DE102009051459A1

DE102009051459A1 - Verfahren zum Herstellen eines ein Hohlprofil aufweisenden Faserverbundteiles

Info

Publication number: DE102009051459A1
Application number: DE102009051459A
Authority: DE
Inventors: Herbert Bloch; Sascha Langhein; Christian Dornberg; Thomas Schneidewind
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-10-31
Also published as: DE102009051459B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines ein Hohlprofil aufweisenden Faserverbundteiles, bei dem über einen ein- oder mehrteiligen Kern in einem Radialflechtprozess mehrere Faserlagen gewickelt, anschließend zum Beispiel Kunstharz injiziert und ausgehärtet und gegebenenfalls der Kern wenigstens teilweise entfernt wird. Es wird vorgeschlagen, dass in das Faserverbundteil (12) an zumindest einer belastungskritischen Stelle (12a) zumindest eine bevorzugt metallische Verstärkungseinlage (14; 40) integriert wird, die entweder als verlorener Kern (40) oder als eingelegte Verstärkungseinlage (14) ausgeführt ist und zum Beispiel durch Magnetkraft positioniert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines ein Hohlprofil aufweisenden Faserverbundteiles, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie ein verfahrensgemäßes Faserverbundteil.
Ein Verfahren zum Geflechten eines Hartschaumkernes mit einer aus Hochleistungsfasern bestehenden Flechtstruktur mit Bereichen mit einer unterschiedlichen Lagenanzahl (unterschiedlicher Wandstärke) beschreibt zum Beispiel die DE 102 59 539 A1 unter Verwendung einer Radialflechtmaschine kombiniert mit einer linearen Vorschubeinrichtung etc.
Durch die DE 103 28 045 A1 ist es ferner bekannt, beim Herstellen eines geschäumten Fahrzeugteiles, zum Beispiel einer Fahrzeuginnenverkleidung, ein metallisches Einlegerteil mittels eines Magneten im Schäumwerkzeug zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein insbesondere für eine automatische Fertigung geeignetes Verfahren zum Herstellen eines besonders belastungsfähigen Faserverbundteiles aufzuzeigen. Ferner sollen eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein besonders vorteilhaftes Faserverbundteil vorgeschlagen werden.
Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens geben die Unteransprüche an. Eine vorteilhafte Vorrichtung sowie ein bevorzugtes Faserverbundteil sind in den weiteren Ansprüchen angeführt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in das Faserverbundteil an zumindest einer belastungskritischen Stelle zumindest eine Verstärkungseinlage, bevorzugt eine metallische Verstärkungseinlage, integriert wird.
Die bevorzugt metallische Verstärkungseinlage kann dabei fertigungstechnisch besonders günstig durch zumindest einen in den wiederverwendbaren Kern aus zum Beispiel PU-Schaum eingesetzten Magneten in Position gehalten werden. Damit gelingt es, in besonders einfacher Weise vor oder während des Umwickeln des Kernes manuell oder automatisiert die Verstärkungseinlage genau zu positionieren. Der Kern kann nach Fertigstellung des Faserverbundteiles mit dem integrierten Magneten entfernt und gegebenenfalls wiederverwendet werden. Der Magnet kann bevorzugt bei der Herstellung des Kernes in diesen mit eingeschäumt werden.
Eine verbesserte Spannungsverteilung im Bauteil wird des Weiteren dadurch erzielt, dass um den Kern mit dem integrierten Magnet wenigstens eine Faserlage gewickelt, anschließend die wenigstens eine Verstärkungseinlage durch Magnetkraft positioniert und dann der Bauteilverbund mit wenigstens einer weiteren Faserlage weiter umwickelt wird. Dies stellt eine homogene und hochfeste Einbindung der Verstärkungseinlage in den Faserverbund bzw. in das Faserverbundteil sicher. Als Fasermaterial kommen alle geeigneten Materialien in Frage, das heißt metallische Fasern ebenso wie Kunststofffasern. Auch Verbundmaterialien und bezüglich des Materials unterschiedliche Faserlagen können Verwendung finden.
