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Verfahren zum Herstellen von mehrlagigen Formteilen oder Überzügen
Es war bisher außerordentlich schwierig, aus Epoxy- oder Polyestern fehlerfreie
geformte oder gegossene Gegenstände herzustellen, die dicker als etwa 125 cm waren,
da die während des Aushärtens im Inneren dicker Massen auftretende hohe exotherme
Wärme starke Spannungen in den gegossenen oder geformten Gegenständen hervorrief.
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Um diese Nachteile zu beheben und den Formteil zu verstärken, wurde
bereits vorgeschlagen, den Formmassen Stahl oder andere wärmeleitende Metalle in
Form von Wolle oder Fasern zuzugeben.
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Dieses Verfahren erwies sich in vielen Fällen als vorteilhaft. ließ
sich jedoch nur schlecht anwenden, wenn Gegenstände mit scharfen Ecken oder Kanten
hergestellt werden sollten, da die langen Metallwollfäden nicht bis in die unzugänglichen
Ecken hineinreichen.
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Durch die Abwesenheit der Metallverstärkung in den Ecken usw. entstehen
daher harzreiche und nicht verstärkte Stellen, die im Aussehen und den Eigenschaften
inhomogen sind und außerdem nicht die hohe Schlagzähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und
Widerstandskraft gegenüber Abnutzung und Abrieb besitzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von mehrlagigen Formteilen
oder Überzügen durch Aushärten von Formmassen, die Polyepoxyde oder ungesättigte
Polyester und daran anpolymerisierbare Monomere, Katalysatoren sowie metallische
Füllstoffe enthalten, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberfläche
einer Form oder eines gegebenenfalls porösen Gebildes aufgebrachte, noch plastische
Überzug aus diesen Form- oder Überzugsmassen zuvor mit Metallfasern von 0,8 bis
13 mm Länge bedeckt wird, gegebenenfalls weitere Schichten dieser Form- oder Überzugsmassen
und Metalifaserschichten abwechselnd aufgetragen werden und dann abschließend wie
üblich, gegebenenfalls unter Druck, ausgehärtet wird.
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Gegebenenfalls können die Massen aus dem härtbaren Kunstharz und
den Metallfasern jeweils gleichzeitig auf die Oberfläche aufgeblasen werden. Ebenso
ist es möglich, bei der Herstellung mehrlagiger Schichtkörper die einzelnen Lagen
aus dem Kunstharz und den Metallfasern vor dem Aufbringen der nächsten Schicht durch
Härten zu verfestigen.
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Erfindungsgemäß können die üblichen flüssigen oder auch krümeligen
Epoxyharze angewendet werden. Besonders geeignet sind dabei die Glycidylpolyäther
von mehrwertigen mono- oder polynuklearen Phenolen. Zusammen mit diesen Epoxyharzen
können die üblichen Härtungsmittel verwendet werden, wie z. B. mehrwertige Phenole
mehrbasische Säuren und
deren Anhydride, Amine bzw. mehrwertige Amine mit wenigstens
2 Wasserstoffatomen an den Stickstoffatomen, mehrwertige Alkohole und Mercaptane.
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Ebenso können die zu verwendenden Epoxyharze übliche Katalysatoren,
wie z.B. Amine, Alkalien oder z. B. Bortrifluorid, enthalten. Im übrigen können
erfindungsgemäß auch Diepoxyde, wie z. B. 6-Methyl-3,4-epoxycyclohexylmethyl-6-methyl-3
,4-epoxycyclohexancarboxylat, Anwendung finden.
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Als ungesättigte Polyestermassen kommen insbesondere die für diese
Verwendungszwecke bekannten Veresterungsprodukte aus Glykolen mit ungesättigten
zweibasischen Säuren oder deren Anhydride in Frage, wobei gegebenenfalls auch gesättigte
Säuren mitverwendet werden können. Diese ungesättigten Polyester werden dann mit
den üblichen monomeren Vinylverbindungen, insbesondere Styrol, vermischt. Die Aushärtung
erfolgt in der Regel mit freien Radikal-Katalysatoren.
