DE102010026717A1

DE102010026717A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010026717A1
Application number: DE102010026717A
Authority: DE
Inventors: Marcus 53721 Schmitz; Carsten 50259 Elsasser; Guido 53757 Bergmann
Original assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Current assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2012003896A1; CN102933376A; JP2013535352A; EP2590805A1; CA2798655A1; US20130112345A1; KR101467126B1; EP2590805B1; US8721828B2; KR20130052597A; CA2798655C; CN102933376B; JP5775576B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks, bei dem der Kunststoff als extrudierter Vorformling im noch plastischen Zustand oder als Halbzeug mithilfe wenigstens eines Formwerkzeugs (3) unter Anwendung von Wärme zu wenigstens zwei Schalen ausgeformt wird und die im folgenden abgekühlten, sodann formbeständigen Schalen aufeinandergesetzt und zu einem im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörper zusammengefügt werden. Als Formwerkzeug (3) findet wenigstens ein Positivwerkzeug Anwendung, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen aufweist. Die Schalen werden durch Anlegen des Kunststoffs an das Positivwerkzeug ausgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise das Extrusionsblasformen oder das Thermoformen.
Beim Extrusionsblasformen wird ein Vorformling aus einem Extrusionskopf extrudiert, der dann mithilfe von entsprechenden Formwerkzeugen zu einem Hohlkörper umgeformt wird. Bei einigen Extrusionsblasformverfahren wird ein Schlauch extrudiert, bei anderen ein bahnförmiger Vorformling und bei wiederum anderen Verfahren ein schlauchförmiger Vorformling, der nach oder während der Extrusion der Länge nach zu bahnförmigen bzw. flächigen Vorformlingen aufgetrennt wird.
Der extrudierte Vorformling wird im noch plastischen Zustand zwischen die geöffneten Hälften eines Werkzeugs gebracht. Das Werkzeug schließt sich um den Vorformling, wobei dieser mithilfe von Differenzdruck an die Innenwandung der von dem Werkzeug gebildete Kavität angelegt wird. Der fertige Hohlkörper weist eine äußere Gestalt auf, die der inneren Kontur des Formwerkzeugs entspricht.
Bei der Herstellung von Hohlkörpern, die als technische Bauteile, wie z. B. Kraftstoffbehälter, eingesetzt werden ist es erforderlich, diverse Einbauteile in dem Hohlkörper zu befestigen.
Als besonders günstig zum Einbringen von Einbauteilen während der Herstellung des Kraftstoffbehälters hat sich das sog. „Twin Sheet Blow Molding-Verfahren” erwiesen, bei welchem zwei flächige bahnförmige Vorformlinge in einem ersten Verfahrensschritt innerhalb des Werkzeugs zu zwei Halbschalen umgeformt werden, in einem darauffolgenden Verfahrensschritt Einbauteile bzw. Komponenten in die im Werkzeug befindlichen noch warmplastischen Schalen eingefügt werden und in einem letzten Verfahrensschritt die mit Einbauteilen versehenen Schalen zu dem fertigen Hohlkörper verschweißt werden. Dieses Verfahren hat den Vorzug, dass die Komponenten während der Ausformung des Hohlkörpers in beliebiger Anordnung an der Innenseite der Behälterwandung platziert werden können. Dieses Verfahren sowie auch das klassische Extrusionsblasformverfahren erfordert allerdings verhältnismäßig hohe Investitionskosten für Werkzeuge.
Insbesondere bei der Herstellung von Kraftstoffbehältern sind Designänderungen von dem ersten zur Bemusterung vorgesehenen Prototypen bis zum ersten Serienerzeugnis nicht selten. Häufig werden von den Kunden Prototypen für die Erstbemusterung gewünscht, deren Qualität und optische Beschaffenheit denjenigen des Serienerzeugnisses recht nahe kommt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, war es bislang erforderlich, bereits für die Vorserienproduktion Werkzeuge anzufertigen, was regelmäßig mit verhältnismäßig hohen Investitionskosten einhergeht. Darüber hinaus wird von ersten Festlegung eines Designs bis zum fertigen Prototypen eine verhältnismäßig lange Vorlaufzeit benötigt. Das Ändern der Werkzeuge zur Abbildung von Designänderungen ist ebenfalls recht aufwendig.
Insbesondere, wenn Kraftstoffbehälter nach dem zuvor beschriebenen „Twin Sheet Blow Molding-Verfahren” hergestellt werden sollen, sind die Investitionskosten für Werkzeuge wegen des bei diesem Verfahren zusätzlich erforderlichen Mittenwerkzeuges außerordentlich hoch. Jede Anpassung der das Formnest bildenden Formhälften im Bereich des späteren Nahtverlaufs des Behälters erfordert entsprechende Konturänderungen an dem hierzu komplementären Mittenwerkzeug.
