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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Endlosfaser-Verbundbauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Faserverbund-Komponenten im Kraftfahrzeugbau für Komponenten einzusetzen, die hohe Festigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht erfordern. Zur Herstellung solcher Faserverbundbauteile beziehungsweise Faser-Vorformlinge, aus dem das Bauteil durch Zugabe eines Matrixmaterials zur Herstellung des Verbunds und anschließender Aushärtung geschaffen wird, sind verschiedene Verfahren bekannt. Im zeitaufwändigen Hand-Legeverfahren werden Fasergelege und Gewebe per Hand oder maschinell zugeschnitten und entsprechend der Strukturbelastungen aufeinander geschichtet. Die einzelnen Schichten können dabei beispielsweise durch Sprühkleber oder Nähen fixiert werden. Der so geschaffene Faser-Vorformling wird dann in eine Form eingelegt und mit einem Harz durch Handlaminieren oder Vakuum-Infusion durchtränkt. Mit automatisierten Ablegeverfahren, um sogenannte „Patches” abzulegen, werden bestimmte Längen maschinell von einem Endlosmaterial abgeschnitten und automatisiert auf einer ebenen oder gekrümmten Form abgelegt. Wie im Handlegeverfahren werden auch hier zur Erlangung des Vorformlings Endlosfasermaterialien geschnitten.
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Mit einem Faserwickelverfahren ist das Ablegen von Endlosfasersträngen, sogenannten Rovings, in einer zylindrischen oder zumindest annähernd zylindrischen Form möglich. Hier werden die Fasern sehr straff und eng aneinander liegend mit hoher Maßgenauigkeit positioniert. Dazu ist ein Formkörper notwendig, der die spätere Gestalt des Baukörpers bestimmt.
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Durch Sticken als textile Verarbeitungstechnik wird ein Trägermaterial wie Stoff, Leder oder Papier mittels Durchziehen oder Aufnähen von Fäden fixiert. Diese Fäden dienen dazu, einen zweiten Faden, der ein Roving sein kann, auf dem Trägermaterial zu fixieren. Hierbei kann der Faden respektive das Roving einem fast beliebigem Kurvenverlauf folgen, allerdings sind hohe Wandstärken schwer zu realisieren und bei Trägermaterialen mit komplexen Geometrien kaum möglich.
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Zur automatisierten Erstellung eines Faser-Vorformlings aus Endlosfasern ist ferner das Pultrusionsverfahren bekannt, das als offenes oder geschlossenes Verfahren ausgeführt werden kann. Beim offenen Verfahren werden die Verstärkungsfasern über eine Tauchwalze von ihren Stelllagern in eine Imprägnierwanne geführt. Ein Kardiergitter sorgt für die gewünschte Verteilung der Fasern im späteren Profil. Nach der Imprägnierung mit Kunstharz durchlaufen die Fasern mehrere Vorformstationen, durch die das Faserharzgemisch immer näher an die gewünschte, endgültige Form herangeführt wird. Beim geschlossenen Verfahren erfolgt die Imprägnierung der gesamten Verstärkungsfasern mit Harz erst im formgebenden Werkzeug unter erhöhtem Druck. Mit dem geschlossenen Pultrusionsverfahren können höhere Faservolumengehalte bei gleichzeitig besserer Tränkung erreicht werden.
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In der
DE 10 2007 057 110 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs beschrieben, bei dem ein ebener Faser-Vorformling flächig abgelegt und zur Herstellung einer lastfallgerechten Faserorientierung ausgerichtet wird. Danach wird er zu einer dreidimensionalen Struktur umgeformt und geschlossen.
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Um eine Belegung eines Werkstücks mit spröden Fasern ohne Bruchgefahr der Fasern zu erlauben, offenbart die
DE 198 11 397 C1 eine Vorrichtung zur Belegung eines Werkstücks mit einer mit Matrixmaterial beschichteten Endlosfaser. Die Vorrichtung weist zu diesem Zweck eine entlang einer Rotationsachse angeordnete Haltevorrichtung für das Werkstück auf, auf das die Endlosfaser gewickelt werden soll. Die Faser wird durch eine Faserzuführvorrichtung zugeführt, wobei zum Wickeln der Faser um das Werkstück eine Relativdrehung zwischen der Haltevorrichtung und der Faserzuführvorrichtung um die Rotationsachse vorgenommen wird.
