WO2010031586A1 - Verfahren zum verformen von gegenständen sowie verformbare gegenstände - Google Patents

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WO2010031586A1
WO2010031586A1 PCT/EP2009/006836 EP2009006836W WO2010031586A1 WO 2010031586 A1 WO2010031586 A1 WO 2010031586A1 EP 2009006836 W EP2009006836 W EP 2009006836W WO 2010031586 A1 WO2010031586 A1 WO 2010031586A1
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plastic layer
deformation
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electrically conductive
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Florian Rothfuss
Simona Margutti
Dominik Nemec
Harun Erismis
Daniel Georg Weis
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B29L2031/3044—Bumpers

Definitions

  • the invention relates to a method for deforming objects as well as deformable objects, which have at least one layer of plastic, which comprises at least one electrically conductive filler nanotubes.
  • plastics or plastic materials Due to the physical and chemical properties and the good manufacturability find plastics or plastic materials in many different applications.
  • the objects made of plastic are melted and then brought into their shape by various methods.
  • an extrusion or an injection method as well as a thermoforming or the like may be provided.
  • These methods have the disadvantage that relatively high production costs are required, for example for toolmaking, in order to mold the plastic materials or to convert intermediates into their predetermined form.
  • the completion of certain geometries is very difficult, especially with complex geometries, such as pipes. As soon as they have been shaped, they can hardly be changed afterwards. This becomes all the more critical as soon as fiber-reinforced, in particular glass fiber reinforced, plastic materials are used.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for deforming objects and deformable objects, so that a simple and rapid shaping or shape change is made possible even after the manufacture of the objects.
  • a method for deforming objects with at least one layer of plastic which comprises at least one electrically conductive filler, characterized in that a first and a second electrode are positioned on the article by contacting or non-contact, so that a deformation region is formed between the first and second electrode, that electrical or magnetic energy is introduced by the electrodes in the deformation region and thereby heats the deformation region and after the introduction of a deformation temperature, a deformation is initiated.
  • plastic materials comprising at least one electrically conductive filler material can be heated by applying a voltage and allowed to heat to a deformation temperature of the plastic layer from which the article is made.
  • the deformation such as bending, contouring, profiling or the like
  • the object remains in its new shape.
  • the object is adaptable to the intended use.
  • the electrical conductivity or the heating of the at least one filling material produced as a result of the electrical resistance is utilized, whereby its preferred uniform distribution within the plastic layer enables a uniform heating of the deformation region between the applied electrodes.
  • the deformation region is heated by the electrodes and after reaching the deformation temperature, an independent deformation due to the material properties of the at least one plastic layer is initiated.
  • the at least one plastic layer has a shape-memory effect, that is to say that, starting at a specific deformation temperature, the region deformed relative to the original shaping state automatically returns to the original shaping state or returns by means of at least slight force assistance.
  • the targeted heating of the deformed area can be an independent healing or a targeted return to the original state. This can be advantageous, for example, when using the articles as bumpers in the motor vehicle sector, so that minor denting or dents can be returned to the original state by heating the deformed region. As a result, a complete replacement of a bumper is no longer required. Other applications are also conceivable.
  • the deformation region is deformed by at least one externally applied mechanical stress.
  • the article is brought as a base material or starting material immediately before its intended use in the desired geometry or shape.
  • the article may be drawn as a tube in rod form as standard be educated.
  • the supply of electrical energy after reaching the deformation temperature preferably at the latest after the action of a mechanical load from the outside or an independent re-deformation is terminated.
  • the energy input is terminated after reaching the deformation temperature, since the deformation time is very short in relation to the cooling time until the plastic layer returns to a quasi-solid state, which only high-deformation Residual stresses.
  • cuff-shaped or bandage-shaped electrodes are placed under at least a small pressing force on a tubular article.
  • a simple introduction of the electrical energy is made possible via a surface contact of the plastic layer with the at least one electrically conductive filler material embedded therein and adjacent to the surface.
  • Such bandages are also flexible in use to different diameters and / or geometries customizable.
  • the electrodes are applied with a punctiform contact surface on the surface to form an intermediate deformation region by an at least low pressing force. Due to the configuration of the punctiform electrodes, a line or strip-shaped heating can be deliberately introduced into the material to be mechanically deformed. Thus, for example, indentations, beads, elevations, cams or the like can be formed in an object.
  • the electrodes are applied with a strip-shaped contact surface on the surface adjacent to the deformation region by an at least low pressing force and the deformation region is at least partially limited by the strip-shaped electrodes.
  • This configuration enables a surface boundary of the deformation region to be adjusted as needed for heating.
  • the geometry of the deformation range can be arbitrarily selected and adjusted.
  • electrodes may be provided with U- or V-shaped support areas.
  • electrodes with spiral support areas or the like can be used.
  • a further preferred embodiment of the method provides that an electrically conductive agent is applied to the surface of the plastic layer of the article, the electrode or both before contacting.
  • an electrically conductive agent is applied to the surface of the plastic layer of the article, the electrode or both before contacting.
  • good contact can be achieved with a low pressing force.
  • a full-surface contact can also be made possible in those areas in which the electrode, in particular in the case of a ring electrode, does not lie completely against the surface of the plastic layer.
  • liquids or gels are used as the electrically conductive agent.
  • conductive silver, mercury or the like are used.
  • an intermediate is introduced layer.
  • Such intermediate layers can consist, for example, of elastically yielding and flexible materials which comprise electrically conductive constituents or are, for example, metallically coated.
  • a metallically coated strip material can be used.
