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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils durch Verpressen einer flexiblen Matte, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Formteils. Das Formteil ist insbesondere zur Verwendung als oder Weiterverarbeitung zu einem Dekorteil für Fahrzeuginnenräume geeignet.
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Stand der Technik
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Die Herstellung von Trägerteilen für Fahrzeug-Interieurteile, beispielsweise für die Türinnenverkleidung, Instrumententafel, Mittelkonsole usw., erfolgt typischerweise im Spritzgussverfahren oder mittels Pressens von thermo-/duroplastischen Naturfasermattensystemen. Das Verpressen von Naturfasermatten, in Verbindung mit einem Anbinden von Funktionselementen, wird beispielsweise in der
DE 10 2011 005 350 A1 und der
DE 10 2004 054 228 A1 beschrieben. Im letzteren Dokument ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils beschrieben, bei dem in einem ersten Schritt ein Naturfaser aufweisender Rohling erwärmt wird und dann ein Formteil aus dem Rohling durch Zusammenpressen zweier Werkzeughälften hergestellt wird.
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Die so hergestellten Formteile können mit Dekoren kaschiert werden. Beim Kaschieren von Dekormaterialien wird im Stand der Technik primär zwischen dem Vakuumkaschieren (auch als Folienkaschieren bezeichnet) und dem Presskaschieren unterschieden.
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Beim Vakuumkaschieren werden in der Regel Kunststofffolien, wie TPO-, PVC- oder PU-Folien, als Dekormaterialien durch Applikation von Vakuum auf einen Träger kaschiert. Zur Verbindung zwischen dem Träger und dem Dekormaterial dient ein auf den Träger und/oder das Dekormaterial aufgetragener Kleber.
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Das Presskaschieren kommt in der Regel bei der Verarbeitung von Dekormaterialien, die entweder nicht vakuumfähig sind, wie beispielsweise Textilien, oder die nicht oder nur bedingt dehnbar sind, wie beispielsweise Leder oder Kunstleder, zum Einsatz. Hierbei werden der Träger und das Dekormaterial in ein Presswerkzeug eingelegt und in einem vordefinierten. Pressspalt verpresst. Auch hier wird die Verbindung der Elemente durch einen auf den Träger oder das Dekormaterial aufgetragenen Kleber erreicht.
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Beim Verpressen einer Naturfasermatte zu einem Trägerteil oder beim Presskaschierprozess sind zwei Werkzeughälften erforderlich, die beim Schließen des Werkzeugs einen gleichbleibenden Pressspalt definieren, der nicht nur den Druck auf eine eingelegte Matte bestimmt, sondern dieser auch die auszuformende dreidimensionale Kontur vermittelt. Nach dem Fügevorgang und dem eigentlichen Verpressen wird das Formteil zur Vermeidung von Rückstellkräften im Verbund und nach abgeschlossener Kleberaktivierung durch Temperatur kalt entformt, d. h. nach einer Abkühlphase unter Druck dem Werkzeug entnommen.
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Bei insbesondere komplexeren Formteilgeometrien kommt es beim dreidimensionalen Formen und Verpressen zum sogenannten „Mattenauszug”, d. h., die Matte wird beim Pressvorgang aufgrund von Kontursprüngen in der Formteilgeometrie lokal gestreckt, wodurch die Dichte beim verpressten Formteil Schwankungen unterworfen ist.
