DE102021118145B4

DE102021118145B4 - Formgebungsanlage und Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Formgebungsteilen

Info

Publication number: DE102021118145B4
Application number: DE102021118145.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp SEINSCHE
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2041-07-15
Also published as: AT523520A4; DE102021118145A1; AT523520B1

Abstract

Formgebungsanlage (1) zum Herstellen von faserverstärkten Formgebungsteilen (F), mit:- einer Lagervorrichtung (2) zum Lagern von Halbzeugen (H),- einer Formgebungsmaschine (3) umfassend eine Schließeinheit (4) und einem in der Schließeinheit (4) montierten Formgebungswerkzeug (5), wobei im geschlossenen Formgebungswerkzeug (5) wenigstens eine Kavität (K) ausgebildet ist und die Kavität (K) von einer am Formgebungswerkzeug (5) ausgebildeten Formgebungsoberfläche (O) begrenzt ist,- einer Handhabungseinrichtung (6) zum Transportieren von Halbzeugen (H) aus der Lagervorrichtung (2) in das Formgebungswerkzeug (5) und- einer, von der Handhabungseinrichtung (6) separaten Haltevorrichtung (7) zum Halten des Halbzeugs (H) im Formgebungswerkzeug (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (7)- wenigstens einen die Kavität (K) begrenzenden und einen Kontaktbereich (B) aufweisenden Werkzeugeinsatz (8) - wobei der wenigstens eine Werkzeugeinsatz (8) als vom Formgebungswerkzeug (5) separates Bauteil ausgebildet ist und der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) zusammen mit der Formgebungsoberfläche (O) eine Gesamt-Kavitätswandung (C) bildetund- eine Verbindungsvorrichtung (9) aufweist, wobei der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) Kunststoff aufweist oder aus Metall besteht und die Verbindungsvorrichtung (9) als Heizeinrichtung (91) zum Aufheizen des an die Kavität (K) angrenzenden Kontaktbereichs (B) des Werkzeugeinsatzes (8) ausgebildet ist, sodass sich das in das Formgebungswerkzeug (5) eingelegte und sowohl am Kontaktbereich (B) als auch an der Formgebungsoberfläche (O) anliegende Halbzeug (H) mit dem aufgeheizten Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) verbindet und somit das Halbzeug (H) am wenigstens einen Werkzeugeinsatz (8) der Haltevorrichtung (7) hält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formgebungsanlage und ein Verfahren zum Herstellen von, insbesondere faserverstärkten, Formgebungsteilen, mit einer Lagervorrichtung zum Lagern von Halbzeugen, einer Formgebungsmaschine umfassend eine Schließeinheit und einem in der Schließeinheit montierten Formgebungswerkzeug, wobei im geschlossenen Formgebungswerkzeug wenigstens eine Kavität ausgebildet ist und die Kavität von einer am Formgebungswerkzeug ausgebildeten Formgebungsoberfläche begrenzt ist, einer Handhabungseinrichtung zum Transportieren von Halbzeugen aus der Lagervorrichtung in das Formgebungswerkzeug und einer, von der Handhabungseinrichtung separaten Haltevorrichtung zum Halten des Halbzeugs im Formgebungswerkzeug.
Das lokale Einbringen von, insbesondere flächigen oder folienartigen, Halbzeugen (z. B. in Form von unidirektional, faserverstärkten, thermoplastischen Tapes oder in Form von Dekorfolien) in ein vorrangig spritzgegossenes Bauteil kann sich - je nach Anwendungsfall - positiv auf die Bauteilperformance oder auch auf die Bauteilkosten auswirken. Auf diese Weise kann eine Struktur generiert werden, welche einerseits z. B. die Biegesteifigkeit des rein spritzgegossenen Bauteils bei gleichem Gewicht deutlich übertrifft oder andererseits bei gleicher Bauteilperformance das Gewicht, den notwendigen Materialeinsatz oder auch die Produktionszykluszeit aufgrund verringerter Wanddicken reduziert.
Die unidirektional, faserverstärkten, thermoplastischen Tapes können ähnlich wie auch Organobleche oder Cross-Plys ins Formgebungswerkzeug eingelegt und anschließend hinter- bzw. überspritzt werden, jedoch füllen die eingelegten Tapes nicht die finale Bauteildicke aus und können somit nicht durch das Formgebungswerkzeug geklemmt und entsprechend auf Positionen gehalten werden. Ohne eine sichere Fixierung des Halbzeuges im Formgebungswerkzeug kann sich dieses Halbzeug während der Schließbewegung des Formgebungswerkzeugs und anschließend während des Einspritzvorgangs verschieben und eine definierte und reproduzierbare Position des Halbzeuges im späteren Bauteil kann nicht garantiert werden.
Zur Fixierung von folienartigen Halbzeugen an der vorgesehenen Stelle im Formgebungswerkzeug existieren bereits verschiedene Ansätze:

So können die Folienhalbzeuge, beispielsweise wie in der Schrift US 6,328,549 B1 beschrieben, mittels Unterdruck gehalten werden. Dazu werden ins Formgebungswerkzeug dünne Schlitze, Bohrungen oder auch mikroporöse Einsätze (vgl. AT 518 882 B1 ) eingebracht, an denen dann ein Unterdruck herrscht, welcher das Halbzeug fixiert.

