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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils.
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Zur Herstellung von Kunststoffbauteilen sind verschiedene Verfahren bekannt. Für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in der Automobilindustrie haben sich vor allem das Resin Transfer Moulding (RTM), das Nasspressen, das Heißpressen von Sheet Moulding Compounds (SMC) und das Verarbeiten von Prepregs durchgesetzt.
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Beim RTM-Verfahren wird ein ungetränktes, oft vorgeformtes Faserhalbzeug in ein RTM-Formwerkzeug eingelegt. Das meist zweigeteilte RTM-Formwerkzeug bildet ein Formnest für das herzustellende faserverstärkte Kunststoffbauteil. Nach dem Schließen des Formwerkzeugs wird eine reaktive Kunststoffmasse, beispielsweise ein System aus Epoxidharz und Härter, in das Formnest injiziert. Bei der Injektion durchströmt die Kunststoffmasse die Faserlagen. Unter Druck und bei erhöhter Temperatur härtet die Kunststoffmasse im Formwerkzeug zu dem faserverstärkten Kunststoffbauteil aus.
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Beim Nasspressen wird ein Presswerkzeug verwendet. Dieses ist ebenfalls meist zweigeteilt und bildet ein Formnest für das herzustellende Kunststoffbauteil. In das Formnest wird ein zugeschnittenes Faserhalbzeug eingelegt und eine reaktive Kunststoffmasse eingebracht. Anschließend wird das Presswerkzeug mittels einer Presse geschlossen. Hierbei wird die Kunststoffmasse in der Kavität des Werkzeugs verpresst.
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Beim Heißpressen oder Fließpressen von SMC werden aus einer faserverstärkten Pressmasse Zuschnitte entnommen, diese werden in ein Presswerkzeug eingelegt und das Werkzeug wird geschlossen. Die Pressmasse beinhaltet nicht ausgehärtete Reaktionsharze als Matrix und kurze Verstärkungsfasern. In Folge von Druck und Temperatur wird das Material zum „Fließen“ gebracht und füllt die Werkzeugkavität aus. Im geschlossenen Werkzeug wird das Halbzeug unter Druck und Temperatur ausgehärtet und anschließend entnommen.
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Die Verarbeitung von Prepregs findet in ähnlicher Art und Weist statt. Bei Prepregs handelt es sich um endlosfaserverstärkte Halbzeuge, die mit einer noch nicht ausgehärteten Kunststoffmasse vorimprägniert sind. Die Prepregs werden in ein Presswerkzeug eingebracht, dort zum Bauteil verpresst und ausgehärtet.
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Um die Entformbarkeit der Bauteile aus den Formwerkzeugen sicherzustellen, werden die Formwerkzeuge üblicherweise mit Trennmitteln vorbehandelt oder es werden den Harzsystemen Trennmittel beigemischt. Diese Trennmittel verbleiben jedoch beim Entformen teilweise auf den Bauteilen. Vor nachfolgenden Verarbeitungsschritten wie einer Lackierung oder Verklebung müssen die Trennmittel rückstandsfrei entfernt werden. Dies erfordert zusätzliche Arbeitsschritte und ist aufwendig und teuer.
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Als Alternative zu Trennmitteln sind Trennfolien bekannt. Hierbei handelt es sich um Kunststofffolien, die beispielsweise mit einer plasmapolymeren siliziumorganischen Schicht beschichtet sind. Derartige Folien sind z.B. aus der
DE 10 2012 207 149 A1 bekannt.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils anzugeben, das einfach und kostengünstig realisierbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den großerientauglichen Einsatz von Trennfolien bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen zu ermöglichen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kunststoffbauteils angegeben. Die Vorrichtung beinhaltet einen Spannrahmen, in dem eine Kunststofffolie aufspannbar ist. Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung ein Formwerkzeug mit einer Werkzeugoberfläche mit einem Formgebungsbereich, der eine Kontur eines herzustellenden Bauteils abbildet, und einem um den Formgebungsbereich umlaufenden Randbereich. Mindestens eine Absaugöffnung endet an der Werkzeugoberfläche, die mit einem ersten Vakuum beaufschlagbar ist und eine Dichtnut verläuft um den Formgebungsbereich und die Absaugöffnung herum, die mit einem zweiten Vakuum beaufschlagbar ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils angegeben, bei dem ein Kunststoffmaterial in einem Formgebungsbereich eines Formwerkzeugs zu dem Kunststoffbauteil geformt wird. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
- - Aufspannen einer Kunststofffolie in einem Spannrahmen,
- - Positionieren des Spannrahmens zu dem Formwerkzeug, so dass die Kunststofffolie den Formgebungsbereich überspannt,
- - Anlegen eines ersten Vakuums an einer um den Formgebungsbereich umlaufenden Dichtnut im Formwerkzeug, wodurch die Kunststofffolie in die Dichtnut eingezogen und über den Formgebungsbereich gespannt wird und
- - Anlegen eines zweiten Vakuums zwischen der gespannten Kunststofffolie und dem Formwerkzeug, wodurch die Kunststofffolie im Formgebungsbereich an die Kontur des Formwerkzeugs angesaugt wird.