Die Herstellung von Handmustern auf andere Art und Weise liefert in der Regel nicht die vom Kunden gewünschten Resultate im Hinblick auf das optische Erscheinungsbild der Muster. Darüber hinaus ist es auf diese Art und Weise nicht möglich, Einbauteile in dem Behälter so anzubringen, dass deren Befestigung etwa die bei der Serienfertigung durchzuführende Befestigung abbildet. Dies ist allerdings insbesondere deshalb wünschenswert, um von dem zu bemusternden Prototypen realistische Rückschlüsse auf das Serienerzeugnis zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zur Prototypherstellung geeignetes Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks, bereitzustellen, das geeignet ist, Komponenten gleichzeitig mit dem Ausformen in die Hohlkörper einzubringen, so dass die Verbindung zwischen den Komponenten und dem Hohlkörper vergleichbar ist mit derjenigen, die bei für die Serienherstellung geeigneten Verfahren erreicht wird. Insbesondere soll das Verfahren einfach sein und nur geringe Investitionskosten für die benötigten Werkzeuge verursachen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Kraftfahrzeugtanks, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks, bei denen der Kunststoff als extrudierter Vorformling im noch plastischen Zustand oder als Halbzeug mit Hilfe wenigstens eines Formwerkzeugs unter Anwendung von Wärme zu wenigstens zwei Schalen ausgeformt wird und die im folgenden abgekühlten, sodann formbeständigen Schalen aufeinandergesetzt und zu einem im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörper zusammengefügt werden, wobei als Formwerkzeug wenigstens ein Positivwerkzeug Anwendung findet, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen aufweist, und die Schalen durch Anlegen des Kunststoffs an das Positivwerkzeug ausgeformt werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, wenigstens einen Extrusionskopf zum Extrudieren eines Vorformlings oder eine Wärmequelle zum Aufwärmen eines Halbzeugs, ein Formwerkzeug zum Ausformen von wenigstens zwei Schalen aus dem Vorformling oder dem Halbzeug durch Anlegen des Vorformlings oder des Halbzeugs an das Formwerkzeug, sowie Mittel zum Zusammenfügen der Schalen umfassend, wobei das Formwerkzeug ein Positivwerkzeug ist, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen aufweist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei Verwendung eines Formwerkzeugs, das als Positivwerkzeug ausgebildet ist, das Positivwerkzeug mit den später im Hohlkörper nach innen gerichteten Oberflächen der Schalen in unmittelbaren Kontakt kommt. So können etwaige Modifikationen dieser Oberflächen, wie z. B. der Einbau von Komponenten, gleichzeitig mit dem Ausformen durch eine entsprechende Ausgestaltung des Positivwerkzeugs durchgeführt werden. Die Qualität der Verbindung zwischen so eingebrachten Komponenten und der Schale ist damit vergleichbar mit der Qualität, wie sie bei Verfahren mit Mittenwerkzeug realisiert werden kann. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung von Prototypen oder für die Fertigung von Kraftstoffbehältern in Kleinserie. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann besonders einfach eine 3-dimensionale Formtrennung bzw. ein 3-dimensionaler Verlauf des umlaufenden Fügerandes der Schalen erzeugt werden. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die bisher benötigte Vorlaufzeit von dem ersten „Design Freeze” zu dem ersten Vorserienerzeugnis/Prototypen auf einen Bruchteil der zuvor benötigten Vorlaufzeit reduziert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass nur ein einziges Werkzeug zur Ausformung und zum Befestigen etwaiger Komponenten an den Schalen notwendig ist. Die Kosten für das Formwerkzeug werden daher im Vergleich zu Verfahren mit Mittenwerkzeug erheblich reduziert.
Auch sind die Anforderungen an das Positivwerkzeug erheblich geringer.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei der Herstellung des Positivwerkzeugs aus einem entsprechenden Materialblock ein nur minimaler Materialabtrag notwendig ist und das Werkzeug durch bekannte Verfahren, wie z. B. dem CNC-Fräsen, automatisiert hergestellt werden kann. Die Herstellung des Positivwerkzeugs erfolgt somit kostengünstig und ohne großem Zeitaufwand.
