-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Profilvorformling zur Herstellung
eines Faserverbund-Profilbauteils, ein Verfahren zur Herstellung
eines Profilvorformlings, sowie die Verwendung von derartigen Profilvorformlingen,
insbesondere Profilbauteil-Herstellungsverfahren.
-
Die
Verwendung von faserverstärkten
Bauteilen (Faserverbundbauteile) ist vor allem wegen ihrer hohen
spezifischen Festigkeit (Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant.
Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen
aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten
Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere
Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
-
Faserverbund-Profilbauteile
können
z. B. als leichtgewichtige und dennoch stabile Verstärkungsprofile
eingesetzt werden. Seit geraumer Zeit werden beispielsweise im Flugzeugbau
Faserverbund-Profilbauteile zur Versteifung des Flugzeugrumpfes
eingesetzt. Hierbei werden sowohl geradlinig sich erstreckende Profile
als auch gekrümmte
Profile benötigt. Gerade
Profile können
z. B. als ”Stringer” in Längsrichtung
eines einfach gekrümmten
Flugzeugschalenbereiches verwendet werden, wohingegen gekrümmte Profile
z. B. als in einer Umfangsrichtung verlaufenende ”Spanten” für einen
solchen Schalenbereich verwendet werden können. Zur Versteifung doppelt
gekrümmter
Schalenbereiche (z. B. Cockpit- und Hecksektion eines Flugzeuges)
mit Stringern müssen
diese ebenfalls eine Krümmung
aufweisen.
-
Insbesondere
zur Versteifung doppelt gekrümmter
Schalenabschnitte sind Verstärkungsprofile
wünschenswert,
die möglichst
gut an die jeweiligen geometrischen Verhältnisse angepasst sind, d.
h. eine jeweilige lokale Krümmung
und/oder eine lokale Torsion aufweisen.
-
Insbesondere
im Flugzeugbau ist in der Regel davon auszugehen, dass der Krümmungsradius nicht
konstant ist und somit selbst nebeneinander angeordnete Verstärkungsprofile
nicht identisch sind. In der Folge werden die in der Praxis benötigten Faserverbund-Profilbauteile
einzeln und mit individuellen Werkzeugsätzen angefertigt. Dies bedeutet
einen hohen Aufwand, insbesondere hinsichtlich der Werkzeugkosten
und der Logistik, und führt
darüber
hinaus zu einer langwierigen Produktion mit entsprechend geringer
Produktivität.
-
Zur
Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils ist es bekannt, zunächst einen
Profilvorformling (”Preform”) vorzufertigen,
welcher ein entlang eines langgestreckten Formkerns angeordnetes
Fasermaterial-Halbzeug (z. B. Gewebe, Gelege, Fasermatten etc.)
umfasst, und diesen Profilvorformling sodann zum Profilbauteil weiterzuverarbeiten,
beispielsweise durch Infiltration mit Matrixmaterial (z. B. Kunstharz)
und anschließendem
Aushärten
(z. B. thermisch). Gegebenenfalls können auch mehrere Versteifungsprofile
in einem Schritt zusammen mit der zu versteifenden Schale gefertigt
werden.
-
Zur
Herstellung von Profilbauteilen mit – über deren Länge betrachtet – verschiedenen
Krümmungs-
bzw. Torsionsverläufen
sind die entsprechenden Profilvorformlinge einzeln und mit individuellen Werkzeugsätzen, und
somit sehr aufwändig
anzufertigen.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines
Faserverbund-Profilbauteils zu vereinfachen, insbesondere im Hinblick
auf die Herstellung solcher Bauteile mit unterschiedlichen Krümmungen
und/oder Torsionen.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
einen Profilvorformling nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung
eines Profilvorformlings nach Anspruch 8 und eine Verwendung von
Profilvorformlingen nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Der
erfindungsgemäße Profilvorformling
zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils, umfassend ein entlang
eines langgestreckten Formkerns angeordnetes Fasermaterial-Halbzeug,
ist entsprechend einer gewünschten
Krümmung
und/oder Torsion des herzustellenden Profilbauteils krümmbar bzw.
tordierbar.
-
Der
Profilvorformling kann somit zur Herstellung verschiedenartiger
Profilbauteile verwendet werden. Daher werden keine individuellen
Vorrichtungen bzw. Fertigungsschritte zur Bereitstellung verschiedenartiger
Profilvorformlinge benötigt.
