DE102012022633A1

DE102012022633A1 - Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess

Info

Publication number: DE102012022633A1
Application number: DE201210022633
Authority: DE
Inventors: Heinz Bösl; Reik Demmler; Martin Wahl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: DE102012022633B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess, mit einem Formwerkzeug (1) bestehend aus einem Werkzeugunterteil (2) und einem Werkzeugoberteil (3), mit einem Hubsystem, mit der das Werkzeugoberteil (3) gegenüber dem Werkzeugunterteil (2) von einer offenen Ausgangsposition, in der Faserhalbzeug einlegbar oder ein Bauteil entnehmbar ist, in eine geschlossene Formposition verlagerbar ist, in der eine Kavität (19) entsprechend der Bauteilform ausgebildet wird und in einem Injektionsprozess bei eingelegtem Faserhalbzeug Kunststoff-Matrixwerkstoff in die Kavität (19) des geschlossenen Formwerkzeugs (1) injiziert wird. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiter eine betätigbare Schließeinrichtung (4) zur Verriegelung des Werkzeugoberteils (3) bezüglich des Werkzeugunterteils (3) in der geschlossenen Formposition auf, wobei mit der verriegelten Schließeinrichtung (4) hohe Einspritzdrücke während des Injektionsprozesses abstützbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche allgemein bekannten, gattungsgemäßen Vorrichtungen bestehen aus einem Formwerkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil auf sowie aus einem Hubsystem, mit der das Werkzeugoberteil gegenüber dem Werkzeugunterteil von einer offenen Ausgangsposition in eine geschlossene Formposition, in der eine Kavität entsprechend der Bauteilform ausgebildet wird, verlagerbar ist. In einem Injektionsprozess wird bei geschlossenem Formwerkzeug in die Kavität bei zuvor eingelegtem Faserhalbzeug ein Kunststoff-Matrixwerkstoff injiziert und für eine bestimmte Zeit zur Aushärtung im Formwerkzeug belassen.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels eines Injektionsprozesses nach dem RTM-Verfahren (Resine Transfer Molding) ist aus DE 10 2011 051 391 A1 bekannt. Weiter sind Injektionsverfahren als Nassfließpressen allgemein bekannt.
Als Hubsysteme für die Verlagerung zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil werden aktuell Pressen insbesondere Hydraulikpressen, die über sehr hohe Kräfte verfügen, eingesetzt, mit denen die hohen Schließkräfte beim Injektionsprozess aufgebracht werden. Diese aktuell verwendeten Pressen haben über den gesamten Weg eine sehr hohe Kraft und sind für die Anforderung bei den Injektionsprozessen sehr massiv gebaut und dementsprechend teuer. Damit sind sie relativ unflexibel und benötigen zudem für den Betrieb ungünstig viel Energie, beispielsweise um die benötigten Ölmengen bei einer Hydraulikpresse zu transportieren und umzupumpen.
Weiter ist aus der DE 10 2009 034 176 B3 eine Spritzgießmaschine mit zwei parallel arbeitenden Antrieben bekannt, einem elektrischen Antrieb und einem hydraulischen Antrieb. Der hydraulische Antrieb wird zumindest zeitweise, insbesondere zum Aufbringen einer Schließkraft zugeschaltet. Auch hier wird somit die Schließkraft von den beiden Antrieben aufgebracht und abgestützt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess so weiterzubilden, dass eine als Hubsystem eingesetzte Presse kleiner und für einen geringen Energieverbrauch dimensionierbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine betätigbare Schließeinrichtung zur Verriegelung des Werkzeugoberteils bezüglich des Werkzeugunterteils in der geschlossenen Formposition aufweist, wobei mit der verriegelten Schließeinrichtung hohe Einspritzdrücke während des Injektionsprozesses abstützbar sind. Dabei wird der Umstand ausgenützt, dass es bei dem Prozess nicht notwendig ist, über den gesamten Weg der Werkzeugteilverlagerung eine hohe Kraft aufzubauen. Es wird nur eine hohe Schließ- und Haltekraft benötigt, welche erfindungsgemäß nicht durch das Hubsystem bzw. die Presse aufgebracht wird, sondern durch eine Schließeinrichtung, welche im unteren Totpunkt die Werkzeugteile verriegelt und nach dem Injektionsprozess wieder öffnet. Danach kann das Hubsystem wieder mit relativ geringer Kraft die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Werkzeugoberteils durchführen.