In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei einem mehrteiligen Kern zumindest ein Kernabschnitt als verlorener, am fertigen Bauteil einen Verstärkungsbereich ausbildender Kernabschnitt, der bevorzugt als Hohlprofil, höchst bevorzugt als ein metallisches Hohlprofil ausgebildet ist, als Verstärkungseinlage verwendet wird, an den zumindest ein wiederverwendbarer, zum Beispiel aus PU-Schaum gebildeter, weiterer Kernabschnitt anschließt. Hier bildet der zum Beispiel als Vollmaterial, bevorzugt jedoch als Hohlprofil ausgebildete Kernabschnitt somit zugleich einen verlorenen Kern, der im Faserbundteil verbleibt und eine besonders leistungsfähige Verstärkung im belastungskritischen Bereich darstellt.
Bevorzugt können die zumindest zwei Kernabschnitte vor dem Umwickeln mittels einer Steckverbindung, zum Beispiel teleskopisch, miteinander verbunden werden. Daraus resultiert ein besonders schneller und präziser Zusammenbau des Kernes des Faserverbundteiles, wobei der wiederverwendbare Kernabschnitt einfach entfernbar ist.
Günstige Spannungsverteilungen im Faserverbundteil werden zudem erzielt, wenn zumindest in einem Übergangsbereich die beiden Kernabschnitte mit gleichen Außenkonfigurationen ausgeführt werden.
Bei definierten Konfigurationen von Faserverbundteilen wird ferner vorgeschlagen, dass zwischen zwei wiederverwendbaren Kernabschnitten ein metallischer und/oder im Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellter, verlorener Kernabschnitt an einer belastungskritischen Stelle verwendet wird.
Zum Aufspannen des Kernes des Faserverbundteiles in einer Radialumflechtmaschine wird des Weiteren vorgeschlagen, dass an dem zumindest einen wiederverwendbaren Kern bevorzugt beidseitig Spannelemente vorgesehen sind, an dem oder denen ein Roboterarm zur Positionierung und zur Vorschubbewegung des Kernes angreifen kann. Dabei können ferner mittels zumindest eines weiteren Roboterarmes automatisiert die wenigstens eine Verstärkungseinlage auf den den wenigstens einen Magnet aufweisenden Kern aufgesetzt und positioniert werden.
Ein besonders bevorzugtes Faserverbundteil ist als längliches Hohlprofil ausgeführt, mit einem mittleren Krümmungsabschnitt, der einerseits in einen einen geringeren Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt und andererseits in einen einen größeren Querschnitt aufweisenden Basisabschnitt übergeht, wobei in den Krümmungsabschnitt ein oder mehrere Verstärkungseinlagen integriert sind. Damit gelingt ein spannungshomogener Übergang der Bauteilbelastungen vom Basisteil in den Rohrteil; das Faserverbundteil kann zum Beispiel der obere Abschnitt einer A-Säule der Karosserie eines Cabriolet-Fahrzeuges sein.
Als Verstärkungen des Faserverbundteiles können zum Beispiel zwei halbschalenförmige Verstärkungseinlagen eingesetzt sein, die bei der Herstellung durch Magnetkraft an den Kernabschnitten gehalten und entsprechend positioniert sind.
Alternativ kann die Verstärkungseinlage in dem Krümmungsabschnitt des Faserverbundteiles durch ein entsprechend angepasstes, metallisches Hohlprofil gebildet sein, das fertigungstechnisch besonders günstig im Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt sein kann.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 den Kern eines mit schalenförmigen, metallischen Verstärkungseinlagen versehenen, gestrichelt angedeuteten und ein Hohlprofil aufweisenden Faserverbundteiles, das in einer Radialumflechtmaschine herstellbar ist;
2 einen Schnitt gemäß Linie II-II der 1 durch den Kern im Bereich der Verstärkungseinlagen;
3 bis 5 in der gleichen Schnittebene wie 2 den Fertigungsverlauf beim Umwickeln des Kernes mit mehreren Faserlagen;
6 in stark abstrahierter Form den Umwickelprozess des Faserverbundteiles in einer Radialumflechtmaschine mit Robotersteuerung des Faservorschubes und des Einlegens der Verstärkungseinlagen;
7 einen alternativen Kern für ein Faserverbundteil mit zwei wiederverwendbaren, zum Beispiel geschäumten Kernabschnitten und einem mittleren, metallischen Kernabschnitt, der zugleich als Verstärkungseinlage dient; und
8 einen Schnitt gemäß Linie VIII-VIII der 7 durch eine der teleskopischen Verbindungen zwischen den Kernabschnitten.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen aus PU Schaum hergestellten Kern 10 für die Herstellung eines Faserverbundteiles 12, das in gestrichelten Linien angedeutet ist.
