-
Die Erfindung betrifft ein Entformungswerkzeug sowie ein Verfahren zum Entformen eines Bauteils.
-
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen erfolgt eine Formgebung des Bauteils häufig in Formwerkzeugen. So werden z.B. beim Resin Transfer Moulding (RTM), beim Nasspressen oder auch beim Spritzgießen Verstärkungsfasern und Matrixmaterial in ein Formwerkzeug eingebracht und dort konsolidiert bzw. ausgehärtet.
-
Bei den Formwerkzeugen handelt es sich üblicherweise um zweiteilige Werkzeuge mit zwei Werkzeugteilen, z.B. Ober- und Unterwerkzeug. Nach der Bauteilherstellung wird das Formwerkzeug geöffnet und das fertige Bauteil, welches z.B. dem Unterwerkzeug verbleibt, muss aus diesem entnommen werden, was als Entformen bezeichnet wird.
-
Aufgrund der teilweise hohen Druckverhältnisse, die im Formwerkzeug während der Herstellung herrschen und weil das eingebrachte Kunststoffmaterial im fließfähigen Zustand die Poren des Werkzeug benetzt, ist eine erhebliche Losreißkraft notwendig, um das Bauteil aus dem Formwerkzeug zu lösen.
-
Zum Entformen eines Bauteils ist es z.B. aus der
EP 2808151 A1 bekannt, mechanische Auswerfer einzusetzen. Hierbei kann es sich um Stifte, Platten oder Rahmen handeln, welche im Formwerkzeug angeordnet sind. Die mechanischen Auswerfer werden verfahren und heben dabei das Bauteil im Werkzeug an. Solche mechanischen Auswerfer sind sehr aufwendig in das Formwerkzeug zu integrieren. Die Mechanik hat einen enormen Platzbedarf, wodurch viel Bauraum notwendig ist. Zudem neigen die mechanischen Auswerfer dazu sich mit Kunststoffmatrix zuzusetzen und zu blockieren. Damit muss ein hoher Wartungsaufwand getrieben werden um die Funktionsfähigkeit der Auswerfer aufrecht zu erhalten und die notwendige Prozesssicherheit zu erreichen.
-
Weiterhin ist es bekannt, faserverstärkte Bauteile im Formwerkzeug durch Luftauswerfer zu lösen, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2011 087 862 A1 beschrieben sind.
-
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, womit auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine prozesssichere Entformung eines Bauteils aus einem Formwerkzeug ermöglicht wird.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Werkzeug nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Es wird ein Entformungswerkzeug zum Entformen eines Bauteils aus einem Formwerkzeug angegeben. Das Entformungswerkzeug weist mindestens eine Stützfläche auf, mit dem das Entformungswerkzeug auf dem Formwerkzeug aufsetzbar ist, eine Greifvorrichtung, mit der das Bauteil gehalten werden kann, und mindestens eine Verstellvorrichtung zur Realisierung einer Verfahrbewegung zwischen Stützfläche und Greifvorrichtung.
-
Weiterhin wird ein Verfahren zum Entformen eines Bauteils angegeben, das sich nach der Formgebung in einem der Formgebung dienenden Werkzeugteil eines Formwerkzeugs befindet. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Absetzen eines Entformungswerkzeugs mit mindestens einer Stützfläche auf dem Werkzeugteil,
- - Fixieren des zu entformenden Bauteils mittels einer Greifvorrichtung an dem Entformungswerkzeug, und
- - Betätigen mindestens einer Verstellvorrichtung, wodurch die das Bauteil haltende Greifvorrichtung relativ zur Stützfläche in Entformungsrichtung verfahren wird und das Bauteil aus dem Werkzeugteil entformt wird.
-
Mit anderen Worten bewirkt die Verstellvorrichtung, dass die Greifvorrichtung gemeinsam mit dem Bauteil vom Werkzeugteil wegbewegt wird, während die mindestens eine Stützfläche weiterhin auf dem Werkzeugteil aufsteht. Die Stützfläche wirkt während der Verstellbewegung als Gegenlager, mit dem sich das Entformungswerkzeug auf dem Werkzeugteil abstützt. Somit werden die zum Lösen bzw. Entformen des Bauteils notwendigen Kräfte über die Stützfläche in das Werkzeugteil geleitet.
-
Das Entformungswerkzeug kann weiterhin ein Gestell aufweisen, an dem die weiteren Komponenten, wie z.B. die Greifvorrichtung oder die Verstellvorrichtung befestigt sind.
