在构件上制作垫片的方法及用于该方法的成形工具与流程

本发明涉及使用成形工具在构件上制作垫片的方法以及用于该方法的成形工具。

各式各样的密封元件被用来避免不希望的从某一处到另一处的物质转移。这种密封可以用各种不同方式产生。

对于众多应用领域，垫片被制作成分隔元件，然后再插入合适的位置，其中为了此目的，通常在待密封构件中提供凹槽，使该垫片插入或压入其中。

用以在构件上形成密封的方法可从ep1477712a1获知，其中密封材料首先通过丝网印刷被提供到待密封构件上，然后使用工具，将完成的密封的几何形状压印至密封材料中。

现有技术已知的另一方法为，将垫片直接提供到待密封构件上；例如参见相关的us7,790,094b2。该方法提供一种模具，包括待夹住的待密封构件，以及提供密封材料，接着使用注射成型工艺经由相应的送料导管将密封材料在加压下注入形成在模具内的空腔中。更已知的是使用可紫外线固化的密封材料以及紫外线透射成形工具，因此密封材料的固化可经由紫外线照射通过模具进行。该方法也已知为术语“原位模制”(mip)或“原位固化”(cip)。

注射成型工艺的一个缺点在于，由于加压填充过程，必须注意确保构件与工具足够紧密地夹在一起，且以该方式相对于彼此是密封的，因此密封材料不会溢出至不当位置。可用来注入密封材料的压力因此受限。然而，尤其当制造具有很小尺寸的垫片时，例如当它们用于交通工具的传动系统的构件时，已证明利用有限的压力将密封材料注入对应的小空腔是困难的。

因此，本发明的目的是提供使用成形工具在构件上制造垫片的方法和提供用于该方法的成形工具，藉此可克服现有技术的缺点。

本目的可通过根据权利要求1的方法和根据权利要求10的成形工具实现。

本发明的优选实施方案及进一步优化为从属权利要求的主题。

根据权利要求1，本发明涉及使用成形工具在构件上制造垫片的方法，其中用于垫片的材料为可紫外线固化的密封材料，且其中该成形工具包括上表面和下表面以及至少一个空腔，该空腔的开口朝向该成形工具的下表面且用于填入密封材料，并且其中进一步该成形工具至少在空腔区域由紫外线透射材料制成，该方法包括以下指定顺序的步骤：

1.将该密封材料注入该成形工具的空腔；

2.将该构件放在供有密封材料的工具的下表面上；

3.将该构件压至该工具上；

4.藉由紫外线照射固化该密封材料；以及

5.从该构件上移除该工具且该垫片结合至该构件上。

也就是说，根据本发明的方法的主要特征在于，在第一方法步骤中，密封材料被注入工具的空腔中，该空腔开口朝向成形工具的下表面，并且仅在随后的方法步骤中，待密封的构件放置在填充有密封材料的工具的下表面上。因而除去了在压力下填充成形工具，其在下文中也称为模具，因此上述模具受压填充所伴随的缺点可被克服。

名称“下表面”和“上表面”实质上可互换，其是指成形工具朝向空腔开口的一侧称为上表面，朝向远离空腔的一侧称为成形工具的下表面。

待密封的构件可被理解为表示任何合适的构件。该构件可特别具有薄膜状设计或设计为膜，例如像是燃料电池制造中的情形。

如方法步骤2和3所述的放置和按压构件于工具上应当被理解为表示构件和工具之间的相对移动。本发明因而也明确地涵盖其中工具被放置且按压于构件上的方法。重要的是，在前面的方法步骤中构件与填充密封材料的成形工具被引导为彼此靠近且按压在一起。

根据本发明的方法原则上允许任何任意高度的垫片的制作；然而，该方法特别适合制作具有非常小尺寸且高度在0.2-1mm之间的垫片，例如当它们用于燃料电池制造时。然而不用特别说明，该垫片也可用于其他领域，特别是发动机的生产。

