[0001 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines

Kunststoffformteils aus einem flächigen Halbzeug mittels eines Warmumformverfahrens, bei dem das Halbzeug mittels eines Greifers von einer Bevorratungsstelle in ein Presswerkzeug mit eine Form des Kunststoffformteils bildenden Presswerkzeugteilen transportiert, an dem Presswerkzeug fixiert und unter Erwärmung durch einen Pressvorgang des Presswerkzeugs in Form gebracht wird, wobei das Halbzeug während dessen Herstellung als Polymerwerkstoff mit elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen versehen und vor dem Pressvorgang durch Widerstandsheizung der elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe auf eine vorgebbare Temperatur geregelt wird.

[0002] Insbesondere im Kraftfahrzeug werden infolge ihres geringen Gewichts zunehmend dreidimensional geformte Kunststoffformteile eingesetzt, die aus planen, flächigen Halbzeugen, sogenannten Organoblechen hergestellt sind. Die Formgebung erfolgt dabei in beispielsweise in zwei Hälften teilbaren Presswerkzeugen mit komplementären Innenflächen, in die das Halbzeug eingelegt und unter plastischer Verformung in die gewünschte Form gebracht wird. Das Halbzeug wird dabei in einer Wärmekammer beispielsweise mittels Strahlungswärme wie Infrarotstrahlung oder Umlufterwärmung, Kontaktheizung oder dergleichen auf eine Temperatur, bei der eine plastische Warmumformung möglich ist, beispielsweise über Glastemperatur erhitzt und von einem Greifer in das Presswerkzeug eingelegt. Hierbei werden nicht nur das Halbzeug sondern auch entsprechende Aufnahmerahmen, Teile des Greifers und dergleichen erwärmt, so dass dieser Pro- zess energieaufwendig ist. Infolge einer Abkühlung des Halbzeugs während des Transports muss eine höhere, der Qualität des Halbzeugs abträgliche Temperatur vorgesehen werden. Weiterhin ist die Integration einer Wärmekammer in den Produktionsablauf zeit- und kostenaufwendig und erfordert einen höheren Bereitstellungsraum der Produktionsanlage. [0003] In der DE 2009 016 215 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen beschrieben, bei dem das Presswerkzeug selbst auf eine zur plastischen Umformung des Halbzeugs ausreichenden Temperatur aufgeheizt wird. Infolge der hohen Wärmekapazität des Presswerkzeugs ist eine Aufheizung des Presswerkzeugs energieaufwendig.

Aus der DE 103 51 178 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen bekannt, bei dem das Halbzeug nach dem Einlegen in die Werkzeugform mittels einer elektrischen Widerstandsheizung auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und danach mittels der Werkzeugform gepresst wird Der Aufheizvorgang des Halbzeugs erfolgt in der Form, so dass der Aufheizvorgang entsprechend lange Taktzeiten im Produktionsbetrieb erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei dem aus Halbzeug gefertigte Kunststoffformteile energiesparend, schnell und mit geringem Produktionsraumbedarf hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils aus einem flächigen Halbzeug mittels eines Warmumformverfahrens, bei dem das Halbzeug mittels eines Greifers von einer Bevorratungsstelle in ein Presswerkzeug mit eine Form des Kunststoffformteils bildenden Presswerkzeugteilen transportiert, an dem Presswerkzeug fixiert und unter Erwärmung durch einen Pressvorgang des Presswerkzeugs in Form gebracht wird, gelöst, wobei das Halbzeug während dessen Herstellung als Polymerwerkstoff mit elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen, beispielsweise unter Ausbildung eines Faserverbundwerkstoffs, versehen und vor dem Pressvorgang beim Transport von der Bevorratungsstelle zum Presswerkzeug durch Widerstandsheizung der elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe auf eine vorgebbare Temperatur geregelt wird. In gleichem Sinne wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die eine Stromerzeugungseinrichtung unter Verzicht auf eine Wärmekammer zur Widerstandsheizung des Halbzeugs aufweist.