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Aus der
DE 196 35 375 A1 sind ein Verfahren und ein Werkzeugsystem zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Profilen bekannt, wobei die Endlosfaser während des Strangpressens in den Matrixwerkstoff eingebracht wird und ein Verbund von Faser und Matrix durch Pressschweißen in dem Bereich erfolgt, in dem sich die Längspressnaht beim Strangpressen ausbildet.
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In der
DE 37 16 335 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von am Umfang geschlossenen Formkörpern mit integrierten Versteifungen beschrieben, das es ermöglicht, ausgesteifte Strukturen oder Teile davon aus faserverstärkten Kunststoffen in einem Aushärtevorgang in einem Ofen oder Autoklaven herzustellen. Dazu wird um einen Wickelkern eine elastische Matte gelegt, die die Geometrie der Versteifungen negativ enthält. In die Matte werden unausgehärtete Versteifungen eingebracht, über die als Beplankung eine mit Harz getränkte Endlosfaser gewickelt wird. Dieser Aufbau wird nach Entfernen des Wickelkerns unter Vakuum gegen eine Formmulde gehärtet, wonach die Matte und die Formmulde entfernt werden.
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Aus der
DE 10 2004 060 674 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings bekannt, mit dem eine bessere Ausnutzung des Faserwerkstoffs erzielt, eine angepasste Kontur erreicht und die Faserorientierung frei eingestellt werden kann. Dazu besteht die Vorrichtung aus einer als Transportbandsystem ausgebildeten Ablegeeinrichtung, auf dem eine Faseranordnung lose abgelegt wird. Dem Transportbandsystem ist eine Fixierungseinrichtung zugeordnet, durch die die auf dem System abgelegten Faseranordnungen miteinander fixiert werden.
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Schließlich ist in der
DE 10 2007 057 198 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers beschrieben, das die Bauteilkontur auch bei komplexen Geometrien wie Hinterschnitten oder Konvex- oder Konkav-Übergängen ermöglicht sowie eine lastfalloptimierte Ausrichtung der Fasern zulässt. Das Verfahren umfasst das Aufbringen und Befestigen von Endlos-Verstärkungsfasern auf einer dem späteren Hohlraum entsprechenden Form, wobei die Anordnung des Fasermaterials kraftschluss- und spannungsoptimiert erfolgt. Die Verstärkungsfasern werden vor oder nach dem Aufbringen auf die verlorene Form mit einem härtbaren Harz imprägniert, das dann unter Bildung des Faserverbundbauteils aushärten gelassen wird. Daraufhin erfolgt das Herauslösen, Herausschmelzen oder Entfernen der Form, die eine komplexe Geometrie aufweist, wobei die Fasern unter vollständiger Abbildung der Oberflächenkontur beispielsweise durch ein Ablegen, Weben, Flechten, Sticken und/oder mittels Nähen dicht auf die Oberfläche der Form aufgebracht wurden.
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Aus der
DE 600 14 937 T2 ist ein Verfahren zum Formen einer verstärkten Knotenkonstruktion bekannt. Das Verfahren sieht das Ablegen einer mit Kern versehenen Verstärkung konstanten Querschnitts in den und entlang der Rinnen eines Knotenwerkzeugs vor. Dabei werden die Rinnen durch wiederholte Durchlaufe über die Knoten entlang der Rinnen wenigstens teilweise gefüllt. Danach wird mit Harz imprägniert und gehärtet.
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Aus der
EP 1849588 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils bekannt, bei dem zunächst Endlosfasern auf einem Hauptteil aufgebracht werden. Hierauf erfolgt ein Verschweißen des Faserteils und des Hauptteils, wobei das Faserteil wenigstens Teil der Verstärkung des faserverstärkten Bauteils ist.
