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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundfederkörpers mit den Merkmalen im Patentanspruch 14.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Faserverbundwerkstoffe sind aus dem Stand der Technik in verschiedensten Ausführungsvarianten und verschiedensten Herstellungsverfahren bekannt. Aufgrund von immer neueren Produktionsmethoden lassen sich die Produktionstoleranzen bei verschiedenen Herstellungsvarianten derart eingrenzen, so dass automatisierte Produktionsprozesse zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden können.
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Faserverbundwerkstoffe werden im Kraftfahrzeugbau auch zur Herstellung von Blattfederelementen, insbesondere zur Herstellung von Querblattfedern eingesetzt. Beispielsweise ist der Einsatz einer Querblattfeder aus Verbundfasern bei dem Fahrzeug Chevrolet Corvette bekannt. Auch werden Faserverbundwerkstofffedern in Kraftfahrzeugen der N1-Klasse, leichte Nutzfahrzeuge, beispielsweise dem Mercedes Sprinter, eingesetzt.
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Die bekannten Herstellungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen sind jedoch für eine vollautomatisierte Fertigung nur bedingt nutzbar. Einhergehend mit der Herstellung von Faserverbundwerkstofffedern ist eine sehr hohe Investition in Werkzeuge sowie in Vorprodukte notwendig. Insgesamt ergeben sich bei der Herstellung lange Werkzeugzeiten bei teilweise nur schlechten erzielbaren Ergebnissen bzgl. Faserausrichtung und Werkstoffhomogenität. Gerade die Faserausrichtung ist für die Herstellung eines Federproduktes aus Faserverbundwerkstoff von hoher Bedeutung.
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Ein weiterer bei aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren einhergehender Nachteil ist, dass kein kontinuierlicher Prozess stattfinden kann. So sind viele Arbeitsschritte notwendig, die zum Teil nur händisch an den Zwischenprodukten ausgeführt werden können. Hierdurch sind die Vorteile eines automatisierten Prozesses nicht gegeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein großserientaugliches, automatisiertes Herstellungsverfahren zur Herstellung von Federkörpern aus Faserverbundwerkstoff bereitzustellen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundfederkörpers mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Der gegenständliche Anteil der vorliegenden Aufgabe wird weiterhin mit einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundfederkörpers gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 13 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundfederkörpers ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- – Formen eines Fasermaterials durch eine Formmatrize zu einem Formkörperstrang mit einem Pultrusionsverfahren, wobei die erzeugte Querschnittsgeometrie des Formkörperstranges mit der Formmatrize kontinuierlich im Prozess eingestellt wird,
- – thermisches Behandeln des ausgebrachten Formkörperstranges,
- – Trennen des Formkörperstranges zu einzelnen Faserverbundfederkörpern.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen automatisierten kontinuierlichen Herstellprozess durchzuführen, wobei sich das herzustellende Produkt mit einer veränderten Höhe bzw. Breite in der gewünschten Querschnittsgeometrie herstellen lässt. Bevorzugt wird hier eine gleiche Querschnittsfläche beibehalten, die Querschnittsfläche ist jedoch grundsätzlich auch veränderbar. Die hergestellten Federn werden teilweise mit der gewünschten Hub- und Wanksteifigkeit durch angepasste Querschnittsgeometrien ausgelegt. Beispielsweise lässt sich der zwischen den Lagerpunkten einer Feder liegende Mittelbereich flach und breit ausbilden, so dass ein geringes Flächenträgheitsmoment in Biegerichtung vorhanden ist. Der sich von den Lagerpunkten nach innen erstreckende Bereich der Feder kann hierzu höher und schmaler ausgebildet sein, so dass sich ein höheres Flächenträgheitsmoment ergibt. Die jeweilige Höhe geht dabei mit der dritten Potenz in die Flächenträgheit ein, so dass bereits geringe geometrische Abweichungen in der Höhe sich mit der dritten Potenz auf die jeweilige Flächenträgheit in Biegerichtung auswirken.
