DE102015209800A1

DE102015209800A1 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands

Info

Publication number: DE102015209800A1
Application number: DE102015209800.1A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Nürnberg; Dietmar Drummer
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Adidas AG
Current assignee: Adidas AG
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN114131810A; JP2016221965A; JP6492028B2; CN106182535A; EP3098047A1; US20160346964A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands (21a, 21b, 21c), insbesondere eines Sportartikels, aufweisend die Schritte: (a.) Bereitstellen einer drehbaren Gussform (11); (b.) Einfüllen eines ersten Materials (14) in die Gussform (11); (c.) Einfüllen eines zweiten Materials (15) in die Gussform (11), wobei es sich bei zumindest einem der Materialien (14, 15) um ein Polymermaterial handelt; (d.) Bewegen der Gussform (11); und (e.) Anpassen zumindest eines Verfahrensparameters während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte, so dass eine homogene Verteilung des zweiten Materials (15) in dem hergestellten Verbundgegenstand (21a, 21b, 21c) erzielt wird.

Description

I. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands.
II. Stand der Technik
Die Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch Rotationsformen ist an sich bekannt. Rotationsformen ist ein etabliertes Verfahren der Kunststofftechnik, mit dem hauptsächlich große, hohle Bauteile mit komplexen Geometrien gefertigt werden. Typische Anwendungen sind zum Beispiel Tanks oder Gehäuse für Geräte und Anlagen. Bei diesem Verfahren wird eine mit Kunststoffpulver gefüllte Hohlform in der Regel biaxial rotiert und erwärmt. Üblicherweise schmilzt dabei thermoplastisches Grundstoffpulver sukzessive in der Form auf und haftet bei Kontakt an der Werkzeugwand, die über die Schmelztemperatur des zu verarbeitenden thermoplastischen Werkstoffs beheizt wird, an. Dabei bildet sich ein Schmelzefilm an der Werkzeugwand. Die Rotation wird so eingestellt, dass jeder Bereich der Werkzeugwand in Kontakt mit nicht aufgeschmolzenem Pulver, welches sich vorwiegend im jeweils unteren Bereich der Kavität sammelt, kommt, um eine gleichmäßige Wanddicke zu erreichen. Durch Abkühlen des noch rotierenden Werkzeugs erstarrt die Schmelze. Das auf Entformungstemperatur abgekühlte Bauteil wird im Anschluss aus dem Werkzeug entnommen.
Beispielsweise bezieht sich die US 4,093,219 auf Sportbälle. Zur Herstellung der Blase wird ein Polyesterelastomer zentrifugal geformt durch Drehen einer hohlen Gussform mit einer bestimmten Menge dieses Elastomers in feiner Pulverform. Die Gussform wird gleichzeitig um zwei zueinander rechtwinklige Achsen gedreht, während die Pressform durch Zonen mit Heizeinheiten (250°C) und Kühleinheiten bewegt wird. Die Gussform wird dann ohne Drehung zu einer Entformungsstation bewegt.
Die US 8,210,973 schlägt Rotationsformen als Alternative zur Herstellung einer Blase für einen Sportball mittels Blasformen vor.
Die US 2009/0266823 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsblase aus duroplastischem Polymer für einen Tank, welcher Flüssigkeit unter Druck beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des (a) Bereitstellens einer Polymerisationsmischung, welche die Vorläuferkomponenten des duroplastischen Polymers und optional zumindest einen Polymerisationskatalysator beinhaltet, das (b) Polymerisieren der Mischung, um das duroplastische Polymer zu erhalten, in einer sich drehenden Gussform, um die Blase zu formen und das (c) Entfernen der erhaltenen duroplastischen Polymerblase aus der Gussform.
Die US 5,433,438 bezieht sich auf einen Ball für Spiel, Therapie und Sporttraining. Der Ball wird hergestellt, indem eine schaumige Polyurethanmischung in einer Gussform verteilt und die Gussform eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen gedreht wird. Die Gussform wird gedreht, um die innere Oberfläche der Gussform vollständig mit Schaummaterial zu bedecken.
Die DE 27 23 625 bezieht sich auf einen Ball aus thermoplastischem Material sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Zur Herstellung des Balls wird die Schleudergusstechnik angewandt. Bei dem Verfahren führt eine kugelförmige Form aus zwei komplementären Teilen eine Planetenbewegung aus, bei der die thermoplastischen Materialien der verschiedenen Schichten des Balls von der Außenschicht bis zur Innenschicht verschmolzen werden. Das Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Materials für die Innenschicht nach dem Öffnen der Form bei einer Temperatur erfolgt, bei der die Verschmelzung des Materials, dass die vorhergehende oder die vorhergehenden Schichten bildet, noch nicht abgeschlossen ist, sodass diese Schicht oder diese Schichten in der Höhe der Verbindung der zwei komplementären Teile der Form reißen kann bzw. können
Die US 4,258,917 betrifft ein Rotationsgussverfahren zur Herstellung gummiverstärkter Gegenstände. Das Verfahren umfasst das Bilden zweier vorgeformter und vorgeschrumpfter Halbschalen aus Vlies, welche anschließend in der oberen und unteren Hälfte einer Rotationsgussform eingelegt werden, um deren innere Oberflächen auszukleiden. Die Vliese werden so geschnitten, dass sie den Flanschbereich zwischen den beiden Hälften der Gussform bedecken oder so, dass eine Halbschale die andere überlappt. Dann wird ein runder Streifen aus Film, gebildet aus terminalem Amin-Flüssigpolymer, zwischen die Lagen der Vliese im Flanschbereich oder zwischen die überlappenden Abschnitte der Vliese eingelegt und zu der unteren Hälfte der Gussform eine Karboxyl enthaltende Polymermischung hinzugefügt. Die Gussform wird gut verschlossen und die Materialien werden rotationsgeformt bei einer Temperatur, welche ausreichend ist, um die Halbschalen aus Vlies zu versiegeln und zu imprägnieren und diese mit der flüssigen Karboxyl enthaltenden Polymermischung zu verkapseln, um eine dimensionsstabile Blase oder einen Ball herzustellen.
Die EP 0 365 488 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung hohler elastischer Körper, insbesondere von Bällen und ähnlichen Objekten sowie auf diese Weise hergestellte Bälle. Ein Ball wird im Schleuderformverfahren hergestellt, wonach in einer aus zwei trennbaren, komplementären Hälften bestehenden Form, der eine Planetenbewegung verliehen wird, Kunststoffe zur Bildung der Ballformen den Schichten nacheinander eingegossen werden, nämlich ausgehend von der Außenschicht zu innersten Schicht, wobei das Material zum Bilden einer der inneren Schichten nach dem Öffnen der Form bei einer Temperatur derart eingeführt wird, dass das die vorhergehende Schicht(en) bildende Material nicht vollständig geschmolzen worden ist, sodass das Brechen der Schicht bzw. der Schichten auf der Höhe der Verbindung zwischen den beiden Formteilen gestattet ist.
Es hat sich als nachteilig bei bekannten Rotationsformverfahren herausgestellt, dass damit keine zufriedenstellenden Ergebnisse bei der Herstellung von dreidimensionalen Verbundgegenständen erzielt werden. Dies liegt daran, dass bisher keine ausreichende Homogenität der das Verbundmaterial bildenden Komponenten in der Rotationsform erzielt werden kann. Als Ursache hierfür wird die unterschiedliche Größe, Form und Dichte der Komponenten vermutet, sodass sich diese in der Gussform entmischen. Des Weiteren neigen einige Komponenten dazu, Agglomerate in der Gussform zu bilden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands anzugeben, welches die Nachteile des Stands der Technik überwindet, oder zumindest verringert. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren eine homogene Durchmischung und/oder eine gezielte und definierte Verteilung der verschiedenen Materialien in einer Rotationsgussform ermöglichen. Ferner soll das erfindungsgemäße Verfahren ein gezieltes Einbringen bestimmter Funktionen bzw. Funktionalitäten in den herzustellenden Verbundgegenstand ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen.
