DE102010049563A1 - Method for manufacturing torsion bar spring of motor car, involves thermally melting matrix material during and/or after braiding and/or wrapping of core, and connecting component to torsion bar spring - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt.The invention relates to a method for producing a torsion spring for a motor vehicle with a substantially tubular cross-section.
Drehstäbe beziehungsweise Drehstabfedern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um Torsionsfedern, die die Wankbewegungen eines Fahrzeugs vermindern sollen. Diese Bauteile werden aufgrund der hohen Materialanforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit, insbesondere bei der Torsionsbelastung, aus einem hochfesten Federstahl gefertigt und typischerweise als Rohr- oder Vollmaterial ausgeführt. Insbesondere bei der Ausführung als Hohlstruktur (als rohrförmiges Bauteil) ist dabei die hohe Kerbempfindlichkeit des verwendeten hochbelastbaren Federstahls besonders kritisch und kann maßgeblich zu einem potentiellen Versagen des Bauteils beitragen. Außerdem führt die Verwendung eines metallischen Hohlprofils zu einer technisch schwierig umsetzbaren Korrosionsschutzbehandlung. Um diese dennoch zu gewährleisten, sind entsprechende Mehrkosten sowie eine Erhöhung der Taktzeit im Fertigungsprozess des Bauteils notwendig. Letztlich weisen derartige Drehstabfedern außerdem aufgrund der hohen auftretenden Kräfte und der notwendigen Federrate vergleichsweise große Bauteildurchmesser und damit hohe Gewichte auf, welche bei einer Bewegung des Fahrzeugs zu entsprechend hohem Energieverbrauch führen.Trunnions or torsion bars are known from the general state of the art. These are torsion springs intended to reduce the rolling motion of a vehicle. These components are made of a high strength spring steel due to the high material requirements in terms of stiffness and strength, especially in the torsional load, and typically designed as a tube or solid material. In particular, in the embodiment as a hollow structure (as a tubular member) while the high notch sensitivity of the highly resilient spring steel used is particularly critical and can significantly contribute to a potential failure of the component. In addition, the use of a metallic hollow profile leads to a technically difficult to implement anticorrosive treatment. In order to ensure this nevertheless, corresponding additional costs and an increase of the cycle time in the manufacturing process of the component are necessary. Finally, such torsion springs also have due to the high forces and the necessary spring rate comparatively large component diameters and thus high weights, which result in a movement of the vehicle to correspondingly high energy consumption.
Ebenso sind aus dem allgemeinen Stand der Technik faserverstärkte Kunststoffe als Leichtbaumaterialien bekannt. Diese sind aufgrund der üblichen Ausbildung mit duroplastischen Matrixsystemen in eine Serienfertigung nur schwer und unter deutlicher Verlängerung der bisherigen Taktzeiten zu integrieren. Auch die belastungsgerechte Anordnung der Fasern stellt ein erhebliches Problem für eine Serienfertigung derartiger Bauteile dar. Letztlich stellt auch die Problematik der Nachbearbeitung beispielsweise durch ein Biegen oder ähnliche Fertigungsschritte ein großes Problem aufgrund der typischerweise eingesetzten duroplastischen Matrixmaterialien dar. Da die Aushärtung dann erst dann erfolgen kann, wenn das Bauteil seine endgültige Kontur erreicht hat, wird der Fertigungsaufwand hierdurch erheblich erhöht.Likewise, fiber-reinforced plastics are known as lightweight materials from the general state of the art. These are due to the usual training with thermoset matrix systems in a mass production difficult to integrate and significantly extending the previous cycle times. The load-oriented arrangement of the fibers is also a significant problem for mass production of such components. Finally, the problem of post-processing, for example, by bending or similar manufacturing steps is a major problem due to the thermoset matrix materials typically used. Since the curing then only then can be done When the component has reached its final contour, the manufacturing cost is thereby significantly increased.