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Im Rahmen der Erfindung wird jedoch zunächst von einer konstanten Querschnittsfläche ausgegangen, um den Massenstrom des Fasermaterials weitestgehend konstant halten zu können. In der Folge wird die fehlende Höhe durch zusätzliche Breite ausgeglichen bzw. die fehlende Breite durch zusätzliche Höhe. Durch die Veränderung der geometrischen Querschnittsform variiert somit das Flächenträgheitsmoment abschnittsweise über die Länge des Faserverbundfederkörpers.
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Besonders vorteilig bei der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die Übergangsbereiche der Feder harmonisch ausbilden. Die Faserwinkel zur Längsachse der Feder werden dabei in einem definierten Bereich gehalten. Bruchgefahren bzw. starke Produktionsschwankungen werden hierdurch auf kleinstmöglichem Niveau gehalten.
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Der kontinuierliche Herstellungsprozess wird realisiert durch das kontinuierliche Formen bzw. Fließen des Faser-/Harzmaterials durch eine Formmatrize. Die Formmatrize weist hierzu besonders bevorzugt eine Formöffnung auf, durch die das Fasermaterial hindurch fließt. Im Falle des Pultrusionsprozesses erfolgt hier ein Durchdrücken bzw. Durchpressen des Fasermaterials durch die Formöffnung der Formmatrize. Es ist im Rahmen der Erfindung auch ein Formziehen vorstellbar. Bei dem Fasermaterial handelt es sich erfindungsgemäß um Faserstränge, Rovings oder aber Einzelfasern bzw. Faserfilamenten. Insbesondere werden Glasfasern, Carbonfasern, Keramikfasern, Stahlfasern oder andere bekannte Faserwerkstoffe eingesetzt. Auch ist der Einsatz von Aramidfasern im Rahmen der Erfindung vorstellbar.
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Das Fasermaterial wird in der Formöffnung der Formmatrize zu einem Formkörperstrang geformt. Der Formkörperstrang ist wiederum derart kontinuierlich ausgebildet, dass ein im Wesentlichen endloser Prozess durchgeführt werden kann. Beim endlosen Prozess bedeutet das Nachlegen eines neuen Fasermaterials nur eine kurzzeitige Unterbrechung bzw. kann ein derartiger Puffer in den Herstellungsprozess eingearbeitet werden, dass der Herstellungsprozess unendlich laufen kann und durch Rüstzeiten bzw. Wechselzeiten von neuem Fasermaterial nicht unterbrochen wird.
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Der hergestellte Formkörperstrang wird nach der Formmatrize thermisch nachbehandelt. Bei dem thermischen Behandeln handelt es sich vorzugsweise um ein Erwärmen, so dass ein Austrocknen oder aber Ausbacken stattfindet. Der gehärtete bzw. ausgebackene Formkörperstrang selber wird danach in einem weiteren Verfahrensschritt beschnitten. Durch das Beschneiden selber, werden einzelne Faserverbundfederkörper hergestellt, vorzugsweise Blattfederkörper. Die Blattfederkörper können dann aus dem Prozess entnommen werden oder aber in ein automatisches Lagermagazin überführt werden und der weiteren Verarbeitung oder aber Nachbearbeitung zugeführt werden.
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Die hergestellten Faserverbundfederkörper haben gegenüber vergleichbaren Federkörpern aus Stahl eine Gewichtseinsparung von ca. 20 bis 25%. Die spezifischen Zugfestigkeiten sind jedoch höher als die der vergleichbaren Metallprodukte. Die hergestellten Verbundfederkörper haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Sie verrotten nicht und widerstehen den meisten Säuren, Basen und anderen korrosiven Verbindungen. Durch den automatisierten und/oder kontinuierlichen Herstellungsprozess, erfolgt eine erhebliche Kostenreduktion bei steigender Produktionsgenauigkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren. Durch die variable Querschnittsgeometrie und/oder Fläche, ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren als universelles Herstellungsverfahren für den Großserieneinsatz geeignet. Eine einmalige Investition in Werkzeugkosten bringt ein breites Anwendungs- und Produktionsspektrum von herzustellenden Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundfederkörpern mit sich. Von der Produktionsanlage können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren somit Faserverbundfedern für leichte Personenkraftwagen bishin zu schweren Nutzfahrzeugen oder andere Anwendungsgebiete hergestellt werden.
