OBERFLÄCHEN EINES HALBZEUGS

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbildung oder dem Anspritzen von Elementen, insbesondere Kunststoffelementen an Oberflächen eines

Halbzeugs. Sie kann insbesondere vorteilhaft bei großformatigen Halbzeugen, wie z.B. großen Blechen, Profilen oder Karosserieteilen eingesetzt werden, um Kunststoffelemente direkt an einer gewünschten Position mit der jeweils gewünschten Geometrie und Dimensionierung auszubilden. So kann man beispielsweise Kunststoffbuchsen direkt in Bohrungen eines Halbzeugs hersteilen. Man kann aber auch Elemente anspritzen. Dies gelingt vorteilhaft, wenn Konturelemente an Oberflächen eines Halbzeugs vorhanden sind, in die bei einem Spritzgießvorgang Elementwerkstoff eingespritzt oder über die Oberfläche eines Halbzeugs herausragende Konturelemente umspritzt werden können.

Insbesondere bei großformatigen Bauteilen, die mit Elementen versehen werden sollen, ist bisher der Aufwand für die Herstellung und den Betrieb entsprechend dafür geeigneter Spritzgießanlagen oder -Werkzeuge erheblich, da ja ein Halbzeug zumindest zu einem großen Teil in ein entsprechendes Formwerkzeug hineinpassen muss. Dabei spielen die Werkzeugkosten bei kleineren Stückzahlen eine besonders große Rolle.

Die Kosten für Spritzgusswerkzeuge steigen zusätzlich, wenn an Halbzeugen an mehreren in Abständen zueinander angeordneten Positionen Elemente ausgebildet werden sollen, da hierfür in der Regel teure kostenintensive Heißkanalsysteme eingesetzt werden.

In der Regel sind Spritzgießanlagen mit denen Hybridstrukturen aus Metall oder Verbundwerkstoffen ausgebildet werden sollen, überdimensioniert.

Nachteilig ist außerdem, dass beim Anfahren einer Spritzgießmaschine und großflächiger Formwerkzeuge große Werkstoffverluste in Kauf genommen werden müssen.

Mit Spritzgießverfahren können die verschiedensten Werkstoffe verarbeitet werden, neben Kunststoffen, wie z.B. auch Silikone, Schäume können auch Metall- und Keramikkompositwerkstoffe so verarbeitet werden, wenn eine entsprechende Metall- oder Keramikpartikel enthaltende Kunststoff matrix, die dann eine Binderfunktion übernehmen kann, durch Spritzgießen verarbeitet wird. Kompositwerkstoffe können ggf. nachfolgend auch von organischen Komponenten thermisch befreit und anschließend gesintert werden.

Innerhalb des beschriebenen Verfahrens können auch Zusatzelemente (Metallinserts, Pins, elektrische - und elektronische Elemente etc.) urformend umhüllt und mit einem Halbzeug verbunden werden.

So ist es bedeutsam, dass beim Kunststoffspritzgießen eine ausreichende Abdichtung eines Formwerkzeugs erreicht wird, so dass kein Kunststoff entweichen kann und gesichert werden kann, dass ein angespritztes

Zusatzelement an der jeweils gewünschten Position und in der vorgegebenen Form ausgebildet werden kann. Dazu sind üblicherweise hohe Kräfte und Drücke erforderlich.

Bei bekannten Lösungen wird häufig die Schließkraft mittels eines C-förmigen Rahmens übertragen, welcher nach einer Seite offen ist. Dadurch ist die Größe des in ein Formwerkzeug einzulegenden Halbzeuges nicht durch die Spritzgießeinrichtung begrenzt. Nachteilig ist jedoch, dass für große

Halbzeuge auch große und damit kostenintensive Systeme zum Bewegen und Positionieren der Halbzeuge eingesetzt werden müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine flexible Herstellung von Elementen, die durch Spritzgießen an Halbzeugen ausgebildet werden, und mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können, anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausbildung oder dem Anspritzen von Elementen, insbesondere Kunststoffelementen an Oberflächen eines Halbzeugs ist ein C-förmiges Bügelelement vorteilhaft so ausgebildet, dass es mit einem Manipulator entlang mindestens einer Achse in Bezug zu einem Halbzeug bewegt und lokal definiert positionierbar ist.

An einem der beiden sich gegenüberliegend angeordneten ersten Schenkel des C-förmigen Bügelelements ist eine zum Spritzgießen ausgebildete Anordnung und am zweiten Schenkel des C-förmigen Bügelelements, der zum Spritzgießen ausgebildeten Anordnung gegenüberliegend, ist ein Gegenhalter angeordnet.