-
Die Greifvorrichtung und die mindestens eine Stützfläche sind derart zueinander angeordnet, dass die Greifvorrichtung nahe vom oder in Kontakt mit dem Bauteil ist, wenn die mindestens eine Stützfläche auf dem Werkzeugteil aufliegt. Die Stützfläche wird dabei außerhalb der durch das Bauteil belegten Werkzeugfläche auf dem Werkzeugteil abgestellt.
-
Ein besonders sicherer Stand des Entformungswerkzeugs kann erreicht werden, wenn mindestens drei Stützflächen vorgesehen sind, die mittels jeweils einer Verstellvorrichtung unabhängig voneinander gegenüber der Greifvorrichtung verfahrbar sind. Dies ermöglicht neben einer Nivellierung des Entformungswerkzeugs auch eine einfache Anpassung desselben an veränderte Geometrien des Bauteils oder Formwerkzeugs. Sind mehrere Stützflächen vorgesehen, so können diese z.B. auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils, also z.B. an einem vorderen und hinteren Ende des Bauteils aufgesetzt werden. In einem solchen Fall überspannt beispielsweise das Entformungswerkzeug das Bauteil vollständig, wodurch ein optimierter Kraftfluss während der Entformung erreicht wird.
-
Die Verstellvorrichtungen können beispielsweise durch Hubzylinder, z.B. Pneumatik- oder Hydraulikzylinder realisiert sein. Werden diese betätigt, so wird der Zylinder in seinem Gehäuse aus- bzw. eingefahren, wodurch sich die Höhe der Verstellvorrichtung ändert. Beispielsweise sind die Verstellvorrichtungen auf der einen Seite mit dem Gestell verbunden. Auf der anderen Seite der Verstellvorrichtung ist die Stützfläche angeordnet. Hierbei kann eine Stirnfläche des Zylinderkolbens selbst oder des Gehäuses der Verstellvorrichtung als Stützfläche im Sinne der Erfindung wirken. Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, die Stützfläche durch ein separates Bauteil auszubilden, welches an der Verstellvorrichtung befestigt wird.
-
Es hat sich gezeigt, dass schon eine geringfügige Hubhöhe ausreicht, um das Bauteil zu entformen. So kann es z.B. in einer Ausgestaltung ausreichen, wenn die Stützfläche relativ zur Greifvorrichtung um eine Strecke im Bereich von 5 mm bis 5 cm und vorzugsweise um 5 mm bis 2 cm verfahren wird. Aufgrund des geringen Verfahrwegs können einfache und kostengünstige Verstellvorrichtungen verwendet werden.
-
Vorzugsweise wird durch das Betätigen der mindestens einen Verstellvorrichtung eine rein lineare Relativbewegung zwischen Greifvorrichtung und Stützfläche erzeugt, die in Entformungsrichtung, also im Wesentlichen senkrecht zur Teilungsebene des Formwerkzeugs erfolgt.
-
Die Greifvorrichtung ist eingerichtet, um das Bauteil während des Entformungsvorgangs am Entformungswerkzeug zu halten und fixieren. Je nach Bauteilgeometrie und -material können als Greifvorrichtung grundsätzlich mechanische, hydraulische, magnetische oder adhäsive Greifsysteme verwendet werden können.
-
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn es sich bei der Greifvorrichtung um eine Sauggreifvorrichtung handelt. Eine Sauggreifvorrichtung weist einen oder mehrere Sauggreifer auf. Das Funktionsprinzip solcher Sauggreifvorrichtungen ist grundsätzlich bekannt. Die Sauggreifer werden in Kontakt mit dem Bauteil gebracht, während an den Sauggreifern ein Unterdruck erzeugt wird. Hierdurch saugen sich die Sauggreifer an der Oberfläche des Bauteils fest. Die Haltekraft ist u.a. von der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils und dem angelegten Unterdruck abhängig. Das Halten des Bauteils mittels Sauggreifern ist insbesondere für faserverstärkte Kunststoffbauteile vorteilhaft, weil eine Beschädigung der Oberfläche vermieden wird und die Kunststoffbauteile von Hause aus eine glatte Oberfläche aufweisen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung arbeiten die Sauggreifer nach dem Venturi-Prinzip. Hierbei wird Druckluft in eine Venturi-Düse eingeleitet. Hinter der Düse entsteht ein Unterdruck, welcher genutzt wird, um das Bauteil zu fixieren. Eine derartige Ausgestaltung des Entformungswerkzeugs ist einfach und kostengünstig umzusetzen, zumal Druckluft in nahezu jeder Fertigungsumgebung verfügbar ist.
