Vakuumformwerkzeug zur Anwendung des Verfahrens

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils sowie ein Vakuumformwerkzeug zur Anwendung des Verfahrens.

Isolationsverbundbauteile, die passgenau und stoffschlüssig mit einem metallischen Mantel verbunden werden, sind in unterschiedlichen Ausprägungen bekannt und bereits im Einsatz. So gewinnt beispielsweise die Verwendung derartiger Isolationsverbundbauteile für die Schall- beziehungsweise Wärmeisolierung einzelner Elemente im Motorraum oder des Abgasstranges in Kraftfahrzeugen eine zunehmende Bedeutung. Insbesondere die in einem Kraftfahrzeug verwendeten Katalysatoren müssen in möglichst kurzer Zeit auf ihre Betriebstemperatur gebracht und mit dieser betrieben werden, was eine entsprechend aufwendige Isolierung erfordert. Für diesen Einsatzzweck ist zum Beispiel ein Isolationsverbundbauteil erforderlich, das Temperaturen von 600° C bis über 1000 °C stand halten kann und das sich dabei optimal zwischen der Oberfläche des Katalysators und dessen metallischen Mantel einpassen lässt. Der einer thermischen und akustischen Abschirmung dienende Mantel des Katalysators wird in der Regel aus einem komplex geformten Blech oder Lochblech hergestellt, in das zugeschnittene Glasfasermatten manuell eingelegt beziehungsweise eingeklebt werden. Folglich geht die Herstellung eines derartigen Isolationsverbundbauteils mit einem erheblichen Arbeitsaufwand einher, der letztlich die Herstellungskosten erhöht und wegen des zum Einsatz kommenden Haftvermittlers, worunter beispielsweise ein Klebstoff zu verstehen ist, auch gesundheitlich beeinträchtigend sein kann. Ein weiterer Nachteil besteht auch darin, dass sich die Glasfasermatten auf Grund ihrer Steifigkeit nicht optimal in die komplex gestalteten Geometrien des Mantels einpassen lassen und dadurch lokal eine unerwünschte Faltenbildung entsteht, die letztlich zu einem vorzeitigen Verschleiß des Isolationsformteils und/oder zu einer eingeschränkten Isolierung des Katalysators führen kann.

Die DE 20 2005 007 653 111 betrifft ein Isolationsverbundbauteil, das aus einer Fasermatte und aus einer als Kaschierung derselben ausgebildeten, sehr dünnen Metallfolie besteht, wobei die Metallfolie mittels eines Hochtemperaturklebers mit der Fasermatte verbunden wird. Die Metallfolie wird nach der Schrift als eine mikrostrukturierte Edelstahlfolie mit einer Materialdicke zwischen 0,03 bis 0,08 mm ausgebildet. Auch hierbei sind jedoch die bereits beschriebenen Nachteile bei der Herstellung eines derartigen Isolationsverbundbauteiles zu verzeichnen, die sich aus der überwiegend manuellen Tätigkeit ergeben.

Darüber hinaus geht aus der DE 35 34 757 A1 eine Lösung für ein Isolationsverbundbauteil hervor, bei der ein metallisches Innenteil Verwendung findet, bei dem es sich um ein Sieb-Gewebe handelt, auf das ein keramisches Fasermaterial aufgebracht wird. Ein metallischer Außenmantel nimmt die beiden Schichten auf, sodass hier ein aus drei Schichten bestehendes Isolationsverbundbauteil entsteht. Zur Fixierung des Außenmantels werden Spannringe verwendet, was hinsichtlich der Montage aufwendig ist.

Durch die bisher noch immer gegebene manuelle Fertigung derartiger Isolationsverbundbauteile kommt es leider auch zu Abweichungen und Fehlern bei der Herstellung. Eine kontinuierliche Prozesssicherheit kann folglich auf diese Weise nicht gewährleistet werden. Außerdem sind mit den bekannten Fertigungsverfahren keine großen Stückzahlen, wie sie zum Beispiel in der Automobilindustrie benötigt werden, erreichbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils bereitzustellen, das eine vereinfachte, weitgehend automatisierte Fertigung bei konstanter Qualität und mit der erforderlichen Prozesssicherheit ermöglicht.