  • the object underlying the invention is achieved by an article having at least one layer of plastic, with at least one electrically conductive filler, in which the distribution of the at least one electrically conductive filler in the plastic layer is provided such that a line or inciför - Miger deformation region is electrically contactable by applying electrodes to deform after heating.
  • This article allows by the at least one electrically conductive filling material an optional arrangement of the electrodes on the object.
  • the size and the position of the deformation region can be determined and heated in an application-specific manner.
  • the article with at least one plastic layer, in which at least one electrically conductive plastic material is provided moreover also makes it possible for the article to be heated by applying the electrodes, without any deformation taking place.
  • such an article may find application as a heating or heating element.
  • nanotubes in particular carbon nanotubes
  • these nanotubes or carbon nanotubes are characterized in particular by their properties with regard to the conductivity and the heating.
  • the introduction of nanotubes as filling material makes it possible to maintain good deformability of the plastic layer in which the nanotubes are incorporated.
  • the nanotubes can be adapted and adapted to the respective application.
  • the electrically conductive filling material nanotubes, in particular carbon nanotubes, gold-borite-silicon-substituted carbon nanotubes, nanotubes of metal-calcium, metal chlorides or metal sulfides may be provided.
  • the carbon nanotubes can be used as single-walled, double- walled or multi-walled carbon nanotubes include. In addition, these can also be functionalized.
  • Leitruß, graphite, expanded graphite, metal powder, metal particles or other conductive particles are provided as the electrically conductive filler. Even such conductive materials make it possible, when electrodes are applied, to create a deformation region on the plastic layer which can be heated in particular to a deformation temperature. Furthermore, it can be provided that a mixture of electrically conductive filling materials is introduced into the plastic layer and distributed on its surface, so that, for example, nanotubes, in particular carbon nanotubes, and conductive carbon black, graphite, metal powder, metal particles or further conductive particles are combined with one another ,
  • non-electrically conductive auxiliary materials for increasing the mechanical and / or thermal and / or electrical properties are provided as a further filling material.
  • the plastic layer can be adapted to the respective applications depending on different filling materials and at the same time the function of deformability is maintained.
  • Silica also silylated, quartz flour, silicates or mixed silicates of sodium, potassium, calcium, magnesium, aluminum, iron and zirconium (also bentonite), oxides or mixed oxides of calcium, magnesium, aluminum, silicon and zinc, can be used as auxiliary materials.
  • the zinc content in the finished products may not exceed 1.0%, hydroxides or mixed hydroxides of calcium, magnesium and aluminum, carbonates or mixed carbonates of calcium, magnesium and aluminum sulphates or mixed sulphates of calcium and barium, calcium sulphoaluminate, aluminum powder and Aluminum bronze, graphite, glass fibers with a diameter greater than 1 ⁇ m (average diameter: 5 - 30 ⁇ m), glass microspheres with a mean diameter of 5 - 100 ⁇ m, cellulose, cotton fabric, not equipped, carbon fibers, wood flour from untreated wood , Polytetrafluoro- ethylene, provided its melt viscosity at 380 ° C more than 50 PA • s, dialuminium hexamagnesium carbonate hexadecahydroxide tetrahydrate, magnesium sodium fluoride silicate are used.
  • the plastic layer is made of a self-healing material, in particular a shape memory polymer, for.
  • a self-healing material in particular a shape memory polymer, for.
  • Nitinol Ni-Ti alloy
  • Other alloys are z.
  • These self-healing materials have the advantage that, when heated, the forcibly and unwanted introduced deformation or indentation returns to its original state of shape almost independently or with at least little external support.
  • bumpers or housings and covers can be quickly and easily returned to the initial state with small damage and a proper appearance can be produced.
  • the plastic layer of PEEK, PPS, PEI and glass or glass fiber reinforced as well as carbon-reinforced plastics are particularly suitable for deformation and their cooling, without residual stresses remain.
  • the deformation region is formed with a thermochromic color. This signals to the user at what time the deformation temperature has been reached so that mechanical stresses are introduced to deform the article. In addition, the user is signaled that the item has a heated area, so that it is protected from the risk of burns.
  • this is designed as a pipe with a plastic layer and at least one electrically conductive filler material and in particular has an inner coating.
  • a subsequent deformation from a raw state or original state for example as a rod product, particularly critical, since in the bending region or kink region on an outside an elongation and on an inside a compression of the material. Due to the inventive design of the article and the ability to heat the article in the deformation region these problem areas are not critical with respect to their stress.
  • these tubes can have internal coatings, for example, to improve the chemical neutrality or to meet the hygienic requirements.
  • PET bottles are provided in the beverage industry with glassy inner coatings that do not flake off even in deformations and cause a higher gas tightness of the PET bottle and thus also cause a longer shelf life of the bottle contents.
  • By attaching the electrodes on the outer circumference can still be done the desired deformation and adaptation to the installation situation.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an article according to the invention before deformation
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the article according to Figure 1 after deformation
  • Figure 3 is a perspective view of an application example of the subject invention and 4 shows a schematic sectional view along the line III-III in Figure 3.
  • an inventive article 11 is shown for example as a tube.
  • the article 11 may also be in the form of a pate-shaped, sheet-shaped or contoured layer, housing section, cover or the like.
  • the article 11 comprises a layer 12 made of plastic, which is filled, for example, at least with nanotubes as filling material.
  • the article 11 according to FIG. 1 is designed, for example, as a drinking water pipe and therefore has a pH-neutral internal coating 14.
  • This coating also preferably serves to act in an electrically insulating manner to the plastic layer 12 with a nanotube matrix.