Aus der
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik beschreibt die
Die
Aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und ein für eine kontinuierliche Serienfertigung mit kurzen Taktzeiten geeignetes Verfahren bereitstellt, welches darüber hinaus eine leichte, stabile und funktionale Drehstabfeder ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method for producing a torsion spring for a motor vehicle with a in the To provide a substantial tubular cross-section, which avoids the disadvantages mentioned and provides a suitable method for a continuous series production with short cycle times method, which also allows a lightweight, stable and functional torsion spring.
Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this method is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass ein Bauteil mit im Wesentlichen rohrförmigem Querschnitt durch Umflechten und/oder Umwickeln eines Kerns mit Faserbündeln, welche mit einem thermoplastischen Matrixwerkstoff vorimprägniert sind oder als homogene Hybridrovings vorzugsweise flach ausgebildet sind, hergestellt wird. Während und/oder nach dem Umflechten und/oder Umwickeln erfolgt dabei ein thermisches Aufschmelzen des Matrixmaterials.The method according to the invention provides that a component with a substantially tubular cross section is produced by braiding and / or wrapping a core with fiber bundles which are preimpregnated with a thermoplastic matrix material or are preferably flat as homogeneous hybrid rovings. During and / or after braiding and / or wrapping, thermal melting of the matrix material takes place.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft also ein Basisbauteil für die Drehstabfeder, welches in Form eines rohrförmigen Bauteils hergestellt wird, in dem ein Kern mit vorimprägnierten Faserbündeln beziehungsweise Rovings, welche mit einem thermoplastischen Matrixmaterial versehen sind, umwickelt und/oder umflochten wird. Beim Umwickeln und/oder Umflechten und/oder danach erfolgt ein thermisches Aufschmelzen dieses Matrixmaterials, sodass letztlich ein rohrförmiges Bauteil entsteht, welches dann zu der Drehstabfeder weiterverarbeitet werden kann. Durch den Einsatz geeigneter Fasertypen, Fasermengen und Richtungen der einzelnen Faserbündel, beispielsweise beim Flechten und/oder Umwickeln, lässt sich so eine individuell über die Länge des rohrförmigen Bauteils und der späteren Drehstabfeder am jeweiligen Punkt geeignete Festigkeit realisieren, sodass eine ausreichend feste Drehstabfeder mit entsprechenden Dämpfungseigenschaften realisiert werden kann. Diese ist gegenüber Stahlfedern deutlich leichter und gegen Korrosion bei geeigneter Materialwahl des Matrixwerkstoffs nicht oder nur minimal anfällig. Beispielsweise können als thermoplastische Matrixwerkstoffe PA, PPA oder PEEK eingesetzt werden, welche neben einer ausgezeichneten Chemikalienbeständigkeit zusätzlich eine geringe Wasseraufnahme und eine hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen. Außerdem sind sie entsprechend temperaturstabil, sodass diese sowohl an der Hinterachse als auch an der Vorderachse, bei der die Drehstabfeder durch den vergleichsweise warmen Bereich des Motorraums geleitet werden muss, eingesetzt werden können. Neben diesen Matrixwerkstoffen sind auch andere thermoplastische Matrixwerkstoffe denkbar, insbesondere solche mit einer hohen (≥ 125°C) Glasübergangstemperatur, da diese über nahezu den gesamten Temperaturbereich gleichbleibende Federkennliegen aufweisen. Diese Matrixwerkstoffe können mit verschiedenen Arten von Fasern kombiniert werden, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kevlarfasern oder insbesondere Kohlefasern sowie Kombinationen hiervon.The method according to the invention thus provides a base component for the torsion bar spring, which is produced in the form of a tubular component, in which a core is wrapped and / or braided with pre-impregnated fiber bundles or rovings, which are provided with a thermoplastic matrix material. When wrapping and / or braiding and / or thereafter, a thermal melting of this matrix material, so that ultimately a tubular member is formed, which can then be further processed to the torsion spring. Through the use of suitable fiber types, fiber amounts and directions of the individual fiber bundles, for example, when braiding and / or wrapping, so can be individually suitable over the length of the tubular member and the later torsion spring at the respective point strength, so that a sufficiently strong torsion spring with appropriate Damping properties can be realized. This is compared to steel springs significantly lighter and not or only slightly susceptible to corrosion with a suitable choice of material of the matrix material. For example, can be used as thermoplastic matrix materials PA, PPA or PEEK, which in addition to excellent chemical resistance additionally low water absorption and high impact strength. In addition, they are correspondingly temperature stable, so that they can be used both on the rear axle and on the front axle, in which the torsion bar must be passed through the relatively warm area of the engine compartment. In addition to these matrix materials, other thermoplastic matrix materials are also conceivable, in particular those having a high (≥ 125 ° C.) glass transition temperature, since these have constant spring characteristics over virtually the entire temperature range. These matrix materials may be combined with various types of fibers, for example, glass fibers, aramid fibers, Kevlar fibers, or more particularly carbon fibers, and combinations thereof.
