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Die Erfindung betrifft eine Übergabevorrichtung zum Ablegen eines Verstärkungseinlegers, insbesondere aus einem Hybridgewebe, auf einer in einer Werkzeugform zur Herstellung eines Spritzgussteils angeordneten Nadel, wobei die Übergabevorrichtung zumindest eine Nadel aufweist, auf welcher der Verstärkungseinleger anordbar ist, und die Übergabevorrichtung eine relativ zur Nadel der Übergabevorrichtung verschiebbare Abstreifvorrichtung aufweist, mittels welcher 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.
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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.
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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.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Verstärkungseinleger aus Hybridgewebe verstärkten Spritzgussbauteils und eine Übergabevorrichtung zum Ablegen des Verstärkungseinlegers der eingangs genannten Art sind bereits aus der
DE 103 22 859 B3 bekannt.
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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.
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Bei dem Verfahren wird der Verstärkungseinleger zunächst auf zumindest einer einer Übergabevorrichtung zugeordneten Nadel angeordnet und die Übergabevorrichtung anschließend derart positioniert, 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 gleichbleibend 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.
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Die Prozesssicherheit des 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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übergabevorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mittels welcher ein präzises, reproduzierbares und schnelles Ablegen des Verstärkungseinlegers ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Übergabevorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Querschnittsfläche, insbesondere ein Durchmesser der Nadel der Übergabevorrichtung, größer als eine Querschnittsfläche, insbesondere ein Durchmesser der in der Werkzeugform angeordneten Nadel, ist. Hierdurch wird das Verschieben des Verstärkungseinlegers von der Nadel der Übergabevorrichtung auf die Nadel der Werkzeugform vereinfacht und dadurch die Anzahl der Ausschussteile reduziert.
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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 können eine gleichbleibende 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.
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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.
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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.
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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.
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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 verschoben 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als thermoplastische Werkstoffe werden vorzugsweise abgewandelte Naturstoffe eingesetzt, wie Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Celluloseether und Cellulosemischether, Polyamide, Polycarbonate, Polyester, Polyphenylenoxide, Polysulfone, Polyvinylacetale, Polyolefine, lonomere, 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.
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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.
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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 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.
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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.
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Bei dem 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).
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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).
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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).
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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).
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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).
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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).
