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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines SMC-Bauteils sowie die Verwendung des Werkzeugs.
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Für die Herstellung von SMC-Bauteilen, also Bauteile, die Sheet-Molding-Compounds (SMCs) enthalten, werden konventionell Stahlwerkzeuge verwendet, die mit großen Pressen betrieben werden. Aus
DE 3207242 C2 ist beispielhaft eine hydraulische Presse bekannt, die für die Herstellung eines SMC-Bauteils verwendet werden kann. Nachteilig an derartigen Stahlwerkzeugen ist ihre Größe, Ihr Gewicht und die Komplexität aufgrund der einzusetzenden Pressen. Hierdurch sind auch die Kosten für ein solches Stahlwerkzeug hoch, so dass sie insbesondere für Prototypenwerkzeuge, in denen meist nur wenige Bauteile einer Geometrie hergestellt werden, wenig geeignet sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Werkzeug zur Herstellung eines SMC-Bauteils anzugeben, das eine einfache aber hoch funktionale Struktur aufweist und kostengünstig herstellbar ist. Ebenfalls ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Verwendung eines derartigen Werkzeugs anzugeben. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines SMC-Bauteils anzugeben, das einfach, ohne hohen technischen Aufwand ausführbar ist und eine kostengünstige Herstellung von SMC-Bauteilen auch in Klein- und Kleinstserien, beispielsweise für die Herstellung von Prototypen, ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, nämlich ein Werkzeug zur Herstellung eines SMC-Bauteils, gelöst, das nachfolgend im Detail beschrieben wird.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug umfasst eine erste Werkzeughälfte und eine zweite Werkzeughälfte. Die jeweiligen Werkzeughälften können dabei einstückig oder aber vielstückig ausgebildet und damit aus mehreren Einzelwerkzeugteilen gebildet sein. Hierbei ist zumeist eine der Werkzeughälften, beispielsweise die erste Werkzeughälfte, als Werkzeugoberteil und die zweite Werkzeughälfte als Werkzeugunterteil ausgebildet, wobei, wie bereits ausgeführt, das Werkzeugoberteil bzw. das Werkzeugunterteil auch mehrteilig ausgeführt sein kann.
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Die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte definieren zwischen sich einen Zwischenraum, in dem das SMC-Bauteil hergestellt wird, beispielsweise durch Einlegen einer SMC-Pressmasse in den Zwischenraum und Härten der SMC-Pressmasse. Somit umfasst das SMC-Bauteil mindestens ein Sheet-Molding-Compound (SMC) und kann auch mehrere SMCs und ggf. weitere Komponenten, wie z.B. Einleger und dergleichen, umfassen.
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Hierbei wird unter einer SMC-Pressmasse eine Masse verstanden, die mindestens ein Fasermaterial und ein härtbares Matrixmaterial, zumeist ein duroplastisches Harzmaterial, wie z.B. ein ungesättigtes Polyesterharz (UP), ein Vinylesterharz (VE) oder ein Epoxidharz, umfasst. Das Fasermaterial ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern und/oder diverse Naturfasern umfassen, wobei das Fasermaterial in der Regel eine durchschnittliche Faserlänge von 1 bis 100 mm und insbesondere von 5 bis 50 mm, aufweist.
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Erfindungsgemäß umfasst die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte mindestens ein Gewinde, um die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte miteinander zu verschrauben und aufeinander zu pressen. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass mindestens eine der Werkzeughälften mindestens eine Gewindebohrung umfasst, in die eine Schraube einbringbar ist, mit der die beiden Werkzeughälften aufeinander und miteinander derart verschraubbar sind, dass auf die in dem Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Werkzeughälfte angeordnete SMC-Pressmasse ein Druck ausgeübt wird, um die SMC-Pressmasse zu verpressen und das SMC-Bauteil zu formen. Das Vorsehen von mehreren Gewinden an der ersten und/oder zweiten Werkzeughälfte kann abhängig von der jeweiligen Größe der Werkzeughälften vorteilhaft sein, um ein gleichmäßiges Pressen der ersten Werkzeughälfte auf die zweite Werkzeughälfte zu verbessern und auch, um eine höhere Presskraft zu erzeugen.
