DE102008056307A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen durch Formgebung von Prepregs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen durch Formgebung von Prepregs. Hierzu ist in einem Ofen (2) eine drehbar gelagerte Presseinheit (3), mit wenigstens zwei Presswerkzeugen (5, 7), zur parallelen Herstellung von Formbauteilen vorgesehen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen durch Formgebung von Prepregs.
- Prepregs, teilweise auch als Faserplatten bezeichnet, sind aus Endlosfasern in einer ungehärteten Kunststoffmatrix bestehende Halbzeuge. Durch Anlegen von Wärme und Druck erfolgt in einem kontrollierten Prozess eine Aushärtung der Prepregs zu einem konsolidierten Strukturverbundprodukt. Diese Strukturverbundprodukte finden einzeln als Leichtbauteile Verwendung oder werden zur Herstellung mehrlagiger Bauteile beispielsweise zwischen zwei Blechbauteile gepresst. So werden in den Fahrzeugindustrie Karosserie- und Fahrwerksbauteile bereichsweise durch den Einsatz von Prepregs verstärkt, wodurch ein verbessertes Unfallverhalten erzielt wird.
- Für die Herstellung von Leichtbauteilen und mehrlagigen Bauteilen aus Blech und Kunststoff werden hauptsächlich Heißpressen oder Autoklaven eingesetzt.
- Vor allem der Einsatz von Autoklaven ist sowohl in der Anschaffung, als auch im Betrieb mit hohen Kosten verbunden.
- Eine weitere Möglichkeit der Formgebung von Prepregs beschreibt die
DE 603 11 580 T2 . Hierbei werden Prepregstapel auf einer Form angeordnet und gemeinsam mit der Form in einen Vakuumbeutel gepackt, welcher anschließend ausgepumpt wird. In einem nächsten Schritt wird dieser ausgepumpte Vakuumbeutel gemeinsam mit Form und Prepregs in einem Ofen ausgehärtet. Durch die beiden Stationen, Vakuum erzeugen und Aushärten wird der Formgebungsprozess aufwendig und die Taktzeit erhöht. - Ein weiteres Beispiel für einen Formgebungsprozess von Prepregs wird in der
DE 10 2006 033 011 A1 offenbart. Hier wird ein Hohlkammer-Blasteil aus einem Thermoplast mit Prepregs bestückt und unter Hitze beispielsweise in einer Autoklave oder einer Mikrowelle ausgehärtet. Dabei kann über das Blasteil von innen ein Druck auf die anliegenden Prepregs aufgebracht werden. - Der Nachteil beider oben aufgeführten Formgebungsprozesse liegt darin, dass pro Prozess jeweils nur ein Formteil hergestellt wird, wodurch der Energieverbrauch pro Bauteil relativ hoch ist, ebenso wie die Taktzeit.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung aufzuzeigen, welche eine kontinuierliche, kostengünstige und energiesparende Herstellung von leichtbauenden Formbauteilen, inklusive mehrlagiger Bauteile aus Blech und Kunststoff, durch die Verformung von Prepregs ermöglicht.
- Des Weiteren zielt die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen und mehrlagigen Bauteilen aus Blech und Kunststoff ab.
- Die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 löst den gegenständlichen Teil der Aufgabe. Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Maßnahmen von Patentanspruch 14.
- Weitere erfindungsgemäße Merkmale der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.
- Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 15 bis 17.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von leichtbauenden Formbauteilen durch Verformung von Prepregs umfasst einen Ofen, in welchem eine Presseinheit um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Dabei wird die Presseinheit durch wenigstens zwei Presswerkzeuge gebildet, welche vertikal oder horizontal kreisförmig um einen gleichen Winkel zueinander versetzt um die Drehachse angeordnet sind.
- Innerhalb des Ofens sind weiterhin Heizelemente angeordnet, über welche die zur Verformung und Aushärtung der Prepregs notwendige Temperatur eingestellt wird. Um eine gleichmäßige Verteilung der heißen Luft im Ofen zu gewährleisten, ist an den Ofen eine Warmluftumwälzanlage angeschlossen.
