DE102004046516B4 - Vorrichtung für das und Verfahren zum Umformen und Verbinden von Bauteilen aus thermoplastischem Kunststoff - Google Patents

Vorrichtung für das und Verfahren zum Umformen und Verbinden von Bauteilen aus thermoplastischem Kunststoff Download PDF

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Abstract

Vorrichtung für das Umformen von einem aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteil (3) zum Verbinden des Formteils (3) mit einem Bauteil (4) mittels eines Umformelementes (8), bestehend aus einer Aufnahme (2) zur Einlage der Halbzeuge (3), einer Einrichtung zum Aufheizen (9) der Halbzeuge und einem Werkzeug (12) zum Umformen des am Formteil (3) angeordneten Umformelementes (8), dass
– die Aufnahme (2) mit Mitteln zur Positionierung (5) des Formteils (3) versehen ist und dass
– die Einrichtung zum Aufheizen (9) aus einem Heißluftgebläse (9), besteht, wobei das Heißluftgebläse (9) in Bezug auf das Formteil (3) zustellbar ist und dass
– das Werkzeug (12) zum Umformen gekühlt ist und in Bezug auf das Formteil (3) zustellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Aufnahme (2) für das Formteil (3) auf einem zumindest zwischen einem Arbeitsbereich und einer Bearbeitungsstation beweglichen Träger (1) angeordnet ist,
– wobei in der Arbeitsstation...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Umformen von einem aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteil zum Verbinden des Formteils mit einem Bauteil mittels eines Umformelementes, bestehend aus einer Aufnahme zur Einlage der Halbzeuge, einer Einrichtung zum Aufheizen der Halbzeuge und einem Werkzeug zum Umformen des am Formteil angeordneten Umformelementes, dass die Aufnahme mit Mitteln zur Positionierung des Formteils versehen ist und dass die Einrichtung zum Aufheizen aus einem Heißluftgebläse besteht, wobei das Heißluftgebläse in Bezug auf das Formteil zustellbar ist und dass das Werkzeug zum Umformen gekühlt ist und in Bezug auf das Formteil zustellbar ist.
  • Aus der EP 0 603 177 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen wabenförmigen Strukturen bekannt. In einem der Ausführungsbeispiele wird eine thermoplastische Kunststoffbahn in eine Aufnahme, in Form von Stangen, hineingelegt und anschließend mittels eines Heißgases erwärmt. Anschließend wird der thermoplastische Kunststoff mittels eines Werkzeuges in die Aufnahme hineingepresst, so dass die gewünschte wabenförmige Struktur im Kunststoff erzeugt ist. Das Erwärmen des Kunststoffs erfolgt hierbei direkt oder indirekt mittels eines heißen Gases, das unmittelbar auf das zu verarbeitende Material gerichtet oder in einen entsprechend dem Material geformten Heizschuh hineingeblasen wird.
  • Aus der US 6,093,277 A ist eine Vorrichtung zum Umformen von einem aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteil zum Verbinden des Formteils mit einem Bauteil bekannt. Die Vorrichtung besitzt einen beweglichen Stempel mit einer Kühleinrichtung, die gegen das Formteil bewegbar ist.
  • Die DE 295 07 066 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum Vernieten eines formbeständigen Teils aus thermoplastischem Kunststoff mit angeformten Nietzapfen, wobei jeder Nietzapfen durch eine konzentrisch angeordnete Heißluftdüse so lange mit Heißluft beaufschlagt wird, bis eine Temperatur oberhalb einer Erweichungstemperatur erreicht ist. Nach dem Erreichen der Erweichungstemperatur wird mit Hilfe eines kalten Nietstempels der Kunststoff verformt und wieder unter die Verformungstemperatur abgekühlt, so dass die gewünschten Nietköpfe entstehen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es zum ersten eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der auch mittels Spritzgießverfahren hergestellte thermoplastische Kunststoffe mit verringerten Fertigungszeiten, mit minimalen konstruktiven Mitteln und unter Einhaltung höchster Fertigungsqualitäten hergestellt werden können. Darüber hinaus ist es zum zweiten Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Umformen eines aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteils zum Verbinden des Formteils mit einem separaten Bauteil zu entwickeln. Dieses Verfahren sollte in der Lage sein, kürzere Taktzeiten zu realisieren und höchste Oberflächenqualitäten zu erzeugen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird in Bezug auf die Vorrichtung dahingehend gelöst, dass die Aufnahme für das Formteil auf einem zumindest zwischen einem Arbeitsbereich