Damit können
insbesondere die Werkzeugkosten und der Logistikaufwand gesenkt
werden und die Produktivität
gesteigert werden. Bei Verwendung gleichartiger Profilvorformlinge
zur Herstellung verschiedenartiger Profilbauteile ist vorteilhaft
auch eine Verwechslungsgefahr betreffend die Auswahl eines jeweils
geeigneten Profilvorformlings beseitigt.
-
Die
konkrete Formgestaltung des herzustellenden Profilbauteils spielt
bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Profilvorformlings eine
untergeordnete oder gar keine Rolle. Die konkrete Krümmung und/oder
Torsion bzw. der konkrete Verlauf dieser Eigenschaften wird dem
Profilbauteil erst im Rahmen der Weiterverarbeitung des Profilvorformlings verliehen.
-
Dazu
wird der Profilvorformling beispielsweise erst in einem Aushärtewerkzeug
in die jeweils gewünschte
Form gebracht (durch Krümmung
und/oder Torsion). Der Profilvorformling muss hierzu im vorgefertigten
Stadium lediglich eine ausreichende Flexibilität hinsichtlich Krümmung bzw.
Torsion aufweisen.
-
Im
Hinblick auf eine Krümmbarkeit
kann z. B. vorgesehen sein, dass ohne Schädigung eines (ursprünglich geraden)
Profilvorformlings ein Krümmungsradius
von weniger als dem 200-fachen, insbesondere weniger als dem 100-fachen
der Profilhöhe
erzielt werden kann (wobei die Profilhöhe orthogonal zur Längsrichtung
des Profils und in der Krümmungsebene
liegend gemessen sein soll). Für
einen ursprünglich
bereits gekrümmt
gefertigten Vorformling kann ein entsprechendes Krümmbarkeitsausmaß vorgesehen
sein.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Formkern aus einem flexiblen Werkstoff
(z. B. Silikon, Schaumwerkstoff etc.) gefertigt ist.
-
Der
Begriff ”Formkern” ist insofern
sehr breit zu verstehen, als hierunter im Querschnitt des Profilvorformlings
betrachtet sowohl vollständig
als auch unvollständig
von dem Fasermaterial-Halbzeug umgebene Strukturen fallen sollen.
Auch kann der Formkern eine aus mehreren Teilen gebildete Struktur
darstellen (wie es z. B. bei den unten noch beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Fall ist). Wesentlich ist im Rahmen der Erfindung die profilgebende
Eigenschaft des Formkerns für
das daran angeordnete Fasermaterial-Halbzeug.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der zur Herstellung des Profilvorformlings
verwendete Formkern geradlinig verlaufend gefertigt wurde. Dies
ist z. B. besonders vorteilhaft, wenn der Profilvorformling sowohl
zur Herstellung von geraden Profilen als auch zur Herstellung von
gekrümmten Profilen
verwendet werden soll.
-
In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der zur Herstellung des Profilvorformlings
verwendete Formkern mit einer Eigenkrümmung und/oder Eigentorsion
gefertigt wurde. Dies ist z. B. dann besonders vorteilhaft, wenn
mit dem Profilvorformling vorwiegend oder ausschließlich gekrümmte und/oder
tordierte Profilbauteile hergestellt werden sollen, deren Krümmung bzw.
Torsion um ”mittlere
Werte” variiert.
Diese mittleren Werte können
dann vorteilhaft die Grundlage der geometrischen Gestaltung des
Profilvorformlings bilden.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Profilvorformling einen Fasermaterial-Halbzeugbereich
aufweist, der sich im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen orthogonal
zu einer Krümmungsebene
des fertigen Bauteils erstreckt und Fasern in 0°-Orientierung enthält. Dieser
Halbzeugbereich wird nachfolgend auch als ”Neutralfaserbereich” bezeichnet.
-
Der
Begriff ”Krümmungsebene” soll diejenige
(gedachte) Ebene bezeichnen, in welcher bzw. entlang welcher sich
das gekrümmte
Profilbauteil erstreckt.
-
Fasern
in ”0°-Orientierung” verlaufen
in Längsrichtung
des Profilvorformlings bzw. des daraus gebildeten Profilbauteils
(Diese Richtung ist in den Ausführungsbeispielen
mit ”x” bezeichnet).
