-
Die
Erfindung betrifft eine Anlage sowie ein Verfahren zum Herstellen
eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils.
-
Ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Herstellen eines
mehrschichtigen Kunststoffbauteils, beispielsweise einer Instrumententafel
für ein
Kraftfahrzeug, umfasst folgende Schritte: In das Werkzeugunterteil
eines geöffneten Schaumwerkzeugs
wird eine die Kontur des Bauteils abbildende Formhaut, beispielsweise
eine Polyurthan-Formhaut, eingelegt. Daraufhin wird ein aufschäumender
Polyurethan-Kunststoff in die offene Seite der Formhaut gesprüht. Ein
steifes Trägerbauteil,
das einer Anbindung der Instrumententafel an die Fahrzeugkarosserie
dient, wird gleichzeitig an der anderen Werkzeughälfte fixiert.
Nach dem Zusammenfahren der beiden Hälften des Schaumwerkzeugs,
wobei die Formhaut sowie das Trägerbauteil in
einem definierten Abstand zueinander in der Kavität des Werkzeugs
positioniert sind, schäumt
der Polyurethan-Kunststoff aufgrund seiner Eigenreaktivität, gegebenenfalls
unterstützt
durch eine Vortemperierung des Schaumwerkzeugs auf, wobei dieser
den Zwischenraum zwischen dem Trägerbauteil
und der Formhaut ausfüllt.
Mittels des Polyurethan-Schaums wird die Formhaut mit dem Trägerbauteil
verbunden. Auf diese Art und Weise kann ein dreischichtiges Kunststoffbauteil,
beispielsweise eine Instrumententafel für ein Kraftfahrzeug, hergestellt
werden, das aufgrund der steifen Ausführung des Trägerbauteils sowohl
die erforderliche mechanische Festigkeit aufweist als auch die an
ein Innenausstattungsteil eines Kraftfahrzeugs gestellten optischen
und haptischen Anforderungen erfüllt.
Weiterhin wird durch dieses Verfahren die Herstellung eines Bauteils
mit komplexen Geometrien ermöglicht.
-
Bisherige
Schaumanlagen sind als Einzelplatzanlagen ausgeführt, d. h. das Schaumwerkzeug ist
lokal fest positioniert und sämtliche
Verfahrensschritte werden an dieser Position an dem geöffneten oder
geschlossenen Schaumwerkzeug durchgeführt. Die Ausführung einer
Schaumanlage als Einzelplatzanlage hat sich jedoch als unflexibel
herausgestellt. Insbesondere ist es sehr aufwändig, weitere Prozessschritte
in den Herstellprozess zu integrieren. Bei einer Instrumententafel
für ein
Kraftfahrzeug kann ein weiterer Prozessschritt beispielsweise darin bestehen,
eine lokale Hautschwächung
als definierte Aufreißnaht
für einen
Beifahrerairbag einzubringen. Einzelplatzanlagen haben sich insbesondere
dann als unflexibel herausgestellt, wenn an derselben Anlage Bauteile
mit unterschiedlichen Geometrien gefertigt werden sollen, die gegebenenfalls
zusätzlich unterschiedliche
Bearbeitungsschritte erfordern.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine gattungsgemäße Anlage
zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils derart
weiter zu entwickeln, dass eine flexiblere Herstellung eines mehrschichtigen
Kunststoffbauteils ermöglicht
wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
-
Der
Kern der Erfindung sieht vor, bei einer Anlage zur Herstellung eines
mehrschichtigen Kunststoffbauteils mittels eines Kunststoff-Schaumverfahrens
die Werkzeughälften
voneinander zu entkoppeln und zumindest eine Werkzeughälfte, insbesondere
diejenige, in die eine Formhaut eingelegt wird, in der Art einer
Transferkette zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen zu transportieren.
Dadurch wird ermöglicht,
mit den Werkzeughälften
gezielt nur die für
die Herstellung des jeweiligen Bauteils erforderlichen Bearbeitungsstationen
anzufahren. Auf diese Weise kann ein flexibler Herstellungsprozess erreicht
werden.