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Die Dichte, insbesondere bei Naturfasermatten, ist jedoch ein wesentlicher Faktor für das Erscheinungsbild der Oberfläche des gepressten Formteils. Hierbei kommt es insbesondere darauf an, dass die Dichte nach dem Pressvorgang über das gesamte Formteil möglichst konstant ist. Nur so kann eine optisch einheitlich bzw. gleichmäßig wirkende Oberfläche erzielt werden. Bereits kleinste Dichteschwankungen sind sowohl optisch als auch haptisch wahrnehmbar und als Störungen erkennbar, beispielsweise in Form von Änderungen der Oberflächenrauigkeit und des Glanzeffekts.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils durch Verpressen einer flexiblen Matte und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Formteils bereitzustellen, mit denen eine Matte, insbesondere eine Naturfasermatte, derart verpresst und verfestigt werden kann, dass das so hergestellte Formteil eine optisch und haptisch homogene Oberfläche aufweist.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden allgemeinen Beschreibung, sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
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Die Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils weist eine erste Werkzeughälfte und eine zweite Werkzeughälfte auf, die relativ zueinander verfahrbar sind. Die Matte zur Herstellung des Formteils wird in die geöffnete Vorrichtung eingelegt und die Vorrichtung, die hier auch einfach als Werkzeug bezeichnet wird, wird geschlossen, so dass die Matte in einem konturgebenden Pressspalt zwischen den beiden Werkzeughälften liegt. Eine erste Seite der Matte steht somit wenigstens teilweise mit der ersten Werkzeughälfte in Kontakt, und eine zweite Seite der Matte steht wenigstens teilweise mit der zweiten Werkzeughälfte in Kontakt. Aufgrund der dreidimensionalen Konturierung des Pressspalts würde die Matte beim bloßen Zusammenpressen der beiden Werkzeughälften an manchen Stellen gestaucht, an anderen auseinandergezogen werden, was zu den oben beschriebenen Nachteilen aus dem Stand der Technik führt. Insbesondere eine Dichteverringerung der Matte, der sogenannte „Mattenauszug”, der etwa bei Naturfasermatten, in denen die Anordnung, Größe, Lage und übrige Beschaffenheit der Fasern natürlichen Schwankungen unterworfen sind, würde sich störend auf die optische und haptische Beschaffenheit des Formteils auswirken.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung nun ferner ein oder mehrere flexible Formhilfen auf, die ein wenigstens teilweises Egalisieren der Mattendichte ermöglichen, wenn die Matte durch Druck und gegebenenfalls Temperatur der beiden Werkzeughälften verpresst und verfestigt wird. Die eine oder die mehreren Formhilfen wirken lokal auf die Matte im Pressspalt.
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Unter „lokal” ist hierbei gemeint, dass die eine oder die mehreren Formhilfen punktuell oder in bestimmten Bereichen, die insgesamt wenigstens kleiner sind als der gesamte Pressbereich im Pressspalt, wirken. Wenn der Einfachheit halber nur von einer Formhilfe (Singular) die Rede ist, dann geschieht dies allein aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung. Die im Folgenden diskutierten Eigenschaften gelten gleichermaßen für den Fall mehrerer Formhilfen.
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Durch die erfindungsgemäße Formhilfe ist es möglich, Dichteschwankungen, bedingt durch die Geometrie des Formteils und Inhomogenitäten in der Matte auszugleichen. Damit werden die Oberflächenrauigkeit, die Offenporigkeit, die Oberflächenstruktur und die haptischen Eigenschaften des Formteils vergleichmäßigt, wodurch nicht nur das Aussehen des Formteils verbessert wird, sondern ferner eine reproduzierbare Basis für nachfolgende Prozesse, wie beispielsweise einen Kaschiervorgang, bereitet wird. Insgesamt wird eine homogenere Oberfläche mit verringerten Farbunterschieden, gleichbleibenderen Glanzeigenschaften und geringeren Rauigkeitsunterschieden erzeugt. Dadurch vermindert sich auch ein Abzeichnen auf einer Dekoroberfläche bei einem etwaigen Kaschiervorgang. Darüber hinaus ist die hier vorgestellte Lösung kostengünstig und mit nur geringem Mehraufwand realisierbar.
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Vorzugsweise wird die Matte beim Verpressen gleichzeitig mit einer oder mehreren Lagen kaschiert, da dies effizient in nur einem Werkzeug, auch unter Zuhilfenahme der hier thematisierten Formhilfe realisiert werden kann.
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Die Matte ist vorzugsweise eine Naturfasermatte zur Herstellung eines faserverstärkten Formteils, da sich auf diese Weise ein besonders haltbares und formstabiles Formteil herstellen lässt. Es kommen hierbei etwa thermo- oder duroplastische Naturfasermatten zum Einsatz. Vorzugsweise ist wenigstens eine der beiden Werkzeughälften beheizbar, um ein Verpressen und/oder Kaschieren unter einfach einstellbaren, insbesondere höheren Temperaturen durchführen zu können. Dies ist auch dann von Vorteil, wenn eine Aktivierung eines Klebers direkt im Werkzeug erfolgen soll. Zur Formgebung wird die Matte vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C, insbesondere zwischen 180°C und 220°C, entweder außerhalb des Werkzeugs oder, wie oben angesprochen, mittels einer integrierten Heizvorrichtung im Werkzeug, vorgeheizt. Die aufgeheizte Matte wird zwischen den beiden Werkzeughälften positioniert und gegebenenfalls fixiert. Die Fixierung kann mittels eines Spannrahmens, Klemmen oder Stiften usw. erfolgen. Vorzugsweise ist eine Werkzeughälfte stationär vorgesehen, während die andere Werkzeughälfte verfahrbar ist. Auch kann die Vorrichtung eine Schneidkante aufweisen, an der ein Konturbeschnitt oder Beschnitt eines Durchbruchs durchgeführt werden kann.