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Die Folie wird in einem Spannrahmen eingespannt. Bei dem Spannrahmen kann es sich beispielsweise um eine Einspannvorrichtung handeln, in der die Folie flächig eben aufgespannt wird. Die Folie wird vorzugsweise mit einer vorgegebenen Klemmkraft im Spannrahmen gehalten.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Fixierung der Folie am Formwerkzeug allein über das angelegte Vakuum. Daher werden an den Spannrahmen verfahrensseitig keine großen Anforderungen gestellt. Dieser muss weder die Folie genau positionieren, noch muss die Folie durch den Rahmen oder eine Anpressvorrichtung in Kontakt mit dem Formwerkzeug gebracht werden. Vielmehr hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass es für ein sicheres Ansaugen der Folie bereits ausreichen kann, wenn die Folie sehr nahe an die Formwerkzeugoberfläche herangebracht wird bzw. nur teilweise in Kontakt mit dieser gelangt. Der die Folie tragende Spannrahmen kann hierzu z.B. über dem Formwerkzeug abgesenkt werden. Hierdurch wird eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion des Spannrahmens möglich. Da an die Positionierung des Spannrahmens relativ zum Formwerkzeug keine großen Anforderungen gestellt werden, ist dieser Verfahrensschritt einfach zu automatisieren.
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Durch die Dichtnut wird Luft mit einem vorgegebenen Volumenstrom abgesaugt. Hierdurch wird an der Dichtnut ein lokales Vakuum erzeugt und die Folie wird gegen die vom Spannrahmen aufgebrachte Spannkraft in Richtung der Dichtnut gesaugt. Der Volumenstrom wird vorzugsweise so eingestellt, dass das Kräfteverhältnis zwischen Spannkraft des Spannrahmens und Saugkraft des Vakuums so gewählt ist, dass die Folie elastisch verformt und in die Dichtnut eingesaugt wird. Im eingesaugten Zustand dichtet die Folie gegen die Dichtnutwandung ab, wodurch die Folie am Formwerkzeug fixiert ist. Der von der Dichtnut umschlossene Folienabschnitt wird über dem Formgebungsbereich gespannt.
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Für ein gleichmäßiges Einsaugen der Folie und die beschriebene Selbstabdichtung der Folie in der Nut ist es von Vorteil, wenn die Dichtnut eine Nuttiefe und eine Nutbreite hat, wobei die Nuttiefe größer oder gleich der Nutbreite ist.
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Es wird ein zweites Vakuum zwischen der (gespannten) Folie und dem Formwerkzeug angelegt, indem Luft aus der Absaugöffnung abgesaugt wird. Da die Folie durch das erste Vakuum fixiert wird, bewirkt das zweite Vakuum, dass die Folie im Formgebungsbereich an die Kontur des Formwerkzeugs angesaugt wird und flächig an dieser anliegt.
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Mit anderen Worten gesagt wird ein erstes Vakuum zum Fixieren und Spannen der Folie verwendet und ein zweites Vakuum um die Folie entsprechend der Kontur des Formgebungsbereichs zu verformen. Durch das Konzept kann die Folie auf äußerst einfache Art und Weise faltenfrei und konturtreu in den Formgebungsbereich des Formwerkzeugs eingezogen werden. Das erste Vakuum und das zweite Vakuum können einzeln oder gemeinsam und gleichzeitig oder nacheinander angesteuert werden. Hierzu können die Dichtnut und die Absaugöffnung jeweils in Verbindung mit einem Luftabsaugkanal stehen, der z.B. durch das Formwerkzeug verläuft und an den ein Vakuumerzeuger angeschlossen wird.