Der Aufbau einer Drehstabfeder aus einem faserverstärkten Kunststoff hat dabei die nachfolgenden Vorteile:
- – Drastische Reduzierung des Bauteilsgewichtes
- – Verbesserte Medien- und Chemikalienbeständigkeit vgl. mit Stahl
- – Kein zusätzlicher Korrosionsschutz des Bauteils notwendig
- – Verbessertes Dämpfungsverhalten des Werkstoffs, erhöht Fahrkomfort und Emissionsverhalten
- – Reduzierte Fertigungszeiten, höhere Effizienz der Fertigung
- – Geringere Herstellkosten
- – Fasergerechte leichtbauende Lasteinleitung
- – hohe Dauerschwingfestigkeit (insbesondere durch geringe Ondulation bei geflochtenen flachen Hybridrovings wird die Schwingfestigkeit erhöht)
- – Einsetzbarkeit des Bauteils an Vorder- und Hinterachse
- – Federcharakteristik durch Variation des Laminataufbaus in weiten Bereichen beeinflussbar
- – Ideal torsionssteifes geschlossenes Hohlprofil bei gleichzeitiger Verwendung von Materialen mit höchster Leichtbaugüte
- – Senkung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs pro gefahrenem Kilometer und Verkleinerung des Schadstoffausstoßes
- – Senkung des Energieverbrauchs bei der Herstellung des Drehstabs aus faserverstärktem Kunststoff bezogen auf einen vergleichbaren Drehstabs aus Stahl
- – Kleiner bauend (geringerer Hebelarm) durch höhere zulässige innere Spannung bei Faserverbundstrukturen
- - Drastic reduction of the component weight
- - Improved media and chemical resistance cf. with steel
- - No additional corrosion protection of the component necessary
- - Improved damping behavior of the material, increases ride comfort and emission behavior
- - Reduced production times, higher production efficiency
- - Lower manufacturing costs
- - Fiber-friendly lightweight load introduction
- - high fatigue strength (in particular due to low ondulation in braided flat hybrid rovings, the fatigue strength is increased)
- - Applicability of the component on the front and rear axles
- - Spring characteristic influenced by variation of the laminate structure in a wide range
- - Ideal torsionally rigid closed hollow profile with simultaneous use of materials with the highest level of lightweight construction
- - Reducing the energy consumption of the vehicle per kilometer driven and reducing pollutant emissions
- - Reduction of energy consumption during the production of the torsion bar made of fiber-reinforced plastic based on a comparable torsion bar made of steel
- - Smaller construction (lower lever arm) due to higher permissible internal stress in fiber composite structures
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass der Kern durch Flechtpultrusion mittels wenigstens eines Flechtauges umflochten wird. Der Einsatz der Flechtpultrusion erlaubt es, unterschiedliche Ablagewinkel zwischen ±5° und ±80° zu realisieren, um so einen für den zu erwartenden Kraftverlauf ideal angepassten Faserverlauf zu realisieren.According to a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is additionally provided that the core is braided by braided pultrusion by means of at least one braiding eye. The use of the braiding pultrusion makes it possible to realize different storage angles between ± 5 ° and ± 80 °, so as to realize an ideal for the expected force curve adapted fiber profile.