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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zur Verarbeitung oder Handhabung eines Fasergebildes für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Fasergebilde für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds.
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Für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein vorgefertigtes Ausgangs-Fasergebilde (im Folgenden nur als Fasergebilde bezeichnet) erforderlich, dass im Zuge der Herstellung in ein Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet wird. Unter einem Fasergebilde wird ein mattenähnlicher und in der Regel flexibler Faserstoff verstanden, der z. B. in Form eines Fasergewebes, Fasergewirkes, Fasergeflechts, Faservlieses oder dergleichen vorliegt. Ferner kommen auch derartige Fasergebilde zum Einsatz, die mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorbehandelt sind und/oder die bereits eine räumliche Formgebung (Preformling) aufweisen. Nachfolgend wird in nicht einschränkender Weise von einem einzelnen Fasergebilde ausgegangen.
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Zur Einbettung des Fasergebildes in das Kunststoff-Matrixmaterial sind aus dem Stand der Technik unter anderem das Laminierverfahren und das Nasspressverfahren bekannt. Hierbei werden in der Regel zuvor angefertigte Zuschnitte eines Fasergebildes verwendet, die auf ein formgebendes Werkzeug aufgelegt oder in ein formgebendes Werkzeug eingelegt und nachfolgend mit dem Kunststoff-Matrixmaterial beaufschlagt werden. Beim Prepreg-Verfahren kommen die Zuschnitte eines bereits mit dem Kunststoff-Matrixmaterial vorbehandelten Fasergebildes zum Einsatz, wobei eine separate Beaufschlagung mit dem Kunststoff-Matrixmaterial entfallen kann.
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Bei der Verarbeitung eines Fasergebildes, sowohl im Zuge der Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds als auch gegebenenfalls beim vorausgehenden Anfertigen und/oder Verbringen von Zuschnitten, kann es erforderlich sein, dass das Fasergebilde einerseits fest und andererseits wellen- und faltenfrei an einer dafür vorgesehenen Anlagefläche eines Werkzeugs, wie insbesondere einem Schneid-, Handhabungs- oder Herstellungswerkzeug, anliegt. Dies kann z. B. durch eine Vakuum-Ansaugtechnik bewerkstelligt werden. In der
DE 10 2007 061 427 A1 ist bspw. ein vakuumbetriebenes Handhabungswerkzeug beschrieben, mit dem ein angefertigter Zuschnitt von einem Schneidetisch angehoben und mit korrekter Positionierung in einem Herstellungswerkzeug (Formwerkzeug) abgelegt werden kann.
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Der Aufwand für den Betrieb eines Werkzeugs mit einer Vakuum-Ansaugtechnik ist jedoch relativ hoch.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie mit geringem Aufwand das Fasergebilde für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds einerseits fest und andererseits wellen- und faltenfrei mit einer dafür vorgesehenen Anlagefläche eines Werkzeugs in Anlage gebracht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Mit den nebengeordneten Ansprüchen erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren und auf ein Fasergebilde. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die offenbarten Merkmale gelten analog für alle Erfindungsgegenstände.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug weist eine Anlagefläche auf, an der das Fasergebilde zum Zwecke der Verarbeitung und/oder Handhabung angelegt werden kann, bzw. an der das Fasergebilde in Anlage gebracht werden kann (bzw. mit der das Fasergebilde in Anlage bringbar ist). Es ist vorgesehen, dass dieses Werkzeug wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds aufweist, womit ein magnetisches Anlegen des zu verarbeitenden Fasergebildes an die Anlagefläche ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann Teil einer übergeordneten Vorrichtung sein.
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Die Anlagefläche kann mit einer beliebigen Orientierung im Wesentlichen eben ausgebildet sein oder eine räumliche Gestalt aufweisen. Bevorzugt handelt es sich bei der Anlagefläche um eine Auflagefläche, auf die das Fasergebilde aufgelegt werden kann.
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Durch das magnetische Anlegen kann, mit verhältnismäßig geringem Aufwand, eine feste (insbesondere im Sinne von verrutschungssicher) sowie wellen- und faltenfreie Anlage des Fasergebildes an der dafür vorgesehenen Anlagefläche des betreffenden Werkzeugs erreicht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fasergebilde infolge der resultierenden Magnetwirkung an die Anlagefläche angezogen wird. Dies kann vollflächig oder partiell bzw. lokal erfolgen. In vorteilhafter Weise geschieht dies unabhängig von einer räumlichen Orientierung und/oder Gestalt der Anlagefläche.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds um einen Permanentmagneten handelt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass es sich bei wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds um einen Elektromagneten handelt, der insbesondere schaltbar und/oder steuerbar ist. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete aufweisen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist vorgesehen, dass wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds im Bereich eines konkaven Abschnitts der Anlagefläche angeordnet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich das Fasergebilde wellen- und faltenfrei an die Kontur des konkaven Abschnitts anlegt, indem dieses z. B. in den konkaven Abschnitt hinein gezogen wird.