- Das Bestücken der einzelnen Presswerkzeuge mit Prepregs erfolgt in einer Schleuse des Ofens. Durch den Einsatz einer Schleuse wird gewährleistet, dass im Inneren des Ofens eine konstante Prozesstemperatur herrscht. Somit entfallen die Abkühlungszeiten zur Entnahme und zum Einlegen des Prepregs, sowie die Aufwärmzeiten und die zum Erreichen der Prozesstemperatur notwendige Energie.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht, neben dem Austauschen des fertigen Formbauteils gegen ein Prepreg, auch die Möglichkeit gleichzeitig ein anderes Presswerkzeug einzusetzen, ohne das dafür die gesamte Vorrichtung heruntergefahren werden muss. Dabei kann entweder ein ausgefallenes Presswerkzeug ersetzt oder ein Presswerkzeug mit einer anderen Form eingesetzt werden.
- Die Presswerkzeuge der Presseinheit bestehen aus einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug. Dabei ist für die Herstellungen von Formbauteilen aus Prepregs das Oberwerkzeug in Form eines Stempels ausgeführt und das Unterwerkzeug weist eine dem Stempel entsprechende Matrize auf. Dabei können Stempel und Matrize aus Metall oder Elastomeren aufgebaut sein.
- Je nach Bedarf können die Presswerkzeuge auch zur Herstellung mehrlagiger Bauteile eingesetzt werden. Mehrlagige Bauteile, nachfolgend Blech-Kunststoff-Bauteile genannt, sind aus wenigstens einer Schicht Blech und wenigstens einer Schicht Kunststoff bzw. Prepregs aufgebaut. Derartige Blech-Kunststoff-Bauteile werden unter anderem in der Fahrzeugindustrie eingesetzt, um beispielsweise Karosseriebauteile in einer leichtbauenden Weise stabiler zu gestalten. Dabei werden Prepregstapel über einen Stempel direkt in das Blechbauteil eingeformt und anschließend bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Vorteilhaft ist hierbei, dass zum Verbinden des Prepregs mit dem Blechbauteil keine weitere Fügeoperation notwendig ist. Der Stempel kann dabei beispielsweise als Silikonstempel ausgeführt sein, wodurch eine homogene Druckverteilung erreicht wird.
- Da die hierfür notwendigen Umformkräfte sind so gering, dass auf ein massives Unterwerkzeug verzichtet werden kann. Stattdessen weist das Unterwerkzeug des Presswerkzeugs beispielsweise eine Halterung für ein Blechbauteil auf, sowie mehrere Stege, die durch Freiräume voneinander beabstandet sind. Die Stege ermöglichen eine gleichmäßige Erwärmung von Prepreg und Blechbauteil mittels Heißluft, welche in den Freiräumen zirkuliert und das Blechbauteil direkt erwärmt. Vorteilhafterweise entfällt dadurch eine aufwendige Werkzeugbeheizung durch elektrische Heizelemente oder Temperieröle.
- Ebenso vorteilhaft ist auch die kostengünstige Herstellung des Unterwerkzeugs, da es mittels Laserschneiden aus Blechmaterial gefertigt werden kann, ohne das wie bei konventionellen Werkzeugen, kostenintensive Fräsarbeiten erforderlich sind.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Presseinheit mit verschiedenen Werkzeugen zur Herstellung verschiedener Formbauteile bestückt sein kann.