-
Vorzugsweise weist die Greifvorrichtung mehrere Greifer auf, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Werden die Greifer beispielsweise entsprechend des Bauteilverlaufs angeordnet, so ist es möglich auch langgestreckte oder komplex geformte Bauteile sicher und ohne nennenswerte Verformung zu entformen. Durch eine flächige Anordnung mehrerer Greifer kann z.B. die sichere Entformung auch sehr großer flächiger Bauteile sichergestellt werden.
-
Damit es während der Entformung nicht zu einem Bauteilverzug oder einer Verformung des Entformungswerkzeugs kommt, kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, wenn das Gestell als biege- und torsionssteifer Rahmen ausgestaltet ist. Eine Rahmenkonstruktion ermöglicht die notwendige Stabilität bei vergleichweise geringem Gewicht.
-
Das Entformungswerkzeug kann weiterhin eine Kupplung zur Befestigung an einem Mehrachsroboter aufweisen. So ist es auf einfache Art und Weise möglich, das Entformungswerkzeug in eine Serienfertigung zu integrieren. Der Mehrachsroboter bewegt das Entformungswerkzeug dann beispielsweise als Endeffektor. Das Entformungswerkzeug kann von dem Mehrachsroboter auf dem Formwerkzeug über dem Bauteil positioniert werden. Ebenso kann der Mehrachsroboter das Entformungswerkzeug mit dem davon gehaltenen Bauteil vom Formwerkzeug wegbewegen und einer weiteren Bearbeitungsstation zuführen.
-
Während der Entformung selbst bleibt der Roboter jedoch insofern passiv, als von ihm keine Entformungskräfte aufgebracht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Roboterachsen aufgrund der notwendigen Genauigkeit der Positionierung nur über eine begrenzte Tragkraft verfügen. Mit herkömmlichen Mehrachsrobotern ist eine direkte Entformung durch „Herausziehen“ der Bauteile aus dem Formwerkzeug nicht möglich, ohne dass diese für die spezielle Last konzipiert und ausgelegt werden. Erfindungsgemäß können dagegen herkömmliche Mehrachsroboter bei dem Verfahren zur Entformung eingesetzt werden.
-
Während des Entformens wird das Entformungswerkzeug gegenüber dem Werkzeugteil, in dem das Bauteil liegt, angehoben. Damit der Roboter diese Bewegung nicht stört, kann ihm beispielsweise eine entsprechende Ausgleichsbewegung programmiert werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Mehrachsroboter für diese Zeitspanne „weich“ gestellt wird, so dass seine Achsen durch die Bewegung der Verstellvorrichtung weggedrückt und mitbewegt werden.
-
Das Entformungswerkzeug kann weiterhin eine Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung der Greifvorrichtung und der mindestens einen Verstellvorrichtung aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung der Greifvorrichtung und der mindestens einen Verstellvorrichtung jedoch mittels derselben Steuerungsvorrichtung, mit der auch der Mehrachsroboter angesteuert wird.
-
Zur Unterstützung des Entformungsvorgangs kann es vorgesehen sein, dass vor dem Betätigen oder während des Betätigens der Verstellvorrichtung Druckluft durch das Werkzeugteil hindurch zwischen Bauteil und Werkzeugteil gedrückt wird. Hierdurch wird das Bauteil bereits angelöst, so dass die für die Entformung notwendigen Losreißkräfte reduziert werden können. Zum Einbringen der Druckluft kann das Werkzeugteil, in dem das Bauteil liegt, mit einem oder mehreren Luftauswerfern, wie sie in der
DE 10 2011 087 862 A1 beschrieben sind, ausgestattet sein.
-
Das Verfahren eignet sich grundsätzlich zum Entformen von Bauteilen aus einem beliebigen formgebenden Werkzeug. Denkbar ist z.B. das Entformen eines tiefgezogenen Bauteils, z.B. Blechbauteils, das Entformen eines faserverstärkten Bauteils, das in dem Formwerkzeug geformt und konsolidiert bzw. ausgehärtet wurde oder das Entformen eines Gußbauteils aus einer Gußform. Aufgrund der bauteileigenen Steifigkeit eignet sich das Verfahren und das Entformungswerkzeug aber insbesondere für langfaser- und endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile, die mittels Injektionsverfahren in einem Formwerkzeug geformt werden, wie z.B. im RTM Verfahren. Das Verfahren wird vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Entformungswerkzeug durchgeführt, wobei dieselben Vorteile und technischen Wirkungen erzielt werden.
