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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8.
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Zur Herstellung von Werkstücken, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, gehört es zum Stand der Technik, Karosserie- und Strukturbauteile aus Stahlwerkstoffen oder aber auch Leichtmetallwerkstoffen herzustellen. Diese Werkstoffe vereinen gute Formgebungsfreiheitsgrade mit hohen Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig kostengünstiger Produzierbarkeit und einer ausreichenden Langlebigkeit.
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Es ist jedoch auch möglich, Werkstücke, insbesondere Kraftfahrzeugbauteile, aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Insbesondere kommen hierzu Glasfaserverbundwerkstoffe oder aber Carbonfaserwerkstücke zum Einsatz. Diese Faserverbundwerkstoffe bieten höhere Formgebungsfreiheitsgrade und höhere Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig deutlich geringerem Eigengewicht. Es ist jedoch nicht möglich, diese Bauteile mit entsprechenden Taktzeiten in Serie herzustellen. So erreicht die Herstellung eines Faserverbundwerkstückes nicht die Fertigungszeit im Takt einer Blechtransferpresse.
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Um dennoch akzeptabel kurze Taktzeiten, gerade für eine Großserienproduktion, zu erreichen, sind aus dem Stand der Technik sogenannte Preform-Prozesse bekannt. Hierbei werden mehrschichtige Lagen aus Faserwerkstoffen in Form von Geweben oder Gelegen annähernd in die Form gebracht, die das spätere Bauteil auch besitzen soll. Die einzelnen Lagen sind hierzu mit einem Binder versehen, der als Klebstoff wirkt. Die Lagenstapel werden auf eine Umformtemperatur geheizt und in das Formwerkzeug eingebracht. Nach dem Umformen wird das entstandene Halbzeug ausgehärtet und nach dem Entnehmen aus dem Umformwerkzeug weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt. Diese können beispielsweise eine schneide- oder stanztechnische Bearbeitung beinhalten.
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Beispielsweise ist aus der
DE 199 22 799 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformbauteils bekannt, bei dem ein Kunststoffformteil nach dem Harzinjektionsverfahren hergestellt wird. Hierzu wird ein Vorformling in einem Drapierwerkzeug erstellt. Dieses Drapierwerkzeug weist einen Spannrahmen auf, wobei das den Vorformling bildende Fasermaterial vorgespannt wird. Hierdurch wird ein verwerfungsfreies Einziehen des Fasermaterials in die Kavität des Drapierwerkzeuges möglich. Hierdurch ist es möglich, eine komplexe Geometrie unter Verwendung von Gelegen herzustellen.
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Aus der
DE 10 2007 046 734 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie ein Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Hierbei wird eine Faserwerkstoffbahn mit Hilfe eines Transportrahmens in das Formwerkzeug eingelegt und innerhalb des Formwerkzeugs über einen am Rande des Formwerkzeugs angeordneten Spannrahmen gespannt. Der Spannrahmen sorgt bei Schließen des Formwerkzeugs für ein gezieltes Nachrücken der Faserwerkstoffbahn in den Formhohlraum, so dass ein Faltenwurf vermieden wird. Es bedarf zum einen eines Überführens von Transportrahmen in die Spannung des Umformwerkzeugs der Faserwerkstoffbahn, zum anderen sind aufgrund des randseitigen Nachrückens der Faserwerkstoffbahn in den Formhohlraum Grenzen in Bezug auf die Höhe der Umformgrade gegeben. Weitere derartige Spannvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 101 53 035 A1 sowie der
DE 198 29 352 A1 bekannt.
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Aus der vorangemeldeten und nachveröffentlichten
DE 10 2010 038 436 A1 ist ein Werkzeug bekannt, mit dem ein Faserverbundwerkstoffbauteil hergestellt wird. Dieses wird dazu in einen Spannrahmen eingelegt und durchhängend in dem Spannrahmen dem Umformwerkzeug zugeführt und dann umgeformt.