Des Weiteren können, wie in EP 3 216 578 A1 beschrieben, zur Fixierung Schiebersysteme zur Klemmung des Halbzeugs an der Werkzeugwand ins Formgebungswerkzeug integriert werden. Diese können so ausgeführt sein, dass sie sich in Anhängigkeit von der Schmelzefront entsprechend zurückziehen, damit keine Markierungen im Bauteil verbleiben.
Eine weitere Variante, welche beispielsweise in der EP 1 717 011 B1 beschrieben wird, ist die Verwendung einer Träger- bzw. Transferfolie, auf der das Tape in einem vorherigen Schritt aufgebracht wurde. Diese Trägerfolie fällt größer aus als das eigentliche Halbzeug, wodurch dieses dann durch das Formgebungswerkzeug in der Trennebene geklemmt werden kann.
Die DE 101 29 514 B4 beschreibt eine Lösung, bei welcher die gesamte Oberfläche der Werkzeugplattform während des Legeprozesess von Thermoplastbändchen beheizt wird. Hier ist aufwändig, dass eben die gesamte Oberfläche beheizt werden muss. Zudem kann es beim Lösen des lange an der Oberfläche anliegenden Thermoplastbändchens zu Beschädigungen kommen.
Zudem sind Lösungen mit elektrostatischer Aufladung, Spannrahmen oder auch durch Aufschieben des Tapes auf im Werkzeug integrierten Nadeln denkbar.
Die DE 10 2006 025 280 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, wobei ein Bündel einer Endlosfaser imprägniert und dieser Faser/Matrix-Strang mittels eines Handhabungsgerätes über eine Düse endkonturnah in eine temperierte Vorrichtung gelegt sowie konsolidiert wird.
Die zuvor beschriebenen Verfahren zur Fixierung von folienartigen Halbzeugen haben jedoch diverse verfahrenstechnische und ökonomische Nachteile.
Kleine, in die Kavität eingebrachte Schlitze und Bohrungen oder auch mikroporöse Werkzeugeinsätze, über die ein negatives Druckniveau ins Werkzeug eingebracht wird, haben sich beim Hinterspritzen von Dekorfolien etabliert. Eine solche Lösung ist jedoch nur möglich, wenn die zu verarbeitende Folie vollkommen vakuumdicht ist. Die Dichtigkeit kann z. B. bei Halbzeugen in Form von unidirektional faserverstärkten Tapes jedoch nicht garantiert werden. Das Material ist gerade bei sehr hohen Faservolumengehalten entlang der Faserorientierung recht brüchig und somit luftdurchlässig. Zudem besitzt das Tapematerial meist aufgrund der Aufwicklung auf Rollen eine leichte Krümmung, was das vollflächige Anlegen des Materials an die Werkzeugwand deutlich erschwert. Ein ausreichend hohes Vakuum zur sicheren Fixierung kann somit nicht ausreichend bzw. reproduzierbar generiert werden. Schlitze und Bohrungen bergen außerdem die Gefahr, dass diese mit der Zeit verstopfen können. Formwerkzeuge mit mikroporösen Einsätzen sind teuer und besitzen eine geringere Standzeit im Vergleich zu Formgebungswerkzeugen welche vollständig aus Stahl gefertigt wurden.
Zwei Arten von Schieberlösungen zur Fixierung des Halbzeugs durch Klemmung sind denkbar. Schieber, welche sich während des Einspritzvorgangs nicht zurückziehen und bis zur Entformung des Bauteils in Klemmposition verbleiben und Schieber, welche sich in Abhängigkeit von der Schmelzefront (meist druck- oder temperaturgesteuert) zurückziehen. Erstere Schiebervariante ist zwar aufgrund der nicht notwendigen Prozessüberwachung und wenig aufwändigen Mechanik kostengünstiger, hinterlassen jedoch im Klemmbereich nichtausgefüllte Stellen im Bauteil. Schieber, die sich in Abhängigkeit der Schmelzefront zurückziehen können, lösen zwar das oben genannte Problem, sind jedoch ungleich aufwändiger und damit auch kostenintensiver bei der Werkzeugfertigung. Zudem steigt der Wartungsaufwand aufgrund der größeren Anzahl beweglicher Teile im Formgebungswerkzeug.
Bei der Verwendung eines Spannrahmens ist es notwendig, dass das Halbzeug entsprechend größer als das eigentliche Bauteil ausfällt, da er außerhalb der Bauteilkavität eingespannt werden muss. Dies führt zwangsweise zu einem gewissen Verschnittanteil, der sich negativ auf die Produktkosten auswirkt. Zudem kann bei bestimmten Geometrien nicht gewährleistet werden, dass das Tape an der gewünschten Seite des Werkzeugs anliegt.
Bei der Nadeltechnik kann zwar ein endkonturnahes Halbzeug verarbeitet werden, jedoch wird dieses im Bereich der Nadeln lokal zerstört. Dies kann sich negativ sowohl auf die mechanische Performance als auch auf die Optik der Oberfläche des Bauteils auswirken. Zudem kann auch hier bei bestimmten Bauteilgeometrien nicht gewährleistet werden, dass sich das Tape an der gewünschten Seite des Formgebungswerkzeugs anliegt.
Die Verwendung von Trägerfolien, welche auch aus Magnetfolien ausgeführt sein können, setzt einen Vorbereitungsschritt voraus, bei dem das Tape auf die Trägerfolie gebracht wird. Zudem ist eine Trennung des späteren Bauteils und der Trägerfolie notwendig, was gegebenenfalls zu einem zusätzlichen Nachbearbeitungs- bzw. Handhabungsschritt führt.
Bei der Fixierung von Halbzeugen mithilfe von elektrostatischer Aufladung, muss eine zusätzliche Spannungsquelle an der Fertigungszelle platziert werden und zudem sind spezielle Schutzvorkehrungen für den Maschinenbediener vorzusehen.
Ein wesentlicher Nachteil, der auf alle oben genannten Einbring- und Fixiermethoden zutrifft, ist die Schwierigkeit, Halbzeuge beidseitig im Werkzeug einzubringen, um beispielsweise Sandwichstrukturen produzieren zu können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Formgebungsanlage bzw. ein verbessertes Verfahren zu schaffen. Insbesondere sollen die einleitend angeführten Nachteile zumindest teilweise behoben werden.
Dies wird durch eine Formgebungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Demnach ist erfindungsgemäß generell vorgesehen, dass die Haltevorrichtung wenigstens einen die Kavität begrenzenden und einen Kontaktbereich aufweisenden Werkzeugeinsatz und eine Verbindungsvorrichtung aufweist, wobei der wenigstens eine Werkzeugeinsatz als vom Formgebungswerkzeug separates Bauteil ausgebildet ist und der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes zusammen mit der Formgebungsoberfläche eine Gesamt-Kavitätswandung bildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Werkzeugeinsatz im oder am Formgebungswerkzeug befestigbar ist.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich des Werkzeugeinsatzes Kunststoff aufweist und die Verbindungsvorrichtung als Heizeinrichtung zum Aufheizen (und Aufschmelzen) des Kunststoffs des an die Kavität angrenzenden Kontaktbereichs des Werkzeugeinsatzes ausgebildet ist, sodass sich das in das Formgebungswerkzeug eingelegte Halbzeug mit dem aufgeschmolzenen Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes, vorzugsweise stoffschlüssig oder durch Adhäsion, verbindet und somit das Halbzeug am wenigstens einen Werkzeugeinsatz der Haltevorrichtung hält. Dadurch ist eine temporäre Verbindung (Fügung) gegeben, welche nur zum Halten bis zum Einspritzen oder Umspritzen dient. Es wird also die dem Halbzeug innewohnende Aufschmelz- und Verbindungsfähigkeit genutzt, um das Halbzeug direkt an einem ebenfalls aufschmelzbaren Werkzeugeinsatz zu halten. Die stoffschlüssige Verbindung des Halbzeugs mit dem Werkzeugeinsatz ist nur temporär für das Halten bis zum Zeitpunkt der Entformung notwendig.
Gemäß einer zweiten (alternativen oder zusätzlichen) Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich des Werkzeugeinsatzes aus Metall besteht und die Verbindungsvorrichtung als Heizeinrichtung zum Aufheizen des an die Kavität angrenzenden Kontaktbereichs des Werkzeugeinsatzes ausgebildet ist, sodass sich das in das Formgebungswerkzeug eingelegte und sowohl am Kontaktbereich als auch an der Formgebungsoberfläche anliegende Halbzeug mit dem aufgeheizten Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes durch Adhäsion verbindet und somit das Halbzeug am wenigstens einen Werkzeugeinsatz der Haltevorrichtung hält.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Handhabungseinrichtung kann als beliebige Transportvorrichtung ausgebildet sein, welche in der Lage ist, Halbzeuge aufzunehmen und zu bewegen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Handhabungseinrichtung als Handlingroboter mit einem Roboterarm und einer mit dem Roboterarm verbundenen Greifereinheit ausgebildet ist, wobei die Greifereinheit ein Basiselement und zumindest ein, am Basiselement angebrachtes Greifelement aufweist. Bevorzugt sind am Basiselement mehrere Greifelemente angeordnet.