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Ausgehend von diesem Stand liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren aufzuzeigen, mit dem Faser-Vorformlinge, beziehungsweise ein daraus gebildetes Verbundbauteil mit komplexen, ein Innenvolumen begrenzenden Fachwerkbeziehungsweise Stabtragwerkstrukturen aus einer Endlosfaser automatisiert in hohen Stückzahlen hergestellt werden können. Dazu sollte eine beliebige dreidimensionale Hohlkörperstruktur des zu bildenden Vorformlings beziehungsweise Verbundbauteils einstückig und maßgerecht geschaffen werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe der Schaffung eines Endlosfaser-Verbundbauteils mit einer komplexen dreidimensionalen Hohlkörperstruktur, das eine verbesserte Festigkeit aufweist, wird mit dem Endlosfaser-Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
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Weiterbildungen der jeweiligen Gegenstände und des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen ausgeführt.
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Mit dem Schalungselemente-Set für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine dichte, insbesondere luftdichte, abgeschlossene Schalung für die Herstellung eines Endlosfaser-Verbundbauteils, das eine dreidimensionale Hohlkörperstruktur aufweist, erstellt werden. Die verschiedenen Schalungselemente des Sets umfassen Strebenelemente und Knotenelemente, die jeweils aus einem Basiselement, das einen Kanal bildet, und einem Deckelelement, das an dem Basiselement befestigt werden kann, bestehen. Die Kanal bildenden Basiselemente stellen entsprechend dem Kanal Verbindungsöffnungen bereit, über die die verschiedenen Basiselemente formschlüssig miteinander verbunden werden können. So lässt sich eine gesamte Schalung durch die miteinander verbindbaren Grundelemente bilden, wobei durch die Deckelung der Basiselemente die Schalung dicht abgeschlossen wird. Die Schalung ist zweckmäßigerweise so weit abgedichtet, dass zumindest dünnflüssiges Matrixharz, wie es beispielsweise beim RTM-Verfahren eingesetzt wird, nicht austreten kann.
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Mit Hilfe des Schalungselemente-Sets, das als Baukastensystem funktioniert und das verschiedene Strebenelemente und Knotenelemente umfasst, lassen sich beliebig komplexe dreidimensionale Hohlkörperstrukturen abbilden, wobei sich hier die Bezeichnung „Hohlkörperstruktur” auf das von den Streben umgebene Innenvolumen bezieht.
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Die „Strebenelemente” sind dabei lineare Elemente mit zwei Verbindungsöffnungen, wohingegen unter der Bezeichnung Knotenelemente” sämtliche gekrümmten wie auch verzweigten Schalungselemente fallen, die daher zwei oder mehr Verbindungsöffnungen aufweisen können. Sowohl die „Strebenelemente” als auch die Knotenelemente” können dabei eben wie auch konvex ausgebildet sein. Der Kanalinnenboden ist hier konvex geformt, damit die Fasern, bzw. die Faserbündel oder Faser-Rovings bei Ablage stets auf dem Boden aufliegen und sich nicht, wie im Fall einer konkaven Ausformung des Kanalinnenbodens vom Boden abheben.
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Diejenigen Knotenelemente, die als „Kreuzungselemente” mit drei oder mehr Verbindungsöffnungen ausgebildet sind, können zusätzlich mit einem Faserverteilerstift ausgestattet sein, der in dem Kanal bildenden Basiselement und zwar an einem Kreuzungspunkt zwischen den Verbindungsöffnungen angeordnet ist.
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Um eine Harzinjektion zur Schaffung des Verbundbauteils in der aus den Schalungselementen geschaffenen Schalung zu ermöglichen, kann zumindest eines dieser Schalungselemente, ein Deckelelement und/oder ein Basiselement, eine Harzinjektionsanschlusseinrichtung aufweisen.
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Die mit dem Schalungselemente-Set erstellbare erfindungsgemäße Schalung für ein Endlosfaser-Verbundbauteil, das eine komplexe dreidimensionale Hohlkörperstruktur aufweist, ist so aufgebaut, dass die Kanal bildenden Basiselemente der Streben- und Knotenelemente entsprechend der dreidimensionalen Hohlkörperstruktur des herzustellenden Endlosfaser-Verbundbauteils miteinander verbunden sind und somit ein Kanalsystem bilden. Die Schalungselemente sind in erster Ausgestaltung der Erfindung entfernbar und lassen sich wiederverwenden Die Schalung kann durch ihre Gestaltung aus Schalungselementen wiederverwendet werden, da diese trotz der komplexen dreidimensionalen Hohlkörperstruktur nach Herstellung des Verbundbauteils zerstörungsfrei vorliegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung bestehen die Schalungselemente analog zur Matrix aus einem Kunststoff. Die Schalungselemente verbleiben im Herstellungsprozess am Faser-Verbund-Bauteil und bleiben mit diesem fest verbunden. Derartige Schalungselemente aus Kunstoff besitzen nur ein geringes Gewicht und sind kostengünstig. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Schalungselemente bereits Anbindungsstellen für weitere Bauteile, wie beispielsweise Airbaganbindung oder die Anbindung für Steuergeräte auf. Ebenso ist es möglich in die Schalungselemente weitere Bauteile oder Komponenten zu integrieren, bevor sie im Herstellungsprozess für die Faser-Verbundbauteile eingesetzt werden.