[0007] Durch die Einsparung einer Wärmekammer kann der gesamte Produktionspro- zess vereinfacht und gestrafft werden. Die in das Halbzeug integrierten elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe bilden durch ihren Innenwiderstand die Heizquelle. Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn diese Zusatzstoffe das verwendete Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Thermoplast, mechanisch verstärken. Hierzu können beispielsweise Kohlenstoffpartikel wie Kohlenstofffasern verwendet werden. Als besonders vorteilhaft haben sich Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise sogenannte endloskohlenstofffaserverstärkte, thermoplastische Halbzeuge (continous carbonfibre reinforced plastics, CFRP) erwiesen. Alternativ können insbesondere für geringere mechanische Belastung intrinsisch elektrisch leitfähige Polymere wie Polyimide vorgesehen werden. Im Weiteren können die Kunststoffformteile einschichtig oder als Sandwich-Bauteile mit zumindest einer Schicht mit elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen ausgebildet sein. Es versteht sich, dass zur Erzielung einer elektrischen Widerstandsheizung die Halbzeuge mit entsprechend hohen Strömen und Spannungen der Stromversorgungseinrichtung belastbar ausgelegt sind. Durch die Widerstandsheizung wird im Wesentlichen selektiv und ausschließlich das Halbzeug auf die nötige Umformtemperatur erwärmt, so dass eine energieeffiziente Erwärmung erzielt wird. Durch die geringe Wärmeabstrahlung der Halbzeuge bleibt diese bis zum Pressvorgang gering. Unter Warmumformverfahren ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem die Halbzeuge nach oder bei entsprechender Erwärmung auf eine durch die Widerstandsheizung eingeregelte, vorgebbare Temperatur, in der plastische Verformung möglich ist, beispielsweise bei oder über der Glastemperatur, Erweichungstemperatur und dergleichen des einschichtigen Halbzeugs oder aller Schichten eines mehrschichtigen Halbzeugs in einem mehrteiligen bevorzugt zweiteiligen Presswerkzeug von der flächigen Form in eine dreidimensionale Form gebracht werden. Hierbei bilden die aufeinander zubewegten, mit komplementären Flächenanteilen versehenen Presswerkzeugteile im geschlossenen Zustand das begrenzende Volumen für das zu formende Kunststoffformteil. Nach dem Pressvorgang kann das ausgelöste Kunststoffformteil durch Nachbearbeitung, beispielsweise Abtrennen überschüssiger Ränder, Oberflächenbearbeitung und dergleichen in Endform gebracht werden. Das Presswerkzeug ist in vorteilhafter Weise mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit also mit einem höheren elektrischen Widerstand als das Halbzeug ausgebildet, so dass keine weiteren Maßnahmen der elektrischen Isolierung des Presswerkzeugs gegenüber dem Halbzeug getroffen werden müssen. Hierzu können die Flächen der Presswerkzeugteile beispielsweise gefettet, be- schichtet oder in anderer Weise behandelt sein, so dass die Auswahl für das Material des Presswerkzeugs im Wesentlichen unabhängig von dessen elektrischer Leitfähigkeit an die Vorgaben des Pressvorgangs angepasst werden kann.

[0009] Unter Greifer ist eine Einrichtung zu verstehen, welche pro Presswerkzeug zyklisch ein im Wesentlichen planes Teil des Halbzeugs an der Bevorratungseinrichtung, beispielsweise einer vertikalen oder horizontalen Schichtung von Halbzeugteilen, einem Zuführband und oder dergleichen aufnimmt und in bevorzugter Weise das geformte Kunststoff teil wieder in einer Ablageeinrichtung oder einem Transportband oder dergleichen ablegt. Das Halbzeug in Form entsprechend vorkonfektionierter flächiger Platten kann in Rahmen, beispielsweise aus Keramik oder anderen über dem Erweichungspunkt des Halbzeugs temperaturbeständigen Materialien untergebracht sein, die über entsprechende Fixierpunkte verfügen, an denen das Halbzeug positioniert an Gegenpunkten wie Stiften im Presswerkzeug aufgenommen wird. Alternativ kann das Halbzeug selbst über entsprechende Fixierpunkte wie Öffnungen verfügen.

