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Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.
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Die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen kann mit Hilfe von textilen Halbzeugen, sogenannten Prepregs, erfolgen. Bei derartigen Prepregs ist ein textiles Fasermaterial mit einem thermoplastischen Matrixmaterial unterhalb einer Polymerisations-Starttemperatur vorimprägniert. Zur Formgebung des faserverstärkten Kunststoffbauteils werden die Prepregs in einem Ablegevorgang zu einem Lagenpaket übereinandergestapelt und einem Tiefzieh- oder Pressverfahren unterworfen.
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Aus der
WO 2012/116947 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Prepregs, das heißt von faserverstärkten, flächigen Halbzeugen mit Polyamidmatrix bekannt. In dem Verfahren werden zunächst textile Strukturen mit einer flüssigen Ausgangskomponente der Polyamidmatrix, das heißt geschmolzenes Lactam einschließlich zugegebener Katalysatoren und/oder Aktivatoren, vorimprägniert, und zwar in einem kontinuierlichen Prozess. Nach erfolgter Konsolidierung wird die vorimprägnierte textile Endlos-Struktur in einer Schneidstation zu faserverstärkten flächigen Halbzeugen konfektioniert und in einer Stapelstation übereinander gestapelt. Im weiteren Prozessverlauf werden die vorimprägnierten textilen Halbzeuge zu einer Assemblierstation transportiert, in der die textilen Halbzeuge in einem Ablegevorgang übereinandergelegt und entsprechend der Endkontur des herzustellenden Bauteils zugeschnitten werden. Das so gebildete Lagenpaket wird anschließend in eine Werkzeugform eingelegt. Dann erfolgt die Formgebung, und zwar bei einer Temperatur oberhalb der Polymerisations-Starttemperatur in einem Press- oder Tiefziehvorgang. Auf diese Weise polymerisiert das vorimprägnierte Lactam zu einem Polyamid. Durch das gleichzeitige Tiefziehen/Pressen wird das faserverstärkte, flächige Halbzeug in die beabsichtigte Form des herzustellenden Bauteils gebracht.
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Bei der oben skizzierten Prozesskette besteht die Problematik darin, dass in den vorimprägnierten, textilen Halbzeugen die noch nicht polymerisierte Ausgangskomponente des thermoplastischen Matrixmaterials in Kontakt mit der Umgebung, das heißt mit der Luftfeuchtigkeit, dem Sauerstoff, der UV-Strahlung oder dergleichen, reagiert, wodurch deren Verarbeitbarkeit, insbesondere deren Polymerisation, im weiteren Prozessverlauf beeinträchtigt wird. Um eine solche nachteilige Reaktion mit der Umgebung zu reduzieren, werden im Stand der Technik die vorimprägnierten textilen Halbzeuge während der Lagerung und des Transports bis zu ihrer Verarbeitung in energieintensiver Weise getrocknet.
