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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Werkzeugs zur Herstellung eines hohlen Faserverbundbauteiles nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Für die weitgehend automatisierte Herstellung von Faserverbund-Leichtbau-Strukturen, etwa für Automobil-Karosserien, hat sich der RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding) bewährt, wie er zum Beispiel aus der
WO 2009/071118 A1 bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden trockene, zumeist textile Faserhalbzeuge in die Kavität eines fest verschlossenen Werkzeugs eingelegt und mit Reaktionsharz infiltriert. Um kurze Infiltrationszeiten für Serienprozesse zu erreichen, werden zum Teil Harzinjektionsdrücke von über 100bar gewählt.
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Das RTM-Verfahren gestattet grundsätzlich auch die Herstellung von Hohlstrukturen, wodurch noch höhere Leichtbaugrade erzielt werden können. Dazu müssen Volumina innerhalb des Bauteils während der Harzinjektion etwa mit Formkernen freigehalten werden. Ein gängiger Lösungsansatz besteht im Einsatz von Schläuchen, Foliensäcken oder dünnwandigen Hohlkörpern (allgemein: Blaskerne), die von Innen durch Fluiddruck unterstützt werden. Als Fluid kommt im einfachsten Fall Druckluft zum Einsatz, wobei der Luftdruck stets größer sein muss als der Harzinjektionsdruck, um ein Kollabieren des dünnwandigen Hohlkörpers zu verhindern.
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Die Verwendung von größeren Druckluftvolumina mit Drücken von mehr als 100 bar führen jedoch zu einem Sicherheitsproblem. So etwa weist beispielhaft ein Hohlkörper von zehn Liter Volumen bei 100 bar Fülldruck eine Kompressionsenergie von ca. 5.000 KJ auf. Zwar bieten Pressen für die Kunststoffverarbeitung ausreichende Presskräfte um die Formwerkzeuge gegen den Fülldruck durch Harz und Druckluft geschlossen zu halten. Jedoch muss vor dem Öffnen des Werkzeugs sichergestellt sein, dass die gefertigte Hohlstruktur nicht mehr mit Innenüberdruck beaufschlagt ist. Dies kann in gängiger Praxis durch eine elektronische Steuereinrichtung der RTM-Anlage erfolgen, mit der. die, mit dem Blaskern strömungstechnisch verbundene Drucklufteinheit entsprechend ansteuerbar ist.
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Aus der
US 5,858,295 A ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kunststoffbauteils mit Hohlstruktur bekannt, bei der Werkzeugteile eine Kavität begrenzen, in der ein, die Negativform der Hohlstruktur bildender Blaskern einlegbar ist. In einem Formgebungsprozess wird eine flüssige Kunststoff-Ausgangskomponente in die geschlossene Werkzeug-Kavität injiziert, und zwar bei gleichzeitig druckbelastetem Blaskern. Eine solche Vorrichtung ist auch aus der
US 3,610,563 A bekannt.
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Die Aufgabe besteht darin, ein Sicherheitssystem zu konzipieren, das bei höchster Zuverlässigkeit eine Entlüftung des Blaskerns erzwingt, bevor das Werkzeug geöffnet wird.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von dem Sachverhalt aus, dass ein herkömmliches Sicherheitssystem nur im regulären Anlagenbetrieb prozesssicher arbeitet. Eine solche Prozesssicherheit ist jedoch nicht für den Fall gewährleistet, dass die elektronische Pressensteuereinrichtung fehlerhaft ist oder das zur Blaskern-Druckentlastung vorgesehene Ablassventil defekt ist. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 daher ein zusätzliches Sicherheitssystem installiert, das unabhängig von der elektronischen Pressensteuereinrichtung, das heißt unabhängig von Software-Lösungen und elektrischen Schaltungen, ein Ablassen des Innenüberdrucks vor dem Öffnen des Werkzeugs erzwingt. Es ist hierfür eine Sicherheitsventileinheit vorgesehen, die unabhängig von der Steuereinrichtung sowie selbsttätig nach erfolgter Kunststoff-Formgebung und noch vor dem Öffnen der Formwerkzeugteile eine Druckentlastung des Blaskerns durchführt.
