DE102016113507B4 - Einstückiger einsatz für eine instrumententafel zur herstellung von kaschierten formteilen und verfahren zur herstellung eines einstückigen einsatzes - Google Patents

Einstückiger einsatz für eine instrumententafel zur herstellung von kaschierten formteilen und verfahren zur herstellung eines einstückigen einsatzes Download PDF

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Abstract

Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel, wobei der Einsatz im Oberwerkzeug integriert ist, zur Herstellung von kaschierten Formteilen, umfassend:
- eine Wirkoberfläche (2), welche dem zu kaschierenden Formteil zugewandt ist, und eine Nutzoberfläche (3), welche einem Werkzeughalter zum Befestigen des Werkzeugs (1) zugewandt ist, gekennzeichnet durch
- mindestens einen, in einem Innenbereich oberflächennah zur Wirkoberfläche (2) angeordneten und knickfrei durchsetzenden Fluidkanal (4),
- eine Einlassöffnung (6) und eine Auslassöffnung des Fluidkanals (4) angeordnet an gegenüberliegenden Seitenflächen des Werkzeugs (1), und
- mindestens einen Hohlraum (5), welcher zwischen dem Fluidkanal (4) und der Nutzoberfläche (3)angeordnet ist, wobei zur Stabilität des Hohlraums (5) Stützrippen angebracht werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen einstückigen Einsatz für eine Instrumententafel zur Herstellung von kaschierten Formteilen und ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Einsatzes für eine Instrumententafel.
  • Das Verfahren Presskaschieren von Interieurbauteilen, z.B. einer Instrumententafel, ist ein gängiges Verfahren, wobei unter Einsatz beheizter Werkzeugformen (gefräster Metallblock) durch die Kaschierparameter Druck, Temperatur und Zeit eine Klebstoffschicht (re-)aktiviert wird und diese dann einen Verbund zwischen dem Trägermaterial und dem zu kaschierenden Dekor erzeugt. In den meisten Kaschierwerkzeugen wird mit flüssigen Medien die Werkzeugform, d.h. das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug, auf eine Solltemperatur erwärmt, die die Aktivierung des Klebestoffes bewirkt. Dieser Schritt ist entscheidend für eine gute Haftung und für den Gesamtverbund des Bauteils. Der Aktivierungsprozess ist kritisch und energetisch äußerst aufwändig, da man mit viel Energie in kürzester Zeit die Aktivierung des aufgetragenen und eventuell getrockneten Klebstoffes (z.B. eines wässrigen Dispersionsklebers oder eines Hotmelts) in die flüssige Phase überführen muss, die für eine Benetzung der Oberfläche und eine Haftung an den Grenzflächen nötig ist. Dabei spielt es keine Rolle, auf welcher Seite der Klebstoff aufgetragen wird. Der Klebstoffauftrag kann sowohl auf dem Träger als auch auf die Dekorschicht oder einen Dekorverbund erfolgt sein.
  • Die Fügepartner (Träger und Dekor) werden vorfixiert und in ein gängiges Presskaschierwerkzeug eingelegt. Nach Schließung der beiden vortemperierten Werkzeugformhälften, d.h. Unterwerkzeug und Oberwerkzeug, erfolgt eine Temperaturübertragung unter Druckbeaufschlagung von der Werkzeugoberfläche auf die Bauteiloberfläche (Dekor und Träger) und von dort in die Klebefuge des Bauteils, wodurch eine Aktivierung oder Vernetzung des Klebstoffes erfolgt. Je nach Aufbau des Dekors und Trägers ist die Wärmeleitung in die Klebefuge infolge einer wärmeisolierenden Eigenschaft der Materialien stark beeinträchtig. Die Folge sind Prozesszeiten von 240 Sekunden und länger. Um die Taktzeiten in einem erträglichen Maß zu halten, könnte das Bauteil im warmen Zustand entformt werden. Dekore mit einem hohen Maß an Rückstellkräften führen hierbei jedoch zu einer Delamination (Ablösung). Abhilfe kann hierbei nur eine anschließende Kühlung der Teile im Werkzeug leisten. Im Idealzustand findet das Abkühlen des Bauteils noch im geschlossenen Presskaschierwerkzeug unter Druck statt.