III. Zusammenfassung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands, insbesondere eines Sportartikels, weist die Schritte auf: (a.) Bereitstellen einer drehbaren Gussform; (b.) Einfüllen eines ersten Materials in die Gussform; (c.) Einfüllen eines zweiten Materials in die Gussform, wobei es sich bei zumindest einem der Materialien um ein Polymermaterial handelt; (d.) Bewegen der Gussform; und (e.) Anpassen zumindest eines Verfahrensparameters während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte, so dass eine homogene Verteilung des zweiten Materials in dem hergestellten Verbundgegenstand erzielt wird.
Erfindungsgemäß werden zwei Materialien in die Rotationsgussform eingefüllt, wobei es sich bei zumindest einem der Materialien um ein Polymermaterial handelt.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten Polymermaterialien kann es sich um thermoplastische Materialien und/oder vernetzende Materialien handeln.
Falls es sich bei dem eingefüllten Polymermaterial um ein thermoplastisches Material handelt erfolgt vorzugsweise ein Heizen und/oder Abkühlen des eingefüllten Materials. Dieses Material schmilzt beim Heizen auf und bildet damit das Träger- oder Matrixmaterial. Bei dem zweiten Material kann es sich beispielsweise um Fasern handeln, welche nach dem Rotationsformen in das erste Trägermaterial eingebettet sind, bzw. an dessen Oberfläche flächig anhaften.
Falls es sich bei dem eingefüllten Polymermaterial um ein vernetzendes Material handelt, kann ggf. auf ein Heizen und/oder Abkühlen des eingefüllten Materials verzichtet werden. Bei der Verwendung duroplastischen Materials kann zusätzlich Bindemittel zugegeben werden, um ein Vermischen der verwendeten Materialien zu unterstützen. Alternativ ist es auch möglich, dass sich verwendete duroplastische Materialien alleine aufgrund deren inhärenter Eigenschaften miteinander verbinden. Alternativ können auch Katalysatoren Anwendung finden.
Eine Durchmischung der beiden Materialien kann alternativ auch außerhalb der Gussform erfolgen. Ferner können das erste und das zweite Material auch gleichzeitig in die Gussform eingefüllt werden, beispielsweise zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es ist anzumerken, dass es grundsätzlich zumindest drei mögliche Einfüllreihenfolgen gibt, nämlich:

a) Gleichzeitiges Einfüllen der Materialien,
b) Erst Einfüllen des ersten Materials, anschließend Einfüllen des zweiten Materials; oder
c) Erst Einfüllen des zweiten Materials, anschließend Einfüllen des ersten Materials.

Bei den Varianten b) und c) kann gegebenenfalls eine Temperaturveränderung vor Einfüllen des zweiten Materials herbeigeführt werden.
Unter Bewegen der Gussform wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung z.B. ein Drehen der Gussform, ein Schwenken der Gussform (z.B. um eine Achse), ein Hin- und Herbewegen, ein Auf- und Abbewegen, etc. verstanden.
Um eine homogene Verteilung des zweiten Materials in dem hergestellten Verbundgegenstand zu erzielen, wird zumindest ein Verfahrensparameter während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte angepasst.
Eine homogene Verteilung des eingebetteten Materials ist wichtig, damit das entstehende Verbundmaterial die gewünschte Stabilität aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Verteilung des zweiten Materials als homogen angesehen, wenn das zweite Material sich gut mit dem ersten Material durchmischt. Es liegt insbesondere eine homogene Verteilung vor, wenn bei makroskopischer Betrachtung des Bauteils in einem repräsentativen Flächenelement das zweite Material gleichmäßig in der Fläche verteilt vorliegt. Die Oberfläche des zweiten Materials ist dabei überwiegend mit dem ersten Material benetzt. Eine Größe des repräsentativen Flächenelements hängt von der Größe des mittels Rotationsformen herzustellenden dreidimensionalen Verbundgegenstands ab. Insbesondere liegt keine homogene Verteilung vor, wenn das zweite Material sogenannte Agglomerate bildet. Als homogen wird jedoch eine Verteilung angesehen, welche Dichteschwankungen unterliegt oder einen Dichtegradienten aufweist, solange das zweite Material durchgehend in dem ersten Material vorliegt. Das erste Material kann dabei durchaus mikroskopische Inseln bilden, in denen kein zweites Material zu finden ist.
Würden sich im Beispiel der Fasern diese nicht oder nur unzureichend mit dem ersten polymeren Trägermaterial mischen und kraftschlüssig angebunden sein, so hätten die Fasern praktisch keinen Effekt auf die Festigkeit des Verbundmaterials. Bekanntermaßen erhalten Faserverbundwerkstoffe vorteilhafte Eigenschaften nämlich durch gegenseitige Wechselwirkungen ihrer beiden Komponenten, welche erst bei ausreichender Durchmischung gewährleistet wird.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine homogene und/oder gezielte und definierte Durchmischung des ersten polymeren Materials (der einbettenden „Matrix“) mit dem zweiten Material dadurch erzielt werden kann, dass zumindest ein Verfahrensparameter während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte des Verfahrens angepasst wird. Im Folgenden werden Beispiele für Verfahrensparameter gegeben, deren Anpassung zu einer homogenen Verteilung des zweiten Materials in dem hergestellten Verbundgegenstand führen.
Diese Verfahrensparameter sind in Abhängigkeit der verwendeten Materialien die Drehgeschwindigkeit der Gussform, die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird, die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung, die Aufheizzeit mindestens eines der Materialien, die Abkühlzeit mindestens eines der Materialien, die Viskosität des ersten Materials und der Winkel der Rotationsachsen der Gussform, das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationsachsen der Gussform, die Haltezeiten des ersten und/oder zweiten Materials in der Gussform, die Befüllzeitpunkte des ersten und/oder zweiten Materials und Kombinationen dieser Parameter.
Ein von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Drehgeschwindigkeit der Gussform. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Drehgeschwindigkeit entsprechend zumindest einem der Materialien ausgewählt wird, so führt dies zu einer homogenen Verteilung der Materialien. Beispielsweise kann bei der Verwendung von zwei anspruchsgemäßen Materialien die Drehgeschwindigkeit geringer oder größer sein, als die Drehgeschwindigkeit bei Verwendung nur eines einzigen Materials. Letztgenannte Drehgeschwindigkeit ist dabei dadurch definiert, dass sie eine gleichmäßige Verteilung des ersten Materials in der Gussform ermöglicht.
Ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren diese Geschwindigkeit entsprechend zumindest einem der Materialien ausgewählt wird, so führt dies zu einer homogenen und/oder gezielten und definierten Verteilung der Materialien.
Noch ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung. Unter Auslenkung wird der maximal erreichte Winkel verstanden um welchen die Gussform während der Schwenkbewegung relativ zu ihrer Ruheposition verschwenkt wird. Wird dieser Winkel entsprechend zumindest einem der Materialien ausgewählt, so kann eine homogene und/oder gezielte und definierte Verteilung der Materialien gewährleistet werden.
Ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Aufheizzeit der Materialien, zum Beispiel durch Aufheizen der Gussform, insbesondere bei Verwendung von thermoplastischen Materialien. Eine homogene Verteilung des zweiten Materials in dem hergestellten Verbundgegenstand wird erreicht, wenn die Aufheizzeit geringer ist als die üblicherweise beim Rotationsgießen verwendeten Aufheizzeiten. Werden also anspruchsgemäß zwei Materialien verwendet, von denen zumindest eines ein thermoplastisches Trägermaterial ist, so muss, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials zu erzielen, die Aufheizzeit kürzer sein, als wenn nur das erste Material verwendet werden würde.