Es ist ferner ein Vakuumformwerkzeug bereitzustellen, mit dem das Verfahren durchführbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich jeweils anschließenden Unteransprüche.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils, das aus einem metallischen Mantel besteht, in den eine Fasermatte eingepasst und stoffschlüssig mit diesem verbunden wird, ist erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

-Herstellung des metallischen Mantels in einer Umformvorrichtung, -Ausstanzen eines eine Abwicklungsgeometrie aufweisenden Faserstanzteils aus einer ebenen Fasermatte,

-automatisierte Erfassung und anschließende, passgenaue Auflage des Faserstanzteils auf die Oberfläche eines Vakuumformwerkzeuges, in dem Bereich, in dem dieses eine Negativform eines aus dem Faserstanzteils zu erzeugenden Isolationsrohlings und zudem eine Vielzahl einzelner Vakuumkanäle in dieser Negativform aufweist, wobei die Vakuumkanäle strömungsleitend mit einer ein Vakuum erzeugenden

Vakuumerzeugungseinrichtung verbunden sind,

-Erzeugung eines Vakuums, sodass das Faserstanzteil an die Negativform des Vakuumformwerkzeuges angesaugt und dadurch der Isolationsrohling hergestellt wird,

-automatisierte Aufbringung eines Haftvermittlers auf die Außenoberfläche des erzeugten Isolationsrohlings, -automatisierte Auflage des metallischen Mantels auf die mit dem Haftvermittler versehene Außenseite des Isolationsrohlings,

-Aushärtung des Haftvermittlers, bis eine Haftwirkung besteht, -Entformung des entstandenen Isolationsverbundbauteils aus dem Vakuumformwerkzeug.

Ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in dem Wegfall manueller Tätigkeiten, sodass dadurch eine hohe Prozesssicherheit und damit eine gleichbleibende Qualität bei einer wesentlichen Erhöhung der zu fertigenden Stückzahlen gewährleistet werden kann. Die automatisierte Vorfertigung eines Isolationsrohlings gestattet zudem eine hohe Präzision bei der Anpassung an die Geometrie des metallischen Mantels, sodass auf diese Weise der Ausschussanteil in der Fertigung vernachlässigbar ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darüber hinaus auch darin, dass handelsübliche Fasermatten verwendet werden können, die, abgesehen von ihrem Zuschnitt im Sinne einer Abwicklungsgeometrie, keiner speziellen Anpassung bedürfen.

Entsprechend einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Entformung des Isolationsverbundbauteils aus dem Vakuumformwerkzeug durch Unterbrechung oder alternativ hierzu durch Umkehrung des Vakuums erfolgt. Somit kann auch in diesem Arbeitsschritt die bisher manuelle Tätigkeit automatisiert werden. Das Vakuum wird hierbei sowohl zur Verformung, als auch zur Fixierung des Isolationsrohlings verwendet. Ein einfaches Abschalten des Vakuums ist daher in der Regel ausreichend für eine problemlose Entformung des fertig gestellten Isolationsverbundbauteils. In seltenen Fällen kann es jedoch vorkommen, dass beispielsweise durch kleine Haftvermittlerreste ein Anhaften des Isolationsverbundbauteils an der Negativform zu verzeichnen ist und sich dieses somit nicht selbsttätig löst. Unter diesen Umständen kann durch Umkehrung des Vakuums, also beispielsweise durch Erzeugung eines kurzen Druckluftstoßes, das Isolationsverbundbauteil zuverlässig von der Negativform des Vakuumformwerkzeuges getrennt werden. Eine alternative oder ergänzende und sehr einfache Vorgehensweise, das erzeugte Isolationsverbundbauteil nach seiner Herstellung von dem Vakuumformwerkzeug zu trennen, besteht ferner darin, das Isolationsverbundbauteil mit Hilfe der Schwerkraft, also durch Wenden des Vakuumformwerkzeuges um 180°, zu entformen. Auch dieser Vorgang ist problemlos automatisierbar und bedarf daher keines manuellen Eingriffs.