  • Derzeit ist ein direktes Heizen und Kühlen in einem Werkzeug nur durch starke Temperiergeräte möglich, die allerdings unter hohen Energieaufwand lange Zykluszeiten brauchen, um die Temperatur hoch bzw. nach unten zu regeln. Überwiegend werden große zu kaschierende Flächen mit nur einem Temperiergerät angesteuert. Dabei kann es lokal zu Überhitzungen kommen oder zum Unterschreiten der notwendigen Kontakttemperatur des Klebstoffes. Bei der Verklebung von Interieurbauteilen im Automobilbau können hohe Temperatureinträge besonders auf den Dekormaterialien diese schädigen.
  • Die verwendeten Hotmeltklebstoffe sind lösungsmittelfreie und bei Raumtemperatur mehr oder weniger feste Produkte, die im heißen Zustand in einen flüssigen Zustand übergehen, und beim Abkühlen die entsprechende Verbindung herstellen.
  • Bei der Verwendung von Hotmeltklebstoffen, anstelle von Dispersionsklebern, ist allerdings zu beachten, dass der Hotmeltklebstoff kontrolliert aushärten muss, d.h. die durch das Presskaschieren verklebten Teile sollen erst dann bewegt werden, wenn der Hotmeltkleber ausreichend abgekühlt ist und typischerweise eine Temperatur von kleiner oder gleich 40 °C erreicht hat. Erst dann sollten die Teile dem Werkzeug entnommen werden. Die Dauer einer Aushärtung eines Hotmeltklebstoffes ist im Vergleich zur Dauer der Aushärtung eines Dispersionsklebers deutlich geringer, wenn dieselbe Festigkeit des Klebers erreicht werden soll.
  • Aus der CN 105 312 544 A ist eine Form vorgesehen, die einen darin ausgebildeten Kühlkanal umfasst und eine in einer Formnestfläche ausgebildete Ausnehmung hat, wobei die Form umfasst: eine wärmedämmende Sperre, die zwischen dem Kühlkanal und einer Bodenfläche der in der Formnestfläche ausgebildeten Ausnehmung ausgebildet ist. Die wärmedämmende Sperre umfasst einen Raum, der zwischen dem Kühlkanal und der Bodenfläche der in der Formnestfläche ausgebildeten Ausnehmung ausgebildet ist. Der Raum ist mit einem Mittel gefüllt, das eine Wärmeleitfähigkeit hat, die niedriger ist als die anderer Abschnitte der Form.
  • Aus der DE 100 65 594 C2 ist es grundsätzlich bekannt, Kühlkanäle in Bauteile, insbesondere in Spritzwerkzeuge einzusintern, wodurch Bohrungen und dergleichen am hergestellten Bauteilrohling entbehrlich sind.
  • Die DE 199 37 315 A1 lehrt ein Verfahren zur Ermittlung und Herstellung von Temperierkanälen in thermisch belasteten Formen, bei dem in einer ersten Phase mittels Thermoanalyse Kriterien für die Temperierkanäle ermittelt und in einer zweiten Phase über CNC-Daten umgesetzt werden. In einer dritten Phase wird die Werkstoffauftragung über die CNC-Daten zur Formherstellung gesteuert.