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass der Kern umflochten wird, wobei unidirektionale Fasern mit eingeflochten werden. Das Einbringen von unidirektionalen Fasern ermöglicht eine Verstärkung gezielt in der Richtung, in der unidirektionale Fasern eingelegt werden. Dieses auch als undirektionales Flechten oder UD-Flechten bezeichnete Verfahren ermöglicht eine weitere Steigerung der Festigkeit durch eine ideale Anpassung des Faserverlaufs an die zu erwartenden Kräfte beziehungsweise den zu erwartenden Kraftverlauf.In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is further provided that the core is braided, wherein unidirectional fibers are interwoven with. The introduction of unidirectional fibers allows reinforcement specifically in the Direction in which unidirectional fibers are inserted. This process, which is also called undirectional braiding or UD braiding, enables a further increase of the strength by an ideal adaptation of the fiber flow to the expected forces or the expected force course.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass der Kern nach dem Umflechten und/oder Umwickeln entfernt wird. Der Kern wird hierbei also lediglich als Basis für das Umflechten oder Umwickeln genutzt das auf diesem Kern entstandene rohrförmige Bauteil kann dann von diesem Kern abgezogen und anderweitig weiterverarbeitet werden. Ein solches Weiterverarbeiten beinhaltet beispielsweise ein Biegen in die spätere Form oder ein Biegen in eine der späteren Form sehr nahe kommende Form sowie ein Ablängen.In a particularly favorable and advantageous embodiment of the method according to the invention, it is further provided that the core is removed after braiding and / or wrapping. The core is therefore used only as a basis for braiding or wrapping the resulting on this core tubular component can then be deducted from this core and otherwise processed. Such further processing includes, for example, bending into the later shape or bending into a shape very close to the later shape as well as cutting to length.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass der Kern in dem Bauteil verbleibt. In diesem Fall kann der Kern beispielsweise ein Schaumkern, ein Blasformteil oder Ähnliches sein. Insbesondere kann der Kern aber ein nach einem der oben genannten Verfahren hergestelltes Bauteil sein, welches beispielsweise auf einem Kern, welcher später aus dem Bauteil entfernt wird, durch Umflechten und/oder Umwickeln hergestellt worden ist. Dieser Kern kann dann entweder gebogen oder ungebogen als Kern für die weitere Verarbeitung dienen und kann erneut umwickelt und/oder umflochten werden, bis die gewünschte Materialstärke aufgetragen ist. In dem Fall, dass der Kern eine endkonturnahe Form aufweist und bereits gebogen ist, unabhängig davon, ob er als Schaumkern, als Blasformteil oder als geflochtenes und/oder gewickeltes Bauteil ausgeführt ist, kann dieser zum erneuten Flechten und/oder Umwickeln insbesondere durch einen Mehrachsenroboter durch geeignete Flechtaugen und/oder Wickelmaschinen geführt werden, um so mit weiteren Lagen des faserverstärkten Materials versehen zu werden.In an alternative embodiment of the method, it may also be provided that the core remains in the component. In this case, the core may be, for example, a foam core, a blow molding or the like. In particular, however, the core may be a component produced by one of the above-mentioned methods, which has been produced, for example, on a core, which is later removed from the component, by braiding and / or wrapping. This core can then either bent or unbent serve as a core for further processing and can be wrapped again and / or braided until the desired material thickness is applied. In the case that the core has a near-net shape and is already bent, regardless of whether it is designed as a foam core, as a blow-molded part or as a braided and / or wound component, this can be used for re-braiding and / or wrapping, in particular by a multi-axis robot be guided by suitable braiding and / or winding machines, so as to be provided with further layers of the fiber-reinforced material.