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Die
DE 197 31 537 C1 beschreibt eine Anlage zur Herstellung von Laminaten aus Prepregs, wobei die Prepregs aus Stapeln aus Metallfolienabschnitten und Pressblechen bestehen und in einer Plattenpresse zu einem Verbund verpresst werden. Die Metallfolienabschnitte werden der Presse über Wechselwagen zugeführt. Die Pressbleche werden in einem Tunnel unter Reinluftbeaufschlagung einer Zusammenführungsstation zugeführt und in der Zusammenführungsstation ein- oder beidseitig mit Metallfolienabschnitten belegt. Die
DE 101 01 233 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenlegen von Folien zu einem Schichtpaket, wobei ein Lager als Mehretagenregal mit Ablagetischen vorgesehen ist, das als Puffer vor dem Zusammenlegen zu einem Schichtpaket dient. Konkret wird das Be- und Entladen der Ablagetische beschrieben. Die
DE 199 26 477 A1 beschreibt einen Behälter zur Aufnahme von Lebensmitteln, der aus einer Platte und einer zugehörigen Haube besteht. Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 059 627 B3 ein mobiler Behälter zum Transport von Lebensmitteln bekannt. Die Kammer zur Aufnahme der Lebensmittel des Transportbehälters ist luftdicht verschließbar und kann mit einer modifizierten Atmosphäre geflutet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, bei dem die Lagerung sowie der Transport von vorimprägnierten, textilen Halbzeugen bis zu deren Verarbeitung in einfacher Weise ohne Beeinträchtigung von deren Verarbeitbarkeit durchführbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist der Stapelstation zumindest ein Transport- und/oder Lagerbehälter zugeordnet, in dem die konfektionierten, vorimprägnierten, textilen Halbzeuge unter luft-, licht- und/oder feuchtigkeitsdichter Abschirmung gelagert werden und zur Assemblierstation transportiert werden können. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die nach der Herstellung der Prepregs erfolgenden Prozessschritte unter Vermeidung von z. B. unzulässiger Feuchtigkeitsaufnahme durchgeführt werden. Dabei wird eine automatische Stapelung und Entnahme des Prepreg-Materials ermöglicht. Wie oben dargelegt, sieht das erfindungsgemäße Konzept ein Behältersystem, bestehend aus zumindest einem Transport- und/oder Lagerbehälter, vor. Die ersten Schritte der Prozesskette, das heißt die Herstellung sowie die Stapelung der vorimprägnierten, textilen Halbzeuge, erfolgen, wie im obigen Stand der Technik gemäß
WO 2012/116947 A1 angegeben. Die gegebenenfalls automatisierte Bestückung des Transport- und Lagerbehälters kann unmittelbar in der Prepreg-Anlage erfolgen.
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Der zumindest eine Lager- und/oder Transportbehälter kann bevorzugt zweiteilig ausgebildet sein, und zwar mit einem Gehäuseunterteil, auf dem die Halbzeuge stapelbar sind, und mit einem Gehäuseoberteil, das lösbar auf dem Gehäuseunterteil aufgenommen wird. Im Hinblick auf eine fehlerfreie Ablage der vorimprägnierten, textilen Faserhalbzeuge kann das Behälteroberteil eine Haube sein, die (wie eine Butterglocke) von einem Behälterboden entfernt werden kann. Bei entfernter Behälterhaube sind daher bei einer Ablage bzw. Entnahme der vorimprägnierten, textilen Faserhalbzeuge keine Störkanten mehr am Behälter vorhanden, da der Behälterboden umfangsseitig offen, das heißt randfrei ohne hochgezogene Seitenwände ausgeführt ist, die ansonsten eine Störkontur bilden könnten.
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In der erfindungsgemäßen Prozessanordnung kann während des gesamten Herstellungs- und Bestückungsprozesses ein exakt auf den Prozess eingestelltes Klima aufrechterhalten werden. Ein wichtiger Parameter ist hierbei die Luftfeuchtigkeit. Mit dem erfindungsgemäßen Lager- und/oder Transportbehälter wird sichergestellt, dass die produzierten, vorimprägnierten, textilen Faserhalbzeuge jederzeit vor Feuchte geschützt sind.
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Nach der vollständigen Bestückung wird beispielhaft der Behälterboden, zum Beispiel mittels eines Scherenhubtisches, an die Behälterhaube angedockt. Alternativ dazu kann der Behälterboden ortsfest verbleiben und die Behälterhaube darauf abgesenkt werden. Die Abdichtung des Behälters kann zum Beispiel mittels einer umlaufenden Rundschnur im Behälterboden erfolgen. Schnellspanner können für einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Anpressdruck des Deckels auf der Dichtung sorgen. Im Falle einer längeren Lagerung des Prepreg-Materials kann im nächsten Prozessschritt der bestückte, geschlossene Behälter mit einem Schutzgas, zum Beispiel Stickstoff, geflutet werden. Dadurch kann die Restfeuchte im Behälter minimiert und die Verarbeitbarkeit des Prepregs deutlich verlängert werden. Die Flutung des Behälters erfolgt zum Beispiel über eine N2-Schnellkupplung. Dabei wird die im Behälter befindliche Luft durch extrem trockenes Schutzgas ersetzt. Um einen zu hohen Druck im Behälterinneren zu vermeiden, kann ein Sicherheitsventil vorzugsweise an einer der Schnellkupplung gegenüberliegenden Wandung vorgesehen sein.
