Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Formen, Modellen und Werkzeugen aus glasfaserverstärktem Hartgips und/oder glasfaserverstärktem Zement, insbesondere Formen, Modelle und Werkzeuge für die Auto-, Flugzeug- und Schiffsbauindustrie sowie den Sanitärbereich.
Glasfaserverstärkter Gips und glasfaserverstärkter Zement sind bekannt. Gemäß dem Sprachgebrauch der Praxis sind glasfaserverstärkte Stoffe Verbundwerkstoffe, als welche solche Werkstoffe bezeichnet werden, die durch Einlagerung eines in Form von Partikeln, Whiskern, Fasern, Lamellen oder Geflechten vorliegenden Grundwerkstoffes in einen zweiten Stoff - die Matrix - entstehen. In diesem Sinne wird Zement beispielsweise im Bausektor verwendet. Nicht bekannt ist ihre Verwendung in Laminaten bei der Herstellung von Formen, Modellen und Werkzeugen.
Ein wesentlicher und auch wirtschaftlich bedeutender Sektor beim Bau von Fahrzeugen, Schiffen und besonders Flugzeugen ist bekanntlich der Formenbau. Für die Herstellung von immer mehr und größeren Fahrzeugteilen werden heute Formen und Werkzeuge mit speziellen Eigenschaften benötigt. Neben Metallen, z. B. elektroplattiertem Nickel, werden hierzu Gewebe aus glas- oder kohlefaserverstärkten Epoxidharzen im besonderen Maße eingesetzt. Ur- und Kopiermodelle werden häufig aus mit Geweben verstärkten Epoxidharzen oder mit Geweben verstärkten ungesättigten Polyesterharzen hergestellt. Sie besitzen - wie die Formen - eine hohe Oberflächengüte und lassen sich wesentlich kostengünstiger herstellen als Metallmodelle.
Es ist weiterhin bekannt, daß zur Herstellung kleiner Serien im Naßpreß-, Spritzguß- und Vakuumziehverfahren ebenfalls Kunststofformen aus mit Glasfasergeweben verstärkten Epoxidharzen oder ungesättigten Polyesterharzen angewandt werden können, wobei leichte Formen mit Versteifungsrippen versehen werden. Bei Anwendung hoher Drücke werden die Formen mit stabileren Werkstoffen hinterfüttert z. B. mit Mischungen aus Epoxidharz und Quarzsand. Formen aus Kunststoff sind im Vergleich zu Stahlformen preiswert und eine sinnvolle Ergänzung zur wirtschaftlichen Erstellung von Prototypen.
Gipsformen sind auf diesem Gebiet wohl deshalb bis jetzt nicht eingesetzt worden, weil ihre Festigkeit infolge ihrer hohen Porosität zu niedrig und die Expansion zu hoch ist. Das hat zur Folge, daß ihre Maßgenauigkeit und ihre Entformbarkeit unzureichend sind.
In der europäischen Patentanmeldung 0 124 801 und der deutschen Patentschrift 77 796 wird die Herstellung von Formen auf Basis von beta-Calciumsulfat-Halbhydrat und/oder Zement beschrieben. Kennzeichnend für diese und andere bekannte Verfahren ist jedoch, daß ausschließlich poröse Formen entstehen, die Feuchtigkeit absorbieren und gasdurchlässig sind. Die mechanischen Eigenschaften derartiger Formen genügen nicht den im Fahrzeug- und Flugzeugbau gestellten Anforderungen, und zwar auch dann nicht, wenn in die gußfähigen Formmassen Partikel eingelagert sind; z. B. Whisker, Glasfasern u.a., so daß poröse Verbundwerkstoffe auf Gipsbasis bzw. Zementbasis entstehen.
Gipsgebundene bzw. zementgebundene Formmassen konnten deshalb bis heute nicht in der gleichen Weise wie die kunstharzgebundenen Formmassen im Werkzeug-, Formen- und Modellbau eingesetzt werden.
Nach der GB-PS-1 119 585 werden Formkörper auf Zementbasis in der Weise hergestellt, daß zunächst eine flüssige Harzschicht, bestehend aus Epoxidharz und Härter, in einer Form auf mindestens 30°C abgekühlt wird, und anschließend auf die viskose Harzschicht eine zementhaltige Schicht gegossen wird. Wesentlich bei diesem Verfahren ist, daß beide Schichten zur gleichen Zeit erstarren und sich dabei miteinander fest verbinden. So hergestellte Formkörper tragen auf der zementhaltigen Grundschicht eine Oberflächenschicht aus Kunstharz. Zur Herstellung von Formen für große Bauteile oder Modelle ist jedoch auch dieses Verfahren nicht geeignet.