Prinzipiell ist auch eine Nachkonsolidierung des Bauteils beispielsweise in einem Spritzgusswerkzeug oder durch Innenhochdruckumformen möglich. Insbesondere im Rahmen einer Nachkonsolidierung in einem Spritzgusswerkzeug können auch weitere Funktionselemente wie beispielsweise Lageraugen, Aufnahmen oder ähnliche Befestigungselemente an dem endkonturnahgebogenen Halbzeug angebracht werden. Beispielsweise kann durch ein Zweikomponentenspritzgussverfahren die erforderliche Lagerung der Drehstabfeder während der Nachkonsolidierung des Bauteils angebracht werden.In principle, a subsequent consolidation of the component, for example in an injection mold or by hydroforming is possible. In particular, as part of a Nachkonsolidierung in an injection mold and other functional elements such as bearing eyes, receptacles or similar fasteners can be attached to the final contour bent semifinished product. For example, by a two-component injection molding process, the required mounting of the torsion bar can be applied during the reconsolidation of the component.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren verschiedene mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens zum Herstellen einer Drehstabfeder aus einem faserverstärkten Kunststoff aufzeigt. Die Beschreibung der möglichen Herstellungsverfahren bezieht sich dabei auf die Figuren, welche prinzipmäßig schematisiert Verfahrensabläufe und Aufbauten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the following embodiment, which shows with reference to the figures, various possible embodiments of the method for producing a torsion spring of a fiber-reinforced plastic. The description of the possible manufacturing methods refers to the figures, which show in principle schematically process sequences and structures for carrying out the method according to the invention.
Dabei zeigen im Einzelnen:In detail:
In der Darstellung der
Nachfolgend sind nun verschiedene Ausführungsbeispiele und Aspekte beschrieben, welche bei einer seriengeeigneten Fertigung einer derartigen Drehstabfeder
Zur Serienherstellung des Drehstabs
Die Fertigung des rohrförmigen Ausgangshalbzeugs für den Drehstab
Insbesondere bei sehr komplexen Bauteilgeometrien, ist es von Vorteil die Abfolge der oben beschriebenen Prozessschritte zu variieren. Statt der Erzeugung eines dickwandigen Halbzeuges, welches nachträglich der Formgebung durch CNC-Biegen zugeführt, wird der Formgebungsprozess vorgezogen und mit einem nachträglichen 3D-Wickelprozess kombiniert, alternativ ist ebenfalls das Umflechten des Vorförmlings möglich, wobei es in diesem Fall vorzugsweise einer Nachkonsolidierung in einem Spitzgusswerkzeug bedarf. Dies ist in
Als weitere Variante zur Herstellung des vorgeformten Bauteilhalbzeugs kann der vollintegrative Prozess der Flechtpultrusion mit Biegen „on the fly”, d. h. der Biegeprozess erfolgt gleichzeitig mit dem Pultrusionsprozess durch ein bewegliches Biegewerkzeug, erachtet werden. Diese in
Alternativ zum oben beschriebenen Verfahren in einer ersten Variante, bei der das Ausgangshalbzeug durch die Flechtpultrusion erzeugt wird, kann das Profilhalbzeug auch durch laserunterstütztes Thermoplastwickeln hergestellt werden. Ein entsprechender Aufbau ist prinzipmäßig in
In einer dritten Variante dient als Ausgangshalbzeug ein pultudiertes Kunststoffrohr insbesondere abgestimmt auf das verwendete Matrixmaterial z. B. aus PA, PPA, PPS, PEEK, welches in Abhängigkeit von der Belastung des Bauteils bereits eine Endlosfaserverstärkung aufweisen kann bzw. aus mehreren Schichten besteht. Für niedrig belastete Strukturbauteile ist ein unverstärktes Profil ausreichend. Mehrschichtige Rohre bieten den Vorteil, das insbesondere die innere Schicht einen speziellen die Verbundhaftung zu Anbauteilen verbessernden Kunststoff aufweist, während die äußere Schicht spezielle Eigenschaften hinsichtlich der Verbesserung der Verbundhaftung zum Matrixmaterial der Verstärkungsschicht zeigt. Das Rohr wird im ersten Schritt