根据本发明一个建议方面，将密封材料注入成形工具的空腔使用丝网印刷方法进行。为此目的，模具被放在丝网印刷机器中，且密封材料经由细孔网板使用橡胶滚轴注入模具空腔中。网板可在模板帮助下准备，如此密封材料可仅提供至指定区域，其在此为空腔区域，且网板被设计为不让密封材料进入此区域以外。依据空腔的深度，以及由此待形成的垫片的高度，多次挤压密封材料以完全填充该空腔可能是必须的。

与现有技术常见的注射成型方法相反，在该方法中完全无压力填充模具是可能的。

根据本发明可使用机器人系统，特别是制造较大的垫片高度，其以自动化方式将密封材料直接注入成形工具的空腔中。

本发明的一个实施方案提供成形工具，至少在空腔区域中由柔性材料制造，优选硅树脂或基于硅。在此方式下，模具可容易地从待密封构件上移除，且在固化完成后，垫片接合至构件上。为此目的，柔性材料优选显示相对于待加工的密封材料良好的分离作用和良好的模塑特性。由于根据本发明的密封材料的固化藉由紫外线照射方式发生，至少在空腔区域中柔性材料进一步为紫外线透射且紫外线稳定的。在空腔区域中，成形工具从上表面至下表面整个可由紫外线透射材料制成。

柔性材料例如硅树脂的进一步优点为模具与待密封构件之间的容差可被补偿。由柔性材料制造的模具理想地与待密封的构件的表面相适应。在根据本发明的方法中这是尤其重要的，因为，与注射成型方法相反，不需要将构件用模具夹住和伴随的按压力。

然而原则上，在空腔区域也可使用非柔性材料，只要它们具有必需的紫外线穿透性。例如这些非柔性材料包括玻璃、聚碳酸酯或pmma。

为了稳定模具，同样可在部分区域中使用非柔性材料，例如钢、铝或塑料材料。以这种方式，成形工具更容易处理或不容易受损害。然而在任何情况下，成形工具至少在空腔区域由紫外线透射材料制造。成形工具的合适的材料组合因此例如为铝和硅树脂，或钢和硅树脂。

根据本发明的方法提供具有紫外线引发固化机制的材料作为密封材料。根据本发明一个建议方面，这样的材料可以为基于聚丙烯酸酯或基于聚异丁烯材料。再者，密封材料应当优选是，当使用丝网印刷法时，在施用密封材料期间，产品中没有泡沫形成。任选地，这可通过加入合适的消泡剂来实现。

根据本发明的一个构想，可紫外线固化的密封材料的固化可在紫外线腔室中发生，在其中放入其上放置构件的模具。作为替代，模具与构件的组合可以被引导到靠近紫外线led场，藉此发生固化。发射出的紫外线光线的波长范围优选为200-550nm。具有变化的波长光谱或具有个别具体波长的光谱例如375nm或405nm的辐射可用于此目的。

本发明的一个替代实施方案提出使用紫外线led实现密封材料的固化，其中紫外线led直接应用于成形工具上。以这种方式，将工具和构件放入紫外线腔室中的手工步骤可以免除，或者外部紫外线led场和紫外线辐射可此外非常准确地提供在空腔区域中。关于发射紫外线辐射波长范围，上述与紫外线腔室相关地说明可同样用于此。

根据权利要求10，本发明也提供用于根据权利要求1-9任一项所述的在构件上制造垫片的方法中的成形工具，其中所述工具包括上表面和下表面以及位于下表面的至少一个空腔，该空腔具有朝向下表面的开口，经由该开口该空腔可填入密封材料，且其中进一步该成形工具至少在空腔区域由紫外线透射材料制成，并且其中除该空腔的开口外，该工具没有开口朝向该成形工具的边缘以供应密封材料的任何供应导管。

上述已经提供的与根据本发明的方法有关的说明适用于名称“上表面”和“下表面”。

与用于注射成型方法的成形工具相反，所要求保护的工具没有开口朝向该成形工具的边缘以注射密封材料的任何供应导管。根据本发明，工具的边缘应当被理解为表示工具的所有外边界，除了空腔所在的下表面之外。根据本发明的模具首先填充密封材料，且特别是在待密封构件放置在由此填充的模具上之前，将密封材料注入直接朝向工具下表面的空腔开口。