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Durch das Vorsehen mindestens eines Gewindes in mindestens einer der Werkzeughälften, und die damit verbundene Möglichkeit des Verschraubens der Werkzeughälften, um die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte aufeinander zu pressen und damit auch auf eine zwischen den Werkzeughälften befindliche SMC-Pressmasse einen entsprechenden Druck aufzubringen, kann das erfindungsgemäße Werkzeug auf technisch aufwendige Presseinrichtungen verzichten und ist somit einfach strukturiert aber dennoch hoch funktional ausgebildet. Durch die Variabilität beim Verschrauben der Werkzeughälften kann ein geeigneter Druck aufgebracht werden, durch den die Werkzeughälften aufeinander gepresst werden. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist somit aufgrund der geringeren Komplexität der Werkzeughälften sowohl klein und kompakt als auch leicht ausbildbar und damit auch kostengünstig herstellbar. Das Werkzeug eignet sich daher insbesondere auch für den Einsatz im Prototypenverfahren.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte mindestens eine Schraube, die mit dem Gewinde verschraubbar ist. Diese Ausgestaltung erfordert kein separates Bereitstellen von Schrauben und kompaktiert das erfindungsgemäße Werkzeug weiter.
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Besonders vorteilhaft umfasst eine der Werkzeughälften, beispielsweise die zweite Werkzeughälfte, eine oder mehrere Gewindebohrungen, die mit einer entsprechenden Anzahl an Schrauben, die hierzu vorteilhaft an der ersten Werkzeughälfte vorgesehen sind, in Eingriff gelangen können, um die erste Werkzeughälfte mit der zweiten Werkzeughälfte miteinander zu verschrauben und aufeinander zu pressen. Diese Ausgestaltung verringert weiterhin die Komplexität des Werkzeugs und erleichtert die Handhabung desselben.
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Weiter vorteilhaft kann das Werkzeug eine Heizvorrichtung umfassen, um Wärme auf die in dem Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Werkzeughälfte anzuordnende SMC-Pressmasse zu übertragen, wodurch die SMC-Pressmasse gehärtet werden kann. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die Produktion von Kleinst- und Kleinserien bzw. für die Prototypenherstellung von Vorteil, da hier baugleiche SMC-Bauteile innerhalb kurzer Zeit im Batchverfahren herstellbar sind.
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Insbesondere für die Prototypenproduktion hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Werkzeug keine Heizvorrichtung umfasst, da hierdurch die Komplexität des Werkzeugs weiter gesenkt werden kann. Um eine entsprechende Temperaturentwicklung zwischen den Werkzeughälften des Werkzeugs zu bedingen, kann das Werkzeug z.B. in einen entsprechend temperierten Ofen, einen Autoklaven o.ä. eingebracht werden, was aufgrund der kompakten und kleindimensionierten Bauweise des Werkzeugs einfach möglich ist, und damit die technischen Anforderungen an das Werkzeug senkt. Das Werkzeug kann hierdurch noch kostengünstiger bereitgestellt werden.
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Weiter vorteilhaft umfasst das Werkzeug mindestens einen Werkzeugeinsatz zum Anbringen an der ersten Werkzeughälfte und/oder der zweiten Werkzeughälfte, um das SMC-Bauteil zu strukturieren und/oder zu formen. Hierdurch wird es möglich, mit ein und demselben Werkzeug, lediglich durch das Einsetzen entsprechender Einsätze, unterschiedlich geformte oder strukturierte SMC-Bauteile herzustellen. Die Funktionalität des erfindungsgemäßen Werkzeugs wird hierdurch deutlich erhöht und Kosten für die Herstellung von verschieden geformten SMC-Bauteilen können gesenkt werden.
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Hierbei ist es möglich, dass lediglich ein Werkzeugeinsatz an einer Werkzeughälfte angebracht wird oder dass auch mehrere Werkzeugeinsätze an einem oder sogar an der ersten und der zweiten Werkzeughälfte angebracht werden, wodurch das SMC-Bauteil sogar auf seiner Oberseite und seiner Unterseite strukturiert bzw. spezifisch ausgeformt werden kann.
