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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Autoklavieren von Bauteilen, insbesondere von Fahrzeugbauteilen aus Keramik-Verbundwerkstoffen, wobei die Vorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung vorbestimmter Temperatur-, Druck- oder Medienbedingungen innerhalb eines verschließbaren Behälters der Vorrichtung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anwendung bei der Vorrichtung.
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Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden beispielsweise im Fahrzeugbau verwendet, um Kompositbauteile herzustellen, wobei die eigentliche Behandlung innerhalb eines gegenüber der Umgebung abdichtbaren bzw. verschließbaren Behälters erfolgt, in welchem erhöhte Temperaturen und Drücke erzeugt werden.
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Es ist bekannt, dass Autoklaven im Allgemeinen verwendet werden, um Gegenstände mit Dampf bei erhöhtem Druck und erhöhten Temperaturen zu behandeln, um etwa eine Sterilisation zu bewirken oder aber auch beispielsweise Verbundgläser herzustellen. Der Einsatz von Autoklaven wird unter anderem auch in der
EP 2 165 754 A1 beschrieben, die sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Solarzellen bezieht.
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Die bekannten Autoklaven sind rohrförmig ausgebildet und weisen auf ihrer Stirnseite eine runde, große Öffnung auf, die mit einer schwenkbaren Tür verschlossen werden kann.
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Die hohen Temperaturen bzw. der hohe Druck ist beispielsweise für die Durchführung von Abläufen, Prozessen oder bestimmten Reaktionen erforderlich. Zur Herstellung von Kompositmaterialien werden die Bauteile zur Aushärtung in einen Autoklaven eingebracht. Die das Bauteil umgebende Atmosphäre, also ein das Bauteil umgebendes Fluidmedium, muss dabei bestimmte Eigenschaften aufweisen.
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Um eine unerwünschte Reaktion zwischen den Werkstoffen und dem gasförmigen Medium zu vermeiden, werden im Inneren von Autoklaven oftmals sogenannte Inertgase eingesetzt, die sehr reaktionsträge sind und nicht zu chemischen Reaktionen des Werkstücks führen.
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Die
DE 10 2008 052 790 A1 befasst sich mit einer kostengünstigen Bereitstellung derartiger Inertgase für eine Autoklavvorrichtung durch einen Verbrennungsmotor mit einer Lambda-1-Regelung, dessen Abgas kein bzw. möglichst wenig Restsauerstoff enthält. Dadurch soll ein System zur Verfügung gestellt werden, das sowohl den für die Fertigung der Kompositmaterialien erforderlichen Druckraum aufweist als auch die Bereitstellung von Inertgas durch die Aufbereitung des Abgases des Verbrennungsmotors gewährleistet. Da eine externe Belieferung mit Inertgas nicht mehr erforderlich ist, lässt sich das Autoklavsystem beispielsweise einfacher in eine Fertigungsanlage von zum Beispiel Kompositwerkstoffen integrieren. Besonders vorteilhaft ist das System in der Kraftfahrzeug- sowie Luftfahrtindustrie, bei der in zunehmenden Maße neue Materialien zum Einsatz kommen.
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Die
WO 2009/071118 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen oder hinterschnittigen Faserverbundbauteils. Auf einen geschlossenen, aus einer Folie bestehenden Hilfskörper werden Fasern aufgebracht und in eine Produktionsform eingebracht. Um gänzlich geschlossene Körper zu erzielen, kann der Blaskern vor dem Einbringen in die Produktionsform mit einem gewissen Gasvolumen befüllt und dann verschlossen werden. Nach dem Einbringen in die Produktionsform kann der Außenbereich vakuumiert werden, sodass sich der Blaskern im Inneren der Kavität ausdehnt und die Fasern gegen die Außenwand gepresst werden.
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Ferner betrifft die
DE 10 2008 021 928 B3 ein Verfahren zum örtlichen Einfärben einer Seitenwandung eines Fahrzeugreifens in einer Vulkanisationsatmosphäre in einem Kessel.
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Als nachteilig erweist sich in der Praxis der diskontinuierliche Chargenbetrieb solcher Vorrichtungen zum Autoklavieren von Bauteilen, der dadurch bedingt ist, dass jeweils eine bestimmte Losgröße zunächst in dem Behälter gegenüber der Atmosphäre isoliert werden muss, bevor die angestrebte Behandlung beginnt.
