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Die vorliegende Erfindung betrifft ein plattenförmiges Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Bauteils, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.
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Derartige gattungsgemäße Bauteile sind als so genannte ”Isogrid”-Strukturen bzw. -platten bekannt und besitzen den Vorteil einer vergleichsweise hohen Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht.
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Bislang wurden solche Bauteile bei hohen Festigkeitsanforderungen in der Regel als gefräste Metallteile gefertigt. Diese Herstellung erfordert einen hohen Material- und Arbeitseinsatz und ist somit sehr aufwendig und kostenintensiv. Beim Fräsprozess werden typischerweise dreieckige Kavitäten in eine der beiden Flachseiten einer massiven Metallplatte eingebracht, so dass eine aus flächengitterartig nebeneinander angeordneten Dreiecken zusammengesetzte Rippenstruktur mit entlang der Dreieckskanten verlaufenden Rippen entsteht.
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Aus
DE 1704670 A ist ein Kunststofflaminat mit Verstärkungsrippen sowie ein Verfahren zum Herstellen des selbigen bekannt. Zur Gewichtsreduktion wird auf das Kunststofflaminat eine weitere Schicht mit verstärkenden Rippen aufgebracht.
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DE 2129048 A lehrt ein Herstellungsverfahren zweier Deckschichten aus einem aushärtbaren Kunststoff, welche durch eine Textilarmierung im Abstand voneinander gehalten werden.
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WO2004/024424 A1 lehrt ein Strukturbauteil mit dreidimensionaler Belastbarkeit, wobei durch dreidimensionale Anordnung mehrerer Endlosfaserprofile eine Kraftübertragung durch eine Langfaser-Thermoplast-Masse realisiert wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfach herzustellendes Bauteil der eingangs genannten Art bzw. ein entsprechendes Herstellungsverfahren hierfür anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 bzw. ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die nachfolgend für das Bauteil beschriebenen Weiterbildungen können in analoger Weise, einzeln oder in Kombination, auch als entsprechende Weiterbildungen des Herstellungsverfahren vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist als Faserverbundbauteil gefertigt, mit einer plattenförmigen ersten Faserverbundstruktur und mit wenigstens einer an einer Flachseite der ersten Faserverbundstruktur angebundenen, die Rippenstruktur darstellenden zweiten Faserverbundstruktur, welche ausgehend von einer zunächst ebenen Faserverbundstruktur gebildet wurde durch Einbringen von Einschnitten, die jeweils etwa von einer der Polygonecken in das Polygoninnere verlaufen, und Umformen der damit entstandenen Strukturlappen zur Ausbildung der Rippenstruktur.
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Mit der Erfindung lassen sich den bekannten Isogrid-Bauteilen entsprechende Faserverbundbauteile herstellen, so dass hierbei vorteilhaft alle Vorteile von Faserverbundmaterialien (insbesondere deren hohe spezifische Festigkeit) nutzbar werden. Darüber hinaus kann das Bauteil gemäß der Erfindung in einfacher Weise und gewünschtenfalls auch ohne jeglichen ”Verschnitt” gefertigt werden. Außerdem können die Rippen ohne Mehraufwand hohl ausgebildet werden, was vorteilhaft eine weitere Gewichtsreduktion darstellt. Die bei der Herstellung sich zunächst ergebenden Hohlräume können jedoch auch aufgefüllt werden, falls die Rippen des fertigen Faserverbundbauteils nicht hohl sein sollen.
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Für die konkrete Wahl der Polygone, aus denen die Rippenstruktur zusammengesetzt ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Polygone Dreiecke, insbesondere gleichseitige Dreiecke oder gleichschenklige Dreiecke sind.
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Es sind jedoch auch andere Polygone möglich, beispielsweise Quadrate, Rechtecke, regelmäßige Sechsecke oder andere Polygone, welche die Ausbildung eines Flächengitters ermöglichen.