-
Durch das erfindungsgemäße Entformungswerkzeug kann auf mechanische Auswerfer am Formwerkzeug verzichtet werden. Das Entformungswerkzeug kann relativ günstig hergestellt werden. Es lässt sich leicht variieren, wenn beispielsweise eine Änderung am Bauteil oder Formwerkzeug vorgenommen werden muss. Insgesamt werden durch das Entformungswerkzeug und das Verfahren die Kosten für die Bauteilentformung erheblich reduziert. Auch hat das Entformungswerkzeug nur einen geringen Wartungsaufwand. Weiterhin kann die zusätzlich benötigte Kraft durch die Zylinder sehr genau gesteuert werden. Die Zylinder sind in Größe und Kraft anpassbar und ermöglichen so ein präziseres Entformen und vermeiden eine Beschädigung des Bauteils. Somit entsteht bei der Produktion weniger Ausschuss. Auch ist die Dauer der Entformung gegenüber einem Auswerfvorgang mit mechanischen Auswerfern reduziert, wodurch sich die Entnahmezeit des Bauteils verkürzt.
-
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.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Entformungswerkzeug in schematischer Darstellung,
- 2 eine Draufsicht auf das Entformungswerkzeug von 1, und
- 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bauteilentformung.
-
Das Entformungswerkzeug 1 weist ein Gestell 2 auf, das vorzugsweise in Form eines biege- und torsionssteifen Rahmens ausgebildet sein kann. An dem Entformungswerkzeug 1 sind Stützflächen 3, 4, 5, 6 vorgesehen, welche über jeweils eine Verstellvorrichtung 7, 8, 9, 10 in Form von Pneumatikzylindern mit dem Gestell 2 verbunden sind. Die Verstellvorrichtungen 7, 8, 9, 10 sind über eine Steuerungsvorrichtung 11 ansteuerbar und können in Entformungsrichtung E verfahren werden. 1 zeigt die Pneumatikzylinder in eingefahrenem Zustand. Werden die Verstellvorrichtungen 7 bis 10 betätigt, so fahren die Hubzylinder aus und die Stützflächen 3 bis 6 werden relativ zum Gestell 2 sowie der am Gestell befestigen Greifvorrichtung 12 linear verfahren.
-
Das Entformungswerkzeug 1 weist weiterhin eine Greifvorrichtung 12 auf, die ebenfalls an dem Gestell 2 befestigt ist. Die Greifvorrichtung 12 ist dazu eingerichtet, das Bauteil während und nach dem Entformungsvorgang fest zu halten. Vorzugsweise ist die Greifvorrichtung 12 als Sauggreifvorrichtung ausgeführt und kann, wie in 1 und 2 dargestellt, mehrere Sauggreifer 13 bis 16 aufweisen. Die Sauggreifer bzw. die Greifvorrichtung werden ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 11 angesteuert.
-
Die für den Betrieb der Verstellvorrichtungen 7 bis 10 und der Greifvorrichtung 12 notwendigen Versorgungsleitungen sind in den Figuren aus Gründen der Anschaulichkeit nicht dargestellt. Die Funktion und die notwendigen Bestandteile derartiger Verstell- und Greifvorrichtungen sind dem Fachmann jedoch bekannt.
-
Das Entformungswerkzeug 1 kann von einem Handhabungsgerät, wie z.B. einem Mehrachsroboter 17, gehalten und positioniert werden. Hierzu kann das Entformungswerkzeug 1 eine Kupplung 18 zur Anbindung an den Roboter 17 aufweisen. Die Kupplung 18 ist vorzugsweise am Gestell 2 bzw. Rahmen befestigt. Es ist besonders bevorzugt, wenn auch der Mehrachsroboter 17 mittels derselben Steuerungsvorrichtung 11 angesteuert wird. Bei der Steuerungsvorrichtung 11 kann es sich z.B. um eine zentrale Robotersteuereinheit handeln.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf das Entformungswerkzeug 1. Die Stützflächen 3 bis 6 sowie die zugehörigen Verstellvorrichtungen 7 bis 10 sind vorzugsweise außen an dem Gestell 2 angeordnet.
-
Die Sauggreifer 13 bis 16 der Greifvorrichtung 12 sind vorzugsweise derart beabstandet und verteilt zueinander angeordnet, dass das zu entformende Bauteil von der Greifvorrichtung 12 gleichmäßig gehalten und gestützt wird und ein Verbiegen des Bauteils verhindert wird.