Es stellte sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Modellen, Formen und Werkzeugen zu finden, das gegenüber den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren vor allem den Vorteil der kürzeren Herstellungsdauer und geringeren Kosten aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf das abzuformende, mit einem Trennmittel versehene Modell mindestens eine Grundschicht aus einem Bindemittel aufgetragen wird, auf die im Naß-in-Naß-Verfahren eine glasfaserverstärkte Formmasse, bestehend aus 95 bis 0 Gew.-% alpha-Calciumsulfat-Halbhydrat, 0 bis 95 Gew.-% Zement, 0,5 bis 8 Gew.-% Glasfasern und 0,5 bis 4 Gew.-% Stellmittel sowie Wasser, aufgebracht wird, und das gebildete Laminat nach Abbindung entformt wird. Die vorstehenden Gewichtsprozente beziehen sich auf die trockene Formmasse.
Der Wassergehalt der Formmasse wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine knetbare, zur Hinterfütterung von Formen aus Gips oder Kunststoffen geeignete Masse entsteht. In den vorstehenden Mischungen wird der Wassergehalt zwischen 20 und 28 Gew.-%, insbesondere 22 und 26 Gew.-%, bezogen auf die trockene Mischung, liegen, jedoch ist der Erfindungsgegenstand nicht auf die angegebenen Wassermengen beschränkt. In der Regel liegt der Wasser/Gipsfaktor bzw. Wasser/Zementfaktor nahe dem stöchiometrisch notwendigen Wasserbedarf, so daß dichte Formen entstehen, deren mechanische Eigenschaften durch den Glasfasergehalt noch zusätzlich verbessert werden.
Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und Luftblasen wird auf das mit Trennmittel beschichtete Modell mindestens eine Grundschicht aus einem Bindemittel aufgetragen, vorzugsweise werden jedoch zwei aufgetragen. Die Grundschichten werden am besten mit einem Pinsel auf die Trennschicht, beispielsweise Schicht aus Hartwachs, aufgebracht, wobei die erste Schicht etwa 0,1 bis 5 mm dick sein kann und die zweite, die zur Verstärkung dient, 1 bis 6 mm. Wesentlich hierbei ist, daß die Grundschichten "naß in naß" aufgetragen werden, d.h. der Abbindevorgang der bereits aufgetragenen Schicht bei der Aufpinselung der nächsten Schicht noch nicht beendet ist. Nur so wird eine gute Haftfestigkeit zwischen den Schichten des Laminats gewährleistet. Ist der Abbindevorgang bereits beendet, muß mit einem Haftvermittler gearbeitet werden.
Das Bindemittel der Grundschichten kann ein Epoxid-Oberflächenharz sein. Es kann als Bindemittel jedoch auch die noch nicht mit Glasfasern versetzte trockene alpha-Calciumsulfat-Halbhydrat und/oder Zement enthaltende Formmasse eingesetzt werden, die dann mit etwas mehr Wasser versetzt wird als die Formmasse und damit streichbar wird. Die zugesetzte Wassermenge kann z. B. zwischen 26 und 31 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bindemittels, liegen. Die zweite Grundschicht dient im wesentlichen zur Verstärkung der ersten Grundschicht, welche zur Abformung schwieriger Konturen geeignet ist und die Herstellung von Formen mit glatten Oberflächen möglich macht.
Der Glasfasergehalt der Formmasse liegt vorzugsweise zwischen 2 und 4 Gew.-%. Durch die glasfaserverstärkte Formmasse werden die Formteile derart hinterfüttert, daß sie auch stärksten Belastungen, insbesondere höheren Drücken, standhalten. Die Glasfaserlänge sollte 4 bis 12 mm, insbesondere 5 bis 8 mm, betragen, der Durchmesser etwa 10 bis 15 um. Auch die glasfaserhaltige Formmasse kann "naß in naß" auf die letzte Grundschicht aufgetragen werden. Unter Verwendung eines Haftvermittlers kann die Formmasse auch auf die abgebundene Grundschicht aufgetragen werden, allerdings ebenfalls im Naß-in-Naß-Verfahren.
Die mittlere Korngröße der Calciumsulfat-Halbhydratkristalle und der Zementpartikel liegt vorzugsweise zwischen 15 und 30 j..Lm.
Unter Stellmittel werden hier Gemische verstanden, die Beschleuniger, Verzögerer und Plastifizierer, gegebenenfalls auch pH-Regler und Expansionsregler enthalten.
Als Epoxid-Oberflächenharze wurden die auf dem Markt erhältlichen eingesetzt, z. B. solche der Firma Lechler, Stuttgart, oder der Fa. Ciba-Geigy. Geeignet sind beispielsweise Epo S 1, SW 404, SV 410 und SV 414. Geeignete Haftvermittler können Gipskleber, bestehend aus etwa 95 Gew.-% alpha-Calciumsulfat-Halbhydrat, 0,5 - 2 Gew.-% Stellmittel und 1 bis 4,5 Gew.-% Polyvinylacetat (EPV) sein. Zu diesem Gemisch kommen noch 20 bis 28 Gew.-% Wasser, bezogen auf die trockene Klebemischung.
