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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen eines Bauteils und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
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Ein Bauteil, das aus Fasern besteht, die in einer thermoplastische Matrix eingebettet sind, wird auch als ein sogenanntes Organoblech bezeichnet. Sofern das Bauteil als Rohling vorliegt, wobei die Matrix noch nicht ausgehärtet ist, kann der Rohling verformt und danach die Matrix ausgehärtet werden. Allerdings sind hierbei Maßnahmen dafür zu treffen, dass der Rohling, da dieser leicht plastisch zu verformen ist, eine für ihn vorgesehene Form beibehält.
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Diesbezüglich ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 037 067 A1 eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Eine weitere Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils ist aus der Druckschrift
WO 2014/012775 A1 bekannt.
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Vor diesem Hintergrund werden eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Anordnung und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist zum Herstellen eines Bauteils ausgebildet und umfasst eine Greifvorrichtung, die mehrere Spannelemente umfasst. Für das herzustellende Bauteil ist ein Rohling bereitzustellen, der aus Fasern besteht, die in einer üblicherweise thermoplastischen Matrix eingebunden und weitgehend in derselben unidirektionalen Richtung orientiert sind, wobei der Rohling einen Bauteilbereich bzw. Bearbeitungsbereich und mindestens einen Randbereich aufweist. Dabei ist das Bauteil aus dem Bauteilbereich des Rohlings herzustellen, wohingegen der mindestens eine Randbereich später von dem herzustellenden oder bereits hergestellten Bauteil zu entfernen ist.
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Die Greifvorrichtung ist dazu ausgebildet, den mindestens einen Randbereich des Rohlings an mehreren Stellen durch jeweils ein Spannelement senkrecht zu einer Richtung der Fasern einzuklemmen und den Bauteilbereich des Rohlings zwischen je zwei Spannelementen in Richtung der Fasern einzuspannen. Zumindest der eingespannte Bauteilbereich des Rohlings ist zu erhitzen und die Matrix dabei zu verflüssigen. Der Rohling ist mit der Greifvorrichtung in einem Werkzeug, bspw. einem Umformwerkzeug, anzuordnen, wobei das Werkzeug dazu ausgebildet ist, den Bauteilbereich des Rohlings weiterzuverarbeiten, bspw. zu pressen und/oder umzuformen.
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In der Regel sind nicht sämtliche Fasern eines Faserverbunds in dem Rohling innerhalb der thermoplastischen Matrix in derselben Richtung sondern lediglich ein hoher prozentualer Anteil von bis zu 90% der Fasern ist in derselben Richtung orientiert.
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Zum Einklemmen einer Stelle des Randbereichs ist ein hierzu vorgesehenes Spannelement an der Stelle zu positionieren und das Spannelement zu schließen, wobei die Stelle einzuklemmen ist. Durch Öffnen des Spannelements ist die Stelle wieder freizugeben.
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Die Greifvorrichtung ist dazu ausgebildet, zwischen zwei Spannelementen einen Abstand einzustellen, der einen vorgesehenen Sollwert aufweist. Dabei sind diese beiden Spannelemente in Ausgestaltung an zwei Stellen des mindestens einen Randbereichs angeordnet, wobei eine Verbindungslinie zwischen diesen beiden Stellen parallel zu der Richtung der Fasern orientiert ist. Der Abstand der Spannelemente ist in Abhängigkeit eines aktuellen Istwerts an den vorgesehenen Sollwert anzupassen, d. h. zu vergrößern, zu verkleinern oder beizubehalten.
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Außerdem umfasst die Greifvorrichtung mindestens einen Spannarm, an dem mindestens ein Spannelement angeordnet ist, sowie mindestens ein mechanisches Element, bspw. eine Feder, das dem mindestens einen Spannarm zugeordnet ist.
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Dabei ist an einem ersten Spannarm ein erstes Spannelement und an einem zweiten Spannarm ein zweites Spannelement angeordnet, wobei ein Abstand zwischen den beiden Spannelementen über das mindestens eine mechanische Element, das beiden Spannarmen zugeordnet ist, einzustellen ist.
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Alternativ oder ergänzend sind an einem Spannarm ein erstes Spannelement und ein zweites Spannelement angeordnet, wobei eine Länge des einen Spannarms und somit ein Abstand zwischen den beiden Spannelementen über das mindestens eine mechanische Element, das dem einen Spannarm zugeordnet ist, einzustellen ist. Dabei ist der Abstand zwischen den beiden Spannelementen von der variabel einstellbaren Länge des Spannarms abhängig. Damit der Abstand zwischen den zwei Spannelementen dem vorgeschlagenen Sollwert entspricht, ist für die Länge des Spannarms ein Sollwert einzustellen.