-
Eine
erfindungsgemäße Anlage
weist somit mindestens zwei Bearbeitungsstationen auf, in denen
Mittel zur Ausführung
zumindest der folgenden Bearbeitungsschritte, die nicht in der angegebenen Reihenfolge
durchgeführt
werden müssen,
vorgesehen sind:
- – Einbringen einer Formhaut
in das Unterteil eines zweiteiligen Schäumwerkzeugs,
- – Fixieren
eines Trägerbauteils
in einer definierten Position zu der Formhaut oder an dem Oberteil des
zweiteiligen Schaumwerkzeugs,
- – Schließen des
zweiteiligen Schaumwerkzeugs, wobei das Oberteil des Schaumwerkzeugs
in Kontakt mit dem Unterteil gebracht wird, um eine die Form des
Kunststoffbauteils abbildende Kavität auszubilden, sowie
- – Einbringen
eines aufschäumenden
Kunststoffs in die Formhaut bei geöffnetem Schaumwerkzeug oder
in die Kavität
des geschlossenen Schaumwerkzeugs.
-
Die
erfindungsgemäße Anlage
weist ferner Transportmittel zum Transportieren zumindest des Werkzeugunterteils
zwischen den Bearbeitungsstationen auf.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Herstellen eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils, werden zumindest
die oben genannten Bearbeitungsschritte an zumindest zwei Bearbeitungsstationen
durchgeführt,
wobei zumindest das Werkzeugunterteil zwischen den Bearbeitungsstationen transportiert
wird.
-
Erfindungsgemäß ist das
Werkzeugunterteil dadurch charakterisiert, dass in dieses die Formhaut eingebracht
wird. Eine Einschränkung
dahingehend, dass dieses in Gravitationsrichtung unterhalb des Oberteils
liegen muss, ist erfindungsgemäß nicht
vorgesehen.
-
Unter
mehrschichtigem Kunststoffbauteil wird erfindungsgemäß ein Bauteil
verstanden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird.
Erfindungsgemäß ist nicht
erforderlich, dass das mehrschichtige Kunststoffbauteil ausschließlich aus
Kunststoff besteht. Insbesondere kann die Formhaut auch aus Leder
bestehen. Auch kann das Trägerbauteil
zumindest teilweise aus anderen Werkstoffen bestehen (z. B. Stahl,
Aluminium).
-
Bei
der Formhaut handelt es sich vorzugsweise – jedoch nicht notwendigerweise – um eine
solche, die bereits die geometrische Form des herzustellenden Kunststoffbauteils
oder zumindest einen Abschnitt hiervon abbildet. Grundsätzlich kann
die Formhaut die erforderliche Geometrie auch erst durch das Einbringen
in das Schaumwerkzeug erhalten. Möglich ist auch, dass ein aushärtender
Kunststoff (z. B. Polyurethan) in das Schaumwerkzeug gesprüht wird
und dort die Formhaut ausbildet.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weisen die Mittel zum Einbringen eines aufschäumenden Kunststoffs in die
Formhaut eine robotergeführte Sprühvorrichtung
auf. Mit einer solchen ist es möglich,
auch bei einem geöffneten
Schaumwerkzeug eine gleichmäßige Schicht
des aufschäumenden Kunststoffs
auch in geometrisch komplexe Formhäute, insbesondere auch solche
mit Hinterschnitten, einzubringen.
-
In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind an einer Bearbeitungsstation Mittel zum Einbringen
einer Bauteilschwächung
vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine Bearbeitungsstation handeln,
an der auch andere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Bevorzugt wird
in dieser Bearbeitungsstation jedoch lediglich die Bauteilschwächung einge bracht.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn nicht bei allen auf der
Anlage herzustellenden Bauteilen eine Bauteilschwächung eingebracht
werden soll bzw. wenn die Bauteilschwächung bei unterschiedlichen
herzustellenden Kunststoffbauteilen auf verschiedene Art und Weise
eingebracht werden. Beispielsweise wird bei einer Instrumententafel,
deren Formhaut eine Oberfläche
aus Leder umfasst, eine Bauteilschwächung häufig auf andere Art und Weise
eingebracht, als dies bei Instrumententafeln erfolgt, deren Formhaut
vollständig
aus Kunststoff besteht. Werden in diesem Fall in der Anlage zwei
Bearbeitungsstationen vorgesehen, wobei die erste davon Mittel zum
Einbringen einer Bauteilschwächung
aufweist, die auch für
Formhäute
mit Lederoberfläche
geeignet sind, während
die andere Bearbeitungsstation derartige Mittel für Kunststoffformhäute vorsieht,
können
die einzelnen Bearbeitungsstationen lediglich von den entsprechenden
Werkzeugunterteilen angefahren werden. Auf diese Weise können auf
einer Anlage verschiedenartige Kunststoffbauteile hergestellt werden,
ohne dass ein Umrüsten
der Anlage und ein dadurch erforderlicher Produktionshalt erforderlich
wäre.