  • Das in DE 199 37 260 A1 beschriebene Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts lehrt, dass nach der Pulverauftrags- und Pulververfestigungsphase das nichtverfestigte Material gesteuert entfernt werden soll, beispielsweise mittels eines fluiden Mediums oder einer Bürste.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einstückigen Einsatz für eine Instrumententafel zur Herstellung von kaschierten Formteilen derart auszubilden, dass es einfach herstellbar ist und durch ein durchströmendes Medium homogen gekühlt oder geheizt werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch einen einstückigen Einsatz für eine Instrumententafel, wobei der Einsatz im Oberwerkzeug integriert ist, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen einstückigen Einsatzes für eine Instrumententafel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist der einstückige Einsatz eine Wirkoberfläche und eine Nutzoberfläche auf. Die Wirkoberfläche ist dem zu kaschierenden Formteil zugewandt und die Nutzoberfläche ist einem Werkzeughalter zum Befestigen eines Bauteils zugewandt. Im Innenbereich ist oberflächennah zur Wirkoberfläche mindestens ein knickfrei durchsetzender Fluidkanal angeordnet. Weiter umfasst das Werkzeug mindestens einen Hohlraum, welcher zwischen dem Fluidkanal und der Nutzoberfläche angeordnet ist.
  • Der Abstand des Fluidkanals zur Wirkoberfläche kann über den gesamten Verlauf des Fluidkanals entlang der Wirkoberfläche annähernd konstant gehalten werden.
  • Bevorzugt wird der einstückige Einsatz für eine Instrumententafel, welcher im Oberwerkzeug integriert wird, mit Hilfe des Selektiven Laserschmelzens, besonders bevorzugt mit Hilfe des LaserCUSING® der Firma CONCEPT Laser GmbH hergestellt. Bei dem generativen Fertigungsverfahren des LaserCUSING® werden Serienwerkstoffe, die kein Bindemittel enthalten, in Pulverform verwendet. Beispiele für Werkstoffe sind unter anderem Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom-Legierungen, Nickelbasislegierungen und Keramik sowie reaktive Pulverwerkstoffe, wie Aluminium- und Titanlegierungen. Bei dem Verfahren wird zunächst auf eine Grundplatte eine dünne Pulverschicht aufgetragen, deren Dicke sich im Bereich von 20-100 pm bewegt. Durch einen hochenergetischen Faserlaser wird gemäß computergenerierten Konstruktionsdaten das einkomponentige Pulver in den Bereichen des geplanten Werkstücks vollständig aufgeschmolzen und bildet nach dem Erstarren eine feste Materialschicht. Daraufhin senkt sich diese Grundplatte um den Betrag der Schichtdicke ab, eine neue Pulverschicht wird aufgetragen und von dem Laser in den vorgegeben Bereichen wieder aufgeschmolzen. An eine des Herstellprozesses wird das nicht aufgeschmolzene Pulver entfernt und kann wieder verwendet werden.
  • Durch die Herstellung des einstückigen Einsatzes mittels LaserCUSING® ist eine konturnahe Temperierung möglich. Bei der konventionellen Herstellung von Kühlkanälen, z.B. mittels Frästechnik oder Bohren, ist es nicht möglich die Kühlkanäle gleichmäßig und mit identischen Abständen zur Wirkoberfläche einzubringen. Weiter ist es nicht möglich bei der konventionellen Herstellung Kühlkanäle in Ausbuchtungen und/oder Eckbereichen zu realisieren.
  • Bevorzugt wird als Material für der einstückige Einsatz eine Aluminiumlegierung CL 31AL5 (AlSi10Mg) verwendet, da dieses ähnliche physikalische Eigenschaften im Bezug auf das bereits für die Presskaschierwerkzeuge verwendete Material (AlMg4,5Mn0,7) aufweist.