Bevor das Faserstanzteil auf die Negativform des Vakuumformwerkzeuges aufgebracht wird, ist es darüber hinaus sinnvoll, zunächst eventuell für die Weiterverarbeitung erforderliche Ausnehmungen in das Faserstanzteil einzubringen. Die nach der Umformung an die Negativform des Vakuumformwerkzeugs angepasste Geometrie würde eine Einbringung derartiger Ausnehmungen eher erschweren.

Zur Beschleunigung der Herstellung des Isolationsrohlings in dem Vakuumformwerkzeug geht ein weiterführender Vorschlag nach der Erfindung dahin, eine Erwärmung der die Vakuumkanäle aufweisenden Negativform vorzusehen. Durch diese Erhitzung der Negativform kann darüber hinaus in vorteilhafter Weise eine verbesserte Formstabilität des auf diese Art erzeugten Isolationsrohlings erreicht werden, die sich letztlich auch positiv auf dessen Weiterverarbeitung auswirkt.

Eine Temperaturerhöhung kann sich darüber hinaus auch positiv auf den Trocknungsvorgang des Haftvermittlers auswirken, da dessen Haftwirkung durch eine Erwärmung beschleunigt wird. Dies hängt mit einer verbesserten chemischen Reaktion des Haftvermittlers infolge der Erwärmung zusammen.

Ein erfindungsgemäßes Vakuumformwerkzeug zur Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus zumindest einem Werkzeugoberteil und wenigstens einem Werkzeugunterteil bestehende Vakuumformwerkzeug eine Negativform eines aus einem eine Abwicklungsgeometrie aufweisenden Faserstanzteils einer Fasermatte zu erzeugenden Isolationsrohlings aufweist, wobei in die Oberfläche der Negativform und senkrecht zu der Oberfläche eine Vielzahl einzelner Vakuumkanäle als Bestandteil eines Vakuumkanalsystems eingebracht sind.

Durch das im Vakuumformwerkzeug vorhandene Vakuum kann das Faserstanzteil an die Negativform des zu erzeugenden Isolationsrohlings angesaugt und in diesem Bereich fixiert werden. Darüber hinaus wird durch das Vakuum erreicht, dass eine Umformung des Faserstanzteils zu dem Isolationsrohling möglich wird. Dieser Vorgang läuft automatisch ab, ohne dass es des Eingreifens einer Bedienperson bedarf. Maßgeblich für den Erfolg dieses Arbeitsschrittes sind dementsprechend die Vakuumkanäle als Bestandteile des Vakuumkanalsystems. Das erfindungsgemäße Vakuumformwerkzeug weist demnach einen einfachen Aufbau auf und ist kostengünstig herstellbar. Dennoch können mit diesem Vakuumformwerkzeug große Stückzahlen der zu erzeugenden Isolationsverbundbauteile hergestellt werden, was insbesondere in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung ist.

Um sämtliche Vakuumkanäle zuverlässig mit dem erforderlichen Vakuum zu versorgen, geht ein weiterführender Vorschlag nach der Erfindung dahin, innerhalb des Vakuumformwerkzeuges einen Sammelkanal zur Bündelung der einzelnen Vakuumkanäle vorzusehen, dessen projizierte Fläche größer als die Gesamtfläche der in die Negativform eingebrachten Vakuumkanäle ist. Einfacher ausgedrückt weist der Sammelkanal ein größeres Volumen auf, als sämtliche Vakuumkanäle zusammengenommen.

Zur Vermeidung von Beschädigungen der Oberfläche des Isolationsverbundbauteils ist es ferner vorteilhaft, wenn die Vakuumkanäle im Bereich der Oberfläche der Negativform eine Senkung aufweisen. Diese Senkung ist lediglich dafür gedacht, scharfkantige Übergänge zu vermeiden. Ihre Ausführung ist jedoch so gering, dass keine Deformation der Oberfläche des Isolationsverbundbauteils entsteht. In einem erfindungsgemäßen Vakuumformwerkzeug ist es von Vorteil, wenn das Rastermaß der Vakuumkanäle zwischen 12 und 17 mm, bevorzugt jedoch 15 mm und ihr Durchmesser zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt jedoch 2 mm beträgt. Mit einer derartigen Anordnung können beispielsweise Isolationsverbundbauteile erzeugt werden, die für Abgaskatalysatoren in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus besteht eine konkrete Ausgestaltung der Negativform des Vakuumformwerkzeuges für den genannten Einsatzzweck darin, dass hier zwischen 1 10 und 140, bevorzugt 130 Vakuumkanäle vorgesehen sind.