  • air supply or the like can be used. If such pipes are intended for other applications, other coatings may be provided or the coating may be omitted.
  • first and second electrodes 16, 17 may be applied.
  • these electrodes 16, 17 are formed as ring electrodes, which are designed cuff or bandage-shaped. These are positioned under an at least low pressing force for contacting with the outer surface of the plastic layer 12 on the article 11.
  • an electrically conductive agent can be introduced between the plastic layer 12 and the electrodes 16, 17.
  • the ring ele- electrodes 16, 17 may also be provided electrodes with point-shaped contact surfaces, strip or linear contact surfaces.
  • contact surfaces are introduced at predefined intervals on the outer circumference of the plastic layer 12, to which the electrodes 16, 17 can be placed and contacted, the deformation region 18 always being provided therebetween. Between the two electrodes 16, 17, a deformation region 18 is formed or provided, which is to be deformed.
  • an electrical energy is introduced into the deformation region 18 via the electrodes 16, 17. Due to the electrical conductivity of the at least one filling material on the plastic layer 12, the deformation region 18 is heated. After it has been heated to a deformation temperature, the introduction of a mechanical load from outside can be carried out to carry out the deformation.
  • the tube can be curved by an angle of 90 °, as shown for example in Figure 2.
  • the supply of electrical energy can be stopped before the beginning of the deformation process.
  • the electrical energy can also be supplied until the completion of the deformation process or, if necessary, switched off prematurely before the end of the deformation.
  • the deformed article 11 is held in its deformed position or new geometric shape until the plastic layer 12 has cooled down sufficiently for the deformed article 12 to retain its new shape.
  • heating of the deformation region takes place once again in order to allow relaxation of the deformation region.
  • FIG. 3 shows a further example of application of the article 11 according to the invention.
  • the article 11 is designed, for example, as a bumper.
  • the plastic layer 12 is made of a shape memory polymer. Such materials have a self-healing property as soon as they are heated to a deformation temperature.
  • the bumper illustrated in FIG. 3 comprises, for example, a dent 25, which is illustrated in FIG.
  • strip-shaped electrodes 16, 17 are positioned around the indentation.
  • the electrodes may each have semicircular contact surfaces, so that the indentation 25 is located therebetween.
  • the deformation region 18, which is at least the same size, preferably larger than the indentation 25, is heated. Once the deformation temperature is reached, there is an independent reset of the indentation 25 due to the property of the material.
  • this provision can be supported, for example, by the one side by a pressure movement or by the other side by a suction or pulling movement, the indentation 25 is converted into a planar shape, so that it occupies a smooth contour with respect to the adjacent areas.
  • helical electrodes are used, which extend over the indentation 25 or at least partially rest against the indentation 25.
  • electrodes may be provided such that they are inductive heat or eddy currents form and thereby in the plastic surface in turn eddy currents can be induced; As a result, contactless heating can be achieved.
  • the electrodes are also formed and positioned on the deformation region such that annular or disk-shaped deformation regions can be formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen von Gegenständen (11), welche zumindest eine Kunststoffschicht (12) mit zumindest einem elektrisch leitenden Füllmaterial aufweisen, wobei eine erste und eine zweite Elektrode (16, 17) an dem Gegenstand (11) durch Kontaktierung oder berührungslos positioniert wird, so dass ein Verformungsbereich (18) zwischen den beiden Elektroden (16, 17) gebildet wird, durch die Elektroden (16, 17) in den Verformungsbereich (18) elektrische Energie eingebracht und dadurch der Verformungsbereich (18) erwärmt wird und nach dem Erreichen einer Verformungstemperatur ein Verformen des Verformungsbereiches (18) eingeleitet wird.

Description

Verfahren zum Verformen von Gegenständen sowie verformbare Gegenstände
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen von Gegenständen sowie verformbare Gegenstände, welche zumindest eine Schicht aus Kunststoff aufweisen, die zumindest ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial Nanotubes umfasst.
Aufgrund der physikalischen und chemischen Eigenschaften und der guten Herstellbarkeit finden Kunststoffe beziehungsweise Plastikmaterialien in vielen verschieden Bereichen Anwendung. Die Gegenstände aus Plastik werden geschmolzen und anschließend durch verschiedene Verfahren in ihre Form gebracht. Beispielsweise kann ein Extrusions- oder ein Injektionsverfahren sowie ein Thermoverformen oder dergleichen vorgesehen sein. Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, dass relativ hohe Herstellkosten erforderlich sind, beispielsweise für den Werkzeugbau, um die Kunststoffmassen zu formen oder Zwischenprodukte in ihre vorbestimmte Form überzuführen. Die Fertigstellung von bestimmten Geometrien ist insbesondere bei komplexen Geometrien, wie beispielsweise Rohren, sehr schwierig. Sobald diese einmal in ihre Form gebracht wurden, können diese nachträglich kaum mehr verändert werden. Dies wird umso kritischer, sobald faserverstärkte, insbesondere glasfaserverstärkte, Kunststoffmaterialien eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verformen von Gegenständen sowie verformbare Gegenstände zu schaffen, so dass eine einfache und schnelle Formgebung oder Formveränderung auch nach der Herstellung der Gegenstände ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verformen von Gegenständen mit zumindest einer Schicht aus Kunststoff, die zumindest ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial umfasst, dadurch gelöst, dass eine erste und eine zweite Elektrode an dem Gegenstand durch Kontaktierung oder berührungslos positioniert werden, so dass ein Verformungsbereich zwischen der ersten und zweiten Elektrode gebildet wird, dass durch die Elektroden in den Verformungsbereich elektrische oder magnetische Energie eingebracht und dadurch der Verformungsbereich erwärmt sowie nach dem Einreichen einer Verformungstemperatur eine Verformung eingeleitet wird.
