DE102020123852A1

DE102020123852A1 - Verfahren zum Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen, elektrische Maschine sowie Vorrichtung zum Spritzpressen

Info

Publication number: DE102020123852A1
Application number: DE102020123852.5A
Authority: DE
Inventors: Reiner Schmid; Philipp Oberhumer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-17
Also published as: US20240039379A1; CN116056861A; WO2022053295A1

Abstract

Verfahren zum zumindest bereichsweise Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen, umfassend die Schritte:- Einlegen eines Bauteils in ein Werkzeug einer Vorrichtung zum Spritzpressen;- Einbringen von Vergussmasse in das Werkzeug über eine Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest bereichsweise Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen, eine elektrische Maschine sowie eine Vorrichtung zum Spritzpressen.
Im Bereich der Elektrotechnik ist es bekannt, Bauteile zumindest teilweise in Vergussmasse einzubetten. Dies kann die unterschiedlichsten Gründe haben. Im Bereich der elektrischen Maschinen dient das Einbetten in Vergussmasse z. B. der Isolation, sei es elektrisch oder auch thermisch, sowie der mechanischen Fixierung von Komponenten, wie beispielsweise Wicklungen, insbesondere bei Rotoren. Die DE 10 2017 219 867 A1 offenbart in diesem Zusammenhang einen Stator für einen Elektromotor, welcher einen Statorhauptkörper umfasst, der aus einer Vielzahl von geschichteten Statorscheiben ausgebildet ist, die einen Außenring aufweisen, von dem sich eine Vielzahl von Zähnen nach innen erstreckt, und eine Vielzahl von Wicklungen, die um zumindest einige der Zähne gewickelt sind, wobei der Stator ferner eine Eingussmasse aufweist, in die der Statorhauptkörper und die Wicklungen eingegossen sind und die einstückig zumindest einen Kühlkanal für ein Kühlmedium ausbildet. Als bevorzugte Gießverfahren zum Einbringen der Eingussmasse sind Spritzgießen oder auch Spritzpressen genannt. Dabei hat sich herausgestellt, dass in der Praxis das Spritzpressen verfahrenstechnisch nicht ohne weiteres, insbesondere bei großen Bauteilen, wie Statoren oder Rotoren von elektrischen Maschinen, umsetzbar ist. Insbesondere beim Vergießen oder Umgießen mit duroplastischen Werkstoffen kommen die bekannten Prozesse an ihre Grenzen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum zumindest bereichsweise Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen, eine elektrische Maschine, sowie eine Vorrichtung zum Spritzpressen anzugeben, welche die bekannten Ansätze optimieren und insbesondere auch die Verwendung duroplastischer Kunststoffe für das Spritzpressen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum zumindest bereichsweise Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen die Schritte:

- Einlegen eines Bauteils in ein Werkzeug einer Vorrichtung zum Spritzpressen;
- Einbringen von Vergussmasse in das Werkzeug oder in eine Werkzeugkavität des Werkzeugs, in welcher das Bauteil angeordnet ist, über eine Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen.

Das Einbringen der Vergussmasse über eine Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen ermöglicht zum einen eine Steuerung der Fließfronten und damit eine Steuerung des Füllvorgangs der Werkzeugkavität sowie das Aufteilen der einzubringenden Vergussmenge in mehrere Teilmengen. Das Spritzpressen, auch als Transferpressen bezeichnet, ist ein Verfahren, das zwischen Pressen und Spritzgießen einzuordnen ist. Die Vergussmasse, vorliegend bevorzugt insbesondere Duroplast-Material, wird in eine entsprechende Kammer der Vorrichtung zum Spritzpressen eingelegt und nach dem Schließen des Werkzeugs in die Werkzeugkavität gepresst. Voraussetzung für das Verfahren ist ein gut fließfähiges Material, welches beispielsweise im Ausgangszustand in Form von sogenannten „Puppen“ vorliegt. Bevorzugt wird als Vergussmasse ein niederviskoser, duroplastischer Werkstoff, insbesondere ein 1 K-Epoxidharz, verwendet. Durch die Verwendung eines niederviskosen Materials können die Einlegeteile/Bauteile im Werkzeug geschont und auch kleinste Lücken und Öffnungen, wie sie beispielsweise in Wicklungen von Rotoren oder Statoren vorhanden sind, gefüllt werden.
Unter dem Umgießen und dem „Vergießen“ wird insbesondere auch ein Füllen der Bauteile mit der Vergussmasse verstanden. Die Bauteile werden dabei mit der Vergussmasse infiltriert, d.h. kleinste Lücken und Spalte etc. innerhalb des Bauteils werden mit Vergussmasse gefüllt. Um die „Füllung“ sicherzustellen bzw. zu gewährleisten hat sich insbesondere die Verwendung der Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen als zielführend erwiesen.
Die Vorrichtung, umfassend das Werkzeug, ist eine Vorrichtung zum Spritzpressen bzw. zum Transferpressen bzw. Transfer-Moulding. Das Werkzeug umfasst zweckmäßigerweise mehrere Formteile, insbesondere Formhälften. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Werkzeug zwei Formhälften, in welche das Bauteil zum Umgießen oder Vergießen eingelegt werden kann. Die Werkzeug- oder Formteile formen also die Werkzeugkavität, in welche die Verteiler- und/oder Angusskanäle münden. Die Verteiler- und/oder Angusskanäle sind hierbei zweckmäßigerweise verteilt angeordnet, sodass das zu umspritzende bzw. zu umgießende Bauteil von mehreren Seiten/Positionen angespritzt werden kann. Die exakte Lage oder Positionierung der Verteiler- und/oder Angusskanäle ist beispielsweise von der Bauteilgeometrie und -Größe abhängig.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Konditionieren, insbesondere Erwärmen, des Bauteils und/oder des Werkzeugs vor dem Einbringen der Vergussmasse.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Werkzeug beheizt. Zusätzlich oder alternativ kann das Bauteil vor dem Einlegen in das Werkzeug erwärmt werden. Durch beide Maßnahmen können die Verteilung der Vergussmasse bzw. die Formfüllung optimiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Separates Speisen der Verteiler- und/oder Angusskanäle mit Vergussmasse.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Einbringen unterschiedlicher Mengen Vergussmasse über die Verteiler - und/oder Angusskanäle.

