DE102022101045A1

DE102022101045A1 - Verfahren zur Herstellung einer Formvorrichtung, Formvorrichtung, Produktionsverfahren sowie Herstellvorrichtung

Info

Publication number: DE102022101045A1
Application number: DE102022101045.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bettermann
Original assignee: Innocast GmbH
Current assignee: Innocast GmbH
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung einer Formvorrichtung (1) zum Abformen eines Produktes (2), umfassend: Herstellen (101) einer Grundform (10) für die Formvorrichtung (1) mit einer Negativform (11) zur Definition einer Produktkontur (2.1) des Produktes (2). Ferner betrifft die Erfindung eine Formvorrichtung (1), ein Produktionsverfahren (200), sowie eine Herstellvorrichtung (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Formvorrichtung zum Abformen eines Produktes, eine Formvorrichtung, ein Produktionsverfahren, sowie eine Herstellvorrichtung.
Zur Produktion von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, wie zum Beispiel Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), werden in der Regel Formvorrichtungen mit Negativformen der zu produzierenden Bauteile benötigt, die ihrerseits separat hergestellt werden.
Insbesondere zur Produktion von Prototypen oder Kleinserien werden zur Fertigung der Formvorrichtungen üblicherweise Platten aus Kunststoff verwendet, die mit Hilfe einer CNC Fräsmaschine bearbeitet werden, um für den nachfolgenden Produktionsprozess eine möglichst glatte Oberfläche bereitzustellen. Dafür muss häufig ein Programm für die CNC Maschine geschrieben werden, die Platten müssen gekauft bzw. auf Lager gehalten werden und der Fräsvorgang muss durchgeführt werden.
Dies führt zu hohen Kosten bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Formvorrichtungen. Darüber hinaus beansprucht diese Arbeitsweise meist mehrere Arbeitswochen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, voranstehende, aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Herstellung einer Formvorrichtung, und damit vorzugsweise ein darauffolgendes Produktionsverfahren zum Abformen eines Produktes, bei einer möglichst hohen Oberflächenqualität der Formvorrichtung und/oder des Produktes zu verbessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Formvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13, ein Produktionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14, sowie eine Herstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Formvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Produktionsverfahren und/oder der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Formvorrichtung zum Abformen eines Produktes vorgesehen. Das Verfahren umfasst, insbesondere in Form von Verfahrensschritten:

- Herstellen einer Grundform für die Formvorrichtung mit einer Negativform zur Definition einer Produktkontur des Produktes, insbesondere durch eine Grundformeinheit einer Herstellvorrichtung,
- Bereitstellen eines, vorzugsweise flexiblen, Überdeckungselementes mit einer ersten Seite zur Kontaktierung der Negativform und einer zweiten Seite zum Abformen des Produktes, insbesondere an einer Haltevorrichtung der Herstellvorrichtung,
- Aufbringen des Überdeckungselementes auf die Grundform, wobei die erste Seite des Überdeckungselementes an die Negativform, insbesondere zumindest abschnittsweise oder vollflächig, angelegt und das Überdeckungselement an die Negativform angepasst wird, insbesondere durch eine Bewegungseinheit der Herstellvorrichtung.

Die Formvorrichtung kann somit insbesondere zum Produzieren des Produktes und/oder mehrerer baugleicher Produkte eingesetzt werden. Insbesondere kann die Formvorrichtung zum Gießen und/oder Modellieren der Produktkontur des Produktes ausgebildet sein. Bei dem Produkt kann es sich beispielsweise um ein faserverstärktes, insbesondere kohlenfaserverstärktes und/oder naturfaserverstärktes, Bauteil handeln.
Unter der Produktkontur kann insbesondere eine Außenkontur und/oder eine geometrische Form des Produktes verstanden werden. Die Negativform kann komplementär zu der Produktkontur ausgebildet sein, um die Produktkontur zu definieren. Dabei kann die Negativform eine Kavität bilden, in welche ein Produktmaterial, insbesondere in Form einer form- und/oder gießbaren Masse, zum Abformen des Produktes einbringbar ist. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Negativform einen Vorsprung umfasst, um welchen herum das Produkt modellierbar ist. Die Negativform der Grundform kann von der Produktkontur maßlich, insbesondere um eine Materialdicke des Überdeckungselementes, abweichen.
Das Herstellen der Grundform kann durch ein spanendes oder spanloses Verfahren ausgeführt werden. Insbesondere wird die Negativform beim Herstellen der Grundform ausgebildet. Eine Oberfläche der Grundform, insbesondere der Negativform, kann eine Oberflächenstruktur aufweisen. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur eine durch das Herstellen der Grundform und/oder ein Material der Grundform bedingte Mikrostruktur umfassen.
Die erste und zweite Seite sind insbesondere gegenüberliegend und/oder gegensätzlich orientiert angeordnet. Das Überdeckungselement kann vorzugsweise eine flächige Erstreckung aufweisen und/oder flexibel ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Überdeckungselement folienartig, plattenartig und/oder schalenartig ausgebildet sein. Ferner kann das Überdeckungselement zum Bereitstellen des Überdeckungselementes als, insbesondere kontinuierliches, Bahnmaterial hergestellt und/oder zum Aufbringen auf die Grundform zugeschnitten werden. Es kann vorgesehen sein, dass das Überdeckungselement dauerhaft oder beim Bereitstellen des Überdeckungselementes temporär flexibel ist. Beispielsweise kann das Überdeckungselement nach dem Aufbringen auf die Grundform eine höhere Viskosität aufweisen als beim Bereitstellen des Überdeckungselementes.