mittels Biegen in seine endkonturnahe Form vorgeformt und anschließend metallische Lasteinleitungselemente, insbesondere aus rostfreiem Stahl oder beschichtetem Stahl, der sich wegen der geringen Potentialdifferenz besonders gut eignet, eingebracht. Faser und Metalleinleger sind durch eine dichte Matrixschicht isoliert. Eine spanende Bearbeitung, die diese Isolierung verletzen könnte, findet nicht statt. Um die Leichtbaugüte weiter zu steigern können ebenfalls Einleger aus Aluminium verwendet werden, wobei dann aufgrund des hohen elektrochemischen Potentialunterschiedes ein Primer verwendet werden sollte, um Korrosion zu vermeiden. Nachdem die Lasteinleitungselemente in das gebogene Rohr integriert wurden, dient es als Flecht- bzw. Wickelkern für die Erzeugung der „äußeren Verstärkung”. Nachdem die Verstärkung, insbesondere als Geflecht, mehrlagig aufgebracht wurde und somit auch eine optimale Kraftübertragung vom Einleger in den Faserverbund erfolgt, wird das Bauteil in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und hier wird einerseits die durch die Verwendung von Hybridgarn (Kunststoff-Carbonfaser) die bereits im Halbzeug enthaltene Matrix aufgeschmolzen und andererseits wird das Halbzeug zusätzlich mit Matrixmaterial umspritzt.In a third variant serves as a starting semifinished a pultudiertes plastic tube in particular matched to the matrix material used z. B. from PA, PPA, PPS, PEEK, which may already have an endless fiber reinforcement depending on the load of the component or consists of several layers. For low loaded structural components an unreinforced profile is sufficient. Multilayer pipes offer the advantage that, in particular, the inner layer has a special plastic which improves adhesion to attachment parts, while the outer layer has special properties with regard to improving the adhesion to the matrix material of the reinforcement layer. The tube is preformed in the first step by means of bending in its near net shape and then metallic load introduction elements, in particular made of stainless steel or coated steel, which is particularly well suited because of the low potential difference introduced. Fiber and metal inserts are insulated by a dense matrix layer. Machining that could violate this isolation does not occur. In order to further increase the lightweight quality, aluminum inserts can also be used, in which case a primer should be used due to the high electrochemical potential difference in order to avoid corrosion. After the load introduction elements have been integrated into the bent pipe, it serves as a braiding core for generating the "outer reinforcement". After the reinforcement, in particular as a braid, has been applied in multiple layers and thus also an optimal transfer of force from the insert into the fiber composite, the component is placed in an injection mold and here on the one hand through the use of hybrid yarn (plastic Carbon fiber) melted the already contained in the semi-finished matrix and on the other hand, the semi-finished product is additionally encapsulated with matrix material.
Alternativ zu der eben beschriebenen Variante kann eine Halbzeugfertigung mit Kern auch so realisiert werden, dass für die Erzeugung des faserverstärkten Drehstabs
Analog zu den beiden beschriebenen Varianten kann als Kernmaterial auch ein verlorener Schaumstoffkern verwendet werden, der bereits die Kontur des Drehstabes
Anstelle eines im Bauteil verbleibenden Kerns ist es auch möglich, einen sogenannten verlorenen Kern zu verwenden, welcher insbesondere vor dem Einbringen der Anbauteile wieder ausgeschmolzen bzw. ausgewaschen wird. Als Kernmaterial können insbesondere gebundener Sand, Wismut, Schaum oder schmelzfähige Harze dienen.Instead of a core remaining in the component, it is also possible to use a so-called lost core, which is in particular melted out or washed out before the attachment parts are introduced. Bonded sand, bismuth, foam or meltable resins can be used as the core material.