Darüber hinaus ist ein grundsätzlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber aufwendigeren Verfahren, wie zum Beispiel dem Extrusionsblasformen, darin zu sehen, dass bei der Herstellung der fertigen Hohlkörper aus Halbzeugen, der Hersteller keine Extrusionseinrichtungen bereithalten muss, die bei großen herzustellenden Vorformlinge verhältnismäßig viel Aufstellplatz benötigen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass nur die Innenkontur der Schale in Kontakt mit dem Formwerkzeug kommt. Diese Kontaktfläche kann verfahrensbedingt Verfärbungen und etwaige Dehnungsstreifen aufweisen, ist aber anders als bei Tiefziehverfahren nach der Fertigstellung des Hohlkörpers nicht mehr sichtbar.
Der extrudierte Vorformling kann erfindungsgemäß einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein, und die Halbzeuge können aus entsprechend vorkonfektionierten, abgekühlten extrudierten Vorformlingen bestehen. Die extrudierten Vorformlinge oder Halbzeuge können auch ein Wanddickenprofil aufweisen.
Unter Formwerkzeug ist ein Werkzeug zu verstehen, das eine Oberfläche aufweist, mithilfe der der Kunststoff durch Anlegen des Kunststoffs an diese Oberfläche geformt wird. Erfindungsgemäß ist das Formwerkzeug als Positivwerkzeug ausgebildet, wobei im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Positivwerkzeug ein Formwerkzeug verstanden wird, dessen Oberfläche zum Formen des Kunststoffs im Wesentlichen konvex ist. Entsprechend kommt die Oberfläche des Positivwerkzeugs zum Formen des Kunststoffs beim Ausformen der Schalen im Wesentlichen mit denjenigen Oberflächen der Schalen in direkten Kontakt, die nach dem Zusammenfügen der Schalen die nach innen gerichteten Oberflächen des Hohlkörpers bilden.
Vorzugsweise wird das Positivwerkzeug in das umfänglich eingespannte, erweichte Halbzeug hineingefahren. Alternativ kann das erweichte Halbzeug relativ zu dem ortsfest angeordneten Positivwerkzeug verfahren werden.
Zweckmäßigerweise findet als Positivwerkzeug ein Positivwerkzeug Anwendung, das wenigstens eine Ausnehmung zur Aufnahme wenigstens einer Komponente aufweist.
Das Verfahren umfasst ferner das Einlegen der Komponente in die Ausnehmung, wobei die Komponente gleichzeitig mit dem Ausformen in der jeweiligen Schale positioniert und befestigt wird. Als Komponenten kommen beispielsweise Fördereinheiten, Füllstandsgeber, Be- und Entlüftungsventile sowie Schwallwände in Betracht. Erfindungsgemäß kann unter einer Komponente aber auch eine Halterung für die zuvor genannten Einbauten bzw. Funktionsbauteile verstanden werden. Die Einbauten bzw. Funktionsbauteile werden vor dem Verschweißen der Schalen an der fest mit der Schale verbundenen Halterung befestigt. Durch das Einlegen der Komponente in die Ausnehmung des Positivwerkzeugs kann die Komponente gleichzeitig mit dem Ausformen in der jeweiligen Schale positioniert und befestigt werden. Vorteilhaft an der Verwendung eines solchen Positivwerkzeugs ist beispielsweise auch, dass im Laufe einer Prototypentwicklung das Positivwerkzeug durch das Hinzufügen zusätzlicher Ausnehmungen in dem Positivwerkzeug kostengünstig an veränderte Bedingungen angepasst werden kann. So können neue, leicht veränderte Schalen im Laufe der Prototypentwicklung hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird ein Verschlussring in Form eines metallenen Bajonettrings in wenigstens eine Schale eingebracht. Der Bajonettring wird mittels eines Oberstempels in das an das Positivwerkzeug bereits angeformte Halbzeug von außen, d. h. auf der dem Positivwerkzeug abgewandten Seite der Schale, so eingedrückt, dass eine in dem Bajonettring vorgesehene Lochung von dem Material durchdrungen und hinterflossen wird. In dem Positivwerkzeug ist eine entsprechende Ausnehmung vorgesehen, in die sich der Bajonettring einfügt. Dieser Verschlussring kennzeichnet beispielsweise die Lage der späteren Revisionsöffnung und dient der Aufnahme einer in dieser einzusetzenden Fördereinheit. Die innerhalb des Rings vorzusehende Öffnung wird nach Fertigstellung der Schale ausgekreist.