Beim Anlegen und Anpassen des Überdeckungselementes an die Negativform kann das Überdeckungselement die Negativform insbesondere flächig kontaktieren. Ferner kann das Überdeckungselement beim Anlegen und Anpassen des Überdeckungselementes an die Negativform zumindest bereichsweise gedehnt und/oder gestaucht werden. Dabei kann das Überdeckungselement die Negativform annehmen, um seinerseits die Produktkontur zu definieren. Das Anlegen und Anpassen des Überdeckungselementes an die Negativform kann manuell oder automatisch erfolgen. Insbesondere wird die Negativform beim Aufbringen des Überdeckungselementes mit dem Überdeckungselement ausgekleidet. Vorteilhafterweise kann das Überdeckungselement einen Feststoff mit einer, insbesondere niedrigen, Viskosität, umfassen. Vorzugsweise kann das Überdeckungselement zum Anlegen und Anpassen an die Negativform ein viskoelastisches und/oder viskoplastisches Material umfassen.
Dadurch, dass das Überdeckungselement an die Negativform angelegt und angepasst wird, kann die Oberflächenstruktur der Grundform ausgeglichen werden. Beispielsweise können Täler der Oberflächenstruktur durch das Überdeckungselement verfüllt und/oder überdeckt werden. Dazu kann das Überdeckungselement mit der ersten Seite gegen die Grundform gedrückt werden. Ferner kann ein Material des Überdeckungselementes zumindest teilweise, insbesondere viskoplastisch, in die Täler der Oberflächenstruktur hineinfließen. Die zweite Seite des Überdeckungselementes bleibt dabei insbesondere glatt oder nahezu glatt. Dadurch kann eine Oberflächenqualität der Negativform und damit des Produktes verbessert werden. Insbesondere kann das Überdeckungselement an der zweiten Seite eine geringere Oberflächenrauigkeit aufweisen, als ein darunterliegender Bereich der Grundform, an den die erste Seite des Überdeckungselementes angelegt ist.
Es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass durch das Überdeckungselement eine aufwendige, mechanische Bearbeitung oder Nachbearbeitung der Oberfläche der Grundform entfallen oder reduziert werden kann. Dadurch können eine benötigte Zeit zur Herstellung der Formvorrichtung verkürzt und Herstellkosten reduziert werden. Dies kann sich entsprechend positiv auf die Produktionskosten sowie die benötigte Produktionszeit des Produktes auswirken. Gleichzeitig kann das Produkt aufgrund des Überdeckungselementes insbesondere mit einer hohen Genauigkeit und/oder Oberflächenqualität produziert werden.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Grundform beim Herstellen der Grundform aus einem porösen Material und/oder als Sandform hergestellt wird. Unter dem porösen Material kann insbesondere ein Material verstanden werden, welches beim Herstellen der Grundform Poren und/oder durchlässige Strukturen bildet und/oder Poren und/oder durchlässige Strukturen aufweist. Beispielsweise kann es sich bei dem porösen Material um einen Sand, vorzugsweise mit einer scharfkantigen Körnung, handeln. Es kann vorgesehen sein, dass die Grundform mit einem Sand, insbesondere mit einer Sandkorngröße von weniger als 0,1 mm, vorzugsweise von weniger als 0,05 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,03 mm, hergestellt wird. Als Sandform kann die Grundform kostengünstig und schnell hergestellt werden. Dabei kann gleichzeitig eine aus der Sandkorngröße und/oder Porosität resultierende Oberflächenstruktur der Grundform durch das Überdeckungselement ausgeglichen werden. Dadurch kann eine hohe Oberflächenqualität der Negativform und/oder des Produktes erreicht werden. Ferner kann dadurch eine mit der Sandform herstellbare Produktpalette vergrößert werden. Beispielsweise können auch Produkte mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität mit Grundform aus Sand und/oder dem porösen Material herstellbar sein.
Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass die Grundform beim Herstellen der Grundform zumindest abschnittsweise oder vollständig mit einem Stabilisierungsmittel, insbesondere welches ein Harz, vorzugsweise ein Epoxidharz, aufweist, verstärkt wird. Bei dem Stabilisierungsmittel kann es sich um einen Füllstoff zur mechanischen und/oder chemischen Stabilisierung der Grundform handeln. Das Stabilisierungsmittel kann ferner einen feuerfesten Füllstoff, eine Trägerflüssigkeit, ein Bindemittel, rheologische Additive und/oder sonstige Additive umfassen. Ein Epoxidharz hat den Vorteil, dass dadurch eine hohe Festigkeit, insbesondere mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften sowie einer hohen Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, erzielt werden kann. Weiterhin kann das Epoxidharz einfach zu verarbeiten sein. Vorzugsweise kann die Grundform mit dem Stabilisierungsmittel infiltriert, d. h. insbesondere zumindest abschnittsweise oder vollständig durchtränkt, werden. Das Stabilisierungsmittel kann beispielsweise zunächst in einem flüssigen Zustand bereitgestellt werden und beim Herstellen der Grundform ausgehärtet werden. Durch das Stabilisierungsmittel kann die Grundform vor dem Aufbringen des Überdeckungsmittels mechanisch verstärkt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass die Grundform beim Aufbringen des Überdeckungsmittels und/oder beim Abformen des Produktes beschädigt wird.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Aufbringen des Überdeckungselementes auf die Grundform durch einen Tiefziehvorgang, insbesondere in Form eines Vakuum-Tiefziehvorgangs, erfolgt. Beim Tiefziehvorgang kann das Überdeckungselement verformt werden, so dass sich das Überdeckungselement an die Negativform anlegt und anpasst. Dabei kann das Überdeckungselement zumindest bereichsweise oder vollständig gedehnt und/oder gestaucht werden. Dabei kann das Aufbringen des Überdeckungselementes mittels einer linearen Relativbewegung des Überdeckungselementes zur Grundform erzielt werden. Beispielsweise kann das Überdeckungselement, insbesondere mit der ersten Seite vollflächig, auf die Grundform zubewegt werden. Es kann vorgesehen sein, dass das Überdeckungselement bei dem Tiefziehvorgang mittels eines, insbesondere elastisch oder plastisch verformbaren, Stempels in die Negativform gedrückt wird. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass der Tiefziehvorgang durch einen Überdruck auf der zweiten Seite des Überdeckungselementes und/oder einen Unterdruck, insbesondere in Form eines Vakuums, auf der ersten Seite des Überdeckungselementes durchgeführt wird. Durch den Tiefziehvorgang kann das Aufbringen des Überdeckungselementes in einfacher Art und Weise und/oder mit einem hohen Automatisierungsgrad ausgeführt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass beim Aufbringen des Überdeckungselementes ein Druckunterschied an der ersten Seite und an der zweiten Seite des Überdeckungselementes erzeugt wird, wodurch das Überdeckungselement an die Negativform angepasst wird. Das Aufbringen des Überdeckungselementes kann in einer Druckkammer einer Herstellvorrichtung erfolgen. Der Druckunterschied kann beispielsweise einen Unterdruck auf der ersten Seite des Überdeckungselementes und/oder einen Unterdruck auf der zweiten Seite des Überdeckungselementes umfassen. Insbesondere kann der Druckunterschied ein Vakuum auf der ersten Seite des Überdeckungselementes umfassen. Durch den Druckunterschied kann das Überdeckungselement automatisiert und/oder berührungslos auf die Grundform aufgebracht werden. Ferner kann dadurch eine hohe, vorzugsweise vollständige, Flächenkontaktierung der ersten Seite des Überdeckungselementes mit der Negativform erreicht werden.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass beim Herstellen der Grundform eine gasdurchlässige Struktur gebildet wird, insbesondere wobei der Druckunterschied durch einen Saugdruck in der gasdurchlässigen Struktur erzeugt wird. Bei dem Saugdruck handelt es sich insbesondere um einen Unterdruck. Durch die gasdurchlässige Struktur kann das Überdeckungselement mittels des Saugdrucks durch die Grundform hindurch angesaugt werden. Dazu kann die Grundform eine Saugseite aufweisen, auf welcher der Saugdruck aufgebaut wird. Die Saugseite der Grundform kann der Negativform und/oder dem Überdeckungselement in Bezug auf die Grundform gegenüberliegen. Die gasdurchlässige Struktur kann durch das poröse Material der Grundform und/oder Mikrokanäle in dem Material der Grundform gebildet sein. Wenn die Grundform beispielsweise als Sandform ausgebildet ist, kann die gasdurchlässige Struktur durch den Sand selbst gebildet sein. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass beim Herstellen der Grundform vordefinierte Kanäle, wie z. B. Bohrungen oder Ausnehmungen, in der Grundform erzeugt werden, die die gasdurchlässige Struktur bilden. Zum Erzeugen des Saugdrucks kann ein Vakuum aufgebaut werden. Dabei kann es sich um ein industrielles Vakuum, insbesondere mit einer Restmenge an Gas, handeln. Durch den Saugdruck können Lufteinschlüsse zwischen dem Überdeckungselement und der Grundform vermieden werden. Ferner kann dadurch der Tiefziehvorgang, insbesondere in Form des Vakuum-Tiefziehvorgangs, erfolgen.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Grundform einen Saugbereich zum Leiten des Saugdrucks aufweist, wobei das Stabilisierungsmittel den Saugbereich zumindest abschnittsweise abdichtend umgibt. Beispielsweise, wenn das Stabilisierungsmittel ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz, umfasst, kann das Stabilisierungsmittel als Dichtmittel wirken. Dazu kann das Stabilisierungsmittel den Saugbereich umlaufend umgeben. Es ist denkbar, dass die Grundform in einem Randbereich der Grundform durch das Stabilisierungsmittel infiltriert wird. Dadurch kann im Bereich der Negativform ein Saugkanal ausgebildet werden, um das Überdeckungselement an die Negativform anzulegen und anzupassen. Somit kann das Stabilisierungsmittel die Grundform zum einen mechanisch und/oder chemisch stabilisieren und zum anderen die Ansaugung des Überdeckungselementes verbessern. Zusätzlich oder alternativ kann ein Autoklav zum Erzeugen des Druckunterschieds eingesetzt werden.
Es ist ferner bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass das Überdeckungselement zum Aufbringen auf die Grundform erwärmt wird, insbesondere wobei nach dem Aufbringen des Überdeckungselementes ein Abkühlen des Überdeckungselementes, vorzugsweise mit der Grundform, erfolgt. Es ist denkbar, dass das Überdeckungselement indirekt erwärmt wird, indem die Grundform erwärmt und das Überdeckungselement beim Aufbringen auf die Grundform an die Grundform angenähert wird. Vorzugsweise wird das Erwärmen vor dem Aufbringen des Überdeckungselementes auf die Grundform, insbesondere direkt, durchgeführt. Dadurch kann eine vollflächige und/oder gleichmäßige Erwärmung des Überdeckungselementes verbessert sein, wodurch das Anlegen und Anpassen an die Negativform gleichmäßig erfolgen kann. Das Überdeckungselement kann vorzugsweise einen thermoplastischen Kunststoff umfassen. Insbesondere kann das Erwärmen des Überdeckungselementes solange durchgeführt werden, bis das Überdeckungselement, insbesondere beim Tiefziehvorgang, thermoplastisch verformbar ist. Somit kann die Viskosität des Überdeckungselementes durch das Erwärmen reduziert werden, wodurch das Überdeckungselement zumindest teilweise oder vollständig fließfähig wird. Dadurch kann das Anlegen und Anpassen des Überdeckungselementes an die Negativform verbessert sein. Beim Abkühlen kann das Überdeckungselement, insbesondere an der Grundform, aushärten. Das Abkühlen kann aktiv oder passiv erfolgen. Beispielsweise kann das Überdeckungselement mit der Grundform durch ein Kühlmittel gekühlt werden. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass beim Abkühlen eine Abkühlzeit zur Anpassung an eine Raumtemperatur abgewartet wird. Unter dem Abkühlen des Überdeckungselementes mit der Grundform kann verstanden werden, dass das Überdeckungselement abkühlt, während es an die Grundform angelegt ist. Dabei kann auch die Grundform eine durch die Erwärmung des Überdeckungselementes ggf. hinzugewonnene Wärme abgeben.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Überdeckungselement als, insbesondere thermoplastische, Kunststofffolie ausgebildet ist. Das Überdeckungselement kann eine Kunststofffolie umfassen oder aus einer Kunststofffolie bestehen. Die Kunststofffolie kann ein viskoelastisches und/oder ein viskoplastisches Materialverhalten aufweisen. Beispielsweise kann die Kunststofffolie ein Polyvinylchlorid (PVC) oder ein Polyethylenterephthalat (PET), insbesondere mit einem Glykol (PET-G), umfassen. Durch die Ausbildung als Kunststofffolie kann sich das Überdeckungselement vorteilhaft an die Negativform anpassen oder anlegen. Ferner kann dadurch beispielsweise der Tiefziehvorgang begünstigt sein.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Überdeckungselement, insbesondere beim Bereitstellen des Überdeckungselementes, zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite eine Materialdicke von größer oder gleich 2 mm, vorzugsweise von größer oder gleich 3 mm, aufweist. Dabei kann die Materialdicke vorteilhafterweise kleiner oder gleich 5 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 4 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3 mm, sein. Derartige Materialdicken bieten insbesondere eine vorteilhafte Kombination aus einer zuverlässigen Überdeckung der Oberflächenstruktur der Grundform und einer hohen Tiefziehfähigkeit.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Herstellen der Grundform durch einen additiven Fertigungsvorgang, insbesondere mit einem 3D-Druck, erfolgt. Bei dem additiven Fertigungsvorgang kann ein Material der Grundform schichtweise aufgetragen werden, um eine dreidimensionale Form der Grundform auszubilden. Durch den additiven Fertigungsvorgang kann das Herstellen der Grundform beschleunigt werden. Ferner können Kosten reduziert werden, wenn der additive Fertigungsvorgang beispielsweise anhand von Modelldaten eines virtuellen Modells der Grundform automatisiert ausgeführt wird. Dabei können durch das Überdeckungselement ferner durch den additiven Fertigungsvorgang hervorgerufene, schichtbedingte Unebenheiten der Grundform ausgeglichen werden. Dadurch kann das Verfahren für ein breites Produktspektrum eingesetzt werden.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass zum Herstellen der Grundform ein virtuelles Modell der Grundform erzeugt wird, insbesondere durch welches die Negativform in Abhängigkeit von der Produktkontur und/oder von dem Überdeckungselement definiert ist. Das Herstellen der Grundform kann dabei in Abhängigkeit von dem virtuellen Modell, insbesondere durch eine Kontrolleinheit der Herstellvorrichtung, erfolgen. Das virtuelle Modell kann beispielsweise ein CAD-Modell der Grundform und/oder Fertigungsdaten zum Herstellen der Grundform umfassen. Anhand des virtuellen Modells kann die Grundform automatisiert, beispielsweise durch den additiven Fertigungsvorgang, hergestellt werden. Das virtuelle Modell kann Abmaßen und/oder Toleranzen aufweisen, die um ein durch das Überdeckungselement bedingtes Auf- und/oder Abmaß bereinigt sind. Dadurch kann die Grundform automatisiert hergestellt und zum Produzieren des Produktes im Zusammenspiel mit dem Überdeckungselement angepasst sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Formvorrichtung zum Abformen eines Produktes, insbesondere herstellbar oder hergestellt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, vorgesehen. Dabei umfasst die Formvorrichtung eine Grundform mit einer Negativform zur Definition einer Produktkontur des Produktes. Weiterhin weist die Formvorrichtung ein, vorzugsweise flächiges, Überdeckungselement mit einer ersten Seite zur Kontaktierung der Negativform und einer zweiten Seite zum Abformen des Produktes auf. Dabei ist die erste Seite des Überdeckungselementes an die Negativform angelegt und das Überdeckungselement an die Negativform angepasst.
Somit bringt eine erfindungsgemäße Formvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Insbesondere kann durch das Überdeckungselement eine Übertragung einer Oberflächenstruktur der Grundform auf das Produkt vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Produktionsverfahren zum Produzieren zumindest eines Produktes unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Formvorrichtung vorgesehen. Dabei wird das Produkt durch Abformen des Produktes in der Formvorrichtung produziert.
Somit bringt ein erfindungsgemäßes Produktionsverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder eine erfindungsgemäße Formvorrichtung beschrieben worden sind. Bei dem Produkt kann es sich um ein verkaufs- und/oder montagefertiges Produkt handeln, welches werkzeugfallend aus der Formvorrichtung verwendet werden kann. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass das Produkt ein Halbzeug bildet, welches, beispielsweise durch eine nachträgliche Veredelung, nach der Entnahme aus der Formvorrichtung nachbearbeitet wird. Das Produkt kann als kohlefaserverstärktes-Bauteil und/oder als naturfaserverstärktes, insbesondere flachsfaserverstärktes, Bauteil ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass das Produkt als Gips- oder Tonprodukt ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Produkt als kaltgeformtes Produkt ausgebildet, um eine Beschädigung des Überdeckungselementes aufgrund eines Wärmeeintrags beim Produktionsverfahren zu vermeiden. Es kann vorgesehen sein, dass bei dem Produktionsverfahren mehrere, insbesondere gleichartige und/oder baugleiche, Produkte nacheinander durch Abformen in der Formvorrichtung hergestellt werden. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Formvorrichtung als verlorene Form eingesetzt und beim Abformen des Produktes zerstört wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Herstellvorrichtung zur Herstellung einer, vorzugsweise erfindungsgemäßen, Formvorrichtung, insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, vorgesehen. Die Herstellvorrichtung weist eine Grundformeinheit zum Herstellen einer Grundform für die Formvorrichtung auf. Weiterhin umfasst die Herstellvorrichtung eine Haltevorrichtung zum Bereitstellen eines Überdeckungselementes zum zumindest abschnittsweisen Überdecken einer Negativform der Grundform zur Definition einer Produktkontur des Produktes. Weiterhin umfasst die Herstellvorrichtung eine Bewegungseinheit zum Aufbringen des Überdeckungselementes auf die Grundform, um eine erste Seite des Überdeckungselementes an die Negativform anzulegen und das Überdeckungselement an die Negativform anzupassen.
Somit bringt eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren, eine erfindungsgemäße Formvorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes Produktionsverfahren beschrieben worden sind. Die Bewegungseinheit kann somit insbesondere zum Aufbringen des Überdeckungselementes durch Anlegen der ersten Seite des Überdeckungselementes an die Negativform und Anpassen des Überdeckungselementes an die Negativform erfolgen. Die Bewegungseinheit kann eine Bewegungsmechanik zum Bewegen des Überdeckungselementes zur Grundform und/oder eine Saugvorrichtung zum Erzeugen eines Saugdrucks umfassen. Die Bewegungsmechanik kann einen Antrieb, z. B. mit einem Elektromotor und/oder einem Pneumatikmotor, und/oder eine Linearführung für die Haltevorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung von der Bewegungsvorrichtung zum Aufbringen des Überdeckungselementes auf die Grundform bewegt werden. Die Grundformeinheit kann vorzugsweise einen 3D-Drucker zum Herstellen der Grundform mit einem 3D-Druck, aufweisen. Die Grundformeinheit kann mit der Haltevorrichtung und der Bewegungseinheit einen Fertigungsautomaten zum Herstellen der Formvorrichtung bilden. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Grundformeinheit separat zu der Haltevorrichtung und/oder der Bewegungseinheit ausgebildet ist. Dabei können die Komponenten der Herstellvorrichtung beispielsweise eine Produktionsstraße zum Herstellen der Formvorrichtung bilden. Zum Abformen des Produktes kann die Negativform mit dem Überdeckungselement insbesondere zumindest teilweise oder vollständig mit einem Produktmaterial des Produktes überdeckt oder befüllt werden. Anschließend kann das Produkt ausgehärtet werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Herstellvorrichtung eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Überdeckungselementes und/oder eine Kühlvorrichtung zum, insbesondere aktiven, Abkühlen des Überdeckungselementes mit der Grundform aufweist. Für einen hohen Automatisierungsgrad kann vorgesehen sein, dass die Herstellvorrichtung eine Kontrolleinheit zum automatischen Ausführen des Verfahrens, insbesondere durch Ansteuern der Grundformeinheit, der Erwärmungsvorrichtung, der Haltevorrichtung und/oder der Bewegungseinheit, aufweist.
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. Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Formvorrichtung zum Abformen eines Produktes in schematischer Darstellung von Verfahrensschritten,
2-4 eine detailliertere Darstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens bei der Herstellung der Formvorrichtung,
5 eine Herstellvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens, und
6 ein Produktionsverfahren zum Produzieren eines Produktes unter Verwendung der Formvorrichtung.

In der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden für die gleichen technischen Merkmale auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Formvorrichtung 1 zum Abformen 201 eines Produktes 2 in schematischer Darstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens 100. Die Formvorrichtung 1 ist bei einem erfindungsgemäßen Produktionsverfahren 200 zum Produzieren des Produktes 2 in 6 gezeigt. Bei dem Produktionsverfahren 200 wird das Produkt 2 durch Abformen 201 des Produktes 2 in der Formvorrichtung 1 produziert. Dabei kann ein Produktmaterial zum Formen einer Produktkontur 2.1 in die Formvorrichtung 1 eingebracht werden, um das Produkt 2 mittels der Formvorrichtung 1 beispielsweise zu modellieren und/oder zu gießen.
Bei dem Verfahren 100 zur Herstellung der Formvorrichtung 1 erfolgt zunächst ein Herstellen 101 einer Grundform 10 für die Formvorrichtung 1 mit einer Negativform 11 zur Definition der Produktkontur 2.1 des Produktes 2, wie in 2 gezeigt. Die Negativform 11 ist insbesondere komplementär zu der Produktkontur 2.1 und/oder als Kavität in der Grundform 10 ausgebildet. Dabei wird die Grundform 10 vorzugsweise aus einem porösen Material und/oder als Sandform hergestellt. Insbesondere wird zum Herstellen 101 der Grundform 10 ein additiver Fertigungsvorgang 101.1, insbesondere mit einem 3D-Druck, ausgeführt. Dabei wird die Grundform 10 mit der Negativform 11 durch ein aufeinanderfolgendes Auftragen mehrerer Schichten 10.1 aufgebaut. Weiterhin wird beim Herstellen 101 der Grundform 10 eine Oberflächenstruktur 10.2 erzeugt. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur 10.2 aus dem schichtweisen Aufbau und/oder dem porösen Material der Grundform 10 resultieren.
Eine Herstellvorrichtung 3 zum Herstellen der Formvorrichtung 1 durch das Verfahren 100 ist in 5 dargestellt. Das Herstellen 101 der Grundform 10 erfolgt dabei durch eine Grundformeinheit 4 zum Herstellen 101 der Grundform 10. Vorzugsweise ist die Grundformeinheit 4 als 3D-Drucker ausgebildet. Dazu kann ein virtuelles Modell 120 der Grundform 10 erzeugt werden, durch welches die Negativform 11 in Abhängigkeit von der Produktkontur 2.1 des zu produzierenden Produktes 2 definiert ist.
Wie in 3 dargestellt, wird die Grundform 10 beim Herstellen 101 der Grundform 10 zumindest abschnittsweise mit einem Stabilisierungsmittel 12, insbesondere welches ein Epoxidharz aufweist, verstärkt. Beispielsweise kann die Grundform 10 durch das Stabilisierungsmittel 12 in einem Randbereich der Grundform 10, umlaufend um die Negativform 11, infiltriert werden. Das Einbringen des Stabilisierungsmittels 12 kann nach dem additiven Fertigungsverfahren erfolgen, indem das Material der Grundform 10 beispielsweise mit dem Stabilisierungsmittel 12 durchtränkt wird. Dabei kann das Stabilisierungsmittel 12 in flüssiger Form aufgebracht und anschließend ausgehärtet werden. Insbesondere, wenn die Grundform 10 aus einem porösen Material, wie z. B. Sand, aufgebaut ist, kann durch das Material eine fluiddurchlässige Struktur 13 gebildet sein, wodurch das Stabilisierungsmittel 12 die Grundform 10 durchtränken kann. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Grundform 10 mit dem Stabilisierungsmittel 12 zumindest abschnittsweise ummantelt wird, um die Grundform 10 zu stabilisieren. Beispielsweise kann das Stabilisierungsmittel 12 dabei als Beschichtung aufgebracht werden.
Ferner erfolgt bei dem Verfahren 100 ein Bereitstellen 102 eines Überdeckungselementes 20 mit einer ersten Seite 21 zur Kontaktierung der Negativform 11 und einer zweiten Seite 22 zum Abformen 201 des Produktes 2. Das Überdeckungselement 20 weist vorzugsweise eine flächige Erstreckung auf. Dabei bilden die erste und zweite Seite 21, 22 insbesondere gegenüberliegende Oberflächen des Überdeckungselementes 20. Das Überdeckungselement 20 kann ein viskoelastisches und/oder viskoplastisches Material umfassen. Vorteilhafterweise kann das Überdeckungselement 20 als, insbesondere thermoplastische, Kunststofffolie ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Überdeckungselement 20 zwischen der ersten Seite 21 und der zweiten Seite 22 eine Materialdicke 23 von größer oder gleich 2 mm, vorzugsweise von größer oder gleich 3 mm, aufweisen. Das Überdeckungselement 20 kann als Bahnmaterial bereitgestellt und zugeschnitten werden. Zum Bereitstellen 102 des Überdeckungselementes 20 weist die Herstellvorrichtung 3 eine Haltevorrichtung 5 auf. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung 5 das Überdeckungselement 20 form- und/oder kraftschlüssig in der Herstellvorrichtung 3 fixieren. Dazu kann die Haltevorrichtung 5 z. B. ein Klemmmittel oder ein Saugmittel zum Halten des Überdeckungselementes 20 umfassen.
Anschließend erfolgt vorzugsweise ein Erwärmen 103 des Überdeckungselementes 20, z. B. bis das Überdeckungselement 20 thermoplastisch verformbar ist. Das Erwärmen 103 kann durch eine Erwärmungsvorrichtung der Herstellvorrichtung 3 ausgeführt werden. Insbesondere nach dem Erwärmen 103 wird ein Aufbringen 104 des Überdeckungselementes 20 auf die Grundform 10 durchgeführt, wie in 3 und 4 gezeigt. Insbesondere durch die Fließfähigkeit des Überdeckungselementes 20 im erwärmten Zustand wird die erste Seite 21 des Überdeckungselementes 20 an die Negativform 11 angelegt und das Überdeckungselement 20 an die Negativform 11 angepasst, wodurch die Oberflächenstruktur 10.2 der Grundform 10 durch das Überdeckungselement 20 verfüllt und/oder überdeckt und damit zumindest teilweise oder vollständig ausgeglichen wird. Die zweite Seite 22 des Überdeckungselementes 20 weist dabei eine geringere Rauigkeit auf, als die Grundform 10, wodurch eine glattere Oberfläche des Produktes 2 erzielt werden kann. Damit bildet die zweite Seite 22 des Überdeckungselementes 20 eine Außenseite der Negativform 11. Vorzugsweise kann die Negativform 11 in dem virtuellen Modell 120 in Abhängigkeit von dem Überdeckungselement 20 virtuell bereitgestellt sein.
Wie in 5 gezeigt, wird zum Aufbringen 104 des Überdeckungselementes 20 vorzugsweise ein Druckunterschied 110 an der ersten Seite 21 und an der zweiten Seite 22 des Überdeckungselementes 20 erzeugt, um das Überdeckungselement 20 an die Negativform 11 anzupassen. Ferner kann die Herstellvorrichtung 3 eine Bewegungseinheit 6 zum Aufbringen 104 des Überdeckungselementes 20 auf die Grundform 10 aufweisen, welche das Überdeckungselement 20 auf die Grundform 10 zubewegen kann. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Grundform 10 einen Saugbereich 14 zum Leiten des Saugdrucks 111 aufweist, der durch das Stabilisierungsmittel 12 insbesondere in Form eines Saugkanals gebildet ist. Beispielsweise kann das Stabilisierungsmittel 12 den Saugbereich 14 zumindest abschnittsweise abdichtend, vorzugsweise vollständig umlaufend, umgeben. Insbesondere, wenn die Grundform 10 eine gasdurchlässige Struktur 13 aufweist, kann der Saugdruck 111 zumindest bereichsweise in der gasdurchlässigen Struktur 13 erzeugt werden, um das Überdeckungselement 20 an die Grundform 10 anzusaugen. Die Bewegungseinheit 6 kann somit insbesondere eine Bewegungsmechanik 6.1 zum Bewegen des Überdeckungselementes 20 zur Grundform 10 und eine Saugvorrichtung 6.2 zum Erzeugen des Saugdrucks 111 umfassen. Nachdem das Überdeckungselement 20 an die Negativform 11 angelegt und angepasst ist, kann ein Abkühlen 105 des Überdeckungselementes 20 mit der Grundform 10 erfolgen, insbesondere um das Überdeckungselement 20 vom thermoplastischen Zustand in einen festen Zustand zu überführen.
Somit kann das Aufbringen 104 des Überdeckungselementes 20 auf die Grundform 10 insbesondere durch einen Tiefziehvorgang 104.1, insbesondere in Form eines Vakuum-Tiefziehvorgangs, erfolgen. Es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass durch das Überdeckungselement 20 eine aufwendige, mechanische Bearbeitung oder Nachbearbeitung der Oberfläche der Grundform 10 entfallen oder reduziert werden kann, um die Oberflächenstruktur 10.2 nicht oder nicht vollständig auf das Produkt zu übertragen. Insbesondere in Verbindung mit dem additiven Fertigungsvorgang 101.1 kann dadurch eine benötigte Zeit zur Herstellung der Formvorrichtung 1 verkürzt werden. Ferner können dadurch auch die Herstellkosten reduziert werden. Dies führt wiederum zu einer schnelleren Möglichkeit, das Produktionsverfahren 200 auszuführen oder anzupassen. Beispielsweise können Kleinserien oder Prototypen dadurch in kürzeren Abständen produziert werden, was sich positiv auf eine Entwicklung und Konstruktion des Produktes 2 auswirken kann. Dabei kann das Produkt 2 aufgrund des Überdeckungselementes 20 insbesondere mit einer hohen Genauigkeit und/oder Oberflächenqualität produziert werden. Dadurch können beispielsweise bei einer Prototypenfertigung Oberflächenqualitäten erzielt werden, die dem finalen Serienprodukt entsprechen oder sehr nahekommen.
Für einen hohen Automatisierungsgrad kann vorgesehen sein, dass die Herstellvorrichtung 3 eine Kontrolleinheit 7 zum automatischen Ausführen des Verfahrens 100, insbesondere durch Ansteuern der Grundformeinheit 4, der Erwärmungsvorrichtung 8, der Haltevorrichtung 5 und/oder der Bewegungseinheit 6, aufweist. Dazu kann die Kontrolleinheit 7 beispielsweise einen Prozessor und/oder einen Mikroprozessor umfassen.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Formvorrichtung
2: Produkt
2.1: Produktkontur
3: Herstellvorrichtung
4: Grundformeinheit
5: Haltevorrichtung
6: Bewegungseinheit
6.1: Bewegungsmechanik
6.2: Saugvorrichtung
7: Kontrolleinheit
8: Erwärmungsvorrichtung
10: Grundform
10.1: Schicht
10.2: Oberflächenstruktur
11: Negativform
12: Stabilisierungsmittel
13: Struktur
14: Saugbereich
20: Überdeckungselement
21: erste Seite
22: zweite Seite
23: Materialdicke
100: Verfahren
101: Herstellung
101.1: additiver Fertigungsvorgang
102: Bereitstellen
103: Erwärmen
104: Aufbringen
104.1: Tiefziehvorgang
105: Abkühlen
110: Druckunterschied
111: Saugdruck
120: Modell
200: Produktionsverfahren
201: Abformen

Claims

Verfahren (100) zur Herstellung einer Formvorrichtung (1) zum Abformen (201) eines Produktes (2), umfassend: - Herstellen (101) einer Grundform (10) für die Formvorrichtung (1) mit einer Negativform (11) zur Definition einer Produktkontur (2.1) des Produktes (2), - Bereitstellen (102) eines Überdeckungselementes (20) mit einer ersten Seite (21) zur Kontaktierung der Negativform (11) und einer zweiten Seite (22) zum Abformen (201) des Produktes (2), - Aufbringen (104) des Überdeckungselementes (20) auf die Grundform (10), wobei die erste Seite (21) des Überdeckungselementes (20) an die Negativform (11) angelegt und das Überdeckungselement (20) an die Negativform (11) angepasst wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (10) beim Herstellen (101) der Grundform (10) aus einem porösen Material und/oder als Sandform hergestellt wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (10) beim Herstellen (101) der Grundform (10) zumindest abschnittsweise mit einem Stabilisierungsmittel (12), insbesondere welches ein Epoxidharz aufweist, verstärkt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen (104) des Überdeckungselementes (20) auf die Grundform (10) durch einen Tiefziehvorgang (104.1), insbesondere in Form eines Vakuum-Tiefziehvorgangs, erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen (104) des Überdeckungselementes (20) ein Druckunterschied (110) an der ersten Seite (21) und an der zweiten Seite (22) des Überdeckungselementes (20) erzeugt wird, wodurch das Überdeckungselement (20) an die Negativform (11) angepasst wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen (101) der Grundform (10) eine gasdurchlässige Struktur (13) gebildet wird, wobei der Druckunterschied (110) durch einen Saugdruck (111) in der gasdurchlässigen Struktur (13) erzeugt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (10) einen Saugbereich (14) zum Leiten des Saugdrucks (111) aufweist, wobei das Stabilisierungsmittel (12) den Saugbereich (14) zumindest abschnittsweise abdichtend umgibt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungselement (20) zum Aufbringen (104) auf die Grundform (10) erwärmt wird, wobei nach dem Aufbringen (104) des Überdeckungselementes (20) ein Abkühlen (105) des Überdeckungselementes (20) mit der Grundform (10) erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungselement (20) als, insbesondere thermoplastische, Kunststofffolie ausgebildet ist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungselement (20) zwischen der ersten Seite (21) und der zweiten Seite (22) eine Materialdicke (23) von größer oder gleich 2 mm, vorzugsweise von größer oder gleich 3 mm, aufweist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen (101) der Grundform (10) durch einen additiven Fertigungsvorgang (101.1), insbesondere mit einem 3D-Druck, erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen (101) der Grundform (10) ein virtuelles Modell (120) der Grundform (10) erzeugt wird, durch welches die Negativform (11) in Abhängigkeit von der Produktkontur (2.1) und von dem Überdeckungselement (20) definiert ist.
Formvorrichtung (1) zum Abformen (201) eines Produktes (2), insbesondere herstellbar durch ein Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Grundform (10) mit einer Negativform (11) zur Definition einer Produktkontur (2.1) des Produktes (2), und ein Überdeckungselement (20) mit einer ersten Seite (21) zur Kontaktierung der Negativform (11) und einer zweiten Seite (22) zum Abformen (201) des Produktes (2), wobei die erste Seite (21) des Überdeckungselementes (20) an die Negativform (11) angelegt und das Überdeckungselement (20) an die Negativform (11) angepasst ist.
Produktionsverfahren (200) zum Produzieren zumindest eines Produktes (2) unter Verwendung einer Formvorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei das Produkt durch Abformen (201) des Produktes (2) in der Formvorrichtung (1) produziert wird.
Herstellvorrichtung (3) zur Herstellung einer Formvorrichtung (1), insbesondere durch ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend eine Grundformeinheit (4) zum Herstellen (101) einer Grundform (10) für die Formvorrichtung (1), eine Haltevorrichtung (5) zum Bereitstellen (102) eines Überdeckungselementes (20) zum zumindest abschnittsweisen Überdecken einer Negativform (11) der Grundform (10) zur Definition einer Produktkontur (2.1) des Produktes (2), und eine Bewegungseinheit (6) zum Aufbringen (104) des Überdeckungselementes (20) auf die Grundform (10), um eine erste Seite (21) des Überdeckungselementes (20) an die Negativform (11) anzulegen und das Überdeckungselement (20) an die Negativform (11) anzupassen.