Alternativ dazu kann die zum Spritzgießen ausgebildete Anordnung auch an einem Schenkel eines Positionierbügels und ein Gegenhalter kann dabei an einem gegenüberliegenden Schenkel des Positionierbügels angeordnet sein, wobei die Positionierung der zum Spritzgießen ausgebildeten Anordnung und des gegenüberliegend angeordneten Gegenhalters bzw. eines zweiten Formwerkzeugs zueinander mit Hilfe des Positionierbügels erfolgen kann. In diesem Fall ist ein C-förmiges Bügelelement mit einem Haltebügel und einem Positionierbügel gebildet. Dabei sollte der außenliegend oder parallel zum Positionierbügel angeordnete Haltebügel gelenkig mit einem Manipulator oder mit der zum Spritzgießen ausgebildeten Anordnung und gelenkig mit dem Gegenhalter verbunden sein. Der Positionierbügel sollte dabei starr mit dem Gegenhalter und der Anordnung, die zum Spritzgießen ausgebildet ist, verbunden sein.

An mindestens einem der Schenkel des Positionierbügels kann vorteilhaft eine Linearführung, die zur Positionierung der Formwerkzeuge in Bezug zueinander oder eines Formwerkzeugs oder in Bezug zur Position des Gegenhalters ausgebildet ist, vorhanden sein. Mit der Linearführung kann eine Biegung des C-förmigen Bügelelements kompensiert werden, die ohne Linearführung dazu führen würde, dass Positionierfehler an einem am Halbzeug ausgebildeten Kunststoffelement auftreten würden.

Die Linearführung sollte eine Bewegung des jeweiligen Schenkels, an dem die Linearführung am Positionierbügel angeordnet ist, senkrecht zu seiner Längsachse ermöglichen.

Positionier- und Haltebügel sind dabei nicht miteinander verbunden, sondern bilden parallele Lastpfade. Der Haltebügel kann die zum Spritzgießen erforderlichen Druckkräfte übertragen, während der Positionierbügel Kräfte, die infolge der Eigenmasse der Vorrichtung auftreten, ausgleichen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aber auch jede prinzipiell zur Ausbildung oder dem Anspritzen von Elementen geeignete Anordnung eingesetzt werden, wobei das Spritzgießen aber bevorzugt ist.

Außerdem ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass ein Halbzeug zwischen Gegenhalter und Anordnung angeordnet werden kann, wenn ein Element ausgebildet werden soll.

In Richtung auf eine Oberfläche des Halbzeugs, an der ein Element

ausgebildet werden soll, ist ein in Richtung der jeweiligen Oberfläche des Halbzeugs offenes Formwerkzeug mit einer Negativkontur des jeweiligen Elements angeordnet.

Die Anordnung und/oder der Gegenhalter ist/sind so gegen die jeweilige Oberfläche des Halbzeugs bewegbar, dass die offene Seite des

Formwerkzeugs druckkraftbeaufschlagt die jeweilige Oberfläche des

Halbzeugs und der Gegenhalter die gegenüberliegende Oberfläche des Halbzeugs druckkraftbeaufschlagt berührt, wenn ein Element mittels

Spritzgießen hergestellt wird, wobei Formwerkzeug und Gegenhalter dann gegenüberliegend angeordnet sind.

Zusätzlich kann am Gegenhalter ein in Richtung der Oberfläche des Halbzeugs offenes zweites Formwerkzeug vorhanden sein. Es kann dort angeordnet oder Bestandteil des Gegenhalters sein. Ein zweites Formwerkzeug kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn Elemente an/in

Durchbrechungen (z.B. Bohrungen), die im Halbzeug ausgebildet sind, hergestellt werden sollen.

Vorteilhaft können unterschiedlich ausgebildete erste und/oder zweite Formwerkzeuge austauschbar an der Anordnung oder dem Gegenhalter befestigt sein, so dass unterschiedliche geometrisch gestaltete und/oder dimensionierte Elemente hergestellt werden können.

Die Anordnung und/oder der Gegenhalter kann/können mittels eines Antriebs translatorisch in Richtung der jeweiligen Oberfläche des Halbzeugs und in die dazu entgegengesetzte Richtung bewegbar sein. Wird/werden die Anordnung und/oder der Gegenhalter in Richtung auf eine Oberfläche des Halbzeugs bewegt, wird das Halbzeug zwischen erstem Formwerkzeug und Gegenhalter eingeklemmt. Dabei legt sich zumindest das erste Formwerkzeug an die Oberfläche des Halbzeugs an, so dass das erste Formwerkzeug für

plastifizierten Elementwerkstoff dicht anliegt und ein Element mit der Anordnung durch Spritzgießen an dieser Oberfläche hergestellt werden kann. Ist ein zweites Formwerkzeug vorhanden, liegt dieses in analoger Form ebenfalls abgedichtet an der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbzeugs an, so dass auch dort ein Teil eines Elements ausgebildet werden kann, wenn plastifizierter Elementwerkstoff durch eine Durchbrechung im Halbzeug in das zweite Formwerkzeug gelangen kann. Bevorzugt sollte der Gegenhalter mittels eines Antriebs translatorisch bewegt werden.