und einer Bearbeitungsstation beweglichen Träger angeordnet ist, wobei in der Arbeitsstation ein vertikal in Richtung des am Formteil angeordneten Umformelementes verfahrbares Heißluftgebläse angeordnet ist und das Heißluftgebläse unmittelbar oberhalb des Umformelementes positionierbar ist und wobei in der Bearbeitungsstation ein Werkzeug zum Umformen des Umformelementes angeordnet ist. Das Werkzeug zum Umformen besteht aus Edelstahl und ist gekühlt, insbesondere wassergekühlt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung ist nun die Möglichkeit geschaffen die herkömmlichen Taktzeiten zum Umformen von gespritzten Formteilen wesentlich zu reduzieren. Insbesondere durch die separaten Düsen zu jedem Umformelement im Formteil ist die Möglichkeit geschaffen, die Umformelemente punktuell so stark zu erhitzen, dass sie mittels des Werkzeuges zum Umformen innerhalb kürzester Zeiten verformt werden können. In Fortführung der Erfindung und in einer bevorzugten Ausführungsvariante sind dabei die auf das Umformelement ausgerichteten, zustellbaren Düsen in ihrer Querschnittsform an die Form der Umformelemente angepaßt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung des Umformelementes erzielt. Darüber hinaus wird die Aufwärmzeit auf ein Minimum reduziert, da das Gebläse lediglich punktuell und fast ohne Verluste die Heizleistung auf die Umformelemente übertragen kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dann, wenn die Formteile aus einem faserverstärkten, vorzugsweise glasfaserverstärkten Kunststoff gebildet sind. Durch das sehr schnelle Aufheizen mittels der Düsen, die den Kunststoff kurzzeitig über die Glasübergangstemperatur hinaus erhitzen, fängt der Kunststoff an zu fließen, wobei das Glasfasergerüst der durch die Verschmelzung des Kunststoffs hervorgerufenen Verformung nicht folgt und erst durch das Werkzeug in den zum Teil deformierten Kunststoff hineingedrückt wird.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich dahingehend, dass sich durch das sehr starke Erhitzen des Kunststoffs das Umformelement sehr gut an die Form des Werkzeugs anlegt und somit das umgeformte Umformelement eine glatte Oberfläche erhält.
  • In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung dahingehend gelöst, dass mindestens die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    • – Einlegen des Bauteils in das Formteil, wobei das Bauteil im Formteil mittels mindestens eines Umformelementes positioniert wird,
    • – Einlegen des mit dem Bauteil bestückten Formteils in eine Aufnahme,
    • – Zuführen eines Gebläses und Aufheizen des Umformelementes bis über die Erweichungstemperatur des Kunststoffes und
    • – Zuführen eines Werkzeuges und Umformendes Umformelementes, zur unlösbaren Verbindung des Bauteils mit dem Formteil, wobei die Aufnahme auf einem Träger zumindest zwischen einem Arbeitsbereich und einer Bearbeitungsstation verfahren und in einer Vorrichtung positioniert wird, wobei das Umformelement im Arbeitsbereich mittels des Gebläses bis über die Erweichungstemperatur, insbesondere kurz oberhalb der Glasübergangstemperatur, hinaus aufgeheizt, dass das Umformen des Umformelementes in der Bearbeitungsstation mittels des Werkzeugs erfolgt und dass das Werkzeug in der Bearbeitungsstation wassergekühlt wird.
  • Durch den erfindungsgemäßen Ablauf der Verfahrensschritte ist es nun möglich, die Taktzeiten zur Herstellung einer Verbindung eines Formteils mit einem Bauteil wesentlich zu reduzieren. Insbesondere durch den Einsatz eines wassergekühlten Werkzeuges zum Umformen wird die Taktzeit deutlich reduziert. Nach dem Aufheizen der Umformelemente sind diese fließfähig und können mittels des Umformwerkzeuges sehr leicht und schnell in die endgültige Form gebracht werden. Durch das Kühlen des Werkzeuges wird dabei die Haltezeit zum Erkalten des Kunststoffes ebenfalls wesentlich reduziert.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert und an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Es zeigen
  • 1 den Schnitt durch eine Trägerplatte mit einer Aufnahme und einem darin gehaltenen Formteil mit eingelegtem Bauteil,
  • 2 das Formteil mit eingelegtem Bauteil gemäß der 1 und die Einrichtung zum Aufheizen und
  • 3 das Formteil, mit Bauteil und Umformwerkzeug.
  • In der 1 ist ein verfahrbarer Träger 1 mit einer darauf montierten Aufnahme 2 und einem in der Aufnahme gehaltenen Formteil 3 und einem in das Formteil 3 eingelegten Bauteil 4 im Schnitt dargestellt.