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Für eine besonders gleichmäßige Entfernung der Luft ist es in einer Ausgestaltung vorteilhaft, wenn die Absaugöffnung als um den Formgebungsbereich herum verlaufende Nut ausgebildet ist. Somit wird die Luft von allen Seiten abgesaugt, wodurch eine richtungsunabhängige Zugbelastung auf die Folie ausgeübt wird und sich diese konturtreu an die Wandung des Formgebungsbereichs anlegt.
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In einer Ausgestaltung sind in den Ecken des Formgebungsbereichs weitere Absaugöffnungen ausgebildet, an denen das zweite Vakuum anlegbar ist. Hierzu können die Absaugöffnungen z.B. in einer fluidischen Verbindung mit dem zweiten Luftabsaugkanal stehen. Aufgrund der gezielten Luftabsaugung legt sich die Folie auch in den Ecken faltenfrei und konturgetreu an. Besonders bevorzugt ist es, wenn die weiteren Absaugöffnungen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich der doppelten Foliendicke ist. Hierdurch wird ein Einsaugen der Folie in die Absaugöffnungen vermieden und das Bauteil weist keine sichtbaren Dellen oder sonstige Markierungen im Bereich der Ecken auf.
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Die Nut bzw. die Dichtnut kann beispielsweise durch einen langgezogenen schmalen Schlitz oder durch eine Vielzahl von punktuellen Öffnungen im Boden der Nut mit dem jeweiligen Luftabsaugkanal verbunden sein. Eine derartige Ausgestaltung verhindert, dass die Folie bis in den Luftabsaugkanal eingezogen und dabei eventuell beschädigt wird. Zum Schutz der Folie kann das innere der Nut bzw. Dichtnut auch mit einem elastischen und/ oder porösen Material ausgekleidet oder gefüllt sein.
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Unter einer Folie ist im Rahmen der Anmeldung ein dünnes, maximal 1,5 mm dickes Material zu verstehen. Die Kunststofffolie kann eine oder mehrere Kunststoffschichten umfassen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kunststofffolie um eine Trennfolie, wie sie z.B. aus der
DE 10 2012 207 149 A1 bekannt ist. Die Trennfolie ist z.B. mit einer Beschichtung versehen, die ein problemloses Entformen der Folie aus dem Formwerkzeug ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung kann die Kunststofffolie zusätzlich vor, während oder vor und während des Anlegens des Vakuums erwärmt werden. Hierdurch erhöht sich die Verformbarkeit des Folienmaterials. Vorzugsweise wird dies für dickere Folienmaterialien eingesetzt um ein gleichmäßiges Anlegen des Folienmaterials an die Werkzeugwandung zu unterstützen. Die Erwärmung kann z.B. kontaktlos mittels Wärmestrahlern erfolgen.
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Die Kunststofffolie kann in nachfolgenden Verfahrensschritten mit weiteren Kunststoffmaterialien hinterfüllt werden. Insbesondere kann eine faserverstärkte Kunststoffschicht hinter der Kunststofffolie ausgebildet werden. Zur Erzielung hoher Bauteilfestigkeiten kann die faserverstärkte Kunststoffschicht vorzugsweise Verstärkungsfasern und ein harzbasiertes Matrixsystem aufweisen.
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Dies kann beispielsweise in einem Pressverfahren erfolgen. Dementsprechend kann das Formwerkzeug, in welchem die Kunststofffolie mittels Vakuum verformt wird, eine erste Formhälfte eines Presswerkzeugs sein und der Formgebungsbereich kann einen Teil des Formnests des Presswerkzeugs bilden. Das Verfahren kann dann die zusätzlichen Schritte aufweisen, dass Verstärkungsfasern und Matrixmaterial zusätzlich zur Kunststofffolie in das Presswerkzeug eingebracht werden und das Presswerkzeugs zum Verpressen des Matrixmaterials geschlossen wird. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials kann das Kunststoffbauteil, welches die Kunststofffolie, die Verstärkungsfasern und das Matrixmaterial umfasst, entnommen werden. Als Pressverfahren zur Hinterfüllung der Kunststofffolie eignet sich z.B. das Nasspressen, das Heißpressen von SMC oder eines Prepregs.