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Insbesondere bei Naturfaserprodukten treten Schwankungen bei der Faserbeschaffenheit und beim Flächengewicht auf. Deshalb ist es gerade bei der Verarbeitung solcher Produkte wichtig, die Formhilfen flexibel und anpassungsfähig zu gestalten, so dass unmittelbar auf bestimmte und produktindividuelle Veränderungen der Materialbeschaffenheit reagiert werden kann.
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Vorzugsweise ist die Formhilfe ein verstellbares Druckstück, dessen Position entlang der Erstreckung der Matte verfahrbar und/oder dessen lokaler Druck auf die Matte einstellbar ist. In diesem Fall erfolgt die lokale Drucksteuerung mechanisch, etwa speziell mittels eines Polsters oder Schiebers. Besonders bevorzugt ist die Formhilfe so in einer Werkzeughälfte vorgesehen, dass sie mit der Matte in Kontakt gerät, wobei zwischen Formhilfe und Werkzeughälfte ein Ausgleichspolster vorgesehen sein kann. Damit erfolgt eine Vergleichmäßigung der Verdichtung im Bereich des Mattenauszugs, auch wenn die Matte aufgrund von Materialschwankungen mal mehr und mal weniger ausgezogen wird. Ein hohes Flächengewicht auf den mittels der Formhilfe zu verdichtenden Bereich der Matte bewirkt hierbei ein starkes Zusammendrücken des Ausgleichpolsters, wohingegen ein niedriges Flächengewicht eine geringe Komprimierung des Ausgleichpolsters zur Folge hat. In diesem Sinne dient das Ausgleichspolster dem Dichteausgleich, eingelegt zwischen Formhilfe und Werkzeug. Damit zeigt sich anschaulich ein wichtiger Bestandteil des Verfahrens, der darin besteht, dass zur Egalisierung der Mattendichte die eine oder die mehreren Formhilfen auf Bereiche verringerter Mattendichte, d. h. Bereiche des Mattenauszugs, auf flexible Art und Weise drücken können, wobei produktindividuellen Dichteschwankungen Rechnung getragen werden kann. Alternativ oder zusätzlich zum Ausgleichspolster können Dichteplättchen zur Einstellung der lokalen Druckbeaufschlagung zwischen Formhilfe und entsprechender Werkzeughälfte vorgesehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die lokale Druckbeaufschlagung unter Zuhilfenahme eines Fluids, das eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges Medium sein kann, erfolgen. Hierzu kann zwischen Formhilfe und entsprechender Werkzeughälfte eine Pneumatik vorgesehen sein, mit der der aufzubringende Druck geregelt wird.
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Die Formhilfe kann auch in Form einer Ausgleichsschicht vorliegen, welche vor dem Verpressen und Befestigen der Matte in den Pressspalt des Werkzeugs eingebracht wird. Die Ausgleichsschicht weist dazu vorzugsweise Bereiche unterschiedlicher Dichten und/oder Dicken auf, die beim Verpressen die oben besprochene Druckveränderung zur Egalisierung der Mattendichte bewirken. Eine solche Ausgleichsschicht kann als Matte vorliegen, kann aber auch durch Sprühen, Streuen oder durch partielles Einlegen mehrerer Schichtelemente in den Pressspalt erfolgen.
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Eine Stärke der hier dargestellten Vorrichtung und des hier dargestellten Verfahrens zeigt sich insbesondre auch daran, dass mehrere Formhilfen vorgesehen sein können, deren Positionen und/oder Drücke sich getrennt steuern lassen. Damit lassen sich entlang der Kontur der Matte, insbesondere an Bereichen des Mattenauszugs, besonders einfach unterschiedliche Pressdrücke beim Verpressen realisieren. Dies wiederum trägt zur punktuellen und/oder bereichsweisen Einstellung der Materialbeschaffenheit des herzustellenden Formteils bei.
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Die Formhilfe kann auch ein Hilfselement sein, das vor dem Verpressen und Verfestigen mit der Matte verbunden wird und im Pressspalt mitverpresst wird. Ein solches Hilfselement, das hier auch als Hilfsstoff bezeichnet wird, wird mit der Matte vollflächig oder partiell verbunden und anschließend im Presswerkzeug mitverdichtet. Anschließend kann der Hilfsstoff nach der Verformung mit der Matte fest verbunden bleiben oder wieder abgezogen werden.
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Vorzugsweise ist die Formhilfe als druckausgleichendes Element ausgebildet, das lokal auf die Matte wirkt und in einer der den Pressspalt definierenden Oberflächen der Werkzeughälften integriert ist und/oder diese bildet. Hier kommen etwa druckausgleichende Materialien und/oder Medien zum Einsatz, die zugleich die Oberfläche im Presswerkzeug abbilden.