Zur Bereitstellung dieser relativ geringen Kraft kann eine entsprechend relativ kleine Presse (Hubgestell) verwendet werden, die im Vergleich zu den bisher hier verwendeten Pressen kostengünstiger hergestellt und energieverbrauchsgünstiger betrieben werden kann.
Bei einer konkreten Ausführungsform besteht die Schließeinrichtung aus in der geschlossenen Formposition fluchtenden Eingriffstrukturen im Werkzeugunterteil und im Werkzeugoberteil sowie aus einem Riegelschieber. Der Riegelschieber ist während des Injektionsprozesses durch die Eingriffstrukturen zur Verbindung und Verriegelung des Werkzeugoberteils mit dem Werkzeugunterteil geführt. Eine solche Schließeinrichtung kann bei guter Funktion einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Zweckmäßig liegen dabei die Verlagerungsrichtung zwischen den Werkzeugteilen und die Schieberichtung des Riegelschiebers senkrecht zueinander. Konkret wird bei einem üblichen Pressenaufbau das Werkzeugoberteil gegenüber einem ortsfesten Werkzeugunterteil auf- und abbewegt und die Schieberichtung des Riegelschiebers ist horizontal ausgerichtet.
Zweckmäßig wird dabei der Riegelschieber in der Eingriffstruktur des ortsfesten Werkzeugunterteils verschiebbar geführt und durch einen steuerbaren Arbeitszylinder, insbesondere einen Hydraulikzylinder in Abhängigkeit der Werkzeugstellung und des Injektionsprozesses betätigt.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist die Eingriffstruktur des Werkzeugoberteils eine bezüglich der Einschubrichtung des am Werkzeugunterteil geführten Riegelschiebers und bezüglich der Schließrichtung der Werkzeugteile angestellte Auflaufschräge eines Schließkeils auf. Diesem Schließteil ist ein Arbeitskeil am freien Ende des Riegelschiebers mit einer entsprechenden Gegenkeilfläche zugeordnet, dergestalt, dass beim Einschieben des Riegelschiebers die Keilfläche des Arbeitskeils zur Erhöhung der Schließ- und Verriegelungskraft auf die Auflaufschräge des Schließkeils schiebbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Auflaufschräge des Schließkeils in ihrem Verlauf eine Ausnehmung in Einschubrichtung des Riegelschiebers auf, in die der Arbeitskeil des Riegelschiebers ohne weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft schiebbar ist. In einer solchen Parkstellung kann der Riegelschieber eine vorgebbare Zeitspanne verbleiben und es kann mit der Injektion begonnen werden. Bei einer Nassfließpressfertigung ist eine solche Parkstellung kurz vor der vollen Werkzeugschließung ohnehin erforderlich. Bei einem weiteren Einschieben des Riegelschiebers ist die Keilfläche des Arbeitskeils weiter auf die Auflaufschräge des Schließkeils mit einem weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft bis zur vorgegebenen Einstellung des Schließkeils aufschiebbar.