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Die Formwerkzeugteile werden im Formgebungsprozess mit einer Presskraft beaufschlagt. Das Öffnen der Werkzeugteile ist unter Abbau dieser Presskraft durchführbar. In einer Ausführungsform erfasst die Sicherheitsventileinheit die Presskraft oder eine korrelierende Größe, etwa einen auf ein Werkzeugteil wirkenden Hydraulikdruck. Bei Unterschreiten eines Hydraulikdruck-Schwellwerts wird selbsttätig eine zum Blaskern geführte Druckleitung freigegeben, und zwar unter Druckentlastung des Blaskerns. Erfindungsgemäß arbeitet die von der Pressensteuereinrichtung durchgeführte Druckluftentlastung und die von der Sicherheitsventileinheit durchgeführte Druckentlastung in einem Parallelbetrieb.
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Erfindungsgemäß kann eine insgesamt dreifache Absicherung der rechtzeitigen Entlüftung des Blaskerns wie folgt bereitgestellt werden: Erstens sorgt im regulären Betrieb der presstechnischen Fertigungseinrichtung die elektronische Pressensteuereinrichtung dafür, dass der Blasdruck vor dem Öffnen abgelassen wird. Für den Fall, dass die Pressensteuerung fehlerhaft ist oder das Ablassventil defekt ist, erfolgt zweitens die Entlastung des Blaskerns durch die werkzeugintegrierte Sicherheitsventileinheit. Diese arbeitet bevorzugt nach dem Prinzip einer Druckwaage, wobei der Hydraulikdruck im Pressenzylinder und der Blasdruck abgewogen werden. Bei ausreichendem Hydraulikdruck verschließt der Schieber der Sicherheitsventileinheit die Entlüftungsöffnung des Druckluftsystems. Der dazu benötigte Hydraulikdruck gewährleistet zwangsläufig eine ausreichende Schließkraft der Presse. Die dritte Sicherheitsmaßnahme greift etwa dann, wenn ein Ventilschieber der Druckwaage klemmt. Denn dadurch, dass die Entlüftungsöffnung in eine Trennfuge des Werkzeugs führt, kommt es schon bei einem geringen Öffnungshub des Werkzeugs zur zwangsläufigen Entlüftung des Blaskerns. Damit der Luftstrom aus der Trennfuge und mitgeführte Partikel das Personal an der Presse nicht erreichen können, lenkt eine robuste Schürze am Oberwerkzeug den Luftstrom etwa um 90° nach unten um. Partikel prallen dabei an diese Schürze und verlieren dabei erheblich an kinetischer Energie.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist in der Ausführung der Sicherheitsventileinheit als eine werkzeugintegrierte Druckwaage zur Abwägung des schließenden Hydraulikdrucks im Pressenzylinder und des öffnenden Werkzeug-Innendrucks zu sehen. Ein weiterer Kern ist das Zusammentreffen der Sicherheitsventileinheit und der Entlüftungsöffnung in der Trennfuge des Werkzeugs, wodurch zwei Sicherheitsmechanismen gekoppelt werden.
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Nachfolgend sind weitere Merkmale der Erfindung im Einzelnen beschrieben: So kann in einer einfachen Ausführung die Sicherheitsventileinheit an einen Werkzeugteil einen Dichtsitz an dessen Trennfläche aufweisen, der mit einem an die Druckleitung angeschlossenem Stichkanal des anderen Werkzeugteils entsprechend zusammenwirkt.
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In der bereits oben angedeuteten Druckwaagen-Ausführung kann die Sicherheitsventileinheit mit einem integrierten Ventilschieber ausgelegt sein, der einerseits dem Hydraulikdruck des Werkzeugs und andererseits dem Fluiddruck in der Druckleitung zum Blaskern ausgesetzt ist, derart, dass bei irregulärem Hydraulikdruck des Werkzeugs die Sicherheitsventileinheit über einen integrierten Abblaskanal öffnet. Damit ist zusätzlich bewirkt, dass bei einem nicht regulären Schließdruck des Werkzeugs die Sicherheitsventileinheit bereits vor einer Öffnungsbewegung der Werkzeugteile öffnet und den Fluiddruck abbaut.