-
Vorteilhafterweise
sind an einer Bearbeitungsstation ferner Mittel zur Beschleunigung
der Aushärtung
des aufgeschäumten
Kunststoffs vorgesehen. Hierbei kann es sich wiederum um eine Bearbeitungsstation
handeln, an der eine oder mehrere weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Die
Mittel können
eine Aushärtung
des aufgeschäumten
Kunststoffs insbesondere durch das Einbringen von Wärmeenergie
beschleunigen. Besonders bevorzugt weisen diese Mittel Mittel zur
Erzeugung von Mikrowellenstrahlung auf, da auf diese Weise ein besonders
effektiver und gezielter Wärmeeintrag
in den aufgeschäumten
Kunststoff möglich ist.
-
Weiterhin
bevorzugt sind an der letzten Bearbeitungsstation Mittel zur automatisierten
Entnahme des Kunststoffbauteils vorgesehen.
-
Weiterhin
bevorzugt weist die erfindungsgemäße Anlage zumindest eine Lagereinrichtung
zur Lagerung von mehreren Werkzeugober- und/oder untertei len auf.
Dadurch können
Werkzeugober- und/oder -unterteile, die im laufenden Produktionsprozess
kurz- oder längerfristig
nicht benötigt
werden, zwischen gespeichert werden.
-
Weiterhin
bevorzugt umfassen die Transportmittel zumindest ein Förderband.
Darunter wird erfindungsgemäß eine fest
installierte Förderstrecke verstanden,
auf der die zu transportierenden Elemente selbsttätig transportiert
werden.
-
Umfassen
die Transportmittel ein Förderband,
kann/können
die Lagereinrichtung(en) vorzugsweise als Pufferstrecke dieses Förderbands ausgebildet
sein. Durch eine entsprechende Länge dieser
Pufferstrecke, gegebenenfalls in Kombination mit einer reduzierten
Transportgeschwindigkeit kann auf diese Weise eine vorteilhafte
Zwischenlagerung der zu transportierenden Werkzeugteile erzielt
werden, ohne dass es erforderlich wäre, diese aus dem Transportprozess
auszuschleusen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anlage
wird zumindest das Werkzeugunterteil von den Transportmitteln in
einem Kreislauf geführt.
Dadurch kann eine Zeitverzögerung
infolge eines erforderlichen Rücktransports
der Werkzeugunterteile verhindert werden.
-
Weiterhin
kann auch das Werkzeugoberteil in einem zweiten Kreislauf geführt werden,
wobei die beiden Kreisläufe
in zumindest einem Abschnitt ineinander übergehen können. Dadurch wird es ermöglicht,
die Werkzeugober- und
-unterteile lediglich an den Bearbeitungsstationen an denen ein
geschlossenes Werkzeug erforderlich ist, zusammenzuführen. Dies
ist insbesondere vorteilhaft, weil in der Regel das Werkzeugunterteil
mehrere Bearbeitungsstationen durchlaufen muss, an denen das Werkzeugoberteil
nicht erforderlich ist. Folglich kann der Kreislauf des Werkzeugoberteils
kürzer
ausgebildet werden als der des Werkzeugunterteils.
-
In
dem gemeinsamen Abschnitt der beiden Kreisläufe werden vorzugsweise die
Mittel zum Schließen
des zweiteiligen Schaumwerkzeugs, zur Beschleunigung der Aushärtung des
aufgeschäumten
Kunststoffs und ferner Mittel zum Öffnen des Schaumwerkzeugs vorgesehen.
Für den
Fall, dass der aufschäumende
Kunststoff in das geschlossene Schaumwerkzeug eingebracht wird,
sind die entsprechenden Mittel zum Einbringen vorzugsweise ebenfalls
auf dem gemeinsamen Abschnitt der beiden Kreisläufe angeordnet.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
In
den Zeichnungen zeigt
-
1:
eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung einer
Instrumententafel für ein
Kraftfahrzeug und
-
2:
den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Ablaufschema.