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Auch kann die Rippenstruktur insgesamt aus Polygonen von verschiedener Art und/oder Abmessung gebildet sein, was z. B. insbesondere zur Erzielung eines bestimmten Bauteilrandverlaufes von Bedeutung sein kann. So kann z. B. der Großteil der betreffenden Bauteilflachseite mit einer Rippenstruktur aus identischen Polygonen (z. B. Dreiecke oder Sechsecke) besetzt sein, wobei am Bauteilrand (zumindest abschnittweise) anders dimensionierte und/oder andersartige Polygone gewissermaßen als ”Adapterpolygone” zur Erzielung eines gewünschten Bauteilrandverlaufes vorgesehen sind (Alternativ könnte die innerhalb der betreffenden Bauteilfläche vorgesehene Rippenstruktur z. B. bereits in einem gewissen Abstand vor dem Bauteilrand enden).
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Im einfachsten Fall weist das Bauteil lediglich an einer seiner Flachseiten die in oben beschriebener Weise gebildete Rippenstruktur auf. Es ist jedoch auch möglich, das Bauteil beidseitig mit einer solchen Rippenstruktur (identisch oder voneinander verschieden) zu versehen. In diesem Fall kann an derjenigen Flachseite der ersten Faserverbundstruktur, welche der zweiten Faserverbundstruktur entgegengesetzt ist, eine dritte Faserverbundstruktur angebunden werden, welche (wie die zweite Faserverbundstruktur) ausgehend von einer zunächst ebenen Faserverbundstruktur gebildet wurde durch Einbringen von geeigneten Einschnitten und geeignetes Umformen der damit entstandenen Strukturlappen.
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Vor oder nach dem Einbringen der Einschnitte in die zweite (bzw. dritte) Faserverbundstruktur kann diese Faserverbundstruktur auch als solche umgeformt (insbesondere gekrümmt) werden, um ein entsprechend gekrümmtes Bauteil herzustellen. Eine solche Umformung kann vorteilhaft gleichzeitig mit der Umformung der Strukturlappen erfolgen, etwa in einem Formwerkzeug mit einer Formfläche, welche die ”Innenseite” der Rippenstruktur einschließlich einer etwaigen Krümmung der Rippenstruktur insgesamt definiert.
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Bei einer gekrümmt ausgebildeten zweiten (bzw. dritten) Faserverbundstruktur ist die erste Faserverbundstruktur mit einer entsprechenden Krümmung zu versehen, bevor die Anbindung (z. B. durch Verklebung) erfolgt.
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Wenn die zweite (bzw. dritte) Faserverbundstruktur nach dem Einbringen der Einschnitte umgeformt und ohne weitere Maßnahmen an der betreffenden Flachseite der ersten Faserverbundstruktur angebunden wird, so werden hohle Rippen (mit entsprechendem Gewichtsvorteil) ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung zur Verkleinerung oder gänzlichen Beseitigung der Hohlräume (im Inneren der Rippen) ist vorgesehen, dass beim Umformen oder nach dem Umformen, jedenfalls vor dem Anbinden der umgeformten zweiten (bzw. dritten) Faserverbundstruktur, die entstandenen Hohlräume teilweise oder ganz mit einem Material ausgefüllt werden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die durch das Umformen entstandenen Hohlräume wenigstens zum Teil mit einem Fasermaterialhalbzeug, z. B. mit einem Stapel aus mehreren geeignet zugeschnittenen Faserhalbzeuglagen, ausgefüllt werden. Diese Zuschnitte können z. B. aus dem selben Material wie die umgeformte Faserverbundstruktur bestehen.
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Bevorzugt ist auch das Material der ersten Faserverbundstruktur identisch mit dem Material der zweiten Faserverbundstruktur (und, falls vorhanden, dem Material der dritten Faserverbundstruktur).
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Dass gemäß der Erfindung die Einschnitte jeweils ”etwa von einer der Polygonecken” in das Polygoninnere verlaufen, soll sicherstellen, dass die erhabenen Bereiche der Rippenstruktur eine gewisse laterale Ausdehnung besitzen und die Rippen eine zusammenhängende, flächengitterartige Rippenstruktur bilden. Würde man die Einschnitte ”exakt von der Polygonecke” in das Polygoninnere verlaufend einbringen, so besäßen die Rippen keine ”Breite” mehr und die Faserverbundstruktur würde in eine Vielzahl von nicht mehr zusammenhängenden Abschnitten aufgetrennt werden.