Das wenigstens eine Greifelement kann als Greifzange oder als ein anderes, beliebiges Manipulationsgerät ausgebildet sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Greifelement als Vakuumsauger oder als Klemmelement ausgebildet ist.
An sich ist es möglich, dass die Heizeinrichtung direkt in das Formgebungswerkzeug integriert ist. Es ist auch möglich, dass die Heizeinrichtung über ein von der Handhabungseinrichtung separates Transportgerät (in Richtung Kontaktbereich) bewegbar ist. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Heizeinrichtung am Basiselement der Greifereinheit, vorzugsweise federnd gelagert, angebracht ist. Dadurch ist eine kompakte Ausführung gegeben. Sobald die Handhabungseinrichtung das Halbzeug an die gewünschte Stelle relativ zum Werkzeugeinsatz bewegt hat, ist die Heizeinrichtung auf den Kontaktbereich gerichtet und kann diesen Aufheizen und Aufschmelzen.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Heizeinrichtung auf den Werkzeugeinsatz gerichtet ist. Das heißt, es wird möglichst nur der Werkzeugeinsatz (oder ein Teil des Werkzeugeinsatzes) erhitzt. Dadurch ist ein energieeffizienter Betrieb möglich.
Wenn mehrere, voneinander beabstandete Werkzeugeinsätze vorgesehen sind, so ist bevorzugt vorgesehen, dass jedem Werkzeugeinsatz eine separate Heizquelle der Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung als Schweißstempel, als Laser, als Induktionsfelderzeugungsvorrichtung oder als Sonotrode ausgebildet ist.
Für einen ausreichenden Halt des Halbzeugs am Kontaktbereich ist es nicht notwendig, dass der gesamte Kontaktbereich aufgeheizt und aufgeschmolzen wird, sondern dass dies nur über kleine Teilbereiche erfolgt. Damit kann auch Energie gespart werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass mit der Heizeinrichtung wenigstens eine Fügefläche des Kontaktbereichs aufheizbar und aufschmelzbar ist, wobei die wenigstens eine Fügefläche maximal 15 mm², vorzugsweise von maximal 10 mm², groß ist. Wenn mehrere Fügeflächen vorhanden sind, ist bevorzugt vorgesehen, dass diese Fügeflächen regelmäßig voneinander beabstandet sind.
Um möglichst wenig Fläche aufheizen zu müssen und dennoch einen guten Halt zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes bzw. die Kontaktbereiche aller im oder am Formgebungswerkzeug angebrachten Werkzeugeinsätze eine Fläche von maximal 10 %, vorzugsweise von maximal 5 %, besonders bevorzugt zwischen 0,1 % und 3 %, der Gesamt-Kavitätswandung einnimmt bzw. einnehmen. Die restlichen Bereiche der Gesamt-Kavitätswandung werden durch die Formgebungsoberfläche des Formgebungswerkzeugs gebildet.
Das Ausmaß der Kontaktfläche kann auch in Bezug auf das zu haltenden Halbzeug definiert werden. Demnach ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes bzw. die Kontaktbereiche aller im oder am Formgebungswerkzeug angebrachten Werkzeugeinsätze eine Fläche von maximal 20 %, vorzugsweise von maximal 10 %, besonders bevorzugt zwischen 0,5 % und 5 %, der an der Gesamt-Kavitätswandung anliegenden Halbzeug-Oberfläche einnimmt bzw. einnehmen.
Es ist möglich, dass je nach Ausgestaltung des Halbzeugs und der Kavität nur ein Teilbereich des Halbzeugs an der Gesamt-Kavitätswandung anliegt bzw. diese kontaktiert. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Halbzeug vollflächig an der Gesamt-Kavitätswandung anliegt.
Wenn mehrere Werkzeugeinsätze mit jeweils einem Kontaktbereich vorgesehen sind, können alle Kontaktbereiche Kunststoff aufweisen oder alle Kontaktbereiche aus Metall bestehen. Es ist allerdings auch eine Mischvariante möglich. Kann (zumindest) ein Kontaktbereich Kunststoff aufweisen, während die anderen Kontaktbereiche aus Metall bestehen. Auch umgekehrt kann (zumindest) ein Kontaktbereich aus Metall bestehen, während die anderen Kontaktbereiche Kunststoff aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes teilweise aus Kunststoff und teilweise aus Metall besteht. So kann beispielsweise ein zentraler Bereich aus aufschmelzbarem Kunststoff bestehend und von einem ringförmigen Metallbereich umgeben sein. Bei dieser Ausgestaltung kann der Werkzeugeinsatz über den äußeren Metallbereich sicher im Formgebungswerkzeug befestigt werden.
Für ein schnelles Aufheizen (und gegebenenfalls Aufschmelzen) und Verbinden ist bevorzugt vorgesehen, dass mit der Heizeinrichtung der Kontaktbereich zumindest bereichsweise, vorzugsweise die wenigstens eine Fügefläche, auf eine Temperatur aufheizbar ist, welche mindestens 100 °K über der Glasübergangstemperatur eines amorphen Kunststoffs bzw. 100 °K über der Schmelztemperatur eines teilkristallinen Kunststoffs des Kontaktbereichs liegt.
Um einen Tausch des Werkzeugeinsatzes (bzw. der Werkzeugeinsätze) zu ermöglichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der wenigstens eine Werkzeugeinsatz mittels einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung in wenigstens einer im Formgebungswerkzeug ausgebildeten Aufnahme befestigbar ist.
Diese Bewegbarkeit des Werkzeugeinsatzes kann auch dazu genutzt werden, dass das Halbzeug bereits außerhalb des Formgebungswerkzeugs mit dem Werkzeugeinsatz verbunden wird. Erst dann wird der Werkzeugeinsatz - nun verbunden mit dem Halbzeug - in das Formgebungswerkzeug gebracht und darin befestigt.
Wie an sich bekannt, ist vorgesehen, dass die Formgebungsmaschine eine Einspritzeinheit zum Einspritzen von Kunststoff-Ausgangsmaterial in die wenigstens eine im geschlossenen Formgebungswerkzeug ausgebildete Kavität aufweist. Das Kunststoff-Ausgangsmaterial kann beispielsweise ein Kunststoffgranulat sein, welches in der Einspritzeinheit aufgeschmolzen wird.
Für die oben bereits angeführte zweite Variante, bei welcher der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes aus Metall besteht, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kontaktbereich eine rauere Oberfläche als die Formgebungsoberfläche hat.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich (über die gesamte Oberfläche des Werkzeugeinsatzes) eine Rauheit von 5 bis 100 µm (R_z-Wert), vorzugweise zwischen 20 und 50 µm, aufweist und die Formgebungsoberfläche (über die gesamte Oberfläche des Formgebungswerkzeugs) eine Rauheit zwischen 0,8 und 5 µm, vorzugsweise zwischen 1 und 3 µm, aufweist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der metallische Kontaktbereich eine strukturierte Oberfläche aufweist. Diese strukturierte Oberfläche kann durch Ätzen erzeugt. Bevorzugt ist die Oberfläche laserstrukturiert. Durch diese strukturierte, vorzugsweise laserstrukturierte, Oberfläche werden Mikro-Hinterschnitte erzielt. Wenn also das Halbzeug an diese aufgeheizte, strukturiere Oberfläche des Kontaktbereichs gedrückt wird, wird das Halbzeug oberflächlich angeschmolzen und dringt in die Poren bzw. Hinterschnitte ein, wodurch zumindest bereichsweise eine mechanische Adhäsion erzielt wird. Das Halbzeug hält somit an diesem metallischen Kontaktbereich.
Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Formgebungsmaschine einen Auswerfer aufweist, wobei das aus dem ausgehärteten Kunststoff-Ausgangsmaterial und dem Halbzeug entstandene Formgebungsteil durch den Auswerfer aus der Kavität auswerfbar ist.
Schutz wird auch begehrt für ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 13, insbesondere in einer Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12. Demnach sind zunächst folgende Schritte vorgesehen:

- Entnehmen von Halbzeugen aus einer Lagervorrichtung mit einer Handhabungsvorrichtung,
- Transportieren von Halbzeugen aus der Lagervorrichtung in ein in einer Schließeinheit einer Formgebungsmaschine montiertes Formgebungswerkzeug, wobei im geschlossenen Formgebungswerkzeug wenigstens eine Kavität ausgebildet ist und die Kavität von einer am Formgebungswerkzeug ausgebildeten Formgebungsoberfläche begrenzt ist, und
- Halten des Halbzeugs im Formgebungswerkzeug mit einer, von der Handhabungseinrichtung separaten Haltevorrichtung.

Weiters ist der Schritt Verbinden des Halbzeugs über eine Verbindungsvorrichtung der Haltevorrichtung mit wenigstens einem die Kavität begrenzenden und einen Kontaktbereich aufweisenden Werkzeugeinsatz der Haltevorrichtung vorgesehen, wobei der wenigstens eine Werkzeugeinsatz als vom Formgebungswerkzeug separates Bauteil ausgebildet ist und der Kontaktbereich des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes zusammen mit der Formgebungsoberfläche eine Gesamt-Kavitätswandung bildet. Dabei ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich des Werkzeugeinsatzes Kunststoff aufweist oder aus Metall besteht und die Verbindungsvorrichtung als Heizeinrichtung zum Aufheizen (und gegebenenfalls Aufschmelzen) des die Kavität begrenzenden Kontaktbereichs des Werkzeugeinsatzes ausgebildet ist, wobei durch die Schritte

i. Anlegen, vorzugsweise Andrücken, des Halbzeugs an den Kontaktbereich,
ii. Aufheizen, und gegebenenfalls Aufschmelzen, des Kontaktbereichs und
iii. Verbinden, vorzugsweise stoffschlüssig oder durch Adhäsion, des Kontaktbereichs mit dem Halbzeug

Um einen guten und schnellen Halt zwischen den Schweißpartnern zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Polymer des Kunststoffs des Kontaktbereichs mit dem Polymer des Halbzeugs schweißbar ist.
Die vorwiegend zum Einsatz kommenden Kunststoffe bzw. Polymere (sowohl für den Kunststoff des Kontaktbereichs als auch für das Halbzeug) sind im Folgenden aufgelistet: PA (Polyamide), PE (Polyethylene), PP (Polypropylene), PC (Polycarbonate), PPS (Polyphenylensulfide), PEEK, (Polyetheretherketone), PAEK (Polyarylehterketone).
Wie bereits oben beschrieben, kann das Halbzeug außerhalb des Formgebungswerkzeugs mit dem Werkzeugeinsatz verbunden werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Werkzeugeinsatz im Formgebungswerkzeug angeordnet ist, wenn das Halbzeug mit dem Kontaktbereich des Werkzeugeinsatzes verbunden wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch - mit teils anderen Worten - wie folgt beschrieben werden:

Um einen verbesserten Stand der Technik erreichen zu können, werden in der Formgebungsanlage und im Verfahren die Halbzeuge - vorzugsweise thermoplastische, faserverstärkte Tapes oder Dekorfolien - lokal mit im Formgebungswerkzeug eingelassenen polymeren Einsätzen temporär stoffschlüssig verschweißt und somit fixiert.