  • Erfindungsgemäß weist der einstückige Einsatz einen Hohlraum auf. Der Hohlraum ist zwischen dem Fluidkanal und der Nutzoberfläche angeordnet. Zur Stabilität des Freiraums werden kleine Stützrippen angebracht. Durch den Einbau des Freiraums können Einsparungen an Materialkosten und Herstellungskosten aufgrund einer kürzeren Herstellzeit beim Schichtaufbau erzielt werden. Zum Anderen kann durch den Hohlraum eine Wärmeübertragung an die Nutzoberfläche, welche nicht temperiert werden soll, verhindert werden. Bevorzugt ist der Hohlraum in einem Mindestabstand von 2 mm, besonders bevorzugt in einem Abstand von 3 mm und in einem Maximalabstand von bevorzugt 10 mm, besonders bevorzugt von 8 mm von dem Fluidkanal, der Nutzoberfläche und/oder von Seitenbegrenzungen des Werkzeugs angeordnet. In dem Abstand zwischen Hohlraum und Nutzoberfläche und/oder Seitenbegrenzungen besteht die Möglichkeit das Einlegeteil (Werkzeug) entsprechend zu befestigen oder Bauteile an das Werkzeug anzubringen.
  • Bei der Herstellung von Bauteilen aus CL 31Al mittels LaserCusing® beträgt die erreichbare Oberflächengüte Rz=30-50 µm. Da der Einsatz für die Instrumententafel für eine Herstellung mit dem Selektiven Laserschmelzen relativ große Abmaße besitzt, zum Beispiel 145 mm x 140 mm x 155 mm, können Verzugsprobleme entstehen. Durch den Aufbau des Körpers auf einer Grundplatte können diese vermindert werden. Bevorzugt kann ein Aufmaß von h - 2mm aufgebracht werden. Eine Oberflächengüte von 1,5 µm bis 5 µm, bevorzugt von 2,5 µm, und eine Konturgenauigkeit von 0,1 mm, bevorzugt von 0,05 mm, besonders bevorzugt von 0,03 mm kann erreicht werden.
  • Um weiter innere Spannungen abbauen zu können, kann direkt nach dem Herstellungsprozess durch LaserCusing® ein Spannungsarmglühen angewendet werden. Ohne diesen Fertigungsschritt können sich eventuell vorhandene Spannungen lösen und zu geometrischen Abweichungen aufgrund von Verzug führen.
  • Erfindungsgemäß befinden sich an den gegenüberliegenden Seitenflächen des einstückigen Einsatzes eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung des Fluidkanals. Die Konstruktion des mindestens einen Fluidkanals kann optional an der Geometrie des Werkzeugs angepasst werden, um eine bestmögliche Temperierung realisieren zu können. Beispielsweise können in dem einstückigen Einsatz vier Kanäle konzipiert werden, um die Wirkoberfläche homogen zu temperieren. Die einzelnen Fluidkanäle können auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Beispielsweise besitzen zwei Fluidkanäle einen Durchmesser von d = 4,5 mm und zwei Fluidkanäle einen Durchmesser von d = 5,5 mm. Durch die Wahl der Durchmesser kann ermöglicht werden, auch in kleinen Teilbereichen des Werkzeugs eine homogene Temperierung zu erlangen.
  • Der Verlauf des mindestens einen Kühlkanals kann im einstückigen Einsatz unterschiedlich sein. Bevorzugt kann der Kühlkanal direkt nach der Einlassöffnung annähernd senkrecht in Richtung der Wirkoberfläche, dann parallel zur Wirkoberfläche und anschließend annähernd senkrecht zur Wirkoberfläche zur Auslassöffnung geführt werden. Dadurch kann ermöglicht werden, dass möglichst viel Fläche der Wirkoberfläche durch den Fluidkanal entweder gekühlt oder geheizt werden kann. Um eine noch homogenere Temperierungen zu ermöglichen, können mehrere Fluidkanäle parallel angeordnet werden. Dabei kann jeder Fluidkanal jeweils eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen oder eine gemeinsame Einlassöffnung und eine gemeinsame Auslassöffnung oder jeweils eine Einlassöffnung und eine gemeinsame Auslassöffnung oder eine gemeinsame Einlassöffnung und jeweils eines Auslassöffnung haben. Der Durchmesser der Einlassöffnung und der Auslassöffnung weist bevorzugt eine Größe von mindestens 10 mm, besonders bevorzugt 12,7 mm auf. Diese Größenordnung entspricht einem Standarddurchmesser für Anschlüsse. Somit kann kostengünstig ohne zusätzlichen Aufwand ein Fluid über Standardleitungen in den Fluidkanal eingebracht und wieder ausgeleitet werden. Folglich muss auch der Fluidkanal am Eingang und auch am Ausgang einen Durchmesser von 10 mm bzw. 12,7 mm aufweisen, wobei der Durchmesser nach dem Eingang und vor dem Ausgang kontinuierlich auf den gewünschten Durchmesser verkleinert wird.