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Für den konkreten Verlauf der jeweils etwa von einer der Polygonecken in das Polygoninnere verlaufenden Einschnitte gibt es, auch abhängig von der konkreten Wahl der Polygonart, verschiedene Möglichkeiten.
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Bei einem regelmäßigen Polygon, beispielsweise einem gleichseitigen Dreieck oder einem gleichseitigen Sechseck, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass diese Einschnitte geradlinig bis ins Polygonzentrum verlaufen und sich in diesem Zentrum an einem Punkt treffen. Auch bei anderen Polygonarten kann vorgesehen sein, dass die jeweils etwa von einer Polygonecke verlaufenden Einschnitte sich in einem gemeinsamen Punkt treffen. In diesem Fall entsteht kein ”Verschnitt”.
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Auch kein Verschnitt entsteht z. B. wenn zwei voneinander beabstandete Punkte im Polygoninneren vorgesehen sind, an welchen jeweils mehrere Einschnitte enden (sich in diesem Punkt treffen), und ein zusätzlicher weiterer, bevorzugt geradliniger Einschnitt eingebracht wird, welcher zwischen diesen beiden Punkten verläuft.
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Es können jedoch auch Ausführungsformen mit einem gewissen Verschnitt vorgesehen sein (vgl. z. B. das mit Bezug auf 7 beschriebene Ausführungsbeispiel).
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Das Einbringen der Einschnitte kann z. B. durch eine mechanische Schneideinrichtung oder z. B. mittels eines Lasers bewerkstelligt werden (z. B. ”CNC-Cutter”, ”Ultraschall-Cutter”, Stanzmesser etc.).
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Das Umformen der durch das Einbringen der Einschnitte entstandenen Strukturlappen dient dazu, die Höhendifferenz zwischen den erhabenen Rippenstrukturflächen und dem ”Bauteilsubstrat” (betreffende Flachseite der ersten Faserverbundstruktur) zu überbrücken. Die konkrete Art und Weise dieses Umformens bzw. der damit realisierten ”Geometrie” bestimmt das Querschnittsprofil der damit ausgebildeten Rippen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Umformen ein wenigstens zweifaches Falten jedes Strukturlappens im Wesentlichen parallel zu der betreffenden Polygonkante (an welcher dieser Strukturlappen hängt).
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In dieser Weise kann z. B. ein so genanntes Omegaprofil für die Rippen realisiert werden. Es sind jedoch auch andere Profile möglich.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der ersten und zweiten Faserverbundstrukturen Kohlenstofffasern enthält. Prinzipiell kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch auf alle anderen, aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie bekannten Fasermaterialien zur Ausbildung der benötigten Faserverbundstrukturen zurückgegriffen werden (z. B. Glasfasern, synthetische Fasern wie z. B. Aramidfasern, Naturfasern etc.).
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Jede der hier benötigten Faserverbundstrukturen kann als ein flächiges Fasermaterialhalbzeug (ein- oder mehrlagig) bereitgestellt sein, wie z. B. als eine oder mehrere Lagen eines Gewebes, eines Geflechtes oder eines Geleges. Bevorzugt sind die am Anfang des Herstellungsprozesses bereitgestellten Faserverbundstrukturen bereits mit Matrixmaterial infiltriert bzw. vorimprägniert.
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In jedem Fall ist es bevorzugt, wenn wenigstens eine der zur Fertigung des Bauteils verwendeten Faserverbundstrukturen in mehreren verschiedenen Richtungen verlaufende Fasern enthält. Falls die betreffende Faserverbundstruktur aus einem einlagigen Fasermaterialhalbzeug besteht, so enthält dieses gemäß einer Weiterbildung in wenigstens drei verschiedene Richtungen verlaufende Fasern, z. B. in winkeläquidistant verlaufenden Richtungen (z. B. triaxiales Gelege).