Optimale Ergebnisse haben sich in diesem Fall ferner mit einer Vakuumerzeugungseinrichtung ergeben, die mit einer Saugleistung von 300 m ³ /h als Vakuum-Gebläse ausgeführt ist und ein Vakuum von 0,2 bis 0,4 bar, bevorzugt 0,3 bar erzeugt. In diesem Bereich wird das Faserstanzteil exakt umgeformt und gleichmäßig an der Negativform des Vakuumformwerkzeuges fixiert.

Zur Umsetzung einer maximalen Automatisierung des gesamten Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils nach der Erfindung geht ein weiterführender Vorschlag ferner dahin, wenigstens einige, bevorzugt jedoch sämtliche automatisierten Verfahrensschritte mittels eines programmgesteuerten Roboters durchzuführen. Ein derartiger Roboter kann folglich zum Einsatz kommen, um das Faserstanzteil auf die Negativform aufzusetzen beziehungsweise um den Haftvermittler auf die Außenoberfläche des Isolationsrohlings aufzubringen und anschließend den metallischen Mantel auf diese Oberfläche aufzusetzen. Darüber hinaus kann ein Roboter auch verwendet werden, um die fertig gestellten Isolationsverbundbauteile aus dem Vakuumformwerkzeug zu entnehmen und/oder diese einer Verpackung zuzuführen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt dabei keine Einschränkung auf die dargestellte Variante dar, sondern dient lediglich der Erläuterung eines Prinzips der Erfindung.

Gleiche oder gleichartige Bauteile werden stets mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind.

Es zeigt:

Figur 1 : eine schematisch stark vereinfachte Explosivdarstellung eines

Vakuumformwerkzeuges, entsprechend einem ersten Arbeitsschritt zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils,

Figur 2: eine schematisch stark vereinfachte Explosivdarstellung des

gesamten Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils

und

Figur 3: einen Schnitt durch ein Vakuumformwerkzeug, in Längsrichtung der Negativform.

Die in der Figur 1 dargestellte Explosivdarstellung eines Vakuumformwerkzeuges 3 besteht aus einem Werkzeugoberteil 9 und einem Werkzeugunterteil 10. Die in dem Werkzeugunterteil 10 erkennbaren Bohrungen dienen der lösbaren Verbindung der beiden Werkzeugteile, wozu beispielsweise einfache Maschinenschrauben Verwendung finden können, die in der Figur 1 jedoch nicht dargestellt sind. Die dem Werkzeugunterteil 10 abgewandte Seite des Werkzeugoberteils 9 weist eine Negativform 4 des zu erzeugenden Isolationsrohlings 5 auf. Die Negativform 4 verfügt über eine Vielzahl einzelner Vakuumkanäle 6, die im vorliegenden Fall als Bohrungen ausgeführt sind. Im Bereich der Oberfläche 11 der Negativform 4 sind diese Vakuumkanäle 6 mit Senkungen ausgestattet, um die Oberflächenqualität des zu erzeugenden Isolationsverbundbauteils zu verbessern. Das Werkzeugoberteil 9 verfügt ferner über Vakuumanschlüsse 12, die dazu dienen, ein Vakuum anzulegen, das über einen Sammelkanal und die Vakuumkanäle 6 zur Oberfläche 11 der Negativform 4 gelangt und damit auf das oberhalb des Vakuumformwerkzeugs 3 dargestellte Faserstanzteil 2 einwirkt.