-
In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich
am fertigen Bauteil einen radial innersten oder radial äußersten
Bauteilrand bildet. Diese Bauteilränder bilden im Querschnittsprofil einen ”Profilkopf” bzw. ”Profilfuß”. Zwischen
dem Profilkopf und dem Profilfuß können ein
oder mehrere ”Profilstege” (zur Verbindung
zwischen Profilkopf und Profilfuß) ausgebildet sein.
-
In
einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich
zusätzlich
Fasern in von 0° verschiedener
Orientierung enthält.
Beispielsweise können
im Neutralfaserbereich zusätzlich
Fasern in +/– 30° und/oder
+/– 450
Orientierung enthalten sein.
-
Der
Neutralfaserbereich kann z. B. durch ein oder mehrere Fasermaterial-Halbzeugbänder (z.
B. Gewebe, Gelege etc., nachfolgend auch kurz als ”Bänder” bezeichnet)
gebildet sein.
-
Um
beispielsweise einen Neutralfaserbereich mit Fasern in –30°, 0° und +30° auszubilden, kann
ein entsprechendes triaxiales Band in Längsrichtung entlang des Formkerns
verlegt werden.
-
Alternativ
können
hierfür
mehrere Bänder (mit
verschiedenen Faserorientierungen) übereinander entlang des Formkerns
verlegt werden. Solche Bänder
können
vor oder nach deren Anordnung am Formkern aneinander fixiert werden.
Die Fixierung (z. B. durch Verkleben, Vernähen etc.) einzelner Bänder zueinander
kann im Neutralfaserbereich (z. B. Profilkopf) durchgängig erfolgen,
in den anderen Bereichen (z. B. Profilsteg(e) und Profilfuß) jedoch
zweckmäßigerweise
nur bereichsweise bzw. nicht-vollständig (z. B. punktuell oder
durch Zickzacknaht).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass durchgehende Fasern in 0°-Orientierung nur in einem als
Profilkopf vorgesehenen Neutralfaserbereich enthalten sind, wohingegen
die durch einen Profilsteg und Profilfuß definierten Halbzeugbereiche
nur diagonale und/oder in 90° orientierte
Fasern enthalten.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass sich an den Neutralfaserbereich wenigstens
ein Fasermaterial-Halbzeugbereich anschließt, der sich im Querschnitt
betrachtet nicht-orthogonal, insbesondere im Wesentlichen in oder
parallel zur Krümmungsebene
des fertigen Bauteils erstreckt, nachfolgend auch als ”radiale(r)
Stegbereich(e)” bezeichnet. Darüber hinaus
können
sich an den Neutralfaserbereich z. B. auch ein oder mehrere schräg zur Krümmungsebene
erstreckende Stegbereiche anschließen.
-
Die
Krümmbarkeit
des Profilvorformlings setzt voraus, dass in einem Stegbereich keine
langen bzw. durchgehenden Fasern in 0°-Orientierung enthalten sind.
Bevorzugt enthält
der Stegbereich Fasern größtenteils
in einer Orientierung von mindestens 45° (Fasern in +/– 45°-Orientierung
können
z. B. in einfacher Weise durch ein Fasergelegeband oder Geflecht
bereitgestellt werden). Alternativ oder zusätzlich zu diagonalen Fasern
können
hier auch Fasern in 90°-Orientierung
enthalten sein.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich aus wenigstens zwei Bändern mit
verschiedener Faserorientierung bzw. Faserorientierungsverteilung
ausgebildet ist, wobei eines dieser Bänder durchgehende Fasern in
0°-Orientierung
enthält
und sich lediglich innerhalb des Neutralfaserbereiches erstreckt,
wohingegen ein anderes dieser Bänder
diagonale Fasern und/oder 900 orientierte Fasern enthält und sich
im Querschnitt betrachtet in einen oder mehrere Stegbereiche hinein erstreckt.
In einer Weiterbildung erstrecken sich das oder die letzteren Bänder weiter
in einen Bereich, der im Querschnitt betrachtet wieder im Wesentlichen
orthogonal zur Krümmungsebene
des fertigen Bauteils liegt (wie der Neutralfaserbereich).
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Profilvorformlings wird wenigstens ein Fasermaterial-Band
entlang eines langgestreckten, aus einem flexiblen Werkstoff gefertigten
Formkerns angeordnet. Damit können
Profilvorformlinge der vorstehend beschriebenen Art in einfacher
Weise hergestellt werden.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein Fasermaterial-Band enthaltend Fasern in 0°-Orientierung
derart am Formkern angeordnet wird, dass die im Querschnitt betrachtete
Erstreckung dieses Bandes im Wesentlichen orthogonal zu einer Krümmungsebene
des fertigen Bauteils ist.