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der ersten und zweiten Faserverbundstrukturen aus einem Stapel mehrerer Halbzeuglagen eines Fasermaterials gebildet ist. Unabhängig davon, ob jede solche Halbzeuglage bereits Fasern in mehreren verschiedenen Richtungen enthält, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die gestapelten Halbzeuglagen zur Vergrößerung der Faserrichtungsisotropie zueinander verdreht (in unterschiedlichen Orientierungen) angeordnet sind.
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Hierzu ein Beispiel: Wenn eine als Gewebe ausgebildete Halbzeuglage Fasern in 0°-Orientierung (z. B. Schussfäden) und 90°-Orientierung (z. B. Kettfäden) enthält, so kann durch Aufstapeln einer weiteren identischen, jedoch um 45° verdrehten Lage die Vielfalt an Faserrichtungen erhöht werden (0°, 45°, 90°, 135°).
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Eine in dieser Weise geschaffene bzw. verbesserte Quasi-Isotropie ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das herzustellende Bauteil später in entsprechend verschiedenen Richtungen Biegebeanspruchungen ausgesetzt ist.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Faserverbundbauteil gefertigt wird, indem eine plattenförmige erste Faserverbundstruktur hergestellt wird und wenigstens an einer Flachseite der ersten Faserverbundstruktur eine die Rippenstruktur darstellende zweite Faserverbundstruktur angebunden wird, welche ausgehend von einer zunächst ebenen Faserverbundstruktur gebildet wurde durch Einbringen von Einschnitten, die jeweils etwa von einer der Polygonecken in das Polygoninnere verlaufen, und Umformen der damit entstandenen Strukturlappen zur Ausbildung der Rippenstruktur.
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Bei diesem Verfahren bzw. dem damit hergestellten Bauteil sind die ersten und zweiten Faserverbundstrukturen bevorzugt durch einen gemeinsamen Aushärtungsprozess miteinander verbunden. Ein solcher Prozess kann in an sich bekannter Weise als so genanntes ”Co-Bonding” bzw. ”Co-Curing” vorgesehen sein. Bei diesem gemeinsamen Aushärtungsprozess, der z. B. in einem geheizten Formwerkzeug durchgeführt werden kann, erfolgt bevorzugt die vollständige Aushärtung der zuvor mit dem betreffenden Matrixmaterial infiltrierten Faserverbundstrukturen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der ersten und zweiten Faserverbundstrukturen vor dem Anbinden an die andere Faserverbundstruktur bereits mit einem Matrixmaterial infiltriert und vorgehärtet ist. Eine solche Voraushärtung bzw. teilweise Aushärtung kann insbesondere bei der zweiten Faserverbundstruktur (bzw., falls vorhanden, dritten Faserverbundstruktur) bereits vor oder während deren Umformung vorgesehen sein, um der umgeformten Struktur eine gewisse mechanische Stabilität zu verleihen.
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Der hier verwendete Begriff ”plattenförmiges Bauteil” ist sehr breit zu verstehen und insbesondere nicht auf plattenförmig-ebene Bauteile beschränkt. Vielmehr kann das Bauteil, wie oben bereits erwähnt, insgesamt eine Krümmung aufweisen. Auch kann das Bauteil insgesamt ringförmig in sich geschlossen sein. Wesentlich ist lediglich, dass das Bauteil einen flächig ausgedehnten Bauteilbereich aufweist (mit vergleichsweise geringer Dicke im Vergleich zu einer typischen Lateralausdehnung).