Nachdem gemäß einem oder einer Variation der oben genannten Verfahrensabläufe ein geeignetes rohrförmiges Halbzeug hergestellt ist, wird dieses in einer Weiterverarbeitung durch einen Industrieroboter einer CNC-Dornbiegeanlage zugeführt und hier endkonturnah gebogen. Für das Vorformen des rohrförmigen Halbzeugs kann alternativ auch das Streckbiegen sowie das Gesenkbiegen angewandt werden. Zum Biegen wird das Profilhalbzeug im Bereich der Biegestelle unter einem Infrarotstrahler (Heizstrecke) auf die Umformtemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur und oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, im Fall von PA bei etwa 145°C, erwärmt. Dabei ist zu beachten, dass das Halbzeug im Bereich der Einspannung ins Biegewerkzeug möglichst kalt gehalten wird, um ein Ausscheren aus der Werkzeugaufnahme sowie eine Querschnittsverformung zu verhindern. In der Darstellung der
Danach erfolgt die Übergabe des gebogenen Halbzeugs an eine Spritzgussanlage. Hier werden zunächst metallische Anbauteile/Einleger zur Lasteinleitung in das Bauteil durch Erwärmung des Halbzeugs eingebracht. Metallische Einleger bieten den Vorteil einer definierten Lasteinleitung, wohingegen das Faserverbundhalbzeug die Aufgabe der Lastfernübertragung übernimmt. Anschließend wird das Spritgusswerkzeug geschlossen, das gebogene Halbzeug im Endbereich an die entsprechende Kontur des Lasteinleitungselementes (LEE) angeformt (ggf. Hinterschnitte ausgebildet) und mit einem Kunststoff, insbesondere PPA, umspritzt. Gegebenenfalls kann hier auch das 2K-Spritzgussverfahren (kompatible Thermoplaste) angewendet werden um die Verbundhaftung zu verbessern. Um ein kollabieren des Bauteils zu verhindern, arbeitet man bevorzugt mit einem Innenstützdruck, welcher durch ein (vorzugsweise heißes) Gas erzeugt wird. Hierzu bedarf es zweier Anschlussöffnungen im Bauteil, die über die LEE realisiert werden können. Nach Beendigung des Spritzgießprozesses kann der fertige Drehstab
Das Umspritzen des Bauteils nach erfolgter Formgebung und Konsolidierung, dient je nach Herstellungsvariante der Funktionsintegration, der Nachkonsolidierung des Bauteils sowie dem Schutz der LEE gegen korrosive Medien, wie Streusalz u. a. im Betriebsfall. Außerdem könne beispielsweise Kabelführungen angespritzt werden. Durch die Verwendung des 2K-Spritzgussverfahrens könnte zusätzlich ein „Gummieinleger”, d. h. ein spritzbares Elastomer im Bereich der Lagerstellen inklusive im Werkzeug eingelegter Anbindungselemente (Schellen) des Drehstabs
Bei der Betrachtung der Kraftübertragung auf und in Faserverbundstrukturen unterscheidet man typischerweise zwischen Lasteinleitung und Lastfernübertragung. Für die Fernübertragung ist maßgeblich die Rohrstruktur verantwortlich, während die Lasteinleitung ins Bauteil durch sogenannte Lasteinleitungselemente (LEE) (z. B. Bolzen-, Niet-, Kleb-, Pressverbindungen) bewerkstelligt wird. Die Ursache hierfür liegt in der geringeren Belastbarkeit von Faserverbundkunststoffen hinsichtlich Scherung und der oft nicht möglichen faserverbundgerechten Auslegung (Faseraufbau, Faseranordnung) im Bereich der Lasteinleitungstelle, wodurch es zu Lochleibung u. a. versagenskritischen Schädigungen kommen kann. Aus diesem Grund sowie der besseren Berechenbarkeit/Auslegung und außerdem der nicht vorhandenen Kriechneigung unter Last, werden LEE metallisch ausgeführt. Hierbei ist jedoch besonders darauf zu achten, dass es aufgrund des Potentialunterschiedes der verwendeten Werkstoffe nicht zu elektrochemischer Korrosion kommen kann. Deshalb werden die metallischen LEE mit einer Primer/Klebstoffschicht versehen, bevor Sie mit dem Faserverbund in Kontakt geraten. Der Primer hat zum einen die Aufgabe des Korrosionsschutzes zum anderen verbessert er die Verbundhaftung zwischen thermoplastischer Matrix und Metall.When considering power transmission