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Des Weiteren kann die Sicherheitsventileinheit mit dem Ventilschieber durch Hubbegrenzung des Ventilschiebers so ausgelegt werden, dass bei überwiegendem Fluiddruck zunächst der Ventilschieber öffnet und dass bei beginnendem Öffnungshub des Oberwerkzeugs relativ zum Unterwerkzeug der Ventilschieber mitbewegt wird und dementsprechend über den zunehmenden Spalt zwischen den Werkzeugteilen vermehrt Fluid aus dem Blaskern abgeführt werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem über eine Hydraulikleitung beaufschlagbaren Pressenstempel, der auf ein relativ zu einem Unterwerkzeug verfahrbares Oberwerkzeug wirkt, wobei zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug eine die Außenform eines hohlen Faserverbundbauteils abbildende Kavität vorgesehen ist und wobei in die Kavität ein mit einem Fluid beaufschlagbarer Blaskern eingelegt ist, der über eine Druckmittelquelle und Steuerventile an eine Druckleitung innerhalb des Werkzeugs anschließbar und über diese mit Fluiddruck beaufschlagbar oder entleerbar ist und ferner mit einer Hydrauliksteuerung zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs, sowie mit einer Einrichtung zum Zuführen von flüssigen Harz in die Kavität und dessen Aushärtung zum fertigen Faserverbundbauteil wird dadurch erzielt, dass in das Werkzeug in dessen Trennfläche zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug eine Sicherheitsventileinheit integriert ist, die an die Druckleitung angeschlossen ist und die mit dem Öffnen des Werkzeugs die Druckleitung mit der Atmosphäre verbindet.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Sicherheitsventileinheit einen in einer. Bohrung im Werkzeug in Werkzeugöffnungsrichtung verschiebbar geführten und an die Trennfläche angrenzenden, kolbenartigen Ventilschieber aufweisen, der als Druckwaage ausgebildet mit seiner einen Stirnfläche an die Druckleitung der hydraulischen Pressensteuerung angeschlossen und an seiner anderen Stirnseite an einen in die Trennfläche mündenden Stichkanal angrenzt, wobei der Stichkanal mit der Druckleitung zum Blaskern kommuniziert und der Ventilschieber einen an der Trennfläche ausgebildeten Abblaskanal zur Atmosphäre steuert. Damit kann wirkungsvoll bei irregulärem Hydraulikdruck an der Pressensteuerung bereits vor dem Öffnen des Werkzeugs Fluiddruck im Blaskern abgebaut werden.
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Dabei kann der Ventilschieber mit einem angeformten Ringbund zwischen einem am Werkzeug befestigten Anschlagring und einer Ringschulter der gestuft ausgeführten Bohrung im Werkzeug begrenzt verschiebbar gehalten und mittels einer Feder in Öffnungsrichtung vorgespannt sein. Daraus resultiert bei entsprechender Abstimmung der wirksamen Kolbenflächen des Ventilschiebers und der Feder (zum Beispiel einer oder mehrerer Tellerfedern) ein präzises Ansprechverhalten der Sicherheitsventileinheit und eine montagegünstige Konstruktion bei baulich einfachen Teilen.
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Des Weiteren kann an der dem Stichkanal bzw. dem korrespondierenden Ventilsitz zugewandten Stirnseite des Ventilschiebers ein bei geschlossenem Werkzeug den Stichkanal abdichtender Dichtring angeordnet sein, zum Beispiel ein Elastomer oder Silikonring, der zuverlässig im regulären Fertigungsprozess den Stichkanal verschließt.
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Um eine dauerhafte Funktion der Sicherheitsventileinheit zu gewährleisten, kann diese ferner außerhalb einer die Kavität an der Trennfläche abdichtenden Dichtleiste und/oder außerhalb eines Harzabflusskanals im Werkzeug angeordnet sein, wodurch gegebenenfalls störende Verschmutzungen oder Verklebungen ausgeschlossen sind.
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Schließlich kann zumindest im Bereich der Sicherheitsventileinheit am Werkzeugoberteil oder Unterteil eine die Trennfläche abdeckende und abblasendes Fluid umlenkende Blende vorgesehen sein, die ausschließt, dass im Falle eines Abblasens über die Sicherheitsventileinheit oder über das öffnende Werkzeug Störungen oder Beeinträchtigungen von Personen im unmittelbaren Umfeld des Werkzeugs auftreten können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Fertigungspresse mit einem verfahrbaren Oberwerkzeug und einem gestellfesten Unterwerkzeug zum Herstellen von hohlen Faserverbundbauteilen für Kraftfahrzeuge nach dem RTM-Verfahren, ferner mit einer Pressensteuerung mit einer hydraulischen Drucksteuereinheit und einer Fluiddruck-Steuereinheit und mit einem in das Werkzeug integrierten Sicherheitsventil; und
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2 teilweise das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug in einem Schnitt durch das integrierte Sicherheitsventil.