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Die Metallfasern sind nicht auf ein bestimmtes Metall oder eine Kombination
bestimmter Metalle beschränkt. Um außerordentlich große Oberflächenfestigkeit
und
Wärmeleitfähigkeit zu erhalten, werden vorzugsweise solche Metalle oder Kombinationen
solcher Metalle verwendet, deren Fasern eine hohe Reißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit
besitzen. Auch wirtschaftliche Gesichtspunkte spielen eine Rolle bei der Auswahl
der Metalle. Die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung bezüglich der verwendbaren
metallischen Materialien ist besonders vorteilhaft, da das erfindungsgemäße Verfahren
durch die Möglichkeit der Auswahl und Verwendung derjenigen Metalle, die die besten
Eigenschaften für den vorgesehenen Verwendungszweck liefern, allen Gegebenheiten
angepaßt werden kann. Während sich Aluminiumfasern z. B. nicht für die Herstellung
von Metallgußformen eignen, ist ihre Verwendung für erhitzte Paßformen zur Herstellung
von Polyester-Glasfaser-Teilen sehr vorteilhaft.
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Als metallisches Material können gesponnene, stranggepreßte, geschnittene
oder gezogene Fasern verwendet werden, die einen runden, viereckigen oder jeden
beliebigen Querschnitt haben können. Die Fasern können glatt, rauh oder gekräuselt
sein. Ihre Länge beträgt zwischen 0,8 und 13 mm, insbesondere werden Längen zwischen
1,5 und 6,5 mm bevorzugt.
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Die Querschnitte können stark variieren; so liefern z. B. Fasern mit
einem Durchmesser zwischen 0,013 und 0,65 mm und Fasern mit rechteckigem Querschnitt
zwischen 0,25X0,050mm und 6,5X0,40mm gute Ergebnisse.
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Besonders geeignet sind z. B. Stahlfasern, Kupferfasern, Silberfasern,
Fasern aus rostfreiem Stahl, Nickelfasern, Aluminiumfasern und aus Legierungen,
wie Messing. Gegebenenfalls kann das metallische Material aber auch in Form von
festen Kunststoff-oder Glasfasern verwendet werden, deren Oberflächen durch Eintauchen
in oder Besprühen mit einem Metall, wie Silber, Aluminium oder Kupfer, überzogen
worden sind.
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In bezug auf die obenerwähnten Metallfasern muß bemerkt werden, daß
diese nicht unbedingt einzelne bzw. gerade Fasern sein müssen, sondern daß sie nüch
miteinander verzwirnt oder verflochten sein können. Im allgemeinen sind Unregelmäßigkeiten
und Biegungen sogar besonders vorteilhaft. Als Beispiel seien Stahlwolle oder Aluminiumwolle
erwähnt, die durch Zerschneiden oder andere geeignete Maßnahmen zu den im vorhergehenden
beschriebenen kurzen Stücken zerkleinert wurden.
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Das Verhältnis des metallischen Materials zu dem »Harz« in der zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht verwendeten Mischung kann variieren.
Im allgemeinen sollten wenigstens 5 Volumprozent der gesamten Mischung aus Metall
bestehen, um die Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Schlagzähig keit und andere Eigenschaften
genügend und merklich zu verbessern. Es wurde gefunden, daß wenigstens 30 Volumprozent
der gesamten Mischung aus »Harz« bestehen sollten. Vorzugsweise liegt das Verhältnis
bei Verwendung von Stahlfasern jedoch zwischen 8 und 20 Volumprozent Stahlfasern
zu 80 bis 92 Volumprozent »Harz«. Bei Verwendung von Aluminiumfasern liegen die
entsprechenden Bereiche zwischen 25 und 50 Volumprozent Fasern zu 50 bis 75 Volumprozent
»Harz«.
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Als zusätzliche Füllstoffe können z. B. verwendet werden: Flocken
aus rostfreiem Stahl, Eisen- oder Aluminiumoxyd, Eisenpulver, feine Kieselsäure
und handelsübliche Polymere.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann im einzelnen wie folgt durchgeführt
werden: a) Auf der Oberfläche einer Form, die die nachzubildende Gestalt hat, wird
ein Überzug aus einem der wärmehärtbaren Harze aufgebracht. b) Dann wird das metallische
Fasermaterial unter Druck aufgebracht, d. h., das metallische Material wird in Form
von Flocken auf den Überzug gestreut, so daß es diesen bedeckt und völlig in ihn
eindringt. c) Die Stufen a) und b) werden gegebenenfalls so oft wiederholt, bis
die Schicht die gewünschte Dicke besitzt. d) Die aus Metall und Harz bestehende
Mischung wird mittels Wärme ausgehärtet, wodurch die Oberflächen des erhaltenen
ausgehärteten Gegenstandes die genaue Form der nachzubildenden Oberfläche annehmen.