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In der Großserien- und Massenfertigung, die grundsätzlich auf einem Fließprinzip beruht, ist ein Chargenbetrieb insofern hinderlich, dass sich diskontinuierlich arbeitende Vorrichtungen nicht im Takt mit vor- und nachgelagerten Prozessschritten synchronisieren lassen.
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Um hier dennoch eine quasi-kontinuierliche Bereitstellung der behandelten Bauteile zu ermöglichen, werden oftmals mehrere Autoklaven parallel betrieben und zeitversetzt beschickt. Außerdem werden leistungsstarke Einrichtungen zur Erzeugung vorbestimmter Temperatur Druck- und Medienbedingungen eingesetzt, um so die Nebenzeiten der Autoklavbehandlung kurz zu halten. Beide Maßnahmen führen jedoch zu erheblichen zusätzlichen Kosten.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Autoklavieren von Bauteilen, insbesondere im Bereich der Massenfertigung, wesentlich zu vereinfachen und die damit verbundenen Kosten zu verringern.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Autoklavieren von Bauteilen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß weist also die Vorrichtung mehrere beweglich angeordnete Behälter auf, die mittels einer Kupplung bedarfsweise und vorübergehend zur Erzeugung der vorbestimmten Bedingungen in dem Behälter mit der Einrichtung lösbar verbindbar sind. Erfindungsgemäß wird durch eine Trennung der Funktionselemente der Vorrichtung, nämlich der Einrichtung mit ihren peripheren Aggregaten wie etwa einer Vakuumpumpe, einem Kompressor, einem Vorratsbehälter für Medien und dergleichen einerseits und der verschiedenen Behälter als Reaktionsdruckgefäß andererseits eine Annäherung an das Fließprinzip bis hin zur Behandlung einzelner Bauteile ermöglicht und zugleich eine wesentlich bessere Auslastung der Einrichtung erreicht. Die Vorrichtung kann dadurch in der Praxis wesentlich effizienter betrieben werden, indem die Behandlungs- bzw. Einwirkdauer innerhalb eines jeweiligen Behälters getrennt von der Einrichtung erfolgt. Unmittelbar nach dem Erreichen der gewünschten Bedingungen in dem Behälter wird dieser von der Einrichtung getrennt, die dann sofort oder in einem kurzen zeitlichen Abstand mit einem nachfolgenden Behälter verbunden wird. Die Behälter bilden dabei autonome Einheiten, deren Größe und Beschaffenheit an die jeweiligen Einsatzbedingungen in optimaler Weise angepasst werden kann, wobei selbstverständlich auch unterschiedliche Behälterformen zum Einsatz kommen können. Die auch als Umlaufautoklavanlage bezeichnete Vorrichtung besteht demnach aus einer zentralen Station, die alle Aggregate der Einrichtung enthält, die für die Erzeugung der angestrebten Temperatur-, Druck- sowie Medienbedingungen erforderlich sind, insbesondere also der Fluidzusammensetzung innerhalb des Behälters. Die Behälter können so im Takt der vorgelagerten Prozesse mit Bauteilen bestückt und zu dem entsprechenden Einsatzort transportiert werden. Eine in der Praxis Erfolg versprechende Einsatzmöglichkeit betrifft die Fertigung einer Carbon-Keramik-Bremsscheibe, bei der sowohl der Basiskörper als auch die beidseitig aufgebrachten Reibschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid bestehen. Die Matrix dieses Werkstoffs besteht aus Siliciumcarbid (SiC) und elementarem Silicium (Si), wobei die Verstärkung des Werkstoffs durch Kohlenstofffasern (C) erreicht wird. Im Ergebnis vereinen kohlenstofffaserverstärkte Siliciumcarbid-Werkstoffe die vorteilhaften Eigenschaften von carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) und von polykristallinen Siliciumcarbid-Keramiken.
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Die Vorrichtung könnte auf die alternative Versorgung eines einzigen Behälters beschränkt sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dagegen dadurch erreicht, dass an der Einrichtung zugleich mehrere Behälter bedarfsweise anschließbar sind. Hierdurch kann die Vorrichtung besonders flexibel eingesetzt werden und die Nebenzeiten können weiter minimiert werden, wenn mehrere Behälter zugleich mit der Einrichtung verbunden und zeitgleich oder nacheinander mit den gewünschten Medien versorgt werden.
