DE102022132199B3

DE102022132199B3 - Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102022132199B3
Application number: DE102022132199.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier; Florian Dirisamer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-12-05
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2042-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils (B) mit einem Hohlraum (22), in den eine Kunststoffmasse (21) einspritzbar ist, wobei die Prozessanordnung eine Injektionseinrichtung (27) mit einer Einspritzdüse (35) aufweist, über die die Kunststoffmasse (21) in flüssiger Form in den Hohlraum (22) eingespritzt wird, und wobei das Bauteil (B) während des Einspritzvorgangs mit einer Schließkraft (FA) gegen die Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) verspannt ist. Zum Aufbau der Schließkraft (FA) ist dem Bauteil (B) zumindest ein Bandende (13) zugeordnet, mit dem das Bauteil (B) mit der Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) verspannbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solches Bauteil kann zum Beispiel ein in einem Batteriesystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs verbaubares Batteriemodul sein. Das Batteriemodul weist einen Zellstapel aus prismatischen Batteriezellen sowie eine Spanneinheit auf, die den Zellstapel in Stapelrichtung mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Spanneinheit ist aus Druckplatten ausgebildet, die an beiden Stapelenden positioniert sind. Die Druckplatten sind unter Zwischenlage des Zellstapels mit Hilfe von Spannbändern gegeneinander verspannt.
Aus der DE 10 2018 217 253 A1 ist eine gattungsgemäße Prozessanordnung bekannt, in der zwei Bandenden der Spannbänder an einer Druckplatte fixiert werden. Für die Fixierung der Bandenden weist die Druckplatte einen Hohlraum auf, in den die beiden Bandenden angeordnet sind und mittels einer Kunststoffmasse fixiert sind. Diese wird mit Hilfe einer Injektionseinrichtung in den Hohlraum der Druckplatte eingespritzt.
In der DE 10 2018 217 253 A1 weist die Injektionseinrichtung eine Einspritzdüse auf, über die die Kunststoffmasse in flüssiger Form in den Hohlraum der Druckplatte eingespritzt wird. Zudem weist die Injektionseinrichtung auf der in Batteriemodul-Längsrichtung gegenüberliegenden Seite eine Schließeinheit mit einem Schieber auf. Dieser erfüllt zwei Funktionen: Zum einen wird mittels des Schiebers das Batteriemodul während des Einspritzvorgangs mit einer Schließkraft gegen die Einspritzdüse gedrückt. Zum anderen wird der Zellstapel mittels des Schiebers während des Fixiervorgangs unter Vorspannung gesetzt. Die Bereitstellung des Schiebers in der Prozessanordnung ist mit hohem Werkzeugaufwand verbunden.
Aus der DE 10 2019 210 437 A1 ist eine Vorrichtung zum Verteilen einer Hohlraumverfüllmasse in einer Batterie bekannt. Aus der US 2017/0004745 A ist ein Verfahren zum Befüllen eine Harzes in ein Gehäuse bekannt. Die DE 10 2021 114 487 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Modulanordnung, eine Druckplatte für eine Modulanordnung und eine Modulanordnung mit einer solchen Druckplatte.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils bereitzustellen, in dem im Vergleich zum Stand der Technik der Werkzeugaufwand reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils aus, das einen Hohlraum aufweist, der im Fertigungszustand mit einer Kunststoffmasse gefüllt ist. Die Prozessanordnung weist eine Injektionseinrichtung mit einer Einspritzdüse auf, über die die Kunststoffmasse in flüssiger Form in den Bauteil-Hohlraum einspritzbar ist. Das Bauteil ist während des Einspritzvorgangs mit einer Schließkraft gegen die Düsenseite der Injektionseinrichtung verspannt. Gemäß dem Anspruch 1 wird die Schließkraft wie folgt aufgebaut: Dem Bauteil ist zumindest ein Bandende zugeordnet, mit dem das Bauteil mit der Düsenseite der Injektionseinrichtung verspannbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei das Bandende unmittelbar aus dem Bauteil-Hohlraum herausgeführt, der im Einspritzvorgang mit der Kunststoffmasse gefüllt wird.
In einer technischen Umsetzung der Erfindung kann die Injektionseinrichtung an ihrer Düsenseite einen Durchführungskanal aufweisen, durch den der Durchführungskanal geführt ist. Der Durchführungskanal beliebig ausgerichtet sein, etwa in einer Bauteil-Querrichtung oder in einer Bauteil-Längsrichtung. Zum Aufbau der Schließkraft wird das aus dem Bauteil-Hohlraum herausgeführte Bandende durch den Durchführungskanal geführt und/oder unter Zugbelastung gesetzt.
In einer Ausführungsvariante kann der Durchführungskanal zwischen einer stirnseitigen Werkzeugplatte und der Düsenseite der Injektionseinrichtung definiert sein. Die Werkzeugplatte kann zudem lösbar an der Düsenseite der Injektionseinrichtung montiert sein.
Ferner kann zur Schließkraft-Unterstützung eine Schließeinheit mit einem Schieber bereitgestellt sein, der das Bauteil gegen die Düsenseite der Injektionseinrichtung drückt. Alternativ und/oder zusätzlich kann -je nach Größe des Bauteils - der Injektionseinrichtung ein Auflager zugeordnet sein, auf dem das Bauteil während des Einspritzvorgangs abstützbar ist.
Nachfolgend wird eine konkrete Ausführungsform beschrieben in der das Bauteil exemplarisch ein Batteriemodul ist. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung keinesfalls auf das Batteriemodul beschränkt ist, sondern lediglich ein Ausführungsvariante der Erfindung darstellt.
Das Batteriemodul weist einen Zellstapel aus prismatischen Zellen sowie eine Spanneinheit auf, die den Zellstapel in Stapelrichtung mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Spanneinheit kann aus zwei Druckplatten ausgebildet sein, die jeweils an den Stapelenden des Zellstapels positioniert sind. Die beiden Druckplatten sind unter Zwischenlage des Zellstapels über zumindest ein Spannband miteinander verbunden. Eine der beiden Druckplatten der Spanneinheit weist den Bauteil-Hohlraum auf, in dem zwei Bandenden des Spannbands angeordnet sind und mittels einer Kunststoffmasse fixiert sind. In diesem Fall kann die Druckplatte mit einer Umlenkkontur ausgebildet sein, mittels der die beiden Bandenden aus dem Hohlraum der Druckplatte herausführbar sind.
In einem Fixier-Prozessschritt werden die beiden Bandenden des zumindest einen Spannbandes unter Zugbelastung aus dem Druckplatten-Hohlraum herausgeführt, während gleichzeitig die Kunststoffmasse in der Hohlraum gefüllt wird, um die unter Zugbelastung stehenden Bandenden zu fixieren. Auf diese Weise kann in der Prozessanordnung auf die Bereitstellung eines zusätzlichen Schiebers verzichtet werden, der den Zellstapel während des Fixier-Prozessschrittes unter Vorspannung setzt. Alternativ dazu kann ein solcher Schieber verwendet werden, der jedoch im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich kleiner dimensioniert werden.
In einer technischen Umsetzung kann der Druckplatten-Hohlraum eine Bandöse sein. Diese ist in einer Batteriemodul-Querrichtung beidseitig jeweils durch einen Umlenksteg der Umlenkkontur begrenzt. Jedes der beiden Bandenden umschlingt einen dieser Umlenkstege in einer Schlaufenführung. In der Schlaufenführung wird das jeweilige Bandende in Batteriemodul-Querrichtung nach modulinnen an einer dem Stapelende zugewandten Umlenksteg-Innenseite vorbei bis zur Bandöse geführt. Von dort wird ein Schlaufenabschnitt des Bandendes aus der Bandöse herausgeführt. Jeder der aus der Bandöse herausgeführten Schlaufenabschnitte kann unter Zugspannung gesetzt werden.
Mittels der Injektionseinrichtung der Prozessanordnung wird die Kunststoffmasse in flüssiger Form in den Druckplatten-Hohlraum eingespritzt. Nach erfolgter Aushärtung der eingespritzten Kunststoffmasse sind die beiden Bandenden in dem Druckplatten-Hohlraum fixiert.
Für einen einwandfreien Einspritzvorgang ist es erfindungsgemäß, wenn das Batteriemodul während des Einspritzvorgangs mit einer Schließkraft gegen die Einspritzdüse der Injektionseinrichtung verspannt ist. Die Injektionseinrichtung kann an ihrer Düsenseite für jeden Schlaufenabschnitt der Bandenden einen Durchführungskanal aufweisen. Zum Aufbau der Schließkraft, mit der das Batteriemodul gegen die Einspritzdüse der Injektionseinrichtung verspannt ist, kann jeder aus der Bandöse des Batteriemoduls herausgeführte Schlaufenabschnitt des Bandendes durch den Durchführungskanal geführt sein und unter Zugbelastung gesetzt werden.
Jeder der Durchführungskanäle kann zwischen einer stirnseitigen Werkzeugplatte und der Düsenseite der Injektionseinrichtung definiert sein. Die Werkzeugplatte kann bevorzugt lösbar an der Düsenseite der Injektionseinrichtung montiert sein. Vor diesem Hintergrund kann zur Vorbereitung des Einspritzvorgangs (beziehungsweise des Fixier-Prozessschrittes) der folgende Legeprozess stattfinden: So können die beiden Bandenden in Schlaufenführung um die Umlenkstege sowie insbesondere auch um die von der Injektionseinrichtung gelöste Werkzeugplatte gelegt werden. Der Legeprozess kann bevorzugt mit reduzierter Zugbelastung oder ohne Zugbelastung erfolgen. Die somit gebildete Vormontageeinheit, bestehend aus dem Batteriemodul und der Werkzeugplatte, kann anschließend an der Düsenseite der Injektionseinrichtung montiert werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 5 jeweils unterschiedliche Darstellungen, anhand derer die Montage einer Spanneinheit am Zellstapel eines Batteriemoduls veranschaulicht ist.

In der 1 oder 2 ist in grob schematischer Ansicht ein Batteriemodul B im Zusammenbauzustand gezeigt. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nachfolgend lediglich beispielhaft anhand des Batteriemoduls B erläutert wird. Die Erfindung ist daher nicht auf das Batteriemodul B beschränkt, sondern allgemein auf ein beliebiges Bauteil mit Hohlraum 22 gerichtet, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist.
Das Batteriemodul B in der 1 weist einen in einer Batteriemodul-Längsrichtung x gestapelten Zellstapel 1 aus einer Anzahl prismatischer Zellen 3 auf. Zudem weist das Batteriemodul B eine Spanneinheit 5 auf, die den Zellstapel 1 in der Batteriemodul-Längsrichtung x mit einer Vorspannung Fv beaufschlagt. Die Spanneinheit 5 ist in der 1 aus zwei Druckplatten 7, 9 ausgebildet, die jeweils an den beiden Stapelenden 8 des Zellstapels 1 positioniert sind. Die Druckplatten 7, 9 sind unter Zwischenlage des Zellstapels 1 mit Hilfe eines umlaufenden Spannbandes 11 gegeneinander verspannt.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, weist die Druckplatte 9 eine Fixierstelle 12 auf, an der zwei Bandenden 13 des Spannbandes 11 fixiert sind. In dem in der 1 dargestellten Zusammenbauzustand wird das Spannband 11 entlang jeder der Längsseiten des Batteriemoduls B von der hinteren Druckplatte 7 bis zur vorderen Druckplatte 9 geführt, dort an einer Druckplatten-Ecke 20 um 90° umgeschlagen und weiter in der Batteriemodul-Querrichtung y bis zur Fixierstelle 12 geführt.
In den 1 oder 2 weist die vordere Druckplatte 9 an der Fixierstelle 12 eine Bandöse 17 auf, die in der Batteriemodul-Querrichtung y beidseitig durch einen Umlenksteg 18 der vorderen Druckplatte 9 begrenzt ist. Das jeweilige Bandende 13 des Spannbandes 11 ist ausgehend von der Druckplatten-Ecke 20 in der Batteriemodul-Querrichtung y nach modulinnen zunächst in eine Durchführungsöffnung 15 der vorderen Druckplatte 9 und weiter entlang einer, dem Stapelende 8 zugewandten Umlenksteg-Innenseite bis zur Bandöse 17 geführt. Von dort wird ein Schlaufenabschnitt 26 des jeweiligen Bandendes 13 aus der Bandöse 17 in Batteriemodul-Längsrichtung x herausgeführt. Die Bandöse 17 bildet zusammen mit dem Stapelende 8 einen Hohlraum 22 (3 oder 4), der mit einer Kunststoffmasse 21 gefüllt ist. Mit der Kunststoffmasse 21 werden die beiden Bandenden 13 in dem Hohlraum 22 der Druckplatte 9 fixiert.
Nachfolgend ist eine Prozessabfolge zur Herstellung des in den 1 und 2 gezeigten Batteriemoduls B beschrieben. Demnach wird zunächst ein Legeprozess (3) durchgeführt, in dem jedes Bandende 13 des Spannbandes 11 in einer Schlaufenführung jeweils durch die Durchführungsöffnungen 17 der vorderen Druckplatte 9 gefädelt und um die Umlenkstege 17 gelegt wird. Nach erfolgtem Legeprozess sind die beiden Schlaufenabschnitte 26 der Bandenden 13 aus der Bandöse 17 herausgeführt und in Batteriemodul-Querrichtung y nach modulaußen weitergeführt.
Wie aus der 3 weiter hervorgeht, sind die beiden Schlaufenabschnitte 26 durch einen Durchlass 24 einer Werkzeugplatte 23 geführt. Die Werkzeugplatte 23 ist in einem nachfolgenden Montageprozess an eine Düsenseite 33 einer Injektionseinrichtung 27 montierbar. In der 3 umschlingt daher jeder der Schlaufenabschnitte 26 sowohl einen der Umlenkstege 18 als auch ein Segment der Werkzeugplatte 23. Entsprechend sind in der 3 die Segmente der Werkzeugplatte 23 zwischen dem jeweiligen Schlaufenabschnitt 26 und der vorderen Druckplatte 9 angeordnet.
Auf diese Weise bilden das Batteriemodul B und die Werkzeugplatte 23 eine Vormontageeinheit 29, die im oben angedeuteten Montageprozess mit der Injektionseinrichtung 27 (4) gekoppelt wird. Hierzu wird die Werkzeugplatte 23 zum Beispiel über nicht gezeigte Schraubstellen an der Düsenseite 33 der Injektionseinrichtung 27 montiert. Mit Hilfe der Injektionseinrichtung 27 wird die Kunststoffmasse 21 in flüssiger Form in den Druckplatten-Hohlraum 22 (3 oder 4) eingespritzt.
In der 4 sind zwischen den Segmenten der montierten Werkzeugplatte 23 und der Düsenseite 31 der Injektionseinrichtung 27 Durchführungskanäle 33 definiert, die vom mittleren Durchlass 24 (3) in der Batteriemodul-Querrichtung y nach modulaußen geführt sind.
Zur Vorbereitung eines Kunststoff-Einspritzvorganges werden die aus den Durchführungskanälen 33 ragenden Bandenden 13 des Spannbandes 11 zugbelastet, das heißt mit einer Zugkraft Fz in der Batteriemodul-Querrichtung y zueinander gegenläufig auseinandergezogen. Durch das Auseinanderziehen der beiden Bandenden 13 wird sowohl der Zellstapel 1 unter Vorspannung Fv (2) gesetzt als auch das gesamte Batteriemodul B mit einer Schließkraft F_A (4) gegen die Düsenseite 33 der Injektionseinrichtung 27 verspannt.
Anschließend wird unter Zugbelastung der aus der Bandöse 17 geführten Bandenden 13 über die Einspritzdüse 35 die Kunststoffmasse 21 in flüssiger Form in der Druckplatten-Hohlraum 22 eingespritzt und darin ausgehärtet.
Nach dem Aushärten erfolgt ein Entnahmeschritt. Hierzu wird die Zugbelastung der beiden Bandenden 13 gelöst und das Batteriemodul B von der Injektionseinrichtung 27 getrennt. Im weiteren Prozessverlauf wird das von der Fixierstelle 12 nach außen überstehende Bandmaterial 38 (5) mittels Schneidelementen 39 abgetrennt.
Je nach Größe des Zellstapels 1 des Batteriemoduls B kann gegebenenfalls das Batteriemodul B während des Einspritzvorgangs auf einem nicht gezeigten Auflager der Injektionseinrichtung 27 abgestützt sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch gegebenenfalls ein nicht gezeigter Schieber das Batteriemodul B während des Einspritzvorgangs gegen die Düsenseite 33 der Injektionseinrichtung 27 drücken, um einen Teil der Schließkraft F_A bereitzustellen.
BEZUGSZEICHENLISTE:

1: Zellstapel
3: Batteriezellen
5: Spanneinheit
7: Druckplatte
8: Stapelende
9: Druckplatte
11: Spannband
12: Fixierstelle
13: Bandende
15: Durchführungsöffnung
17: Bandöse
18: Umlenksteg
19: Umlenkkontur
20: Druckplatten-Ecke
21: Kunststoffmasse
23: Werkzeugplatte
24: Spannband-Durchlass
27: Injektionseinrichtung
29: Vormontageeinheit
31: Düsenseite
33: Durchführungskanal
35: Einspritzdüse
38: Bandmaterial
39: Schneidelement
B: Batteriemodul
Fv: Vorspannung
Fz: Zugbelastung
Fs: Schließkraft

Claims

Prozessanordnung zur Herstellung eines Bauteils (B) mit einem Hohlraum (22), in den eine Kunststoffmasse (21) einspritzbar ist, wobei die Prozessanordnung eine Injektionseinrichtung (27) mit einer Einspritzdüse (35) aufweist, über die die Kunststoffmasse (21) in flüssiger Form in den Hohlraum (22) eingespritzt wird, und wobei das Bauteil (B) während des Einspritzvorgangs mit einer Schließkraft (F_A) gegen die Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) verspannt ist, und wobei zum Aufbau der Schließkraft (F_A) dem Bauteil (B) zumindest ein Bandende (13) zugeordnet ist, mit dem das Bauteil (B) mit der Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) verspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandende (13) unmittelbar aus dem Bauteil-Hohlraum (22) herausgeführt ist, der im Einspritzvorgang mit der Kunststoffmasse (21) gefüllt wird.
Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (27) an ihrer Düsenseite (31) für das Bandende (13) einen Durchführungskanal (33) aufweist, der insbesondere in einer Bauteil-Querrichtung (y) oder in einer Bauteil-Längsrichtung (x) ausgerichtet ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau der Schließkraft (F_A) der aus dem Bauteil-Hohlraum (22) herausgeführte Schlaufenabschnitt (26) des Bandendes (13) durch den Durchführungskanal (33) geführt ist und/oder insbesondere unter Zugbelastung (Fz) setzbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchführungskanal (33) zwischen einer stirnseitigen Werkzeugplatte (23) und der Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) definiert ist, und dass insbesondere die Werkzeugplatte (23) lösbar an der Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) montiert ist.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Schließkraft (F_A) der Injektionseinrichtung (27) eine Schließeinheit mit einem Schieber zugeordnet ist, der das Bauteil (B) gegen die Düsenseite (31) der Injektionseinrichtung (27) drückt.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Größe des Bauteils (B) der Injektionseinrichtung (27) ein Auflager zugeordnet sein kann, auf dem das Bauteil (B) während des Einspritzvorgangs abstützbar ist.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (B) optional ein Batteriemodul mit einem in Batteriemodul-Längsrichtung (x) gestapelten Zellstapel (1) und einer Spanneinheit (5) ist, die mit Hilfe zumindest eines unter Zugbelastung (Fz) stehenden Spannbands (11) den Zellstapel (1) in der Batteriemodul-Längsrichtung (x) mit einer Vorspannung (Fv) beaufschlagt, wobei zumindest ein Stapelende (8) des Zellstapels (1) mit einer Druckplatte (9) abschließt, die den Hohlraum (22) aufweist, in dem zwei Bandenden (13) des Spannbands (11) angeordnet sind und mittels einer Kunststoffmasse (21) fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (9) eine Umlenkkontur (19) aufweist, mittels der die beiden Bandenden (13) aus dem Hohlraum (22) herausführbar sind, und dass in einem Fixier-Prozessschritt die beiden Bandenden (13) unter Zugbelastung (Fz) aus dem Hohlraum (22) geführt sind, während gleichzeitig die Kunststoffmasse (21) in den Hohlraum (22) eingespritzt wird, um die unter Zugbelastung (Fz) stehenden Bandenden (13) zu fixieren.
Prozessanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (22) eine Bandöse (17) ist, die in einer Batteriemodul-Querrichtung (y) beidseitig durch jeweils einen Umlenksteg (18) der Umlenkkontur (19) begrenzt ist, und dass jedes Bandende (13) einen der Umlenkstege (18) umschlingt, und zwar insbesondere in einer Schlaufenführung, in der in Batteriemodul-Querrichtung (y) nach modulinnen das jeweilige Bandende (13) an einer dem Stapelende (8) zugewandten Umlenksteg-Innenseite vorbei bis zur Bandöse (17) geführt ist und von dort mit einem Schlaufenabschnitt (26) aus der Bandöse (17) herausgeführt ist.