Noch ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Zeit bis zur Erstarrung zumindest eines der Materialien, zum Beispiel durch Abkühlen der Gussform. Eine homogene Verteilung des zweiten Materials in dem hergestellten Verbundgegenstand wird erreicht, wenn die Zeit bis zur Erstarrung des ersten Materials geringer ist als die üblicherweise beim Rotationsgießen verwendeten Zeiten bis zur Erstarrung. Werden also anspruchsgemäß zwei Materialien verwendet, von denen zumindest eines ein polymeres Trägermaterial ist, so muss, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials zu erzielen, die Zeit bis zur Erstarrung kürzer sein, als wenn nur das erste Material verwendet werden würde.
Ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist der Winkel der Rotationsachsen der Gussform. Wenn die Gussform zwei Drehachsen aufweist, so müssen diese im Wesentlichen rechtwinklig zueinander stehen, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials zu erzielen. „Im Wesentlichen rechtwinklig“ bedeutet dabei ein Winkel von 90° im Rahmen üblicher Fertigungsschwankungen. Als Drehachse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl Drehachsen, als auch Schwenkachsen verstanden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Gussform eine einzige Achse in Form einer Schwenkachse aufweist.
Ein weiterer von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist der Befüllzeitpunkt des zweiten Materials. Die Erfinder haben erkannt, dass eine möglichst homogene Verteilung des zweiten Materials erreicht wird, wenn das zweite Material vor dem vollständigen Erweichen des ersten Materials an der werkzeugabgewandten Seite in die Gussform eingefüllt wird.
Wenn im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das zweite Material Fasern aufweist, so haben die Erfinder die Länge der Fasern als weiteren relevanten Verfahrensparameter ausgemacht. Die Faserlänge liegt vorteilhafterweise signifikant über der kritischen Faserlänge, die sich in Abhängigkeit von Faserfestigkeit, Faserdurchmesser und Faser-Kunststoff-Haftfestigkeit berechnen lässt. Die kritische Faserlänge gibt an, ab welcher Faserlänge eine Verstärkung des Verbundgegenstands mittels der Fasern eintritt. Größere Faserlängen erhöhen die Zugfestigkeit des Verbundgegenstands und insbesondere auch die Zähigkeit bei stoßartiger Belastung.
Zusammenfassend haben die Erfinder erkannt, dass es wesentlich auf die Anpassung bestimmter Verfahrensparamter ankommt, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials in dem Verbundgegenstand zu erzielen. Beispiele für solche Verfahrensparameter und wie diese anzupassen sind, wurden angegeben und werden im Rahmen der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele detaillierter erläutert.
Es muss an dieser Stelle betont werden, dass auch mehrere der erwähnten Verfahrensparameter gleichzeitig angepasst werden können, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials zu erreichen. Beispielsweise können die Drehgeschwindigkeit und die Aufheizzeit gleichzeitig wie hierin beschrieben angepasst werden. Ebenso können die Aufheizzeit und die Abkühlzeit oder die Drehgeschwindigkeit und die Faserlänge gleichzeitig angepasst werden. Beliebige Kombinationen der hierin erwähnten Verfahrensparameter, welche wesentlich für eine homogene Verteilung des zweiten Materials sind, sind möglich.
Bei den Fasern kann es sich zum Beispiel um Aramidfasern handeln. Aramidfasern weisen einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. In Verbindung mit einem in der Regel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des polymeren ersten Materials kann ein hoch maßhaltiger Verbundgegenstand erhalten werden. Auch andere organische Fasern, z.B. organische Fasern (Polymerfasern, Naturfasern etc.) oder anorganische Fasern können verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, dass Fasern verwendet werden, die aus dem gleichen Material gefertigt sind, wie die Matrix (Eigen-Material-Fasern). In diesem Fall weisen die Fasern vorteilhafterweise eine höhere Festigkeit auf als die Matrix.
Die Fasern als zweites Material können mit einem Polymermaterial, z.B. dem ersten Material beschichtet sein. Dadurch wird eine bessere Durchmischung des ersten und zweiten Materials erzielt, da die Oberflächenstruktur der beschichteten Fasern zur Oberflächenstruktur des ersten Materials z.B. haftungskompatibel ist.
Das erste und/oder zweite Material kann ein reaktives Material sein. Beispielsweise kann es sich um einen reaktiven Kunststoff handeln.
Das erste Material kann ein thermoplastisches Polyurethan, TPU, sein. TPU ist relativ einfach zu verarbeiten. Außerdem ist TPU ein Elastomer, welches formstabil ist, sich unter Zug- und Druckspannung verformt, im spannungsfreien Zustand jedoch wieder weitgehend in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Damit ist TPU sehr gut geeignet, um druckbeaufschlagte dreidimensionale Gegenstände, wie beispielsweise Blasen für Bälle herzustellen. Ebenso eignet sich TPU für dreidimensionale Gegenstände, welche regelmäßig Stößen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Schienbeinschoner für Fußballer.
Das erste Material kann in flüssiger und/oder granularer Form bereitgestellt werden. Dies ermöglicht ein dosiertes Einfüllen des Materials in die Gussform, z.B. unter Verwendung eines Durchflussmengenmessers. Das Einfüllen des ersten Materials kann damit auch automatisiert erfolgen.
Die drehbare Gussform ist um zumindest zwei Achsen drehbar. Hierdurch lassen sich insbesondere Gegenstände mit einer Kugelform herstellen, da eine Drehung um die zwei Drehachsen für eine gleichmäßige Verteilung des ersten und zweiten Materials in der Gussform sorgt.
Bei der ersten Achse kann es sich um eine Drehachse und bei der zweiten Achse um eine Schwenkachse handeln.
Die drehbare Gussform kann um drei Achsen drehbar sein. Dies ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, welche möglicherweise Hinterschneidungen aufweist.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können zumindest zweimal durchgeführt werden, ohne die abgekühlten Materialien zwischenzeitlich aus der Gussform zu entnehmen, um einen mehrschichtigen Verbundgegenstand zu erhalten. Auf diese Weise kann ein mehrschichtiger dreidimensionaler Gegenstand erhalten werden. Das durchmischte erste und zweite Material lagert sich schichtweise an der vorherigen Schicht an. Da die Einzelschichten dünner sind als die gesamte Wanddicke des Verbundgegenstands, wird ein Entmischen des ersten und zweiten Materials verhindert oder zumindest verringert, da die zwei Materialien in dickeren Schichten eher dazu neigen, sich zu entmischen, als in dünneren Schichten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Verbundgegenstand, insbesondere ein Sportartikel, welcher nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
Bei dem dreidimensionalen Verbundgegenstand kann es sich um einen Hohlkörper handeln. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Blase für einen Ball handelt. Bei dem Ball kann es sich um einen Fußball handeln.
Alternativ kann es sich bei dem dreidimensionalen Verbundgegenstand um einen Schienbeinschoner oder einen Schuh handeln.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine drehbare Gussform, welche zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist.
Die Gussform kann vorteilhafterweise zumindest einen Sensor aufweisen, welcher zumindest einen Prozessparameter während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst. Bei dem Prozessparameter kann es sich um die Temperatur, die Drehgeschwindigkeit der Gussform, die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird, die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung, eine auf die Gussform und/oder auf die in die Gussform eingefüllten Materialien einwirkende Beschleunigung, die Dicke zumindest einer Materialschicht, oder die Verteilung des ersten und/ oder zweiten Materials handeln. Die von dem Sensor erfassten Daten können während der Durchführung des Verfahrens ausgewertet werden, um zumindest einen Prozessparameter anzupassen. Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperaturfühler, einen Drehzahlmesser, einen Beschleunigungssensor, einen optischen Sensor oder einen akustischen Sensor handeln. Durch Verwendung von Sensoren wird eine gezielte Prozesssteuerung ermöglicht, wodurch sich gezielt bestimmte Funktionen bzw. Funktionalitäten, in den herzustellenden Verbundgegenstand einbringen lassen.
