AT16370U1 - Formgebungsmaschine - Google Patents

Abstract

ln Herstellungszyklen arbeitende Formgebungsmaschine zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus zu einem Lagenaufbau (10) gestapelten, faserverstärkten flächigen Kunststoff -Halbzeugen, mit: - einem Formgebungswerkzeug (8, 9) - einer Pressvorrichtung (7) - einer Heizvorrichtung - einer Steuer- oder Regelvorrichtung (13) - wenigstens einer Messvorrichtung (12) zum Messen zumindest einer Größe, aus welcher Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter bestimmbar sind, wobei - eine Auswerteeinheit (14) vorgesehen ist, welche dazu konfiguriert ist, aus der zumindest einen von der wenigstens einen Messvorrichtung (12) gemessenen Größe Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter zu bestimmen - eine in einer mit der Auswerteeinheit (14) in einer datenübertragenden Verbindung stehende oder in eine solche bringbare Speichereinrichtung vorgesehen ist, in welcher Referenzherstellungsparametern für Herstellungsparameter und/oder Referenzqualitätsparameter für Qualitätsparameter hinterlegt sind - die Auswerteeinheit (14) dazu konfiguriert ist, die bestimmten Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter mit den in der Speichereinrichtung hinterlegten Referenzherstellungsparametern und/oder Referenzqualitätsparametern zu vergleichen und bei Vorliegen von Abweichungen eine Anpassung der Steuerbefehle (15) der Steuer- oder Regelvorrichtung (13) vorzunehmen.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine in Herstellungszyklen arbeitende Formgebungsmaschine zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus zu einem Lagenaufbau gestapelten, faserverstärkten flächigen Kunststoff-Halbzeugen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.

[0002] Ein seit Jahrzehnten etablierter Prozess für die Serienfertigung langfaserverstärkter Verbundbauteile ist die SMC Technologie (Sheet Moulding Compound). Diese zeichnet sich dadurch aus, dass Faserverbundbauteile in kurzer Zykluszeit mit komplexen Geometrien oder mit lackierfähiger Oberflächenqualität hergestellt werden können.

[0003] Als Ausgangsmaterial wird eine Pressformmasse, das ist ein flächiges Halbzeug auf Basis von Fasern (z. B. Kohlenstoff-, Glas- oder Naturfasern), bevorzugt von etwa 25- 55mm Länge, mit einer Kunststoff matrix - bevorzugt aus einem reaktiven Harz (z. B. Epoxid-, Vinylester- oder ungesättigtem Polyesterharz) - eingesetzt. Gängige Materialzusammensetzungen sind etwa in DE 199 49 318 A1 beschrieben.

[0004] Ferner wurde auch die Kombination mit thermoplastischen Zuschlagstoffen zur Reduktion der Schwindung und/oder der Styrolemissionen in EP 1 225 203 A1 vorgeschlagen. Vermehrt werden auch, wie in der DE 10 2011 079 525 A1 beschrieben, rezyklierte Faserchargen als Ausgangsrohstoff verwendet.

[0005] Die abschließende Reaktion und Aushärtung der reaktiven Matrix findet während des SMC Prozesses statt.

[0006] Das Ausgangsmaterial wird gemäß der erforderlichen Geometrie zurechtgeschnitten, die einzelnen Lagen werden gestapelt (stacking), abgewogen und an das gewünschte Endbauteilgewicht angepasst. Dieser Lagenaufbau (Stack, Halbzeug, Pressformmasse) wird nun mittels Roboter in die Unterseite einer in einer vertikal schließenden Pressvorrichtung aufgespannten, beheizten Formgebungswerkzeughälfte eingelegt.

[0007] Zum Handling dieser Lagenaufbauten wurden neben der Verwendung von Mehrachsrobotern verschiedene weitere Lösungen vorgeschlagen, wie etwa in EP 1 325 802 B1, welche die direkte Kombination mit einem Extruder offenbart.

[0008] Nach der Positionierung des Lagenaufbaus im Formgebungswerkzeug beginnt die Schließbewegung der Aufspannplatten der Pressvorrichtung. Diese Bewegung erfolgt dabei mit hoher Schließgeschwindigkeit, bis die Oberseite des Formgebungswerkzeugs mit dem Lagenaufbau in Kontakt tritt. Je nach Bauart der Pressvorrichtung kann die eigentliche Schließbewegung sowohl durch Bewegung der unteren oder oberen Aufspannplatte der Pressvorrichtung, an welcher die Formgebungswerkzeughälften montiert sind, durchgeführt werden.

[0009] Jener Zeitpunkt, zu welchem der Lagenaufbau in Kontakt mit der oberen Formgebungswerkzeughälfte tritt, wird als Umschaltpunkt bezeichnet. Ab diesem Zeitpunkt muss für die weitere Schließbewegung der Aufspannplatten und damit der Formwerkzeughälften Schließkraft zur Kompression des Lagenaufbaus aufgewendet werden und die Pressmasse beginnt unter dem Einfluss der so erzeugten Presskraft zu fließen. Zumeist wird dabei ein definiertes Prägeprofil (Weg- oder Kraftprofil) vorgegeben. Die erforderliche Schließkraft setzt sich dabei aus der projizierten Bauteiloberfläche, der verwendeten Pressmasse, der geforderten Oberflächenqualität und des notwendigen Forminnendrucks zur vollständigen Füllung der Kavität zusammen.