Das als durchgehendes Hohlprofil ausgebildete Faserverbundteil 12 ist im Ausführungsbeispiel der obere Abschnitt einer A-Säule einer Karosserie eines Cabriolet-Fahrzeuges und wird durch Umwickeln des Kernes 10 mit zum Beispiel Carbonfasern in mehreren Faserlagen und anschließendem Injizieren eines zum Beispiel aushärtbaren Kunstharzes als Matrix gefertigt.
In einem Krümmungsabschnitt 12a mit von oben nach unten zunehmendem Querschnitt des Hohlprofiles sind halbschalenförmige, metallische Verstärkungseinlagen 14 (vergleiche auch 2) integriert. An den Krümmungsabschnitt 12a schließt einerseits ein rohrförmiger Abschnitt 12b geringeren Querschnittes und ein Basisabschnitt 12c größeren Querschnittes an.
Der Kern 10 wird in einem zweigeteilten Kernkasten (nicht dargestellt) gefertigt, in dem die Form des Kernes 10 im Negativ abgebildet ist und der mit dem PU-Schaum ausgespritzt wird. Vor dem Einbringen des PU-Schaumes werden in den Kernkasten Magnete 16 (in der 1 als Kreise angedeutet) positioniert, die an der Wand des Kernkastens anhaften. Dazu können gegebenenfalls im Kernkasten metallische Einlegerteile integriert sein, die zunächst die Magnete halten.
Des Weiteren werden an den beiden stirnseitigen Enden des Kernes 10 zapfenartige Spannelemente 18 angeordnet, die ebenfalls im Kernkasten festgelegt sind und die bei der Herstellung des Kernes 10 teilweise mit umspritzt werden.
Mit dem Einspritzen und Aushärten des PU-Schaumes sind die Magnete 16 und die Spannelemente 18 fest mit dem Kern 10 verbunden. Der Kernkasten kann geöffnet und der Kern 10 mit den an dessen Oberflächen positionierten Magneten 16 und den Spannelementen 18 entnommen werden.
Bei der Fertigung des Faserverbundteiles 12 (vergleiche 1 in Verbindung mit 3 bis 6) wird in der nicht dargestellten Radialumflechtmaschine eine erste Faserlage 20 aufgewickelt, die wie aus 4 ersichtlich ist auch die Magnete 16 umschließt.
Sodann werden die halbschalenförmigen, aus zum Beispiel Stahlblech gefertigten Verstärkungseinlagen 14 in definierter Positionierung aufgesetzt und durch die Haftkraft der kernseitigen Magnete 16 in Position gehalten.
Danach werden weitere, die Wandstärke und die Außenform des Faserverbundteiles bestimmende Faserlagen 22 aufgewickelt (4 und 5) und schließlich in diese Faserstruktur eine aushärtende Masse, bevorzugt Kunststoffharz, injiziert, wobei durch das entstehende Vakuum auch Hohlräume 24 (übertrieben dargestellt) eliminiert werden und eine homogene, hochfeste Faserstruktur gebildet ist.
Den Umwickelprozess des Faserverbundteiles 12 zeigt stark abstrahiert 6, wobei der Kern 10 während des Wickelprozesses über die Spannelemente 18, welche durch die Roboter 26, 28 durch die Radialumflechtmaschine 33 geführt werden, gehalten ist.
Roboter 26, 28 sorgen dabei für eine gezielte Vorschubbewegung des Kernes 10, während weitere Roboter 30, 32 automatisiert die Verstärkungseinlagen 14 zuführen und auflegen, die dann durch die Magnete 16 entsprechend gehalten sind.
Die 7 und 8 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Faserverbundteiles 12 im Wesentlichen analog der 1, bei dem jedoch ein mehrteiliger Kern 34 verwendet ist.
Der Kern 34 setzt sich aus zwei aus zum Beispiel PU-Schaum gefertigten, wiederverwendbaren Kernabschnitten 36, 38 und einem mittleren Kernabschnitt 40 aus einem bevorzugt metallischen, an den Krümmungsabschnitt 12a (gemäß 1) angepassten Hohlprofil zusammen. Wie die 7 zeigt, können dabei die Übergangsbereiche von einem Kernabschnitt zum anderen eine gleiche Außenkonfiguration aufweisen.
Der aus zum Beispiel dünnwandigem Stahlblech im bevorzugt Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellte Kernabschnitt 40 ist mit den geschäumten Kernabschnitten 36, 38 teleskopisch verbunden bzw. auf querschnittsverminderte Vorsprünge 36a, 38a der Kernabschnitte 36, 38 aufgesteckt.