IV. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Aspekte der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren genauer erläutert. Diese Figuren zeigen:
1A bis 1D: eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: optionale Nachbearbeitungsschritte im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3: eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines mehrschichtigen Verbundgegenstands;
4A: eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4B: Verlauf von Drehzahl und Temperatur während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5: ein Vergleich eines konventionellen Rotationsformverfahrens mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6A und 6B: Ergebnisse von Messungen, welche an einer mit ummantelten Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung verstärkten Probe durchgeführt wurden.
V. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionale Verbundgegenstands insbesondere eines Sportartikels, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D beschrieben.
Das Verfahren weist als ersten Schritt (a.) das Bereitstellen einer drehbaren Gussform 11 auf. In den 1A bis 1D ist eine runde Gussform 11 gezeigt, welche sich zum Beispiel für die Herstellung einer Blase für einen Fußball eignet. Grundsätzlich kann die Gussform jedoch auch andere geometrische Formen haben, zum Beispiel eine Zylinderform oder eine komplexe dreidimensionale Geometrie.
Im Ausführungsbeispiel der 1A bis 1D weist die Gussform 11 zwei Drehachsen, eine vertikale Drehachse 12 und eine horizontale Drehachse 13, auf. Grundsätzlich kann die Gussform 11 jedoch auch eine andere Anzahl an Drehachsen aufweisen. Handelt es sich beispielsweise um eine zylindrische Gussform, so weist diese in der Regel nur eine Drehachse auf. Handelt es sich um eine Gussform mit einer komplexen dreidimensionalen Geometrie, so kann die Gussform mehr als zwei Achsen, zum Beispiel drei Achsen, aufweisen. Die Drehachsen können kardanisch gelagert sein, d.h. im Fall von zwei Achsen durch zwei Lager mit zueinander rechtwinklig sich schneidenden Drehachsen.
Das Verfahren umfasst weiter den Schritt (b.) des Einfüllens eines ersten Materials 14 in die Gussform 11. Die 1A zeigt den Zustand, nachdem das erste 14 und das zweite Material 15 in die Gussform 11 eingefüllt wurden. In dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der 1A bis 1D wurden das erste Material 14 und ein zweites Material 15 bereits miteinander vermischt, bevor die Materialien in die Gussform 11 eingefüllt wurden. Ferner ist es möglich, dass das erste 14 und das zweite Material 15 zeitgleich in die Gussform 11 eingefüllt werden, insbesondere zu Beginn des Verfahrens. Bei dem ersten Material 14 handelt es sich um ein Polymermaterial wie beispielsweise thermoplastisches Urethan (TPU). Dabei kann grundsätzlich ein Ester-basiertes TPU oder ein Ether-basiertes TPU verwendet werden. Das erste Material 14 kann in granularer und/oder flüssiger Form in die Gussform 11 eingefüllt werden bzw. mit dem zweiten Material 15 vermengt werden. Da in diesem Fall ein Durchflussmengenmesser verwendet werden kann, kann das Einfüllen auch vollautomatisch erfolgen. Ein weiteres Beispiel für das erste Material 14 ist Elastollan^® SP 9305, welches beispielsweise von der BASF SE hergestellt wird. Hierbei handelt es sich um ein im unverarbeiteten Zustand pulverförmiges Material mit einer niedrigviskosen Schmelze.
Das Verfahren umfasst weiter den Schritt (c.) des Einfüllens des zweiten Materials 15 in die Gussform 11, wie bereits erläutert, zeigt die 1A den Zustand, nachdem das erste 14 und das zweite Material 15 in die Gussform 11 eingefüllt wurden. Bei dem zweiten Material 15 kann es sich beispielsweise um Fasern, wie z.B. Aramidfasern, handeln. Auf diese Weise kann ein dreidimensionaler Verbundfasergegenstand erhalten werden, welcher eine ausgezeichnete Festigkeit und Stabilität aufweist.
Ein beispielhaftes zweites Material 15 ist ein Hybridgarn mit 2500 dtex wie zum Beispiel das Seelengarn Twaron^® 1111. Dieses weist eine Seele aus Aramidgarn mit 420 dtex auf, welches mit 100 U/m verdrillt wurde. Das Mantelmaterial ist TPU Elastollan^® SP 9305. Der Faseranteil des Hybridgarns beträgt ca. 13,2 Vol.-%.
Bei dem ersten Material 14 und/oder zweiten Material 15 kann es sich auch um Polyamid handeln.
Um ein gutes Durchmischen des ersten 14 und zweiten Materials 15 in der Gussform 11 zu erleichtern, können die Fasern mit dem ersten Material 14, beispielsweise TPU, beschichtet sein. Aufgrund der ähnlichen Oberflächenstruktur des ersten 14 und zweiten Materials 15 wird so ein Entmischen der beiden Materialien in der Gussform 11 verhindert, oder zumindest verringert.
Bei dem zweiten Material 15 kann es sich ebenfalls um ein polymeres Material, z.B. ein reaktives Material handeln. So ist es erfindungsgemäß z.B. möglich, dass es sich bei dem ersten und zweiten Material um jeweils 2K PU-Materialien oder jeweils 2K-Harze handelt. Auch ist es möglich, dass das erste Material ein 2K PU-Material und das zweite Material ein 2K-Harz ist, oder umgekehrt. Auch ist es möglich, dass das erste Material PU ist, während das zweite Material TPU ist, oder umgekehrt. Ebenfalls kann es sich bei dem ersten Material 14 und/oder zweiten Material 15 um Polyamid handeln.
Bei dem ersten Material kann es sich, ebenso wie bei dem zweiten Material, auch um eine Mischung handeln. Beispielsweise kann das erste Material eine Mischung aus zwei Komponenten sein und/oder das zweite Material kann eine Mischung aus zwei Komponenten sein. Beispielsweise kann das erste Material ein Grundmaterial (auch als Matrix bezeichnet) aufweisen. Das Grundmaterial kann mit zumindest einer weiteren Komponente vermischt werden. Bei den weiteren Komponenten kann es sich beispielsweise um vorgefertigte Komponenten und/oder Halbzeug handeln. Beispielsweise könnten elektronische Elemente oder lichtemittierende Elemente mit dem Grundmaterial vermischt werden. Beispiele für derartige Elemente sind Leuchtelemente (LEDs, OLEDs etc.), Sensoren, Chips oder Gewichte. Ferner ist es möglich, dass derartige Elemente rein dekorative Zwecke erfüllen.
Auch das zweite Material 15 kann in granularer und/oder flüssiger Form in die Gussform 11 eingefüllt werden. Da in diesem Fall ein Durchflussmengenmesser verwendet werden kann, kann das Einfüllen auch vollautomatisch erfolgen.
Das Verfahren umfasst weiter den Schritt (d.) des Drehens der Gussform 11. wie in den 1A und 1B gezeigt. Die Gussform wird dabei um die Drehachsen 12 und 13, zum Beispiel mittels Motoren, gedreht. Dabei verteilen und vermischen sich das erste 14 und das zweite Material 15 in der Gussform 11.