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt das Anlegen des Kunststoffs und/oder das Befestigen der Komponente unter Anwendung von Differenzdruck. Beispielsweise kann zur Erzeugung eines Unterdrucks ein Positivwerkzeug Anwendung finden, das Vakuumbohrungen und/oder Vakuumkanäle umfasst. Diese werden mit einem Unterdruck beaufschlagt, mithilfe dessen der Kunststoff an das Positivwerkzeug angelegt wird. Alternativ kann der Kunststoff durch Überdruck an das Positivwerkzeug angelegt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Anlegen des Kunststoffs im Wesentlichen ohne zusätzliche mechanische Hilfsmittel ausschließlich mithilfe von Differenzdruck. Im Wesentlichen ohne zusätzliche mechanische Hilfsmittel im Sinne der Erfindung bedeutet, dass das großflächige Anlegen des Kunststoffs der Schale an das Positivwerkzeug ohne mechanische Hilfsmittel erfolgt, dass aber im Sinne der Erfindung nicht ausgeschlossen sein soll, mittels Stempeln oder ähnlicher Hilfsmittel lokal begrenzt im Bereich von die Schalen einzubringenden Komponenten bei der Ausformung von der dem Positivwerkzeug abgewandten Seite der Schalen her das Material nachzudrucken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schalen vor dem Zusammenfügen zueinander unter Zuhilfenahme von an den Schalen bei der Ausformung vorgesehenen Mitteln zentriert. Zweckmäßigerweise werden bereits beim Ausformen der Schalen entsprechende Mittel zur Zentrierung in die Schalen eingebracht. Beispielsweise kann das Ausformen die Erzeugung einer Kontur in einer ersten Schale und einer dazu im Wesentlichen komplementären Kontur in einer zweiten Schale umfassen. Beim Aufeinandersetzen der Schalen kann dann die Zentrierung durch Eingriff der komplementären Konturen ineinander erfolgen. Durch die Zentrierung wird ein Verschieben der Schalen relativ zueinander verhindert. Das Fugen der Schalen kann so vereinfacht und beschleunigt werden. Die zueinander komplementäre Konturen können beispielsweise als Nut-Feder Geometrie ausgebildet sein.
In der Ausfühung des Verfahrens, in der der Kunststoff als Halbzeug unter Anwendung von Wärme ausgeformt wird, wird zweckmäßigerweise der Kunststoff vor und/oder während des Ausformens einseitig oder beidseitig mit einer Wärmequelle bestrahlt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem Kunststoff bei der Erwärmung ein Temperaturprofil aufgegeben, so dass der Materialfluss beim Anlegen des Kunststoffs an das Formwerkzeug und somit Ausformen des Kunststoffs zu einer Schale gesteuert werden kann. Beispielsweise kann der Kunststoff an denjenigen Stellen, an denen in der geformten Schale Kanten oder Abrundungen vorliegen, stärker oder weniger stark erwärmt werden als in anderen Bereichen.
Nach dem Anlegen des Kunststoffs an das Positivwerkzeug werden die Schalen zu formbeständigen Schalen abgekühlt. Diese können daraufhin von dem Positivwerkzeug abgelöst werden. Das Abkühlen kann sowohl aktiv, als auch passiv erfolgen.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Zusammenfügen der Schalen durch Schweißen. Dabei werden die beiden Schalen nach ihrem Aufeinandersetzen zu einem Hohlkörper zusammengeschweißt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Schweißen mit einem zusätzlichen Schweißzusatzmittel. Unter Schweißzusatzmittel kann ein beim Schweißen mit dem thermoplastischen Kunststoff der Schalen kompatibles Material verstanden werden. Insbesondere kann darunter ein erwärmter thermoplastischer Kunststoff verstanden werden, der dem Material aus dem das Halbzeug oder der Vorformling besteht entspricht. Dieser wird beim Schweißen zwischen die Schweißflächen gebracht, um so eine Schweißnaht aus Schweißzusatzmittel und Schweißflächen zu bilden. Beispielsweise kann die Schweißung mittels eines aus einer entsprechenden Einrichtung ausgestoßenen plastifizierten Polyethylenstrangs erfolgen. Dabei erfolgt ein zusätzliches Aufheizen der Schweißflächen vor Aufbringen des Schweißzusatzmittels vorzugsweise mittels Heißluft.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zusammenfügen der Schalen durch Kleben mithilfe eines Klebstoffes oder eines Haftvermittlers. Auch ist eine Kombination aus Kleben und Schweißen denkbar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren ferner die Erzeugung einer im Wesentlichen zwischen den aufeinandergesetzten Schalen umlaufenden, aus dem Randbereich der Schalen gebildete Nut zur Aufnahme des Schweißzusatzmittels. Die zwischen den Schalen gebildete Nut kann beispielsweise durch eine entsprechende Kontur des Randbereichs der Schalen erzeugt werden, welche bei der Ausformung der Schalen mittels des Positivwerkzeugs erhalten wurde. Alternativ kann die zwischen den Schalen gebildete Nut nach dem Aufeinandersetzen der Schalen durch spannabhebende Bearbeitung erzeugt worden sein. In diese Nut wird anschließend das Schweißzusatzmittel beim Schweißen eingebracht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Extrusionskopf zum Extrudieren eines Vorformlings oder eine Wärmequelle zum Aufwärmen eines Halbzeugs und ein Formwerkzeug zum Ausformen von wenigstens zwei Schalen aus dem Vorformling oder dem Halbzeug durch Anlegen des Vorformlings oder des Halbzeugs an das Formwerkzeug. Dabei ist das Formwerkzeug ein Positivwerkzeug, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen aufweist.