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Mit der Schalung lassen sich auch mit Streben umspannte Hohlkörperstrukturen eines Kraftfahrzeugs wie eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur oder eine Fahrgastzellenstruktur herstellen. Um das in der Schalung herstellbare Verbundbauteil maßgerecht anfertigen zu können, kann die Schalung einen Stützrahmen umfassen, der die zum Kanalsystem verbundenen Basiselemente lösbar fixiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Endlosfaser-Verbundbauteils mit einer dreidimensionalen Hohlkörperstruktur kann unter Verwendung der vorgenannten Schalung ausgeführt werden. Es umfasst zunächst den Schritt des Zusammensetzens der Kanal bildenden Streben- und Knotenelemente aus dem Schalungselemente-Set, so dass das gebildete Kanalsystem die dreidimensionale Hohlkörperstruktur des Bauteils abbildet.
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In dieses Kanalsystem wird die Endlosfaser oder ein Endlosfaserstrang eingelegt und nach Beendigung des Ablegevorgangs werden die zu den Basiselementen zugehörigen Deckelelemente angeordnet, wodurch das Kanalsystem dicht abgeschlossen wird. Nun erfolgt durch die zu diesem Zweck vorgesehene Harzinjektionsanschlusseinrichtung, das Zuführen von Matrixmaterial in das Kanalsystem, das nach Aushärtung mit der Faser den Verbund bildet.
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Das anschließende Entformen des entstandenen Endlosfaser-Verbundbauteils kann durch Abnehmen der Deckelelemente und Losen der Basiselemente erfolgen.
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Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehen sich darauf, dass nach oder während des Zusammensetzens der Basiselemente ein Stützrahmen hinzugenommen wird, der die Basiselemente lösbar fixiert und das Kanalsystem entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Hohlkörperstruktur maßgerecht stützt.
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Das Ablegen der Endlosfaser in dem Kanalsystem erfolgt vorzugsweise unter lastfallgerechter, kraftschluss- und spannungsoptimierter Verteilung der Fasern, um dem herzustellenden Endlosfaser-Verbundbauteil die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu verleihen. Dazu kann die Faser an den in den Knotenelementen vorliegenden Faserverteilungsstiften geführt und umgelenkt werden. Die Verwendung einer einzigen Endlosfaser oder eines einzigen Rovings, beziehungsweise eines einzigen Endlosfaserstrangs, die/der das gesamte Kanalsystem durchzieht, verleiht dem herzustellenden Endlosfaser-Verbundbauteil zusätzliche Festigkeit.
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Der nach dem Ablegen der Faser durchgeführte Harzinjektionsschritt kann durch Spritzpressen (RTM-Verfahren) erfolgen.
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Ein erfindungsgemäß geschaffenes Endlos-Faserverbundbauteil mit einer dreidimensionalen Hohlkörperstruktur ist dadurch charakterisiert, dass ein im Verbund mit dem Matrixmaterial vorliegender Faseranteil durch eine einzige Endlosfaser oder einen einzigen Endlosfaserstrang bereitgestellt wird, die/der ununterbrochen die gesamte dreidimensionale Hohlkörperstruktur des Bauteils durchzieht.