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Die 1 zeigt soweit zum Verständnis der Erfindung erforderlich eine Fertigungspresse 10 zum Herstellen von hohlen Faserverbundbauteilen (zum Beispiel aus CFK) mit einem Pressengestell 12, in dem ein verfahrbares Oberwerkzeug 14 und ein gestellfestes Unterwerkzeug 16 angeordnet sind.
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Das Oberwerkzeug 14 wird über einen Pressenstempel 18 üblicher Bauart hydraulisch betätigt, wobei die Betätigung über eine Druckleitung 20 und eine Steuerleitung 22 über eine Drucksteuereinheit 24 (mit entsprechenden Steuerventilen, etc.) erfolgt.
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Zwischen dem Oberwerkzeug 14 und dem Unterwerkzeug 16 ist eine die Außenform des Faserverbundbauteils bildende Kavität 26 eingearbeitet. Zur Herstellung dessen inneren Hohlraums dient ein schlauchähnlicher Blaskern 28, der innerhalb des Unterwerkzeugs 16 an eine, ein Fluid (zum Beispiel Druckluft) führende Druckleitung 30 einer Drucksteuereinheit 32 angeschlossen ist. Über die Drucksteuereinheit 32 kann der Blaskern 28 druckbeaufschlagt oder entlüftet werden.
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In die Kavität 26 mündet ferner eine Injektionsvorrichtung (nicht dargestellt), mit der flüssiges Harz mit einem Druck von zum Beispiel > 100 bar zuführbar ist. Mittels der Injektionsvorrichtung kann ein in die Kavität 26 eingelegtes Faserhalbzeug (zum Beispiel ein Fasergestrick) mit Harz infiltriert (befüllt) und anschließend zum Beispiel durch Wärmezufuhr (nicht dargestellt) ausgehärtet werden.
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Damit beim Zuführen des Harzes der Blaskern 28 formstabil bleibt, wird dieser mit einem den Fülldruck übersteigenden Fluiddruck über die Druckleitung 30 beaufschlagt. Dies dient auch zur präzisen Formgebung des Faserverbundbauteils innerhalb der Kavität 26.
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Nach dem Aushärten des Faserverbundbauteils muss dieser Fluiddruck vor Öffnen des Werkzeugs bzw. Hochfahren des Oberwerkzeugs 14 abgebaut werden, um das hohle Faserverbundbauteil nicht aufzuweiten oder gar zu zerstören. Dies erfolgt regulär über die Drucksteuereinheit 32, die wie die hydraulische Drucksteuereinheit 24 an eine entsprechende, elektrische Pressensteuerung 34 angeschlossen ist.
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Im Bereich der Trennflächen 36 zwischen dem Oberwerkzeug 14 und dem Unterwerkzeug 16 ist eine Sicherheitsventileinheit 38 angeordnet, die mit Bezug zur 2 beschrieben ist und das beim Öffnen des Werkzeugs 14, 16 bzw. beim Hochfahren des Oberwerkzeugs 14 automatisch die Druckleitung 30 zum Blaskern 28 entlüftet bzw. zur Atmosphäre öffnet.
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Die Sicherheitsventileinheit 38 ist im Ausführungsbeispiel (2) als eine Druckwaage ausgebildet und weist einen in das Oberwerkzeug 14 integrierten Ventilschieber 40 auf, der mit einem Ventilsitz 42 an der Trennfläche 36 des Unterwerkzeugs 16 zusammenwirkt.
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Der als rotationssymmetrischer Kolben ausgeführte Ventilschieber 40 ist in eine zur Trennfläche 36 des Oberwerkzeugs 14 offene, gestufte Bohrung 14a in Öffnungsrichtung des Oberwerkzeugs 14 begrenzt verschiebbar eingesetzt, wobei ein im Durchmesser größerer Ringbund 40a über zwei ringförmige Tellerfedern 44 gegen die in der Bohrung 14a gebildete Ringschulter 14b vorgespannt ist.
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Die Tellerfedern 44 stützen sich dabei an einem am Oberwerkzeug 14 mittels Schrauben 46 befestigten Anschlagring 48 ab, der ein definiertes Ausfahren des Ventilschiebers 40 zulässt.