Zweckmäßigerweise weist das Formwerkzeug Ausnehmungen zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente auf. Die Komponenten können so gleichzeitig mit dem Ausformen der Schalen in den Schalen positioniert und befestigt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug Vakuumbohrungen und/oder Vakuumkanäle. Dabei ist wenigstens eine Vakuumbohrung und/oder wenigstens ein Vakuumkanal in den Ausnehmungen angeordnet. Die Vakuumbohrungen in den Ausnehmungen sind vorzugsweise unterhalb wenigstens einer Aussparung in der Komponente angeordnet, so dass nach Anlegen des Kunststoffs an das Formwerkzeug der Kunststoff mit Hilfe von Differenzdruck in die Aussparung hineingezogen wird und so die Aussparung derart ausfüllt, dass die Komponenten mit der Schale formschlüssig verbunden werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Formwerkzeug aus Polyurethan oder Aluminium hergestellt. So kann kostengünstig und ohne großem Arbeitsaufwand ein entsprechendes Formwerkzeug aus einem Blockmaterial hergestellt werden. Beispielsweise kann die Erstellung des Positivwerkzeugs durch CNC-Fräsen automatisiert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks, wird anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Positivwerkzeugs zum Ausformen von Kunststoff zu Schalen zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren,
2 eine schematische Ansicht der Ausnehmungen aus 1 zur Aufnahme einer Komponente,
3 eine schematische perspektivische Ansicht des Positivwerkzeugs aus 1 mit in den Ausnehmungen eingelegten Komponenten,
4 eine schematische Darstellung des Verfahrensschritts, bei dem der Kunststoff aufgewärmt wird, um anschließend mit einem Positivwerkzeug ausgeformt zu werden,
5 eine schematische Ansicht des Verfahrensschritts, in dem der Kunststoff mit Hilfe des Positivwerkzeugs durch Anlegen ausgeformt wird,
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer abgekühlten und formbeständigen Schale,
7 eine vergrößerte schematische Darstellung einer in der in 6 dargestellten Schale befestigten Komponente,
8 eine vergrößerte Ansicht zweier zueinander komplementärer Konturen in einer ersten und einer zweiten Schale vor dem Aufeinandersetzen der beiden Schalen,
9 eine vergrößerte Ansicht der zueinander komplementären Konturen nach dem Aufeinandersetzen der Schalen,
10 eine vergrößerte Ansicht des Randbereichs der Schale aus 3 vor dem Entbutzen der Schale, und
11 eine schematische Ansicht zweier zu einem Hohlkörper zusammengesetzter Schalen, wobei der Hohlkörper mittels eines Spannbandes in der Einbaulage gehalten wird.
In den Figuren ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern, sowie mit dem Verfahren hergestellte Schalen 4, 20 bzw. der hergestellte Hohlkörper 1 während verschiedener Verfahrensschritte, dargestellt.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Ausgangsmaterial ein Halbzeug 2 verwendet. Das Halbzeug 2 kann beispielsweise durch Abkühlen eines entsprechend extrudierten Vorformlings hergestellt worden sein. Das Halbzeug 2 wird erwärmt und mithilfe zweier Positivwerkzeuge zu jeweils einer Schale, und zwar zu einer ersten Schale 4 und einer zweiten Schale 20, ausgeformt. Die Schalen 4, 20 werden zentriert aufeinandergesetzt und dann zu einem Hohlkörper 1 zusammengeschweißt.
Im folgenden wird die Erzeugung der ersten Schale 4 mithilfe eines Positivwerkzeugs 3 genauer beschrieben. Die Herstellung der zweiten Schale 20 erfolgt entsprechend dazu, wobei die konkrete Ausgestaltung der Schale unterschiedlich sein kann. In der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels wird im folgenden auf die konkrete Ausgestaltung der zweiten Schale 20 nur dann eingegangen, wenn diese in Zusammenhang mit der Ausgestaltung der ersten Schale 4 entscheidend ist.