  • Auf dem Träger 1, der verfahrbar in der Vorrichtung aufgenommen ist, ist ein Teil einer Aufnahme 2 montiert. Träger 1 und Aufnahme 2 sind hier lediglich ausschnittsweise dargestellt, da lediglich das Arbeitsprinzip der Vorrichtung verdeutlicht werden soll. In einem Ausführungsbeispiel ist der Träger 1 aus Aluminium gefertigt und bietet somit ein leichtes Transportmittel. Um eine Abnutzung zu vermeiden, ist die Aufnahme 2 in diesem Ausführungsbeispiel aus Stahl gefertigt. Die Aufnahme 2 besitzt Ausnehmungen 5, in die das Formteil 3 sehr leicht einlegbar und positionierbar ist. Das Formteil 3 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit einem Glasfaseranteil von maximal 50 bis 60%. An das Formteil 3 ist eine Auflagefläche 6 angeformt, auf der das Bauteil 4 im Formteil aufliegt. Das Bauteil 4 besitzt eine Aussparung 7, durch die ein umzuformendes Umformelement 8 hindurchreicht bzw. da die Aussparung in diesem Ausführungsbeispiel keine Bohrung darstellt, steht das Umformelement 8 über das Bauteil 4 hinaus. Das Bauteil 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein metallisches Blech, an dem wiederum weitere mechanische oder elektrische Bauelemente montierbar sind. Die 1 zeigt somit den Zustand nach dem Einlegen des Formteils 3 ohne feste Verbindung. Anzumerken bleibt hier, dass das Bauteil 4 ebenso aus Kunststoff oder kristallinen Werkstoffen bestehen kann.
  • In der 2 ist das Formteil 3 in den Arbeitsbereich der Vorrichtung verfahren worden, in dem das Gebläse 9 angeordnet ist. Nach dem Erreichen und Positionieren des Formteils verfährt das Gebläse 9 vertikal in Richtung des Pfeils zum Umformelement 8 und bleibt unmittelbar oberhalb des Umformelementes 8 stehen. Deutlich zu erkennen ist die Ausbildung der Düse 10, die an die Form des Umformelementes 8 angepasst ist. Hierdurch wird der erfindungsgemäße Vorteil erzielt, dass mit minimalstem Heizaufwand nahezu ohne Verluste das Umformelement 8 aufgeheizt wird. Je nach Bauteilgeometrie 4 und Formteilaufbau 3 ist es aber ebenso vorstellbar, am Gebläse 9 Luftleitbleche zum Schutz nebenstehender Elemente anzuordnen. Ein Vorteil der Erfindung ist es aber, dass durch die Anpassung der Form der Düsen 10 an das Umformelement 8 auf solche Schutzbleche verzichtet werden kann. Die Versuche haben gezeigt, dass selbst bei Abständen zwischen Umformelement 8 und Formteil 3 von wenigen Millimetern bis zu einem Millimeter auf eine Abschirmung verzichtet werden kann. Durch das Gebläse 9, dessen Gasstrom 11 durch die Pfeile 11 angedeutet ist, wird das Umformelement 8 bis über die Glasübergangstemperatur hinaus erwärmt. Der Werkstoff des Umformelementes 8 fängt an zu fließen. Nach dem Erreichen der gewünschten Temperatur verfährt das Gebläse 9 in seine Ausgangsstellung in vertikale Richtung vom Umformelement 8 gesehen nach oben. Die Form der Düse 10 des Gebläses 9 ist in diesem Beispiel lediglich zweidimensional übereinstimmend dargestellt. Es ist erfindungsgemäß natürlich ebenso vorstellbar, dass das Umformelement eine Kurve oder sogar einen dreidimensionalen Verlauf besitzt, so dass die Düse 10 ebenfalls zwei- oder dreidimensional an das Umformelement 8 angepasst ausgebildet wird.
  • Nun verfährt der Träger 1 das Formteil 3 in die nächste Bearbeitungsstation, in der das Werkzeug 12 zum Umformen bereitsteht. In diesem folgenden Arbeitsschritt, der in 3 dargestellt ist, verfährt das Werkzeug 12 in Richtung des Umformelementes 8 und verformt das Umformelement 8. Dadurch, dass das Umformelement 8 aufgeheizt ist, bildet sich an der Oberfläche des Umformelementes 8 eine der Form 13 des Werkzeugs 12 entsprechende Kontur beim Umformen auf dem Umformelement 8 ab. Diese Form 13 ist üblicherweise sehr glatt, so dass sich auf dem umgeformten Umformelement 8 eine sehr glatte Oberfläche ausbildet. Diese sehr sauberen Oberflächen stellen einen erfindungsgemäßen Vorteil dar, da bei weiteren Verarbeitungsschritten keine scharfen Kanten vorhanden sind. Durch das Kühlen des Werkzeugs 12 sind darüber hinaus die Haltzeiten deutlich reduziert. Weiterhin tritt durch den sehr schnellen und leichten Umformprozess des Umformelementes kein Verschleiß am Stempel des Werkzeuges auf. Insbesondere wird ein Verzundern des Werkzeuges 12 wesentlich reduziert.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist für das Formteil 3 ein glasfaserverstärkter Kunststoff eingesetzt, der einen Glasfaseranteil von weniger als 50% aufweist. Dieser Werkstoff wird mittels des Gebläses 9 mit einem Gasstrom von etwa 700°C kurzzeitig über die Glasübergangstemperatur erhitzt. Anschließend erfolgt das Umformen mittels des Werkzeuges 12 und einem Halten des Werkzeugs 12 zum Formen und Abkühlen mit einer Zeit zwischen ca. 2 und 5 Sekunden. Der Gasstrom 11, der insbesondere ein Luftstrom oder ein Schutzgasstrom 11 sein kann, liegt bei Drücken von 0,2 bis 0,4 bar. Mit dieser Vorrichtung und dem entsprechend dargestellten Verfahren ist es somit möglich, Taktzeiten von weniger als 10 Sekunden zum Verbinden von Bauteilen 3, 4 zu erzielen.