- Der zur Herstellung notwendige Druck wird nach dem Einlegen eines Prepregs in ein Presswerkzeug beispielsweise über einen Kniehebelmechanismus aufgebracht, welcher Ober- und Unterwerkzeug gegeneinander presst. Aufgrund der geringen notwendigen Anpressdrücke können auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung des Pressdrucks eingesetzt werden wie beispielsweise Spindelpressen, Lineartriebe und Einzel- oder Sonderhydrauliken eingesetzt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus mehreren sich wiederholenden Formgebungszyklen. Dabei beschreibt ein Formgebungszyklus die Herstellung eines Formbauteils aus einem Prepreg. Bei der Durchführung des Verfahrens, mit beispielsweise zwei Presswerkzeugen in einer Presseinheit wird in einem ersten Formgebungszyklus in einer Schleuse eines temperierten Ofens ein erstes Prepreg in ein erstes Presswerkzeug einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Presseinheit eingelegt. Anschließend wird durch eine Drehbewegung der Presseinheit das erste Presswerkzeug mit dem Prepreg in den Ofen hineinbewegt, während ein nachfolgendes zweites Presswerkzeug in Richtung der Schleuse bewegt wird. Sobald dieses zweite Presswerkzeug die Schleuse erreicht, wird dort ein zweites Prepreg eingelegt und ein weiterer Formgebungszyklus gestartet. Danach wird die Presseinheit weitergedreht und dabei auch das zweite Presswerkzeug in den Ofen bewegt. Hierbei wird das erste Presswerkzeug wieder in Richtung Schleuse gedreht und sobald dieses die Schleuse erreicht, kann das fertige Formteil entnommen werden. Gleichzeitig kann das erste Presswerkzeug wieder mit einem neuen Prepreg bestückt werden und der Formgebungszyklus beginnt von vorn. Bedingt durch parallele Formgebungszyklen und den Wegfall der Aufwärm- und Abkühlungszeiten kann die Taktzeit gegenüber herkömmlichen Anlagen signifikant verkürzt werden.
- So wird beispielsweise beim Einsatz von sechs Presswerkzeugen und einer Haltedauer von jeweils 5 Minuten pro Formgebungszyklus eine Taktzeit von 1 Minute erreicht werden.
- Die Taktzeit ist abhängig von der Anzahl der in einer Presseinheit angeordneten Presswerkzeuge. Eine optimale Ausnutzung wird erreicht, wenn die Dauer eines Formgebungszyklusses der Aushärtezeit eines Prepregs entspricht. Im Verlauf eines Formgebungszyklusses wird das Presswerkzeug in einer 360°-Drehung durch den Ofen bewegt. Da die Warmluftumwälzanlage für eine gleichmäßige Temperaturverteilung sorgt, hat diese Bewegung keinen negativen Einfluss auf die Verformung der Prepregs. Die zur Herstellung von Formbauteilen durch die Formgebung von Prepregs notwendige Temperatur liegt zwischen 130°C und 190°C. Da diese Temperatur im Inneren des Ofens immer konstant gehalten wird und die Bestückung eines Presswerkzeugs durch die Schleuse erfolgt, während auf alle anderen Werkzeuge im Ofen eine konstante Temperatur wirkt, ist das Verfahren sehr energieeffizient.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anlage auch bei Reparatur oder Überarbeitung einzelner Presswerkzeuge weiter betrieben werden kann.
- Hinzu kommt, dass die Vorrichtung aufgrund der Anordnung der Presswerkzeuge eine verbesserte Ausnutzung der Standfläche aufweist und somit Platz sparend ist.
- Das Verfahren zu Herstellung von Blech-Kunststoff-Bauteilen aus Blech und Prepregs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läuft ebenso ab, mit dem Unterschied, dass andere Presswerkzeuge zum Einsatz kommen und Prepregs gemeinsam mit Blechbauteilen, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie, eingelegt werden. Dabei wird das Prepreg unter Wärme durch einen, dem Blechbauteil angepassten, Stempel in das Blechbauteil derart ausgeformt, dass es sich dessen Konturen genau anpasst. Dadurch sind nach dem Aushärten Prepreg und Blechbauteil miteinander stoffschlüssig verklebt.