[00010] Die Stromerzeugungseinrichtung kann als Transformator mit einer Strom-, Span- nungs- oder Leistungsregelungseinrichtung vorgesehen sein, der bevorzugt elektrische Energie bevorzugt als Hochstrom und Niederspannung bereitstellt. Hierbei kann empirisch und/oder per Simulation ein Zusammenhang zwischen der aufzuwendenden elektrischen Energie und der Temperatur des Halbzeugs ermittelt und die Zufuhr der elektrischen Energie entsprechend gesteuert werden. Die Stromversorgungseinrichtung kann ortsfest angeordnet sein, wobei die Energiezufuhr in das Halbzeug während des Transports im Greifer und gegebenenfalls nach dessen Einlegen in das Presswerkzeug erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Stromversorgungseinrichtung beziehungsweise zumindest deren die elektrische Energie in das Halbzeug eintragenden Elektroden am Greifer oder den besagten Rahmen vorgesehen sein, so dass die elektrische Energie bereits beim Aufnehmen des Halbzeugs durch den Greifer eingeleitet und dadurch die Taktrate erhöht werden kann. Hierbei kann der Greifer während des Pressvorgangs am Presswerkzeug verbleiben und die Widerstandsheizung während des Pressvorgangs zumindest zeitweise aufrechterhalten. [0001 1 ] In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens kann das Halbzeug vor Erreichen eines plastischen Zustands bereits elastisch durch das Presswerkzeug verformt werden, so dass die Taktraten zusätzlich verringert werden können. Dabei kann das Zufahren des Presswerkzeugs abhängig von der mittels der an der Stromversorgungseinrichtung anliegenden Größen wie Spannung, Leistung, Strom oder einem mittels dieser Größen oder einem in anderer Weise ermittelten Widerstand des Halbzeugs bestimmten Temperatur erfolgen. Die Temperatur des Halbzeugs kann in verbesserter Weise über das gesamte Halbzeug vorgebbar verteilt werden, indem mehr als zwei die elektrische Energie einspeisende Kontaktelektroden vorgesehen werden. Je nach lateraler Form, auszuformenden Bäuchen und dergleichen können die Kontaktelektroden über den Umfang des Halbzeugs so verteilt werden, dass insbesondere während des Pressvorgangs über die Fläche des Halbzeugs beziehungsweise das sich bildende Kunststoffformteil im Wesentlichen gleiche Temperaturen ansteuerbar sind. Hierzu können die Kontaktelektroden lateral und/oder an der Stirnseite des Halbzeugs angeordnet und beispielsweise mittels Druckgebern gegenüber diesem vorgespannt sein. Die Stromübertragung von den Kontaktelektroden auf das Halbzeug kann unter anderem durch deren Fläche und deren Anpressdruck gesteuert werden. Die Kontaktelektroden können hierzu von den Druckgebern entsprechend druckbeaufschlagt werden.

[00012] Im Weiteren kann die Erfassung des Widerstands der Qualitätssicherung des

Halbzeugs und/oder des Kunststoffformteils dienen. Beispielsweise können die Widerstandsmessungen insbesondere über mehrere Kontaktelektroden zur Qualitätssicherung beispielsweise der mechanischen Festigkeit des Kunststoffformteils herangezogen werden. Hierzu können beispielsweise während des Aufheiz- , Press- und/oder Abwärmprozesses die eingeleitete elektrische Energie, der Widerstand im stromlosen Zustand oder ähnliche elektrische Messverfahren die Verteilung der eine Verstärkung des Halbzeugs und/oder des Kunststoffformteils bereitstellenden, elektrisch leitenden Verteilung, die auf das Kunststoffformteil einwirkende Temperatur und andere qualitätsrelevante Parameter von der Aufnahme des Halbzeugs bis zur Ablage des fertigen Kunststoffformteils ermittelt, ausgewertet und archiviert werden, so dass jederzeit und für jedes Individuum eine Qualitätseinschätzung erbracht werden kann. [00013] Das Verfahren eignet sich zudem für zusätzlich an das Kunststoffformteil anzubringende Kunststoffkomponenten, welche beispielsweise während eines Aufenthalts des Halbzeugs in dem Presswerkzeug mittels eines Spritzgusswerkzeugs an das Halbzeug beziehungsweise an das fertiggepresste, bevorzugt noch be- stromte Kunststoffformteil angespritzt wird. Auf diese Weise können Kunststoffformteile als Verbundteile aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen werden. Beispielsweise kann in einem Spritzgießverfahren ein weiterer, verstärkter oder unverstärkter Thermoplast oder in einem entsprechend modifizierten Spritzgießverfahren ein Duroplast angespritzt werden. Mittels der Widerstandsheizung können dabei gegebenenfalls selektiv an der Stelle der anzuspritzenden Kunststoffkomponenten entsprechend gegenüber dem Rest geänderte Temperaturen des Halbzeugs beziehungsweise im Entstehen befindlichen Kunststoffformteils vorgesehen werden.