Als Antrieb für die translatorische Bewegung kann man einen elektrischen Antrieb, der ggf. mit einem Getriebe verbunden ist, um die erforderlichen Druckkräfte zu erreichen, einsetzen. Es sind aber auch hydraulische oder pneumatische Antriebe an der Vorrichtung einsetzbar.

Das C-Förmige Bügelelement, der Haltebügel und /oder der Positionierbügel sollte(n) zumindest teilweise mit glas- oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet sein, um dem Leichtbauaspekt Rechnung zu tragen und trotzdem eine ausreichende Festigkeit aufzuweisen. Es kann auch als

Hybridstruktur, bei dem auch metallische Elemente zur Verstärkung,

Stabilisierung und/oder für eine Befestigung vorhanden sein können, ausgebildet sein.

Die Anordnung kann mit einer Plastifiziereinheit, die mit einer in einem Plastifizierzylinder drehbar gelagerten Schnecke, die zur dosierten Förderung von plastifiziertem Werkstoff in das/die Formwerkzeug(e) ausgebildet ist, ausgebildet sein. An einer Plastifiziereinheit sollte eine Heizung vorhanden und eine Elementwerkstoffzuführung angeschlossen sein. Zusätzlich oder an Stelle einer Schnecke kann eine eine Druckkraft auf plastifizierten Werkstoff ausübbare Einrichtung eingesetzt werden.

Das C-förmige Bügelelement kann manuell von einem Werker mittels einer Zugeinrichtung oder Handhabungskinematik unterstützt, mittels eines Linearantriebs in ein oder mehreren Bewegungsachsen, oder mittels eines Industrieroboters als Manipulator bewegt werden. Die Art der Bewegung mit einem entsprechenden Manipulator kann je nach zu bearbeitendem Halbzeug gewählt werden. So genügt beispielsweise ein einfacher Linearantrieb, mit dem die Vorrichtung bewegt werden kann, wenn Elemente entlang eines Halbzeugrandes zumindest in einem annähernd konstanten Abstand vom Rand entlang des Randes ausgebildet werden sollen.

Eine Bewegung der Vorrichtung ist ebenfalls möglich, wenn die Vorrichtung an einem ausreichend festen Seil hängend von einem Werker bewegt werden kann. Dazu kann am jeweiligen Seil eine die Masse der Vorrichtung zumindest teilweise kompensierende Zugkraft wirken, so dass der Werker nur geringe Kräfte für die Bewegung der Vorrichtung an die gewünschte Position aufbringen muss. Soll die Vorrichtung für die Herstellung komplexer und an mehreren unterschiedlichen Positionen eines Halbzeugs auszubildenden Elementen oder bei unterschiedlichen Halbzeugen eingesetzt werden, dürfte der Einsatz eines mehrachsigen Roboters vorteilhaft sein.

Durch die bewegliche Injektionseinheit kann das Ausformen von Elementen auf Halbzeugen auch innerhalb eines kontinuierlichen Produktionsprozesses durchgeführt werden. Vorrichtung und Manipulator bewegen sich dabei in Produktionsrichtung mit der vorgegebenen Produktionsgeschwindigkeit. Somit können Hybridstrukturen in einer kontinuierlichen Prozessstrecke hergestellt werden, ohne dass die Bauteile ausgeschleust werden müssen.

Der Gegenhalter oder der Teil des Gegenhalters bzw. des zweiten

Formwerkzeugs des Gegenhalters, der/die mit der Oberfläche des Halbzeugs in Kontakt gebracht werden kann, kann um eine oder zwei Achsen, die senkrecht zur Kraftwirkungsrichtung der Anordnung ausgerichtet sind, drehbar gelagert sein. Dadurch kann ein Ausgleich erreicht werden, wenn an der dem Gegenhalter zugewandten Oberfläche des Halbzeugs Unebenheiten oder eine schräg geneigte Fläche vorhanden ist. Durch die Drehbarkeit und ggf. auch eine Verschwenkbarkeit des Gegenhalters oder eines Teils eines Gegenhalters, kann gesichert werden, dass ein Anliegen an der jeweiligen Oberfläche des Halbzeugs auch bei schrägen Oberflächen erreicht werden kann. Der Gegenhalter oder ein Teils des Gegenhalters kann zum

Verschwenken und möglichst auch zum Drehen auch gelenkig mit dem zweiten Schenkel oder einem Schenkel des Positionierbügels verbunden sein. Dadurch kann auch verhindert werden, dass Oberflächen des Halbzeugs beschädigt werden, was insbesondere beim Anlegen des Gegenhalters oder eines Teils des Gegenhalters an der jeweiligen Oberfläche des Halbzeugs auftreten könnte.