Die notwendige Schweißenergie kann dabei auf verschiedene Arten in die Fügezone (Kontaktbereich) eingebracht werden. Denkbar sind optische Verfahren wie Laser, Ultraschallverfahren mit Sonotroden und auch das Punktkontaktschweißen mit heißen Stempeln. Letzteres hat sich bei der Verarbeitung von faserverstärkten Tapes als sehr faserschonend herausgestellt und bedarf keiner zusätzlichen Schutzvorkehrungen wie beispielsweise beim Laser. Mit einer Verschweißung ist es vergleichsweise einfach möglich, die thermoplastischen Halbzeuge sicher innerhalb des Formgebungswerkzeugs zu positionieren.
Ein großer Vorteil ist zudem, dass die Halbzeuge auf diese Weise auch beidseitig, also auf der A- und der B-Seite des Formgebungswerkzeugs angebracht und so Sandwichstrukturen realisiert werden können. Für die Fixierung des Halbzeugs im Formgebungswerkzeug sind nur sehr geringe Haltekräfte und somit nur sehr kleine Schweißpunkte notwendig. Dieser sehr kleine Schweißpunkt wird zwangsläufig auf dem Bauteil erkennbar sein. Da jedoch eine Fixierung idealerweise angussnah stattfinden sollte und der Anguss ohnehin meist außerhalb des Sichtbereichs liegt, kommt dieser Nachteil nicht bzw. kaum zum Tragen.
Teure Schieberlösungen sind bei diesem Verfahren nicht notwendig. Es müssen lediglich Werkzeugeinsätze - ähnlich wie Schrifteinsätze (beispielsweise für das Datum) - welche aus einem mit der Halbzeugmatrix verschweißbaren Kunststoff bestehen, ins Formgebungswerkzeug eingebracht werden. Dadurch liegen die Kosten für ein solches Formgebungswerkzeug im ähnlichen Bereich eines Spritzgießwerkzeugs, mit dem Bauteile ohne lokale Tapeverstärkung produziert werden. In gewissen Fällen sind sogar bestehende Formgebungswerkzeuge auf dieses Verfahren anpassbar.
Bei diesem Verfahren sind Halbzeuge, welche der späteren Endkontur entsprechen, verarbeitbar. Spezielle zusätzliche Bereiche zur Klemmung im Werkzeug sind nicht notwendig, was den Verschnittanteil auf ein Minimum reduziert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch eine Formgebungsanlage,
2a-2d schematisch einzelne Verfahrensschritte bei der Herstellung des faserverstärkten Formgebungsteils,
3a-3d schematisch die Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Formgebungsteils mit Sandwichstruktur,
4a+4b im Schnitt Detailansichten des Werkzeugeinsatzes aus Metall,
5a+5b im Längsschnitt zwei unterschiedliche Stellungen der Niederhalter gegenübergestellt und
5c einen Querschnitt durch den Heizstempel und den Niederhalter.