Es hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass Kunststoffmaterialien, welche zumindest ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial aufweisen, durch Anlegen einer Spannung sich erwärmen und sich bis zu einer Verformungstemperatur der Kunststoffschicht, aus welcher der Gegenstand hergestellt ist, erwärmen lassen. Dadurch wird ermöglicht, dass die zumindest eine Kunststoffschicht des Gegenstandes, insbesondere die e- lektrisch leitfähiges Füllmaterial enthaltende Kunststoffschicht, verformbar wird, so dass der Gegenstand eigenspannungsfrei oder ohne Aufbau von großen Eigenspannungen verformbarwird. Sobald die Verformung, wie beispielsweise Biegung, Konturierung, Profilierung oder dergleichen, durchgeführt wurde und der Verformungsbereich erkaltet, verbleibt der Gegenstand in seiner neuen Gestalt. Somit ist der Gegenstand auf den bestimmungsgemäßen Gebrauch anpassbar. Zum Erwärmen des Verformungsbereichs wird die elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise die aufgrund des elektrischen Widerstands erzeugte Erwärmung des zumindest einen Füllmaterials genutzt, wobei durch deren bevorzugten gleichmäßigen Verteilung innerhalb der Kunststoffschicht eine gleichmäßige Erwärmung des Verformungsbereiches zwischen den angelegten Elektroden ermöglicht wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungsbereich durch die Elektroden erwärmt wird und nach dem Erreichen der Verformungstemperatur eine eigenständige Verformung aufgrund der Materialeigenschaften der zumindest einen Kunststoffschicht eingeleitet wird. Die zumindest eine Kunststoffschicht weist einen Shape-Memory-Effekt auf, das heißt, dass ab einer bestimmten Verformungstemperatur der gegenüber dem ursprünglichen Formgebungszustand verformte Bereich selbständig in den ursprünglichen Formgebungszustand zurückgeht oder durch zumindest geringe Kraftunterstützung zurückkehrt. Durch die gezielte Erwärmung des verformten Bereiches kann eine selbständige Heilung oder eine gezielte Rückführung in den ursprünglichen Zustand erfolgen. Dies kann beispielsweise beim Einsatz der Gegenstände als Stoßfänger im Kfz-Bereich von Vorteil sein, so dass kleinere Einbeulungen oder Eindellungen durch Erwärmung des verformten Bereiches wieder in den Ursprungszustand zurückgeführt werden können. Dadurch wird ein kompletter Austausch eines Stoßfängers nicht mehr erforderlich. Weitere Anwendungsbereiche sind ebenso denkbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungsbereich durch zumindest eine von außen aufgebrachte mechanische Belastung verformt wird. Dabei ist zumindest vorgesehen, dass der Gegenstand als ein Basismaterial oder Ausgangsmaterial unmittelbar vor dessen bestimmungsgemäßen Einsatzes in die gewünschte Geometrie oder Form gebracht wird. Beispielsweise kann der Gegenstand als gezogenes Rohr in Stangenform als Standardware ausgebildet sein. Beim Einbau des Rohres am Montageort ist es jedoch zumeist erforderlich, dass ein oder mehrere unterschiedliche Krümmungen eingebracht werden müssen, um den Einbau zu ermöglichen. Durch die aktive und mechanische Belastung auf des Verformungsbereiches spätestens nach dem Erreichen der Verformungstemperatur kann eine solche Anpassung in einfacher Weise schnell erfolgen. Dabei entstehen keine Spannungen im Material, da dieses vor dem Verformen erwärmt wird. Ebenso kann ein bereits einmal verformter Gegenstand erneut verformt werden. Die Verformung ist somit reversibel als auch wiederholbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zuführung der elektrischen Energie nach dem Erreichen der Verformungstemperatur, vorzugsweise spätestens nach der Einwirkung einer mechanischen Belastung von außen oder einer selbständigen Rückverformung, beendet wird. Bei beispielsweise geringen Verformungen oder dünnen Kunststoffschichten kann es genügen, dass die Energieeinbringung nach dem Erreichen der Verformungstemperatur bereits beendet wird, da die Verformungsdauer sehr kurz ist im Verhältnis zur Abkühlungsdauer, bis die Kunststoffschicht in einen quasi erstarrten Zustand zurückkehrt, der nur noch Verformungen mit hohen Eigenspannungen zulässt. Des Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass während der Verformung weiterhin Energie zugeführt wird, um eine konstante Verformungstemperatur beizubehalten, so dass eine gleichmäßige und eigenspannungsfreie Konturänderung der Kunststoff schicht ermöglicht wird.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass an einem rohrförmigen Gegenstand manschetten- oder bandageförmige Elektroden unter zumindest geringer Presskraft aufgelegt werden. Dadurch wird eine einfache Einbringung der elektrischen Energie über eine Oberflächenkontak- tierung der Kunststoffschicht mit dem darin eingelagerten und an die Oberfläche angrenzenden zumindest einen elektrisch leitenden Füllmaterial ermöglicht. Solche Bandagen sind darüber hinaus flexibel im Einsatz auf unterschiedliche Durchmesser und/oder Geometrien anpassbar. Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Elektroden mit einer punktförmigen Kontaktfläche auf der Oberfläche zur Bildung eines dazwischen liegenden Verformungsbereiches durch eine zumindest geringe Presskraft aufgebracht werden. Durch die Ausgestaltung der punktförmigen Elektroden kann eine linien- oder streifenförmige Erwärmung gezielt in das mechanisch zu verformende Material eingebracht werden. Somit können beispielsweise in einem Gegenstand Vertiefungen, Sicken, Erhöhungen, Nocken oder dergleichen ausgebildet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektroden mit einer streifenförmigen Kontaktfläche auf die Oberfläche an den Verformungsbereich angrenzend durch eine zumindest geringe Presskraft aufgebracht werden und der Verformungsbereich durch die streifenförmigen Elektroden zumindest teilweise eingegrenzt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass eine Flächenbegrenzung des Verformungsbereiches zum Erwärmen bedarfsmäßig eingestellt werden kann. Dadurch kann die Geometrie des Verformungsbereiches beliebig gewählt und angepasst werden. Beispielsweise können Elektroden mit U- oder V-förmigen Auflagebereichen vorgesehen sein. Ebenso können Elektroden mit spiralförmigen Auflagebereichen oder dergleichen eingesetzt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass auf die Oberfläche der Kunststoffschicht des Gegenstandes, die Elektrode oder auf beide vor dem Kontaktieren ein elektrisch leitfähiges Mittel aufgebracht wird. Dadurch kann bei geringer Presskraft eine gute Kon- taktierung erfolgen. Darüber kann eine vollflächige Kontaktierung auch in den Bereichen ermöglicht werden, in denen die Elektrode, insbesondere bei einer Ringelektrode, nicht vollständig an der Oberfläche der Kunststoffschicht anliegt.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass als elektrisch leitfähiges Mittel Flüssigkeiten oder Gele eingesetzt werden. Dabei werden insbesondere Leitsilber, Quecksilber oder dergleichen eingesetzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass als elektrisch leitfähiges Mittel eine Zwi- schenschicht eingebracht wird. Solche Zwischenschichten können beispielsweise aus elastisch nachgiebigen und biegsamen Materialien bestehen, welche elektrisch leitende Bestandteile umfassen oder beispielsweise metallisch beschichtet sind. Beispielsweise kann ein metallisch beschichtetes Bandmaterial eingesetzt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gegenstand mit zumindest einer Schicht aus Kunststoff, mit zumindest einem elektrisch leitenden Füllmaterial, gelöst, bei dem die Verteilung des zumindest einen elektrisch leitenden Füllmaterials in der Kunststoffschicht derart vorgesehen ist, dass ein linien- oder flächenför- miger Verformungsbereich durch Anlegen von Elektroden elektrisch kon- taktierbar ist, um nach dem Erwärmen zu verformen. Dieser Gegenstand ermöglicht durch das zumindest eine elektrisch leitfähige Füllmaterial eine wahlweise Anordnung der Elektroden an dem Gegenstand. Somit kann die Größe und die Lage des Verformungsbereiches anwendungsspezifisch bestimmbar und erwärmbar sein. Der Gegenstand mit zumindest einer Kunststoffschicht, in der zumindest ein elektrisch leitendes Kunststoffmaterial vorgesehen ist, ermöglicht darüber hinaus auch, dass durch Anlegen der Elektroden eine Erwärmung des Gegenstandes erfolgen kann, ohne dass eine Verformung stattfindet. Somit kann ein solcher Gegenstand als Heiz- oder Erwärmungselement Anwendung finden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstands sieht vor, dass als e- lektrisch leitendes Füllmaterial Nanotubes, insbesondere Carbon- Nanotubes, eingebracht werden. Diese Nanotubes beziehungsweise Car- bon-Nanotubes zeichnen sich besonders durch deren Eigenschaften bezüglich der Leitfähigkeit und der Erwärmung aus. Gleichzeitig ermöglicht das Einbringen von Nanotubes als Füllmaterial, dass eine gute Verformbarkeit der Kunststoffschicht, in der die Nanotubes eingebracht sind, erhalten bleibt. Die Nanotubes können dabei auf die jeweiligen Anwendungsfälle abgestimmt und angepasst werden. Somit kann das elektrisch leitfähige Füllmaterial Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, Gold-Borit-Silicium-substituierte Carbon-Nanotubes, Nanotubes aus Me- tallkalkogeniden, Metallchloriden oder Metallsulfiden vorgesehen sein. Des Weiteren können die Carbon-Nanotubes als single-walled-, double- walled- oder multi-walled Carbon-Nanotubes umfassen. Darüber hinaus können diese auch funktionalisiert sein.