[0010] Üblicherweise erfolgt das Heizen des Lagenaufbaus mittels der Heizvorrichtung indirekt über ein Heizen des Formgebungswerkzeugs. Mit in Kontakt treten des Lagenaufbaus mit dem beheizten Formgebungswerkzeug wird der Lagenaufbau beidseitig beheizt. Dadurch sinkt die Viskosität der Pressmasse und diese wird fließfähig, zudem beginnt der Reaktionsprozess des Matrixmaterials. Aus diesem Grund ist ein rascher Schließvorgang erforderlich, damit eine zu lange einseitige Erwärmung des Kunststoff- Halbzeugs vermieden wird.

[0011] Nach dem Erreichen des Umschaltpunktes wird zumeist die Restluft in der Kavität des Formgebungswerkzeugs durch Evakuieren der Kavität reduziert.

[0012] Durch den weiteren Schließvorgangs anhand des vorgegebenen Schließprofils wird das Formgebungswerkzeug definiert geschlossen, die Pressformmasse füllt die Kavität des Formgebungswerkzeugs vollständig aus und die Matrix des Kunststoff-Halbzeugs reagiert vollständig aus. Nach etwa 2-5 Minuten kann das Faserverbundbauteil aus der Form entnommen werden. Fallweise kann eine Nachbearbeitung, beispielsweise ein Fräsen der Kanten, erfolgen.

[0013] Die Prozessparameter müssen an den Werkstoff der Pressformmasse angepasst werden. Bei den Pressmassen wird abhängig vom Schrumpf zwischen LP (Low Profile) und LS (Low Shrink) Pressformmassen unterschieden, wobei für hohe Oberflächenqualität am Bauteil (Class-A-Oberflächen) LP Materialien mit keiner oder einer negativen Schwindung zum Einsatz kommen. Bei Pressformmassen für Bauteile mit erhöhten Oberflächenanforderungen (Class-A-Oberflächen) findet gegebenenfalls während des Schließprofils ein temporärer Entlastungshub statt.

[0014] Typischerweise kommen beim SMC Verfahren Tauchkantenwerkzeuge zum Einsatz.

[0015] Die Werkzeuge sind üblicherweise auf 120 -160 °C temperiert und fallweise mit spezifischer Sensorik, u. a. zur Messung des Forminnendruckes, des Aushärtegrads und/oder der Temperatur ausgestattet.

[0016] Herstellungs- und Qualitätsparameter: [0017] Unter Herstellungsparameter versteht der Fachmann jene Parameter, welche den Herstellungszyklus direkt beeinflussen und an der Formgebungsmaschine gemessen, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden können. Daneben gibt es Qualitätsparameter, welche an der Formgebungsmaschine oder einer Nachfolgeeinheit aufgezeichnet oder ausgegeben werden.

[0018] Als entscheidende Herstellungsparameter für die Herstellung hochqualitativer, maßhaltiger und porenfreier Faserverbundbauteile sind der durch den Schließprozess aufgebrachte Forminnendruck und der Temperaturverlauf während der Aushärtung anzusehen. So führt eine fehlerhafte Prozessführung zur Entstehung von teils sichtbaren Bauteilfehlern wie etwa Lunker, Pinholes, Schlieren an der Oberfläche, Faserabdrücke an der Oberfläche oder gar unvollständig gefüllten Bauteilen. Ferner kann es aber auch zu visuell nicht erkennbaren strukturellen Schwachstellen wie etwa einer verstärkten Porosität kommen. Diese wirken sich in besonderem Maße nachteilig auf die Gebrauchseigenschaften der Faserverbundbauteile aus.

[0019] Weitere Herstellungsparameter neben dem Forminnendruck- und dem Schließkraftverlauf, welche an der Formgebungsmaschine einzeln oder in beliebiger Kombination gemessen oder aufgezeichnet werden können, sind beispielsweise die Zykluszeit, die Plattenparallelität der Aufspannplatten der Pressvorrichtung, die Formhöhe des Formgebungswerkzeugs, Gewicht des Lagenaufbaus, das Werkzeugspaltmaß oder die Holmdehnung, Temperatur des Formgebungswerkzeugs, Vakuumlevel während der Schließbewegung, Evakuierungsdauer und/oder Aushärtezeit im Formgebungswerkzeug.

[0020] Je nach Betriebsweise einer Formgebungsmaschine kann ein Parameter sowohl einen Herstellungsparameter oder einen Qualitätsparameter darstellen.

[0021] Aktuell werden die gefertigten Faserverbundbauteile im Anschluss an die Herstellung zumeist auf ihre Maßhaltigkeit und Oberflächeneigenschaften geprüft. Diese Prüfung beinhaltet zumeist eine Sichtkontrolle durch den Bediener. Zum Zeitpunkt dieser Inspektion sind allerdings schon einiges an Zeit und Kosten für das jeweilige Faserverbundbauteil aufgewandt worden und ist die Produktion weitergeführt worden. Auch aus dieser Prüfung sind Qualitätsparameter mit Bezug zum Faserverbundbauteile ableitbar.