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Die Kunststofffolie kann jedoch auch in einem Injektionsverfahren, wie z.B. einem RTM-Verfahren hinterfüllt werden. Dementsprechend kann das Formwerkzeug, in dem die Kunststofffolie mittels Vakuum verformt wird, eine erste Formhälfte eines RTM-Werkzeugs sein und der Formgebungsbereich kann einen Teil des Formnests des RTM-Werkzeugs bilden. Das Verfahren kann dann die zusätzlichen Schritte aufweisen, dass ein Faserhalbzeug in das RTM-Werkzeug eingebracht wird, das RTM-Werkzeug geschlossen wird und ein Matrixmaterial in das Formnest injiziert wird. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials kann das Kunststoffbauteil, welches die Kunststofffolie, das Faserhalbzeug und das Matrixmaterial umfasst, entnommen werden.
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Während dieser optionalen weiteren Verfahrensschritte ist die Kunststofffolie durch das anliegende Vakuum sicher am Formbauteil fixiert. Zum Entformen des Bauteils wird das Vakuum abgeschaltet. Aufgrund der Kunststofffolie lässt sich das Bauteil mitsamt Kunststofffolie leicht entformen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Kunststofffolie um eine Trennfolie, welche nach der Bauteilherstellung, z.B. unmittelbar vor einem nachfolgenden Lackierprozess entfernt wird, in dem die Kunststofffolie vom Bauteil abgezogen wird. Wird als Kunststofffolie eine mehrschichtige Folie verwendet, so kann mindestens eine Schicht der Folie vom fertigen Bauteil abgezogen werden, bzw. mindestens eine Folienschicht auf dem Bauteil verbleiben. Hierdurch kann bereits bei der Bauteilherstellung neben der Trenn- und Schutzwirkung der Folie zusätzlich z.B. eine Lackschicht oder eine Polycarbonatschicht, auf das Bauteil transferiert werden.
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In einer Ausgestaltung besteht das Kunststoffbauteil allein aus der verformten Kunststofffolie. Beispielsweise kann hierfür eine thermoplastische Kunststofffolie z.B. aus Polycarbonat verwendet werden. In dieser Ausgestaltung ist es auch denkbar, anstelle der Folie eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff zu verwenden, der vorzugsweise zur leichteren Verformbarkeit erwärmt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung bildet die Kunststofffolie eine Sichtoberfläche des Bauteils. Hierdurch kann beispielsweise eine zusätzliche Lackierung des Kunststoffbauteils entfallen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte
- 2 einen Draufsicht eines Formwerkzeugs einer beispielhaften Vorrichtung,
- 3 eine Schnittansicht A-A aus 1.
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Bei einem beispielhaften Verfahren wird zunächst eine Kunststofffolie 1 in einem Spannrahmen 2 flächig aufgespannt und mit vorgegebener Spannkraft fixiert. Der Spannrahmen 2 wird über ein Formwerkzeug 3 gebracht, so dass die Folie 1 das Formwerkzeug 3 und insbesondere einen Formgebungsbereich 4 desselben überspannt.
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Das Formwerkzeug 3 ist in 2 in einer Draufsicht dargestellt. Das Formwerkzeug 3 hat an seiner Werkzeugoberfläche einen Formgebungsbereich 4, welcher durch einen Randbereich 5 begrenzt ist. Der Übergang ist in 1 als gestrichelte Linie angedeutet. Im Formgebungsbereich 4 weist das Formwerkzeug 3 einen Konturverlauf auf, der dem herzustellenden Bauteil entspricht. Umlaufend um den Formgebungsbereich 4 ist eine Dichtnut 6 angeordnet, die über einen Luftabsaugkanal 7 mit einem ersten Vakuum beaufschlagbar ist, indem Luft durch den Luftabsaugkanal 7 abgesaugt wird. Zwischen Dichtnut 6 und Formgebungsbereich 4 ist eine Absaugöffnung 8 in Form einer zweiten Nut angeordnet, die über einen zweiten Luftabsaugkanal 9 mit einem zweiten Vakuum beaufschlagbar ist.