Das beispielhafte Verfahren nach 1 umfasst weiter den Schritt des Heizens der Materialien 14, 15, beispielsweise durch Heizen der Gussform 11, wie in der 1B gezeigt. Die Gussform 11 wird dabei kontinuierlich um ihre Drehachsen 12 und 13 weitergedreht. Wenn die Gussform 11 die Schmelztemperatur des ersten polymeren Materials 14 erreicht, so schmilzt dieses auf und das zweite Material 15 wird in der Schmelze eingelagert. Aufgrund der Rotation der Gussform 11 lagert sich die Schmelze an der Innenwand der Gussform 11 an. Der Verfahrensschritt gemäß 1B wird vorzugsweise bei Verwendung eines thermoplastischen Polymers angewendet. Bei Verwendung von Duroplasten kann auf den Schritt des Heizens verzichtet werden.
In der 1B ist gezeigt, dass die Materialien 14, 15 mittels der Gussform 11 von außen geheizt werden. Beispielsweise kann die Gussform 11 hierzu in einen Ofen eingebracht werden. Alternativ kann die Gussform 11 auch von innen geheizt werden und dazu beispielsweise Bohrungen aufweisen durch welche eine heiße Flüssigkeit gepumpt wird. Denkbar sind auch an oder in der Gussform 11 angeordnete Heizelemente, welche elektrisch betrieben werden. Beispielsweise ist es auch möglich, dass durch eine oder mehrere Bohrungen der Gussform 11 eine Heiz-Lanze oder mehrere Heiz-Lanzen eingebracht werden.
Das beispielhafte Verfahren gemäß 1 umfasst weiter den Schritt des Abkühlens der Materialien, beispielsweise durch Abkühlen der Gussform 11, wie in der 1C gezeigt. Die Gussform 11 wird dabei kontinuierlich um ihre Drehachsen 12 und 13 weitergedreht. Wenn die Gussform 11 die Schmelztemperatur des ersten polymeren Materials 14 unterschreitet, so erstarrt dieses und das zweite Material 15 wird darin eingeschlossen. Aufgrund der Rotation der Gussform 11 lagert sich das erstarrte erste Material 14 mit dem darin eingeschlossenen zweiten Material 15 an der Innenwand der Gussform 11 ab, wie in der 1C gezeigt. Der Verfahrensschritt gemäß 1C wird vorzugsweise bei Verwendung eines thermoplastischen Polymers angewendet. Bei Verwendung von Duroplasten kann auf den Schritt des Kühlens verzichtet werden.
In der 1C ist gezeigt, dass die Gussform 11 von außen gekühlt wird. Beispielsweise kann die Gussform 11 hierzu in eine Kühlkammer eingebracht werden. Alternativ kann die Gussform 11 auch von innen gekühlt werden und dazu beispielsweise Bohrungen aufweisen durch welche eine kalte Flüssigkeit gepumpt wird. Denkbar sind auch an oder in der Gussform 11 angeordnete Kühlelemente, welche elektrisch betrieben werden (z.B. Peltier-Elemente). Beispielsweise ist es auch möglich, dass durch eine oder mehrere Bohrungen der Gussform 11 eine Kühl-Lanze oder mehrere Kühl-Lanzen eingebracht werden.
Sowohl die genannten Heiz- als auch Kühl-Lanzen können derart ausgebildet sein, dass sie entlang ihrer Längsachsen verschiebbar relativ zur Form angeordnet sind. So können beispielsweise unterschiedliche Bereiche im Inneren der Form unterschiedlich gekühlt bzw. erhitzt werden. Dies ist insbesondere zur Herstellung mehrschichtiger Verbundgegenstände von Bedeutung, da hier verschiedene Schichten sukzessive gekühlt bzw. erhitzt werden können.
Es ist möglich, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die zuvor erläuterten Verfahrensschritte b. bis f. zumindest zweimal durchgeführt werden, ohne die abgekühlten Materialien 14 und 15 aus der Gussform 11 zu entnehmen, um so einen mehrschichtigen Verbundgegenstand zu erhalten. Das durch die Rotation der Gussform 11 durchmischte erste 14 und zweite Material 15 lagert sich schichtweise an der vorherigen Verbundschicht an. Da die Einzelschichten dünner sind als die Gesamtdicke des Materials, wird ein Entmischen des ersten 14 und zweiten Materials 15 verhindert. Insbesondere wird verhindert, dass sich das zweite Material 15 auf dem ersten Material 14 absetzt.
Das Verfahren umfasst weiter den Schritt (g.) des Anpassens zumindest eines Verfahrensparameters während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte, so dass eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand erzielt wird. Um eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand zu erzielen, wird zumindest ein Verfahrensparameter während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte (a. bis g.) angepasst. Eine homogene Verteilung des eingebetteten Materials 15 ist wichtig, damit das entstehende Verbundmaterial die gewünschte Stabilität aufweist.
Eine homogene Durchmischung des ersten polymeren Materials 14 (der einbettenden „Matrix“) mit dem zweiten Material 15 kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden kann, dass zumindest ein Verfahrensparameter während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte des Verfahrens angepasst wird. Im Folgenden werden Beispiele für Verfahrensparameter gegeben, deren Anpassung zu einer homogenen Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand führen.
Diese Verfahrensparameter sind in Abhängigkeit der verwendeten Materialien die Drehgeschwindigkeit der Gussform, die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird, die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung, die Aufheizzeit mindestens eines der Materialien, die Abkühlzeit mindestens eines der Materialien, die Viskosität des ersten Materials und der Winkel der Rotationsachsen der Gussform, das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationsachsen der Gussform, die Haltezeiten des ersten und/oder zweiten Materials in der Gussform, die Befüllzeitpunkte des ersten und/oder zweiten Materials und Kombinationen dieser Parameter.
Ein von den Erfindern als relevant erkannter Verfahrensparameter ist die Drehgeschwindigkeit der Gussform 11. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Drehgeschwindigkeit entsprechend zumindest einem der Materialien 14, 15 ausgewählt wird, so führt dies zu einer homogenen Verteilung der Materialien 14, 15. Beispielsweise kann bei der Verwendung von zwei anspruchsgemäßen Materialien 14, 15 die Drehgeschwindigkeit geringer oder größer sein, als die Drehgeschwindigkeit bei Verwendung nur eines einzigen Materials. Ein weiterer relevanter Verfahrensparameter bei Verwendung eines thermoplastischen ersten Materials und/oder eines thermoplastischen zweiten Materials ist die Aufheizzeit der Gussform 11. Eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand wird dabei erreicht, wenn die Aufheizzeit geringer ist als die üblicherweise beim Rotationsgießen verwendeten Aufheizzeiten. Werden also anspruchsgemäß zwei Materialien 14 und 15 verwendet, von denen eines ein thermoplastisches polymeres Trägermaterial ist, so muss, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 zu erzielen, die Aufheizzeit kürzer sein, als wenn nur das erste Material 14 verwendet werden würde.
Noch ein weiterer relevanter Verfahrensparameter bei Verwendung eines thermoplastischen ersten Materials und/oder eines thermoplastischen zweiten Materials ist die Abkühlzeit der Gussform 11. Eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand wird erreicht, wenn die Abkühlzeit geringer ist als die üblicherweise beim Rotationsgießen verwendeten Abkühlzeiten. Werden also anspruchsgemäß zwei Materialien 14 und 15 verwendet, von denen eines ein thermoplastisches polymeres Trägermaterial ist, so muss, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 zu erzielen, die Abkühlzeit kürzer sein, als wenn nur das erste Material 14 verwendet werden würde.
Ein weiterer relevanter Verfahrensparameter ist der Winkel der Rotationsachsen 12 und 13 der Gussform 11. Wenn die Gussform 11 zwei Drehachsen aufweist, so müssen diese im Wesentlichen rechtwinklig zueinander stehen, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 zu erzielen. „Im Wesentlichen rechtwinklig“ bedeutet dabei ein Winkel von 90° im Rahmen üblicher Fertigungsschwankungen.