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Das einstückige Endlosfaser-Verbundbauteil, das erfindungsgemäß gefertigt wurde, ist an den Kreuzungs- und Knickpunkten der Hohlkörperstruktur knoten- und verbindungsstückfrei und kann in einer Ausführungsform der Erfindung ein Kraftfahrzeugrahmenstruktur-Bauteil wie etwa ein Kraftfahrzeugrohbauteil oder eine Fahrgastzelle sein. Es vereinigt die Vorteile der hohen Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht und trägt damit der angestrebten Leichtbauweise im Fahrzeugbau Rechnung.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren verdeutlicht und detaillierter ausgeführt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der zu einem Kanalsystem zusammen gesetzten Basiselemente einer Schalung,
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2 eine perspektivische Ansicht der Schalung aus 1 mit eingelegter Endlosfaser und angedeuteten Deckelelementen,
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3 eine perspektivische Ansicht der Schalung aus 1, luftdicht abgeschlossen,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Deckel- und eines Basiselements eines Strebenelements,
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5 eine perspektivische Ansicht eines geschlossenen Strebenelements,
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6 eine perspektivische Ansicht eines Deckelelements und Basiselements eines Knotenelementes,
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7 eine perspektivische Ansicht eines geschlossenen Knotenelements,
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8a, b eine perspektivische Draufsicht auf das Basiselement eines Knotenelements mit eingelegter Faser,
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9 eine schematische Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen der Knotenelemente.
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Die Erfindung betrifft die automatisierte Erstellung eines Faser-Vorformlings aus Endlosfasern beziehungsweise die Herstellung eines Endlosfaser-Verbundbauteils mit einer beliebigen Stabtragwerk- oder Fachwerkstruktur, die eine dreidimensionalen Hohlkörperstruktur bildet, und die dazu notwendige Schalung, um einen Vorformling oder ein Halbzeug beziehungsweise ein Verbundbauteil insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Karosserie mit hohen Stückzahlen herstellen zu können. Die Fertigung solcher Teile soll zeitoptimiert und nachhaltig erfolgen.
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Die Verwendung von Endlosfasern verleiht dem Bauteil eine verbesserte Festigkeit. Es wird daher ein Schalungselement bereitgestellt, mit dem eine entsprechend notwendige, dicht abschließbare Schalung zur Herstellung eines solchen Endlosfaser-Verbundbauteils mit komplexer dreidimensionaler Hohlkörperstruktur errichtet werden kann. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Schalung luftdicht.
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Diese Schalung und ihr Zusammenbau sind in 1 bis 3 anhand einer beispielhaften einfachen Würfelform verdeutlicht. Die Erfindung ist allerdings nicht auf eine solche Form beschränkt, sondern kann durch Verwendung verschiedener Streben- und Knotenelemente für jegliche Bauteilform abgewandelt werden.
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In 1 sind die zum Kanalsystem zusammengesetzten Basiselemente 2, 2' der Streben- und Knotenelemente zu sehen, die an ihren Verbindungsöffnungen 4, 4' miteinander verbunden sind und so das Kanalsystem bilden, das entlang der Würfelkanten verläuft. Die Knoten-Basiselemente 2' sind dabei in den abgerundeten Würfelecken angeordnet und weisen im Kreuzungspunkt der Kanäle jeweils einen Faserverteilungsstift 5 auf. Wie in 2 zu sehen ist, kann eine manuell oder maschinell eingelegte Endlosfaser 6 – hierunter fällt auch ein Endlosfaserstrang – mit Hilfe der Faserverteilerstifte 5 auf verschiedene Weise innerhalb des Kanalsystems verlegt werden, bis das gesamte Kanalsystem mit einer einzigen Endlosfaser durchzogen ist.
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In 2 sind ferner ein Knoten-Deckelelement 3' und ein Streben-Deckelelement 3 gezeigt, welche nach erfolgtem Einlegen der Endlosfaser 6 auf die jeweiligen Basiselemente 2, 2' aufgesetzt werden, so dass das gesamte Kanalsystem, wie in 3 zu sehen, luftdicht abgeschlossen ist. Die hier gezeigte Schalung 10 kann nun durch Harzinjektion mit Harz infiltriert werden. Zu diesem Zweck kann an einem oder mehreren der Schalungselemente eine (nicht dargestellte) Harzinjektionseinrichtung vorgesehen sein. Für den Fall, dass der Formhohlraum, der durch das mit den Deckelelementen luftdicht verschlossene Kanalsystem gebildet wird, vor der Harzinjektion zur Vermeidung von Lufteinschlüssen evakuiert werden soll, kann ferner an einem der Schalungselemente eine entsprechende Anschlussvorrichtung zur Verbindung mit einer Vakuumpumpe vorgesehen sein (ebenfalls nicht dargestellt).