Des Weiteren ist gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Gegenstandes vorgesehen, dass als elektrisch leitendes Füllmaterial Leitruß, Graphit, expandiertes Graphit, Metallpulver, Metallpartikel oder weitere leitfähige Partikel vorgesehen sind. Auch solche leitfähigen Materialien ermöglichen, dass bei Anlegen von Elektroden ein Verformungsbereich an der Kunststoffschicht geschaffen wird, der insbesondere auf eine Verformungstemperatur erwärmbar ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Mischung von elektrisch leitfähigen Füllmaterialien in die Kunststoffschicht eingebracht und an deren Oberfläche verteilt wird, so dass beispielsweise Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, als auch Leitruß, Graphit, Metallpulver, Metallpartikel oder weitere leitfähige Partikel miteinander kombiniert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Gegenstandes ist vorgesehen, dass als weiteres Füllmaterial nicht elektrisch leitfähige Hilfsmaterialien zur Erhöhung der mechanischen und/oder thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften vorgesehen sind. Dadurch kann die Kunststoffschicht in Abhängigkeit von verschiedenen Füllmaterialien an die jeweiligen Einsatzfälle angepasst werden und gleichzeitig die Funktion der Verformbarkeit aufrechterhalten bleiben. Als Hilfsmaterialien können beispielsweise Kieselsäure, auch silyliert, Quarzmehl, Silikate bzw. gemischte Silikate des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesiums, Aluminiums, Eisens und Zirkons (auch Bentonit), Oxide bzw. Mischoxide des Calciums, Magnesiums, Aluminiums, Siliciums und Zinks, wobei der Zinkgehalt in den Fertigerzeugnissen 1,0 % nicht überschreiten darf, Hydroxide bzw. Mischhydroxyde des Calciums, Magnesiums und Aluminiums, Carbonate bzw. gemischte Carbonate des Calciums, Magnesiums und Aluminiums Sulfate bzw. gemischte Sulfate des Calciums und Bariums, Calciumsulfoaluminat, Aluminiumpulver und Aluminiumbronze, Graphit, Glasfasern mit einem Durchmesser größer als 1 μm (mittlerer Durchmesser: 5 - 30 μm), Mikroglaskugeln mit einem mittleren Durch- meser von 5 - 100 μm, Cellulose, Baumwollgewebe, nicht ausgerüstet, Kohlenstoff-Fasern, Holzmehl aus naturbelassenem Holz, Polytetrafluor- ethylen, sofern dessen Schmelzviskosität bei 380° C mehr als 50 PA • s beträgt, Dialuminium-hexamagnesium-carbonat-hexadecahydroxid- tetrahydrat, Magnesium-Natrium-Fluorid-Silikat eingesetzt werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kunststoffschicht aus einem selbstheilenden Material, insbesondere einem Shape-Memory- Polymer, hergestellt ist, z. B. aus Nitinol (Ni-Ti-Legierung). Weitere Legierungen sind z. B. Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Fe-Mn-Si. Diese selbstheilenden Materialien weisen den Vorteil auf, dass bei einer Erwärmung die zwangsweise und ungewollte eingebrachte Verformung oder Eindellung nahezu selbständig oder mit zumindest geringer Unterstützung von außen in den ursprünglichen Formgebungszustand zurückkehrt. Dadurch können insbesondere Stoßfänger oder Gehäuse sowie Abdeckungen bei kleinen Beschädigungen wieder in den Ausgangszustand schnell und einfach zurückgeführt sowie ein ordnungsgemäßes Erscheinungsbild hergestellt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Gegenstandes ist vorgesehen, dass die Kunststoffschicht aus PEEK, PPS, PEI sowie glas- oder glasfaserverstärkten als auch kohlenstoffverstärkten Kunststoffen besteht. Diese Materialien eignen sich besonders für die Verformung und deren Erkaltung, ohne dass Eigenspannungen verbleiben.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Gegenstandes ist vorgesehen, dass der Verformungsbereich mit einer thermochromen Farbe ausgebildet ist. Dadurch wird für den Benutzer signalisiert, zu welchem Zeitpunkt die Verformungstemperatur erreicht ist, damit mechanische Belastungen eingeleitet werden, um den Gegenstand zu verformen. Darüber hinaus wird dem Benutzer signalisiert, dass der Gegenstand einen erwärmten Bereich aufweist, so dass dieser vor der Gefahr von Verbrennungen geschützt wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Gegenstandes ist vorgesehen, dass dieser als Rohr mit einer Kunststoffschicht ausgebildet ist und zumindest ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial umfasst sowie insbesondere eine Innenbeschichtung aufweist. Besonders bei Rohren oder rohrförmigen Gegenständen ist eine nachträgliche Verformung aus einem Rohzustand oder Urzustand, beispielsweise als Stangenware, besonders kritisch, da im Biegungsbereich beziehungsweise Knickbereich an einer Außenseite eine Dehnung und auf einer Innenseite eine Stauchung des Materials erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gegenstandes und der Möglichkeit zur Erwärmung des Gegenstandes im Verformungsbereich sind diese Problemzonen bezüglich deren Beanspruchung unkritisch. Für besondere Einsatzbereiche, insbesondere bei Trinkwasser oder in der Lebensmittel- oder Nahrungsmittelindustrie, können diese Rohre Innenbeschichtungen aufweisen, um beispielsweise die chemische Neutralität zu verbessern oder die hygienischen Anforderungen zu erfüllen. Beispielsweise werden PET-Fiaschen in der Getränkeindustrie mit glasartigen Innenbeschichtungen versehen, die auch bei Verformungen nicht abplatzen und die eine höhere Gasdichtigkeit der PET-Flasche bewirken und die somit auch eine längere Haltbarkeit der Flascheninhalte bewirken. Durch das Anbringen der Elektroden am Außenumfang kann dennoch die gewünschte Verformung und Anpassung an die Einbausituation erfolgen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gegenstandes vor einer Verformung,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des Gegenstandes gemäß Figur 1 nach einer Verformung und
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gegenstandes und Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Figur 3.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Gegenstand 11 beispielsweise als Rohr dargestellt. Alternativ kann der Gegenstand 11 auch als piatten- förmige, flächenförmige oder konturierte Schicht, Gehäuseabschnitt, Abdeckung oder dergleichen, ausgebildet sein. Der Gegenstand 11 umfasst eine Schicht 12 aus Kunststoff, welche beispielsweise zumindest mit Na- notubes als Füllmaterial gefüllt ist. Bevorzugt wird ein sogenannter Po- lymer-Nanotube-Verbund als Kunststoffschicht 12 eingesetzt, welcher beispielsweise einen niedrigen Durchsickerschwellwert von beispielsweise 0,1 bis 2 Vol%, eine Partikel-Partikel-Relation mit einem geringen Reibungsvolumen von 0 = c<io 3, eine hohe Partikeldichte je Partikelvolumen von 106 bis 108 Partikel/μm3, einen Grenzflächenbereich je Partikelvolumen von IfJ3 bis 104 m2/rnl, einen kurzen Zwischenraumabstand von 10 - 50 nm bei 0 ~ 1 bis 8 Vol% und vergleichbare Größen zwischen den Nanopartikeleinlagerungen, an Abständen zwischen den Partikeln und dem Relaxationsvolumen der Polymermatrix aufweist.