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Bei Herstellung des Überzuges gemäß Stufe a) wird die auszuhärtende
Masse auf die Oberfläche der nachzubildenden Form gestrichen oder gesprüht. Die
Form und/oder das Harz kann auf eine erhöhte Temperatur, z. B. 700 C, vorerhitzt
sein, um ein schnelleres Aushärten zu bewirken bzw. um ein bei Zimmertemperatur
nicht flüssiges Harz zu schmelzen.
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Die Stufe b) wird so schnell wie möglich nach Herstellung des Harzüberzuges
durchgeführt. Vorzugsweise werden die metallischen Fasern mittels des sogenannten
» Flocking«-Verfahrens eingeführt bzw. aufgebracht. Dabei werden kurze Stücke des
Materials unter Luftdruck auf und in den obenerwähnten Überzug gesprüht. Es wird
dabei ein solcher Druck angewendet, daß das Eindringen der Metallfasern in den gesamten
Überzug gewährleistet ist.
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Die Stufen a) und b) können beliebig oft wiederholt werden, bis der
Gegenstand die gewünschte Dicke erreicht hat. Gegebenenfalls können die Stufen a)
und b) auch gleichzeitig durchgeführt werden, d. h., das Harz und die Metallfasern
können zusammen oder voneinander getrennt zur selben Zeit aufgetragen werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin,
daß die Fasern den Harzüberzug thixotrop machen, d. h. daß sie das Fließen der Masse
verhindern und dadurch ein »Laufen« des Überzugs vermeiden, durch das Ungleichmäßigkeiten
in der Filmdicke entstehen. Dies ist besonders wichtig, wenn wärmebeständige wärmehärtbare
Harze verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Oberflächenschicht besteht - insbesondere nach
dem endgültigen Aushärten -aus Harz und willkürlich, jedoch im wesentlichen homogen,
in diesem verteilten Metallfasern. Die Fasern sind in der ganzen Schicht in gewissem
Maße miteinander verflochten bzw. stehen miteinander in Berührung, so daß bis zur
Außenseite der Mischung ein wärmeleitendes Netzwerk geschaffen ist.
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Die erwünschte Dicke der Oberflächenschicht hängt unter anderem von
der Zusammensetzung und der Art des herzustellenden Gegenstandes ab. Für sogenannte
poröse Strukturen, die in Hüllen- oder Schalenform verwendet werden sollen, erwies
sich eine Dicke von 2,5 bis 30 cm vor dem Aushärten als zufriedenstellend. Für ähnliche
dichte Strukturen variiert die entsprechende Dicke zwischen 0,65 und 15 cm.
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Für Gegenstände, die mit Hilfe einer versteifenden Unterlage hergestellt
werden, reicht eine Dicke von
0,08 bis 0,65 cm aus. Im allgemeinen
sollte die Dicke der Oberflächenschicht vor dem Aushärten ausreichen, um einen fertigen
Gegenstand mit einer Arbeitsfläche der obenerwähnten erwünschten Eigenschaften zu
schaffen.
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Es wurde gefunden, daß durch ein zwei- bis dreimaliges Wiederholen
der Stufen a) und b) Gegenstände mit den gewünschten Eigenschaften erhalten werden;
für einige Zwecke können diese beiden Stufen jedoch beträchtlich häufiger durchgeführt
werden.
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Gegebenenfalls kann sogar eine vollständige Spritz-oder Preßform aus
der Metallfaser-Harz-Mischung hergestellt werden, ohne daß ein Verstärkungsmaterial
verwendet werden muß.
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Nachdem die gewünschte Dicke erreicht worden ist, wird die Mischung
durch Wärme ausgehärtet, dies kann, je nach der Art des herzustellenden Gegenstandes
und der Zusammensetzung der Metallfaser-Harz-Mischung, entweder bei atmosphärischem
Druck oder Überdruck bzw. bei Zimmertemperatur oder erhöhter Temperatur erfolgen.
Auf diese Weise hergestellte poröse Gegenstände sind z. B. leichte Gehäuse, Bauplatten
(leitend oder isolierend), »Sandwich«-Kerne für Bootskörper, leichte Preßformen
zur Bearbeitung von Werkzeugen, Urformen für Vakuumverformungen, temporäre Schutzdächer
und Dekorationsplatten. In einigen Fällen, z.B. bei der Herstellung von Ziehformen
mit verstärkten Kunststoffunterlagen, ist eine einmalige Durchführung der Stufen
a) und b) ausreichend.