[0022] Nachteile des Stands der Technik: [0023] Als Herstellungsparameter werden üblicherweise materialabhängige und vom Material- hersteiler vorgegebene Schließgeschwindigkeits- oder Schließkraftprofile eingestellt und je nach Faserverbundbauteil empirisch angepasst. Mit Ausnahme des Forminnendrucks und der visuellen Bauteilinspektion werden derzeit keine aussagekräftigen Qualitätskriterien zur Quali-täts- und Fertigungsoptimierung bei der SMC-Fertigung eingesetzt.

[0024] Eine zentrale Rolle kann bei der SMC-Verarbeitung zunächst der eingesetzten Materialmenge beigemessen werden: Bei einer dem Stand der Technik entsprechenden Betriebsweise eines SMC-Verfahrens werden üblicherweise bei einer halbautomatisierten Fertigung die Halbzeugzuschnitte mittels Schneidtisch vorgefertigt, gestapelt, ggf. nachgewogen und der Lagenaufbau per Hand in die Form eingebracht. Bei einer vollautomatisierten SMC-Fertigung hingegen werden die Zuschnitte einzeln von einem Roboter gewogen, der Lagenaufbau gravi-metrisch angepasst und automatisiert in das Formgebungswerkzeug übergeben. In beiden Fällen findet somit eine gravimetrische Kontrolle statt.

[0025] Insbesondere zur akkuraten Gewichtskompensation oder zur Erreichung konstanter Stackgewichte wurden bereits verschiedenste Verbesserungen propagiert. So offenbart etwa die DE 103 35 730 B3 eine Möglichkeit zum nachträglichen Auftrag eines pastösen Harzmaterials im Anschluss an den Wiegevorgang. Alternativ dazu wurde in der DE 40 12 266 A1 vorgeschlagen, bei Gewichtsschwankungen des SMC-Materials diese in verschiedene Segmente zu teilen und für verschiedene Stacks zu verwenden. Die in der DE 103 35 730 B3 propagierte Möglichkeit eines nachträglichen Auftrags eines pastösen Harzmaterials im Anschluss an den Wiegevorgang bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass ein weiteres Material mit abweichender Konsistenz oder Reifegrad eingebracht wird, was zu einer Verschlechterung der Reproduzierbarkeit des Prozesses führt. Ein vergleichbares Problem bringt die in der DE 40 12 266 A1 dargestellte Lösung mit sich, dort werden Segmente von Halbzeugmatten für verschiedene Stacks bzw. Bauteile verwendet. Diese Segmente unterscheiden sich in Ihrem Reifegrad und es kommt zu Inhomogenitäten bei der Bauteilherstellung, zudem müssen zusätzliche Magazine zur Aufbewahrung bereitgestellt werden und die gesamte Automatisierung dann angepasst werden.

[0026] Bereits bei der Herstellung der faserverstärkten flächigen Kunststoff-Halbzeuge treten chargenweise große Schwankungen der Dichte auf. Dies kann aufgrund von unterschiedlichen Reifezeiten des SMC-Materials, schwankender Toleranz- und Produktionsbedingungen, Temperaturschwankungen bei der Herstellung, Lagerung oder Verarbeitung der Fall sein. Bei vergleichbarem Stackgewicht führt dies zu unterschiedlichen Volumina an verfügbarer Pressmasse für die Bauteilherstellung, dies wird durch die gravimetrische Kontrolle naturgemäß nicht detek-tiert.

[0027] Bei sonst identischen Verarbeitungsbedingungen (eingestelltes Prägeprofil) variieren somit trotzdem die Ausgangsbedingungen. So führt ein erhöhtes Volumen an Pressmasse bei unveränderter Schließgeschwindigkeit zwangsläufig zu einem erhöhten Forminnendruck oder einer verstärkten Leckage über die Tauchkante. Bei Regelung nach Schließkraft kann abhängig von der Auslegung der Tauchkante eine mangelnde Maßhaltigkeit des Bauteils die Folge sein.

[0028] Die oben beschriebenen Schwankungen durch den Herstellungsprozess der Pressmasse haben zudem einen Einfluss auf deren Viskosität. Diese ist entscheidend für den Fließvorgang und das vollständige Füllen der Kavität des Formgebungswerkzeugs. Eine zu hohe Viskosität erschwert den Fließprozess und kann zu einer nicht vollständigen Füllung der Kavität oder zu Oberflächendefekten wie Fließmarkierungen etc. führen. Eine zu geringe Viskosität hingegen kann zu Undefiniertem Matrixmaterialaustritt über den Tauchkantenspalt, sowie daraus resultierenden Inhomogenitäten im Bauteilbereich wie etwa Faseranhäufungen führen.

[0029] Ein weiterer Einflussfaktor, der derzeit in der Produktion kaum berücksichtigt wird, ist der Reifegrad des eingesetzten Materials, also bis zu welchem Ausmaß die Pressmasse bei der Herstellung und Konfektionierung bereits zu reagieren begonnen hat (üblicherweise 3 - 5 % Umsatzgrad). Da auch der Reifegrad Einfluss auf den Viskositätsverlauf bei der Formgebung hat, kann dieser zu vergleichbaren Schwankungen führen.