[00014] Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine ausschnittsweise dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von

Kunststoffformteilen aus planen Halbzeugen vor einem Press- und Spritzvorgang im Schnitt,

Figur 2 die Vorrichtung der Figur 1 während des Press- und Spritzvorgangs, Figur 3 die Vorrichtung der Figuren 1 und 2 nach dem Press- und Spritzvorgang,

Figur 4 eine gegenüber der Stromversorgungseinrichtung der Figuren 1 bis 3 geänderte Stromversorgungseinrichtung im Schnitt und

Figur 5 einen systematisch dargestellten Greifer mit integrierter Stromversorgungseinrichtung.

[00015] Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient der Durchführung des Verfahrens zur

Herstellung von Kunststoffformteilen aus plan als Platten wie Organoblechen geformten Halbzeugen 2, wobei lediglich der Kern der Vorrichtung 1 mit dem Presswerkzeug 3 dargestellt und weitere Bestandteile der Vorrichtung 1 wie die Bevorratungsstelle des Halbzeugs 2 und der dieses in das Presswerkzeug zuführenden und die Kunststoffformteile abtransportierenden Greifers weggelassen sind. Das im Schnitt dargestellte Presswerkzeug 3 ist aus mehreren - hier zwei - Presswerkzeugteilen 4, 5 gebildet, deren Oberflächen 6, 7 zueinander dreidimensional und komplementär zueinander unter Einhaltung eines Formvolumens ausgebildet sind.

[00016] Das Halbzeug 2 wird nach Erwärmen durch Verlagerung der Presswerkzeugteile

4, 5 gegeneinander in die entsprechende dreidimensionale Form gebracht und besteht aus einer oder mehreren Schichten einer oder mehreren Sorten thermoplastischen Kunststoffpolymers, wobei zumindest eine Schicht elektrisch leitfähige Zusatzstoffe wie Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern oder -partikel enthält, welche zudem als mechanische Verstärkung des Halbzeugs 2 und des nachfolgend hergestellten Kunststoffformteils dient. Das Halbzeug 2 wird mittels einer Zufuhr elektrischer Energie mittels der Stromversorgungseinrichtung 8 mit der Stromquelle 9 und den Kontaktelektroden 10, 1 1 erwärmt, wobei der innere Widerstand der elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe Ohmsche Wärme entwickelt.

[00017] Die Zufuhr der elektrischen Energie wird mittels der Steuereinrichtung der Größe und der Zeit nach so geregelt, dass das Halbzeug 2 gleichmäßig auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise im Bereich der Glas- oder Erweichungstemperatur erwärmt und das Halbzeug 2 in dem Presswerkzeug 3 warm umgeformt wird. Neben einer Steuerung der Energiezufuhr in Form einer Hochstromanwendung mit bevorzugt geringen Spannungen mittels der Stromversorgungseinrichtung 8 kann das Halbzeug 2 gezielt erwärmt werden, indem die Position und Anzahl der zumindest zwei Kontaktelektroden 10, 1 1 entsprechend gewählt wird. Im Weiteren kann durch die die Vorspannung der Kontaktelektroden 10, 1 1 mittels der Druckgeber 13, 14 gegenüber dem Halbzeug 2 ein Übergangswiderstand eingestellt beziehungsweise optimiert werden.

[00018] Wie gezeigt können die Kontaktelektroden 10, 1 1 mit dem Rahmen 15 verbunden beziehungsweise an diesem aufgenommen sein. Der Rahmen 15 nimmt dabei das Halbzeug 2 auf und ermöglicht mittels nicht dargestellter Aufsteckpins eine positionierte Anordnung am Presswerkzeug 3 - hier am Presswerkzeugteil 5. Der Rahmen ist aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Keramik hergestellt oder mittels einer isolierenden Leitschicht versehen. Zusätzlich weisen zumindest die Oberflächen 6, 7 gegenüber der Leitfähigkeit des Halbzeugs 2 eine geringere Leitfähigkeit auf, um Leckströme über das Presswerkzeug 3 zu verringern oder zu verhindern. Hierzu können die Oberflächen 6, 7 durch entsprechende Behandlung wie Beschichtung, Passivierung und dergleichen eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und/oder das Material des Presswerkzeugs 3 vermindert leitende Eigenschaften aufweisen.

[00019] Zur Einsparung der Produktionszeit beziehungsweise einer Erhöhung der Taktrate kann das Halbzeug 2 bereits vor dem Einbringen erwärmt werden. Hierzu können die Kontaktelektroden mit dem Rahmen mobil vorgesehen sein, so dass Halbzeug 2 und Rahmen 15 samt Kontaktelektroden 10, 1 1 von dem Bevorratungsort in das Presswerkzeug 3 verlegt werden können.

Zusätzlich zur Warmumformung des Halbzeugs 2 ist in dem gezeigten Presswerkzeug 3 vorgesehen, eine weitere Kunststoffkomponente mittels des nur teilweise dargestellten Spritzgießaggregat 16 an das Halbzeug 2 anzuspritzen. Hierzu wird die verflüssigte Kunststoffkomponente 17 in dem Spritzgießaggregat 16 vorgehalten und nach entsprechender Anlage des Halbzeugs 2 an der Oberfläche 6 die Spritzgießform 18 gefüllt und eine plastische Verbindung mit dem Halbzeug 2 hergestellt.

[00021 ] Figur 2 zeigt die Vorrichtung 1 während des Pressvorgangs bei bereits ausgebildeter Form des Halbzeugs 2 und bei angespritzter Kunststoffkomponente 17. Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Temperatur des Halbzeugs 2 zumindest teilweise aufrecht zu erhalten, um eine bessere Verbindung von Kunststoffkomponente 17 und Halbzeug 2 zu erzielen.

[00022] Figur 3 zeigt die Vorrichtung 1 mit nach dem Press- und Spritzvorgang geöffneten

Presswerkzeug 3 mit dem aus dem Halbzeug 2 und der Kunststoffkomponente 17 gebildeten Kunststoffformteil 19. Dieses wird aus den Kontaktelektroden 10, 1 1 und dem Rahmen 15 gelöst und einzeln oder in anderen Ausführungsbeispielen samt Rahmen und Kontaktelektroden abtransportiert. [00023] Figur 4 zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber den Kon takte lektroden 10, 1 1 der Figur 1 veränderten Kontaktelektrode 10a mit zwei lateral und gegenüberliegend das lediglich teilweise dargestellte Halbzeug 2 kontaktierenden Elektroden 20, 21 sowie der das Halbzeug 2 stirnseitig kontaktierenden Elektrode 22. In der gezeigten Darstellung sind die Elektroden 20, 21 , 22 mit Abstand zu dem Halbzeug 2 nicht kontaktierend dargestellt. Mittels der vorsteuerbaren Druckgeber 13a, 13b, 13c können die verlagerbar in dem Rahmen 15a aufgenommenen Elektroden 20, 21 , 22 gegen das Halbzeug 2 mit vorgegebener Vorspannkraft vorgespannt werden. Jede Elektrode 20, 21 , 22 verfügt über einen eigenen Stromanschluss 23, 24, 25, so dass diese separat gesteuert werden können, wobei verschiedene Strompfade in Verbindung mit weiteren Kontaktelektroden, welche beabstandet zur Kontaktelektrode 10a an dem Halbzeug 2 angeordnet sind, vorgesehen werden können, die eine gleichmäßige oder an vorgegebenen Flächenbereichen gezielt veränderbare Erwärmung des Halbzeugs 2 ermöglichen.

[00024] Figur 5 zeigt systematisch den Greifer 26, welcher den Rahmen 15b mit dem

Halbzeug 2 an der Bevorratungsstelle 27 aufnimmt und in das nicht dargestellte Presswerkzeug einlegt. Der Rahmen 15b enthält die Kontaktelektroden 10b, 1 1 b. Die Zuleitungen 28, 29 versorgen diese mit elektrischer Energie, so dass das Halbzeug 2 bereits während dem Transport zum Presswerkzeug vorgewärmt werden kann. Die Stromquelle ist in nicht dargestellter Weise im Greifer oder stationär in einer Versorgungseinheit untergebracht.

Bezuqszeichenliste

Vorrichtung

Halbzeug

Presswerkzeug

Presswerkzeugteil

Presswerkzeugteil

Oberfläche

Oberfläche

Stromversorgungseinrichtung

Stromquelle

Kontaktelektrode

a Kontaktelektrode

b Kontaktelektrode

Kontaktelektrode

b Kontaktelektrode

Steuereinheit

Druckgeber

a Druckgeber

b Druckgeber

c Druckgeber

Druckgeber

Rahmen

a Rahmen

b Rahmen

Spritzgießaggregat

Kunststoffkomponente

Spritzgießform

Kunststoffformteil

Elektrode

Elektrode

Elektrode

Stromanschluss Stromanschluss Stromanschluss Greifer

Bevorratungsstelle Zuleitung

Zuleitung