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In der Regel weist jedes Spannelement zwei Spannbacken auf, zwischen denen eine Stelle des Randbereichs des Rohlings einzuklemmen ist. Ein Abstand zwischen den beiden Spannbacken ist üblicherweise stufenlos einzustellen, wodurch ein Druck, der durch die Spannbacken auf die dazwischen angeordnete, bspw. eingeklemmte Stelle des Randbereichs des Rohlings zu variieren ist. Zum Einklemmen der Stelle des Randbereichs mit einem Spannelement ist bzw. sind das Spannelement bzw. dessen Spannbacken zu schließen. Durch Öffnen des Spannelements bzw. der Spannbacken ist die Stelle wieder freizugeben. Hierbei ist es möglich, das Spannelement bzw. die Spannbacken sequenziell zu schließen sowie zu öffnen.
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Außerdem ist mindestens ein Spannelement der Greifvorrichtung zu erwärmen bzw. zu erhitzen.
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Die Anordnung umfasst weiterhin einen Ofen zum Erhitzen des Rohlings sowie das Werkzeug zum Weiterverarbeiten, bspw. zum Umformen des Bauteilbereichs des Rohlings.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Herstellen eines Bauteils vorgesehen. Dabei wird für das herzustellende Bauteil ein Rohling bereitgestellt, der aus Fasern besteht, die weitgehend in einer unidirektionalen Richtung ausgerichtet bzw. orientiert sowie in einer Matrix eingebunden sind, wobei der Rohling einen Bauteilbereich bzw. Bearbeitungsbereich und einen Randbereich aufweist. Der Randbereich des Rohlings wird bei dem Verfahren an mehreren Stellen durch jeweils ein Spannelement einer Greifvorrichtung nach Schließen dieses Spannelements senkrecht zu der Richtung der Fasern eingeklemmt. Weiterhin wird der Bauteilbereich des Rohlings zwischen je zwei Spannelementen in Richtung der Fasern eingespannt. Zumindest der eingespannte Bauteilbereich des Rohlings, in der Regel der komplette Rohling, wird auf die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix erhitzt und die Matrix verflüssigt. Weiterhin wird der Rohling mit der Greifvorrichtung in einem Werkzeug angeordnet und von dem Werkzeug weiterverarbeitet, bspw. gepresst und/oder umgeformt.
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Bei dem Verfahren wird mindestens ein Paar aus zwei Spannelementen verwendet, wobei die zwei Spannelemente des mindestens einen Paars an zwei Stellen des mindestens einen Randbereichs angeordnet sind bzw. werden, wobei eine Verbindungslinie zwischen diesen beiden Stellen bzw. Spannelementen parallel zu der Richtung der Fasern orientiert ist. Dabei wird der Abstand der Spannelemente in Abhängigkeit eines aktuellen Istwerts an den vorgesehenen Sollwert angepasst, d. h. vergrößert, verkleinert oder beibehalten.
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Üblicherweise sind die Fasern des Rohlings weitgehend parallel in der Richtung, bspw. in einer Vorzugsrichtung, unidirektional ausgerichtet. Hierbei wird die gemeinsame Richtung der Fasern bereits beim Herstellen des Rohlings vorgegeben und/oder definiert. Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist es denkbar, dass nicht sämtliche Fasern parallel in derselben Richtung ausgerichtet sind. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Richtung berücksichtigt, in der die meisten Fasern, d. h. ein Anteil von mindestens 50% oder 66% sämtlicher Fasern, orientiert ist.
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Der Bauteilbereich des Rohlings wird über die Spannelemente verformt, bspw. gefaltet bzw. drapiert und/oder nachgespannt.
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Nach Einlegen des Bauteils in das Werkzeug mit der Greifvorrichtung wird mindestens ein Spannelement der Greifvorrichtung, mit dem die Stelle des Randbereichs eingeklemmt ist, geöffnet und als Spannelement aus dem Werkzeug entfernt. Der Bauteilbereich des Rohlings wird erst danach weiterverarbeitet.
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Außerdem wird der weiterverarbeitete Rohling mit der Greifvorrichtung aus dem Werkzeug entnommen.
