energieeintrag durch Wirbelstrom/Wechselstrom können auch andere Energiequellen, wie Mikrowellen, genutzt werden.
Sollte seitens der Produktion oder der Kunden die Forderung gestellt werden, dass keine Partikel oder Fasern aus der Oberfläche des Bauteils, insbesondere des Dichtelementes, herausschauen dürfen (beispielsweise aus Korrosionsgründen), so können die Partikel oder Fasern vor der Beimischung in das Grundmaterial beschichtet bzw. gekapselt werden.
Alternativ können Bauteile auch mittels eines 2 K Prozesses verarbeitet werden, d. h. das Bauteil wird mit Material, das keine Metallpartikel/-fasern enthält, überzogen bzw. überspritzt.
Ebenfalls denkbar ist, gezielt Bereiche oder auch das gesamte Bauteil mit inhomogen verteilten Partikeln zu versehen. Auf diese Weise lassen sich gradierte Bauteile herstellen, die an bestimmten Stellen oder aber über den gesamten Querschnitt unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Solche Gradienten lassen sich beispielsweise mittels Zentrifugation oder auch Sedimentation herstellen.
Vorteil: Einstellbare Materialeigenschaften, insbesondere gezielte Beeinflussung der Magnetkraft.
Basierend auf der Erfindung können sämtliche Polymere modifiziert werden. Im Fall von Duroplasten und Thermoplasten ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, auch sehr großflächige Bauteile, wie beispielsweise Karosseriebauteile, Bootsrümpfe, Flügel von Windkraftanlagen oder Flugzeugteile, herzustellen.
Bei der Verwendung von Duroplasten werden in der Regel Harzinjektionsverfahren verwendet oder die Bauteile im Handlaminierverfahren bzw. unter Verwendung von Prepregs hergestellt. Dabei werden entweder kalt härtende Haze/Härter Kombinationen verwendet und/oder die Bauteile in einem großen Ofen ausgehärtet.
Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, solche Bauteile nicht mehr in einem speziellen, sehr großen Ofen aushärten zu müssen, sondern durch Überfahren der Oberfläche mit einer Induktionsspule zu vernetzen. Alternativ kann ein Bauteil auch durch eine entsprechende Ringspule geschoben oder aber gezielt mit Mikrowellen ausgehärtet werden. Bei der Verwendung von Thermoplasten lässt sich das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren verwenden, um entweder das Thermoplastmaterial zu schmelzen und/oder die Schmelze auf einem bestimmten, durch das Verarbeitungsverfahren vorgegebene Temperaturniveau zu halten.
Neuerdings wird auch mit Thermoplasten gearbeitet, die als Monomere vorliegen und erst bei dem Herstellungsprozess polymerisieren. Hierfür eignet sich die Erfindung ebenfalls, um die Polymerisationsenergie gezielt einzusetzen.
Die Erfindung lässt sich bei allen Polymeren (Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren) anwenden und ist nicht auf Dichtungsapplikationen beschränkt.
Durch die Zugabe der Metallpartikel bzw. Metallfasern kann neben einer Dichtfunktion bedarfsweise auch eine elektrische Abschirmung realisiert werden.
Vorstellbar ist auch, dass derart modifiziertes Material in entsprechender Ausgestaltung einen Beitrag zur Schallabsorption leisten kann.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 Prinzipskizze eines Fertigungswerkzeuges für ein aus einem Polymerwerkstoff bestehendes Dichtelement;
2 Querschnitt durch das Dichtelement gemäß 1 mit Ausschnittsvergrößerung;
3 Dichtelement gemäß 2 mit Bereichen erhöhter und geringerer Konzentration an Metallfasern/Metallpulver.
1 zeigt ein in diesem Beispiel aus Elastomermaterial bestehendes Dichtelement 1, das in vorvernetztem Zustand im Bereich eines nur angedeuteten Fertigungswerkzeuges 2, beispielsweise einer Spritzgussform, vorgesehen ist. In das elastomere Grundmaterial 3 werden das nicht magnetische Metallpulver und/oder nicht magnetische Metallfasern 4 eingebracht. Dieses Gemisch kann dann in Anlehnung an die Verfahrensparameter gemäß nebengeordneten Ansprüchen 1 oder 2 zu dem Dichtelement 1, vollständig vernetzt werden.
In diesem Beispiel soll von den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 2 Gebrauch gemacht werden, wobei die nur angedeutete Energieeinwirkung 5 durch Wechselstrom erzeugt wird.