Die verschiedenen Kammern werden zweckmäßigerweise mit unterschiedlich großen Mengen Vergussmasse befüllt. Die Mengen können zweckmäßigerweise bedarfsgerecht an das zu Bauteil bzw. an die Bereiche, welche umspritzt oder vergossen werden müssen, angepasst werden, wobei die Geometrie des zu umspritzenden/vergießenden Bereichs wie auch die Lage und Position der der Bindenähte infolge aufeinandertreffender Fließfronten vorteilhafterweise berücksichtigt und beeinflusst werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Vergussmasse in Form von „Puppen“ vor. Die Größe der Puppen kann mit Vorteil für jede Kammer unterschiedlich gewählt werden, wodurch der gesamte Prozess weiter individuell auf das zu umspritzende Bauteil abgestimmt werden kann. Die Puppen können beliebige Formen aufweisen. Bevorzugt sind oftmals zylindrische Puppen, wobei sich die Größe zweckmäßigerweise nach dem zu füllenden Bauteil bzw. der angestrebten Teilfüllung und der daraus resultierenden Lage der Bindenaht orientiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren entsprechend den Schritt:

- Verwenden unterschiedlich großer Puppen zum Speisen der Verteiler- und/oder Angusskanäle.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Einbringen der Vergussmasse mit unterschiedlichen Drücken und/oder zeitversetzt bzw. mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen.

Das Vorsehen bzw. Einbringen der Vergussmasse über die Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen ermöglicht mit Vorteil eine individuelle Anpassung der Verarbeitungsdrücke sowie eine variable Anpassung des zeitlichen Verlaufs des gesamten Prozesses. Dabei kann sich der Absolutdruck bzw. die tatsächliche Druckhöhe, mit welchem die Vergussmasse eingebracht wird, von Verteiler- und/oder Angusskanal zu Verteiler- und/oder Angusskanal unterscheiden. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch der Druckverlauf bedarfsorientiert über die verschiedenen Verteiler- und/oder Angusskanäle angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Aufbringen eines Unterdrucks im Werkzeug.

Zweckmäßigerweise wird das Werkzeug bzw. die Werkzeugkavität, beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe, entlüftet. Dies erleichtert die Füllung und verringert das Risiko der Entstehung von Lufteinschlüssen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Befüllen der Werkzeug kavität entgegen der Schwerkraft.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Bauteil ein Rotor oder ein Stator einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist dabei nicht auf einen speziellen Typ beschränkt. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist die elektrische Maschine eine Gleichstrommaschine, eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist.
Die Formfüllung erfolgt gemäß einer Ausführungsform entlang einer Rotorachse des Rotors, welche sich entlang einer Rotorwelle erstreckt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor ein Rotor für eine beispielsweise stromerregte Synchronmaschine. Der Rotor umfasst hierbei eine Vielzahl von Wicklungen, wobei zur mechanischen Fixierung, zweckmäßigerweise mittels Spritzpressen, die Vergussmasse vorgesehen ist. Auch Rotoren von permanenterregten Synchronmaschinen können mit dem Verfahren vergossen, umspritzt oder umgossen werden. Ebenso ist das Vergießen, Umspritzen oder Umgießen von Statoren möglich. Die Erfindung betrifft entsprechend auch eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und/oder Stator, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und welcher zumindest bereichsweise in Vergussmasse eingebettet ist.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Spritzpressen, umfassend eine Vielzahl von Kammer, wobei die Kammern mit Vergussmasse befüllbar und über Verteiler -und/oder Angusskanäle mit einer Werkzeugkavität verbunden sind, wobei die Kammern Stellelemente aufweisen, welche ausgelegt sind, in die Kammern eingebrachte Vergussmasse unabhängig voneinander in die Werkzeugkavität zu befördern. Bei den Stellelementen handelt es sich insbesondere um Zylinder, über welche die in den Kammern befindliche Vergussmasse mittelbar über die Verteiler- und/oder Angusskanäle in die Werkzeugkavität eingebracht werden kann. Zweckmäßigerweise sind die Zylinder unabhängig voneinander steuer- bzw. regelbar. Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit, welche ausgelegt ist, die unterschiedlichen Stellelemente entsprechend anzusteuern und/oder zu regeln.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile gelten in gleicher Weise für die Vorrichtung sowie umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Spritzpressen mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:

1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Spritzpressen.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Spritzpressen, umfassend ein Werkzeug 10, welches vorliegend zwei Werkzeughälften 12 umfasst, welche eine Werkzeugkavität 14 formen. In dieser ist, schematisch dargestellt, ein Rotor 20, umfassend eine Rotorwelle 22, angeordnet. In die Werkzeugkavität 14 mündet eine Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen 40, welche jeweils mit Kammern 42 verbunden sind. Die Kammern 42 umfassen Stellelemente oder Zylinder 44, über welche in den Kammern 42 befindliche Vergussmasse über die Verteiler- und/oder Angusskanäle 40 in die Werkzeugkavität 14 eingebracht werden kann. Zweckmäßigerweise sind die Stellelemente oder Zylinder 44 unabhängig voneinander steuer-/regelbar. Die Verteiler- und/oder Angusskanäle 40 münden an verschiedenen Stellen bzw. Positionen in die Werkzeugkavität 14. Am Beispiel des Rotors 20 ist beispielsweise erkennbar, dass dieser sowohl radial als auch axial angespritzt werden kann. Darüber hinaus münden die Verteiler- und/oder Angusskanäle 40, bezogen auf eine Längsachse L, welche vorliegend einer Hochachse entspricht, in unterschiedlichen Höhen. Daneben ist es auch möglich, dass die Verteiler- und/oder Angusskanäle 40 über den Umfang unterschiedlich verteilt sind. Die Verteiler- und/oder Angusskanäle 40, welche axial angeordnet sind, also die unteren Verteiler- und/oder Angusskanäle 40, können beispielsweise in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sein. In Summe ergibt sich eine individuell anpassbare Vorrichtung bzw. ein individuell anpassbares Verfahren, welches beispielsweise auch die Füllung kleinster Lücken und Spalte mit Vergussmasse ermöglicht. Zusätzlich kann über die Verteilung der Verteiler- und/oder Angusskanäle 40 die Lage der Bindenähte der Fließfronten in Bereiche gelegt werden, welche aus Bauteilsicht unkritisch sind. Dies geschieht dabei nicht nur über die Lage der Verteiler- und/oder Angusskanäle 40, sondern auch über die jeweilige Menge an Vergussmasse, die in der jeweiligen Kammer 42 vorgehalten wird.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeug
12: Werkzeughälften
14: Werkzeugkavität
20: Bauteil, Rotor, Stator
22: Rotorwelle
40: Verteiler- und/oder Angusskanal
42: Kammer
44: Stellelement, Zylinder
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017219867 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum zumindest bereichsweise Umgießen oder Vergießen von Bauteilen mittels Spritzpressen, umfassend die Schritte: - Einlegen eines Bauteils (20) in ein Werkzeug (10) einer Vorrichtung zum Spritzpressen; - Einbringen von Vergussmasse in das Werkzeug (10) über eine Vielzahl von Verteiler- und/oder Angusskanälen (40).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Separates Speisen der Verteiler- und/oder Angusskanäle (40) mit Vergussmasse.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassen den Schritt: - Einbringen unterschiedlicher Mengen Vergussmasse über die Verteiler- und/oder Angusskanäle (40).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Verwenden unterschiedlich großen Puppen zum Speisen der Verteiler- und/oder Angusskanäle (40).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Einbringen der Vergussmasse mit unterschiedlichen Drücken und/oder zeitlichem Verlauf.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Aufbringen eines Unterdrucks im Werkzeug (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Befüllen einer Werkzeugkavität (14) entgegen der Schwerkraft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (20) ein Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine ist.
Elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und/oder Stator (20), welcher nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zumindest bereichsweise in Vergussmasse eingebettet oder damit vergossen ist.
Vorrichtung zum Spritzpressen, umfassend eine Vielzahl von Kammern (42), wobei die Kammern (42) mit Vergussmasse befüllbar und über Verteiler- und/oder Angusskanäle (40) mit einer Werkzeugkavität (14) verbunden sind, wobei die Kammern (42) Stellelemente (42) aufweisen, welche ausgelegt sind, in die Kammern (42) eingebrachte Vergussmasse unabhängig voneinander in die Werkzeugkavität (14) zu befördern.