- Generell ermöglicht es die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowohl Formbauteile, beispielsweise aus Prepregs und Blech-Kunststoff-Bauteile aus wenigstens einer Lage Blech und wenigstens einer Lage Prepregs gleichzeitig herzustellen, als auch verschiedene Formen durch die Presswerkzeuge nebeneinander zu erzeugen. Dabei kann die Anzahl der in der Presseinheit angeordneten Presswerkzeuge je nach Bedarf variieren.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
2 eine schematische Darstellung für einen Einsatz eines Presswerkzeugs. - In
1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung1 zur Herstellung von Formbauteilen durch Verformung von Prepregs dargestellt. Die Vorrichtung1 umfasst hierbei im Wesentlichen einen Ofen2 . Im Inneren eines Ofens2 ist eine Presseinheit3 um eine Drehachse4 drehbar gelagert. In der Presseinheit3 sind Presswerkzeuge5 ,7 kreisförmig in einem gleichen Winkel A zueinander versetzt angeordnet. Die Drehachse kann horizontal, wie in dieser Ausführung dargestellt, oder vertikal verlaufen. - An einer Seite des Ofens
2 ist eine Schleuse6 angeordnet, in welcher die Presswerkzeuge5 ,7 mit Prepregs oder Prepregs und Blechbauteilen bestückt werden. Nach dem Einlegen wird die Presseinheit3 weitergedreht und das bestückte Presswerkzeug5 bewegt sich in Drehrichtung R, in diesem Beispiel nach oben, aus der Schleuse6 in den Ofen2 . Dabei wird ein nachfolgendes Presswerkzeug7 zur Schleuse6 bewegt. - Um die zur Formgebung notwendige Temperatur zu erreichen sind im Ofen
2 Heizelemente8 vorgesehen. Für eine gleichmäßige Verteilung der heißen Luft im Inneren des Ofens2 sorgt eine an den Ofen2 angeschlossene Warmluftumwälzanlage9 . Zudem weist der Ofen2 ein wärmeisoliertes Gehäuse10 auf. -
2 zeigt einen Teil eines Unterwerkzeugs11 eines Presswerkzeuges zur Herstellung von Blech-Kunststoff-Bauteilen aus Blech und Prepregs. Auf das Unterwerkzeug11 ist ein ausgformtes Blechbauteil12 , in diesem Beispiel eine B-Säule eines Kraftfahrzeugs, angeordnet. Das Blechbauteil12 , liegt auf Stegen15 auf. Diese sind durch Freiräume16 voneinander beabstandet. Diese Freiräume16 ermöglichen eine gleichmäßige Erwärmung des Blechbauteils12 . Das Blechbauteil12 wird mit dem ungeformten Prepreg13 bestückt. Der Stempel14 des Presswerkzeugs ist mit seiner dem Prepreg13 zugewandten Fläche17 an die dem Prepreg13 zugewandte Fläche18 des Blechbauteils12 angepasst, wobei das Blechbauteil12 als Matrize fungiert. Der Stempel14 wird über eine Anpresskraft F in das Blechbauteil12 hineingepresst. Dabei wird das Prepreg13 gegen die Konturen des Blechbauteils12 gepresst und vollständig in diese ausgeformt. Dabei kann das Blechbauteil12 wie in dieser Ausführungsform durch an die Form des Blechbauteils12 angepasse Vertiefungen in den Stegen15 sicher in seiner Position gehalten werden. Durch die hohe Temperatur im Ofen härtet das Prepreg13 in diesem ausgeformten Zustand aus und es entsteht ein Blech-Kunststoff-Bauteil welches aus einer Lage Blechbauteil12 und einer Lage Prepreg13 besteht, wobei Prepreg13 und Blechbauteil12 stoffschlüssig durch Kleben miteinander verbunden sind. -
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Ofen
- 3
- Presseinheit
- 4
- Drehachse
- 5
- Presswerkzeug
- 6
- Schleuse
- 7
- Presswerkzeug
- 8
- Heizelemente
- 9
- Warmluftumwälzanlage
- 10
- wärmeisoliertes Gehäuse
- 11
- Unterwerkzeug
- 12
- Blechbauteil
- 13
- Prepreg
- 14
- Stempel
- 15
- Steg
- 16
- Freiraum
- 17
- Fläche
- 18
- Fläche
- A
- Winkel
- R
- Drehrichtung
- F
- Anpresskraft
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 60311580 T2 [0005]
- - DE 102006033011 A1 [0006]
Claims (18)
- Vorrichtung zur Herstellung von Formbauteilen durch Verformung von Prepregs, welche ein Presswerkzeug umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Presswerkzeuge (
5 ,7 ) zu einer Presseinheit (3 ) zusammengefasst sind und die Presseinheit (3 ) in einem Ofen (2 ) um eine Drehachse (4 ) drehbar gelagert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (
2 ) ein wärmeisoliertes Gehäuse (9 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ofen (
2 ) Heizelemente (8 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (
2 ) an eine Warmluftumwälzanlage (9 ) angeschlossen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (
2 ) eine Schleuse (6 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Presswerkzeuge (
5 ,7 ) kreisförmig und im gleichen Winkel (A) zueinander versetzt um die horizontal oder vertikal orientierte Drehachse (4 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Presswerkzeuge (
5 ,7 ) einzeln austauschbar sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Presswerkzeuge (
5 ,7 ) aus jeweils einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug (11 ) bestehen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stempel (
14 ) des Oberwerkzeuges aus Metallen oder Elastomeren besteht. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize des Unterwerkzeuges (
11 ) aus Metallen oder Elastomeren besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil (
12 ) als Matrize einsetzbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwerkzeug (
11 ) Stege (15 ) mit dazwischen liegenden Freiräumen (16 ) und eine Aufnahme für ein Blechbauteil (12 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Presswerkzeug (
5 ,7 ) eine Aufnahme aufweist, in welche ein Prepreg (13 ) und ein Blechbauteil (12 ) gemeinsam einlegbar sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass den Presswerkzeugen (
5 ,7 ) ein Kniehebelmechanismus, eine Spindelpresse, ein Lineartrieb, eine Einzel- oder eine Sonderhydraulik zur Erzeugung des Pressdrucks zugeordnet ist. - Verfahren zur Formgebung von Prepregs, bei welchem ein Formbauteil durch Verformung eines Prepregs hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in wiederholbaren Formgebungszyklen nacheinander wenigstens zwei Presswerkzeuge (
5 ,7 ) einer Presseinheit (3 ), welche in einem Ofen (2 ) um einen Drehachse (4 ) drehbar gelagert ist, mit einem Prepreg bestückt werden, wobei ein Formgebungszyklus folgende Schritte aufweist: a) Drehen der Presseinheit (3 ), bis ein erstes Presswerkzeug (5 ) eine Schleuse (6 ) erreicht; b) Einlegen eines ungeformten ersten Prepregs in das erste Presswerkzeug (5 ); c) Verformung des ersten Prepregs durch ein Verpressen zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug (11 ) des Presswerkzeugs (5 ); d) Weiterdrehen der Presseinheit (3 ), bis ein dem ersten Presswerkzeug (5 ) nachfolgendes zweites Presswerkzeug (7 ) die Schleuse (6 ) erreicht während das erste Prepreg im ersten Presswerkzeug (5 ) im Ofen (2 ) aushärtet, e) Einlegen eines ungeformten zweiten Prepregs in das zweite Presswerkzeug (7 ), während das erste Prepreg weiter aushärtet; f) Weiterdrehen der Presseinheit (3 ), bis das erste Presswerkzeug (5 ) wieder die Schleuse (6 ) erreicht und das erste Prepreg zum Formbauteil ausgehärtet ist und g) Entnahme des Formbauteils. - Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prepreg (
13 ) und ein Blechbauteil (12 ) gemeinsam in ein Presswerkzeug (5 ,7 ) eingelegt werden und zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug (11 ) so miteiander verpresst werden, dass das Prepreg (13 ) in das Blechbauteil (12 ) ausgeformt wird. - Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Ofen (
2 ) eine gleich bleibende Prozesstemperatur eingestellt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur zwischen 130°C bis 190°C liegt.
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---|---|---|---|
DE102008056307A DE102008056307A1 (de) | 2008-11-07 | 2008-11-07 | Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen durch Formgebung von Prepregs |
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DE (1) | DE102008056307A1 (de) |
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- 2008-11-07 DE DE102008056307A patent/DE102008056307A1/de not_active Ceased
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130625 |