-
Hierbei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Band am fertigen Bauteil
im Bereich eines radial innersten oder radial äußersten Bauteilrandes (Profilfuß oder Profilkopf)
angeordnet ist.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens umfasst eine Vorkonfektionierung eines
mehrlagigen Fasermaterial-Bandes, welches entlang des Formkerns
angeordnet wird, wobei das vorkonfektionierte Fasermaterial-Band
mehrere Lagen von Fasermaterial-Bändern mit voneinander verschiedenen
Faserorientierungen enthält.
-
Mit
einem derart vorkonfektionierten mehrlagigen Band kann insbesondere
der oben bereits erwähnte ”Neutralfaserbereich” (beispielsweise
am Profilkopf oder am Profilfuß)
gebildet werden. Bei entsprechender Ausbildung des vorkonfektionierten mehrlagigen
Bandes können
darüber
hinaus auch noch andere Bereiche des Profilvorformlings ausgebildet
werden.
-
Eine
bevorzugte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens umfasst eine
quasiendlose Fertigung eines Profilvorformlingstranges, von welchem die
Profilvorformlinge in jeweils gewünschter Länge abgetrennt werden. Damit
ergibt sich vorteilhaft eine besonders universelle Nutzbarkeit der
Profilvorformling-Herstellung, nämlich
nicht nur hinsichtlich einer etwaigen Krümmung und/oder Torsion, sondern
auch hinsichtlich der Länge
des herzustellenden Profilbauteils.
-
Eine
besonders vorteilhafte Verwendung von Profilvorformlingen der oben
beschriebenen Art und/oder von Vorformlingen, die in der oben beschriebenen
Art hergestellt wurden, besteht in der Herstellung einer Mehrzahl
von Faserverbund-Profilbauteilen,
welche voneinander verschiedene Krümmungen und/oder Torsionen
aufweisen.
-
Insbesondere
kann eine Verwendung zur Herstellung von Verstärkungsprofilen (oder z. B. auch:
Streben, Stützen,
Lenker etc.) vorgesehen sein, beispielsweise im Fahrzeug- oder Flugzeugbau.
-
Ein
im Rahmen der Erfindung liegendes Verfahren zur Herstellung eines
Faserverbund-Profilbauteils kann beispielsweise folgende Schritte
umfassen:
- – Bereitstellung
eines Profilvorformlings der oben beschriebenen Art und/oder entsprechend
eines Verfahrens der oben beschriebenen Art hergestellt,
- – Verformung
des Profilvorformlings durch Krümmen
und/oder Tordieren entsprechend der für das fertige Bauteil gewünschten
Krümmung
bzw. Torsion,
- – Infiltration
des Profilvorformlings (vor oder nach dessen Verformung) mit einem
Matrixmaterial (einzeln oder zusammen mit der zu versteifenden Struktur),
und
- – Aushärten des
infiltrierten Profilvorformlings.
-
Zur
Herstellung verschiedenartiger Faserverbund-Profilbauteile kann
vorteilhaft eine gemeinsame Herstellung von Profilvorformlingen
(bevorzugt eines konfektionierbaren Profilvorformlingstrangs) vorgesehen
sein.
-
Denkbar
ist, dass der vorgefertigte Profilvorformling bzw. Profilvorformlingstrang
vor dessen Verformung bereits teilausgehärtet ist.
-
Prinzipiell
sind für
die Erfindung beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet.
Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern,
synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht.
Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische
Kunststoffe (Kunstharze) interessant. Ein im Profilvorformling enthaltenes
bzw. bei dessen Herstellung verwendetes Band kann ein so genanntes ”Prepreg” (vorimprägniertes
Fasermaterial) darstellen. Derartige Prepregs sind in vielfältigen Ausführungen
an sich bekannt und bedürfen
daher hier keiner näheren
Erläuterung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft verwendbare Prepregs
können
z. B. Endlosfasern (z. B. Kohlenstofffasern) enthalten, die in einer
ungehärteten
duroplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind. Derartige Prepregs
sind zumeist bahnförmig
auf Rollen gewickelt kommerziell erhältlich und können z.