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In Ausgestaltung wird mindestens eine Stelle des Randbereichs auch noch während einer Weiterverarbeitung des Bauteilbereichs des Rohlings im Werkzeug von zumindest einem Spannelement eingeklemmt. Das zumindest eine Spannelement wird erst nach der Weiterverarbeitung aus dem Werkzeug entnommen, wobei dann ebenfalls der weiterverarbeitete Rohling aus dem Werkzeug entnommen wird.
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Im Rahmen des Verfahrens, das mit der Anordnung durchgeführt wird, ist üblicherweise vorgesehen, dass ein Rohling unter Berücksichtigung einer Ausrichtung der Fasern bspw. in einem Magazin gelagert ist und von der Greifvorrichtung aus dem Magazin herausgenommen wird. Dabei greifen Spannelemente der Greifvorrichtung lediglich an Stellen des Randbereichs des Rohlings an. Dabei wird der Randbereich nachfolgend nicht drapiert und/oder von dem Werkzeug bearbeitet, wohingegen der Bearbeitungsbereich nachfolgend zu drapieren und/oder von dem Werkzeug zu bearbeiten ist.
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Nach Erhitzen bzw. Erwärmen des Rohlings besteht üblicherweise die Gefahr, dass dessen Fasern aufgrund einer Wirkung der Schwerkraft durchhängen. Dies wird jedoch durch Einstellen des Sollwerts für den Abstand zwischen zwei Stellen des Randbereichs, an denen jeweils Spannelemente angreifen, vermieden. Dabei ist der jeweilige Sollwert bspw. in Abhängigkeit einer Temperatur des Rohlings und/oder einer Viskosität der Matrix, die ebenfalls von der Temperatur des Rohlings abhängig ist, einzustellen.
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Während eines Erhitzens bzw. Erwärmens des Rohlings in dem Ofen wird dieser von den Spannelementen der Greifvorrichtung, die auch als Spannrahmen bezeichnet werden kann, eingespannt, wodurch ein Ablegen und ein Aufnehmen des Rohlings vermieden wird. Hierdurch können Verfahrenszeiten verkürzt und ein Abkühlen des Rohlings vermieden werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Rohling mit der Greifvorrichtung in dem Werkzeug positioniert, bspw. eingeklemmt. Danach wird mindestens ein Spannelement von dem mindestens einen Randbereich gelöst und aus dem Werkzeug wieder herausgefahren. Außerdem wird der Rohling bei einem Schließen des Werkzeugs in eine für das Bauteil vorgesehene Form gebracht und dabei üblicherweise vollständig gefaltet bzw. drapiert. Anschließend wird für den Rohling ein Spritzgießprozess durchgeführt.
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Über das mindestens eine mechanische Element der Greifvorrichtung bzw. des Spannrahmens wird in Ausgestaltung nicht nur der Istwert des Abstands zwischen zwei Stellen bzw. Spannelementen auf den hierfür vorgesehenen Sollwert eingestellt. Ergänzend ist es hierbei möglich, auch eine Spannkraft, mit der die Fasern zwischen zwei Spannelementen gespannt werden, von einem Istwert auf einen Sollwert einzustellen.
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Mit den Spannelementen der Greifvorrichtung, die den Rohling an unterschiedlichen Stellen des Randbereichs des Rohlings ergreifen, werden an diesen Stellen Spannpunkte definiert, über die für den Rohling eine vorgesehene Form einzustellen ist. Außerdem ist durch Nutzung der Greifvorrichtung für den Rohling eine gewünschte Temperatur einzuhalten und der Rohling dabei zu durchwärmen.
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Bei dem Verfahren ist es möglich, dass der Rohling mehrere übereinander gelegte Schichten aus Fasern umfasst, die entsprechend einer vorgesehenen Geometrie und/oder Form des Bauteils übereinandergelegt sind.
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Über die Greifvorrichtung bzw. den Spannrahmen werden die Fasern in ihren Endpunkten in den Randbereichen des Rohlings zwischen Spannbacken von zwei Spannelementen eingeklemmt sowie ergriffen und zwischen den zwei Spannelementen eingespannt.
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Da eine Länge mindestens eines Spannarms, an dem mindestens ein Spannelement angeordnet ist, variabel verstellbar ist, ist der Abstand zwischen zwei Stellen, die von den Spannelementen gegriffen werden, in Ausgestaltung stufenlos einstellbar. Dies umfasst auch die Maßnahme, die Spannkraft, die zwischen zwei Spannelementen herrscht und über die die Fasern zu spannen sind, stufenlos einzustellen. Dabei ist bspw. auch eine Zugkraft zwischen zwei Spannelementen, wobei die Fasern über die Zugkraft in Längsrichtung gezogen werden, auf einen vorgesehenen Sollwert einzustellen.