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In einer anderen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wird dem Fasermaterial ein Harz zugeführt. Vorzugsweise wird der Faserstrang durch ein Harzbad geführt. Der Faserstrang kann dabei aber auch durch das Harzbad gezogen werden. Das Harz kann dem Fasermaterial im Rahmen der Erfindung auch auf anderem Wege zugeführt werden. Beispielsweise sind hier ein Bedampfen, ein Besprühen, ein Einspritzen bzw. Bespritzen oder aber auch ein Bestreichen des Fasermaterials mit Harz möglich. Besonders bevorzugt findet das Zufügen von Harz vor dem Formen in der Formmatrize statt. Es kann jedoch im Rahmen der Erfindung auch an jedem beliebigen Ort in der Verfahrenskette durchgeführt werden.
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Weiterhin wird die thermische Behandlung durch ein Ausbacken durchgeführt, wobei die Temperatur steuerbar ist. Es ist also unter einem Ausbacken eine Erhöhung der Temperatur oberhalb der Raumtemperatur zu verstehen. Die Temperaturstufen bzw. die jeweilige anliegende Absoluttemperatur und die sich daraus einstellende Temperatur innerhalb des auszubackenden Werkstückes kann dem jeweiligen Produktionsprozess angepasst werden. Beispielsweise kann die Temperatur bei der Herstellung von besonders dicken Blattfedern erhöht werden. Die Temperatur und somit auch die verbrauchte Energie kann jedoch bei der Produktion von im Gegensatz hierzu dünneren Blattfedersträngen herabgesetzt werden. Hierdurch ergibt sich zum einen die Möglichkeit, dass die Temperatur optimal auf das Bauteil und die damit verbundene erforderliche Aushärttemperatur eingestellt wird zum anderen wird unter energieökologischen Aspekten umweltfreundlich zugearbeitet und die Produktionskosten werden gesenkt.
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Bevorzugt kann hierzu auch die Durchtrittsgeschwindigkeit des mit Harz impregnierten Fasermaterials durch die Formmatrize gesteuert werden. Unter der Durchtrittgeschwindigkeit ist der Massenstrom bzw. der Volumenstrom des Fasermaterials zu verstehen. Im Rahmen der Erfindung kann dieser variabel gesteuert werden, so dass der optimal an die herzustellende Querschnittsgeometrie bzw. Querschnittsfläche anpassbar ist. Ebenfalls kann bei der Umstellung innerhalb eines Federabschnittes von einer hohen schmalen zu einer breiten, flachen Geometrie, könnte die Durchtrittsgeschwindigkeit vorteilhaft gesteuert werden. Hierdurch ergibt sich eine dem Bauteil jeweils optimal angepasste Faserorientierung und damit einhergehend optimale Federungs- und Dämpferungseigenschaften bei geringen Produktionstoleranzen an den herzustellenden Faserverbundfederkörpern.
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Zur Herstellung von Faserverbundfederkörpern mit voneinander verschiedenen Querschnittsgeometrien und/oder Flächen, wird die Formöffnung der Formmatrize in ihrer Höhe und/oder Breite eingestellt. Bevorzugt ist hier eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskonfiguration, die durch einfache Schieberplatten in ihrer Höhe bzw. Breite justiert werden kann, eingesetzt. Die Schieberplatten selbst können dabei Konturierungen aufweisen, so dass beispielsweise U-förmige Formkörperstränge erzeugt werden können. Im Rahmen der Erfindung kann die Formöffnung jeweils auch eine runde elliptische, sternförmige oder sonstige geometrische Form aufweisen.
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Die geformten und thermisch behandelten Abschnitte des Formkörperstranges werden in einem Folgeverfahrensschritt, bevorzugt mit einem mechanischen Trennverfahren, beschnitten. Beim mechanischen Trennverfahren kann es sich dabei um ein spanabhebendes Verfahren oder aber ein Schneideverfahren handeln. Beispielsweise kann der Formkörperstrang, der zu diesem Zeitpunkt bereits teilausgehärtet bzw. ausgehärtet sein kann, durch Sägen, Schneiden, Quetschen oder ähnliches getrennt werden. Hierdurch entstehen die einzelnen Faserverbundfederkörper.