B. als unidirektionale oder multidirektionale Schicht, als Gewebe
oder Gelege vorliegen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 einen
Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils
mit Doppel-T-Profil,
-
2 einen
Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils
mit LZ-Profil,
-
3 einen
Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils
mit Omega-Profil,
-
4 ein
Drapieren von Fasermaterial-Halbzeugbändern entlang eines langgestreckten
Formkerns zur Herstellung des Profilvorformlings von 3,
-
5 ein
Vorkonfektionieren eines der beiden beim Drapieren von 4 verwendeten
Bänder,
-
6 einen
Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils
mit Omega-Profil gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels,
-
7 eine
Fertigung des Profilvorformlings von 6 unter
Einsatz einer Faserflechttechnik,
-
8 ein
geradlinig verlaufendes Profilbauteil,
-
9 ein
gekrümmt
verlaufendes Profilbauteil, und
-
10 ein
stärker
gekrümmt
verlaufendes Profilbauteil.
-
1 zeigt
schematisch einen Querschnitt eines Profilvorformlings 10 zur
Herstellung eines geraden oder gekrümmten und/oder tordierten Faserverbund-Profilbauteils (hier:
Doppel-T-Profil).
-
Der
Vorformling 10 umfasst einen entlang einer Richtung x langgestreckten
Formkern 12, der im dargestellten Beispiel aus zwei separat
voneinander angeordneten Formkernteilen 12-1 und 12-2 (hier: Rechteckprofile)
besteht. Die Formkernteile 12-1 und 12-2 sind
jeweils aus einem flexiblen Werkstoff wie z. B. Silikon oder Schaumwerkstoff
gefertigt.
-
Der
Vorformling 10 umfasst ferner ein entlang des Formkerns 12 angeordnetes
Fasermaterial-Halbzeug in Form von Halbzeug-Bändern 14, 16, 18, 20 und 22,
die im Querschnitt betrachtet das Doppel-T-Profil ausbilden, welches
durch den Formkern 12 stabilisiert wird.
-
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
enthalten die Bänder 14 bis 22 Kohlenstofffasern
in unterschiedlichen Orientierungen bzw. mit unterschiedlichen Orientierungsanteilen.
-
Verstärkungsfasern
in Profillängsrichtung
(x bzw. 0°-Orientierung)
kommen nur in einem ”Kopf” des Profils
vor (in 1 oben), welcher im dargestellten
Beispiel durch die Bänder 14, 16 und
teilweise 18 und 20 gebildet wird. Dieser Profilkopf
erstreckt im Querschnitt von 1 betrachtet
in Richtung y.
-
Die
Fasern in 0°-Orientierung
werden im dargestellten Beispiel nur durch das Band 14 realisiert, wohingegen
die Bänder 16, 18, 20 und 22 nur
diagonale Fasern und/oder Fasern in 90°-Orientierung enthalten (Die
hier verwendeten Winkelangaben betreffend die Faserorientierung
beziehen sich stets auf die in den Figuren mit x bezeichnete Längsrichtung
des betreffenden Profilvorformlings).
-
Die
Bänder 18 und 20 können z.
B. jeweils von einem Gelege gebildet sein, welches zur Ausbildung
von Fasern in +45° und –45° auf den
Kern 12 drapiert wurde.
-
Wie
es aus 1 ersichtlich ist, erstrecken sich Bereiche der
Bänder 18 und 20 auch
in einer ”Hochrichtung” z des
Profils. Dieser sich in z-Richtung erstreckende Profilbereich bildet
einen ”Steg”, an welchen
sich im dargestellten Beispiel (eines Doppel-T-Profils) in 1 unten
wieder ein sich in y-Richtung erstreckender Profilbereich bzw. ”Profilfuß” anschließt. Der
Profilfuß wird
durch das Band 22 (z. B. ein Fasergelege) sowie seitliche
Ränder
der Bänder 18 und 22 gebildet.
-
Der
Profilvorformling 10 besitzt die vorteilhafte Besonderheit,
dass dieser entsprechend einer gewünschten Krümmung und/oder Torsion des
herzustellenden Profilbauteils krümmbar bzw. tordierbar ist.
Somit kann der Vorformling 10 beispielsweise erst in einem
Aushärtewerkzeug
in die gewünschte
Form (durch Krümmung
und/oder Torsion) gebracht werden.
-
Es
können
also gleiche Zwischenprodukte (Profilvorformlinge) zur Produktion
von verschiedenartigen Endprodukten (Bauteilen) verwendet werden, so
dass hinsichtlich der einzusetzenden Zwischenprodukte vorteilhaft
keine Verwechslungsgefahr besteht.