  • Bei einem mittels LaserCusing® hergestellten einstückigen Einsatzes ist es durch die Anordnung der Fluidkanäle somit möglich, eine homogene, schnelle und exakte Temperierung zu erreichen. Weiter können im Werkzeug, im Vergleich zu den herkömmlichen Herstellungsverfahren, auch komplexe Strukturen der Fluidkanäle hergestellt werden.
  • Speziell bei einem Presskaschierwerkzeug für eine Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs können die Fluidkanäle, insbesondere die Temperierkanäle, in einem konstant gleichmäßigen Abstand zur Wirkoberfläche integriert werden. Auch eine Realisierung in kleinen Bereichen, bei denen es zuvor nicht möglich war, ist nun umsetzbar. Weiter ist eine deutlich kürzere Aufheizzeit des Werkzeugs für das Erreichen einer erforderlichen Temperatur im Vergleich zu einem konventionell hergestellten Werkzeug notwendig. Somit kann die Zykluszeit eines Presskaschiervorgangs verringert werden.
  • Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Einsatzes zur Herstellung von kaschierten Formteilen bereitgestellt. Der einstückige Einsatz wird mittels Selektivem Laserschmelzen, bei welchem in einem Schichtverfahren ein- oder mehrkomponentiges metallisches Pulver durch Einsatz einer fokussierten Laserstrahlung aufgeschmolzen und im Inneren des Werkzeugs mindestens ein Fluidkanal und mindestens ein Hohlraum ausgebildet wird.
  • Die einzige Figur zeigt eine transparente Darstellung eines erfindungsgemäßen einstückigen Einsatzes. Der Einsatz 1 umfasst eine Wirkoberfläche 2. Die Wirkoberfläche 2 ist einem zu kaschierenden Formteil (nicht gezeigt) zugewandt. Weiter umfasst das Werkzeug 1 eine Nutzoberfläche 3. Die Nutzoberfläche 3 ist einem Werkzeughalter (nicht gezeigt) zum Befestigen des Werkzeugs 1 zugewandt. Der Einsatz 1 umfasst im Inneren mindestens einen Fluidkanal 4. Der Fluidkanal 4 ist möglichst oberflächennah zur Wirkoberfläche 2 angeordnet.
  • Um eine möglichst homogene und schnelle Temperierung der Wirkoberfläche 2 zu erzielen ist der Fluidkanal 4 knickfrei und durchsetzt die gesamte Fläche der Wirkoberfläche 2. Um weiterhin eine möglichst schnelle Temperierung der Wirkoberfläche 2 zu erreichen, werden bevorzugt mehrere Fluidkanäle 4 vorgesehen, die möglichst parallel verlaufen. Die Fluidkanäle 4 werden mit einem Fluid einer entsprechenden Temperatur, je nachdem ob das Werkzeug 1 aufgeheizt oder gekühlt werden soll, durchsetzt. Das Fluid wird über mindestens eine Einlassöffnung 6 in die Fluidkanäle 4 eingeleitet und über eine Auslassöffnung (nicht gezeigt) wieder aus dem Werkzeug ausgeleitet, die die parallelen Fluidkanäle 4 versorgen.