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Die Weiterverarbeitung des Prepreg-Materials kann in der bereits oben erwähnten Assemblierstation erfolgen, die bevorzugt als ein ebenfalls klimatisierter Raum ausgeführt ist, der vor äußeren Einflüssen abgeschirmt ist.
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Die Erfindung kann für alle verstärkten und/oder auch unverstärkten Materialien eingesetzt werden, die empfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen sind. Für solche Materialien kann die Abschirmung gegenüber Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Strahlung usw. notwendig sein, um deren Verarbeitbarkeit zu erhalten. Im Hinblick auf den oben dargelegten Stand der Technik ergeben sich die folgenden stichpunktartig aufgelisteten Vorteile: So kann mittels der Erfindung eine automatisierte Ablage von vorimprägnierten, textilen Halbzeugen (das heißt Prepregs) erfolgen. Zudem kann eine automatische luftdichte Abschirmung der Prepregs in einem Prepreg-Behälter und damit eine verlängerte Verarbeitbarkeit des Prepreg-Materials erfolgen. Zudem kann durch die Flutung/Spülung des Prepreg-Behälters vorzugsweise mit trockener Luft/Stickstoff/Argon ein weiterer Schutz vor Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff erfolgen. Der Prepreg-Behälter kann zudem mit einem Überdruckventil versehen sein, wodurch ein zu hoher Innendruck und damit das Bersten des Behälters verhindert ist. Zudem ermöglichen die Lager- und/oder Transportbehälter einen automatisierten oder teilautomatisierten Transport sowie eine sichere Lagerung der Prepregs. Außerdem ist eine sichere Stapelung der Prepreg-Behälter und damit ein platzsparendes Konzept bereitstellbar.
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Nachfolgend werden weitere Aspekte der Erfindung beschrieben: So kann die Assemblierstation zusätzlich zumindest eine Andockstelle aufweisen, an der die textilen, vorimprägnierten Halbzeuge von dem Lager- und/oder Transportbehälter unter Abschirmung nach außen in die Assemblierstation überführbar sind. Hierfür kann in einer ersten Ausführungsvariante die Andockstelle einen Schleusenraum aufweisen, in dem der Lager- und/oder Transportbehälter positioniert wird und anschließend die vorimprägnierten textilen Faserhalbzeuge zur Weiterverarbeitung entnommen werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist jedoch für den Schleusenraum ein Raumvolumen bereitstellbar, der mit klimatisierter Luft belüftet ist, was mit hohem prozesstechnischen Aufwand verknüpft ist.
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Alternativ dazu kann die Andockstelle bevorzugt eine verschließbare Zugangsöffnung aufweisen, die in einer, den Verarbeitungsraum der Assemblierstation begrenzenden Einhausung ausgebildet ist. In gleicher Weise kann auch der Transport- und/oder Lagerbehälter mit einer verschließbaren Entnahmeöffnung ausgebildet sein. Bei einer Überführung der textilen, vorimprägnierten Halbzeuge werden die behälterseitige Entnahmeöffnung und die Zugangsöffnung der Assemblierstation miteinander luft-, licht- und/oder feuchtigkeitsdicht gekoppelt sowie geöffnet. Anschließend werden die vorimprägnierten textilen Halbzeuge automatisiert oder manuell aus dem Transport- und/oder Lagerbehälter direkt in den Verarbeitungsraum der Assemblierstation transferiert.