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Ferner kann die Formhilfe als Druckkammer mit einer flexiblen Membran, die lokal auf die Matte wirkt und in einer der den Pressspalt definierenden Oberflächen der Werkzeughälften integriert ist und/oder diese bildet, ausgebildet sein. Mit Hilfe von Druckkammern dieser Art lässt sich der aufzubringende Druck zur Egalisierung der Mattendichte besonders einfach steuern und ohne Mehraufwand für jede einzelne Matte individuell festlegen.
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Wenngleich die Erfindung zur Herstellung von Formteilen im Bereich der Innenausstattung von Automobilen besonders geeignet ist, versteht es sich, dass die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden kann, beispielsweise im Transportbereich allgemein, insbesondere der Luftfahrt und Schifffahrt, im Möbelbau usw. Allerdings ist die vorliegende Erfindung für eine Herstellung von Formteilen für Fahrzeuginnenräume ganz besonders geeignet, da es hierbei in ausgesprochen hohem Maße auf eine ansprechende Erscheinung über eine lange Lebensdauer bei hoher Herstellungsproduktivität ankommt. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich. Die folgenden und oben beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den Querschnitt eines Werkzeugs mit einer oberen Werkzeughälfte, einer unteren Werkzeughälfte und dazwischen einem Pressspalt mit eingelegter Matte.
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2 bis 4 zeigen Modifikationen des Werkzeugs.
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Alternative Ausgestaltungen der Formhilfe in einem Werkzeug gehen aus den 5 bis 8 hervor.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt den Querschnitt durch ein Werkzeug 1 mit einer oberen Werkzeughälfte 10 und einer unteren Werkzeughälfte 20. Zwischen den beiden Werkzeughälften 10 und 20 befindet sich ein Pressspalt (auch einfach als „Spalt” bezeichnet) 30, der die Kontur eines auszubildenden Formteils bestimmt. Dazu wird eine Matte 40 in den Spalt 30 eingelegt, und diese wird durch Schließen des Werkzeugs 1, d. h. durch relatives aufeinander Zubewegen der beiden Werkzeughälften 10 und 20, verpresst.
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Im vorliegenden Beispiel weist die herzustellende dreidimensionale Kontur einen Kontursprung 31 auf, der bei dem Verpressen der Matte 40 einen Mattenauszug, d. h. eine Verringerung der Mattendichte, im Bereich 32 zur Folge hat.
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Um dieser Dichteverringerung und den daraus resultierenden Qualitätseinbußen am fertigen Formteil entgegenzuwirken, ist in der oberen Werkzeughälfte 10 eine Formhilfe 11 vorgesehen, die einen über das durch den Spalt 30 definierte Druckmaß hinausgehenden Druck auf den Bereich 32 ausübt, so dass in diesem Bereich eine zusätzliche Verdichtung der Matte 40 stattfindet. Die Formhilfe 11 wirkt lokal auf den Bereich 32.
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Im vorliegenden Beispiel ist zwischen der oberen Werkzeughälfte 10 und der Formhilfe 11 ein Ausgleichspolster oder allgemein Ausgleichsmittel 12 vorgesehen, das eine Vergleichmäßigung der Verdichtung im Bereich 32 ermöglicht, auch wenn die Matte 40 aufgrund von Materialschwankungen mal mehr und mal weniger im Bereich 32 ausgezogen wird. Ein hohes Flächengewicht auf den Bereich 32 der Matte 40 bewirkt ein starkes Zusammendrücken des Ausgleichpolsters 12, wohingegen ein niedriges Flächengewicht eine geringe Komprimierung des Ausgleichpolsters 12 zur Folge hat. In diesem Sinne dient das Ausgleichspolster 12 dem Dichteausgleich, eingelegt zwischen Formhilfe 11 und Werkzeughälfte 10. Das Flächengewicht, das durchaus im Bereich von ±10% schwanken kann, und die Vernadelung von Naturfasermatten haben einen erheblichen Einfluss auf die Endoberfläche. Durch die anpassungsfähige Wandstärke des Ausgleichspolsters 12 ist es somit möglich, diese Schwankungen optimal auszugleichen.
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Eine leichte Abwandlung des Aufbaus der 1 ist in der 2 gezeigt, worin dargestellt ist, wie die Formhilfe 11 und die obere Werkzeughälfte 10 mittels Schrauben 13 bei zwischengelegtem Ausgleichspolster 12 miteinander verschraubt sein können.