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Weiterhin kann der ausgebrachte und thermisch behandelte Formkörperstrang auch durch ein Lasertrennverfahren und/oder Wasserstrahlschneiden, beschnitten werden. Diese Beschneideverfahren sind gerade bei einer vollautomatisierten Produktionsstraße besonders vorteilhaft, da sie keinen direkten Kontakt von Werkzeugen haben, wenig anfällig gegenüber Verschmutzungen oder ähnlichem sind und schnell, sauber und zügig durchführbar sind.
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An das Beschneiden selber gliedert sich im Rahmen der Erfindung, sofern notwendig, ein Nachbearbeiten der durch das Beschneiden entstehenden Schnittkanten an. Hierunter ist eine Versiegelung oder aber auch eine Verödung der Schnittkanten zu verstehen. Die Nachbehandlung kann beispielsweise mit einem Laser- oder aber einer anderen Wärmequelle durchgeführt werden. Ebenfalls ist eine mechanische Nachbearbeitung vorstellbar, beispielsweise ein Oberflächenstrahlen oder aber ein Nachschleifen- bzw. schmirgeln. Alternativ kann auch eine chemische oder aber physikalische Oberflächenbehandlung durchgeführt werden, beispielsweise durch eine Lackversiegelung. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass ein Ausfransen bzw. ein anderweitiges Versagen, insbesondere in den Endbereichen einer erfindungsgemäßen Faserverbundfeder vermieden wird.
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Der Formkörperstrang wird besonders bevorzugt mit variierendem Höhen-Breitenverhältnis hergestellt. Zwischen den einzelnen Abschnitten des Formkörperstranges kann dann durch Beschneiden eine jeweilige Faserverbundfeder hergestellt werden. Die Faserverbundfeder selber hat wiederum durch die variierenden Höhen-Breitenverhältnisse des Formkörperstranges einzelne Abschnitte mit unterschiedlichen Federungs- und Dämpfungseigenschaften. Hierdurch können gezielt für einige Produktionsprozesse die Federungseigenschaften der Federn hergestellt werden. Beispielsweise ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Blattfedern für ein Fahrzeug mit unterschiedlichen Einsatzgebieten oder aber Gewichtsklassen auf einer Vorrichtung selber herzustellen. Hierdurch sinken wiederum die Produktionskosten, da nur die eindeutige Anschaffung eines Werkzeuges zur Herstellung der Faserverbundfedern notwendig ist.
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Besonders bevorzugt kann das Fasermaterial vor dem Formen in der Formmatrize thermisch vorbehandelt werden. Unter einem thermischen Vorbehandeln ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ebenfalls ein Erhitzen des Fasermaterials zu verstehen. Das Fasermaterial und ein vor, während oder kurz nach der Formmatrize aufgebrachtes Harz verbinden sich somit besser und es ergibt sich ein homogeneres Werkstoffgefüge, wie damit verbundene bessere Werkstoffeigenschaften und Produktionssicherheit.
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Der gegenständliche Teil der vorliegenden Aufgabe wird weiterhin mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Merkmalen von einem der vorhergegangen Ansprüche gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Die Vorrichtung selbst weist dabei folgende Komponenten auf: Ein Harzbad, eine Formmatrize, ein Nachheizapparat und eine Beschneidestation.