2 zeigt das Dichtelement 1 gemäß 1. Erkennbar sind die Metallfasern bzw. das Metallpulver 4, das in das Grundmaterial 3 eingebracht ist. Die Ausschnittsvergrößerung zeigt einzelne Metallfasern 4. Nach Durchführung des ersten Arbeitsschrittes wird das Grundmaterial 3 (Gemisch) innerhalb des gleiches Fertigungswerkzeuges unter Energieeinwirkung (1) zur Erzeugung des Dichtelementes 1 vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt. Durch die Pfeile ist die Wechselwirkung zwischen den magnetisch beeinflussten Metallfasern 4 und dem Grundmaterial 3 angedeutet.
3 zeigt das Dichtelement 1 gemäß 2. Selbiges verfügt über Dichtlippen 6, die in einem horizontal verlaufenden Schenkel 7 vorgesehen sind. Am Schenkel 7 ist ein in vertikaler Richtung sich erstreckender Ansatz 8 angeformt. Es ist erkennbar, dass die Konzentration an Metallfasern 4 im Bereich des Ansatzes 8 geringer ist als im Bereich des Schenkels 7.
Durch Anhäufung von Metallfasern 4 im Dichtbereich 6 können die Werkstoffeigenschaften des Dichtelementes 1, respektive die Magnetisierbarkeit in diesem Bereich, beeinflusst werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen (1), indem einem aus einem Polymermaterial bestehenden Grundmaterial (3) Metallpulver und/oder Metallfasern (4) beigemischt werden, dieses Gemisch in einem ersten Arbeitsschritt in eine Form (2) eingebracht und das Bauteil, insbesondere das Dichtelement (1), unter Druck- und Temperatureinwirkung teilvernetzt wird, wobei das Bauteil, insbesondere das Dichtelement (1), in einem zweiten Schritt in einem weiteren Werkzeug, insbesondere einer weiteren Form, unter Energieeinwirkung vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt, wird.
Verfahren zur Herstellung von elastisch verformbaren Bauteilen, insbesondere von Dichtelementen (1), indem einem aus einem Polymermaterial bestehenden Grundmaterial (3) Metallpulver und/oder Metallfasern (4) beigemischt werden, dieses Gemisch in einem ersten Arbeitsschritt in eine Form (2) eingebracht und in einem zweiten Arbeitsschritt das Gemisch innerhalb der gleichen Form (2) unter Energieeinwirkung zur Erzeugung des Bauteils, insbesondere des Dichtelementes (1), vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt, wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkung (5) durch Wirbelstrom, Wechselstrom oder Mikrowellen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterialien (3) Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver und/oder die Metallfasern (4) vor dem Einbringen in das Grundmaterial (3) beschichtet oder gekapselt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch im Verlauf des ersten Arbeitsschrittes durch Spritzgießen in die Form (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch mittels Spritzguss in die Form (2) injiziert wird, wobei die Form (2) eine solche Temperatur aufweist, dass das Gemisch nicht erstarrt, vielmehr dessen Fließfähigkeit erhalten bleibt und erst wenn die Form (2) vollständig gefüllt ist die Energie (5) eingeschaltet und das Gemisch zur Bildung des Bauteils, insbesondere des Dichtelementes (1), vulkanisiert, d. h. vollständig vernetzt, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (3) mit nicht magnetischem Metallpulver und/oder nicht magnetischen Metallfasern (4) versetzt wird.
Aus elastisch verformbarem Material (2), insbesondere einem Polymerwerkstoff, bestehendes Bauteil, insbesondere Dichtelement (1), bei dem das Grundmaterial (3) zumindest an vorgebbaren Stellen mit nicht magnetischem Metallpulver und/oder nicht magnetischen Metallfasern (4) versehen ist.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (2) über die gesamte Länge des Bauteils, insbesondere des Dichtelementes (1), gesehen, mit Metallpulver und/oder Metallfasern (4) versehen ist.
Bauteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver und/oder die Metallfasern (4) beschichtet oder gekapselt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerwerkstoff Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das, das Metallpulver und/oder die Metallfasern (4) enthaltende Grundmaterial (3) durch Spritzgießen oder Thermoformen verarbeitbar ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein möglicher Schrumpf und/oder Verzug im Grundmaterial (3) ermittelt und bei der Auslegung des Spritzgusswerkzeuges (2) bedarfsweise berücksichtigt ist.