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Ferner ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Werkzeugeinsatz reversibel austauschbar ist.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch die Verwendung eines wie vorstehend offenbarten Werkzeugs zur Herstellung eines SMC-Bauteils beschrieben. Die Verwendung des Werkzeugs ermöglicht eine kostengünstige Herstellung eines SMC-Bauteils mit sehr guten mechanischen Eigenschaften.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines SMC-Bauteils beschrieben. Zur Vermeidung von Redundanz wird in Bezug auf die Definitionen und Erläuterungen der im Verfahren eingesetzten Komponenten ergänzend Bezug genommen auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Werkzeug. Darüber hinaus wird angeführt, dass das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, um mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Werkzeug ausgeführt zu werden. Umgekehrt ist auch das erfindungsgemäße Werkzeug geeignet das nachstehend offenbarte Verfahren zu Herstellung eines SMC-Bauteils auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Einbringens einer SMC-Pressmasse in einen durch eine erste Werkzeughälfte und eine zweite Werkzeughälfte eines Werkzeugs zur Herstellung eines SMC-Bauteils definierten Zwischenraum. Hierzu wird das Werkzeug insbesondere so geöffnet, dass der zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte liegende Zwischenraum mindestens teilweise zugänglich ist.
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Anschließend erfolgt ein Verschrauben der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte, wodurch die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte aufeinander gepresst werden. Das Verschrauben wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass mindestens eine Werkzeughälfte ein Gewinde umfasst, also insbesondere eine Gewindebohrung, die mit einer Schraube in Eingriff gelangen kann. Durch das Verschrauben und damit Pressen der Werkzeughälften aufeinander, wird auch ein Druck auf die zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte befindliche SMC-Pressmasse ausgeübt, wobei der Druck durch das Verschrauben sehr einfach und variabel einstellbar ist. Die SMC-Pressmasse kann hierdurch insbesondere verdichtet, strukturiert und/oder geformt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Härten der SMC-Pressmasse durch Einwirken von Wärme. Die Wärme wirkt hierbei auf die verpresste SMC-Pressmasse ein, die dadurch dauerhaft ihre endgültige Form erhält. Die Temperatur wird hierbei insbesondere so gewählt, dass einerseits das in der Pressmasse enthaltene Harzmaterial aushärtet, also insbesondere vernetzt, und andererseits das Fasermaterial nicht beschädigt wird. Eine Temperaturführung von bis zu etwa 160 °C hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sich die meisten härtbaren Harzmaterialien in diesem Temperaturbereich vernetzen lassen und somit Energie und damit auch Kosten für die Herstellung des SMC-Bauteils minimiert werden können. Das fertige, gehärtete SMC-Bauteil kann aus dem Werkzeug in gewohnter Weise entformt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kostengünstige und schnelle Herstellung eines SMC-Bauteils ohne hohen technischen Aufwand und ist einfach umsetzbar.
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Die für das erfindungsgemäße Werkzeug zur Herstellung eines SMC-Bauteils beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines SMC-Bauteils.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht hierbei vor, dass das Einwirken von Wärme durch Einbringen des Werkzeugs in einen temperierbaren Ofen oder Autoklaven ausgeführt wird. Hierdurch kann auf in das Werkzeug zu integrierende Heizvorrichtungen verzichtet werden, wodurch sich auch das Herstellverfahren des SMC-Bauteils vereinfacht. Diese Verfahrensführung eignet sich insbesondere für die Herstellung von SMC-Bauteilen im Prototypenverfahren.
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Eine hierzu alternative Verfahrensführung, die insbesondere für die Serienfertigung von SMC-Bauteilen vorteilhaft angewendet werden kann, sieht vor, dass das Einwirken von Wärme durch Aktivieren einer in oder an dem Werkzeug vorgesehenen Heizvorrichtung und insbesondere durch Aktivieren einer Heizpatrone, ausgeführt wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 ein Werkzeug zur Herstellung eines SMC-Bauteils gemäß einer Ausführungsform im Schnitt und
- 2 ein schematisiertes Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines SMC-Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Hierbei sind in den Figuren nur die erfindungswesentlichen Details angegeben, alle übrigen Details sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Im Detail zeigt 1 ein Werkzeug 10 zur Herstellung eines SMC-Bauteils. Das Werkzeug 10 umfasst eine erste Werkzeughälfte 1, die hier beispielhaft einstückig und als obere Werkzeughälfte dargestellt ist, und eine zweite Werkzeughälfte 2, die beispielhaft ebenfalls einstückig aber als untere Werkzeughälfte dargestellt ist. Die erste Werkzeughälfte 1 und die zweite Werkzeughälfte 2 definieren zwischen sich einen Zwischenraum 3, in den eine SMC-Pressmasse einbringbar und in dem ein SMC-Bauteil herstellbar ist.