In 1 ist schematisch eine Formgebungsanlage 1 dargestellt. Diese Formgebungsanlage 1 weist eine Formgebungsmaschine 3 auf, wobei diese Formgebungsmaschine 3 eine Schließeinheit 4 und eine Einspritzeinheit 11 aufweist, welche jeweils an einem Maschinenrahmen 13 der Formgebungsmaschine 1 angebracht sind.
Die Einspritzeinheit 11 umfasst einen Einfülltrichter 14, einen Einspritzzylinder 15, eine im Einspritzzylinder 15 drehbar gelagerte Einspritzschnecke (nicht dargestellt) und eine Antriebseinheit 16 für die Einspritzschnecke.
Die Schließeinheit 4 weist eine feststehende Formaufspannplatte 17, eine bewegbare Formaufspannplatte 18 und eine Antriebsvorrichtung 19 (z. B. einen Kniehebelmechanismus) für die bewegbare Formaufspannplatte 18 auf.
Die gesamte Schließeinheit 4 kann auch als Vertikalmaschine ausgebildet sein.
Die Formgebungsmaschine 3 kann auch als Zwei-Platten-Maschine ausgebildet sein.
An den Formaufspannplatten 17 und 18 ist jeweils eine Formhälfte eines Formgebungswerkzeugs 5 montiert. Im Formgebungswerkzeug 5 ist wenigstens eine Kavität K ausgebildet (strichliert angedeutet).
Im Bereich der feststehenden Formaufspannplatte 17 ist eine Lagervorrichtung 2 für Halbzeuge H angeordnet. Die Lagervorrichtung 2 kann aber auch beabstandet zur Formgebungsmaschine 3 angeordnet sein oder an einer anderen Stelle der Formgebungsmaschine 3 (zum Beispiel am Maschinenrahmen 13) montiert sein. Die Formgebungsanlage 1 weist neben der Formgebungsmaschine 3 und der Lagervorrichtung 2 auch eine Handhabungseinrichtung 6 auf. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Handhabungseinrichtung 6 an der feststehenden Formaufspannplatte 17 montiert, kann aber auch an einer anderen Position angebracht sein oder beabstandet zur Formgebungsmaschine 3 angeordnet sein.
Die Handhabungseinrichtung 6 ist als Handlingroboter ausgebildet und weist einen Roboterarm 61 (mit mehreren Teilarmen) und eine Greifereinheit 62 auf. Die Greifereinheit 62 wiederum umfasst ein Basiselement 63 und am Basiselement 63 angebrachte Greifelemente 64. Die Greifelemente 64 sind im dargestellten Fall als Vakuumsauger ausgebildet und Halten ein Halbzeug H.
Am Basiselement 63 sind zudem (in diesem Fall drei) Verbindungsvorrichtungen 9 angebracht, welche als Heizeinrichtungen ausgebildet sind.
Die Formgebungsanlage 1 umfasst auch eine Bedieneinheit 20. Diese Bedieneinheit 20 weist eine Steuer- oder Regeleinheit auf. Mit dieser Steuer- oder Regeleinheit können Bewegungen und sonstige Funktionen der Formgebungsmaschine 3 gesteuert oder geregelt werden. Zudem kann mit dieser Steuer- oder Regeleinheit auch die Temperatur der Heizeinrichtung(en) gesteuert oder geregelt werden.
2a zeigt schematisch die Greifereinheit 62 bestehend aus Basiselement 63 und den Greifelementen 64 (Vakuumsauger). Am Basiselement 63 sind auch die Verbindungsvorrichtungen 9 in Form von Heizeinrichtungen 91 angeordnet. Die einzelnen Schweißstempel 93 der Heizeinrichtungen 91 sind über die Feder 94 federnd am Basiselement 63 gelagert. Die Greifereinheit 62 ist in 2a gerade dabei, über die Greifelemente 64 ein Halbzeug H aus der Lagervorrichtung 2 aufzunehmen.
In 2b wird das Halbzeug H von den Greifelementen 64 gehalten. Die Greifereinheit 62 der Handhabungseinrichtung 6 hat sich mitsamt des Halbzeugs H in einen Bereich zwischen den Formhälften des geöffneten Formgebungswerkzeugs 5 bewegt. Das Halbzeug H wird gegen die Gesamt-Kavitätswandung C gedrückt. In den im Formgebungswerkzeug 5 ausgebildeten Aufnahmen 10 sind jeweils Werkzeugeinsätze 8 angeordnet. Diese Werkzeugeinsätze 8 weisen jeweils einen in Richtung Halbzeug H weisenden Kontaktbereich B auf. Der Kontaktbereich B bzw. die Kontaktbereiche B bilden zusammen mit der Formgebungsoberfläche O die Gesamt-Kavitätswandung C. Die Schweißstempel 93 der Heizeinrichtungen 91 werden gegen das Halbzeug H gedrückt und korrespondierend zu den Werkzeugeinsätzen 8 angeordnet. Durch die Heizeinrichtungen 8 wird der Kunststoff des Kontaktbereichs B und zumindest bereichsweise der Kunststoff des Halbzeugs H aufgeheizt und aufgeschmolzen, sodass sich das in das Formgebungswerkzeug 5 eingelegte Halbzeug H mit dem aufgeschmolzenen Kontaktbereich B des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes 8 stoffschlüssig verbindet und somit das Halbzeug H am wenigstens einen Werkzeugeinsatz 8 der Haltevorrichtung 7 hält. Somit kann die Greifereinheit 62 das Halbzeug H loslassen und das Halbzeug H hält dennoch an den Werkzeugeinsätzen 8 der Haltevorrichtung 7. Mithin bilden die Werkzeugeinsätze 8 zusammen mit den Verbindungsvorrichtungen 9 die Haltevorrichtung 7 für das Halbzeug H.
In 2c wurde die Greifereinheit 62 aus dem Bereich zwischen den geöffneten Formhälften des Formgebungswerkzeugs 5 hinausbewegt und ist nicht mehr dargestellt. Das Formgebungswerkzeug 5 ist geschlossen. Das Kunststoff-Ausgangsmaterial P wird in die Kavität K eingespritzt, in welcher bereits das über die Haltevorrichtung 7 gehaltene Halbzeug H angeordnet ist.
In 2d wurde das Formgebungswerkzeug 5 wieder geöffnet. Das Halbzeug H hat sich zusammen mit dem eingespritzten Kunststoff-Ausgangsmaterial P zum, insbesondere faserverstärkten, Formgebungsteil F ausgehärtet. Über den Auswerfer 12 wird das faserverstärkten Formgebungsteil F ausgeworfen bzw. entformt.
In den 3a bis 3d ist ein Ausführungsbeispiel für das beidseitige Einlegen von Tapes (Halbzeugen H) zum Erzeugen einer Sandwichstruktur dargestellt.
3a entspricht der 2a.
In 3b wird gerade das Halbzeug H über die Greifereinheit 62 an der linken Formhälfte des Formgebungswerkzeugs 5 angebracht. Im Bereich der rechten Formhälfte des Formgebungswerkzeugs 5 ist ersichtlich, dass an den dortigen Werkzeugeinsätzen 8 bereits ein Halbzeug H gehalten ist.
In 3c hat sich die Greifereinheit 62 hinausbewegt, das Formgebungswerkzeug 5 ist geschlossen und Kunststoff-Ausgangsmaterial P wird in die Kavität K zwischen die Halbzeuge H eingespritzt.
In 3d wird das faserverstärkte Formgebungsteil F (bestehend aus zwei Halbzeugen H und ausgehärtetem Kunststoff-Ausgangsmaterial P) durch den Auswerfer 12 ausgeworfen.
In 4a ist ein Werkzeugeinsatz 8 aus Metall in einer Aufnahme 10 des Formgebungswerkzeugs 5 angeordnet bzw. befestigt. Dieser Werkzeugeinsatz 8 aus Metall weist im Kontaktbereich B eine strukturierte, vorzugsweise laserstrukturierte, Oberfläche 92 auf. Im vergrößerten Detail ist erkennbar, dass diese strukturierte Oberfläche 92 relativ rau ausgebildet ist und zahlreiche Vertiefungen (teilweise mit Hinterschnitten) aufweist.
4b zeigt denselben Schnitt und dieselbe Vergrößerung wie 4a, wobei nun auch ein Teil des Halbzeugs H und ein Teil Heizeinrichtung (in diesem Fall der Schweißstempels 93) dargestellt sind. Durch die Heizeinrichtung wurde der metallische Kontaktbereich B aufgeheizt, wodurch auch der an diesem Kontaktbereich B anliegende Bereich des Halbzeugs H aufgeschmolzen ist. Dieser geschmolzene bzw. verflüssigte Bereich des Halbzeugs H dringt in die strukturierte Oberfläche 92 ein. Dadurch ist eine mechanische Adhäsion zwischen Halbzeug H und Werkzeugeinsatz 8 gegeben.
In 4b ist auch erkennbar, dass das Halbzeug H vollflächig an der Gesamt-Kavitätswandung C anliegt.
In 5a ist die Greifereinheit 62 in derselben Stellung wie in 2a dargestellt. Das heißt, die Greifereinheit 62 drückt das Halbzeug H gegen die Gesamt-Kavitätswandung C. Die Spitzen der Schweißstempel 92 kontaktieren das Halbzeug H und drücken dieses gegen die Werkzeugeinsätze 8. Am Basiselement 63 sind auch - korrespondierend zu jedem Schweißstempel 93 - Niederhalter 95 angeordnet. Diese Niederhalter 95 weisen einen Anlagering 96 und federnde Elemente 97 auf. In der in 5a dargestellten Stellung sind die federnden Elemente 97 gespannt bzw. komprimiert.
Dagegen hat sich in 5b das Basiselement 63 bereits geringfügig von den Werkzeugeinsätzen 8 entfernt. Die Schweißstempel 92 kontaktieren das Halbzeug H nicht mehr. Die federnden Elemente 97 haben sich aber bereits (zumindest teilweise) entspannt und drücken über die Anlageringe 96 weiterhin das Halbzeug H gegen die Kontaktbereiche B der Werkzeugeinsätze 8. Dadurch wird - nachdem sich die Greifelemente 64 und die Schweißstempel 93 bereits vom Halbzeug H gelöst haben - das Halbzeug H weiterhin niedergehalten bzw. angedrückt. Dieses Niederhalten dauert nur kurzzeitig, z. B. 0,2 Sekunden bis 3 Sekunden, vorzugweise etwa eine halbe Sekunde. Dies reicht aus, dass eine (stoffschlüssige oder adhäsive) Verbindung zwischen dem Halbzeug H und den Werkzeugeinsätzen 8 gegeben ist, welche das Halbzeug H so lange im Formgebungswerkzeug 5 hält, bis das Einspritzen erfolgt.
Die in 5a eingezeichnete strichpunktierte Linie entspricht dem in 5c dargestellten Querschnitt. Der Anlagering 96 und die federnden Elemente 97 des Niederhalters 95 sind erkennbar. Der Anlagering 96 umgibt den Schweißstempel 93.
Im Folgenden wird die Formgebungsanlage 1 und das Verfahren in teilweise anderen Worten, aber dennoch mit Bezug auf die oben erläuterten Figuren, nochmals beschrieben:

In einem Halbzeugspeicher (Lagervorrichtung 2), positioniert in der Nähe der Schließeinheit 4 einer Spritzgießmaschine (Formgebungsmaschine 3) liegen geometrisch definierte Halbzeuge H bereit. Mit einer Handhabungseinrichtung 6, welche mit mindestens einer Greifereinheit 62 und mindestens mit einer Schweißeinheit (Verbindungsvorrichtung 9) ausgestattet ist, werden die Halbzeuge H aus dem Halbzeugspeicher aufgenommen und zur gewünschten Position im Spritzgießwerkzeug (Formgebungswerkzeug 5) gebracht.

Die Handhabungseinrichtung 6 ist so ausgelegt, dass sich die Schweißeinheit bei Erreichen der Einlegeposition direkt gegenüber des (zumindest im Kontaktbereich B thermoplastischen) Werkzeugeinsatzes 8 befindet. Durch Andrücken der mindestens einen Schweißeinheit (Verbindungsvorrichtung 9) an die Werkzeugoberfläche wird das Halbzeug H mit dem polymeren Kontaktbereich B des Werkzeugeinsatzes 8 verschweißt. Die Schweißeinheit sollte Temperaturen von vorzugsweise mindestens 100 °K über der Glasübergangstemperatur erreichen können.
Nach dem Schweißvorgang kann die Greifereinheit 62 deaktiviert und die Handhabungseinrichtung 6 aus dem Werkzeugbereich herausgefahren werden, um aus dem Halbzeugspeicher ein neues Halbzeug H zu entnehmen.
Nachdem das Formgebungswerkzeug 5 geschlossen wurde, folgt ein konventioneller Spritzgießprozess.
Nach der Kühlzeit öffnet das Formgebungswerkzeug 5 und das Bauteil (faserverstärktes Formgebungsteil F) kann mithilfe der Fortsätze des Auswerfers 12, welche vorzugsweise in der Nähe der Werkzeugeinsätze 8 angeordnet sind, entformt werden.
Aufgrund der kleinen Fläche der Schweißpunkte, welche bevorzugt eine Fläche von 12 mm², besonders bevorzugt eine Fläche von weniger als 10 mm², haben sollten, sind nur sehr geringe Kräfte zum Lösen der noch vorherrschenden stoffschlüssigen Verbindung zwischen Halbzeug H und Werkzeugwand notwendig.
Zusätzlich (oder alternativ) ist es möglich, dass zur Vereinfachung des Lösens der Schweißverbindung die Werkzeugeinsätze 8 translatorisch oder auch rotatorisch in deren Aufnahme 10 verschiebbar sind und über eine entsprechende Antriebseinheit wie beispielsweise Kernzüge oder auch Motoren beim Auswerfvorgang bewegt werden.
Die (zumindest teilweise polymeren und/oder metallenen) Werkzeugeinsätze 8 sind demontierbar und können entweder von hinten in das Formgebungswerkzeug 5 über eine Schraubverbindung eingeschraubt oder von vorne bzw. hinten eingeschoben und mit einer Stiftsicherung fixiert werden. Wichtig dabei ist, dass das Polymer des Werkzeugeinsatzes 8 mit dem Polymer des zu verarbeitenden Halbzeugs H thermisch verschweißbar ist.
Für den Fall, dass eine Sandwichstruktur hergestellt werden soll, also dass eine Tapeverstärkung auf beiden Seiten des Bauteils vorliegt, muss der oben genannte Vorgang entsprechend auf der anderen Werkzeughälfte wiederholt werden. Durch den Einsatz geeigneter Übernahmeköpfe zur Aufnahme gleich beider Halbzeuge H aus den Halbzeugspeichern kann der Einlegeprozess deutlich verkürzt werden.
Bei stärker gekrümmten Bauteilgeometrien ist zur Vorformung des Tapes (Halbzeug H) eine Stichmaßveränderung an der Handhabungseinrichtung 6 oder auch ein Halbzeugspeicher, welcher bereits vorgeformte Halbzeuge H beinhaltet, möglich. Für den Fall, dass mehrere Schweißpunkte und damit Schweißeinheiten zur Fixierung des Halbzeugs H notwendig sind, ist eine gefederte Lagerung (Feder 94) der Schweißeinheit (Heizeinrichtung 91) vorzusehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jede Schweißeinheit das Halbzeug H mit der Werkzeugwand in Kontakt bringen und somit eine ausreichende Verschweißung stattfinden kann. An der Handhabungseinrichtung 6 angebrachte Niederhalter, welche nach Abrücken der Schweißstempel 93 von der Fügestelle (Kontaktbereich B) noch eine kurze Zeit länger das thermoplastische Halbzeug H gegen die Werkzeugwand drücken, sind gerade bei sehr klebrigen oder gewölbten Materialien vorzusehen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass sich das Halbzeug H nach dem Abrücken des Schweißstempels 93 wieder vom polymeren Werkzeugeinsatz 8 löst. Diese Niederhalter sollten sich bevorzugt unmittelbar in der Nähe des Schweißpunktes befinden und besonders bevorzugt ringförmig um den Schweißstempel 93 angeordnet sein. Es ist möglich, dass die Schweißstempel 93 eine Antihaftbeschichtung aufweisen.
In dem oben beschriebenen Verfahren wird eine Handhabungseinrichtung 6 beschrieben, die sowohl die Greiferelemente 64 als auch die Schweißelemente (Verbindungsvorrichtungen 9) beinhaltet. Bei gewissen Anwendungen ist es jedoch auch denkbar, dass diese Funktionen auf zwei unterschiedliche Handhabungseinrichtungen aufgeteilt werden.
Das Halbzeug H kann als thermoplastische Folie ausgebildet sein, welche bestimmte Füllstoffe (z. B. Faserverstärkungen) enthält.
Die Werkzeugeinsätze 8 können durch Verschraubung oder einen Steckmechanismus wechselbar sein.
Für eine gewölbte Geometrie ist es möglich, eine Stichmaßänderung am Greiferkopf zum Vorformen der Tapes vorzusehen. Für gewölbte Geometrien kann aber auch der Halbzeugspeicher (Lagervorrichtung 2) so ausgeführt sein, dass die Halbzeuge H in einem vorgeformten Zustand bereit liegen.
Abschließend sei noch angeführt, dass die Temperatur der Heizeinrichtung geregelt werden kann, um ein möglichst zeitsparendes Verfahren zu erreichen.
Bezugszeichenliste:

1: Formgebungsanlage
2: Lagervorrichtung
3: Formgebungsmaschine
4: Schließeinheit
5: Formgebungswerkzeug
6: Handhabungseinrichtung
61: Roboterarm
62: Greifereinheit
63: Basiselement
64: Greifelement
7: Haltevorrichtung
8: Werkzeugeinsatz
9: Verbindungsvorrichtung
91: Heizeinrichtung
92: strukturierte Oberfläche
93: Schweißstempel
94: Feder
95: Niederhalter
96: Anlagering
97: federnde Elemente
10: Aufnahme
11: Einspritzeinheit
12: Auswerfer
13: Maschinenrahmen
14: Einfülltrichter
15: Einspritzzylinder
16: Antriebseinheit
17: feststehende Formaufspannplatte
18: bewegbare Formaufspannplatte
19: Antriebsvorrichtung
20: Bedieneinheit
F: Formgebungsteil
H: Halbzeuge
K: Kavität
B: Kontaktbereich
P: Kunststoff-Ausgangsmaterial
O: Formgebungsoberfläche
C: Gesamt-Kavitätswandung

Claims

Formgebungsanlage (1) zum Herstellen von faserverstärkten Formgebungsteilen (F), mit: - einer Lagervorrichtung (2) zum Lagern von Halbzeugen (H), - einer Formgebungsmaschine (3) umfassend eine Schließeinheit (4) und einem in der Schließeinheit (4) montierten Formgebungswerkzeug (5), wobei im geschlossenen Formgebungswerkzeug (5) wenigstens eine Kavität (K) ausgebildet ist und die Kavität (K) von einer am Formgebungswerkzeug (5) ausgebildeten Formgebungsoberfläche (O) begrenzt ist, - einer Handhabungseinrichtung (6) zum Transportieren von Halbzeugen (H) aus der Lagervorrichtung (2) in das Formgebungswerkzeug (5) und - einer, von der Handhabungseinrichtung (6) separaten Haltevorrichtung (7) zum Halten des Halbzeugs (H) im Formgebungswerkzeug (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (7) - wenigstens einen die Kavität (K) begrenzenden und einen Kontaktbereich (B) aufweisenden Werkzeugeinsatz (8) - wobei der wenigstens eine Werkzeugeinsatz (8) als vom Formgebungswerkzeug (5) separates Bauteil ausgebildet ist und der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) zusammen mit der Formgebungsoberfläche (O) eine Gesamt-Kavitätswandung (C) bildet und - eine Verbindungsvorrichtung (9) aufweist, wobei der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) Kunststoff aufweist oder aus Metall besteht und die Verbindungsvorrichtung (9) als Heizeinrichtung (91) zum Aufheizen des an die Kavität (K) angrenzenden Kontaktbereichs (B) des Werkzeugeinsatzes (8) ausgebildet ist, sodass sich das in das Formgebungswerkzeug (5) eingelegte und sowohl am Kontaktbereich (B) als auch an der Formgebungsoberfläche (O) anliegende Halbzeug (H) mit dem aufgeheizten Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) verbindet und somit das Halbzeug (H) am wenigstens einen Werkzeugeinsatz (8) der Haltevorrichtung (7) hält.
Formgebungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (6) als Handlingroboter mit einem Roboterarm (61) und einer mit dem Roboterarm (61) verbundenen Greifereinheit (62) ausgebildet ist, wobei die Greifereinheit (62) ein Basiselement (63) und zumindest ein, am Basiselement (63) angebrachtes Greifelement (64) aufweist.
Formgebungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifelement (64) als Vakuumsauger oder als Klemmelement ausgebildet ist.
Formgebungsanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, die Heizeinrichtung (91) am Basiselement (63) der Greifereinheit (62) angebracht ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (91) als Schweißstempel, als Laser oder als Sonotrode ausgebildet ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Heizeinrichtung (91) wenigstens eine Fügefläche des Kontaktbereichs (B) aufheizbar und aufschmelzbar ist, wobei die wenigstens eine Fügefläche maximal 15 mm² groß ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) eine Fläche von maximal 10 % der Gesamt-Kavitätswandung (C) einnimmt.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) eine Fläche von maximal 20 % der an der Gesamt-Kavitätswandung (C) anliegenden Oberfläche des Halbzeugs (H) einnimmt.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Heizeinrichtung (91) der Kontaktbereich (B) zumindest bereichsweise auf eine Temperatur aufheizbar ist, welche mindestens 100 °K über der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs des Kontaktbereichs (B) liegt.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Werkzeugeinsatz (8) mittels einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung in wenigstens einer im Formgebungswerkzeug (5) ausgebildeten Aufnahme (10) befestigbar ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungsmaschine (3) eine Einspritzeinheit (11) zum Einspritzen von Kunststoff-Ausgangsmaterial (P) in die wenigstens eine im geschlossenen Formgebungswerkzeug (5) ausgebildete Kavität (K) aufweist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungsmaschine (3) einen Auswerfer (12) aufweist, wobei das aus dem ausgehärteten Kunststoff-Ausgangsmaterial (P) und dem Halbzeug (H) entstandene Formgebungsteil (F) durch den Auswerfer (12) aus der Kavität (K) auswerfbar ist.
Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Formgebungsteilen (F) in einer Formgebungsanlage (1) mit den Schritten: - Entnehmen von Halbzeugen (H) aus einer Lagervorrichtung (2) mit einer Handhabungsvorrichtung (6), - Transportieren von Halbzeugen (H) aus der Lagervorrichtung (2) in ein in einer Schließeinheit (4) einer Formgebungsmaschine (3) montiertes Formgebungswerkzeug (5), wobei im geschlossenen Formgebungswerkzeug (5) wenigstens eine Kavität (K) ausgebildet ist und die Kavität (K) von einer am Formgebungswerkzeug (5) ausgebildeten Formgebungsoberfläche (O) begrenzt ist, und - Halten des Halbzeugs (H) im Formgebungswerkzeug (5) mit einer, von der Handhabungseinrichtung (6) separaten Haltevorrichtung (7), gekennzeichnet durch die Schritte: - Verbinden des Halbzeugs (H) über eine Verbindungsvorrichtung (9) der Haltevorrichtung (7) mit wenigstens einem an die Kavität (K) angrenzenden und einen Kontaktbereich (B) aufweisenden Werkzeugeinsatz (8) der Haltevorrichtung (7), wobei der wenigstens eine Werkzeugeinsatz (8) als vom Formgebungswerkzeug (5) separates Bauteil ausgebildet ist und der Kontaktbereich (B) des wenigstens einen Werkzeugeinsatzes (8) zusammen mit der Formgebungsoberfläche (O) eine Gesamt-Kavitätswandung (C) bildet, wobei der Kontaktbereich (B) des Werkzeugeinsatzes (5) Kunststoff aufweist oder aus Metall besteht und die Verbindungsvorrichtung (9) als Heizeinrichtung (91) zum Aufheizen des die Kavität (K) begrenzenden Kontaktbereichs (B) des Werkzeugeinsatzes (8) ausgebildet ist, wobei durch die Schritte i. Anlegen des Halbzeugs (H) an den Kontaktbereich (B), ii. Aufheizen, und gegebenenfalls Aufschmelzen, des Kontaktbereichs (B) und iii. Verbinden des Kontaktbereichs (B) mit dem Halbzeug (H) das Halbzeug (H) am wenigstens einen Werkzeugeinsatz (8) der Haltevorrichtung (7) hält.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer des Kunststoffs des Kontaktbereichs (B) mit dem Polymer des Halbzeugs (H) schweißbar ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugeinsatz (8) im Formgebungswerkzeug (5) angeordnet ist, wenn das Halbzeug (H) mit dem Kontaktbereich (B) des Werkzeugeinsatzes (5) verbunden wird.