-
Die
Verformbarkeit ist im dargestellten Beispiel dadurch gewährleistet,
dass geeignete textile Halbzeuge (Bänder 14 bis 22)
mit geeignetem Verstärkungsfaserorientierungen
zum Einsatz kommen und der Formkern aus einem flexiblen Werkstoff
gefertigt ist. Da im dargestellten Beispiel Fasern in 0°-Orientierung
(Band 14) nur im Profilkopf, nicht jedoch im Profilsteg
und Profilfuß vorkommen,
kann der dargestellte Profilvorformling 10 problemlos in z-Richtung
gekrümmt
werden bzw. so, dass die x-z-Ebene eine ”Krümmungsebene” bildet.
-
Allgemein
ist zu bedenken, dass eine jeweils gewünschte Verformbarkeit entsprechende
Voraussetzungen sowohl an den Formkern als auch das daran angeordnete
Fasermaterial stellt. Selbst bei Verwendung eines flexiblen Formkerns
(oder z. B. eines durch eine ”gliederkettenartige” Ausbildung
insgesamt verformbaren Formkerns) wäre zur Erzielung einer Krümmbarkeit
ein Fasermaterial mit über
die Länge
des Formkerns durchgehenden Fasern ausschließlich in 0°-Orientierung ungeeignet.
-
Der
hier verwendete Begriff der ”Krümmungsebene” sei anhand
der 8 bis 10 nochmals
verdeutlicht: 8 zeigt ein geradlinig verlaufendes
Profilbauteil 100. Die 9 und 10 zeigen
ein in verschiedenem Ausmaß in
z-Richtung gekrümmtes
Profilbauteil 100' bzw. 100''. Das gekrümmte Bauteil erstreckt in bzw.
entlang einer Krümmungsebene,
die durch die Richtungen x und z aufgespannt wird. Jedes der Bauteile 100, 100' und 100'' könnte z. B. durch eine Weiterverarbeitung
des Vorformlings 10 hergestellt werden. Gegebenenfalls (für die Bauteile 100' und 100'') müsste der Vorformling 10 entsprechend
gekrümmt
werden, bevor dieser vollständig
ausgehärtet
wird.
-
Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
-
2 zeigt
ein weiteres Beispiel eines Profilvorformlings 10a, umfassend
einen Formkern aus Formkernteilen 12a-1 und 12a-2 und
daran angeordnete Fasermaterial-Bänder 14a, 18a, 20a und 22a.
-
Im
Unterschied zu dem Beispiel gemäß 1 besitzt
der Profilvorformling 10a ein so genanntes LZ-Profil.
-
Wie
bei dem Beispiel gemäß 1 besitzt der
Profilvorformling 10a lediglich einen Fasermaterial-Halbzeugbereich,
der sich im Querschnitt betrachtet orthogonal zu einer Krümmungsebene
(x-z-Ebene) des fertigen Bauteils erstreckt und Fasern in 0°-Oritentierung
enthält
(”Neutralfaserbereich”). Auch
bei dem Vorformling 10a bildet dieser Neutralfaserbereich
den Profilkopf. Es versteht sich, dass der Neutralfaserbereich abweichend
von den beschriebenen Ausführungsbeispielen
nicht zwingend einen radial innersten oder radial äußersten
Rand eines gekrümmten
Bauteils ausbilden muss. Für
die resultierende Bauteilstabilität ist dies jedoch in den meisten
Anwendungsfällen
bevorzugt.
-
Fasern
mit 0°-Orientierung
enthält
lediglich das Band 14a, wohingegen die Bänder 18a, 20a und 22a nur
diagonale Fasern und in 90° orientierte
Fasern enthalten.
-
3 zeigt
ein weiteres Beispiel eines Profilvorformlings 10b, der
zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit so genanntem
Omega-Profil vorgesehen ist.
-
Wie
bei den oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen
Beispielen besitzt das Profil wieder nur einen Neutralfaserbereich
mit Fasern in 0°-Orientierung,
realisiert durch ein Band 14b. Der Neutralfaserbereich
bildet den Kopf des Profils, welches abweichend von den obigen Beispielen 2 jeweils
schräg
zur z-Richtung zu einem Profilfuß verlaufende Profilstegbereiche
besitzt. Beide Stegbereiche werden durch das Fasermaterial von Halbzeugbändern 18b und 20b gebildet,
welche sich außerdem
in den Profilkopf sowie den Profilfuß erstrecken und keine Verstärkungsfasern
in 0°-Orientierung
enthalten. Über
den gesamten Profilfuß erstreckt
sich außerdem
ein als untere Decklage dienendes Band 22b.