Zunächst wird das Halbzeug 2 mithilfe einer Wärmequelle 10, wie in 4 schematisch dargestellt, aufgewärmt, um anschließend an das Positivwerkzeug 3 angelegt zu werden. In 4 ist das Positivwerkzeug 3, ebenfalls vereinfacht, in einer Querschnittsansicht wiedergegeben. Anhand von 4 erkennt man die grundsätzliche Form des Formwerkzeugs 3, wobei in den seitlichen Randbereichen des Formwerkzeugs 3 eine Kontur 9 dargestellt ist, die beim Anlegen des Halbzeugs 2 an das Werkzeug in entsprechend komplementärer Ausbildung auf die Schale 4 übertragen wird. Die Kontur 8 innerhalb der Schale 4 wird dabei durch Anlegen des Halbzeugs 2 an das Positivwerkzeug 3 und damit Ausformen des Halbzeugs 2 erzeugt. Nach Abkühlen des an das Positivwerkzeug 3 angelegten thermoplastischen Kunststoffs verbleibt die Schale 4 als formbeständige Schale mit einem Flanschartigen Rand mit einer entsprechenden Kontur 8, die einem Nutprofil entspricht, zurück. Diese komplementäre Kontur 8 dient später als Mittel zum Zentrieren der zwei Schalen 4, 20 zueinander, wobei im flanschartigen Rand der zweiten Schale 20 eine zu der in der Schale 4 erzeugten Kontur 8 entsprechend komplementäre Kontur 9 erzeugt wird, die einem Federprofil entspricht und deren Form vergleichbar mit der Kontur 9 des hier dargestellten Positivwerkzeugs 3 ist. Beim Aufeinandersetzen der ersten Schale 4 und zweiten Schale 20 sorgen die so hergestellten zueinander komplementären, einem Nut- und Federprofil entsprechenden Konturen für eine Zentrierung der Schalen. Die Kontur 9, wie sie in 4 dargestellt ist, ist auf der einen Seite höhenversetzt gegenüber der entsprechenden Kontur 9 auf der gegenüberliegenden Seite des Positivwerkzeugs 3 dargestellt. Der Versatz ist leicht übertrieben dargestellt, soll aber den grundsätzlich dreidimensionalen Verlauf des Randbereichs der Schalen 4, 20, innerhalb dessen die Konturen angeordnet sind, wiedergeben.
In 1 ist das Positivwerkzeug 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens detaillierter dargestellt. Das Positivwerkzeug 3 weist Ausnehmungen 7 zur Aufnahme von Komponenten 6 auf. Diese, sowie die am Rand umlaufende Kontur 9 ist in 1 dargestellt. Die Kontur 9 ist entsprechend komplementär zu der mithilfe des Positivwerkzeugs 3 hergestellten Kontur 8 innerhalb der ersten Schale 4.
Das in 1 dargestellte Positivwerkzeug 3 weist ferner mehrere Vakuumbohrungen 13 in den Ausnehmungen 7 auf. Um die Darstellung zu vereinfachen sind keine weiteren Vakuumbohrungen oder Vakuumkanäle zum Anlegen des Kunststoffs an das Positivwerkzeug 3 in 1 dargestellt. Solche Vakuumbohrungen oder Vakuumkanäle sorgen bei Anlegen eines Unterdrucks grundsätzlich dafür, dass das aufgewärmte Halbzeug 2 durch den Unterdruck an das Positivwerkzeug 3 angelegt wird.
Die in den Ausnehmungen 7 dargestellten Vakuumbohrungen 13 sind in der in 2 dargestellten vergrößerten Ansicht sichtbar. Ein diesen Vakuumbohrungen 13 aufgelegter Unterdruck sorgt wie bereits erwähnt dafür, dass der thermoplastische Kunststoff des erwärmten Halbzeugs 2 an die Positivform herangezogen wird.
In die Ausnehmungen 7 werden Komponenten 6 gelegt. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des bereits in 1 dargestellten Positivwerkzeugs 3, mit dem Unterschied, dass in 3 die Komponenten 6 in die Ausnehmungen 7 eingelegt sind. Die in den Ausnehmungen 7 eingelegten Komponenten 6 sind in diesem Fall Halterungen für nicht dargestellte später an den Halterungen zu befestigende Funktionsbauteile.