Je nach den Gegebenheiten kann die Hubkraft eines erfindungsgemäß relativ schwach dimensionierten Hubsystems (Presse) nach der Bauteilherstellung zum Öffnen des Formwerkzeugs nicht ausreichen. In einer Weiterbildung wird daher vorgeschlagen, mit der Schließeinrichtung eine große Öffnungskraft beim Ausschieben des Riegelschiebers aufzubringen und zur Verfügung zu stellen. Dazu weist die Eingriffstruktur des Werkzeugoberteils zudem eine bezüglich der Ausschubrichtung des Riegelschiebers und bezüglich der Öffnungsrichtung der Werkzeugteile angestellte Auflaufschräge eines Öffnungskeils auf. Am freien Ende des Riegelschiebers ist diesem Öffnungskeil ein Öffnungsgegenteil mit einer entsprechenden Keilfläche zugeordnet dergestalt, dass beim Ausschieben des Riegelschiebers die Keilfläche des Öffnungskeils zur ansteigenden Erhöhung der Werkzeugöffnungskraft auf die Auflaufschräge des Öffnungskeils schiebbar ist.
Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines geschlossenen Formwerkzeugs in einer Vorderansicht,
2 das Formwerkzeug nach 1 in einer Seitenansicht,
3 eine vergrößerte Darstellung der Seitenansicht nach 2 mit einem offenen Formwerkzeug (ohne Darstellung des Hubsystems),
4 eine Darstellung entsprechend 3 mit bereits teilweise geschlossenem Formwerkzeug,
5 eine Darstellung entsprechend 4 bei weiter in einer Parkstellung geschlossenem Formwerkzeug, und
6 eine Darstellung mit vollständig geschlossenem Formwerkzeug.
In den 1 und 2 ist jeweils ein Formwerkzeug 1 in einer Vorderansicht und Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess dargestellt. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind ein in an sich bekanntes Hubsystem (Presse) und eine Injektionsvorrichtung nicht gezeigt.
Das Formwerkzeug 1 besteht aus einem ortsfesten Werkzeugunterteil 2 und einem mit dem (nicht dargestellten) Hubsystem auf- und abbewegbaren Werkzeugoberteil 3. Zudem ist eine Schließeinrichtung 4 zur Verriegelung des Werkzeugteils 2 mit dem Werkzeugoberteil 3 vorgesehen, welche aus Eingriffstrukturen 5 am Werkzeugunterteil 2 und Werkzeugoberteil 3 sowie aus einem Riegelschieber 6 besteht. Die Eingriffstruktur am Werkzeugoberteil besteht aus einem Schließkeil 7 und aus einem dagegen versetzten Öffnungskeil 8. Die Eingriffstruktur am Werkzeugunterteil 2 besteht im Wesentlichen aus der Führung 9 für den Riegelschieber 6, wobei in dieser Führung die mit dem Riegelschieber 6 aufgebrachten Schließ- und Verriegelungskräfte abgestützt werden.
Der Riegelschieber 6 ist an die Kolbenstange 10 eines gesteuert hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinders 11 angeschlossen.
Weiter werden anhand der 3 bis 5 der Aufbau und die Funktion des Formwerkzeugs 1 sowie der Schließeinrichtung 4 erläutert:
In 3 ist das geöffnete Formwerkzeug 1 dargestellt, wobei das Werkzeugoberteil 3 in seiner angehobenen Ausgangsposition liegt. In dieser Position kann ein geformtes Kunststoffbauteil entnommen werden oder zu Beginn eines neuen Zyklus ein Faserhalbzeug in die (bei geschlossenem Formwerkzeug ausgebildete) Kavität eingelegt werden. Der Riegelschieber 6 ist in der Ausgangsposition mit dem Arbeitszylinder 11 in seine hintere Endstellung zurückgezogen.
In 4 ist das Formwerkzeug 1 in einem bereits weitgehend geschlossenen Zustand zeigt, bei dem das Werkzeugoberteil 3 mit einem unteren Teilbereich 12, in dem der Schließkeil 7 und der Öffnungskeil 8 liegt, in eine zugeordnete Ausnehmung 13 des Werkzeugunterteils 2 formschlüssig eingeführt ist. Der Schließkeil 7 ist dabei ersichtlich so angeordnet, dass er vorbei am freien Ende des Riegelschiebers 6 in einen Bereich unter den einschiebbaren Riegelschieber 6 bei geschlossenem Formwerkzeug gelangt.