[0030] Eine regelmäßig propagierte Verfahrensvariante ist in diesem Kontext das Direkt-SMC-

Verfahren, wie es beispielsweise in der DE 10 2009 046 670 A1 beschrieben wird. Hierbei wird das Halbzeug in einer direkt der Presse vorgelagerten Anlage aus den dafür benötigten Grundrohstoffen (Fasern, Harz, Zuschlagstoffe) kontinuierlich hergestellt und abgelängt. Zumeist wird für die räumliche Zusammenführung von Halbzeugherstellung und direkt nachgelagerter Verarbeitung eine verbesserte Prozesskonstanz propagiert, ein Nachweis dafür wurde bis heute jedoch nicht erbracht. In den meisten Fällen ist diese Art der Prozessführung für den Verarbeiter keinesfalls wirtschaftlich und hat sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt.

[0031] Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass eine dem Stand der Technik entsprechende Betriebsweise von SMC-Verarbeitungsmaschinen sich durchaus für die Herstellung von Faserverbundbauteilen bewährt hat, jedoch noch erhebliches Optimierungspotential gegeben ist. Verschiedene für die Bauteilqualität relevante Herstellungsparameter werden nicht erfasst, aufgezeichnet oder als Basis für eine Optimierung der Prozessparameter genutzt.

[0032] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Formgebungsmaschine und eines Verfahrens, bei welchen die oben diskutierte Nachteile nicht auftreten.

[0033] Diese Aufgabe wird durch eine Formgebungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0034] Effekt der Erfindung ist die maschinenseitige Anpassung von Herstellungsparametern auf Basis von gemessenen Herstellungsparametern und/oder Qualitätsparametern. Ferner kann auch bei detektierbaren und/oder quantifizierbaren Defekten an hergestellten Faserverbundbauteilen ein Gegensteuern der Formgebungsmaschine erfolgen, in diesem Fall werden die Herstellungsparameter für den (bevorzugt unmittelbar) folgenden Herstellungszyklus angepasst. Durch die Erfindung können Schwankungen von Halbzeugeigenschaften wie etwa der Dichte oder des Volumens der eingesetzten Kunststoff-Halbzeuge maschinenseitig kompensiert werden. Auch sich während der Herstellung kontinuierlich ändernden externen Einflussfaktoren wie etwa Temperatur oder Luftfeuchtigkeit kann, sofern sie einen messbaren Einfluss auf die gemessenen Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter haben, entgegengewirkt werden.

[0035] Die Anpassung der Herstellungsparameter erfolgt bevorzugt nur, wenn werkseitig oder von einem Bediener vorgegebene Toleranzen überschritten werden.

[0036] Die Bestimmung der Herstellparameter kann in Form von Einzelwerten oder in Form eines Verlaufs oder einer Summe über einen definierten Betrachtungszeitraum erfolgen.

[0037] Die Messung der Herstellungsparameter kann in einer gesonderten Auswerteeinheit oder direkt durch die Steuer- oder Regelvorrichtung der Formgebungsmaschine erfolgen. Die Bestimmung der Qualitätsparameter kann durch einen Bediener erfolgen, welcher der Auswerteeinheit das Ergebnis der Bestimmung bekannt gibt. Die Herstellungsparameter können fallweise einen Rückschluss auf Qualitätsparameter des Faserverbundbauteils ermöglichen.

[0038] Ist es z. B. das erklärte Ziel, Faserverbundbauteile mit besonders konstanter Wandstärke herzustellen, so kann aus einer gemessenen Formhöhe des Formgebungswerkzeugs, der erforderliche, Bauteilwandstärke, der gemessenen oder berechneten Holmdehnung oder des Schließkraftverlaufs während des Herstellungszyklus auf die resultierende Bauteilwandstärke des aktuell hergestellten Faserverbundbauteils rückgeschlossen und etwaige Abweichungen festgestellt werden.

[0039] Abweichungen der Wandstärke können beim SMC-Verfahren beispielsweise auftreten, wenn entweder die falsche Menge an Kunststoff-Halbzeug eingebracht wurde, was an sich durch automatisierte Wägezellen nur mehr selten auftritt. Jedoch können Dichteschwankungen des Kunststoff-Halbzeugs auch bei korrekt ermittelter Masse zu einer Abweichung im Halbzeugvolumen führen. Gründe für diese Dichteschwankungen liegen im Produktionsprozess des Kunststoff-Halbzeugs oder sind durch abweichende Reife des Materials erklärbar. So kann durch unsachgemäße Lagerung, die Aushärtereaktion der Kunststoff-Matrix bereits weiter fort geschritten sein als es für die Produktion zulässig wäre. Dies führt zu Abweichungen in Viskosität, Dichte und Reifegrad.