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Dass die zur Bildung der Rippenstruktur verwendete Faserverbundstruktur ”zunächst eben” ist, soll bedeuten, dass diese Struktur noch nicht die Rippen besitzt (welche erst durch das Umformen der durch Einschnitte erzeugten Strukturlappen entstehen). Dies schließt keineswegs aus, dass die zunächst ebene Faserverbundstruktur eine Krümmung besitzt, oder sogar ringförmig in sich geschlossen ist (z. B. als Rundgeflecht ausgebildet).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine perspektivische Ansicht eines plattenförmigen Bauteils mit einer versteifenden Rippenstruktur an einer Bauteilflachseite,
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2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1,
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3 eine Draufsicht einer zur Fertigung des in 1 gezeigten Bauteils verwendeten Faserverbundstruktur, mit eingezeichneten Schnittlinien (durchgezogene dicke Linien) und Faltlinien (gepunktete Linien),
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4 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener Stadien der Fertigung eines Bauteils der in 1 dargestellten Art, hierbei zeigen:
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4 die zur Ausbildung der Rippenstruktur verwendete Faserverbundstruktur, im noch unverformten Zustand, sowie ein zum Umformen verwendetes Werkzeug,
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5 die umverformte Faserverbundstruktur,
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6 die umverformte Faserverbundstruktur, nach Anbindung an eine ein Substrat bildende, weitere Faserverbundstruktur, und
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7 eine der 3 entsprechende Draufsicht einer Faserverbundstruktur gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels (Faltlinien. gestrichelt eingezeichnet).
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1 zeigt ein plattenförmiges Bauteil 10 mit einer an einer Bauteilflachseite 12 über einen Großteil dieser Bauteilflachseite 12 sich erstreckenden Rippenstruktur 14 mit Rippen 16.
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Die Rippenstruktur 14 ist aus flächengitterartig nebeneinander angeordneten Dreiecken zusammengesetzt. Eines dieser Dreiecke ist in 1 mit einer dünnen Linie eingezeichnet und mit 18 bezeichnet.
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Das eingezeichnete Dreieck 18 besitzt Ecken 20-1, 20-2 und 20-3, zwischen denen die entsprechenden Dreieckskanten 22-1, 22-2 und 22-3 verlaufen.
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Die Rippen 16 verlaufen jeweils entlang einer solchen Dreieckskante.
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Um dem Bauteil 10 eine insgesamt rechteckige Kontur zu verleihen, sind an den in 1 linken und rechten Randbereichen zusätzliche, anders als das Dreieck 18 dimensionierte Dreiecke als ”Formgestaltungsadapter” vorgesehen, entlang deren Dreieckskanten ebenfalls Rippen verlaufen.
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Die bis hierher beschriebene Struktur des Bauteils 10 entspricht derjenigen eines so genannten Isogridbauteils, welches im Stand der Technik z. B. durch Ausfräsen der Rippenstruktur aus einem Vollmaterial (z. B. Aluminium) erhalten wird.
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Eine Besonderheit des dargestellten Bauteils 10 besteht darin, dass dieses als Faserverbundbauteil gefertigt ist, mit einer plattenförmigen ersten Faserverbundstruktur 30 und mit einer daran angebundenen, die Rippenstruktur 14 darstellenden zweiten Faserverbundstruktur 32.
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Die zweite Faserverbundstruktur 32 wurde gebildet durch Einbringen von Einschnitten 34 (vgl. 3), die jeweils etwa von einer der Dreiecksecken, also z. B. von jeder der eingezeichneten Ecken 20-1, 20-2 und 20-3, in das Innere des betreffenden Dreiecks, also z. B. das Innere des eingezeichneten Dreiecks 18 verlaufen, und Umformen der damit entstandenen Strukturlappen 36 zur Ausbildung der Rippenstruktur 14.
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2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in 1. Daraus ist die Ausbildung der Rippenstruktur 14 aus der eingeschnittenen und umgeformten Faserverbundstruktur 32, und die Anbindung dieser Faserverbundstruktur 32 an der Faserverbundstruktur 30 ersichtlich.
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3 zeigt die zur Bildung der zweiten Faserverbundstruktur 32 und somit der Rippenstruktur 14 verwendete Faserverbundstruktur 32' in ihrem Ausgangszustand. Im dargestellten Beispiel handelt es sich z. B. um einige (bevorzugt zueinander verdrehte) Lagen eines flächigen Faserhalbzeugmaterials, also z. B. mehrere Lagen eines Kohlenstofffasergewebes zur Ausbildung eines multiaxialen Verstärkungsfaserhalbzeuges.