on and in fiber composite structures, a distinction is typically made between load application and remote transmission. For the remote transmission, the pipe structure is largely responsible, while the load introduction into the component is accomplished by so-called load introduction elements (LEE) (eg bolt, rivet, adhesive, press connections). The reason for this lies in the lower resilience of fiber composite plastics in terms of shear and the often not possible fiber composite design (fiber structure, fiber assembly) in the field of load application point, which makes it to Lochleibung u. a. failure-critical damage can occur. For this reason, as well as the better calculability / design and also the absence of creep under load, LEE are carried out metallic. However, special care must be taken to ensure that electrochemical corrosion can not occur due to the potential difference of the materials used. Therefore, the metallic LEE are provided with a primer / adhesive layer before they come into contact with the fiber composite. On the one hand the primer has the task of corrosion protection and on the other hand it improves the bond between the thermoplastic matrix and the metal.
Im Folgenden werden einige Varianten der Integration von Lasteinleitungselementen in Faserverbundstrukturen beschrieben.In the following, some variants of the integration of load introduction elements in fiber composite structures will be described.
In
Als Erweiterung zu dieser Variante wird vor dem Zusammenpressen des Endquerschnittes
Alternativ dazu kann das vorgeformte Ende
Eine weitere Möglichkeit besteht im Einkleben/Einpressen der mit Primer beschichte Anbauteile/Einleger in Rohr und dem nachträglichen Umspritzen mit faserverstärktem Kunststoff mit Innenstützdruck oder im Einbringen des Anbauteils/Einlegers in das Geflechtrohr, dem Umformen des Rohrs in einer Spritzgussmaschine, um einen Formschluss mit Einleger zu erreichen.Another possibility consists of gluing / pressing in the coated with primer attachments / inserter in the tube and the subsequent encapsulation with fiber reinforced plastic with inner support pressure or in introducing the attachment / insert in the braided tube, forming the tube in an injection molding machine to a positive connection with insert to reach.
Eine spezielle Form des Anbauteils/Einlegers mit geeigneten Hinterschnitten, die in dem Material des Rohrs ausgeformt sind, schafft dabei die Möglichkeit einer einfachen Integration und einer Anbindung durch Formschluss. Die Anbauteile mit geeigneten Hinterschnitten können dann bei der Fertigung in die offenen Enden des Rohres eingeschoben werden. Durch eine geeignete Erwärmung und Verformung wird das Material des Rohres in den Bereich der Hinterschnitte gepresst und erzeugt so eine formschlüssige Befestigung zwischen dem Einleger und dem Material des Rohrs. Der gesamte Aufbau kann zur Abdichtung gegen korrosive Medien dabei insgesamt mit umspritzt werden, wie dies oben bereits näher dargelegt wurde.A special form of the attachment / insert with suitable undercuts, which are formed in the material of the tube, thereby creating the possibility of easy integration and a connection by positive engagement. The attachments with suitable undercuts can then be inserted during manufacture in the open ends of the tube. By suitable heating and deformation, the material of the tube is pressed into the region of the undercuts, thus creating a positive fastening between the insert and the material of the tube. The entire structure can be used to seal against corrosive media be encapsulated with a total, as already explained in more detail above.
Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, den Endquerschnitt
Gegebenenfalls notwendige Querschnittsveränderungen des Drehstabs
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