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Üblicherweise wird der Rohling beim Erhitzen bzw. Aufwärmen aufgrund einer Verflüssigung der Matrix plastisch verformt, wobei eine Steifigkeit des Rohlings reduziert wird. Durch Einstellen einer Zugkraft oder Spannkraft, die auf die Fasern wirkt, wenn diese zwischen zwei Spannelementen eingeklemmt sind, auf einen vorgesehenen Sollwert, ist für den Rohling eine vorgesehene Steifigkeit beizubehalten, wodurch eine Reduktion der Steifigkeit beim Erhitzen des Rohlings zu kompensieren ist. Somit sind die Fasern in Ihrer Längsrichtung bzw. Vorzugsrichtung mit der Greifvorrichtung einzuspannen, wobei ein Durchhängen der Fasern vermieden wird. Außerdem ist es möglich, den Rohling über die Greifvorrichtung gezielt zu verformen.
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Der Randbereich wird durch mehrere Spannelemente eingeklemmt, wobei Spannbacken eines Spannelements geschlossen werden. Zur Freigabe von Stellen des Randbereichs die durch geschlossene Spannelemente eingeklemmt sind, werden die Spannelemente bzw. deren Spannbacken geöffnet. Diesbezüglich ist möglich, Spannelemente bzw. deren Spannbacken sequenziell zu öffnen, um ein Nachfließen und/oder Bombieren bzw. Wölben zumindest des Bauteilbereichs des Rohlings im Werkzeug zu ermöglichen. Somit können einzelne Lagen aus Fasern des Rohlings nachrutschen, wodurch eine Entstehung von Falten oder Lücken aufgrund eines Öffnens der Fasern vermieden wird, wenn das Werkzeug geschlossen wird. Durch sequentielles Öffnen der Spannelemente ist der Rohling gezielt zu verformen.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird der Rohling mit der Greifvorrichtung bzw. Spannvorrichtung in das bspw. als Umformwerkzeug ausgebildete Werkzeug transportiert. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein Aufbau der Lagen der Schichten aus Fasern bezüglich einer Ausdehnung in Längsrichtung der Fasern nicht homogen ist, da sich bspw. eine Lage Fasern stärker als andere Lagen verformt, bspw. verkürzt oder verlängert. Somit ergibt sich, dass einzelne Lagen nachrutschen können. Um dies zu vermeiden, ist mindestens eines der Spannelemente leicht zu lösen, so dass einzelne Lagen nachrutschen können. Somit wird durch gezieltes Nachrutschen von Lagen eine Spannung in dem Rohling sowie ein Abgleiten von Lagen vermieden, wodurch wiederum eine Faltenbildung verhindert werden kann, da der Rohling über die Greifvorrichtung in dem Werkzeug gemäß einer Vorgabe korrekt und reproduzierbar zu positionieren ist.
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Nach einem Erwärmen bzw. Erhitzen des Rohlings auf die Schmelztemperatur der Matrix wird dieser mit den Spannelementen der Greifvorrichtung gespannt und mit der Greifvorrichtung zu dem Werkzeug transportiert. Dabei ist möglich, mindestens ein Spannelement der Greifvorrichtung bzw. des Spannrahmens in dem Werkzeug positionsgenau zu fixieren und/oder einzuhängen. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und mindestens ein Spannelement in Abhängigkeit eines Schließwegs einer Presse des Werkzeugs geöffnet.
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Hierdurch und/oder aufgrund der Möglichkeit, zumindest ein Spannelement bzw. dessen Spannbacken sequenziell zu öffnen, können einzelne Fasern unterschiedlich nachfließen bzw. nachrutschen und sich dabei gezielt verformen, ohne Falten oder Lücken zu bilden.