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Die Behälter könnten in einer vorbestimmten Taktfolge der Vorrichtung zugeführt und mit der Einrichtung verbunden werden. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn die Behälter unabhängig voneinander beweglich und beispielsweise mittels einer Transporteinheit individuell antreibbar sind. Beispielsweise können die Behälter nach dem Herstellen der gewünschten Bedingungen innerhalb des Behälters zunächst einer Pufferstation oder gegebenenfalls unmittelbar einer Einbauposition innerhalb einer Montagelinie zugeführt werden. Dabei kann die Geschwindigkeit sowie der Transportweg für jeden Behälter separat gesteuert und überwacht werden, um so einerseits eine ausreichende Einwirkdauer, andererseits eine zeitgenaue Verfügbarkeit der Bauteile sicherzustellen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn gemäß einer besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung die Kupplung zur Verbindung zumindest einer Leitung des Behälters mit der Einrichtung als eine Schnellkupplung ausgeführt ist. Diese ermöglicht insbesondere eine automatisierte Kopplung des jeweiligen Behälters mit der Einrichtung, ohne dass hierzu ein manueller Eingriff erforderlich ist. Dabei können unterschiedliche Leitungen für beispielsweise Fluide einerseits und zur Energieversorgung oder Signalübermittlung andererseits in einer gemeinsamen Funktionseinheit zusammengefasst werden.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn zumindest eine Leitung als eine Rohr- oder Schlauchleitung ausgeführt und mit einer automatischen bzw. selbstschließenden Kupplung, beispielsweise einem Rückschlagventil, ausgestattet ist, sodass ein unerwünschter Austritt von Fluiden zuverlässig vermieden werden kann. Selbstverständlich kann zusätzlich eine Steuerung der Vorrichtung zur Kontrolle der Fluidströme, insbesondere der zugeführten Menge bzw. einer Füllmenge des Behälters, vorgesehen sein.
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Der Behälter ist grundsätzlich als ein passives Element zu verstehen, welches mittels der Kupplung mit der Vorrichtung und mittels einer geeigneten Aufnahme mit der Transporteinheit verbunden werden kann. Eine besonders vielversprechende Weiterbildung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass zumindest einzelne Behälter mit Sensoren sowie einer Einrichtung zur Signalübertragung erfasster Zustandsgrößen oder Messwerte ausgestattet sind, um so den Zustand der Bauteile im Inneren des Behälters fortlaufend überprüfen zu können. Zur Signalübertragung eignen sich beispielsweise aktive oder passive Transponder.
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Außerdem kann eine besonders vorteilhafte Abwandlung auch dadurch erreicht werden, dass die Behälter mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung als Temperiereinrichtung ausgestattet sind. Eine solche Heiz- oder Kühleinrichtung dient der Aufrechterhaltung gewünschter Temperaturen oder Temperaturgradienten innerhalb des Behälters, wobei die Einrichtung entweder mittels einer eigenen Energieversorgung eine aktive Änderung der Temperatur herbeiführen kann oder aber aufgrund einer Durchlaufstation durch äußere Einflüsse entsprechend temperierbar ist.
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In ähnlicher Weise können die Behälter mit einer Belüftung oder Entlüftung ausgestattet sein. Beispielsweise kann so ein definierter Eintritt von Umgebungsluft erreicht werden.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird auch dadurch erreicht, dass die Behälter zur optimalen Raumausnutzung an die Geometrie der Bauteile angepasst sind. Hierdurch wird das Volumen der zuzuführenden Medien reduziert, um so einerseits die Dauer bis zur Füllung des Behälters zu verkürzen und andererseits den hierfür erforderlichen Energieaufwand zu vermindern.