  • Um zu verhindern, dass Wärme an die Nutzoberfläche 3 oder an angrenzende Bauteile übertragen wird, wird mindestens ein Hohlraum 5 zwischen dem Fluidkanal 4 und der Nutzoberfläche 3 angeordnet. Der Hohlraum hat neben der Wärmdämmung auch die Funktion der Materialreduktion. Der Hohlraum 5 hat einen Mindestabstand von 3 mm und einen Maximalabstand von 8 mm von dem Fluidkanal 4, der Nutzoberfläche 3 und/oder den Seitenflächen 7 des Einsatzes 1.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einsatz
    2
    Wirkoberfläche
    3
    Nutzoberfläche
    4
    Fluidkanal
    5
    Hohlraum
    6
    Einlassöffnung
    7
    Seitenfläche

Claims (13)

  1. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel, wobei der Einsatz im Oberwerkzeug integriert ist, zur Herstellung von kaschierten Formteilen, umfassend: - eine Wirkoberfläche (2), welche dem zu kaschierenden Formteil zugewandt ist, und eine Nutzoberfläche (3), welche einem Werkzeughalter zum Befestigen des Werkzeugs (1) zugewandt ist, gekennzeichnet durch - mindestens einen, in einem Innenbereich oberflächennah zur Wirkoberfläche (2) angeordneten und knickfrei durchsetzenden Fluidkanal (4), - eine Einlassöffnung (6) und eine Auslassöffnung des Fluidkanals (4) angeordnet an gegenüberliegenden Seitenflächen des Werkzeugs (1), und - mindestens einen Hohlraum (5), welcher zwischen dem Fluidkanal (4) und der Nutzoberfläche (3)angeordnet ist, wobei zur Stabilität des Hohlraums (5) Stützrippen angebracht werden.
  2. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach Anspruch 1, wobei der Abstand des Fluidkanals (4) zur Wirkoberfläche (2) über den gesamten Verlauf des Fluidkanals (4) entlang der Wirkoberfläche (2) annähernd konstant ist.
  3. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Werkzeug (1) aus AlSi10Mg6 besteht.
  4. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einsatz mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt ist.
  5. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (5) einen Mindestabstand von jeweils 3 mm von dem Fluidkanal (4), der Nutzoberfläche (3) und/oder von Seitenbegrenzungen des Werkzeugs (1) aufweist.
  6. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (5) einen Maximalabstand von 8 mm von dem Fluidkanal (4), der Nutzoberfläche (3) und/oder von Seitenbegrenzungen des Werkzeugs (1) aufweist.
  7. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einsatz für das Presskaschierwerkzeug (1) eine Oberflächengüte von 1,5 pm bis 5 µm, bevorzugt eine Oberflächengüte von etwa 2,5 pm aufweist.
  8. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Konturgenauigkeit von 0,1 mm, bevorzugt 0,05 mm, besonders bevorzugt 0,03 mm, vorliegt.
  9. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlassöffnung (6) und die Auslassöffnung mittig in den Seitenflächen angeordnet sind.
  10. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach Anspruch 9, wobei der Fluidkanal (4) direkt nach der Einlassöffnung (6) annähernd senkrecht in Richtung Wirkoberfläche (2), dann parallel zur Wirkoberfläche (2) und zur Auslassöffnung annähernd senkrecht zur Wirkoberfläche (2) geführt wird.
  11. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Fluidkanäle (4) nebeneinander angeordnet sind.
  12. Einstückiger Einsatz für eine Instrumententafel nach Anspruch 11, wobei die mehreren Fluidkanäle (4) eine gemeinsame Einlassöffnung (6) und eine gemeinsame Auslassöffnung aufweisen.
  13. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Einsatzes für eine Instrumententafel gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 durch ein selektives Laserschmelzen, bei welchem in einem Schichtverfahren ein- oder mehrkomponentiges metallisches Pulver durch Einsatz einer fokussierten Laserstrahlung aufgeschmolzen und wobei im Inneren des Werkzeugs (1) mindestens ein Fluidkanal (4) und mindestens ein Hohlraum (5) ausgebildet wird.
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