Ein drehbarer Gegenhalter oder ein drehbarer Teil eines Gegenhalters kann auch in Verbindung mit einem zweiten Formwerkzeug eingesetzt werden, wenn zumindest das zweite Formwerkzeug für die Herstellung eines rotationssymmetrischen Teils eines Elements ausgebildet ist.

Formwerkzeuge, die bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbar sind, können auch mehrere einzelne und auch voneinander getrennte Formen aufweisen, die wiederum bevorzugt über jeweils mindestens einen Kanal gesondert mit plastifiziertem Elementwerkstoff befüllt werden können. Die einzelnen Formen können unterschiedlich geometrisch gestaltet und/oder dimensioniert sein, so dass damit entsprechend unterschiedliche Elemente ausgebildet werden können. Die Zufuhr von plastifiziertem Elementwerkstoff kann gesteuert werden, so dass nur eine oder mehrere bestimmte Formen eines Formwerkzeugs mit plastifiziertem Elementwerkstoff befüllt und dadurch bestimmte Elemente ausgebildet werden. Dazu kann man

beispielsweise in einem Kanal, über den plastifizierter Werkstoff in eine bestimmte Form eines Formwerkzeugs gefördert wird, ein steuerbares Ventil anordnen. Diese Formen sind natürlich ebenfalls in Richtung der jeweiligen Oberfläche eines Halbzeugs offen.

Mit der Erfindung kann ein modulares Baukastensystem für viele

Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.

An der Vorrichtung kann eine einheitliche bzw. normierte Schnittstelle für den Angriff auch unterschiedlicher Manipulatoren, mit denen eine gewünschte Bewegung zur lokal definierten Positionierung und/oder Ausrichtung der Vorrichtung in Bezug zu einem Halbzeug vorhanden sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in bestehende Prozessketten, bei denen mehrere unterschiedliche Prozessschritte durchgeführt werden, integrieren.

Es können die Produktivität erhöht und die Kosten reduziert werden.

Es können unterschiedliche Werkstoffe für die Herstellung von Elementen eingesetzt werden, die bekanntermaßen zum Spritzgießen geeignet sind. Es können auch Harze in Vertiefungen oder Durchbrechungen injiziert werden.

Lediglich die erreichbare Länge der beiden Schenkel des C-förmigen Bügelelements stellt einen gewissen begrenzenden Einsatzeinfluss dar. Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer

schematischen Schnittdarstellung;

Figur 2 ein kinematisches Modell einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Mehrachsroboter als Manipulator

In Figur 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der ein C-förmiges Bügelelement 1 überwiegend aus

kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet ist, so dass die

Gesamteigenmasse der Vorrichtung maximal 120 kg, bevorzugt aber kleiner 100 Kg und besonders bevorzugt maximal 50 kg beträgt.

Am ersten Schenkel 1.1 des C-U-förmigen Bügelelements 1 ist eine Anordnung 1.4 befestigt. Die Anordnung ist mit einem Plastifizierzylinder 1.4.3 mit Heizung, in dem eine Schnecke 1.4.2 drehbar gelagert ist, gebildet. Außerdem ist eine Zuführung 1.4.5 für in Granulatform vorliegenden Elementwerkstoff, der ein reiner Kunststoff aber auch ein gefüllter Kunststoff, ein Kunststoff- Metall- oder Keramikpartikelgemisch sein kann, mit der Anordnung 1.4 verbunden. Eine Dosierung des dem ersten Formwerkzeug 1.4.1 und bei diesem Beispiel auch dem zweiten Formwerkzeug 1.3.1 zugeführten plastifizierten Elementwerkstoffs kann über die Anzahl der Umdrehungen der Schnecke bzw. ihrer Drehzahl erreicht werden.