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Die behälterseitige Entnahmeöffnung und/oder die Zugangsöffnung der Einhausung können bevorzugt einen in der Querrichtung ausgeweiteten Durchlassschlitz aufweisen, durch den die Halbzeuge in den Verarbeitungsraum der Assemblierstation transferierbar sind. An den querverlaufenden Durchlassschlitz kann sich zumindest ein Zugriffschlitz anschließen, der hochkant langgestreckt ausgeführt ist und durch den ein Zugriff auf das oberste Halbzeug im zumindest einen Halbzeug-Stapel des Behälters vereinfacht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die behälterseitige Entnahmeöffnung und/oder die Zugangsöffnung der Einhausung in etwa T-förmig ausgebildet. D. h. dass der querverlaufende Durchlassschlitz in etwa mittig in einen hochkant verlaufenden Zugriffschlitz übergeht. Alternativ sind jedoch auch andere Querschnittsformen denkbar. Beispielhaft kann der Durchlassschlitz an seinen beiden in Querrichtung gegenüberliegenden Endseiten jeweils in einen seitlichen Zugriffschlitz übergehen. Zusätzlich dazu kann ggf. noch ein dritter mittlerer Zugriffschlitz vorgesehen sein.
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Zur technischen Umsetzung eines solchen Andockvorganges kann der Lager- und/oder Transportbehälter zunächst auf einem Gestell mit Schienensystem positioniert werden. Dabei können konische Positionselemente der exakten Ausrichtung des Behälters dienen. Anschließend wird der Behälter soweit in Richtung auf die Einhausung der Assemblierstation geschoben, bis er bündig an einem Dichtungsflansch anliegt, der zwischen dem Behälter und der Einhausung der Assemblierstation angeordnet ist, und mittels Schnellspannern in Position gehalten wird. In diesem Zustand sind die Assemblierstation und der Transport- und/oder Lagerbehälter miteinander luftdicht gekoppelt. Anschließend erfolgt das Öffnen des Behälters bevorzugt aus dem Inneren der Assemblierstation. Vorzugsweise ist der Deckel des Behälters, der an der Behälterseite luftdicht angebracht ist, geometrisch so angepasst, dass er durch den Dichtungsflansch in das Innere der Assemblierstation demontierbar ist. Gegebenenfalls kann das Öffnen des Seitendeckels mittels eines Scharniersystems erfolgen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltdiagramm zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils;
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2 in einer prinzipiellen Darstellung eine Assemblierstation mit einem Verarbeitungsraum in einer Ansicht von oben;
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3 und 4 jeweils eine Andockstelle der Assemblierstation mit sowie ohne Lager- und Transportbehälter; und
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5 in einer Ansicht von innerhalb der Assemblierstation auf eine in der Einhausung ausgebildete Zugangsöffnung.
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Anhand der 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge werden in einer Fertigungsstation I zunächst exemplarisch zwei Faserlagen 1 in einem kontinuierlichen Prozess unter Zwischenlage einer ersten Folie 3 aus zum Beispiel Polyamid oder einem anderen geeigneten Material auf ein Endlostransportband 5 gebracht. Die so gebildete textile Lagenstruktur 7 wird mit einer Ausgangskomponente 8 eines thermoplastischen Matrixmaterials, etwa Lactam, durchtränkt, und zwar unter Wärmebeaufschlagung 10 bei einer Temperatur unterhalb der Starttemperatur für eine Polymerisation der Ausgangskomponente des thermoplastischen Matrixmaterials.
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Anschließend wird im weiteren Prozessverlauf eine zweite Folie 9 appliziert und die textile Lagenstruktur 7 in einer Kühleinheit 11 abgekühlt sowie in einer nachfolgenden Schneideinheit 13 zu einzelnen vorimprägnierten, textilen Halbzeugen 15 konfektioniert.