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Eine ebenfalls bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugs sieht vor, dass wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds entlang eines Linienabschnitts angeordnet ist. Ein solcher Linienabschnitt ist insbesondere ein geschlossener Linienabschnitt, wobei es sich z. B. um eine Schneidlinie oder um eine Klemmlinie (Umrisslinie) handeln kann. Bevorzugt sind mehrere Einrichtungen zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds entlang eines solchen Linienabschnitts vorgesehen.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug um ein Schneidwerkzeug. Die Anlagefläche ist hier z. B. die Oberfläche einer Schneidtischplatte, die eine ebene oder räumliche Gestalt aufweisen kann. Die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds kann, möglichst oberflächennah, in der Schneidtischplatte oder unterhalb (auf der von der Anlagefläche abgewandeten Seite) dieser Schneidtischplatte angeordnet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug handelt es sich insbesondere um ein Herstellungswerkzeug, wie z. B. ein Formwerkzeug, für einen Faser-Kunststoff-Verbund, das eine offene oder eine geschlossene Bauform aufweisen kann. Bei einem offenen Werkzeug ist die Anlagefläche z. B. die Oberfläche eines offen zugänglichen Formgebungsabschnitts, der eine ebene oder räumliche Gestalt aufweisen kann. Bei einem geschlossenen Werkzeug ist die Anlagefläche z. B. die Oberfläche einer formgebenden Kavität, die durch eine mehrteilige Ausbildung des Werkzeugs zugänglich gemacht werden kann. Ein wellen- und faltenfreies Positionieren des Fasergebildes ist mit geringem Zeit- und Sorgfaltsaufwand möglich. Bevorzugt ist die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds, möglichst oberflächennah, in diesem Werkzeug integriert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug kann es sich aber auch um ein Handhabungswerkzeug handeln, mit dem z. B. ein angefertigter Zuschnitt von einem Schneidwerkzeug in ein Herstellungswerkzeug verbracht werden kann. Hier ist die Anlagefläche z. B. die offene Oberfläche einer vorzugsweise eben ausgebildeten Tragplatte oder dergleichen. Die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds kann, möglichst oberflächennah, in dieser Tragplatte oder auf der von der offenen Oberfläche abgewandten Seite dieser Tragplatte angeordnet sein.
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Um das magnetische Anlegen des zu verarbeitenden oder zu handhabenden Fasergebildes an die Anlagefläche zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Fasergebilde magnetische und/oder magnetisierbare Bestandteile enthält, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass das zu verarbeitende oder zu handhabende Fasergebilde bestromt wird, wodurch sich um das Fasergebilde ein künstliches Magnetfeld ausbildet, welches mit dem Magnetfeld der wenigstens einen Einrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Magnetfelds im oder am Werkzeug zusammenwirkt, so dass es zu einem magnetischen Anlegen des Fasergebildes an die Anlagefläche des Werkzeugs kommt. Dies ist Gegenstand des mit dem ersten nebengeordneten Anspruch beanspruchten Verfahrens.
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Hierbei kann z. B. der Effekt ausgenutzt werden, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft einwirkt (Lorentzkraft). Die Kraftwirkung ist am größten, wenn die Stromrichtung und die Magnetfeldrichtung in etwa einen Winkel von 90° bilden. Um einen gezielten Stromfluss durch das Fasergebilde zu ermöglichen, kann dieses mit geeigneten Leiterbahnen ausgestattet sein.
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Der zweite nebengeordnete Anspruch betrifft ein Fasergebilde für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug und/oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei vorgesehen ist, dass dieses Fasergebilde magnetische und/oder magnetisierbare Bestandteile enthält. Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich um ein kohlenstofffasernhaltiges Fasergebilde handelt.
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Bei den magnetischen und/oder magnetisierbaren Bestandteilen kann es sich z. B. um Partikel oder Fäden aus einem permanentmagnetischen oder ferromagnetischen Material handeln. Um ein festes sowie wellen- und faltenfreies Anlegen zu erreichen, ist in Abwägung der Umstände eine geeignete Größe und/oder Verteilung dieser Bestandteile im Fasergebilde vorgesehen.
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Die Erfindung dient insbesondere der Herstellung von Fahrzeugteilen, wobei es sich vorrangig um CFK-Teile handelt. Die Erfindung kann jedoch auf für die Herstellung anderer Bauteile, wie z. B. Rotorblätter von Windkraftanlagen, verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds.