Ein weiterer relevanter Verfahrensparameter ist der Befüllzeitpunkt des zweiten Materials. Eine möglichst homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem Verbundgegenstand kann dann erreicht werden, wenn das zweite Material vor dem Erweichen des ersten Materials in die Gussform eingefüllt wird. Falls es sich bei dem ersten Material 14 um ein thermoplastisches Material handelt, kann das zweite Material 15 beispielsweise nicht später als 200 Sekunden nach dem ersten Material 14 in die Gussform 11 eingefüllt werden.
Wenn im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das zweite Material 15 Fasern aufweist, so ist die Länge der Fasern ein weiterer relevanter Verfahrensparameter. Die Faserlänge liegt vorteilhafterweise signifikant über der kritischen Faserlänge, die sich in Abhängigkeit von Faserfestigkeit, Faserdurchmesser und Faser-Kunststoff-Haftfestigkeit berechnen lässt. Die kritische Faserlänge gibt an, ab welcher Faserlänge eine Verstärkung des Verbundgegenstands mittels der Fasern eintritt. Die Faserlänge kann in Abhängigkeit des herzustellenden Verbundgegenstandes beispielsweise zwischen 30 und 120 mm liegen. Größere Faserlängen erhöhen die Zugfestigkeit des Verbundgegenstands.
Die 1D zeigt schließlich, dass der fertige dreidimensionale Verbundgegenstand, welcher das erste 14 und zweite Material 15 aufweist, aus der Gussform 11 entnommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten aufweisen. Beispielsweise kann die Innenseite der Gussform 11 temporär oder permanent beschichtet werden (z.B. durch Besprühen oder Verdampfen), um ein Anhaften des ausgeformten dreidimensionalen Verbundgegenstands zu verhindern, oder zumindest zu verringern. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren eine Reihe von optionalen, dem Rotationsformen nachgelagerte Verarbeitungsschritte aufweisen. Beispielsweise kann der dreidimensionale Verbundgegenstand bedruckt oder beschichtet werden. Ebenso ist eine mechanische Nachbearbeitung denkbar. Handelt es sich zum Beispiel um eine Blase für einen Ball, so kann ein Ventil daran angebracht werden.
Die 2 zeigt optionale Nachbearbeitungsschritte für drei verschiedene Geometrien des dreidimensionalen Verbundgegenstands. Die linke Spalte der 2 zeigt einen zylindrischen Verbundgegenstand 21a und darunter eine schematische Querschnittsansicht der durch Rotationsformen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens erhaltenen Außenwand 22a des Verbundgegenstands 21a. Dementsprechend weist die Außenwand 22a ein erstes polymeres Material und darin homogen eingebettete Fasern zur Verstärkung auf. Auf die Außenwand 22a wird anschließend ein Schaum 23a und darauf eine Einlage oder Dekorelement 24a aufgebracht. Schließlich wird die Außenwand 22a mit einer dünnen Lage 25a beschichtet.
Die mittlere Spalte der 2 zeigt einen kugelförmigen Verbundgegenstand 21b und darunter eine schematische Querschnittsansicht der durch Rotationsformen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens erhaltenen Außenwand 22b des Verbundgegenstands 21b. Dementsprechend weist die Außenwand 22b ein erstes polymeres Material und darin homogen eingebettete Fasern zur Verstärkung auf. Auf die Außenwand 22b wird anschließend ein Schaum 23b und darauf eine Einlage oder Dekorelement 24b aufgebracht. Schließlich wird die Außenwand 22b mit einer dünnen Lage 25b beschichtet.
Die rechte Spalte der 2 zeigt einen Verbundgegenstand 21c mit einer komplexen Geometrie und darunter eine schematische Querschnittsansicht der durch Rotationsformen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens erhaltenen Außenwand 22c des Verbundgegenstands 21c. Dementsprechend weist die Außenwand 22c ein erstes polymeres Material und darin homogen eingebettete Fasern zur Verstärkung auf. Auf die Außenwand 22c wird anschließend ein Schaum 23c und darauf eine Einlage oder Dekorelement 24c aufgebracht. Schließlich wird die Außenwand 22c mit einer dünnen Lage 25c beschichtet.
Die 3 zeigt beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Vebundgegenstands im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Analog zur 2, zeigt die linke Spalte der 3 die Herstellung eines zylindrischen Verbundgegenstands, die mittlere Spalte die Herstellung eines kugelförmigen Verbundgegenstands und die rechte Spalte die Herstellung eines Verbundgegenstands mit einer komplexen Geometrie.
Zunächst wird in einer ersten Gruppe von Verfahrensschritten „A“ eine erste Schicht 31 des Verbundgegenstands in einer drehbaren Gussform 11 erzeugt. Wenn es sich bei dieser ersten Schicht 31 um eine Verbundschicht handelt, also um eine Schicht welche ein erstes polymeres Material und ein zweites Material (z.B. ein Fasermaterial) aufweist, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „A“ die bereits im Detail erläuterten Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Wenn es sich bei der ersten Schicht 31 nicht um eine Verbundschicht handelt, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „A“ nicht notwendigerweise alle Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Beispielsweise könnte in diesem Fall die Schicht 31 nur ein einziges Material aufweisen und daher der Verfahrensschritt (c.) des Einfüllens eines zweiten Materials weggelassen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die erste Schicht 31 in Aussparrungen bzw. Vertiefungen 34 der Form 11 eingelegt wird. So könnte die Schicht 31 außerhalb der Form 11 aus einem oder mehreren Materialen vorgefertigt worden sein. Die erste Schicht 31 könnte ferner auch direkt in den genannten Aussparungen bzw. Vertiefungen 34 ausgeformt worden sein, beispielsweise durch ein geeignetes Einspritzverfahren.
Bei der ersten Schicht 31 kann es sich auch um Komponenten, beispielsweise um vorgefertigte Komponenten und/oder Halbzeug handeln. Beispielsweise könnten elektronische Elemente oder lichtemittierende Elemente in die genannten Aussparrungen bzw. Vertiefungen 34 der Form 11 eingelegt werden. Beispiele für derartige Elemente sind Leuchtelemente (LEDs, OLEDs etc.), Sensoren, Chips oder Gewichte. Ferner ist es möglich, dass derartige Elemente reine dekorative Zwecke erfüllen.
Alternativ zum Vorsehen von Aussparrungen bzw. Vertiefungen 34 könnte die erste Schicht 31 bzw. die Komponenten, welche die erste Schicht bilden, auf andere Art und Weise an der Form 11 gehalten werden, beispielsweise mittels magnetischer Anziehung oder durch Vakuum. So könnten in der Form 11 anstatt Vertiefungen 34 beispielsweise Vakuum-Bohrungen vorgesehen sein, durch welche die erste Schicht 31 angesaugt werden kann.
Es ist auch möglich, dass die Gussform 11 anstatt der in 3 abgebildeten Vertiefungen 34 Erhebungen aufweist. Die Erhebungen könnten zum Erzeugen von Rillen in der äußeren Oberfläche der ersten Schicht 31 genutzt werden.
Als nächstes wird in einer zweiten Gruppe von Verfahrensschritten „B“ eine zweite Schicht 32 des Verbundgegenstands in der drehbaren Gussform 11 erzeugt. Diese Schicht 32 wird an die erste Schicht 31 angelagert und geht mit dieser eine Verbindung ein. Wenn es sich bei dieser zweiten Schicht 32 um eine Verbundschicht handelt, also um eine Schicht welche ein erstes polymeres Material und ein zweites Material (z.B. ein Fasermaterial) aufweist, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „B“ die bereits im Detail erläuterten Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Wenn es sich bei der zweiten Schicht 32 nicht um eine Verbundschicht handelt, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „B“ nicht notwendigerweise alle Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Beispielsweise könnte in diesem Fall die Schicht 32 nur ein einziges Material aufweisen und daher der Verfahrensschritt (c.) des Einfüllens eines zweiten Materials weggelassen werden.