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Die zweite Werkzeughälfte umfasst zwei Gewinde 4, 5 in Form von Gewindebohrungen, die an sich gegenüberliegenden Seiten der zweiten Werkzeughälfte 2 vorgesehen sind. Die erste Werkzeughälfte 1 umfasst zwei Schrauben 6, 7, die ebenfalls als Komponenten mit Gewinden anzusehen sind, wobei die Schraube 6 mit dem Gewinde 4 und die Schraube 7 mit dem Gewinde 5 derart in Eingriff bringbar ist, dass die erste Werkzeughälfte 1 und die zweite Werkzeughälfte 2 miteinander verschraubt und aufeinander gepresst werden können.
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Hierdurch wird auch ein Druck auf eine in den Zwischenraum zwischen die erste Werkzeughälfte 1 und die zweite Werkzeughälfte 2 eingebrachte SMC-Pressmasse übertragen, die hierdurch strukturiert und/oder geformt wird.
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An der ersten Werkzeughälfte 1 ist zudem ein Werkzeugeinsatz 8 vorgesehen, um eine Oberfläche einer in den Zwischenraum eingebrachten SMC-Pressmasse zusätzlich zu strukturieren und damit dem herzustellenden SMC-Bauteil ein gewünschtes äußeres Erscheinungsbild zu geben. Der Werkzeugeinsatz 8 ist vorteilhafterweise reversibel austauschbar.
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Das Werkzeug 1 ist von einfacher und kompakter Struktur und damit hoch funktional. Ein Verpressen einer SMC-Pressmasse kann ohne hohen technischen Aufwand durch das Verschrauben der ersten Werkzeughälfte 1 und der zweiten Werkzeughälfte 2 miteinander, und damit ein Aufeinanderpressen der ersten Werkzeughälfte 1 und der zweiten Werkzeughälfte 2, ausgeführt werden. Durch die spezifische Ausgestaltung des Werkzeugs 1 kann auf herkömmliche Pressen zum Verpressen der SMC-Pressmasse verzichtet werden. Das Werkzeug 1 kann damit nicht nur kompakt und weniger komplex, sondern auch mit reduziertem Gewicht und reduzierten Außenmaßen ausgebildet werden.
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2 zeigt schematisiert Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines SMC-Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Verfahrensschritte können beispielsweise in bzw. an dem Werkzeug aus 1 ausgeführt werden.
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In Verfahrensschritt 100 erfolgt ein Einbringen einer SMC-Pressmasse in einen durch eine erste Werkzeughälfte und eine zweite Werkzeughälfte eines Werkzeugs zur Herstellung eines SMC-Bauteils (wie beispielsweise in 1 gezeigt) definierten Zwischenraum. Die SMC-Pressmasse ist hierbei im Einzelnen nicht beschränkt und umfasst mindestens ein Fasermaterial, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern und/oder Naturfasern und hat insbesondere eine durchschnittliche Faserlänge von 1 bis 100 mm. Ferner umfasst die SMC-Pressmasse vorteilhafterweise mindestens ein härtbares Matrixmaterial, insbesondere ein härtbares duroplastisches Kunststoffmaterial, wie z.B. ein Epoxidharz, ein Vinylesterharz oder ein ungesättigtes Polyesterharz.
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In Verfahrensschritt 200 erfolgt ein Verschrauben der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte, wodurch die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte aufeinander gepresst werden. Hierdurch wird auch ein Pressdruck auf die in dem Zwischenraum zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte befindliche SMC-Pressmasse ausgeübt, die hierdurch strukturiert und/oder geformt wird.
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Um die endgültige Form des herzustellenden SMC-Bauteils zu fixieren, erfolgt in Verfahrensschritt 300 ein Härten der SMC-Pressmasse durch Einwirken von Wärme. Dies kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Sofern in das Werkzeug keine Heizvorrichtung integriert ist, erfolgt das Einwirken von Wärme z.B. durch Einbringen des Werkzeugs in einen temperierbaren Ofen oder Autoklaven.
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Das Verfahren umfasst lediglich sehr einfach durchführbare Verfahrensschritte und ist damit unkompliziert und ohne hohen technischen Aufwand ausführbar. Ein entsprechender, auf die SMC-Pressmasse einwirkender Pressdruck, kann durch Variieren der Verschraubung selektiv eingestellt werden. Das Verfahren ist dadurch sehr flexibel und kostengünstig umsetzbar.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Werkzeughälfte
- 2
- zweite Werkzeughälfte
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Gewinde
- 5
- Gewinde
- 6
- Schraube
- 7
- Schraube
- 8
- Werkzeugeinsatz
- 10
- Werkzeug
- 100-300
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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