-
Mit Bezug auf 3 wird das Verfahren zum Entformen sowie die Funktionsweise des Entformungswerkzeugs 1 erläutert. Zunächst wird in einem Formwerkzeug ein Bauteil 20 hergestellt, beispielsweise ein faserverstärktes Kunststoffbauteil im RTM Verfahren. Dann wird das Formwerkzeug geöffnet. Das Bauteil 20 liegt dann in einem Werkzeugteil 22 des Formwerkzeugs und muss entformt werden (siehe Schritt I).
-
In einem ersten Schritt des Entformungsverfahrens (gezeigt in II) setzt der Mehrachsroboter 17 das Entformungswerkzeug 1 auf dem Werkzeugteil 22 auf, wobei die Stützflächen 3 bis 6 außerhalb der vom Bauteil besetzten Fläche auf dem Werkzeugteil 22 aufstehen. Die Position des Entformungswerkzeugs 1 wird derart vorgegeben, dass sich die Greifvorrichtung 12 über dem Bauteil 20 befindet bzw. in Kontakt mit diesem kommt.
-
Nun wird die Greifvorrichtung 12 aktiviert, im Falle der Sauggreifvorrichtung saugt sich die Greifvorrichtung 12 an dem Bauteil 20 fest.
-
Nachfolgend beginnt das eigentliche Entformen des Bauteils 20 (gezeigt in III und IV). Hierzu werden die Verstellvorrichtungen 7 bis 10 aktiviert, so dass die Pneumatikzylinder ausfahren. Hierbei drücken die Zylinder die Stützflächen 3 bis 6 gegen das Werkzeugteil 22, wodurch das Gestell 2 und die Greifvorrichtung 12 sowie das von der Greifvorrichtung 12 gehaltene Bauteil angehoben werden.
-
Diese Hubbewegung wird fortgesetzt, bis eine ausreichende Entformung des Bauteils 20 gegeben ist. Beispielsweise kann es ausreichen, wenn das Bauteil um 5 mm bis 5 cm angehoben wird. Vorzugsweise werden die Verstellvorrichtungen 3 bis 6 derart angesteuert, dass die Hubbewegung eine rein lineare Bewegung in Entformungsrichtung ist.
-
Die Hubbewegung zum Entformen erfolgt ausschließlich durch die von den Verstellvorrichtungen erzeugte Bewegung. Der Mehrachsroboter 17 kann diese Bewegung kraftfrei ausgleichen und sich entsprechend dem Hub des Gestells 2 mitbewegen. Vorzugsweise ist der Mehrachsroboter 17 während der Hubbewegung „weich“ gestellt, d.h. seine Achsen lassen sich relativ leicht und ohne nennenswerten Kraftaufwand verstellen. Wird das Gestell 2 durch die Bewegung der Verstellvorrichtungen angehoben, so gibt der „weiche“ Mehrachsroboter 17 dieser Bewegung nach. Der Mehrachsroboter leistet also keinen aktiven Beitrag zum Entformen des Bauteils 20.
-
Ist die Hubbewegung zum Entformen des Bauteils 20 abgeschlossen (dargestellt bei IV), so übernimmt der Mehrachsroboter 17 wieder eine aktive Rolle und entfernt das Entformungswerkzeug 1 mit daran gehaltenem Bauteil 20 vollständig aus und von dem Werkzeugteil 22 (dargestellt in V). Währenddessen können die Verstellvorrichtungen 7 bis 10 wieder in die Ausgangsposition gefahren werden.
-
Optional und unterstützend zum voranstehend beschriebenen Entformungsverfahren können im Werkzeugteil 22 ein oder mehrere Luftauswerfer 24 vorgesehen sein. Diese können vor dem Verfahren der Verstellvorrichtungen oder parallel dazu betrieben werden (dargestellt durch den Pfeil 26), so dass Druckluft durch das Werkzeugteil 22 hindurch an die Grenze zwischen Werkzeugteil 22 und Bauteil 20 eingeblasen wird und so das Lösen des Bauteils 20 unterstützt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Entformungswerkzeug
- 2
- Gestell
- 3 - 6
- Stützflächen
- 7 - 10
- Verstellvorrichtungen
- 11
- Steuerungsvorrichtung
- 12
- Greifvorrichtung
- 13 - 16
- Sauggreifer
- 17
- Mehrachsroboter
- 18
- Kupplung
- 20
- Bauteil
- 22
- Werkzeugteil
- 24
- Luftauswerfer
- E
- Entformungsrichtung
- I - V
- Verfahrensschritte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2808151 A1 [0005]
- DE 102011087862 A1 [0006, 0027]