Der Gegenstand 11 gemäß Figur 1 ist beispielsweise als Trinkwasserrohr ausgebildet und weist deshalb eine ph-neutrale Innenbeschichtung 14 auf. Bevorzugt dient diese Beschichtung auch dazu, um elektrisch isolierend zur Kunststoff Schicht 12 mit einer Nanotube-Matrix wirken. Durch die Innenbeschichtung 14 kann der Rohrinnenraum zur Flüssigkeitsführung, Luftzuführung oder dergleichen eingesetzt werden. Sofern solche Rohre für andere Einsätze vorgesehen sind, können anderweitige Be- schichtungen vorgesehen sein oder die Beschichtung entfallen.
An einem Außenumfang des Gegenstandes 11 kann eine erste und zweite Elektrode 16, 17 angelegt werden. Beispielsweise sind diese Elektroden 16, 17 als Ringelektroden ausgebildet, welche manschetten- oder bandageförmig ausgestaltet sind. Diese werden unter einer zumindest geringen Presskraft zur Kontaktierung mit der äußeren Oberfläche der Kunststoffschicht 12 am Gegenstand 11 positioniert. Ergänzend kann zwischen der Kunststoffschicht 12 und den Elektroden 16, 17 ein elektrisch leitfähiges Mittel eingebracht werden. Alternativ zu den Ringelek- troden 16, 17 können auch Elektroden mit punktförmigen Kontaktflächen, streifen- oder linienförmigen Kontaktflächen vorgesehen sein. Des Weiteren kann alternativ vorgesehen sein, dass am Außenumfang der Kunststoffschicht 12 in vordefinierten Abständen Kontaktflächen eingebracht sind, an denen die Elektroden 16, 17 aufsetzbar und kontaktier- bar sind, wobei dazwischenliegend immer der Verformungsbereich 18 vorgesehen ist. Zwischen den beiden Elektroden 16, 17 ist ein Verformungsbereich 18 ausgebildet beziehungsweise vorgesehen, der verformt werden soll.
Zur Durchführung einer Verformung des Verformungsbereichs 18 wird eine elektrische Energie über die Elektroden 16, 17 in den Verformungsbereich 18 eingeleitet. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des zumindest einen Füllmaterials an der Kunststoffschicht 12 erfolgt eine Erwärmung des Verformungsbereiches 18. Nachdem dieser auf eine Verformungstemperatur aufgeheizt wurde, kann die Einleitung einer mechanischen Belastung von außen zur Durchführung der Verformung erfolgen. Beispielsweise kann das Rohr um einen Winkel von 90° gekrümmt werden, wie dies beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist.
Die Einspeisung von elektrischer Energie kann vor Beginn des Verformungsvorgang beendet werden. Alternativ kann die elektrische Energie auch bis zum Abschluss des Verformungsvorganges zugeführt oder bedarfsmäßig auch vorzeitig vor dem Ende der Verformung abgeschalten werden. Nach der Durchführung des Verformungsvorganges wird der verformte Gegenstand 11 solange in seiner Verformposition beziehungsweise neuen geometrischen Form gehalten, bis die Kunststoffschicht 12 soweit erkaltet ist, damit der verformte Gegenstand 12 seine neue Gestalt beibehält. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass nach der durchgeführten Verformung nochmals eine Erwärmung des Verformungsbereiches stattfindet, um eine Relaxation des Verformungsbereiches zu ermöglichen.
Aufgrund der Erwärmung des Kunststoffmaterials ist ermöglicht, dass Eigenspannungen in der Kuπststoffschicht 12 nicht aufgebaut werden. Nach einer einmal durchgeführten Verformung kann erneut eine Verformung durchgeführt werden, wobei der verformte Gegenstand 11 sowohl eine neue Gestalt einnehmen kann als auch wieder in seine Ausgangsposition zurück verformt werden kann. In Figur 3 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes 11 dargestellt. Der Gegenstand 11 ist beispielsweise als Stoßfänger ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform als Stoßfänger ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kunststoffschicht 12 aus einem Shape-Memory-Polymer hergestellt ist. Solche Materialien weisen eine selbstheilende Eigenschaft auf, sobald diese auf eine Verformungstemperatur erwärmt werden. Der in Figur 3 dargestellte Stoßfänger umfasst beispielsweise eine Eindellung 25, welche in Figur 4 als Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Figur 3 dargestellt ist. Zur Rückführung des Stoßfängers in seinen ursprünglichen Formgebungszustand beziehungsweise zur Reparatur der Einstellung 25 ist bevorzugt vorgesehen, dass streifenförmige Elektroden 16, 17 um die Eindellung herum positioniert werden. Beispielsweise können die Elektroden jeweils halbkreisförmige Kontaktflächen aufweisen, so dass die Eindellung 25 dazwischen liegt. Anschließend wird der Verformungsbereich 18, der zumindest gleich groß, bevorzugt größer, als die Eindellung 25 ist, erwärmt. Sobald die Verformungstemperatur erreicht ist, erfolgt ein selbständiges Rücksetzen der Eindellung 25 aufgrund der Eigenschaft des Materials. Ergänzend kann diese Rückstellung unterstützt werden, indem beispielsweise von der einen Seite durch eine Druckbewegung oder von der anderen Seite durch eine Saug- oder Ziehbewegung die Eindellung 25 in eine flächige Form übergeführt wird, so dass diese eine glatte Kontur bezüglich den benachbarten Bereichen einnimmt.