  • Darüber hinaus können bei Kunststoffen mit ähnlichen Glasübergangstemperaturen auch unlösbare Umformprozesse mit Verschmelzungen erzielt werden, die ein Abdichten zwischen Bauteil 4 und Formteil 3 ermöglichen. Darüber hinaus ist es möglich eine sehr homogene Schmelzzone zu erzeugen.

Claims (6)

  1. Vorrichtung für das Umformen von einem aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteil (3) zum Verbinden des Formteils (3) mit einem Bauteil (4) mittels eines Umformelementes (8), bestehend aus einer Aufnahme (2) zur Einlage der Halbzeuge (3), einer Einrichtung zum Aufheizen (9) der Halbzeuge und einem Werkzeug (12) zum Umformen des am Formteil (3) angeordneten Umformelementes (8), dass – die Aufnahme (2) mit Mitteln zur Positionierung (5) des Formteils (3) versehen ist und dass – die Einrichtung zum Aufheizen (9) aus einem Heißluftgebläse (9), besteht, wobei das Heißluftgebläse (9) in Bezug auf das Formteil (3) zustellbar ist und dass – das Werkzeug (12) zum Umformen gekühlt ist und in Bezug auf das Formteil (3) zustellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Aufnahme (2) für das Formteil (3) auf einem zumindest zwischen einem Arbeitsbereich und einer Bearbeitungsstation beweglichen Träger (1) angeordnet ist, – wobei in der Arbeitsstation ein vertikal in Richtung des am Formteil (3) angeordneten Umformelementes (8) verfahrbares Heißluftgebläse (9) angeordnet ist und – das Heißluftgebläse (9) unmittelbar oberhalb des Umformelementes (8) positionierbar ist und – wobei in der Bearbeitungsstation ein Werkzeug (12) zum Umformen des Umformelementes (8) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung für das Umformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines jeden Umformelementes (8) des Formteils (3) eine separate Düse (10) des Gebläses (9) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung für das Umformen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Düse (10) der Projektionsfläche des Umformelementes (8) entspricht.
  4. Vorrichtung für das Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (12) wassergekühlt ist.
  5. Verfahren zum Umformen eines aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Formteils (3) zum Verbinden des Formteils (3) mit einem Bauteil (4) mit mindestens folgenden Verfahrensschritten: – Einlegen des Bauteils (4) in das Formteil (3), wobei das Bauteil (4) im Formteil (3) mittels mindestens eines Umformelementes (8) positioniert wird, – Einlegen des mit dem Bauteil (4) bestückten Formteils (3) in eine Aufnahme (2, 5), – Zuführen eines Gebläses (9) und Aufheizen (9, 11) des Umformelementes (8) bis über die Erweichungstemperatur des Kunststoffes, – Zuführen eines Werkzeuges (12) und Umformen des Umformelementes (8), zur unlösbaren Verbindung des Bauteils (4) mit dem Formteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (2, 5) auf einem Träger (1) zumindest zwischen einem Arbeitsbereich und einer Bearbeitungsstation verfahren und in einer Vorrichtung positioniert wird, wobei das Umformelement im Arbeitsbereich (8) mittels des Gebläses (9) bis über die Erweichungstemperatur, insbesondere kurz oberhalb der Glasübergangstemperatur, hinaus aufgeheizt, dass das Umformen des Umformelementes (8) in der Bearbeitungsstation mittels des Werkzeuges (12) erfolgt und dass das Werkzeug (12) in der Bearbeitungsstation wassergekühlt wird.
  6. Verfahren zum Umformen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen (9, 11) mittels eines heißen Gases, vorzugsweise Luft oder Schutzgas, durchgeführt wird.
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