Schließlich wird in einer dritten Gruppe von Verfahrensschritten „C“ eine dritte Schicht 33 des Verbundgegenstands in der drehbaren Gussform 11 erzeugt. Diese Schicht 33 wird an die zweite Schicht 32 angelagert und geht mit dieser eine Verbindung ein. Wenn es sich bei dieser dritten Schicht 33 um eine Verbundschicht handelt, also um eine Schicht welche ein erstes polymeres Material und ein zweites Material (z.B. ein Fasermaterial) aufweist, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „C“ die bereits im Detail erläuterten Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Wenn es sich bei der dritten Schicht 33 nicht um eine Verbundschicht handelt, so umfasst die Gruppe von Verfahrensschritten „C“ nicht notwendigerweise alle Verfahrensschritte (a.) bis (g.). Beispielsweise könnte in diesem Fall die Schicht 33 nur ein einziges Material aufweisen und daher der Verfahrensschritt (c.) des Einfüllens eines zweiten Materials weggelassen werden.
Auf jeden Fall handelt es sich jedoch bei zumindest einer der drei Schichten 31, 32 und 33 um eine Schicht, welche gemäß den bereits im Detail erläuterten Verfahrensschritten (a.) bis (g.) hergestellt wird. Bei der Anzahl von Schichten in der 3 handelt es sich lediglich um ein Beispiel. Statt drei Schichten, könnte der Verbundgegenstand auch zwei oder mehr als drei Schichten aufweisen. Auf jeden Fall handelt es sich bei zumindest einer dieser Schichten um eine Schicht, welche gemäß den bereits im Detail erläuterten Verfahrensschritten (a.) bis (g.) hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht verschiedene Schichten beziehungsweise Lagen homogen zu erzeugen.
Anhand der 4A und 4B wird im Folgenden ein weiteres beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren vor allem in Bezug auf die verwendeten Drehzahlen und Temperaturen der Gussform 11 erläutert. Dabei zeigt die 4A eine zylindrische Gussform 11 während der einzelnen Verfahrensschritte und die 4B den Verlauf von Temperatur 43 und Drehzahl 44 während des Verfahrens. Statt einer zylindrischen Gussform 11, kann eine beliebig geformte Gussform verwendet werden, z.B. eine kugelförmige Gussform. Wie in der 4A gezeigt, wird in einem ersten Prozessschritt „P1“ die Gussform 11 (welche auch als Werkzeug bezeichnet wird) mit einem ersten thermoplastischen Material 14 (welches auch als Matrix bezeichnet wird) befüllt. Anschließend wird in einem Prozessschritt „P2“ die Gussform 11 und das darin befindliche erste Material 14 auf eine erste Temperatur geheizt, welche während des Prozessschritts „P3“ gehalten wird, wie in 4B gezeigt. Das Aufheizen kann beispielsweise mittels eines Infrarotstrahlers 41 erfolgen. Die Gussform 11 und das darin befindliche erste Material 14 werden in einem Prozessschritt „P3“ abgekühlt, z.B. mittels einer Druckluftkühlung 42. Anschließend wird in einem Prozessschritt „P4“ die Gussform 11 mit dem zweiten Material 15 befüllt, welches im Beispiel der 4A Fasern aufweist. Die Drehzahl der Gussform 11 ist während der Prozessschritte „P1“, „P2“, „P3“ und „P4“ auf einem annähernd konstanten, relativ niedrigen Niveau, wie in 4B gezeigt.
In einem Prozessschritt „P5“ werden die Gussform und das darin befindliche erste Material 14 und zweite Material 15 auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt, z.B. mittels des Infrarotstrahlers 41. Nachdem diese Temperatur erreicht ist, wird die Drehzahl der Gussform 11 hochgefahren. Die Temperatur ist während einer als Haltezeit 45 bezeichneten Zeitspanne auf einem konstant hohen Niveau. In einem letzten Prozessschritt „P6“ werden die Gussform 11 und der erhaltene Verbundgegenstand aus erstem Material 14 und zweitem Material 15 abgekühlt. Danach wird die Drehzahl der Gussform 11 auf null reduziert und der Verbundgegenstand entformt. Das Abkühlen kann beispielsweise mittels der Druckluftkühlung 42 erfolgen.
Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Kombinationen von Drehzahl und Temperatur im Prozessschritt „P5“, welche zu gut verarbeitbaren Verbundgegenständen führen, angegeben: 30 U/min (Umdrehungen der Gussform 11 pro Minute) bei 220–240°C, 100 U/min bei 230–240°C, 200 U/min bei 200–220°C und 300 U/min bei 160–220°C.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch Verbundwerkstoffe als Ausgangswerkstoffe für das Rationsformen verwendet werden, um eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem dreidimensionalen Verbundgegenstand zu erreichen. Möglich ist beispielsweise der Einsatz von Faserbündeln oder Garnen, die mit einem polymeren Material, beispielsweise einem thermoplastischen ersten Material 14 ummantelt sind (Verbundfasern). In der linken Hälfte der 5 ist ein konventionelles Rotationsformverfahren schematisch gezeigt, bei welchem weder Verbundfasern verwendet, noch zumindest ein Verfahrensparameters während der Durchführung des Verfahrens so angepasst wird, dass eine homogene Verteilung des zweiten Materials 15 in dem hergestellten Verbundgegenstand erzielt wird. Dementsprechend entmischen sich das polymere Träger- oder Matrixmaterial 14 und die Fasern 15.
In der rechten Hälfte der 5 ist ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt, bei welchem zusätzlich Verbundfasern verwendet werden. Die Fasern des zweiten Materials 15 sind dabei mit dem ersten polymeren Material 14 ummantelt. Der so erhaltene dreidimensionale Verbundgegenstand weist eine äußerst homogene Verteilung der Fasern 15 innerhalb des ersten Matrixmaterials 14 auf.
Die 6A und 6B zeigen die Ergebnisse von Messungen, welche an einer rotationsgeformten TPU-Probe mit ummantelten Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden. Dabei wurden insgesamt vier Versuche pro Messeinstellung durchgeführt. Bei den Fasern handelt es sich um Aramidfasern, welche mit TPU ummantelt wurden. In der 6A ist der Einfluss des Füllstoffgehalts der Faser auf die Zugfestigkeit der Probe gezeigt. Die Zugfestigkeit wurde dabei in einem Winkel von 0° zu den in die Probe eingebetteten Aramidfasern gemessen. Eine unverstärkte Probe (Füllstoffgehalt 0%) weist eine Zugfestigkeit von 20 N/mm² auf. Bereits bei einem Füllstoffgehalt der Aramidfaser von 3.8% steigt die Zugfestigkeit auf knapp 40 N/mm², also annähernd das Doppelte.