至少在空腔所在区域中，工具优选由柔性材料制成，例如硅树脂。此外，在部分区域中成形工具可由非柔性材料制成，例如钢、铝或塑料材料，以便容易处理和稳定。

根据本发明的工具的一个实施方案，紫外线led直接应用于成形工具上，因此密封材料的固化可以在没有另外移动构件及工具的情况下实施，且此外可以简单的原地方式实施。

以下将根据示例性实施方案以及参考附图更为详细地描述本发明。在附图中：

图1为根据本发明的成形工具的一个实施方案的剖面示意图；

图2为根据本发明的成形工具的一个替代实施方案的剖面示意图；

图3为根据本发明的方法的方法步骤顺序示意图。

图1为由数字10标记的成形工具的剖面图，其完全由硅树脂制造而成。工具10具有上表面11和下表面12以及圆形空腔13，空腔13开口朝向工具10的下表面12。

图2为整体由数字14标记的成形工具的替代实施方案。工具14包括由硅树脂制成的环15，其中空腔13的形成类似于图1所示的示例性实施方案。硅树脂环15是紫外线透射的。空腔13开口朝向工具14的下表面12。硅树脂环15内嵌于由钢制成的稳定辅具16内，其中硅树脂环15具有侧面凹槽17，其中稳定辅具16的凸起18根据槽榫接合原理接合于其中，由此避免硅树脂环15与稳定辅具16的相对移动。

由紫外线led制成的环19设置在硅树脂环15上，led发射波长范围在200-550nm之间的紫外线辐射。夹具20被引导穿过紫外线led和稳定辅具16的中央核心，以便固定紫外线led和工具14的各个构件，夹具藉由螺丝21在工具14的边缘区域被固定稳定辅具16上。

仅在图2的剖面图中示意出的工具14具有大致上方形外形。内嵌在稳定辅具中的硅树脂环15同样被引导成具有圆边的方形，且因此空腔13也具有该形状。不言而喻，工具14和硅树脂环15两者以及形成于其中的空腔13也可具有任何其他形状，例如圆形或椭圆形。

图3为使用根据图1和2的成形工具实施在构件上制造垫片的方法的各个方法步骤顺序的示意图。使用图2的工具14的方法的具体顺序如下：在步骤1中，首先使用丝网印刷法将基于聚丙烯酸酯的密封材料注入成形工具14的空腔13中。为此目的，工具14相对于图2的图示旋转180°，因此工具14的下表面12与开放空腔13朝上。密封材料通过适当准备的网板施加，通过橡胶滚轴施压经由网板和注入空腔13中。重复该方法步骤直至空腔13被密封材料完全填满。

根据方法步骤2，图中未示出的待密封构件随后被放在提供有密封材料的工具14的下表面12上，且根据方法步骤3被按压至工具14上。

在接下来的方法步骤4中，提供在工具14上的紫外线led被打开，该密封材料藉由紫外线照射而固化。由于硅树脂环15的紫外线穿透性，紫外线辐射可以容易地进入空腔13的区域中，且引发此处的密封材料的固化机制。照射时间取决于待固化的密封化合物的量。对于范围在0.2-1mm的密封高度，固化在几秒内发生。

在固化完成后，在最后的方法步骤5中，工具14从待密封的构件上移除，且垫片接合至构件上。由于硅树脂与基于聚丙烯酸酯的密封材料之间良好的分离作用，这相当可行。

原则上，相较于传统注射成型方法，根据本发明的方法使得更高的工艺速度成为可能，因为填充过程和固化过程可彼此分离。通过除去注射装置，进一步可降低工具和过程成本。最后，有可能避免待制造的垫片的几何形状的不准确性，这在注射成型方法中必然发生，由于所需的注射压力和因为工具与构件之间的对准并不总是最佳的。