Bei einer solchen Ausführungsform kann ebenso vorgesehen sein, dass beispielsweise spiralförmige Elektroden eingesetzt werden, die sich über die Eindellung 25 erstrecken oder zumindest teilweise an der Eindellung 25 anliegen. Insbesondere beim Einsatz von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, Gelen oder weichen Materialien kann auch eine unmittelbare Einwirkung beziehungsweise Erwärmung der Eindellung 25 aufgrund der zumindest teilweisen Kontaktierung der Eindellung 25 ermöglicht werden. Auch können Elektroden derart vorgesehen sein, dass sie induktiv heizen oder Wirbelströme ausbilden und dadurch in der Kunststoffoberfläche wiederum Wirbelströme induziert werden können; dadurch kann eine berührungslose Aufheizung erreicht werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Elektroden auch derart ausgebildet und auf dem Verformungsbereich positioniert werden, dass ring- oder scheibenförmige Verformungsbereiche ausgebildet werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Verformen von Gegenständen (11), welche zumindest eine Kunststoffschicht (12) mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Füllmaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine erste und eine zweite Elektrode (16, 17) an dem Gegenstand (11) durch Kontaktierung oder berührungslos positioniert wird, so dass ein Verformungsbereich (18) zwischen den beiden Elektroden (16, 17) gebildet wird,
- dass durch die Elektroden (16, 17) in den Verformungsbereich (18) elektrische oder magnetische Energie eingebracht und dadurch der Verformungsbereich (18) erwärmt wird und
- dass nach dem Erreichen einer Verformungstemperatur ein Verformen des Verformungsbereiches (18) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung nach Erreichen der Verformungstemperatur selbständig aufgrund von Materialeigenschaften der Kunststoffschicht (12) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich (18) durch Einleitung von zumindest einer von außen aufgebrachten mechanischen Belastung verformt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der elektrischen Energie nach dem Erreichen der Verformungstemperatur, vorzugsweise spätestens nach der Einwirkung einer mechanischen Belastung von außen oder einer selbständigen Rückverformung, beendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem rohrförmigen Gegenstand (11) manschetten- oder bandageförmige Elektroden (16, 17) unter zumindest geringer Presskraft aufgelegt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16, 17) mit einer punktförmigen Kontaktfläche auf der Oberfläche der zumindest elektrisch leitendes Füllmaterial aufweisenden Kunststoffschicht (12) durch eine zumindest geringe Presskraft aufgebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16, 17) mit einer streifenförmigen Kontaktfläche auf die Oberfläche der zumindest elektrisch leitendes Füllmaterial umfassenden Kunststoffschicht (12) durch eine zumindest geringe Presskraft aufgebracht werden und der Verformungsbereich (18) durch die streifenförmigen Elektroden (16, 17) zumindest teilweise eingegrenzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Kunststoffschicht (12) oder auf die Elektroden (16, 17) oder auf beide vor der Kontaktierung ein elektrisch leitfähiges Mittel aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als e- lektrisch leitfähiges Mittel eine Flüssigkeit oder Gele, insbesondere Leitsilber, Quecksilber oder eine Zwischenschicht, insbesondere ein biegsames Bandmaterial, mit einer elektrisch leitfähigen Füllung oder einer metallischen Beschichtung, eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die berührungslos zum Gegenstand angeordneten Elektroden (16, 17) der Verformungsbereich magnetinduktiv oder nach dem Wirbelstromprinzip erwärmt wird.
11. Gegenstand mit zumindest einer Kunststoffschicht (12), welche zumindest elektrisch leitfähiges Füllmaterial umfasst und insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 ver- formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilung des e- lektrisch leitenden Füllmaterials in der Kunststoffschicht (12) derart vorgesehen ist, dass die Kunststoffschicht (12) durch Anlegen von Elektroden (16, 17) elektrisch kontaktierbar ist und dass ein zwischen den Elektroden (16,17) liegender linien- oder flächenförmi- ger Verformungsbereich (18) aufheizbar ist.
12. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähiges Füllmaterial Nanotubes, insbesondere Carbon- Nanotubes, in der Kunststoffschicht (12) vorgesehen sind.
13. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähiges Füllmaterial Leitruß, Graphit, expandiertes Graphit, Metallpulver, Metallpartikel oder weitere leitfähige Partikel in der Kunststoffschicht (12) vorgesehen sind.
14. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Füllmaterial nicht elektrisch leitfähige Hilfsmaterialien zur Erhöhung der mechanischen und/oder thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften in der Kunststoffschicht (12) vorgesehen sind.
15. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff schicht (12) aus einem selbstheilenden Kunststoffmaterial, insbesondere einen Shape-Memory-Polymer, hergestellt ist.
16. Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht aus PEEK, PPS7 PEI, glas- oder glasfaserverstärktem oder kohlenstoffverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
17. Gegenstand nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dass auf dem Verformungsbereich (18) eine thermochrome Farbe aufgebracht ist.
18. Gegenstand nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Rohr mit einer Kunststoffschicht (12) aus- gebildet ist, welche zumindest ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial umfasst und insbesondere eine Innenbeschichtung aufweist.
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