-
Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Profilvorformlinge
können
vielerlei drapierbare textile Halbzeuge zum Einsatz kommen, die
z. B. in Form wenigstens eines Bandes (z. B. von einer Vorratsrolle abgezogen)
in x-Richtung (Längsrich tung
des Formkerns) auf den Formkern drapiert werden. Je nach konkret
verlangtem Profil können
bei diesem Drapieren seitliche Bandbereiche an seitlichen Kanten
oder Radien des Formkerns entsprechend umgeschlagen werden (vgl.
z. B. die in 1 und 2 dargestellten
Bänder 18, 20 bzw. 18a, 20a und
die in 3 dargestellten Bänder 18b und 20b).
-
Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 4 und 5, am Beispiel
des Omega-Profils
von 3, vorteilhafte Besonderheiten eines Verfahrens zur
Herstellung von erfindungsgemäßen Profilvorformlingen
erläutert.
-
4 veranschaulicht
eine vorteilhafte Herstellungsmethode, bei welcher wenigstens ein
Fasermaterial-Band (hier: zwei Fasermaterial-Bänder 30b und 22b)
entlang des langgestreckten, aus einem flexiblen Werkstoff gefertigten
Formkerns 12b drapiert werden.
-
Eine
hinsichtlich der Produktivität
vorteilhafte Besonderheit besteht in einer Vorkonfektionierung des
Bandes 30b, welches mehrlagig ausgebildet ist aus mehreren
Lagen von Fasermaterial-Bändern 18b, 14b und 20b mit
voneinander verschiedenen Faserorientierungen.
-
Beim
Anordnen des mehrlagigen Bandes 30b werden somit vorteilhaft
gleichzeitig die in 3 ersichtlichen Bänder 18b, 14b und 20b auf
den Formkern 12b gebracht. Gleichzeitig wird von der Unterseite
her als untere Decklage das Band 22b auf den Formkern aufgebracht
und entlang einer in 4 gestrichelt eingezeichneten
Linie 40b mit dem vorkonfektionierten Band 30b verbunden,
dies jedoch nur punktuell (z. B. durch lokale Aktivierung eines Binders
oder Vernähen
mittels Zickzackstich), um in diesem Fußbereich des Profils bei einer
etwaigen Krümmung
des Vorformlings eine gewisse Faserverschiebung zuzulassen. Eine
weitere Fixierungslinie ist symmetrisch zur Linie 40b vorgesehen
(in 4 jedoch verdeckt).
-
Falls
die bei dem Herstellungsverfahren gemäß 4 verwendeten
Bänder 30b und 22b bereits vorimprägniert sind,
so genügt
zur Weiterverarbeitung und somit Schaffung des entsprechenden Faserverbund-Profilbauteils
die Klebrigkeit des unausgehärteten
Matrixmaterials oder ein Aushärten
des Matrixmaterials. Eine gewünschte
Krümmung und/oder
Torsion bzw. ein konkreter Verlauf dieser Eigenschaften über die
in x-Richtung betrachtete Länge
kann vor dem Aushärten
eingestellt werden. Falls die verwendeten Bänder 30b, 22b noch
kein Matrixmaterial enthalten, muss dem Aushärteschritt noch ein Infiltrationsschritt
vorangehen. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die gewünschte
Verformung des Profilvorformlings, dessen Infiltration und Aushärtung in
einem Arbeitsschritt (in einem Werkzeug) erfolgt. Für die Infiltration
und Aushärtung kann
der Fachmann auf an sich bekannte Werkzeuge und Verfahren zurückgreifen
(z. B. Vakuumpressen, Vakuum-Infusion, Prepreg-Technologie etc.).
-
Bevorzugt
bildet der bei der Erfindung verwendete Formkern des Profilvorformlings
einen ”verlorenen
Kern” bzw.
wird im Rahmen der Weiterverarbeitung aufgelöst (z. B. chemisch und/oder
thermisch) bzw. sofern möglich
herausgezogen (z. B. bei einem Silikonkern).
-
5 veranschaulicht
die Vorkonfektionierung des bei der Herstellung verwendeten mehrlagigen
Bandes 30b aus den drei Einzellagen, realisiert durch die
Bänder 18b, 14b und 20b.