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2 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Fasergebilde, das für die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds mit dem Werkzeug der 1 geeignet ist.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds. Zur Vorrichtung gehört ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Herstellungswerkzeug. Bei dem Werkzeug 100 handelt es sich um ein offenes Formwerkzeug, das einen frei (offen) zugänglichen formgebenden Abschnitt mit einer im wesentlichen ebenen Anlagefläche 110 aufweist, wobei die Anlagefläche 110 als Auflagefläche ausgebildet ist. Ebenso könnte der formgebende Abschnitt mit der daran befindlichen Anlagefläche 110 auch eine räumliche Gestalt aufweisen. Die Anlagefläche 110 umfasst beispielhaft einen konkaven Abschnitt 115.
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Mit 121 und 122 sind zwei schaltbare Elektromagnete bezeichnet, die oberflächennah im Werkzeug 100 integriert sind. Die beiden Elektromagnete 121 und 122 sind separat mit Gleichstromquellen verbindbar. Der Elektromagnet 122 ist im Bereich des konkaven Abschnitts 115 angeordnet. Anstelle von Elektromagneten können auch Permanentmagnete vorgesehen sein.
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Zur Vorrichtung gehört ferner eine insgesamt mit 200 bezeichnete Beaufschlagungseinrichtung. Die Beaufschlagungseinrichtung 200 umfasst eine Sprühdüse 210 für den Auftrag eines Kunststoff Matrixmaterials 400, die an einem Roboterarm 220 befestigt ist.
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Zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbunds wird ein zuvor angefertigter Zuschnitt 300 eines Fasergebildes auf der Anlagefläche 110 des Werkzeugs 100 positioniert. Um eine feste (verrutschungssichere), sowie wellen- und faltenfreie Anlage des Fasergebildes 300 an der Anlagefläche 110 zu erzielen, werden die Elektromagnete 121 und 122 aktiviert, so dass es infolge der erzeugten (und sich insbesondere auch überlagernden) künstlichen Magnetfelder und der daraus resultierenden Magnetwirkung zu einem magnetischen Anlegen des Fasergebildes 300 an die Anlagefläche 110 kommt. Es kann vorgesehen sein, dass das Fasergebilde 300 magnetische und/oder magnetisierbare Bestandteile enthält, wie nachfolgend im Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert. Der Elektromagnet 122 im Bereich des konkaven Abschnitts 115 bewirkt zudem, dass sich das Fasergebilde 300, wie gezeigt, wellen- und faltenfrei an die Kontur des konkaven Abschnitts 115 anlegt.
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Anschließend wird auf das Fasergebilde 300 ein Kunststoff-Matrixmaterial 400 aufgesprüht, wozu die Sprühdüse 210 mittels des Roboterarms 220 über das Werkzeug 100 bewegt wird. Hierbei wird das Fasergebilde 300 infolge der Magnetwirkung an der Anlagefläche 110 des Werkzeugs 100 festgehalten bzw. fixiert. Bei dem Kunststoff-Matrixmaterial handelt es sich typischerweise um einen Kunstharz-Werkstoff (z. B. Epoxidharz, Polyesterharz, Phenolharz oder dergleichen). Die Beschreibung der Erfindung geht nicht einschränkend von einem einzelnen Kunststoff-Matrixmaterial aus.
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Indem optional das Kunststoff-Matrixmaterial 400 mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Bestandteilen 401 versehen wird, kann der Aufsprühvorgang optimiert und/oder die Anhaftung des Kunststoff-Matrixmaterials 400 am Fasergebilde 300 verbessert werden.
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Bei dem Werkzeug 100 der 1 könnte es sich ebenso um ein Schneidwerkzeug mit einem Schneidtisch handeln, auf dessen An- bzw. Auflagefläche das Fasergebilde 300 in der zuvor erläuterten Weise wellen- und faltenfrei festgehalten werden kann.
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2 zeigt ein Fasergebilde 300. Das Fasergebilde 300 enthält mit 301 bezeichnete Kohlenstofffasern, die z. B. in Form eines Fasergewebes zusammen gebracht sind. Ferner enthält das Fasergebilde 300 eine Vielzahl von Metallfäden 310, wobei es sich insbesondere um Metallfäden aus einem eisenhaltigen Werkstoff handelt, die das Fasergewebe durchziehen. Die Metallfäden 310 können auch nur bereichsweise in das Fasergewebe eingearbeitet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Werkzeug
- 110
- Anlagefläche (Auflagefläche)
- 115
- konkaver Abschnitt
- 121
- Elektromagnet
- 122
- Elektromagnet
- 200
- Beaufschlagungseinrichtung
- 210
- Sprühdüse
- 220
- Roboterarm
- 300
- Fasergebilde
- 301
- Kohlenstofffasern
- 310
- magnetische und/oder magnetisierbare Bestandteile (Metallfäden)
- 400
- Kunststoff-Matrixmaterial
- 401
- magnetische und/oder magnetisierbare Bestandteile/Partikel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007061427 A1 [0005]