Bei den in 2 dargestellten Vakuumbohrungen 13 befinden sich demnach beim Anlegen des Halbzeugs 2 an das Positivwerkzeug 3 die Komponenten 6 zwischen dem Halbzeug 2 und den Vakuumbohrungen 13. Zweckmäßigerweise befinden sich Aussparungen innerhalb der Komponenten 6, die vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zu den Vakuumbohrungen 13 angeordnet sind. Der Kunststoff wird sodann mithilfe des den Vakuumbohrungen 13 aufgelegten Differenzdrucks durch diese Aussparungen hindurch geführt. Es entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff bzw. erwärmten Halbzeug 2 und den Komponenten 6.
Nach dem Aufwärmen des Halbzeugs 2 und Einlegen der Komponenten 6 in die Ausnehmungen 7 erfolgt also das in 5 dargestellte Anlegen des aufgewärmten Halbzeugs 2 an das Positivwerkzeug 3. Die Ausnehmungen 7 und Komponenten 6 sind in den 4 und 5 nicht dargestellt. Der Verfahrensschritt, bei dem der Kunststoff 2 an das Positivwerkzeug 3 angelegt wird, ist wie er in 5 dargestellt ist, noch nicht vollständig abgeschlossen. Der Kunststoff 2 wird im folgenden weiter an das Positivwerkzeug 3 mit Hilfe eines vorliegenden Differenzdrucks herangezogen. Die auf den Kunststoff 2 durch den Differenzdruck wirkende Kraft ist in Richtung der in 5 schematisch dargestellten Pfeile zum Positivwerkzeug 3 hin gerichtet.
6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schale 4 nach dem Abkühlen. In der Figur dargestellt sind die in der Schale 4 befestigten Komponenten 6, sowie die umlaufende Kontur 8. Eine randseitig des Positivwerkzeugs umlaufende, nicht dargestellte Nut oder ein umlaufender Anriss erzeugt beim Anlegen des Kunststoffs 2 eine Schnittlinie 15. Wie in 6 dargestellt, umschließt die Schnittlinie 15 die Kontur 8. Die Schnittlinie 15 grenzt die Schale 4 von dem abzutrennenden Überstand 19 ab. Der Überstand 19 wird von der Schale 4 durch ein anschließendes Entbutzen entlang der Schnittlinie 15 getrennt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht einer in der Schale 4 befestigten Komponente 6. Die Komponente 6 weist Aussparungen auf, in die der Kunststoff 2, wie zuvor beschrieben, mit Hilfe der in 2 dargestellten Vakuumbohrungen 13 eingezogen wird. Der in die Aussparungen eingezogene Kunststoff 2 bildet Befestigungen 18, die durch formschlüssigen Eingriff mit den Aussparungen in den Komponenten 6 die Komponenten an der Schale 4 befestigen.
Die Schalen 4, 20 werden aufeinandergesetzt und zu einem im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörper 1 zusammengefügt. In dem hier beschriebenen Verfahren werden die Schalen 4, 20 beim Aufeinandersetzen mit Mitteln zur Zentrierung zunächst zentriert. Als Mittel zur Zentrierung sind, wie zuvor erläutert, entsprechend zueinander komplementäre Konturen 8, 9 beim Ausformen der zwei Schalen 4, 20 vorgesehen. Die beiden Konturen 8, 9 sind schematisch in 8 erkennbar, in der eine Querschnittsansicht eines Verbindungsbereichs der beiden Schalen 4 und 20 dargestellt ist. In 6 ist der Randbereich der Schale 4 mit der Kontur 9 und der Randbereich der Schale 20 mit ihrer entsprechend komplementären Kontur 8 schematisch wiedergegeben. Die beiden Schalen 4 und 20 werden aufeinandergesetzt und daraufhin zusammengefügt. Das Fügen erfolgt durch Schweißen, wobei die gebildete Nut 11 ein Schweißzusatzmittel 12 in Form von erwärmtem Kunststoff beim Schweißen aufnimmt. In 9 ist eine entsprechende Querschnittsansicht des Fügebereichs wiedergegeben.
Der Hohlkörper 1 wird mit einem Spannband 14 versehen, welches diesen in der Einbaulage hält. Das Spannband soll im Fügebereich der Schalen an diesem anliegen. Um dies zu erreichen, wird in dem Bereich, in dem das Spannband 14 am Fügebereich der Schalen 4, 20 vorbeiläuft, der nach außen vorstehende Bereich der Schalen 4, 20, innerhalb dessen die Konturen 8, 9 zum Zentrieren angeordnet sind, abgeschnitten, sodass in diesem Bereich die Schweißnaht 12 (Schweißraupe) eingezogen ist.
In 10 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Randbereichs der in 6 dargestellten Schale 4 wiedergegeben. Erkennbar ist die Kontur 8, sowie die Schnittlinie 15 zum Entbutzen der Schale 4. In 10 ist ferner eine Schnittlinie 16 dargestellt, entlang derer der überstehende Randbereich der Schale 4 abgeschnitten wird.