Zur Aufbringung einer hohen Schließ- und Verriegelungskraft weist der Schließkeil 7 des Werkzeugoberteils 3 eine bezüglich der Einschubrichtung 14 des Riegelschiebers 6 und bezüglich der Schließrichtung 15 des Werkzeugoberteils 3 angestellte Auflaufschräge 16 als Keilfläche auf. Am freien Ende des Riegelschiebers 6 ist ein Arbeitskeil 17 ausgebildet mit einer der Auflaufschräge 16 entsprechend zugeordneten Gegenkeilfläche 18.
Wie in 5 dargestellt, wird diese Gegenkeilfläche 18 auf die Auflaufschräge 16 geschoben, wodurch mit hoher Schließverriegelungskraft das Formwerkzeug 1 weiter geschlossen wird und sich die (nicht näher dargestellte) Kavität 19 entsprechend der Bauteilform ausbildet.
Wie aus 5 ersichtlich, weist die Auflaufschräge 16 des Schließkeils 7 in ihrem Längsverlauf eine Ausnehmung 20 in Einschubrichtung des Riegelschiebers 6 auf, in die der Arbeitskeil 17 des Riegelschiebers 6 ohne weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft schiebbar ist. In der damit geschaffenen Parkstellung kann beispielsweise mit der Injektion eines Kunststoffmatrixwerkstoffs in einem RTM-Verfahren begonnen werden. Beim weiteren Einschieben des Riegelschiebers 6 wird die Keilfläche des Arbeitskeils 17 weiter auf die Auflaufschräge des Schließkeils 7 bis zur Endstellung des Riegelschiebers 6 aufgeschoben, wodurch das Formwerkzeug 1 mit einem weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft in seine endgültig geschlossene Formposition geführt wird, wie dies in 6 dargestellt ist.
Nach der (gegebenenfalls teilweisen) Aushärtung des hergestellten Kunststoffbauteils, beispielsweise eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteils (CFK) wird der Riegelschieber 6 durch den Arbeitszylinder 11 wieder in seine Ausgangsposition zurückgezogen. Dabei kommt der Öffnungskeil 8 zur Wirkung:
Der Öffnungskeil 8 weist ebenfalls eine Auflaufschräge 21 auf, welche bezüglich der Ausschubrichtung 22 des Riegelschiebers 6 und bezüglich der Öffnungsrichtung 23 des Werkzeugoberteils 3 oberhalb des Riegelschiebers 6 angestellt ist. Dieser Auflaufschräge 21 ist am freien Ende des Riegelschiebers ein Öffnungsgegenkeil 24 zugeordnet, der beim Ausschieben des Riegelschiebers 6 mit seiner Keilfläche unter die Auflaufschräge 21 des Öffnungskeils 8 schiebbar ist, wodurch eine hohe Werkzeugöffnungskraft erzeugt wird. Wenn dadurch das Werkzeugoberteil 3 vom Werkzeugunterteil 2 gelöst ist, kann das Werkzeugoberteil 3 mit relativ geringer Hubkraft vom (nicht dargestellten) Hubsystem in seine obere Ausgangsposition für einen neuen Fertigungszyklus verlagert werden.