Bei dem dargestellten Faserstanzteil 2 handelt es sich um eine aus einer handelsüblichen Fasermatte heraus gestanzten Abwicklungsgeometrie, die sich durch das Ansaugen an die Negativform 4 des Vakuumformwerkzeuges 3 in Richtung des Pfeils A bewegt und vollständig an die Oberfläche 11 der Negativform 4 anschmiegt, wobei der dadurch erzeugte Isolationsrohling 5 unmittelbar seine endgültige Form einnimmt, die der Innengeometrie eines anschließend mit dem Isolationsrohling 5 zu verbindenden, metallischen Mantel 1 entspricht.

Anschaulicher geht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Isolationsverbundbauteils aus der Darstellung in Figur 2 hervor. We bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wurde, besteht das Vakuumformwerkzeug 3 aus einem Werkzeugunterteil 10 und einem dichtend auf dieses aufgesetzten Werkzeugoberteil 9, in dem sich die Vakuumsanschlüsse 12 befinden und das zudem eine Negativform 4 des aus dem Faserstanzteil 2 zu erzeugenden Isolationsrohlings 5 aufweist. In der Explosivdarstellung der Figur 2 ist der Isolationsrohling 5 in einer von der Oberfläche 11 der Negativform 4 abgehobenen Position gezeigt. Die Negativform

4 verfügt in der zuvor bereits beschriebenen Weise über eine Vielzahl einzelner Vakuumkanäle 6, über die das Vakuum auf den Isolationsrohling 5 übertragen wird, der dadurch fixiert ist und gleichzeitig umgeformt wird. Auf die Außenseite 8 des Isolationsrohlings 5 erfolgt in einem sich anschließenden Arbeitsschritt die automatisierte Auftragung eines Haftvermittlers 7, wobei bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel eine Bewegung der hierfür zum Einsatz kommenden Sprühvorrichtung 13 in Richtung des Doppelpfeils B einen gleichmäßigen Auftrag gestattet. Nachdem der Haftvermittler 7 auf die Außenseite des Isolationsrohlings

5 aufgebracht wurde, wird ein metallischer Mantel 1 in Richtung des Pfeils C auf die Außenseite 8 des Isolationsrohlings 5 aufgesetzt und in dieser Position fixiert, bis der Haftvermittler 7 seiner Haftwirkung entfaltet hat. Zur Beschleunigung dieses Vorganges kann die Negativform 4 zusätzlich erwärmt werden. Nachdem das somit hergestellte Isolationsverbundbauteil fertig gestellt ist, erfolgt dessen Entformung aus dem Vakuumformwerkzeug 3, was durch eine Umkehrung des Vakuums in einen Druckluftstoß beschleunigt werden kann.

Die Figur 3 zeigt schließlich einen Schnittverlauf in Längsrichtung der Negativform 4 durch das Vakuumformwerkzeug 3. Die Negativform 4 weist einen Hohlraum auf, der im vorliegenden Fall einen Sammelkanal bildet und von dem eine Vielzahl einzelner Vakuumkanäle 6 ausgehen und in der Oberfläche 1 1 der Negativform 4 auslaufen. Die dadurch entstehende, strömungsleitende Verbindung ermöglicht die Zuführung des Vakuums zu der Oberfläche 11 der Negativform 4. Das Vakuumformwerkzeug 3 besteht aus einem Werkzeugoberteil 9 und einem dichtend mit diesem verbundenen Werkzeugunterteil 10, wobei das Werkzeugoberteil 9 zur Verbindung in Richtung des Pfeils D auf das Werkzeugunterteil 10 zu bewegt und anschließend mit diesem verschraubt wird. Zur Herstellung einer Abdichtung zwischen dem Werkzeugoberteil 9 und den Werkzeugunterteil 10 dient im vorliegenden Fall eine Dichtungsnut 14, in die eine Ringdichtung eingesetzt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 metallischer Mantel

2 Faserstanzteil

3 Vakuumformwerkzeug

4 Negativform

5 Isolationsrohling

6 Vakuumkanal

7 Haftvermittler

8 Außenoberfläche (des Isolationsrohlings)

9 Werkzeugoberteil

10 Werkzeugunterteil

11 Oberfläche (der Negativform)

12 Vakuumanschluss

13 Sprühvorrichtung

14 Dichtungsnut