-
In
der in der 1 dargestellten Anlage wird eine
Instrumententafel 1 für
ein Kraftfahrzeug in mehreren nachfolgend ablaufenden Bearbeitungsschritten
als mehrschichtiges Kunststoffbauteil hergestellt. Die verschiedenen
Verfahrensschritte werden an verschiedenen Bearbeitungsstationen,
die räumlich
voneinander getrennt angeordnet sind, durchgeführt. Die verschiedenen Bearbeitungsstationen
sind über
Förderbänder 2 miteinander
verbunden.
-
An
der ersten Bearbeitungsstation werden Formhäute 3, die als Oberflächenschicht
für die
zu fertigende Instrumententafel ausgebildet sind, manuell an drei
Einlegestationen 4 in Schäumwerkzeugunterteile 6 eingelegt.
Hierzu werden die Formhäute 3 in Gitterboxen 5 entsprechend
ihrer Verarbeitungssequenz angeliefert. Die Formhäute 3 können sich
insbesondere hinsichtlich der Farbe, der Oberflächenbeschaffenheit, jedoch
auch hinsichtlich des Werkstoffs unterscheiden.
-
Nach
dem Einlegen von drei Formhäuten 3 in entsprechende
Werkzeugunterteile 6 an den drei Einlegestationen 4 werden
diese nacheinander an das Förderband 2 übergeben.
Dieses transportiert die Werkzeugunterteile 4 zu der nächsten Bearbeitungsstation 7,
in der in die Formhäute 3 in
einem Bereich, der als Austrittsöffnung
für einen
unterhalb der Instrumententafel angeordneten Airbag vorgesehen ist, eine
Hautschwächung
eingebracht wird. Hierbei wird mittels Roboter 8 unter
Einsatz jeweils eines Schneidmessers die Dicke der Formhaut 3 entlang einer
Sollbruchstelle reduziert. Das Einbringen der Hautschwächung kann
jedoch auch auf beliebige andere, aus dem Stand der Technik bekannte
Art und Weise erfolgen (z. B. durch Laserschwächung). Eine Auswahl der entsprechenden
Schwächungsmethode kann
insbesondere von dem für
die Formhaut verwendeten Werkstoff abhängen.
-
Da
für das
Hautschwächen
eine relativ lange Zeit benötigt
wird (im vorliegenden Fall ca. 48 Sekunden) ist vorgesehen, diesen
Bearbeitungsschritt an zwei Bearbeitungsstationen 7 parallel
durchzuführen. Hierzu
werden die von den Einlegestationen 4 ankommenden Werkzeugunterteile 6 mit
den darin angeordneten Formhäuten 3 nacheinander
auf zwei parallel führende
Förderbänder 2 übertragen,
mittels derer die Werkzeugunterteile 6 einschließlich der Formhäute 3 in
die Arbeitsbereiche der jeweiligen Schwächungsroboter 8 gebracht
werden.
-
Nach
dem parallel erfolgenden Schwächen der
Formhäute 3 werden
diese wieder auf einem Förderband 2 zusammen-
und der nächsten
Bearbeitungsstation 9 zugeführt, an der mittels einer an
einem Roboter 10 befestigten Sprühvorrichtung ein aufschäumbarer
Polyurethankunststoff in die nach oben offene Rückseite der Formhaut 3 eingesprüht wird.
-
Während des
Besprühens
der einzelnen Formhäute 3 wird
an einer weiteren Bearbeitungsstation jeweils ein Trägerbauteil
(nicht dargestellt) an einem korrespondierenden Werkzeugoberteil 11 fixiert. Dieses
Werkzeugoberteil 11 einschließlich des daran fixierten Trägerbauteils
wird daraufhin mittels eines weiteren Roboters 12 auf das
entsprechende Werkzeugunterteil 6 aufgesetzt, so dass eine
geschlossene Kavität
mit der darin befindlichen Schichtstruktur bestehend aus Formhaut 3,
Zwischenschicht aus aufschäumbarem
Polyurethanschaum sowie Trägerbauteil
gebildet wird.
-
Das
geschlossene Schaumwerkzeug wird daraufhin mittels des Förderbands
auf einer Aushärtestrecke 13 weitertransportiert.