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Die Faserverbundstruktur 32' (Stapel aus Zuschnitten eines Kohlenstofffasergewebes) besitzt ein insgesamt rechteckige Kontur entsprechend der Kontur des herzustellenden Bauteils 10.
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In 3 ist wieder das bereits mit Bezug auf 1 erwähnte Dreieck 18 mit seinen Ecken 20-1 bis 20-3 eingezeichnet. Ferner sind in 3 die Verläufe der einzubringenden Einschnitte 34 (durch dicke Linien) eingezeichnet. 3 stellt gewissermaßen das ”Schnittmuster” der zur Ausbildung der Rippenstruktur 14 verwendeten (zunächst ebenen) Faserverbundstruktur 32' (flächiges Fasermaterialhalbzeug) dar.
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Die Einschnitte 34 verlaufen jeweils etwa von einer der Dreiecksecken (z. B. 20-1, 20-2 und 20-3) in das Innere des betreffenden Dreiecks (z. B. Dreieck 18), und treffen sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel in den jeweiligen Mittelpunkten der Dreiecke (z. B. im eingezeichneten Mittelpunkt 38 des Dreiecks 18).
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Mit dem Einbringen dieser Einschnitte 34 entstehen die Strukturlappen 36, welche sich jeweils ausgehend etwa von einer Dreieckskante sich verjüngend in das betreffende Dreiecksinnere erstrecken.
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Die Umformung dieser Strukturlappen 36 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer zweifachen Faltung jedes Strukturlappens 36. In 3 sind die beiden Umfaltlinien mit punktierten Linien eingezeichnet.
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Diese Umfaltlinien erstrecken sich im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils parallel zu derjenigen Dreieckskante, an welcher der betreffende Strukturlappen 36 ”hängt”.
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Wie es insbesondere aus der Schnittdarstellung von 2 ersichtlich ist, können durch diesen zweifachen Faltvorgang einerseits die etwa in Vertikalrichtung verlaufenden Flanken der Rippen 16 und andererseits die an den Fußbereichen der Rippen 16 zur Anbindung an die Faserverbundstruktur 30 vorgesehenen und parallel zu dieser verlaufenden (horizontal verlaufenden) Fußabschnitte der Rippen 16 ausgebildet werden.
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Die 4 bis 6 veranschaulichen in schematischen Darstellungen verschiedene Stadien der Herstellung des Bauteils 10 (oder eines ähnlichen Bauteils) gemäß eines Ausführungsbeispiels.
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Zunächst, wie in 4 dargestellt, wird die ebene Faserverbundstruktur 32', die im dargestellten Ausführungsbeispiel bereits mit einem Matrixmaterial, z. B. Kunstharz wie z. B. ein Epoxidharzsystem, infiltriert und eventuell bereits geringfügig vorgehärtet ist, mit den Einschnitten 34 versehen.
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Sodann erfolgt ein Umformen dieser Struktur 32' mittels eines ebenfalls in 4 symbolisierten Formwerkzeugs 40. Während oder nach diesem Umformschritt erfolgt bevorzugt eine weitere, jedoch noch nicht vollständige Aushärtung der Struktur 32'.
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5 zeigt das Resultat dieses Umformens, und gegebenenfalls weiteren Aushärtens, nämlich die Rippenstruktur 14 mit den Rippen 16, bzw. die mit Bezug auf 1 bereits beschriebene ”zweite Faserverbundstruktur” 32. Wenngleich in der schematischen Darstellung von 5 die einzelnen Rippen 16 separat voneinander gezeichnet sind, so hängen diese letztlich innerhalb der zweidimensionalen, flächengitterartigen Polygonstruktur zusammen (vgl. z. B. 1).
