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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung
von Formbauteilen durch Formgebung von Prepregs.
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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.
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Für
die Herstellung von Leichtbauteilen und mehrlagigen Bauteilen aus
Blech und Kunststoff werden hauptsächlich Heißpressen
oder Autoklaven eingesetzt.
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Vor
allem der Einsatz von Autoklaven ist sowohl in der Anschaffung,
als auch im Betrieb mit hohen Kosten verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Des
Weiteren zielt die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung von Leichtbauteilen und mehrlagigen Bauteilen aus Blech
und Kunststoff ab.
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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.
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Weitere
erfindungsgemäße Merkmale der Vorrichtung sind
Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.
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Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand
der Unteransprüche 15 bis 17.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Presseinheit mit verschiedenen
Werkzeugen zur Herstellung verschiedener Formbauteile bestückt sein
kann.
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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.
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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.
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So
wird beispielsweise beim Einsatz von sechs Presswerkzeugen und einer
Haltedauer von jeweils 5 Minuten pro Formgebungszyklus eine Taktzeit
von 1 Minute erreicht werden.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anlage auch bei Reparatur
oder Überarbeitung einzelner Presswerkzeuge weiter betrieben
werden kann.
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Hinzu
kommt, dass die Vorrichtung aufgrund der Anordnung der Presswerkzeuge
eine verbesserte Ausnutzung der Standfläche aufweist und
somit Platz sparend ist.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
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2 eine
schematische Darstellung für einen Einsatz eines Presswerkzeugs.
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Herstellung von Formbauteilen durch Verformung von Prepregs dargestellt.
Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei im Wesentlichen einen Ofen 2.
Im Inneren eines Ofens 2 ist eine Presseinheit 3 um
eine Drehachse 4 drehbar gelagert. In der Presseinheit 3 sind
Presswerkzeuge 5, 7 kreisförmig in einem
gleichen Winkel A zueinander versetzt angeordnet. Die Drehachse
kann horizontal, wie in dieser Ausführung dargestellt,
oder vertikal verlaufen.
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An
einer Seite des Ofens 2 ist eine Schleuse 6 angeordnet,
in welcher die Presswerkzeuge 5, 7 mit Prepregs
oder Prepregs und Blechbauteilen bestückt werden. Nach
dem Einlegen wird die Presseinheit 3 weitergedreht und
das bestückte Presswerkzeug 5 bewegt sich in Drehrichtung
R, in diesem Beispiel nach oben, aus der Schleuse 6 in
den Ofen 2. Dabei wird ein nachfolgendes Presswerkzeug 7 zur
Schleuse 6 bewegt.
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Um
die zur Formgebung notwendige Temperatur zu erreichen sind im Ofen 2 Heizelemente 8 vorgesehen.
Für eine gleichmäßige Verteilung der
heißen Luft im Inneren des Ofens 2 sorgt eine
an den Ofen 2 angeschlossene Warmluftumwälzanlage 9. Zudem
weist der Ofen 2 ein wärmeisoliertes Gehäuse 10 auf.
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2 zeigt
einen Teil eines Unterwerkzeugs 11 eines Presswerkzeuges
zur Herstellung von Blech-Kunststoff-Bauteilen aus Blech und Prepregs. Auf
das Unterwerkzeug 11 ist ein ausgformtes Blechbauteil 12,
in diesem Beispiel eine B-Säule eines Kraftfahrzeugs, angeordnet.
Das Blechbauteil 12, liegt auf Stegen 15 auf.
Diese sind durch Freiräume 16 voneinander beabstandet.
Diese Freiräume 16 ermöglichen eine gleichmäßige
Erwärmung des Blechbauteils 12. Das Blechbauteil 12 wird
mit dem ungeformten Prepreg 13 bestückt. Der Stempel 14 des Presswerkzeugs
ist mit seiner dem Prepreg 13 zugewandten Fläche 17 an
die dem Prepreg 13 zugewandte Fläche 18 des
Blechbauteils 12 angepasst, wobei das Blechbauteil 12 als
Matrize fungiert. Der Stempel 14 wird über eine
Anpresskraft F in das Blechbauteil 12 hineingepresst. Dabei
wird das Prepreg 13 gegen die Konturen des Blechbauteils 12 gepresst
und vollständig in diese ausgeformt. Dabei kann das Blechbauteil 12 wie
in dieser Ausführungsform durch an die Form des Blechbauteils 12 angepasse
Vertiefungen in den Stegen 15 sicher in seiner Position
gehalten werden. Durch die hohe Temperatur im Ofen härtet
das Prepreg 13 in diesem ausgeformten Zustand aus und es
entsteht ein Blech-Kunststoff-Bauteil welches aus einer Lage Blechbauteil 12 und
einer Lage Prepreg 13 besteht, wobei Prepreg 13 und
Blechbauteil 12 stoffschlüssig durch Kleben miteinander
verbunden sind.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 60311580
T2 [0005]
- - DE 102006033011 A1 [0006]