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Um die Dichte der porösen Strukturen weiter zu regeln, können dem
Harz übliche anorganische oder organische Blähmittel, wie z.B. Natriumbicarbonat
oder p-Oxyphenylazid, einverleibt werden.
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Ist eine dichtere Mischung erwünscht, so werden die aufgetragenen
Metallfaser-Harz-Schichten vor dem Aushärten zusammengepreßt. Dies kann mittels
jeder geeigneten Vorrichtung durchgeführt werden, wie z.B. durch eine durch Luft
oder elektrisch betriebene »impacting gun«. In dieser Verdichtungsstufe braucht
nur die Oberfläche der Metallfaser-Harz-Schichten gegen die Form gepreßt zu werden,
um die Dicke des Schichtstoffes zu vermindern.
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Solche verdichteten Gegenstände sind z. B. Prüflehren, Gehäuse, Schablonen,
Preßformen für Bootskörper, Fertigungslehren für den Zusammenbau, Lehren aller Art.
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Soll eine Preß- oder Ziehform hergestellt werden, die eine äußere
erfindungsgemäß hergestellte Arbeitsfläche besitzt, so kann diese mit Hilfe einer
Matrize als Formkörper hergestellt werden. Dann kann der Rest des Hohlraums der
Form mit einem geeigneten Verstärkungsmaterial ausgefüllt und die erhaltene Masse
langsam so lange unter einen Druck, z. B. von etwa 1,5 bis 20Atmosphären, gesetzt
werden, daß sie sich verfestigt. Das Aushärten findet innerhalb einiger Stunden
unter adiabatischen Bedingungen statt, wobei der Druck aufrechterhalten wird. Der
gesamte Guß kann darauf unter Druck gehalten und 4 bis 24 Stunden einem Nachhärten
bei Temperaturen zwischen 60 und 1500 C unterworfen werden, bis die Harz-Metallfaser-Masse
vollkommen fest geworden ist. Vor dem Entfernen aus der Gußform läßt man den Guß
dann auf Zimmertemperatur abkühlen.
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Soll der herzustellende Gegenstand eine innere Arbeitsfläche besitzen,
so kann dieser hergestellt werden, indem gemäß den Stufen a) und b) ein erfindungsgemäßer
Schichtkörper hergestellt wird, wobei dann
eine Patrize verwendet wird, deren Oberfläche
die gewünschte Konfiguration besitzt. Nachdem der Schichtstoff so hergestellt worden
ist wird ein geeigneter Formkasten um den Schichtstoff, der die Patrize umgibt,
gestellt, der so gebildete Zwischenraum durch eine geeignete Verstärkung ausgefüllt
und das Aushärten wie bei dem oben beschriebenen Gegenstand mit einer äußeren Arbeitsfläche
durchgeführt.
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Die Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin
aus der Tatsache ersichtlich, daß erfindungsgemäß hergestellte, zueinander passende
Matrizen und Patrizen in der in der Formindustrie üblichen Art zur Herstellung von
geformten Gegenständen, wie z.B. Tablette, flache Einsätze, zum Stanzen von Metallteilen
verwendet werden können.
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Erfindungsgemäß hergestellte, mit einer Verstärkung versehene Gegenstände
sind z.B. Ziehformen zum Verformen von Metall, beheizte Formen zur Herstellung von
glasfaserverstärkten Kunstharzschichtstoffen, Preßformen zur Herstellung von Beuteln
usw. aus glasfaserverstärkten Kunstharzschichtstoffen, Gießschablonen, Kernkästen,
Vakuumpreßformen, Schablonen usw.
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Als verstärkende Unterlagen sind z. B. die folgenden Stoffe geeignet:
Holz, verstärktes Kunstharz, geschweißtes Metall einer zellförmigen Struktur, jedes
formbare Kunstharzmaterial, Mischungen von Kunstharzen, wie Epoxy- und Polyesterharze,
mit unverwobenen Metallfasern, Schaumstoffe und Kunstharz-Glasfaser-Mischungen.