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Nachdem der Rohling mit der Greifvorrichtung in dem Werkzeug angeordnet worden ist, wird mindestens ein Spannelement von dem Rohling gelöst und aus dem Werkzeug entfernt. Danach wird das Werkzeug geschlossen und der Rohling bspw. durch Pressen verformt. Nach Öffnen des Werkzeugs ist der Rohling über das mindestens eine Spannelement wieder zu ergreifen und aus dem Werkzeug zu entfernen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass mindestens ein Spannelement auch nach einem Schließen des Werkzeugs und während des Verformens des Rohlings in und/oder an diesem angeordnet bleibt, wobei mindestens eine Stelle des Randbereichs noch durch das mindestens eine Spannelement auch beim Verformen des Rohlings eingeklemmt wird. Hierbei ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass das Werkzeug mindestens eine Öffnung aufweist, durch die das mindestens eine Spannelement der Greifvorrichtung in dem Werkzeug verbleiben kann und an dem Rohling noch befestigt ist. In der Regel umfasst das Werkzeug eine Presse, wobei der Rohling durch Schließen des Werkzeugs bzw. der Presse geschlossen wird, wobei Endkonturen bzw. Randbereiche abgepresst werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer Greifvorrichtung als Komponente einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus unterschiedlichen Perspektiven.
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Das in 1a schematisch dargestellte Beispiel der Greifvorrichtung 2 bzw. eines Spannrahmens umfasst hier drei Spannarme 4, 6, 8, wobei an jeweiligen Enden jeweils eines Spannarms 4, 6, 8 jeweils ein Spannelement 10, 12, 14, 16, 18, 20 angeordnet ist. Außerdem ist hier ein erster Spannarm 4 über ein erstes Gelenk 22 als mechanisches Element mit einem dritten Spannarm 8 verbunden, wobei ein Winkel zwischen den beiden Spannarmen 4, 8 beliebig einzustellen und eine Stellung der beiden Spannarme 4, 8 relativ zueinander zu fixieren ist. Entsprechend sind ein zweiter Spannarm 6 und der dritte Spannarm 8 ebenfalls über ein zweites Gelenk 24 als mechanisches Element miteinander verbunden.
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Details des ersten Spannarms 4 sind in der 1 b schematisch dargestellt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die beiden weiteren Spannarme 6, 8 genauso wie der erste Spannarm 4 ausgebildet sind. Dabei umfasst der Spannarm 4 eine Spannschiene 26, an der die beiden Spannelemente 10, 12 angeordnet sind. Hierbei weist jedes Spannelement 10, 12 zwei Spannbacken 28, 30, 32, 34 auf. Die beiden Spannelemente 10, 12 sind über eine Feder 36 als mechanisches Element miteinander verbunden. Hierbei ist vorgesehen, dass die Spannelemente 10, 12 relativ zu der Spannschiene 26 bewegbar sind. Ein Abstand zwischen den beiden Spannelementen 10, 12 ist über die Feder 36 einzustellen. Außerdem sind die jeweils zwei Spannbacken 28, 30, 32, 34 jeweils eines Spannelements 10, 12 über einen Elektromotor 38, 40 und eine Feder 42, 44 als weitere mechanische Elemente miteinander verbunden.
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Bei Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Rohling 46 bereitgestellt, der mehrere Lagen an Fasern umfasst, die in eine Matrix getränkt sind. Dabei wird der Rohling 46 in einen Bearbeitungsbereich, der im Rahmen des Verfahrens verformt wird, sowie in hier zwei Randbereiche unterteilt, die während des Verfahrens nicht zu verformen sind. Die Fasern des Rohlings 46 werden hier in einem ersten Bereich zwischen den Spannbacken 28, 38 des ersten Spannelements 10 eingeklemmt. Ein zweiter Randbereich wird an einer Stelle zwischen den beiden Spannbacken 32, 34 des zweiten Spannelements 12 eingeklemmt.
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Somit ist der Bearbeitungsbereich des Rohlings 46 zwischen den Spannelementen 10, 12 angeordnet. Im Rahmen des Verfahrens wird der von der Greifvorrichtung 2 aufgenommene Rohling 46 unter anderem erhitzt, wobei eine Matrix, in die die Fasern des Rohlings 46 eingebettet sind, verflüssigt wird, was dazu führen kann, dass sich der Rohling 46 plastisch verformt. Dies wird vermieden, indem zwischen den beiden Spannelementen 10, 12 ein Sollwert für einen Abstand eingestellt wird. Falls ein zu messender Istwert des Abstands geringer als der Sollwert ist, wird der Abstand zwischen den beiden Spannelementen 10, 12 über mindestens ein elastisches mechanisches Element, hier die Feder 36, auf den Sollwert verlängert. Falls der Istwert des Abstands größer als der Sollwert ist, wird dieser mit dem mindestens einen mechanischen Element verkürzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010037067 A1 [0003]
- WO 2014/012775 A1 [0003]