Besteht die letzte Grundschicht aus einem Epoxid-Oberflächenharz, das bereits abgebunden ist, so muß nach Aufrauhung dieser Schicht ein Haftvermittler aufgetragen werden, auf den dann im Naß-in-Naß-Verfahren die erfindungsgemäße Formmasse aufgebracht wird. Als Haftvermittler kann hier ein Epoxid-Oberflächenharz aufgetragen werden, das mit dem der Grundschicht identisch sein kann.
5 kg dieser Mischung wurden dem Mischer entnommen. Der verbleibende Rest von etwa 11 kg wurde mit 0,3 kg Glasfaserschnitzeln von 6 mm Länge und maximal 13 mm Breite vermischt, wozu etwa 10 Minuten benötigt wurden. Das abzuformende Modell, das zur besseren Entformung mit einer Hartwachsemulsion behandelt worden ist, wurde anschliessend mit 2 Grundschichten versehen. Dazu wurden die 5 kg der abgestellten Hartgipsmischung mit 1,35 I Wasser intensiv vermischt. Von der streichfähigen Masse wurde auf das Modell zunächst eine dünne Schicht aufgepinselt. Nachdem die Schicht oberflächlich matt zu werden begann, wurde mit der gleichen Masse eine zweite ca. 5 mm dicke Schicht auf getragen. Unmittelbar danach erfolgte das Anmischen der Glasfaserschnitzel enthaltenden Gipsmischung mit 2,5 I Wasser. Die entstandene Paste wurde naß in naß, d.h. vor dem Abbinden der bereits aufgetragenen Grundschichten in einer Dicke von ca. 15 mm auf gebracht. Der Arbeitsvorgang am Modell war nach ca. 25 Minuten beendet. Die Entformung konnte bereits nach 120 Minuten durchgeführt werden. Folgende Endfestigkeiten wurden gemessen:
Von dieser Mischung wurden wie im Beispiel 15 kg entnommen und die restlichen 10 kg mit 0,3 kg Glasfaserschnitzeln versetzt und ebenfalls homogen gemischt. Die Weiterverarbeitung erfolgte analog der Arbeitsweise wie im Beispiel 1. Auch hier war der gesamte Arbeitsvorgang nach etwa 25 Minuten beendet. Die Entformung konnte nach 120 Minuten durchgeführt werden. Folgende Endfestigkeiten wurden bemessen:
Von dieser Mischung wurden wie im Beispiel 1 zunächst 5 kg entnommen und die restlichen 10,5 kg mit 0,3 kg Glasfaserschnitzeln von 6 mm Länge und maximal 0,5 mm Breite 10 Minuten gemischt. Die Weiterverarbeitung dieses Materials erfolgte wie Beispiel 1. Der gesamte Arbeitsvorgang war nach 25 Minuten beendet. Die Entformung konnte nach 12 Stunden durchgeführt werden. Folgende Endfestigkeiten wurden gemessen:
Auf das abzuformende Modell wurde nach sorgfältigem Auftragen des Trennmittels eine 1 mm dicke Epoxid-Oberflächenharzschicht aufgetragen. Auf die angelierte, noch klebrige Epoxidharz-Oberfläche wurde eine zweite ebenfalls 1 mm dicke Schicht des selben Harzes aufgebracht. Nach dem Auftragen der zweiten Harzschicht wurde die eingangs vorbereitete Pulvermischung von 11 kg mit 2,5 I Wasser angeteigt. Diese knetbare Masse wurde auf die zweite Harzschicht naß in naß aufgetragen bis eine Dicke von 10 - 15 mm erreicht war. Der gesamte Arbeitsvorgang war nach etwa 35 Minuten beendet. Die Gipsüberformung konnte nach Erwärmung auf 40°C nach 4 Stunden abgehoben werden. Folgende Endfestigkeiten wurden gemessen:
Herstellen der Pulvermischung wie im Beispiel 2 mit 3 % Glasfaserzusatz. Epoxidharzbeschichtungen wie im Beispiel 4, danach Aufbringen der angeteigten Gipsmasse wie im Beispiel 4. Der gesamte Arbeitsvorgang war nach 35 Min. beendet. Die Entformung konnte nach ca. 120 Min. durchgeführt werden. Folgende Endfestigkeiten wurden gemessen:
Herstellen der Pulvermischung wie im Beispiel 3. Aufbringen der Epoxidharzbeschichtungen wie im Beispiel 4. Anteigung der Gipsmischung wie im Beispiel 3 und Beschichtung. Der gesamte Arbeitsvorgang war nach 35 Min. beendet. Die Entformung konnte nach ca. 12 Stunden durchgeführt werden. Folgende Endfestigkeiten wurden gemessen: