-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen Verstärkungseinleger,
insbesondere aus einem Hybridgewebe, aufweisenden Bauteils in einer
Werkzeugform, bei welchem der Verstärkungseinleger auf zumindest
eine in der Werkzeugform angeordnete Nadel aufgeschoben wird. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Übergabevorrichtung zum
Ablegen eines Verstärkungseinlegers,
insbesondere aus einem Hybridgewebe, auf einer in einer Werkzeugform
zur Herstellung eines Spritzgussteils angeordneten Nadel.
-
Spritzgussbauteile
werden im Automobilbau in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt.
Sie können
mit komplexen Geometrien, unterschiedlichen Wandstärken sowie
hervorragenden Oberflächen
und unterschiedlichen Werkstoffkombinationen hergestellt werden.
Das Spritzgießverfahren
ist ein sehr kostengünstiges
und schnelles Fertigungsverfahren für die Herstellung einer Vielzahl
von Serienbauteilen in großer
Stückzahl.
-
Unverstärkte Thermoplaste
besitzen jedoch oftmals unzureichende Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften.
Es ist daher bekannt, den Thermoplasten Kurz- oder Langfasern, zum
Beispiel in Form von Glasfasern, zuzusetzen. Im Vergleich zu Bauteilen
aus Stahl oder Aluminium besitzen aber auch die kurz- oder langfaserverstärkten Spritzgussbauteile eine
erheblich geringere Steifigkeit und Festigkeit. Es ist daher weiterhin
bekannt, die Bauteile bereichsweise mit gerichteten Endlosfasern
zu verstärken.
Solche Endlosfaser-Verstärkungen
können
zum Beispiel aus Geweben, Gelegen, Gestricken oder Ähnlichem bestehen.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Verstärkungseinleger aus Hybridgewebe
verstärkten
Spritzgussbauteils und eine Übergabevorrichtung
zum Ablegen des Verstärkungseinlegers
der eingangs genannten Art sind ebenfalls bekannt.
-
Das
bekannte Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- (a) Bereitstellen einer aus zumindest Matrize und Patrize bestehenden
Werkzeugform für
das Spritzgießverfahren,
wobei die Werkzeugform im Bereich der Matrize und/oder der Patrize
eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen aufweist, in denen jeweils
eine Nadel angeordnet ist, die in Lage und Abmessungen so ausgelegt
ist, dass sie dichtend in der Durchgangsbohrung liegt und durch
die Durchgangsbohrung in einen Formraum der Werkzeugform ein- und
ausfahrbar ist;
- (b) Einfahren von Nadeln in den Formraum der offenen Werkzeugform,
bis die Nadeln eine Position erreicht haben, die für das Einlegen
eines Verstärkungseinlegers,
insbesondere aus einem Hybridgewebe, geeignet ist;
- (c) Einlegen des Verstärkungseinlegers,
derart, dass er von den Nadeln gehalten wird;
- (d) gegebenenfalls Ein- oder Ausfahren der Nadeln, bis der Verstärkungseinleger
eine Position erreicht hat, die weitgehend einer Lage des Fasermaterials
im fertigen Spritzgussbauteil entspricht;
- (e) gegebenenfalls Wiederholen der Schritte (b) bis (d), wenn
zwei oder mehr Verstärkungseinleger
zu positionieren sind;
- (f) Schließen
der Werkzeugform; und
- (g) ein- oder mehrseitiges Einspritzen eines verflüssigten
thermoplastischen Werkstoffs und Zurückfahren der Nadeln aus der
Werkzeugform.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zur Verfügung
zu stellen, mittels welchem der Verstärkungseinleger schnellstmöglich, reproduzierbar
und präzise
in der Werkzeugform bzw. auf einer in der Werkzeugform angeordneten
Nadel abgelegt werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Übergabevorrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, mittels welcher ein präzises, reproduzierbares
und schnelles Ablegen des Verstärkungseinlegers
ermöglicht
wird.
-
Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Der Unteranspruch betrifft eine besonders zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist also
ein Verfahren vorgesehen, bei welchem der Verstärkungseinleger zunächst auf
zumindest einer einer Übergabevorrichtung
zugeordneten Nadel angeordnet wird und die Übergabevorrichtung anschließend derart
positioniert wird, dass die Nadel der Übergabevorrichtung und die
Nadel der Werkzeugform koaxial zueinander angeordnet sind, wobei
der Verstärkungseinleger
anschließend
mittels einer der Übergabevorrichtung
zugeordneten Abstreifvorrichtung von der Nadel der Übergabevorrichtung
auf die Nadel der Werkzeugform geschoben wird. Hierdurch wird eine
sehr präzise,
schnelle und reproduzierbare Ablage des Verstärkungseinlegers in die Werkzeugform
bzw. auf der Nadel ermöglicht.
Hieraus resultieren eine gleich bleibend gute Bauteilqualität und eine
Reduzierung der Ausschussteile. Weiterhin wird ein starkes Abkühlen des
zuvor in einem Heizrahmen aufgeheizten Verstärkungseinlegers verhindert,
da sich die Zeit zwischen dem Aufheizen des Verstärkungseinlegers und
der Positionierung in der Werkzeugform und dadurch auch die Gesamtfertigungszeit
des Spritzgussbauteils bzw. Spritzprägebauteils erheblich reduziert. Durch
die genaue Positionierung des Verstärkungseinlegers kann weiterhin
das Bauteilgewicht reduziert und auf einen nachträglichen
Randbeschnitt verzichtet werden, da die Bauteile mit endkonturnahen
Verstärkungseinlegern
ohne Übermaß gefertigt
werden können.
Weiterhin kann das eingangs genannte Verfahren durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
automatisiert durchgeführt
werden und ist somit für
die Fertigung von Serienbauteilen mit großen Stückzahlen geeignet.
-
Die
Prozesssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich verbessert,
wenn die Übergabevorrichtung
derart positioniert wird, dass sich die Nadel der Übergabevorrichtung
und die Nadel der Werkzeugform zumindest bereichsweise kontaktieren.
Ein Abrutschen, Verkanten oder Verklemmen der Verstärkungseinleger
beim Verschieben des Verstärkungseinlegers
von der Nadel der Übergabevorrichtung
auf die Nadel der Werkzeugform ist hierdurch nahezu ausgeschlossen.
-
Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst
mit einer Übergabevorrichtung
gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 3. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist also
eine Übergabevorrichtung
vorgesehen, welche zumindest eine Nadel aufweist, auf welcher der
Verstärkungseinleger anordbar
ist, und welche eine relativ zur Nadel der Übergabevorrichtung verschiebbare
Abstreifvorrichtung aufweist, mittels wel cher der Verstärkungseinleger
von der Nadel der Übergabevorrichtung
auf die Nadel der Werkzeugform verschiebbar ist, wenn die Nadel
der Übergabevorrichtung
und die Nadel der Werkzeugform koaxial zueinander angeordnet sind. Durch
die Anordnung des Verstärkungseinlegers
auf der Nadel der Übergabevorrichtung
und die exakte Positionierung der Übergabevorrichtung relativ
zu der Werkzeugform wird erreicht, dass der Verstärkungseinleger
positionsgenau und präzise
auf der Nadel der Werkzeugform abgelegt werden kann. Hierdurch kann
eine gleich bleibende Bauteilqualität und eine Reduzierung der
Ausschussteile gewährleistet
werden. Weiterhin kann das Bauteilgewicht durch die Verwendung von
endkonturnahen Verstärkungseinlegern
reduziert werden. Ein nachträglicher Randbeschnitt
der Verstärkungseinleger
ist nicht erforderlich.
-
Dabei
erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass die Übergabevorrichtung
an einem Roboterarm fixierbar ist und/oder die Abstreifvorrichtung mittels
eines elektrischen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen
Antriebs verschiebbar ist. Hierdurch kann das Ablegen des Verstärkungseinlegers
in der Werkzeugform automatisiert erfolgen und ist dadurch für die Serienfertigung
geeignet. Durch die Automatisierung des Verfahrens wird die Zeit
zwischen dem Aufheizen des Verstärkungseinlegers bzw.
der Entnahme aus dem Heizrahmen und der Positionierung in der Werkzeugform
minimiert, wodurch ein starkes Abkühlen des Verstärkungseinlegers
verhindert wird. Gleichzeitig wird durch die Automatisierung auch
die Gesamtfertigungszeit des Spritzgussbauteils reduziert.
-
Als
besonders praxisnah hat es sich erwiesen, dass die Übergabevorrichtung
und die Werkzeugform mehrere Nadeln aufweisen. Hierdurch können sowohl
größere Verstärkungseinleger
als auch geometrisch komplexe Formen von der Werkzeugform und der Übergabevorrichtung
aufgenommen werden.
-
Bei
der Anordnung eines plattenförmigen Verstärkungseinlegers
ist es besonders vorteilhaft, wenn den Nadeln eine einzige Abstreifvorrichtung zugeordnet
ist. Hierdurch kann der Verstärkungseinleger
positionsgenau und prozesssicher auf den Nadeln der Werkzeugform
angeordnet werden.
-
Dagegen
ist es bei der Anordnung eines dreidimensional geformten Verstärkungseinlegers
besonders sinnvoll, wenn jeder Nadel jeweils eine Abstreifvorrichtung
zugeordnet ist. Hierdurch kann je nach Form des Verstärkungseinlegers
jede Abstreifvorrichtung individuell ver schoben werden und dadurch
der Verstärkungseinleger
positionsgenau auf den Nadeln der Werkzeugform angeordnet werden. Hierbei
kann jede Abstreifvorrichtung einzeln angesteuert werden und einen
individuell voreingestellten Weg zurücklegen.
-
Hierbei
erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Abstreifvorrichtung
als Hülse
ausgebildet ist, welche verschiebbar auf der Nadel der Übergabevorrichtung
gelagert ist. Durch die Nadel wird auf eine einfache Art und Weise
eine Führung
für die
verschiebbare Hülse
zur Verfügung
gestellt, wodurch die Prozesssicherheit zusätzlich verbessert wird. Dadurch,
dass die Hülsen
direkt in dem Bereich der Kontaktstellen zwischen dem Verstärkungseinleger
und der Nadel am Verstärkungseinleger
angreifen, kann eine eventuell vorhandene Verklebung zwischen dem
Verstärkungseinleger
und der Nadel wirkungsvoll gelöst
werden, ohne den Verstärkungseinleger
zu deformieren oder zu zerstören.
-
Eine
andere besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass eine der Werkzeugform zugewandte Stirnseite der Nadel
der Übergabevorrichtung
eine Vertiefung aufweist, in welche eine Spitze der Nadel der Werkzeugform
während
des Ablegens des Verstärkungseinlegers
zumindest teilweise eingreift. Hierdurch wird ein Abrutschen, Verkanten
oder Verklemmen des Verstärkungseinlegers
beim Verschieben des Verstärkungseinlegers
von der Nadel der Übergabevorrichtung
auf die Nadel der Werkzeugform verhindert. Außerdem wird durch eine derartige
Ausgestaltung der Nadeln eine Positionierung der Übergabevorrichtung bzw.
des die Übergabevorrichtung
aufnehmenden Roboterarmes erleichtert.
-
Eine
weitere zweckmäßige Abwandlung
ergibt sich dadurch, dass eine der Werkzeugform zugewandte Stirnseite
der Nadel der Übergabevorrichtung
eine Spitze aufweist, welche während
des Ablegens des Verstärkungseinlegers
zumindest teilweise in eine in einer Stirnseite der Nadel der Werkzeugform
angeordnete Vertiefung eingreift. Dadurch, dass die Nadel der Übergabevorrichtung
eine Spitze aufweist, kann der Verstärkungseinleger mittels der
Nadel durchstochen werden. Ein Lochen des Verstärkungseinlegers vor der Anordnung
auf der Nadel der Übergabevorrichtung
ist somit nicht erforderlich.
-
Das
Verschieben des Verstärkungseinlegers von
der Nadel der Übergabevorrichtung
auf die Nadel der Werkzeugform wird dadurch vereinfacht und die Anzahl
der Ausschussteile dadurch reduziert, dass eine Querschnittsfläche, insbesondere
ein Durchmesser der Nadel der Übergabevorrichtung,
größer als
eine Querschnittsfläche,
insbesondere ein Durchmesser der in der Werkzeugform angeordneten
Nadel, ist.
-
Um
ein Verkleben des aufgeheizten Verstärkungseinlegers mit der Nadel
der Übergabevorrichtung
bzw. der Abstreifvorrichtung zu verhindern, ist vorgesehen, dass
eine Oberfläche
der Nadel und/oder der Abstreifvorrichtung mit einem ein Anhaften
des Verstärkungseinlegers
verhindernden Trennmittel benetzt sind.
-
Auf
ein Benetzen der Oberfläche
der Nadel mit einem Trennmittel kann verzichtet werden, wenn die
Nadel und/oder die Abstreifvorrichtung der Übergabevorrichtung aus Teflon
bestehen oder zumindest abschnittsweise eine Teflonbeschichtung
aufweisen.
-
Eine
andere besonders wirkungsvolle Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
wird auch dadurch erreicht, dass zumindest eine der Nadeln eine den
Verstärkungseinleger
aufnehmende Ausnehmung aufweist. Beispielsweise wird hierdurch ein
unbeabsichtigtes Abrutschen des Verstärkungseinlegers von der Nadel
der Werkzeugform nach einem Entfernen der Übergabevorrichtung verhindert.
-
Unter
Hybridgewebeverstärkungseinlegern sind
Gewebe, Gelege, Gestricke, Geflechte oder Ähnliches aus Endlosfasern und
einer thermoplastischen Matrix zu verstehen. Bei thermoplastischen Prepregs
handelt es sich um einen relativ groben Faden des Endlosmaterials
mit Tausend oder mehr Filamenten, der mit einer Schmelze oder einem
Pulver des Matrixmaterials vorgetränkt ist. Hybridgarne enthalten
Endlosfaserfilamente und Matrixfilamente, die homogen über den
Garnquerschnitt verteilt sind. Die Herstellung derartiger Hybridgewebeverstärkungseinleger
ist aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Als
thermoplastische Werkstoffe werden vorzugsweise abgewandelte Naturstoffe
eingesetzt, wie Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Celluloseether
und Cellulosemischether, Polyamide, Polycarbonate, Polyester, Polyphenylenoxide,
Polysulfone, Polyvinylacetale, Polyolefine, Ionomere, Polyvinylchlorid (PVC),
Polyvinylidenchlorid, Polymethylmethacrylat, Polyacrylnitril, Polystyrol,
Polyacetale, fluorierte Kunststoffe, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat,
Poly-p-xylylen,
Polyetherketone, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Polyterephthalate,
lineare Polyurethane und chlorierte Polyether.
-
Als
Endlosfasern kommen natürliche
und synthetische Fasern auf Kohlehydrat- oder Aminosäurebasis,
Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern, Aramidfasern, keramische
Fasern wie Siliciumcarbid, Bornitrit und Silikatfasern, Fasern aus
Polyetherketon, vollaromatischem Polyamid, Polyethylen, Polypropylen,
Polybutylenterephthalat, Polyamid, Polysulfon, Polyethecketon sowie
beliebige Kombinationen der Voranstehenden in Betracht.
-
Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in den
-
1 bis 4 das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Ablegen eines Verstärkungseinlegers
in einer Werkzeugform zur Herstellung eines Spritzgussteils in unterschiedlichen
Fertigungsschritten und die erfindungsgemäße Übergabevorrichtung in einer
Prinzipskizze,
-
5 bis 7 eine
zweite Ausführungsform
der Übergabevorrichtung
während
der Aufnahme des Verstärkungseinlegers
und der Ablage des Verstärkungseinlegers
auf einer Nadel der Werkzeugform,
-
8 und 9 eine
Nadel der Werkzeugform mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Verstärkungseinlegers.
-
1 zeigt
eine Übergabevorrichtung 1 zum Ablegen
eines Verstärkungseinlegers 2 auf
einer Nadel 3 einer aus einer Matrize und einer Patrize
bestehenden Werkzeugform 4 zur Herstellung eines Spritzgussteils.
Der zuvor gelochte Verstärkungseinleger 2 ist
auf einer Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 angeordnet.
Die Übergabevorrichtung 1 weist
eine als Hülse 6 ausgebildete
Abstreifvorrichtung 7 auf, welche verschiebbar auf der
Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 angeordnet
ist. in einer der Werkzeugform 4 zugewandten Stirnseite 8 der
Nadel 5 ist eine Vertiefung 9 vorgesehen, welche
auf die Form und Abmessungen der Spitze 10 der Nadel 3 der
Werkzeugform 4 abgestimmt ist. Außerdem weist die Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 einen
Durchmesser d1 auf, welcher geringfügig größer ist als ein Durchmesser
d2 der Nadel 3 der Werkzeugform 4.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der in einem nicht dargestellten Heizrahmen aufgeheizte Verstärkungseinleger 2 nach
Erreichen der erforderlichen Temperatur zunächst durch Verfahren der Übergabevorrichtung 1 zur
Werkzeugform 4 geführt.
Die Übergabevorrichtung 1 wird
dabei derart positioniert, dass die Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 und
die Nadel 3 der Werkzeugform 4 koaxial zueinander
angeordnet sind (1).
-
Anschließend wird
die Übergabevorrichtung 1 in
Richtung der Werkzeugform 4 verfahren, und zwar bis die
Spitze 10 der Nadel 3 der Werkzeugform 4 in
die Vertiefung 9 der Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 eingreift
(2).
-
Durch
eine Relativbewegung zwischen der als Hülse 6 ausgebildeten
Abstreifvorrichtung 7 und der Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 wird
der Verstärkungseinleger 2 dann
von der Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 auf
die Nadel 3 der Werkzeugform 4 geschoben (Richtungspfeile 11, 3).
-
Nachdem
der Verstärkungseinleger 2 positionsgenau
auf der Nadel 3 der Werkzeugform 4 abgelegt wurde,
wird die Übergabevorrichtung 1 zurückgefahren
(3) und die Hülse 6 bzw.
die Abstreifvorrichtung 7 wird wieder zurück in ihre
Ausgangslage bewegt (Richtungspfeile 12, 4).
-
Die 5 bis 7 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Übergabevorrichtung 1 während der
Aufnahme des Verstärkungseinlegers 2 und
der Ablage des Verstärkungseinlegers 2 auf
einer Nadel 3 der Werkzeugform 4. Die Nadel 5 der Übergabevorrichtung 1 weist
eine Spitze 13 auf, welche den ungelochten Verstärkungseinleger 2 bei
der Anordnung auf der Nadel 5 durchsticht (5 und 6).
Hierdurch ist ein vorgeschaltetes Lochen des Verstärkungseinlegers 2 nicht
mehr erforderlich. Im Anschluss wird die Übergabevorrichtung 1 in
Richtung der Werkzeugform 4 verfahren und zwar bis die
Spitze 13 der Nadel 5 in eine Vertiefung 14 der
Nadel 3 der Werkzeugform 4 eingeführt ist
(7).
-
Durch
eine in der Nadel 3 der Werkzeugform 4 angeordnete
Ausnehmung 15 zur Aufnahme des Verstärkungseinlegers 2 wird
ein Abrutschen des Verstärkungseinlegers 2,
insbesondere während
des Entfernens der Übergabevorrichtung 1 bzw.
während des
Zurückfahrens
der Hülse 6,
verhindert (8 und 9).