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6 zeigt schließlich die Rippenstruktur 14 bzw. die hierfür verwendete zweite Faserverbundstruktur 32 nach Anbindung an eine Flachseite der mit Bezug auf 1 bereits beschriebenen ”ersten Faserverbundstruktur” 30.
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Für diesen Anbindungsschritt wurde die erste Faserverbundstruktur 30 ebenfalls bereits mit Matrixmaterial infiltriert und vorgehärtet bereitgestellt. Zum Anbinden wird diese erste Faserverbundstruktur 30 zusammen mit der zweiten Faserverbundstruktur 32 in einem gemeinsamen Aushärtungsprozess vollständig ausgehärtet (”Co-Bonding” der beiden Faserverbundstrukturen 30 und 32).
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Alternativ könnte vorgesehen sein, dass die beiden Faserverbundstrukturen 30 und 32 separat voneinander vollständig ausgehärtet und sodann zwecks Anbindung miteinander verklebt werden.
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Die vorstehend mit Bezug auf die 4 bis 6 beschriebene Möglichkeit zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Bauteils kann vielfältig abgewandelt werden.
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So kann beispielsweise bei dem in 4 dargestellten Verfahrensschritt die ebene Faserverbundstruktur 32' mit einem Binderanteil (z. B. eine oder mehrere Binderlagen) mit den Einschnitten 34 versehen werden (wobei eine Infiltration mit dem eigentlichen Matrixmaterial erst später erfolgt).
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Die Umformung der Struktur 32' kann insbesondere in diesem Fall mittels erhöhter Temperatur und in einem Formwerkzeug erfolgen.
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Die umgeformte (z. B. umgefaltete) Faserverbundstruktur 32, wie in 5 symbolisiert, kann sodann in ein Aushärtewerkzeug oder ein Infiltrations- und Aushärtewerkzeug eingelegt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung werden hierbei gleichzeitig ein oder mehrere elastische Druckkörper (z. B. Druckkissen wie Silikon-Druckkissen) mit in das betreffende Werkzeug eingelegt, welche hinsichtlich ihrer Formgestaltung an die Rippenstruktur angepasst sind.
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Mit Bezug auf die 6 ist gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass nach dem Einlegen der umgeformten Faserverbundstruktur 32 (und gegebenenfalls den Druckkörpern) auch noch die ”erste Faserverbundstruktur” 30 in dasselbe Werkzeug eingelegt wird, und das Werkzeug sodann geschlossen wird. Im Falle eines Infiltrations- und Aushärtewerkzeuges kann in diesem Stadium (bei geschlossenem Werkzeug) die Infiltration beider Strukturen 32 und 30 mit dem betreffenden Matrixwerkstoff erfolgen, bevor die Aushärtung, insbesondere thermische Aushärtung, im Werkzeug erfolgt.
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Falls die erwähnten Druckkissen oder ähnliche Druckkörper zusammen mit den beiden Strukturen 32 und 30 in das Werkzeug eingelegt wurden, so kann bei einer thermischen Aushärtung vorteilhaft eine Verdichtung der Rippenstruktur durch eine Wärmedehnung des Materials der Druckkörper (z. B. Silikon) realisiert werden.
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Bei dem bis hierher beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzen die einzelnen Rippen 16 im Querschnitt betrachtet jeweils ein Omegaprofil umfassend:
- – einen (bezüglich der ersten Faserverbundstruktur 30) erhabenen und horizontal (parallel zur Struktur 30) verlaufenden zentralen Rippensteg,
- – beiderseitig sich daran anschließende, schräg nach unten verlaufende Rippenflanken, und
- – an den unteren Enden der Rippenflanken sich anschließende Rippenfussabschnitte, die wieder horizontal, jedoch unmittelbar an der Oberseite der als ”Substrat” dienenden ersten Faserverbundstruktur 30 verlaufen.
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Der Übergang von dem zentralen Rippensteg zu einer seitlichen Rippenflanke wird durch die eine der beiden Faltlinien (vgl. punktierte Linien in 3) realisiert, wohingegen der Übergang zwischen dieser Rippenflanke zum sich anschließenden Rippenfußabschnitt durch die andere dieser beiden Faltlinien realisiert wird.