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Die vorimprägnierten, textilen Halbzeuge 15 werden in einer nachfolgenden Stapelstation II übereinander gestapelt. Die Stapelstation II weist hierfür einen Transport- und/oder Lagerbehälter 17 auf, der in der 1 zweiteilig ausgeführt ist. Wie aus der 1 hervorgeht, ist der Transport- und/oder Lagerbehälter 17 geöffnet gezeigt, und zwar mit einem Gehäuseboden 19, der umfangsseitig offen, das heißt randfrei ohne hochgezogene Seitenwand, ausgeführt ist, und mit einer oberen Gehäusehaube 21, die eine oberseitige Deckwand sowie umlaufende Seitenwände 23 aufweist. In der in der 1 gezeigten Seitenwand 23 ist eine durch einen Seitendeckel 25 verschlossene Entnahmeöffnung 27 ausgebildet, deren Funktion später beschrieben ist. Der Behälter 17 liegt gemäß der 1 auf einem höhenverstellbaren Scherenhubtisch 29 auf. An der Unterseite des Behälterbodens 19 (das heißt die Behälter-Grundplatte) sind Gabelstapler-Taschen 31 ausgebildet, um den Transport des Behälters 17 zu vereinfachen.
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Der Stapelstation II ist prozesstechnisch eine Assemblierstation III nachgelagert, in der die vorimprägnierten, textilen Halbzeuge 15 (nachfolgend auch als Prepregs bezeichnet) zugeschnitten und als ein Lagenpaket 16 (2) übereinandergeschichtet abgelegt werden, um einen nachfolgenden Tiefzieh- und/oder Pressvorgang vorzubereiten. Im Tiefzieh- und/oder Pressvorgang wird das Lagenpaket 16 auf eine Temperatur oberhalb der Polymerisations-Starttemperatur erwärmt, und zwar bei gleichzeitigem Pressen und/oder Tiefziehen des Lagenpakets 16 in die Form des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils.
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Nachfolgend ist der Transport- und/oder Lagervorgang zwischen der Stapelstation II und der Assemblierstation III näher beschrieben: So wird nach der Bestückung des Behälters 17 mit den Faserhalbzeugen 15 dessen Gehäuseboden 19 mittels eines Scherenhubtisches angehoben und an die Gehäusehaube 21 angedockt. Dadurch sind die im Behälter 17 gelagerten Faserhalbzeuge 15 luft-, licht- und feuchtigkeitsdicht nach außen abgeschirmt.
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In der 1 weist der Behälter 17 einen Schutzgasanschluss 33 auf, mittels dem der Behälterinnenraum mit trockener Luft und/oder einem Schutzgas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, konditioniert werden kann. Zudem weist der Behälter 17 beispielhaft einen weiteren Anschluss 38 für ein Sicherheitsventil auf. In einem derart klimatisierten Behälter 17 sind die Prepregs 15 ohne Beeinträchtigung der Weiterverarbeitung über einen längeren Zeitraum lagerbar und anschließend zur Assemblierstation III transportierbar, deren grober Aufbau in der 2 gezeigt ist. Demzufolge weist die Assemblierstation III eine Einhausung 34, auf, die einen Verarbeitungsraum 35 begrenzt, der mit trockener Luft klimatisiert ist und nach außen vor nachteiligen Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist. Die Assemblierstation III weist in der 2 außenseitig ihrer Einhausung 34 insgesamt beispielhaft drei Andockstellen 37 auf. An jeder der Andockstellen 37 ist ein mit vorimprägnierten, textilen Halbzeugen 15 bestückter Behälter 17 positioniert. Die in jedem Behälter 17 befindlichen Halbzeuge 15 weisen jeweils unterschiedliche Faserorientierungen und/oder einen unterschiedlichen Faseraufbau und/oder unterschiedliches Fasermaterial auf, wie es in der Schnittansicht von oben aus der 2 durch die Kreuzschraffur, die Horizontalschraffur und durch die Schrägschraffur der Halbzeuge 15 angedeutet ist.