[0040] Wird beispielsweise ein zu großes Halbzeugvolumen in das Formgebungswerkzeug eingebracht, so läuft der Herstellungsprozess gemäß den eingestellten Parametern ab. Durch das überschüssige Material im Formgebungswerkzeug kann diese nicht mehr vollständig geschlossen werden und es resultiert ein zu dickes Faserverbundbauteil. Gemäß der Abweichung der erreichten Formhöhe relativ zu einem Referenzwert kann für den nächsten Herstellungszyklus das eingebrachte Volumen reduziert werden. Voraussetzung dafür ist, dass ein Zusammenhang zwischen Bauteilvolumen und Dicke bekannt ist. Zudem kann ein zu früher Anstieg des Forminnendrucks als Kriterium für zu viel in das Formgebungswerkzeug eingebrachte Masse herangezogen werden.

[0041] In gleicher Weise kann, durch ein zu weit geschlossenes Formwerkzeug ein zu kleines Habzeugvolumen festgestellt werden. Gemäß der Abweichung der erreichten Formhöhe relativ zu einem Referenzherstellungsparameter kann für den nächsten Herstellungszyklus das eingebrachte Volumen erhöht werden. Voraussetzung ist wiederum, dass ein Zusammenhang zwischen Bauteilvolumen und Dicke bekannt ist.

[0042] Eine zu hohe Viskosität der Pressmasse durch zu hohe vorherige Reifung hat zur Folge, dass bereits beim Schließen des Formgebungswerkzeugs, welches üblicherweise zunächst mit konstanter Geschwindigkeit durchgeführt wird, eine höhere Schließkraft bei identischem Schließprofil aufgebracht werden muss. Als Maß für die Quantifizierung können dabei neben der Schließkraft zu einem definierten Zeitpunkt auch der Forminnendruck, die maximal erforderliche Schließkraft oder deren Verlauf während der geschwindigkeitsgeregelten Phase und/oder die in Summe aufgebrachte Schließkraft über einen definierten Zeitraum verwendet werden. Ist dies der Fall, kann zur Kompensation der erhöhten Viskosität für den nächsten Herstellungszyklus ein schnelleres Schließprofil vorgegeben werden. Möchte man bereits während des Herstellungszyklus gegensteuern, kann die Formgebungsmaschine die Schließkraft derart anpassen, dass der Druck während des Schließprofils in der Kavität des Formgebungswerkzeugs auf den Referenzparameterwert gebracht wird. Auf diese Weise lässt sich somit frühzeitig die Entstehung von Bauteilfehlern wie Poren oder Lunker zum Großteil vermeiden.

[0043] Kann trotz Ausnutzung der maximal zur Verfügung stehenden Schließkraft das Schließprofil nicht mehr realisiert werden, kann dies im äußersten Fall zu einer unvollständigen Füllung der Kavität führen. In diesem Fall ist es möglich, nach Abschluss des Herstellungszyklus den Belegungsgrad des Formgebungswerkzeugs durch eine Variation des Lagenaufbaus zu ändern und somit die erforderlichen Fließwege zu reduzieren - dies entspricht einer Optimierung des folgenden Herstellungszyklus.

[0044] Ein weiteres Beispiel wäre die Messung bzw. Beurteilung der Oberflächenqualität der Faserverbundbauteile. Dabei können zur Beurteilung von Class-A-Oberflächen mitunter der Glanzgrad, die Rauigkeit, die Kurz- bzw. Langweiligkeit und/oder andere Oberflächencharakteristika herangezogen werden, um Rückschlüsse auf die Qualität des Formgebungswerkzeuges oder dessen Oberfläche ziehen zu können. In weiterer Folge kann die Formgebungsmaschine in einem der folgenden Herstellungszyklen auf die Abweichung reagieren und einen oder mehrere Herstellungsparameter anpassen. Dabei haben beispielsweise die Schließkraft, Schließgeschwindigkeit und Temperatur einen maßgeblichen Einfluss auf die Oberflächenqualität des Faserverbundbauteils. Kommt es in der Fertigung durch externe Einflüsse zu Temperaturunterschieden auf der Oberfläche der Kavität des Formgebungswerkzeugs, so können sich am Faserverbundbauteil bereits in den kälteren Bereichen Fließmarkierungen oder matte Stellen abzeichnen.

[0045] Weiters wirken sich Schwankungen der Viskosität der Pressformmasse, resultierend aus unterschiedlichen Reifegraden (Reaktivität der Harzkomponente), auch auf die Zykluszeit des Herstellungszyklus aus. Somit kann bei einer unveränderten Zykluszeit die Aushärtezeit in der Kavität zu gering sein, um das Faserverbundbauteil ohne Formverlust entformen zu können. Eine höhere Viskosität hingegen würde erlauben die Aushärtezeit zu verkürzen und dem Her-

Stellungszyklus einen zeitlichen sowie energetischen Vorteil bieten.

[0046] Bevorzugt ist die Heizvorrichtung so ausgeführt, dass das Beheizen des Formgebungswerkzeugs direkt durch Beaufschlagung mit einem entsprechenden Heizmedium (z. B.: Öl, Wasser, Wasserdampf, ...) erfolgt und gegebenenfalls unter Verwendung von im Formgebungswerkzeug angeordneten Heizkanälen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis 6 diskutiert.

[0047] Fig. 1 zeigt eine Herstellungslinie für Faserverbundbauteile unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Formgebungsmaschine.

[0048] Fig. 2 zeigt eine automatisierte Anpassung von Herstellungsparametern für einen nachfolgenden Herstellungszyklus anhand definierter Referenzqualitätsparameter.