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 102011051391 A1 [0003]
DE 102009034176 B3 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess, mit einem Formwerkzeug (1) bestehend aus einem Werkzeugunterteil (2) und einem Werkzeugoberteil (3), mit einem Hubsystem, mit dem das Werkzeugoberteil (3) gegenüber dem Werkzeugunterteil (2) von einer offenen Ausgangsposition, in der Faserhalbzeug einlegbar oder ein Bauteil entnehmbar ist, in eine geschlossene Formposition verlagerbar ist, in der eine Kavität (19) entsprechend der Bauteilform ausgebildet wird und in einem Injektionsprozess bei eingelegtem Faserhalbzeug Kunststoff-Matrixwerkstoff in die Kavität (19) des geschlossenen Formwerkzeugs (1) injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter eine betätigbare Schließeinrichtung (4) zur Verriegelung des Werkzeugoberteils (3) bezüglich des Werkzeugunterteils (3) in der geschlossenen Formposition aufweist, wobei mit der verriegelten Schließeinrichtung (4) hohe Einspritzdrücke während des Injektionsprozesses abstützbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubsystem als Presse so dimensioniert und ausgelegt ist, dass die Kraft für die Werkzeugverlagerung zwischen Grundposition und Formposition zur Verfügung steht, jedoch die für den Injektionsprozess erforderliche hohe Schließhaltekraft insgesamt nicht aufbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließeinrichtung (4) aus Eingriffstrukturen (5) im Werkzeugunterteil (2) und im Werkzeugoberteil (3) sowie aus einem Riegelschieber (6) besteht, wobei der Riegelschieber (6) in der Verriegelungsposition während des Injektionsprozesses durch die Eingriffstrukturen (5) zur Verbindung und Verriegelung des Werkzeugoberteils (3) mit dem Werkzeugunterteil (2) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungseinrichtung (15, 23) zwischen den Werkzeugteilen (2, 3) und die Schieberichtung (14, 22) des Riegelschiebers (6) etwa senkrecht zueinander liegen, insbesondere dass die Verlagerungsrichtung (15, 23) vertikal, und die Schieberichtung (14, 22) horizontal ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegelschieber (6) in der Eingriffstruktur (5) des Werkzeugunterteils (2) verschiebbar geführt und an einen steuerbaren Arbeitszylinder (11), insbesondere einen hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinder angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffstruktur (5) des Werkzeugoberteils (3) eine bezüglich der Einschubrichtung (14) des Riegelschiebers (6) und bezüglich der Schließrichtung (15) der Werkzeugteile (2, 3) angestellte Auflaufschräge (16) eines Schließkeils (7) aufweist, und dass am freien Ende des Riegelschiebers (6) ein Arbeitskeil (17) mit einer entsprechend zugeordneten Gegenkeilfläche (18) angebracht ist, dergestalt, dass beim Einschieben des Riegelschiebers (6) die Keilfläche (18) des Arbeitskeils (17) zur Erhöhung der Schließ- und Verriegelungskraft auf die Auflaufschräge (16) des Schließkeils (7) schiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflaufschräge (16) des Schließkeils (7) in ihrem Verlauf eine Ausnehmung (20) in Einschubrichtung des Riegelschiebers aufweist, in die der Arbeitskeil (17) des Riegelschiebers (6) ohne weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft schiebbar ist (Parkstellung) und bei einem weiteren Einschieben des Riegelschiebers (6) die Keilfläche (18) des Arbeitskeils (17) weiter auf die Auflaufschräge (16) des Schließkeils (7) mit einem weiteren Anstieg der Schließ- und Verriegelungskraft aufschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffstruktur (5) des Werkzeugoberteils (3) zudem eine bezüglich der Ausschubrichtung (22) des Riegelschiebers (6) und bezüglich der Öffnungsrichtung (23) der Werkzeugteile (3) angestellte Auflaufschräge (21) eines Öffnungskeils (8) aufweist, und dass am freien Ende des Riegelschiebers (6) ein Öffnungsgegenkeil (24) mit einer entsprechend zugeordneten Keilfläche angebracht ist, dergestalt, dass beim Ausschieben des Riegelschiebers (6) die Keilfläche des Öffnungsgegenkeils (24) zur Aufbringung der Werkzeugöffnungskraft auf die Auflaufschräge (21) des Öffnungskeils (8) schiebbar ist.