Wie in der Figur dargestellt werden die einzelnen Bänder von
einer jeweiligen Vorratsrolle abgezogen (vgl. Pfeil in 5), durch
eine Führungseinrichtung 42b gezogen
und als das mehrlagige Band 30b auf eine Vorratsrolle aufgewickelt.
Zwischen der Führungseinrichtung 42b und
der Aufwicklung des Bandes 30b ist eine (nicht dargestellte)
Fixiereinrichtung vorgesehen, welche die drei aneinander geführten Bänder 18b, 14 und 20b entlang
der gestrichelten Linien 44b-1 und 44b-2 aneinander
fixiert. Diese Fixierung der drei Lagen zueinan der erfolgt durchgängig (z.
B. durch Vernähen oder
Aktivierung von Binderlagen etc.).
-
Unabhängig von
der Art und Weise, wie das Fasermaterial-Halbzeug bei der Herstellung
des Profilvorformlings auf den Formkern gelangt, und unabhängig von
der konkreten Gestalt des Profils, kann bei der Herstellung des
Profilvorformlings vorteilhaft ein quasi-endloser Profilvorformlingstrang
gebildet werden, von welchem die Profilvorformlinge in jeweils benötigter Länger abgetrennt
werden.
-
Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 6 und 7 ein weiteres
Beispiel eines Profilvorformlings sowie ein modifiziertes Herstellungsverfahren hierfür erläutert.
-
6 zeigt ähnlich der 3 einen
Profilvorformling 10c mit einem in x-Richtung langgestreckten Profilformkern 12c,
entlang dessen ein in x-Richtung verlaufendes und Fasern in 0°-Orientierung
enthaltendes Band 14c angeordnet ist.
-
Abweichend
von den oben mit Bezug auf die 1, 2 und 3 beschriebenen
Beispielen umfasst der Profilvorformling 10c jedoch keine
weiteren Fasermaterial-Halbzeugbänder,
sondern um den Formkern 12c herum geschlossen verlaufende
Fasermateriallagen 50c und 52c, welche als Wickellagen
oder Flechtlagen ausgebildet sind. Die Lagen 50c und 52c wurden
jeweils ausgehend von einem oder mehreren Endlosfasersträngen (”Rovings”) auf den
Formkern 12c gewickelt oder geflochten, und enthalten somit
keine Fasern in 0°-Orientierung.
-
In 6 gestrichelt
eingezeichnet sind optionale Fasermaterial-Halbzeugbänder, wie
sie z. B. nachträglich
im Bereich des Profilfußes
angeordnet werden könnten.
-
7 zeigt
ein mögliches
Verfahren zur Herstellung des in 6 dargestellten
Profilvorformlings 10c.
-
Einer
schematisch dargestellten Flechtstation 54c (alternativ:
Wickelstation) wird der quasi-endlos vorgefertigte Formkern 12c zugeführt (vgl.
Pfeil 56c). Sodann wird der Kern 12c mit einer
ersten Flechtlage 50c umgeben, beispielsweise mit Fasern in
+/– 45°-Orientierung.
Auf die Flechtlage 50c wird das textile Halbzeugband 14c an
einer den späteren Profilkopf
bildenden Stelle aufgebracht und zusammen mit der darunter liegenden
Flechtlage 50c und dem innen liegenden Kern 12c mit
der zweiten Flechtlage 52c umgeben, beispielsweise mit
Fasern in –/+
45°-Orientierung.
-
Am
Ausgang der Flechtstation 54c wird dann der quasi-endlos
gefertigte Profilvorformling 10c abgezogen und durch eine
(nicht dargestellte) Trennstation zugeschnitten.
-
Die
oben bereits erwähnten 8 bis 10 zeigen
jeweils langgestreckte Profilbauteile 100, 100' und 100'', welche trotz unterschiedlicher Krümmungen
vorteilhaft ausgehend von ein und demselben Profilvorformling herstellbar
sind. Wesentlich hierfür
ist die ausreichende Verformbarkeit des Profilvorformlings. Die
oben explizit beschriebenen Ausführungen
solcher Profilvorformlinge bieten zwar jeweils besondere Vorteile,
sind jedoch selbstverständlich
nur beispielhaft zu betrachten. Die mit der Erfindung herstellbaren
Profilbauteile können prinzipiell
beliebige Profile aufweisen. Abweichend von den explizit beschriebenen
Beispielen können
z. B. auch Profile mit abgerundeten Profilbereichen realisiert werden.