[0049] Fig. 3 zeigt eine automatisierte Anpassung von Herstellungsparametern anhand definierter Referenzqualitätsparameter bereits während des Herstellungszyklus.

[0050] Fig. 4 zeigt den Einfluss der Viskosität einer Pressformmasse auf den Forminnendruck in einem Formgebungswerkzeug.

[0051] Fig. 5 zeigt den Verlauf der Schließkraft während des Schließ- und Aushärtungsprozesses.

[0052] Fig. 6 zeigt den Einfluss der Viskosität auf die Formposition des Formgebungswerkzeugs.

[0053] Bei einem Verfahren wie in Fig. 1 dargestellt, wird zunächst das als Rollenware 2 angelieferte, flächige faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug mit einer Abrollvorrichtung 1 abgerollt. Das Ablängen der Bahnen findet auf einem Schneidtisch 3 gemäß der Zielgeometrie statt. Diese Zuschnitte 4 werden dann von einem Handlingroboter 6 übernommen, auf einer Wiegeeinrichtung 5 zu einem Lagenaufbau 10 (Stack) gestapelt und gewogen. Der fertige Lagenaufbau 10 wird sodann vom Handlingsroboter 6 in die untere Hälfte 9 eines in einer vertikalen Pressvorrichtung 7 aufgespannten Formgebungswerkzeugs 8, 9 eingelegt. Anschließend verfährt die Pressvorrichtung 7 und schließt das Formgebungswerkzeug 8, 9 durch Bewegung der oberen Formgebungswerkzeughälfte 8. Während des Schließvorgangs wird das Formgebungswerkzeug 8, 9 zumeist evakuiert. Durch den Schließvorgang wird der eingelegte Lagenaufbau 10 zunächst komprimiert und dann zum fertigen Faserverbundbauteil verpresst, welches anschließend von einem weiteren Handlingroboter 11 entnommen werden kann.

[0054] Über eine Messvorrichtung 12 kann dabei eine Größe während des laufenden Betriebes ermittelt werden, durch welche ein Herstellungsparameter zu einem der von der Pressvorrichtung 7 durchgeführten Herstellungszyklus und/oder die Qualität eines hergestellten Faserverbundbauteils repräsentierenden Qualitätsparameter bestimmbar ist.

[0055] Diese ermittelte Größe der Messvorrichtung 12 ist mittels einer signalübertragenden Leitung (hier strichliert dargestellt) an eine Auswerteeinheit 14 übermittelbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 14 in die Steuer- oder Regeleinheit 13 integriert.

[0056] Durch die Auswerteeinheit 14 kann anschließend durch die der Messvorrichtung 12 gemessene Größe ein Qualitätsparameter und/oder ein Herstellungsparameter bestimmt werden und dieser mit einem in einer Speichereinrichtung (in diesem Ausführungsbeispiel in die Auswerteinheit 14 integriert) hinterlegten Referenzqualitätsparameter und/oder Referenzherstellungsparameter verglichen werden. Bei Vorliegen einer Abweichung des oder der bestimmten Herstellungsparameter von dem oder den Referenzherstellungsparametern kann die Auswerteeinheit 14 einen Steuerbefehl 15, welcher von der Steuer- oder Regeleinheit 13 an die Pressvorrichtung 7 mittels einer hier strichliert dargestellten signalleitenden Leitung übermittelt wird, anpassen.

[0057] In diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizvorrichtung in beide Formgebungswerkzeughälften 8,9 integriert und gemäß dem Stand der Technik ausgeführt.

[0058] Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem eine automatisierte Anpassung von Herstellungsparametern an Hand vorgegebener Referenzqualitätsparametern erfolgt. Dabei wird zunächst ein Kunststoffverbundkörper gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Schema hergestellt. Tritt während dieser Herstellung eine Abweichung eines oder mehrerer definierter Qualitätsparameter von den entsprechenden Referenzqualitätsparametern auf oder wird nachträglich bei einer Qualitätskontrolle erfasst, so wird in der Folge zumindest ein Herstellungsparameter angepasst.

[0059] Diese Anpassung kann anhand einer vorgegebenen Matrix von Referenzherstellungsparametern, einem vorgegebenen Algorithmus, einem neuronalen Netzwerk oder einem (prädikti-ven) Regler erfolgen. Für den nächsten Herstellungszyklus wird somit ein neuer Satz an Herstellungsparametern mit zumindest einem veränderten Herstellungsparameter verwendet.

[0060] Fig. 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem anders als in Fig. 2 eine Anpassung der Herstellungsparameter und somit eine Optimierung bereits während des laufenden Herstellungszyklus stattfindet. Basis hierfür sind jene Herstellungsparameter, die bereits während des Herstellungszyklus eine Aussage über resultierende Qualitätsparameter zulassen.

[0061] Fig. 4 zeigt den Verlauf von Formposition und Forminnendruck während des Schließ-und Aushärtungsprozess beim erfindungsgemäßen Verfahren.