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Alle erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände sind dadurch erkennbar,
daß ihre Arbeitsfläche oder -flächen, einschließlich der Teile, an welchen sich
die Oberfläche abrupt ändert, glatt, hart und einheitlich in ihren Eigenschaften
sind, sich der gewünschten Form genau anpassen und eine hohe Schlagzähigkeit und
Widerstandskraft gegen Abnutzung und Abrieb, eine große Wärmeleitfähigkeit und Formfestigkeit
bzw. Stabilität besitzen. Die schalenförmigen Gegenstände können dicht oder verhältnismäßig
porös sein, je nachdem, ob sie zusammengepreßt wurden oder nicht.
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Es ist zwar bekannt, in härtbare Formmassen verhältnismäßig kurze
Glasfasern zur Verstärkung einzuführen. Daraus konnte jedoch nicht geschlossen werden,
daß es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich sein werde, gegenüber den bekannten
Materialien verbesserte Materialien herzustellen.
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Beispiel Herstellen einer rechteckigen Prüflehre Eine Mahagoniplatte
mit einem Hohlraum einer Größe von 25 X 25 X 1,3 cm wurde mit einer Lösung von Polyvinylalkohol
als Trennmittel behandelt, über Nacht trocknen gelassen und dann mit Wachs überzogen.
Innerhalb von 10 Minuten wurde eine Überzugsmasse der folgenden Zusammensetzung
auf die innere Oberfläche des Hohlraums aufgebracht: 100 g Epoxyharz, 26 g Oxyäthyldiäthylentriamin,
59 g Aluminiumpulver.
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Dann wurden 6,5 mm lange Aluminiumfasern mit einem Druck von 5,3
Atmosphären auf diesen Überzug aufgeflockt. Anschließend sprühte man bei einem Druck
von 3,3 Atmosphären eine Masse auf die so
erhaltene Oberfläche.
Diese Masse besaß folgende Zusammensetzung: 100 Volumteile Epoxyharz, 65 Volumteile
Oxyäthyldiäthylentriamin in einer 50gewichtsprozentigen Lösung in Alkohol.
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Das Epoxyharz wurde bei einer Temperatur von 820 C mit einer Geschwindigkeit
von 150 ccm/min und das Amin bei einer Temperatur von 250 C und einer Geschwindigkeit
von 97,5 ccm/min aufgebracht.
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Es wurden innerhalb von 14 Minuten abwechselnd jeweils sechs Schichten
Form- bzw. Überzugsmassen und Aluminiumfasern aufgebracht, bis eine Dicke von 3
mm erzielt worden war; danach wurde diese Schicht 10 Minuten mit einem Luftdruckhammer
zusammengepreßt; elf weitere Schichten wurden aufgesprüht und nochmals 5 bis 10
Minuten zusammengepreßt.
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Nachdem weitere sieben Schichten innerhalb von 10 Minuten aufgebracht
worden waren, worauf 2 Minuten gleichzeitig Formmassen und Metallfasern kontinuierlich
aufgesprüht wurden, wiederholte man das Zusammenpressen und ließ das gesamte System
20 Minuten stehen. Dabei wurde eine exotherme Wärmeentwicklung beobachtet, und das
Zusammenpressen wurde 10 Minuten fortgesetzt.
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Nachdem das gesamte System 24 Stunden bei Zimmertemperatur stehengelassen
worden war, wurde die Lehre aus der Form entfernt. Sie wog 1917 g, und ihre Arbeitsfläche
besaß die genaue Form und Größe des Hohlraums der Mahagoniform, war glatt und fest
und besaß die obenerwähnten gewünschten Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten
Gegenstände.
ähnliche Ergebnisse werden auch mit Polyester-Formmassen erhalten.
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PATENTANSPüCHB: 1. Verfahren zum Herstellen von mehrlagigen Formteilen
oder Überzügen durch Aushärten von Formmassen, die Polyepoxyde oder ungesättigte
Polyester und daran anpolymerisierbare Monomere, Katalysatoren sowie metallische
Füllstoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberfläche einer Form
oder eines gegebenenfalls porösen Gebildes aufgebrachte, noch plastische Überzug
aus diesen Form- oder tXberzugsmassen zuvor mit Metallfasern von 0,8 bis 13 mm Länge
bedeckt wird, gegebenenfalls weitere Schichten - dieser Form- oder Überzugsmassen
undMetallfaserschichten abwechselnd aufgetragen werden und dann abschließend wie
üblich, gegebenenfalls unter Druck, ausgehärtet wird.