Sodann wird der Kern 34 (8) im wesentlichen wie vorbeschrieben in einer Radialumwickelmaschine mit inneren und äußeren Faserlagen 20, 22 umwickelt, die jeweils mehr oder minder durchgehend auf den Kern 34 aufgewickelt und durch Injizieren einer aushärtbaren Masse, zum Beispiel von Kunstharz, verdichtet und zu einer einheitlichen Faserstruktur des Faserverbundteiles 12 verbunden werden.
Die in 6 dargestellten Roboter 30, 32 zum Einlegen der Verstärkungseinlagen können durch den unmittelbar als Verstärkungseinlage dienenden Kernabschnitt 40 entfallen, der in die Faserstruktur 20, 22 fest eingebunden ist.
Nach der Fertigstellung des Faserverbundteiles 12 können die wiederverwendbaren Kernabschnitte 36 und 38 entfernt werden, so dass ein durchgehend aus einem Hohlprofil bestehendes Faserverbundteil 12 hoher Bauteilfestigkeit geschaffen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259539 A1 [0002]
DE 10328045 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines ein Hohlprofil aufweisenden Faserverbundteiles, bei dem über einen ein- oder mehrteiligen Kern in einem Radialflechtprozess mehrere Faserlagen gewickelt, anschließend eine aushärtbare Masse, bevorzugt Kunstharz, injiziert und ausgehärtet und gegebenenfalls der Kern wenigstens teilweise entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in das Faserverbundteil (12) an zumindest einer belastungskritischen Stelle (12a) zumindest eine Verstärkungseinlage, bevorzugt eine metallische Verstärkungseinlage (14; 40) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verstärkungseinlage (14) durch zumindest einen in einen wiederverwendbaren Kern (10) eingesetzten Magneten (16) in Position gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Magnet (16) bei der Herstellung des Kernes (10) in diesen mit eingeschäumt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kern (10) mit dem zumindest einen integrierten Magneten (16) wenigstens eine Faserlage (20) gewickelt, anschließend die wenigstens eine Verstärkungseinlage (14) positioniert und dann der Bauteilverbund weiter umwickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrteiligen Kern (34) zumindest ein Kernabschnitt (40) als verlorener, am fertigen Bauteil einen Verstärkungsbereich ausbildender Kernabschnitt, der bevorzugt als durch ein Hohlprofil, höchst bevorzugt als metallisches Hohlprofil, ausgebildet ist, als Verstärkungseinlage verwendet wird, an den sich zumindest ein wiederverwendbarer, bevorzugt aus PU Schaum gebildeter, weiterer Kernabschnitt (36, 38) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Kernabschnitte (36, 38, 40) vor dem Umwickeln mittels einer Steckverbindung lösbar miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kernabschnitte (36, 38, 40) zumindest in einem Übergangsbereich mit gleichen Außenkonfigurationen ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei wiederverwendbaren Kernabschnitten (36, 38) ein im Innenhochdruckumformverfahren hergestellter, vorzugsweise metallischer Kernabschnitt (40) an einer belastungskritischen Stelle (12a) verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Roboter (26, 28) zur Positionierung und Vorschubbewegung des Kernes (10) in einer Radialumflechtmaschine (33) aufweist, welcher wenigstens einen Roboter (26, 28) an dem zumindest einen Kern (10; 36, 38), insbesondere an wenigstens einem Spannelement (18) des Kerns angreift.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines weiteren Roboters (30, 32) die wenigstens eine Verstärkungseinlage (14) auf den wenigstens einen Magnet (16) aufweisenden Kern (10) aufgesetzt und positioniert wird.
Faserverbundteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundteil als längliches Hohlprofil ausgeführt ist mit einem mittleren Krümmungsabschnitt (12a), der einerseits in einen einen geringeren Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt (10b) und andererseits in einen einen größeren Querschnitt aufweisenden Basisabschnitt (10c) übergeht, wobei in den Krümmungsabschnitt (12a) ein oder mehrere Verstärkungseinlagen (14; 40) integriert sind.
Faserverbundteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei halbschalenförmige Verstärkungseinlagen (14) eingesetzt sind.
Faserverbundteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinlage (40) in dem Krümmungsabschnitt (12a) durch ein entsprechend angepasstes, metallisches Hohlprofil gebildet ist.
Faserverbundteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Hohlprofil und/oder die Verstärkungseinlage (40) im Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt ist.