[0062] Der Schließprozess der Pressvorrichtung 7 setzt sich im Wesentlichen aus drei unterschiedlichen Phasen zusammen. Im ersten Schritt (Phase 1) wird das Formgebungswerkzeug 8, 9 bis zu einer definierten Position, meistens bis zum Kontakt der oberen Formgebungswerkzeughälfte 8 mit der Pressform masse (z. B. Lagenaufbau 10), z. B. über Eilgangs- bzw. Schnellverfahrzylinder geschlossen.

[0063] Nun werden (auf einer Säulenpresse) die Holmmuttern geschlossen und das Formgebungswerkzeug 8, 9 wird geschwindigkeitsgesteuert und optional auch parallelitätsgeregelt geschlossen (Phase 2). Durch das beginnende Fließen der sich erwärmenden Pressmasse wird die Kavität des Formgebungswerkzeugs 8, 9 gefüllt und es baut sich ein Forminnendruck auf.

[0064] Vor oder mit Ende einer vollständigen volumetrischen Füllung der Kavität wird statt einer definierten Schließbewegung nunmehr die Schließkraft als Regelparameter herangezogen (kraftgeregeltes Prägeprogramm - Phase 3). Erfahrungsgemäß steigt der Forminnendruck weiter an, sinkt jedoch nach dem Einsetzen der Schwindung des Materials wieder langsam ab.

[0065] Eine Erhöhung der Viskosität der Pressmasse lässt sich durch einen im Vergleich zu einem Referenzbauteil früher stattfindenden, steileren und ggf. höheren Anstieg des Forminnendrucks beobachten.

[0066] Fig. 5 zeigt den Verlauf der Schließkraft während des Schließ- und Aushärtungsprozesses eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0067] Während der Schließbewegung muss, bis es zu einem Kontakt zwischen Pressmasse und oberer Formgebungswerkzeughälfte 8 kommt, keine nennenswerte Schließkraft aufgebracht werden (Phase 1). Mit Beginn der geschwindigkeitsgesteuerten Phase (Phase 2), wird die Pressmasse leicht komprimiert und der Fließprozess in der Kavität beginnt. Dies äußert sich in einer langsamen Erhöhung der erforderlichen Schließkraft während der Schließbewegung.

[0068] Mit einsetzender volumetrischer Füllung der Kavität steigt der Fließwiderstand stark an, da ein Fließen des Materials nur mehr über die Tauchkante des Formgebungswerkzeugs 8, 9 möglich ist, welche über einen wesentlich geringeren Strömungsquerschnitt als die Kavität verfügt. Dies führt zu einem starken Anstieg der erforderlichen Schließkraft, da nun auch Kraft für die Kompression des Materials aufgewendet werden muss.

[0069] Eine bereits zu Beginn des Prozesses erhöhte Viskosität der Pressmasse (z. B. durch verfrühte Reifung) vermindert deren Fließfähigkeit. Während der geschwindigkeitsgesteuerten Schließphase ist daher bereits ein erhöhter Anstieg der erforderlichen Schließkraft zu beobachten, da neben dem Fließvorgang die Pressmasse bereits in stärkerem Ausmaß komprimiert wird. Erst bei vollständiger volumetrischer Füllung der Kavität erreicht die Schließkraft wieder ein vergleichbares Ausmaß, es sei denn eine vollständige volumetrische Füllung kann nicht mehr erreicht werden (siehe Fig. 6).

[0070] Fig. 6 zeigt den Verlauf der Formposition über die Zykluszeit eines Herstellungszyklus beim erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung zweier Kunststoff-Halbzeuge mit unterschiedlichen Reifegraden. Nach einem schnellen Schließvorgang (Phase 1) folgt ein langsamer geschwindigkeitsgeregelter Schließvorgang (Phase 2), bei welchem bereits eine Kompression der Pressmasse und ein Füllen der Kavität erfolgen. Mit dem Umschalten auf ein vorgegebenes Kraftprofil (Phase 3) wird nur mehr ein geringerer Hub durchgeführt und die gewünschte Bauteildicke erreicht.

[0071] Bei einer Pressmasse mit abweichendem Reifegrad, bei welcher ein Teil der Aushärtungsreaktion bereits vorher abgelaufen ist, kann es dazu kommen, dass eine vollständige Aushärtung auftritt, bevor das Formgebungswerkzeug 8, 9 vollständig geschlossen ist. Während des Kraftprofils (Phase 3) erfolgt dann nur mehr eine unzureichende Schließbewegung des Formgebungswerkzeugs 8, 9. Im Extremfall kann auch bereits das Geschwindigkeitsprofil (Phase 2) nicht mehr abgefahren werden. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 Abrollvorrichtung 2 Rollenware 3 Schneidtisch 4 Zuschnitt 5 Wiegeeinrichtung 6 Handlingroboter 7 Pressvorrichtung 8 obere Formwerkzeughälfte 9 untere Formwerkzeughälfte 10 Lagenaufbau (Stack) 11 weiterer Handlingroboter 12 Messvorrichtung 13 Steuer-oder Regeleinheit 14 Auswerteeinheit 15 Steuerbefehl

Claims (9)