Auf dieser Aushärtestrecke 13 wird
dem Polyurethanschaum, der als Zwischenschicht zwischen der Formhaut 3 und
dem Trägerbauteil
fungiert, Wärme
zugeführt,
wodurch dieser zunächst
aufschäumt
und den Zwischenraum zwischen der Formhaut 3 und dem Trägerbauteil
vollständig
ausfüllt
und danach aushärtet.
Für das
Aufschäumen
und Aushärten
des Polyurethanschaums ist ein Zeitraum von ca. 120 Sekunden erforderlich.
-
Nach
dem Aushärten
des Polyurethanschaums wird das Schaumwerkzeug einer weiteren Bearbeitungsstation 14 zugeführt, in
der mittels eines weiteren Roboters 15 das Werkzeugoberteil 11 wieder
abgenommen und einer Pufferstrecke 20 für Werkzeugoberteile 11 zugeführt wird.
-
Das
Werkzeugunterteil 6 mit der Instrumententafel 1 wird
daraufhin einer weiteren Bearbeitungsstation 16 zugeführt, in
der mittels eines weiteren Roboters 17 an der vorgesehenen
Stelle eine Schwächung
für den
Airbag nun auch in das Trägerbauteil
sowie die Zwischenschicht aus Polyurethanschaum eingefräst wird.
Hierzu ist ein Zeitraum von ca. 32 Sekunden erforderlich. Nach Beendigung
der Bauteilschwächung
wird die Instrumententafel 1 an einer nachfolgenden Bearbeitungsstation 18 mittels eines
Roboters 19 entnommen und für den Abtransport bereitgestellt.
Die Werkzeugunterteile 6 werden auf einer Pufferstrecke 21 des
Förderbands 2 bis
zu den Einlegestationen 4 zurück transportiert, um diese erneut
dem Herstellungsprozess zuzuführen.
-
Die
erfindungsgemäße Anlage
ermöglicht die
Herstellung der Instrumententafel 1 in einer Taktzeit von
ca. 36 Sekunden. Diese Gesamttaktzeit bestimmt sich durch die Einzeltaktzeit,
die beim Schäumen
und Auflegen des Werkzeugoberteils 11 benötigt wird.
An allen anderen Bearbeitungsstationen wird durch die Vorsehung
von entsprechenden Pufferstrecken oder durch eine parallele Bearbeitung (Hautschwächen) eine
geringere Einzeltaktzeit erzielt.
-
Die
einzelnen Zeiträume,
die für
die verschiedenen Bearbeitungsschritte erforderlich sind, sind in
dem Ablaufschema der 2 dargestellt.
-
Für das manuelle
Hauteinlegen in das Schäumwerkzeugunterteil
wird ein Zeitraum von ca. 54 Sekunden benötigt. Da gleichzeitig an drei
Einlegestationen 4 gearbeitet wird, kann in einer Taktzeit von
ca. 18 Sekunden jeweils ein mit einer Formhaut belegtes Schäumwerkzeugunterteil 6 den
nachfolgenden Bearbeitungsstationen 7 (Hautschwächen) zugeführt werden.
Für das
Hautschwächen
wird ein Zeitraum von 48 Sekunden benötigt. Aufgrund der parallelen
Bearbeitung an zwei Bearbeitungsstationen 7 wird der nächsten Bearbeitungsstation 9 (Schäumen und
Auflegen des Werkzeugoberteils) alle 24 Sekunden ein Werkzeugunterteil 6 mit
einer geschwächten
Formhaut 3 zugeführt.
Das Schäumen
und Auflegen des Werkzeugoberteils 11 benötigt einen
Zeitraum von insgesamt 36 Sekunden. Nach dem Aufsprühen des
aufschaumbaren Polyurethankunststoffs erfolgt das Aufschäumen und
Aushärten
des Polyurethanschaums in der Aushärtestrecke 13. Hierzu
wird ein Zeitraum von ca. 120 Sekunden für jedes Schaumwerkzeug benötigt. Die
Aushärtestrecke 13 kann
jedoch gleichzeitig vier Schaumwerkzeuge aufnehmen, so dass alle
30 Sekunden ein Schaumwerkzeug der darauffolgenden Bearbeitungsstation 14,
an der das Werkzeugoberteil 11 abgenommen wird, zugeführt wird.
Das nachfolgende Fräsen
der Airbagschwächung
erfolgt in einem Zeittakt von ca. 32 Sekunden.