Zur Ausbildung eines Elements an einem Halbzeug 2 kann die Vorrichtung mit einem zusätzlichen Manipulator 3, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, am Halbzeug 2 positioniert werden. In Figur 1 ist gezeigt, wie die Vorrichtung lokal definiert am Halbzeug 2 positioniert worden ist. Außerdem wurde der Gegenhalter 1.3, der am zweiten Schenkel (1.2) des C-förmigen Bügelelements 1 angeordnet ist, mit dem hydraulischen Antrieb 4 gegen die hier untere Oberfläche des Halbzeugs bewegt. Die Bewegung erfolgte dabei soweit, dass sich das zweite

Formwerkzeug 1.3.1 mit seiner Dichtfläche an diese Oberfläche des Halbzeugs 2 anlegt und dabei auch die Dichtfläche des ersten Formwerkzeugs 1.4.1 an der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbzeugs 2 anliegt. Dabei wirken dort Druckkräfte, die sichern, dass beim Spritzgießen kein Elementwerkstoff aus den beiden Formwerkzeugen 1.3.1 und 1.4.1 entweichen kann, bis der Elementwerkstoff soweit abgekühlt ist, dass ein Entformen durch eine Bewegung des Gegenhalters 1.3 in die entgegengesetzte Richtung möglich ist.

Die Vorrichtung wurde dazu mit dem nicht gezeigten Antrieb so positioniert, dass erstes und zweites Formwerkzeug 1.3.1 und 1.4.1 genau so positioniert worden sind, dass ein Element auch innerhalb einer Bohrung, die im Halbzeug 2 ausgebildet war, hergestellt werden kann. So kann man beispielsweise Buchsen, Clips oder Verschlussstopfen als Elemente hersteilen.

Bei dem hier gezeigten Beispiel sind erstes und zweites Formwerkzeug 1.3.1 und 1.4.1 jeweils gleich ausgebildet, dies ist jedoch nicht zwingend

erforderlich.

Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Figur 1 , bei der eine Anordnung 1.4 und ein hydraulischer Antrieb 4 starr mit einem Bügelelement 1 verbunden sind, besitzt den Nachteil, dass eine Aufweitung des Bügelelementes 1 durch eine durch den hydraulischen Antrieb 4 aufgebrachte Kraft erfolgt, welche zu einer unerwünschten Verschiebung der Formwerkzeuge 1.4.1 und 1.3.1 zueinander führt. Eine Verringerung dieser Verschiebung kann durch eine biegesteife aber massereiche Ausführung des Bügelelementes 1 erreicht werden.

Alternativ zeigt das in Figur 2 dargestellte kinematische Modell eine vorteilhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Funktionstrennung der wesentlichen Funktionen des C-förmigen

Bügelelements 1 -„Kraftübertragung" und„Positionierung der Formwerkzeuge" - erfolgt. Dabei werden ein Formwerkzeug 1.4.1 und der Gegenhalter 1.3 oder die zwei Formwerkzeuge 1.4.1 und 1.3.1 mittels eines Schenkels des Positionierbügels 1.6 derart zueinander geführt, dass nur ein Freiheitsgrad in Richtung der Kraftwirkungslinie des hydraulischen Antriebes 4, der durch eine Linearführung 1.7 freigegeben wird, verbleibt. Die

Druckkraft wird mittels eines Haltebügels 1.5 aufgebracht, um ein

Formwerkzeug 1.4.1 und den Gegenhalter 1.3 oder zwei Formwerkzeuge 1.4.1 und 1.3.1 gegen die jeweilige Oberfläche des Halbzeugs 2

druckkraftbeaufschlagt zu pressen, während die Bearbeitung durchgeführt wird. Mittels der Gelenke 5 ist der Haltebügel 1.5 drehbar mit einem

Manipulator (nicht gezeigt) oder der zum Spritzgießen ausgebildeten

Anordnung 1.4 und mit dem Gegenhalter 1.3 verbunden.

Das Aufbiegen, das während des Wirkens der Druckkräfte im Haltebügel 1.5 auftritt, kann mit der an einem Schenkel des Positionierbügels 1.6

vorhandenen Linearführung 1.7 kompensiert werden, sodass im

Positionierbügel 1.6 keine Biegebelastung infolge des Wirkens der Druckkräfte auftritt.

In Figur 3 ist eine Ausführung der Erfindung gezeigt, bei der ein C-förmiges Bügelelement 1 mittels eines Manipulators 3, welcher als Mehrachsroboter ausgeführt ist, bewegt wird. Die Schließkraft wird durch einen als

Hydraulikzylinder ausgeführten Antrieb 4 erzeugt. Das Ausbilden von

Kunststoffelementen an einem nicht dargestellten Halbzeug 2 erfolgt durch eine als Spritzgießaggregat ausgeführte Anordnung 5, welche an dem C- förmigen Bügelelement 1 angebracht ist.