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In 4 bis 7 sind einzelne Schalungselemente 1, 1' offen und geschlossen dargestellt. 4 und 5 zeigen ein Strebenelement 1 mit geöffnetem beziehungsweise geschlossenem Deckelelement 3. Das Basiselement 2 bildet einen Kanal, der sich zwischen den zwei Verbindungsöffnungen 4 erstreckt. Durch Anordnung des Deckelelements 3 auf dem Basiselement 2 wird der Kanal, nicht jedoch die Verbindungsöffnungen 4 geschlossen. Für einen guten luftdichten Abschluss des Deckelelements 3 auf dem Basiselement 2 weisen beide korrespondierende Rastkanten auf, von denen zumindest eine mit einer Dichtung versehen sein kann.
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In 6 und 7 ist in analoger Weise ein Knotenelement 1' dargestellt, welches gekrümmt ist und drei Verbindungsöffnungen 4' aufweist. Die Verbindungsöffnungen 4 des Strebenelements 1 und die Verbindungsöffnungen 4' des Knotenelements 1' lassen eine passgenaue formschlüssige Verbindung der Schalungselemente 1, 1' zu. Dabei müssen sich nicht immer zwangsläufig Strebenelement 1 und Knotenelement 1' abwechseln, je nach abzubildender Hohlkörperstruktur können auch mehrere Knotenelemente oder Strebenelemente nebeneinander beziehungsweise hintereinander gefügt werden. Strebenelemente sind in verschiedenen Längen denkbar. Verschiedene mögliche Ausführungsformen von Knotenelementen 1' sind in 9 gezeigt: Sie weisen vorliegend zwei bis acht Verbindungsöffnungen 4' auf, die in verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind. Die Verbindungsöffnungen 4' müssen nicht zwangsläufig in einer Ebene liegen, sondern können, wie die Knotenelemente 1' in 1 bis 3, 6 und 7 zeigen, in verschiedene Raumrichtungen weisen. Grundsätzlich ist auch nicht ausgeschlossen, dass mehr als acht Verbindungsöffnungen an einem Knotenelement vorliegen können.
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Ferner ist in 9 gezeigt, dass im Kreuzungspunkt der Verbindungsöffnungen 4' ein Faserverteilerstift 5 angeordnet sein kann oder dass auch mehrere, beispielsweise der Anzahl der Verbindungsöffnungen entsprechende Faserverteilerstifte 5' im Kreuzungsbereich angeordnet sein können.
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Für den Fall, dass die Herstellung eines Vorformlings beziehungsweise Verbundbauteils vorgesehen ist, dessen einen Hohlkörper umgebende Streben verschiedene Querschnitte aufweisen, können zudem Übergangselemente vorgesehen sein, die ebenfalls aus einem Basiselement und einem Deckelelement bestehen und die eine Querschnittsänderung bereitstellen. Es ist auch denkbar, Knoten- und Strebenelemente mit Verbindungsöffnungen von unterschiedlichen Abmessungen vorzusehen, dabei ist lediglich darauf zu achten, dass jeweils zwei aneinander gefügte Schalungselemente kongruente Verbindungsöffnungen aufweisen.
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In 6 ist ein im Kreuzungspunkt zwischen den Verbindungsöffnungen 4' angeordneter Faserverteilerstift 5 zu sehen, der im Basiselement 2' des Knotenelements 1' angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist auch in 8a und 8b gezeigt, in denen (8a) eine verbesserte Verteilung der Endlosfaser 6 im Kreuzungsbereich sowie (8b) eine mögliche Rückführung der Endlosfaser verdeutlicht ist. Auf diese Weise kann die lastfallgerechte kraftschluss- und spannungsoptimierte Verlegung der Endlosfaser innerhalb des Kanalsystems verbessert werden.