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Die Nut 8 und die Dichtnut 6 sind als umlaufende Nut ausgebildet, d.h. sie laufen einmal vollständig um den Formgebungsbereich 4 herum und umschließen diesen. 3 zeigt die Nut 8 und Dichtnut 6 in einer Schnittansicht A-A. Um die selbstabdichtende Funktion sicherzustellen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nut 8 bzw. Dichtnut 6 eine Tiefe T hat, die größer oder gleich ihrer Breite B ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kunststofffolie 1 in den Spannrahmen 2 eingespannt und in die Nähe der Werkzeugoberfläche gebracht, siehe Schritt I. Luft wird aus der Dichtnut abgesaugt, wodurch dort ein Vakuum anliegt. Der Volumenstrom ist derart gewählt, dass die Folie 1 gegen die Spannkraft des Spannrahmens 2 in die Dichtnut 6 eingesaugt wird. Dort kommt die Folie 1 in Anlage mit der Nutwandung und dichtet selbsttätig ab. Gleichzeitig wird die Folie 1 über dem Formgebungsbereich 4 gespannt, siehe Schritt II. Solange das Vakuum aufrechterhalten wird, ist die Folie 1 am Formwerkzeug 3 fixiert. Da das System selbstabdichtend funktioniert, werden an die Positioniergenauigkeit des Spannrahmens 2 nur geringe Anforderungen gestellt.
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Durch Absaugen der Luft über den zweiten Luftabsaugkanal 9 wird an der Nut 8 ein zweites Vakuum erzeugt, wodurch die Folie 1 im Formgebungsbereich 4 an die Werkzeugwandung angesaugt wird, siehe Schritt III. Das zweite Vakuum kann dabei bereits zeitgleich mit dem ersten Vakuum oder erst später erzeugt werden.
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Zur Unterstützung der Folienverformung sind in den jeweiligen Ecken des Formgebungsbereichs weitere Absaugöffnungen 10, 11, 12, 13 ausgebildet, die ebenfalls über den zweiten Luftabsaugkanal 9 mit Vakuum beaufschlagt werden. Die weiteren Absaugöffnungen 10, 11, 12, 13 sind vorzugsweise sehr klein ausgebildet, d.h. ihr Durchmesser ist kleiner oder gleich der doppelten Foliendicke. Hierdurch können Markierungen durch verformte Folie am fertigen Bauteil vermieden werden.
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Es ist denkbar, dass es sich bei der Kunststofffolie 1 um eine thermoplastische Folie handelt. Diese kann zur besseren Verformbarkeit erwärmt werden. Erkaltet die thermoplastische Folie im Formwerkzeug, so behält sie anschließend die durch Unterdruckverformung erzielte Form bei. So ist es z.B. möglich, mit dem Verfahren dünnwandige Bauteile herzustellen, die allein aus der verformten Folie bestehen. Diese können nach Schritt III und nach Erkaltung dem Formwerkzeug entformt werden.
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In alternativen weiteren Verfahrensschritten IV kann die Kunststofffolie 1 jedoch auch mit einem weiteren Kunststoffmaterial 15, vorzugsweise einem faserverstärkten Kunststoff hinterfüllt werden. Dies kann z.B. im Rahmen eines RTM-Verfahrens, durch Nasspressen, Fließpressen oder unter Verwendung eines Prepregs erfolgen.
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Die Folie 1 bleibt hierzu - durch das Vakuum gehalten und verformt - im Formwerkzeug 3. Das Formwerkzeug 3 ist in diesen Fällen eine Werkzeughälfte eines Presswerkzeugs oder RTM-Werkzeugs 20. Nach Verpressen und Aushärten der Faser/Kunststoffmasse kann das Bauteil aus dem Formwerkzeug entformt werden. Um das Entformen ohne weitere Trennmittel zu ermöglichen, ist die Folie 1 vorzugsweise eine Trennfolie. Eine derartige Trennfolie kann auch mehrschichtig aufgebaut sein, so dass die gesamte Folie oder auch nur einzelne Schichten von dem Bauteil abgezogen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kunststofffolie
- 2
- Trennrahmen
- 3
- Formwerkzeug
- 4
- Formgebungsbereich
- 5
- Randbereich
- 6
- Dichtnut
- 7
- erster Luftabsaugkanal
- 8
- Absaugöffnung
- 9
- zweiter Luftabsaugkanal
- 10 - 13
- weitere Absaugöffnungen
- 15
- faserverstärktes Kunststoffmaterial
- 20
- Press- oder RTM-Werkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012207149 A1 [0008, 0022]