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Dabei ist jeder der Behälter 17 mit seiner Entnahmeöffnung 27 in Überdeckung mit einer korrespondierenden Zugangsöffnung 39 gebracht, die in der Einhausung 34 der Assemblierstation III ausgebildet ist. Die drei Behälter 17 sind in der 2 unter Zwischenlage eines Dichtungsflansches 41 (2 bis 4) in Anlage mit der Einhausung 34. Der Dichtungsflansch 41 umzieht die Zugangs- und Entnahmeöffnungen 27, 39 luftdicht. Der die Entnahmeöffnung 27 des jeweiligen Behälters 17 verschließende Seitendeckel 25 ist so konstruiert, dass er nach erfolgtem Andockvorgang des Behälters 17 ausgehend vom Verarbeitungsraum 35 vom Werker (oder alternativ automatisch) geöffnet werden kann. In der 5 ist eine Ansicht von innerhalb der Assemblierstation III gezeigt, und zwar in einer Blickrichtung des Werkers auf die geöffneten Zugangs- und Entnahmeöffnungen 27, 39. Auf diese Weise erhält der im Verarbeitungsraum 35 befindliche Werker einen unmittelbaren Zugriff auf die in den angedockten Behältern 17 befindlichen Faserhalbzeuge 15. Die Faserhalbzeuge 15 können somit geschützt vor äußeren Umgebungseinflüssen entnommen und auf einem Schneidtisch 43 im Verarbeitungsraum 35 automatisiert oder manuell zugeschnitten werden.
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Anschließend werden die zugeschnittenen Faserhalbzeuge 15 auf einem Legetisch 45 zu dem Lagenpaket 16 lose oder gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Binders übereinandergeschichtet. Das Lagenpaket 16 wird anschließend durch eine nach außen zu öffnende Klappe über eine auf einem Schienensystem gelagerte Schublade aus der Assemblierstation III geschoben (transportiert) und kann dann in eine Werkzeugform eingelegt werden, in der ein Tiefzieh- und/oder Pressvorgang zur Herstellung des Kunststoffbauteils erfolgt.
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In den 3 und 4 ist eine der Andockstellen 37 der Assemblierstation III grob vereinfacht dargestellt. Demzufolge weist die Andockstelle 37 ein Gestell 47 mit Schienensystem auf, auf dem der Behälter 17 verlagerbar positioniert ist. Der darauf positionierte Behälter 17 kann so weit in Richtung auf die Einhausung 34 geschoben werden, bis er bündig am Dichtungsflansch 41 anliegt und mittels Schnellspannern 40 (4) in Position gehalten wird. Anschließend kann der Seitendeckel 25 des Behälters 17 aus dem Inneren der Assemblierstation III geöffnet werden.
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Wie aus den 3 bis 5 weiter hervorgeht, weisen sowohl die behälterseitige Entnahmeöffnung 27 als auch die Zugangsöffnung 39 der Einhausung 34 einen speziellen, in etwa T-förmigen Öffnungsquerschnitt auf. Dieser ist aus einem in der Querrichtung ausgeweiteten Durchlassschlitz 51, durch den die Halbzeuge 15 transferierbar sind, und einem daran anschließenden Zugriffschlitz 53 ausgebildet, der hochkant langgestreckt ausgeführt ist und durch den ein Zugriff auf das oberste Halbzeug 15 im Halbzeug-Stapel des Behälters 17 ermöglicht ist. Die untere Randkante 55 des Zugriffschlitzes 53 ist in der 5 in etwa auf gleicher Höhe wie der Behälterboden 19, wodurch die Stapelhöhe der im Behälter 17 gestapelten Halbzeuge 15 einfach einsehbar ist.