Entsprechend wird auch in der zweiten Schale 20 der überstehende Randbereich entfernt. Das Verschweißen erfolgt wie zuvor beschrieben und fügt beide Schalen 4, 20 mit einer vollständig umlaufenden Schweißnaht 12 zusammen.
Der so gebildete Hohlkörper 1 ist in 11 dargestellt. Der Hohlkörper 1 ist beispielsweise als Kraftstoffbehälter für ein Kfz ausgebildet. Der als Kraftstoffbehälter ausgebildete Hohlkörper ist beispielweise mittels eines Spannbandes 14 in der Einbaulage im Kfz befestigt. Die in 11 dargestellten Schalen 4, 20 sind nur schematisch wiedergegeben und zeigen keine detaillierten Konturen 8, 9 der Schalenoberfläche, wie sie zum Beispiel in 6 dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Hohlkörper
2: Halbzeug
3: Formwerkzeug (Positivwerkzeug)
4: erste Schale
5: nach innen gerichteten Oberflächen des Hohlkörpers
6: Komponente
7: Ausnehmung im Formwerkzeug für Komponenten
8: Kontur
9: komplementäre Kontur
10: Wärmequelle
11: umlaufende Nut
12: Schweißnaht
13: Vakuumbohrungen
14: Spannband
15: Schnittlinie zum Entbutzen
16: Schnittlinie für Ausnehmungen zur Aufnahme des Spannbandes
18: Komponentenbefestigungen
19: Überstand
20: zweite Schale

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern (1) aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugtanks, bei dem der Kunststoff als extrudierter Vorformling im noch plastischen Zustand oder als Halbzeug (2) mithilfe wenigstens eines Formwerkzeugs (3) unter Anwendung von Wärme zu wenigstens zwei Schalen (4, 20) ausgeformt wird und die im folgenden abgekühlten, sodann formbeständigen Schalen (4, 20) aufeinandergesetzt und zu einem im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörper (1) zusammengefügt werden, wobei als Formwerkzeug (3) wenigstens ein Positivwerkzeug Anwendung findet, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen (4, 20) aufweist, und die Schalen (4, 20) durch Anlegen des Kunststoffs an das Positivwerkzeug ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positivwerkzeug in das eingespannte, erweichte Halbzeug eingefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Positivwerkzeug ein Positivwerkzeug mit wenigstens einer Ausnehmung (7) zur Aufnahme wenigstens einer Komponente (6) Anwendung findet und das Verfahren ferner das Einlegen der Komponente (6) in die Ausnehmung (7) umfasst und die Komponente (6) gleichzeitig mit dem Ausformen in den Schalen (4, 20) positioniert und befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen und/oder das Befestigen der Komponente (6) unter Anwendung von Differenzdruck erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalen (4, 20) vor dem Fügen zueinander unter Zuhilfenahme von an den Schalen (4, 20) bei der Ausformung vorgesehenen Mitteln zur Zentrierung (8, 9) zentriert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (2) vor und/oder während des Ausformens einseitig oder beidseitig mit einer Wärmequelle (10) bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Halbzeug (2) bei der Erwärmung ein Temperaturprofil aufgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenfügen der Schalen (4, 20) durch Schweißen und/oder Kleben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen mit einem Schweißzusatzmittel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Erzeugung einer zwischen den aufeinandergesetzten Schalen (4, 20) umlaufenden Schweißraupe in eine von den Oberflächen der Schalen (4, 20) gebildeten Nut (11) zur Aufnahme des Schweißzusatzmittels umfasst.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern (1) aus thermoplastischem Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wenigstens einen Extrusionskopf zum Extrudieren eines Vorformlings oder eine Wärmequelle (10) zum Aufwärmen eines Halbzeugs (2), ein Formwerkzeug (3) zum Ausformen von wenigstens zwei Schalen (4, 20) aus dem Vorformling oder dem Halbzeug (2) durch Anlegen des Vorformlings oder des Halbzeugs (2) an das Formwerkzeug (3), sowie Mittel zum Zusammenfügen der Schalen umfassend, wobei das Formwerkzeug (3) ein Positivwerkzeug ist, das im Wesentlichen die Kontur der Schalen (4, 20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) Ausnehmungen (7) zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) Vakuumbohrungen (13) und/oder Vakuumkanäle umfasst, wobei wenigstens eine Vakuumbohrung (13) und/oder wenigstens ein Vakuumkanal in den Ausnehmungen (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) aus Polyurethan oder Aluminium besteht.