Das Diagramm der 6B zeigt den Einfluss des Füllstoffgehalts der Faser auf die Spannung, welche nötig ist, um 1% Dehnung der Probe zu erzeugen. Die Spannung wurde dabei in einem Winkel von 0° zu den in die Probe eingebetteten Aramidfasern an die Probe angelegt. Ohne Aramidfasern (Füllstoffgehalt 0%) ist eine Spannung von lediglich etwa 1 N/mm² nötig, um die Probe um 1% zu dehnen. Bereits bei 3,8% Füllstoffgehalt an Aramidfasern steigt die notwendige Spannung auf gut 15 N/mm² an. Eine weitere Verbesserung auf über 20 N/mm² wird bei einem Füllstoffgehalt von 5.3% erzielt.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Gussform 11 kann zumindest einen Sensor aufweisen, welcher zumindest einen Prozessparameter während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst. Bei dem Prozessparameter kann es sich um die Temperatur, die Rotationsgeschwindigkeit der Gussform, eine auf die Gussform und/oder auf die in die Gussform eingefüllten Materialien einwirkende Beschleunigung, die Dicke zumindest einer Materialschicht, oder die Verteilung des ersten und/ oder zweiten Materials handeln. Die von dem Sensor erfassten Daten können während der Durchführung des Verfahrens ausgewertet werden, um zumindest einen Prozessparameter anzupassen. Hierzu kann der Sensor die erfassten Daten in Echtzeit, z.B. drahtlos (über Bluetooth, Wlan, etc.) an einen Computer senden, welcher die Daten auswertet und ggf. eine entsprechende Anpassung eines Prozessparameters veranlasst. Bei dem Sensor kann es sich z.B. um einen Temperaturfühler, einen Drehzahlmesser, einen Beschleunigungssensor, einen optischen Sensor oder einen akustischen Sensor handeln.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Gussform 11 kann auf der Innenseite eine gemusterte Oberfläche mit Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen. Auf diese Weise kann die äußere Oberfläche des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Verbundgegenstands mit einer Struktur versehen werden. Beispielsweise könnte die Oberfläche der Gussform 11 so ausgestaltet sein, beispielsweise mittels Erhebungen in Form von Stegen, dass die äußere Oberfläche des Verbundgegenstands Rillen aufweist. Derartige Rillen finden beispielsweise bei Fußbällen Verwendung, um die aerodynamischen Eigenschaften zu verbessern. Ein anderes Beispiel sind die bei Golfbällen anzutreffenden Dellen („Dimples“), welche ebenfalls mittels einer Gussform 11 mit gemusterter Oberfläche hergestellt werden können.
Mögliche dreidimensionale Verbundgegenstände, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden können sind beispielsweise Sportbälle oder Blasen bzw. Blasen-Karkassen-Kombinationen (Verbundblasen) für Sportbälle. Beispielsweise kann bei einer Verbundblase auf eine zusätzliche Karkasse verzichtet werden, wenn mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Verstärkungsfasern 15 direkt in dem polymere Trägermaterial 14 homogen verteilt werden. Die Verbundblase weist dann ohne eine zusätzliche Karkasse die nötige Stabilität und Reißfestigkeit auf. Auf diese Weise entfallen eine ganze Reihe von Herstellungsschritten für die separate Karkasse. Zusätzlich wird der Materialverbrauch minimiert und auf Kleber zur Fixierung der Karkasse auf der Blase kann verzichtet werden. Der so erhaltene Ball mit der Verbundblase ist weitgehend isotrop.
Weitere dreidimensionale Verbundgegenstände, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können, sind Schienbeinschoner. Diese können durch eine zylindrische Form erhalten werden. In einem optionalen Nachbearbeitungsschritt kann der erhaltene Verbundgegenstand in zwei Hälften geschnitten werden, um zwei Schienbeinschoner zu erhalten.
Schließlich können auch Schuhe oder Teile von Schuhen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Ein Vorteil der Herstellung von Schuhen mittels des beschriebenen Verfahrens ist, dass die Herstellung völlig ohne Leisten möglich ist. Eine leistenfreie Schuhproduktion gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist flexibler sowie zeit- und kostensparend.
Bezugszeichenliste

11: Gussform
12: vertikale Drehachse
13: horizontale Drehachse
14: erstes Material
15: zweites Material
21a, 21b, 21c: dreidimensionaler Verbundkörper
22a, 22b, 22c: Wand eines dreidimensionalen Verbundkörpers
23a, 23b, 23c: Schaum
24a, 25b, 24c: Einlage oder Dekorelement
25a, 25b, 25c: dünne Lage
31: erste Schicht
32: zweite Schicht
33: dritte Schicht
34: Vertiefung
41: Infrarotstrahler
42: Druckluftkühlung
43: Temperaturverlauf
44: Drehzahlverlauf
45: Haltezeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4093219 [0003]
US 8210973 [0004]
US 2009/0266823 [0005]
US 5433438 [0006]
DE 2723625 [0007]
US 4258917 [0008]
EP 0365488 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Verbundgegenstands (21a, 21b, 21c), insbesondere eines Sportartikels, aufweisend die Schritte: a. Bereitstellen einer drehbaren Gussform (11); b. Einfüllen eines ersten Materials (14) in die Gussform (11); c. Einfüllen eines zweiten Materials (15) in die Gussform (11), wobei es sich bei zumindest einem der Materialien (14, 15) um ein Polymermaterial handelt; d. Bewegen der Gussform (11); und e. Anpassen zumindest eines Verfahrensparameters während der Durchführung einer oder mehrerer der vorhergehenden Schritte, so dass eine homogene Verteilung des zweiten Materials (15) in dem hergestellten Verbundgegenstand (21a, 21b, 21c) erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Heizen mindestens eines der eingefüllten Materialen (14, 15) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ein Abkühlen mindestens eines der eingefüllten Materialien (14, 15) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Drehgeschwindigkeit der Gussform, die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird, die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung, die Aufheizzeit mindestens eines der Materialien, die Abkühlzeit mindestens eines der Materialien, die Viskosität mindestens eines der Materialien, die Winkel der Rotationsachsen der Gussform, das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationsachsen der Gussform, die Haltezeiten des ersten und/oder zweiten Materials in der Gussform, die Befüllzeitpunkte des ersten und/oder zweiten Materials, oder Kombinationen davon umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Drehgeschwindigkeit der Gussform umfasst und die Drehgeschwindigkeit entsprechend mindestens einem der Materialien ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Geschwindigkeit mit welcher die Gussform bewegt wird umfasst und diese Geschwindigkeit entsprechend mindestens einem der Materialien ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Auslenkung der Gussform im Falle einer Schwenkbewegung umfasst und diese Auslenkung entsprechend mindestens einem der Materialien ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Aufheizzeit mindestens eines der Materialien umfasst und die Aufheizzeit geringer ist als üblicherweise beim Rotationsgießen verwendete Aufheizzeiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Zeit bis zur Erstarrung mindestens eines der Materialien umfasst und die Zeit bis zur Erstarrung geringer ist als üblicherweise beim Rotationsgießen verwendete Zeiten bis zur Erstarrung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Winkel der Rotationsachsen der Gussform umfasst, die Gussform zwei Drehachsen aufweist und diese im Wesentlichen rechtwinklig zueinander stehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter den Befüllzeitpunkt des zweiten Materials umfasst und der Befüllzeitpunkt des zweiten Materials vor dem Erweichen des ersten Materials liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material Fasern aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Verfahrensparameter die Länge der Fasern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei es sich bei den Fasern um Aramidfasern, Polymerfasern und/oder Naturfasern handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Fasern mit dem ersten Material beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste und/oder zweite Material ein reaktives Material ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/ oder zweite Material ein thermoplastisches Material, insbesondere ein Polyurethan, TPU, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Material ein duroplastisches Material ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material in flüssiger und/oder granularer Form bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drehbare Gussform um zumindest zwei Achsen drehbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drehbare Gussform um drei Achsen drehbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte b. bis d. zumindest zweimal durgeführt werden, ohne die Materialien zwischenzeitlich aus der Gussform zu entnehmen, um einen mehrschichtigen Verbundgegenstand zu erhalten.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand (21a, 21b, 21c), insbesondere ein Sportartikel, welcher nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei es sich um einen Hohlkörper handelt.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei es sich um eine Blase für einen Ball handelt.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand nach Anspruch 25, wobei es sich um einen Fußball handelt.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei es sich um einen Schienbeinschoner handelt.
Dreidimensionaler Verbundgegenstand nach Anspruch 23, wobei es sich um einen Schuh handelt.
Drehbare Gussform (11), welche zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 geeignet ist.