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Die im Durchmesser kleineren Abschnitte des Ventilschiebers 40 sind über Dichtringe 50 in der Bohrung 14a und im Anschlagring 48 abgedichtet. Ferner ist an der dem Dichtsitz 42 des Unterwerkzeugs 16 zugewandten Stirnseite des Ventilschiebers 40 ein Dichtring 52 aus eine Elastomer oder aus Silikon eingesetzt, der bei geschlossenem Werkzeug 14, 16 den Ventilsitz 42 an der Trennfläche 36 verschließt.
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In den Ventilsitz 42 mündet ein Stichkanal 54, der einen im Unterwerkzeug 16 eingearbeiteten und mit dem Blaskern 28 korrespondierenden Kanal 56 schneidet, wobei der Kanal 56 an die Druckleitung 30 (nur angedeutet) angeschlossen ist.
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Die der Trennfläche 36 des Oberwerkzeugs 14 abgewandte Stirnseite 40b des Ventilschiebers 40 ist über einen Kanal 58 an die Druckleitung 20 der hydraulischen Drucksteuereinheit 24 angeschlossen (nur angedeutet) und wird deshalb bei geschlossenem Werkzeug 14, 16 mit dem Pressendruck beaufschlagt.
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Die Stirnseiten des Ventilschiebers 40 sind in ihren wirksamen Kolbenflächen und mit den Tellerfedern 44 so abgestimmt, dass bei regulärem Pressendruck und geschossenem Werkzeug 14, 16 der Ventilschieber 40 ausgefahren ist und über den Ventilsitz 42 den Stichkanal 54 bzw. die Druckleitung 30 geschlossen hält.
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Sollte der Hydraulikdruck in der Druckleitung 20 irregulär abfallen, so überwiegt der auf die Stirnseite 40c des Ventilschiebers 40 aus dem Stichkanal 54 wirkende Fluiddruck den auf die Stirnseite 40b wirkenden Hydraulikdruck und schiebt in Verbindung mit der Vorspannung der Tellerfedern 44 den Ventilschieber 40 nach oben, so dass die Sicherheitsventileinheit 38 öffnet bzw. der Ventilschieber 40 vom Ventilsitz 42 abhebt, wodurch der Blaskern 28 über einen in die Trennfläche 36 des Oberwerkzeugs 14 eingearbeiteten Abblaskanal 60 entlüftet bzw. mit der Atmosphäre verbunden wird.
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Im Bereich der Sicherheitsventileinheit 38 ist an dem Oberwerkzeug 14 eine die Trennfläche 36 abdeckende Blende 62 befestigt, die das abströmende Fluid nach unten am Unterwerkzeug 16 entlang umlenkt. Gegebenenfalls kann auch ein mit dem Abblaskanal 60 zusammenwirkender Auffangbehälter vorgesehen sein.
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Die Sicherheitsventileinheit 38 mit dem Ventilschieber 40 ist, wie aus 2 ersichtlich ist, zudem außerhalb einer umlaufenden Dichtleiste 64 und außerhalb eines im Werkzeug 14, 16 vorgesehenen Harzabführkanals 66 positioniert.
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Durch die beschriebene Anordnung an der Trennfläche 36 und Ausbildung der Sicherheitsventileinheit 38 als Druckwaage öffnet die Sicherheitsventileinheit 38 sowohl beim Öffnen des Werkzeugs bzw. beim Hochfahren des Oberwerkzeugs 14 und zusätzlich bei definierten Druckunterschieden zwischen den Druckleitungen 20 und 30, um bei Störungen im Fertigungsablauf in einfacher Weise Beschädigungen am Blaskern 28 oder am gefertigten Faserverbundbauteil oder anderweitige Schäden auszuschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fertigungspresse
- 12
- Pressengestell
- 14
- Oberwerkzeug
- 14a
- Bohrung
- 14b
- Ringschulter
- 16
- Unterwerkzeug
- 18
- Pressenstempel
- 20
- Druckleitung
- 22
- Steuerleitung
- 24
- Drucksteuereinheit
- 26
- Kavität
- 28
- Blaskern
- 30
- Druckleitung
- 32
- Drucksteuereinheit
- 34
- Pressensteuerung
- 36
- Trennflächen
- 38
- Sicherheitsventileinheit
- 40
- Ventilschieber
- 40a
- Ringbund
- 42
- Ventilsitz
- 44
- Tellerfedern
- 46
- Schrauben
- 48
- Anschlagring
- 50
- Dichtringe
- 52
- Dichtring
- 54
- Stichkanal
- 56
- Kanal
- 58
- Kanal
- 60
- Abblaskanal
- 62
- Blende
- 64
- Dichtleiste