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Weiterhin wird die Aufgabe noch durch ein Verfahren zum Autoklavieren von Bauteilen mit einer Einrichtungen zur Erzeugung vorbestimmter Bedingungen hinsichtlich der Temperatur-, der Druck- oder der Medienbedingungen innerhalb eines verschließbaren Behälters gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst, indem die Behälter nach dem Erreichen der vorbestimmten Medienbedingungen innerhalb des Behälters von der Vorrichtung getrennt und einer Arbeitsstation zugeführt werden, in welcher zumindest ein Bauteil entnommen wird, und anschließend der Behälter zu der Einrichtung zurückgeführt wird, um so eine dem Takt der vor- und nachgeordneten Arbeitsschritte angepasste Verfügbarkeit der Bauteile sicherzustellen. Dabei erfüllt der Behälter sowohl die Funktion eines Reaktionsgefäßes als auch die eines Transportmittels für das Bauteil, sodass die Dauer des Transports für die Behandlung des Bauteils genutzt werden kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. In dieser werden anhand mehrerer Einzeldarstellungen die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Autoklavieren von Bauteilen 2 näher dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist in eine Fertigungslinie zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen aus Keramik-Verbundwerkstoffen, insbesondere Bremsscheiben, eingebunden, sodass eine taktgebundene Bereitstellung der Bauteile 2 erforderlich wird. Die Vorrichtung 1 hat zumindest eine Einrichtung 3 zur Erzeugung der für die Behandlung der Bauteile 2 geeigneten und durch eine nicht gezeigte Steuerung vorbestimmter Bedingungen innerhalb eines jeweils verschließbaren Behälters 4 der Vorrichtung 1. Zu diesem Zweck umfasst die Einrichtung 3 mehrere Aggregate 5, durch die entsprechende Temperaturen und Druckverhältnisse innerhalb des Behälters 4 erzeugt werden, und einen Vorratsbehälter 6, durch den entsprechend feste, flüssige oder gasförmige Medien 9 dem Behälter 4 in geeigneter Menge zuführbar sind. Die Vorrichtung 1 weist mehrere beweglich angeordnete Behälter 4 auf, die mittels einer Kupplung 7 vorübergehend zur Erzeugung der vorbestimmten Bedingungen in dem Behälter 4 mit der Einrichtung 3 lösbar verbunden werden. Die Behälter 4 werden nach dem Erreichen der gewünschten Verhältnisse in ihrem Inneren gegenüber der Umgebung dichtend verschlossen und vorzugsweise zu einer nicht gezeigten Arbeitsstation transportiert, sodass die Transportdauer zugleich einen wesentlichen Teil der Behandlungsdauer der in dem Behälter 4 hermetisch eingeschlossenen Bauteile 2 bildet. Dadurch, dass die Behälter 4 lediglich für eine zum Erreichen der gewünschten Druckbehandlungsbedingungen im Inneren des Behälters 4 erforderliche Dauer mit der Einrichtung 3 verbunden sind, wird eine Annäherung an das Fließprinzip ermöglicht und zugleich eine wesentlich bessere Auslastung der Einrichtung 3 erreicht. Anstelle einer nach dem Stand der Technik bekannten festen Verbindung der Einrichtung 3 mit dem Behälter 4 verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 über eine Vielzahl autonomer Behälter 4 als bewegliche Druckreaktionsgefäße. Im Betrieb werden die Behälter 4 im Takt der vorgelagerten Prozesse mit den Bauteilen 2 gefüllt und über die als Schnellverschluss ausgeführten Kupplungen 7 mit der Einrichtung 3 verbunden, um die gewünschten Prozessparameter im Innenraum des Behälters 4 durch Erzeugung von Über- oder Unterdruck sowie Zu- und Abführung fluider Medien zu realisieren und diese anschließend beim Transport der Behälter 4 zu verschließen oder mit einem Verschluss zu versehen. Nach der Einstellung der gewünschten Reaktionsbedingungen wird der Behälter 4 von der Einrichtung 3 getrennt. Für eine gegebenenfalls erforderliche Änderung der Druckbedingungen, der reaktiven Medien oder der Temperaturverhältnisse kann der Behälter 4 entsprechend getaktet wieder der zentralen Einrichtung 3 zugeführt werden. Die Behälter 4 können zudem mit nicht dargestellten Sensoren, Datenloggern oder Regelventilen ausgestattet sein. Diese können der Prozessüberwachung dienen oder beispielsweise durch die Steuerung von Ventilen die Bedingungen innerhalb des Behälters aktiv beeinflussen. Weiterhin können temperaturprofilabhängige Reaktionen durch eine geeignete Heiz- und Kühleinrichtung 8 realisiert werden. Diese kann in den Behälter 4 integriert sein. Selbstverständlich kann die gewünschte Temperierung auch in einem Durchlaufofen oder in einem temperierten Wasserbad durch einen Wärmetauscher des Behälters 4 realisiert werden. Die Vorrichtung 1 kann zudem mit weiteren, räumlich separierten Einrichtungen 3 ausgestattet sein, um so entlang des Umlaufwegs der Behälter 4 gezielt Veränderungen an den Prozessparametern vornehmen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Einrichtung
- 4
- Behälter
- 5
- Aggregate
- 6
- Vorratsbehälter
- 7
- Kupplung
- 8
- Heiz-/Kühleinrichtung
- 9
- Medium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2165754 A1 [0003]
- DE 102008052790 A1 [0007]
- WO 2009/071118 A1 [0008]
- DE 102008021928 B3 [0009]