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Eine andere Ausführungsform, bei der eine Festeinstellung der Formhilfe 11 realisiert wird, ist in der 3 gezeigt. Darin ist die Formhilfe 11 von vorn mittels Schrauben 14 verschraubt. Die gewünschte Verdichtung der Matte 40 wird mittels Distanzplättchen 15 eingestellt.
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Die Einstellung der gewünschten Verdichtung über eine Pneumatik ist in der 4 dargestellt. Darin ist zwischen Formhilfe 11 und oberer Werkzeughälfte 10 eine Pneumatik 16, 16' gezeigt mittels derer die Formhilfe 11 flexibel im Hinblick auf die zu erzielende Verdichtung eingestellt werden kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Formhilfe 11 in diesem Fall auch als flexible Membran vorgesehen sein kann oder in besonderen Fällen das Fluid 16 direkt auf die hier nicht dargestellte Matte drücken kann. Hierzu kann etwa eine Werkzeughälfte mit mehreren Fluidöffnungen vorgesehen sein, die gezielt angesteuert werden können, so dass der Druck individuell auf die Stellen verringerter Mattendichte aufgebracht werden kann. Im Beispiel der 4 wird der Druck auf den zu verdichtenden Bereich der Matte über den Zufluss 16' gesteuert. Das Fluid kann hierbei eine Flüssigkeit oder ein Gas, insbesondere auch Luft, sein. Natürliche oder herstellungsbedingte Dichteschwankungen in der Matte können mittels der Druckregelung ausgeglichen werden.
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Wenngleich bei den gezeigten Beispielen stets die obere Werkzeughälfte 10 die Formhilfe 11 aufweist, versteht es sich, dass die oder mehrere Formhilfen 11 auch in der unteren Werkzeughälfte 20 oder in beiden Werkzeughälften 10, 20 vorgesehen sein können.
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In der 5 ist eine andere Spaltkontur dargestellt. Die Realisierung der Materialverdichtung im Bereich 32 erfolgt hier durch einen Werkzeugeinsatz, der als Formhilfe 11 fungiert. Der Werkzeugeinsatz ist als Schieber ausgebildet, der zum Beispiel federnd gelagert sein kann, wie es in der 7 gezeigt ist. Ähnlich wie im Beispiel der 1 befindet sich zwischen der oberen Werkzeughälfte 10 und der Formhilfe 11 ein Ausgleichsmittel 12, das in der 7 in Form von Federn vorliegt. Die Realisierung der Materialverdichtung kann auch mittels gummiartiger Kompressionspolster oder, wie bereits erwähnt, über eine Medienbeaufschlagung – pneumatisch, gasförmig flüssig – erfolgen. Eine weitere Realisierung ist in der 6 gezeigt, worin die Materialverdichtung durch Einsetzen von druckausgleichenden Materialien 18 erfolgt. Das druckausgleichende Material 18 bildet zugleich einen Teil der Oberfläche im Presswerkzeug. In der Variante, die in 8 gezeigt ist, ist ein Hilfsstoff 19 als Formhilfe in den Spalt 30 eingebracht, der vor dem Umformprozess vollflächig oder partiell mit der Matte 40 verbunden und anschließend im Werkzeug 1 verdichtet wird. Nach der Verformung kann der Hilfsstoff 19 mit der Matte 40 fest verbunden bleiben oder wieder abgezogen werden.
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Durch den variablen Werkzeugaufbau lassen sich die Dichteverhältnisse in der Matte mit wenig Mehraufwand und kostengünstig optimieren.
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Kritische Bereiche bei Geometrien, die einen erhöhten Auszug mit sich bringen, werden als Werkzeugeinsatz, d. h. in Form flexibler Formhilfen, eingeplant. Dies kann flächige Bereiche oder auch Radien betreffen, die in der Werkzeugkonstruktion als Einsatz ausgeführt sind. Je nach Auszugsgrad, d. h. Grad der Dichteverringerung, und Oberflächenanforderung kann so die zu erzielende Verdichtung angepasst werden. Die gewünschte Verdichtung kann hierbei durch mehrere Abstimmungsschleifen kostengünstig und fein abgestimmt werden; keine Konstruktions- und Fräsarbeiten sind notwendig.
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Die hier dargestellten Lösungen zur Vergleichmäßigung der Dichte von Matten sind besonders geeignet zur Verpressung und Verfestigung von Naturfasermatten, bei denen in hohem Maße Inhomogenitäten, wie ungleiche Faserdichten, Faserbündel, Verschmutzungen usw., beobachtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005350 A1 [0002]
- DE 102004054228 A1 [0002]