1. Ansprüche

   1. In Herstellungszyklen arbeitende Formgebungsmaschine zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus zu einem Lagenaufbau (10) gestapelten, faserverstärkten flächigen Kunststoff-Halbzeugen, mit: - einem Formgebungswerkzeug (8, 9) zur Aufnahme eines Lagenaufbaus (10) - einer Pressvorrichtung (7) mit relativ zueinander verfahrbaren Aufspannplatten, an welchen das Formgebungswerkzeug (8, 9) montierbar ist und durch welche über das Formgebungswerkzeug (8, 9) eine Presskraft auf einen Lagenaufbau (10) ausübbar ist - einer Heizvorrichtung zum Heizen eines im Formgebungswerkzeug (8, 9) angeordneten Lagenaufbaus (10) - einer Steuer- oder Regelvorrichtung (13) zum Steuern oder Regeln zumindest der Pressvorrichtung (7) und der Heizvorrichtung mittels Steuerbefehlen (15) - wenigstens einer Messvorrichtung (12) zum Messen zumindest einer Größe, aus welcher i. Herstellungsparameter zu einem von der Formgebungsmaschine durchgeführten Herstellungszyklus und/oder ii. die Qualität eines hergestellten Faserverbundbauteils repräsentierende Qualitätsparameter bestimmbar sind dadurch gekennzeichnet, dass - eine Auswerteeinheit (14) vorgesehen ist, welche dazu konfiguriert ist, aus der zumindest einen von der wenigstens einen Messvorrichtung (12) gemessenen Größe Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter zu bestimmen - eine in einer mit der Auswerteeinheit (14) in einer datenübertragenden Verbindung stehende oder in eine solche bringbare Speichereinrichtung vorgesehen ist, in welcher Referenzherstellungsparametern für Herstellungsparameter und/oder Referenzqualitätsparameter für Qualitätsparameter hinterlegt sind - die Auswerteeinheit (14) dazu konfiguriert ist, die bestimmten Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter mit den in der Speichereinrichtung hinterlegten Referenzherstellungsparametern und/oder Referenzqualitätsparametern zu vergleichen und bei Vorliegen von Abweichungen eine Anpassung der Steuerbefehle (15) der Steuer- oder Regelvorrichtung (13) vorzunehmen.
2. 2. Formgebungsmaschine nach Anspruch 1, wobei sich die Herstellungsparameter und Referenzherstellungsparameter beziehen auf Form innendruck- und/oder Schließkraftverlauf, Position des Formwerkzeugs (8, 9), Zykluszeit, Plattenparallelität der Aufspannplatten der Pressvorrichtung (7), Formhöhe des Formgebungswerkzeugs (8, 9), Menge oder Gewicht des Lagenaufbaus (10), Werkzeugspaltmaß und/oder Holmdehnung, Temperaturverlauf des Formgebungswerkzeugs (8, 9), Vakuumlevel während der Schließbewegung, Evakuierungsdauer, Vernetzungsgrad der Kunststoffmatrix und/oder Aushärtezeit im Formgebungswerkzeug (8 ,9).
3. 3. Formgebungsmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Qualitätsparameter und Referenzqualitätsparameter beziehen auf Porosität, Glanzgrad, Wandstärke, Welligkeit, Rauigkeit und/oder Oberflächengüte des hergestellten Faserverbundbauteils.
4. 4. Formgebungsmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (14) dazu konfiguriert ist, die Steuerbefehle (15) in jenem Herstellungszyklus anzupassen, in welchem der Vergleich der Herstellungsparameter mit den Referenzherstellungsparametern erfolgt ist.
5. 5. Formgebungsmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (14) dazu konfiguriert ist, die Steuerbefehle (15) in einem Herstellungszyklus anzupassen, welcher auf jenen Herstellungszyklus folgt, in welchem der Vergleich der Qualitätsparameter mit den Referenzqualitätsparametern erfolgt ist.
6. 6. Formgebungsmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (14) durch die Steuer- oder Regelvorrichtung (13) gebildet ist.
7. 7. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere unter Verwendung einer Formgebungsmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Faserverbundbauteil unter Ausübung einer definierten Druck- und Temperatureinwirkung aus zu einem Lagenaufbau (10) gestapelten, faserverstärkten flächigen Kunststoff-Halbzeugen hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Herstellungsparameter zu einem von der Formgebungsmaschine durchgeführten Herstellungszyklus und/oder die Qualität eines hergestellten Faserverbundbauteils repräsentierende Qualitätsparameter bestimmt werden und dass die bestimmten Herstellungsparameter und/oder Qualitätsparameter mit Referenzherstellungsparametern und/oder Referenzqualitätsparametern verglichen werden und bei Vorliegen von Abweichungen eine Anpassung der definierten Druck- und Temperatureinwirkung vorgenommen wird.
8. 8. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine automatisierte Anpassung von Herstellungsparametern in einem folgenden Herstellungszyklus erfolgt, wenn in einem vorangehenden Herstellungszyklus eine Abweichung eines oder mehrerer Qualitätsparameter von den entsprechenden Referenzqualitätsparametern aufgetreten ist oder bei einer Qualitätskontrolle erfasst wurde.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Anpassung von Herstellungsparameter bereits während eines laufenden Herstellungszyklus stattfindet, wenn in diesem Herstellungszyklus eine Abweichung von Herstellungsparameter von den entsprechenden Referenzherstellungsparametern aufgetreten ist. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen