DE102020208069A1

DE102020208069A1 - Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs

Info

Publication number: DE102020208069A1
Application number: DE102020208069.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Henneberg; Bernd Scheufele; Friedrich Kneule; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30
Also published as: CN113858534A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs (1). Hierbei wird zunächst wenigstens eine Farbschicht (15) auf eine erste Werkzeugform, insbesondere auf eine äußere Oberfläche der ersten Werkzeugform, einer wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine, aufgebracht. Darauf folgend wird eine zweite Werkzeugform der wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine derart relativ zu der ersten Werkzeugform angeordnet, dass zwischen erster und zweiter Werkzeugform wenigstens eine Kavität erzeugt wird. Die Farbschicht (15) ist hierbei innerhalb der Kavität angeordnet. Folgend wird ein Kunststoffmaterial in die Kavität der Harzinjektionsmaschine derart eingespritzt, dass ein Membrantopf (1) mit einer Membran (56) erzeugt wird und die Farbschicht (15) in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs (1) integriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs, sowie einen Membrantopf und einen Schallwandler.
Stand der Technik
Das Dokument DE 10 2017 202 425 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Nickel enthaltende metallische Beschichtung zumindest an der Außenseite und der Innenseite eines Membrantopfs im Bereich der Membran nachträglich aufgebracht wird. Eine derartige metallische Schicht eignet sich als Grundlage zum unmittelbaren Aufbringen einer Lackschicht. Eine solche Lackschicht wird üblicherweise dann vorgesehen, wenn eine optische Angleichung der Membran an ihrer Außenseite an die Fahrzeugfarbe erwünscht ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs zu entwickeln, bei dem schon während des Herstellungsverfahrens die farbliche Gestaltung des Membrantopfs realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs gemäß Anspruch 1, sowie ein Membrantopf gemäß Anspruch 10 und ein Schallwandler gemäß Anspruch 12 vorgeschlagen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs wird zunächst wenigstens eine Farbschicht auf eine erste Werkzeugform, insbesondere auf eine äußere Oberfläche der ersten Werkzeugform, einer wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine aufgebracht. Der Auftrag erfolgt bevorzugt automatisiert mittels eines Sprüh- bzw. Spritzprozesses. Eine Harzinjektionsmaschine wird vorzugsweise bei einem RTM (Resin Transfer Molding)-Verfahren eingesetzt.
Folgend wird eine zweite Werkzeugform der wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine derart relativ zu der ersten Werkzeugform angeordnet oder verschoben, dass zwischen erster und zweiter Werkzeugform wenigstens eine Kavität erzeugt wird. Mit der Kavität ist insbesondere ein Hohlraum gemeint, der zwischen erster und zweiter Werkzeugform gebildet wird. Die Farbschicht ist hierbei innerhalb der Kavität angeordnet ist. Bei dem Harzinjektionsverfahren kommen Werkzeugformen, welche auch als Gießwerkzeuge bezeichnet werden, als Negativformen des zu erzeugenden Membrantopfs zum Einsatz. Die Werkzeugformen bestimmen die geometrische Gestaltung des Membrantopfs und gewährleisten die erforderliche Oberflächengüte des Membrantopfes und der integrierten Farbschicht. In einem folgenden Verfahrensschritt wird ein Kunststoffmaterial in die Kavität der Harzinjektionsmaschine derart eingespritzt, dass ein Membrantopf mit einer Membran erzeugt wird und die Farbschicht in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs integriert wird. Vorzugsweise weist der hergestellte Membrantopf weiterhin eine Außenwandung auf. Durch das beschriebene Herstellungsverfahren ergibt sich die Möglichkeit, die Farbgestaltung eines Membrantopfs schon während des Herstellungsverfahrens zu realisieren. Aufwändige Prozessschritte, wie z.B. Reinigung und Oberflächenvorbehandlung des vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildeten Membrantopfs, sowie Auftrag und Trocknung der Lackschichten entfallen somit. Die aufgetragene Farbschicht ist vorzugsweise auch als Schutzschicht für den Membrantopf gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, sowie gegen UV-Strahlung und mechanische Oberflächenschädigungen ausgebildet. Bevorzugt werden mehrere Farbschichten auf die äußere Oberfläche der ersten Werkzeugform zeitlich hintereinander aufgebracht. Vorzugsweise weist die Farbschicht aus einer einzelnen oder mehreren Farbschichten eine Gesamtdicke in einem Bereich von von 50-500 µm auf. Zur Integration der Farbschicht in die äußere Oberfläche des Membrantopfs liegt die Farbschicht vorzugsweise zumindest teilweise an dem eingespritzten Kunststoffmaterial an.
Bevorzugt wird die Farbschicht auf einem Bodenbereich der ersten Werkzeugform aufgebracht. Mit dem Bodenbereich ist insbesondere der Bereich der ersten Werkzeugform gemeint, welche zur Ausbildung einer Außenseite der Membran des Membrantopfs dient. Somit wird vorzugsweise bei der Ausbildung des Membrantopfs die Farbschicht in eine äußere Oberfläche der Membran, insbesondere die Außenseite der Membran, des Membrantopfs integriert. Die Farbe der Membran kann somit beispielsweise an die Außenfarbe eines Fahrzeugs angepasst werden. Die schwingungsdämpfende Wirkung der Farbschicht fügt der bereits im Kunststoffmaterial des Membrantopfs vorhandenen Schwingungsdämpfung eine zusätzliche Dämpfung hinzu. Die Integration der Farbschicht in die Membran des Membrantopfs bewirkt bei der Verwendung des Membrantopfs in einem Schallwandler eine vorteilhafte Veränderung der schwingungsmechanischen Eigenschaften des Wandlers. Es tritt insbesondere eine Erhöhung der strukturdynamischen Dämpfung des Ultraschallwandlers auf, die zu einer Vergrößerung des nutzbaren Arbeitsfrequenzbereichs bzw. der Bandbreite des Schallwandlers führt.
Vorzugsweise wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein Fasermaterial, insbesondere eine Fasermatte, als Membran des Membrantopfs in die erste Werkzeugform eingebracht. Das Fasermaterial wird beim Einspritzen des Kunststoffmaterials in dem Kunststoffmaterial eingebettet und somit ebenfalls in den Membrantopf integriert. Die Membran des Membrantopfs wird somit als Faser-Kunststoffverbund ausgebildet. Vorzugsweise wird das Fasermaterial in der ersten Werkzeugform zumindest teilweise mit der Farbschicht, insbesondere unmittelbar, verbunden. Die in die erste Werkzeugform eingebrachte Farbschicht hat den Vorteil, dass sie zähflüssig ist und auf der formabgewandten Seite klebrig bleibt. Dadurch lässt sich das Fasermaterial an der gewünschten Position in der Werkzeugform gezielt platzieren und wird dort zudem fixiert. Zudem ergibt sich eine einfache Möglichkeit, um die Farbe der Membran äußerlich beispielsweise an die Außenseite einer Fahrzeugfarbe anzupassen.
Vorzugsweise ist die Farbschicht aus einem Gelcoat, insbesondere einem Kunstharz mit Farbpigmenten, ausgebildet. Das Kunstharz ist vorzugsweise aus Epoxidharz oder Polyester ausgebildet. Bevorzugt wird die Farbschicht somit mit dem Fasermaterial und/oder dem eingespritzten Kunststoffmaterial stoffschlüssig verbunden. Bei dem eingespritzten Kunststoffmaterial handelt es sich bevorzugt um Duroplaste, wie zum Beispiel Epoxidharz oder Polyurethan oder alternativ handelt es sich um Thermoplaste, wie zum Beispiel Polyamid oder Polyoxymethylen. Diese stoffschlüssige Verbindung zwischen Farbschicht und dem eingespritzten Kunststoffmaterial und/oder dem Fasermaterial wird durch die adhäsiven Eigenschaften des Gelcoats bzw. dessen Kunstharz und/oder den adhäsiven Eigenschaften des eingespritzten und folgend thermisch ausgehärteten Kunststoffmaterials erreicht. Es kommt somit zu einer nicht lösbaren stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer Außenseite des Membrantopfs und der Farbschicht. Alternativ oder zusätzlich kommt es somit zu einer nicht lösbaren stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer Außenseite des Membrantopfs und dem Fasermaterial, insbesondere der Fasermatte. Diese stoffschlüssige Verbindung ist vergleichbar mit einer Klebeverbindung, wobei jedoch kein Klebstoff verwendet wird, sondern die adhäsive Materialeigenschaft des eingespritzten Kunststoffmaterials für die Verbindung verwendet wird. Zu beachten ist hierbei, dass die adhäsiven Eigenschaften des Gelcoats mit den adhäsiven Eigenschaften des Kunststoffmaterials und/oder Fasermaterial aufeinander abgestimmt sind, um eine dauerhaft haltbare stoffschlüssige Verbindung zu erreichen.
Vorzugweise wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Temperatur der ersten und/oder zweiten Werkzeugform zur Aushärtung des eingespritzten Kunststoffmaterials erhöht. Diese Temperaturerhöhung kann beispielsweise durch ein in die erste und/oder zweite Werkzeugform integriertes Heizelement ermöglicht werden. Die Aufheizzeit ist hierbei unter anderem abhängig von dem eingespritzten Kunststoffmaterial und der Menge des eingespritzten Kunststoffmaterials.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Membrantopf, insbesondere hergestellt mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Membrantopfs. Der Membrantopf weist wenigstens eine Farbschicht auf, insbesondere ausgebildet aus einem Gelcoat, die in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs integriert ist. Vorzugsweise weist der Membrantopf eine Membran auf. Die Farbschicht ist hierbei in eine äußere Oberfläche der Membran, insbesondere eine Außenseite der Membran, des Membrantopfs integriert. Mit der Außenseite der Membran ist hierbei insbesondere die Seite der Membran gemeint, die zur äußeren Umgebung des Membrantopfs hin ausgerichtet ist. In einer Einbauweise des Membrantopfs in einem Fahrzeug, insbesondere einem Stoßfänger eines Fahrzeugs, ist somit die Seite der Membran gemeint, die von außen zu erkennen ist. Der Membrantopf, welcher insbesondere für einen Schallwandler geeignet ist, ist insbesondere als Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ausgebildet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schallwandler, insbesondere ein Ultraschallwandler. Dieser weist den zuvor beschriebenen Membrantopf, ein Wandlerelement, insbesondere ein piezoelektrisches Wandlerelement, sowie eine Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements auf.
Figurenliste
Es zeigen:

1a zeigt schematisch eine Farbschicht und eine Fasermatte auf einer erste Werkzeugform einer zweiteiligen Harzinjektionsmaschine.
1b zeigt schematisch die Farbschicht und die Fasermatte innerhalb der Kavität der Harzinjektionsmaschine.
2 zeigt schematisch einen Membrantopf mit einer in die Membran integrierten Farbschicht.
3 zeigt schematisch einen Schallwandler.
4 zeigt einen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Membrantopfs.

Ausführungsformen der Erfindung
1a zeigt in einer Schnittdarstellung, wie eine Farbschicht 15 auf eine äußere Oberfläche 20 einer ersten Werkzeugform 10 einer zweiteiligen Harzinjektionsmaschine mittels Gel Coating aufgetragen ist. Die äußere Oberfläche 20 ist hierbei als ein Bodenbereich der ersten Werkzeugform 10 ausgebildet. Die Farbschicht 15 ist als ein Gelcoat ausgebildet, welches wiederum hierbei aus einem Kunstharz mit Farbpigmenten ausgebildet ist. Zusätzlich ist hierbei eine Fasermatte als Fasermaterial 30 unmittelbar mit der Farbschicht 15 auf dem Bodenbereich der ersten Werkzeugform verbunden. Mittels der adhäsiven Eigenschaften des Gelcoats bzw. dessen Kunstharz ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung der Farbschicht 15 mit dem Fasermaterial 30.
1b zeigt weiterhin, wie eine zweite Werkzeugform 25 der zweiteiligen Harzinjektionsmaschine 5 derart relativ zu der ersten Werkzeugform 10 angeordnet oder verschoben wird, dass zwischen erster 10 und zweiter Werkzeugform 25 eine Kavität 35 erzeugt wird. Die Farbschicht 15, wie auch das Fasermaterial 30, welche schon zuvor in den Verfahrensschritten auf Figur la auf die äußere Oberfläche 20 der ersten Werkzeugform 10 aufgebracht wurden, sind nun innerhalb der Kavität 35 angeordnet.
Die beiden Werkzeugformen 10 und 25 werden in diesem Ausführungsbeispiel mittels hier nicht gezeigter, geeigneter Dichtelemente vakuumdicht zusammengefügt und bilden eine Negativform des herzustellenden Membrantopfs aus. Zur Injektion des Kunststoffmaterials in die Kavität 35 weist die Harzinjektionsmaschine 5 eine Einlassöffnung 40 und eine Auslassöffnung 45 auf.
2 zeigt einen fertig hergestellten Membrantopf 1. Die Farbschicht 15 aus dem Gelcoat ist hierbei in eine Außenseite 55 einer Membran 56 des Membrantopfs 1 integriert. Die Farbschicht 15 liegt in einem Teilbereich 32 an dem Kunststoffmaterial des Membrantopfs 1 und über die komplette Außenfläche des Fasermaterials 30 an dem Fasermaterial 30 an. Das Fasermaterial 30 selbst ist in das Kunststoffmaterial des Membrantopfs 1 eingebettet. Der Membrantopf 1 weist zusätzlich zu der Membran 56 eine Außenwandung 50 auf.
3 zeigt einen Schallwandler 2 mit dem auf 2 dargestellten Membrantopf 1. Zusätzlich zu dem Membrantopf 1 weist der Schallwandler 2 ein piezoelektrisches Wandlerelement 60 und eine Leiterplatte 70 auf. Zur elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements 60 ist das Wandlerelement 60 mittels Drähten 65 mit der Leiterplatte 70 verbunden.
4 zeigt in Form eines Flussdiagramms ein Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird wenigstens eine Farbschicht auf eine erste Werkzeugform, insbesondere auf eine äußere Oberfläche der ersten Werkzeugform, einer wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine aufgebracht. Insbesondere wird die Farbschicht hierbei auf einen Bodenbereich der ersten Werkzeugform aufgebracht. Darauf folgend wird in einem Verfahrensschritt 120 eine zweite Werkzeugform der wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine derart relativ zu der ersten Werkzeugform angeordnet oder positioniert, dass zwischen erster und zweiter Werkzeugform wenigstens eine Kavität erzeugt wird. Die Farbschicht ist hierbei innerhalb der Kavität angeordnet. In einem auf den Verfahrensschritt 120 folgenden Verfahrensschritt 130 wird ein Kunststoffmaterial in die Kavität der Harzinjektionsmaschine derart eingespritzt, dass ein Membrantopf mit einer Membran erzeugt wird und die Farbschicht in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs integriert wird. Insbesondere wird die Farbschicht hierbei in eine äußere Oberfläche der Membran, insbesondere eine Außenseite der Membran, des Membrantopfs integriert.
In einem auf den Verfahrensschritt 100 folgenden optionalen Verfahrensschritt 110 wird ein Fasermaterial, insbesondere eine Fasermatte, als Membran des Membrantopfs in die erste Werkzeugform eingebracht. Das Fasermaterial wird beim Einspritzen des Kunststoffmaterials in Verfahrensschritt 130 in dem Kunststoffmaterial eingebettet.
In einem auf den Verfahrensschritt 130 folgenden optionalen Verfahrensschritt 140 wird weiterhin eine Temperatur der ersten und/oder zweiten Werkzeugform zur Aushärtung des eingespritzten Kunststoffmaterials erhöht.
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

DE 102017202425 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Membrantopfs (1), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - Aufbringen (100) wenigstens einer Farbschicht (15) auf eine erste Werkzeugform (10), insbesondere auf eine äußere Oberfläche (20) der ersten Werkzeugform (10), einer wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine (5), und - Anordnen (120) einer zweiten Werkzeugform (25) der wenigstens zweiteiligen Harzinjektionsmaschine (5) derart relativ zu der ersten Werkzeugform (10), dass zwischen erster (10) und zweiter Werkzeugform (25) wenigstens eine Kavität (35) erzeugt wird, wobei die Farbschicht (15) innerhalb der Kavität (35) angeordnet ist, und - Einspritzen (130) eines Kunststoffmaterials in die Kavität (35) der Harzinjektionsmaschine (5) derart, dass ein Membrantopf (1) mit einer Membran (56) erzeugt wird und die Farbschicht (15) in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs (1) integriert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (15) zumindest teilweise an dem eingespritzten Kunststoffmaterial anliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (15) auf einen Bodenbereich der ersten Werkzeugform (10) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (15) in eine äußere Oberfläche der Membran (56), insbesondere einer Außenseite (55) der Membran (56), des Membrantopfs (1) integriert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt ein Fasermaterial (30), insbesondere eine Fasermatte, als Membran (56) des Membrantopfs (1) in die erste Werkzeugform (10) eingebracht wird (110), wobei das Fasermaterial (30) beim Einspritzen (130) des Kunststoffmaterials in dem Kunststoffmaterial eingebettet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (30) in der ersten Werkzeugform (10) zumindest teilweise mit der Farbschicht (15), insbesondere unmittelbar, verbunden wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (15) aus einem Gelcoat, insbesondere einem Kunstharz mit Farbpigmenten, ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschicht (15) mit dem Fasermaterial und/oder dem eingespritzten Kunststoffmaterial stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine Temperatur der ersten (10) und/oder zweiten Werkzeugform (25) zur Aushärtung des eingespritzten Kunststoffmaterials erhöht wird (140).
Membrantopf, insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Membrantopf (1) wenigstens eine Farbschicht (15), insbesondere ausgebildet aus einem Gelcoat, aufweist, wobei die Farbschicht (15) in eine äußere Oberfläche des Membrantopfs (1) integriert ist.
Membrantopf gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Membrantopf (1) eine Membran (56) aufweist, wobei die Farbschicht (15) in eine äußere Oberfläche der Membran (56), insbesondere eine Außenseite (55) der Membran (56), des Membrantopfs (1) integriert ist.
Schallwandler (2), aufweisend - einen Membrantopf (1) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, und - einem Wandlerelement (60), insbesondere einem piezoelektrischen Wandlerelement, und - einer Leiterplatte (60) zur elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements (60).