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Besonders vorteilig kann die Vorrichtung weiterhin einen Vorheizapparat oder aber auch eine Rollenführung aufweisen. Hiermit ist es möglich, einen kontinuierlichen, vollautomatisierten Herstellungsprozess zur Herstellung von Faserverbundfederkörpern bereitzustellen. Zum kontinuierlichen Transport des Fasermaterials bzw. des Formkörperstranges oder aber auch der fertig hergestellten Faserverbundfederkörpern ist beispielsweise auch eine Führung über eine Luftschicht bzw. Luftkissenschicht oder aber über andere mechanischen Führungsmittel geeignet.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 einen Faserverbundfederkörper mit variierender Breite,
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2 eine Kraftfahrzeugachse mit Faserverbundfederkörper und
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3 ein erfindungsgemäßer Herstellungsprozess.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Faserverbundfederkörper 1. Der Faserverbundfederkörper 1 besitzt über seine Länge L Abschnitte 2 mit verschiedenen Breiten B. In dem hier gezeigten Beispiel ist ein mittlerer Abschnitt 3 mit konstanter Breite B. An die jeweiligen Enden des mittleren Abschnittes 3 gliedern sich einstückig ausgebildet zwei Endabschnitte 4 an. Die Endabschnitte 4 haben einen zu den Enden E hin breiter werdenden Querschnitt und an den Enden E jeweilige Koppelmittel 5, zur Aufnahme von hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugkomponenten. Die Abschnitte 2, 3, 4 sind weiterhin mit Achsaufnahmen 6 getrennt, die auf den Faserverbundfederkörper 1 angeordnet sind.
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2 zeigt eine Kraftfahrzeugachse 7, die mit einem erfindungsgemäßen Faserverbundfederkörper 1 aufgebaut ist. Der Faserverbundfederkörper 1 ist bei der Achse 7 in Form einer einstückigen Querblattfeder 8 ausgebildet. Zur Übertragung der Kräfte in Längsrichtung sind Lenker 9 an im Bereich der Radaufnahmen R angeordnete Radträgerbefestigung 10 angeschlossen. Die Querblattfeder 8 wird karosserieseitig über einen Achshilfsrahmen 11 an ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug als Hinterachse gekoppelt. Weiterhin vorgesehen sind an der hier dargestellten Ausführungsvariante einer Kraftfahrzeugachse 7 Dämpferelemente 12, die das Fahrverhalten und auch das Wankverhalten des hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuges mit beeinflussen.
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3 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundfederkörpers 1. Hierzu wird ein Faserstrang 13 über einen Wickelkörper 14 bereitgestellt und in Fertigungsrichtung 15 über ein hier nicht näher dargestelltes Pultrusionsverfahren bewegt. In der Fertigungsrichtung 15 trifft der Faserstrang 13 zunächst auf ein Harzbad 16, wo er mit einem Harz getränkt wird. Auf das Harzbad 16 folgt ein Vorheizelement 17, um den mit Harz getränkten Faserstrang thermisch vorzubehandeln. Der thermisch vorbehandelte und mit Harz getränkte Faserstrang 13 wird dann in einer Formöffnung 18 einer Formmatrize 19 in Form gebracht. Auf die Formmatrize 19 folgt ein Nachheizelement 20 zur thermischen Nachbehandlung bzw. zum Ausbacken des aus der Formmatrize 19 kommenden Formkörperstranges 21. Nach dem Austreten aus dem Nachheizelement 20 erfolgt weiterhin in Fertigungsrichtung 15 eine Rollenführung 22. Die Rollenführung 22 endet in einer Beschneidestation 23, in der der Formkörperstrang 21 zu fertigen Faserverbundfederkörpern 1 abschnittsweise beschnitten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundkörper
- 2
- Abschnitt
- 3
- mittlerer Abschnitt
- 4
- Endabschnitt
- 5
- Koppelmittel
- 6
- Achsaufnahme
- 7
- Kraftfahrzeugachse
- 8
- Querblattfeder
- 9
- Lenker
- 10
- Radträgerbefestigung
- 11
- Achshilfsrahmen
- 12
- Dämpferelement
- 13
- Faserstrang
- 14
- Wickelkörper
- 15
- Fertigungsrichtung
- 16
- Harzbad
- 17
- Vorheizelement
- 18
- Formöffnung
- 19
- Formmatrize
- 20
- Nachheizelement
- 21
- Formkörperstrang
- 22
- Rollenführung
- 23
- Beschneidestation
- L
- Länge
- B
- Breite
- E
- Ende
- R
- Radaufnahme