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Es versteht sich, dass durch entsprechende Modifikation der Anzahl und/oder Anordnung von Faltlinien bzw. damit realisierten Faltprozessen abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel auch andere Rippenprofile als das konkret dargestellte Omegaprofil bewerkstelligt werden können. Beispielsweise könnten die Rippenflanken auch exakt vertikal (und nicht schräg) verlaufen. Unabhängig davon könnten die Rippenfußabschnitte auch bezüglich der betreffenden Rippenflanken nach innen (und nicht nach außen) umgefaltet sein.
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Außerdem ist die bei dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehene Zusammensetzung der Rippenstruktur 14 aus Dreiecken lediglich beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich könnte hierfür auch eine andere Art von Polygon bzw. sogar eine Kombination von mehr als einer Art von Polygon verwendet werden. Wesentlich ist, dass sich die Rippenstruktur aus flächengitterartig nebeneinander angeordneten Polygonen zusammensetzt. Ein in dieser Hinsicht modifiziertes Ausführungsbeispiel wird unten mit Bezug auf 7 beschrieben.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben ”a” zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
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7 zeigt eine (teilweise) Draufsicht einer Faserverbundstruktur 32'a bzw. deren ”Schnittmuster”, welches auf einer flächengittermäßigen Zusammensetzung von Rechtecken beruht, von denen eines (mit dünner Linie) eingezeichnet und mit 18a bezeichnet ist.
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Ein weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht darin, dass Einschnitte 34a, die etwa von den Polygonecken (hier: z. B. den Ecken 20a-1 bis 20a-4 des Rechtecks 18a) in das Innere des betreffenden Polygons (hier: z. B. Rechteck 18a) verlaufen, nicht zum Mittelpunkt verlaufen, und sich dort treffen, sondern an vier separaten Punkten 42a enden.
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Da durch diese Einschnitte 34a noch nicht separate, umformbare Strukturlappen 36a entstehen, sind weitere Einschnitte 35a zwischen entsprechenden der Punkte 42a vorgesehen (ebenfalls durch dicke Linien eingezeichnet), welche letzteres sicherstellen.
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Durch diese weiteren Einschnitte 35a werden aus jedem Rechteck 18a rechteckige Zentralbereiche herausgeschnitten, welche einen ”Verschnitt” des Herstellungsprozesses darstellen. Ein derartiger Verschnitt kann von Vorteil sein, etwa wenn die lateralen Abstände zwischen den auszubildenden Rippen besonders groß (im Vergleich zur Rippenhöhe) sind und Material und somit Gewicht eingespart werden soll. Alternativ zu einem ”Wegschneiden” von Teilen der umzuformenden Faserverbundstruktur, und somit Schaffung eines Verschnittes, kommt in Betracht, diese Teile für eine Doppelung des Rippenmaterials zu nutzen. Hierzu könnte, abweichend von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, entlang wenigstens einer Umfaltlinie eine Umfaltung um 180° vorgesehen werden.
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Zusammenfassend ermöglicht es die Erfindung insbesondere, aus ebenen Textilien einseitig flache Platten zu erzeugen, die auf der Gegenseite eine ”Isogridstruktur” aus Rippen mit z. B. Omegaprofil besitzen. Die wesentliche Verarbeitung kann in einem klassischen und kostengünstigen Umformprozess erfolgen. Die Geometrie der Isogridstruktur kann bereits bei der Konstruktion, z. B. durch geeignete Berechnungsprogramme, optimal an die Bedürfnisse des Bauteils angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein quasi-isotroper Kohlenstofffaser-Gelegestapel mit Einschnitten versehen und in einem ersten Verarbeitungsschritt umgeformt, mit Harz infiltriert und vorgehärtet. Danach wird die somit erzeugte Rippenstruktur auf einen harzgetränkten quasi-isotropen Gelegestapel aufgelegt und im so genannten ”Co-Curing” vollvernetzt.