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Bei der 1 bis 3 gezeigten, einen Würfel umschließenden Struktur ist ein Stützrahmen nicht zwingend erforderlich; falls es sich bei der gebildeten Schalung um eine ausgedehnte oder komplexere Form handelt, können zur maßgerechten Formgebung während der Faserverlegung die Kanal bildenden Basiselemente vorübergehend auf einem nicht dargestellten Stützrahmen fixiert werden. Der Rahmen zur Fixierung kann nach dem aushärten Lassen des injizierten Matrixmaterials wieder entfernt werden.
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Um nun ein gewünschtes Endlosfaser-Verbundbauteil mit dreidimensionaler Hohlkörperstruktur wie etwa ein Rahmenstruktur-Bauteil eines Kraftfahrzeugs einstückig ohne Knoten- oder Verbindungsstücke an den Knick- oder Kreuzungspunkten bereitzustellen, wird zunächst gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die notwendige Schalung aus den Schalungselementen des Sets zusammengesetzt. Dazu werden die Kanal bildenden Basiselemente entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Hohlkörperstruktur des Bauteils aneinandergefügt, um das Kanalsystem zu bilden, in das dann die Endlosfaser abgelegt wird. Mit Hilfe der zugehörigen Deckelelemente wird daraufhin das Kanalsystem luftdicht abgeschlossen, so dass das Verbundbauteil durch Zufuhr von Matrixmaterial in das Kanalsystem geschaffen werden kann. Dies kann beispielsweise durch Spritzpressen mit einem duroplastischen Harz als Matrixmaterial erfolgen.
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Vorzugsweise kann die verwendete Endlosfaser eine Glasfaser oder Karbonfaser sein, denkbar ist aber auch der Einsatz einer Aramidfaser. Eine Kombination aus unterschiedlichen Fasern ist ebenfalls möglich.
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Das mittels dieses Verfahrens hergestellte Verbundbauteil weist also im Wesentlichen durchgängige Endlosfasern beziehungsweise einen einzigen Faserstrang auf, die/der das gesamte Kanalsystem durchzieht. Der Begriff „Endlosfaser” meint hier, dass die Endlosfaser beziehungsweise der Endlosfaserstrang nur ein Anfang und ein Ende aufweist und ansonsten einstückig im Bauteil vorliegt. Da die Endlosfasern auf Rollen meist doch begrenzt sind, lässt es sich möglicherweise nicht umgehen, dass das mit diesem Verfahren hergestellte Verbundbauteil aus mehreren Endlosfasern besteht. Mehrere Faserunterbrechungen können auch auftreten, wenn eventuell mit mehreren Robotern an einem Verbundbauteil gearbeitet wird, die gleichzeitig aus unterschiedlichen Faservorräten bedient werden oder auch dann wenn eine Kombinationen aus verschiedenen Fasern eingesetzt wird.
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Das Entformen des ausgehärteten Endlosfaser-Verbundbauteils erfolgt durch Abnehmen der Deckelelemente und Lösen der Basiselemente, wobei die Schalungselemente nicht zerstört werden.
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So lassen sich Faser-Vorformlinge beziehungsweise Verbundbauteile automatisiert fertigen, wobei der erhaltene Vorformling bzw. das erhaltene Bauteil aus einer einzigen Endlosfaser bzw. aus einem einzigen Endlosfaserstrang besteht.
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Die einzelnen Streben können dabei auch mit unterschiedlichen Materialstärken ausgeführt werden, ferner ist denkbar, dass die Strebenelemente nicht linear ausgebildet sind, sondern der Kanal sich einseitig oder zur Mitte hin verjüngt, während die beidseitig bereitgestellten Verbindungsöffnungen einen Standardquerschnitt aufweisen können.
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Das geschaffene Kunststoff-Verbundbauteil mit seiner Fach- bzw. Stabtragwerkstruktur aus Streben und Kreuzungen sichert eine maßgerechte Geometrie, wobei weitere Bauteilkomponenten in einfacher Art und Weise an das geschaffene Verbundteil befestigt werden können. Das zum Ablegen der Fasern bereitgestellte Kanalsystem der Schalung kann für die anschließende Harzinfiltration verwendet werden, so dass keine zusätzliche Negativform dafür nötig ist. Es entfällt ebenfalls eine Reinigung der Negativform, da das Entformen durch Abnehmen der einzelnen Elemente des Schalungselemente-Sets erfolgen kann, die, falls erforderlich, einfach gereinigt werden können.