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Bei besonders hohen Umformgraden, das heißt bei punktuell betrachteten Flächenabschnitten, die einen besonders hohen Umformgrad haben, ist jedoch das Spannen über einen Spannrahmen nur suboptimal. Hier kann es unter Umständen zu einem Reißen des Fasermaterials oder aber zu einem Abscheren des Geleges kommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformwerkzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes bereitzustellen, mit dem eine kurze Produktionszeit und eine hohe Werkstückgenauigkeit unter besonderer Berücksichtigung von hohen Umformgraden herstellbar ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Anteil der zuvor genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes, insbesondere aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn, wobei die Vorrichtung ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, dadurch gelöst, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug eine Basisplatte aufweist, wobei ein Zusatzsegment in der Basisplatte versenkbar gelagert ist und dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug ein separat verfahrbarer Spannrahmen zugeordnet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bevorzugt ein Zusatzsegment in der Basisplatte angeordnet, bevorzugt zwei oder mehr Zusatzsegmente. Die Basisplatte eines Oberwerkzeugs ist dabei entsprechend der Kontur der Basisplatte des Unterwerkzeugs geformt. Zwischen den beiden Basisplatten ergibt sich ein Formhohlraum, so dass die Basisplatten auch als Matrize und Patrize im Rahmen der Erfindung angesehen werden können. Die Basisplatten entsprechen jedenfalls einem Negativabdruck des herzustellenden Bauteils.
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Die Zusatzsegmente sind dabei im Rahmen der Erfindung in der Basisplatte selbst versenkbar ausgebildet. Diese Versenkbarkeit kann beispielsweise durch eine Aussparung, Vertiefung oder Öffnung in der Basisplatte ausgebildet sein, in die ein Zusatzsegment versenkbar gelagert eingesetzt ist. Die Rückkehr in die Ausgangsposition kann dabei durch ein Federmittel, beispielsweise eine Schraubenfeder oder aber auch durch einen federelastischen Körper, beispielsweise ein Gummikörper oder aber ein Elastomer, hergestellt werden. Auch kann im Rahmen der Erfindung ein aktiver Stellaktuator die jeweilige Position des Zusatzsegments einstellen.
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Insbesondere können im Rahmen der Erfindung die Basisplatten aus einem vergleichbar harten Werkstoff, beispielsweise einer Metall- oder Leichtmetalllegierung, hergestellt sein, wohingegen das restliche Oberwerkzeug oder Unterwerkzeug aus einem weicheren Werkstoff hergestellt ist, beispielsweise einem Kunststoff, einem Polymer oder aber auch einer Leichtmetalllegierung. Die Zusatzsegmente selbst können wiederum aus einem relativ auf das Werkzeug bezogenen harten Werkstoff, beispielsweise einer Stahllegierung, oder aber auch aus einem relativ hierzu weicheren Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff o. ä. bestehend ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, dass beim Schließvorgang von Oberwerkzeug zu Unterwerkzeug verschiedene Abschnitte ausgeformt werden, wobei stets eine glatte Verteilung der Faserwerkstoffbahn, auch bei komplex herzustellenden Geometrien, gegeben ist. Durch den Kontakt der versenkbaren Zusatzsegmente mit der Faserwerkstoffbahn sorgt dieses für eine Straffung der Faserwerkstoffbahn während des Herstellungsvorgangs.
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Der Vorrichtung ist ein Spannrahmen zugeordnet, wobei der Spannrahmen separat von dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug bewegbar ist. Der Spannrahmen bietet dabei weiterhin die Möglichkeit, das herzustellende Werkstück während des Produktionsprozesses besonders glatt zu ziehen bzw. zu glätten. Durch den Spannrahmen wird die Faserwerkstoffbahn zum einen lagefixiert gehalten, zum anderen ergibt sich durch die separate Bewegbarkeit des Spannrahmens zu der Vorrichtung selber die Möglichkeit, eventuellen Faltenwurf oder aber Wellenbildung zu glätten. Hierbei kann der Spannrahmen im Rahmen der Erfindung in Werkzeugschließrichtung bewegbar sein, der Spannrahmen kann aber beispielsweise auch zweigeteilt sein, so dass er im Wesentlichen in 45° bis 60° Richtung orientiert zur Werkzeugschließbewegung bewegt wird, so dass eine Faltenglättung vollzogen wird. Auch vorstellbar im Rahmen der Erfindung wäre eine im Wesentlichen orthogonale Orientierung zur Werkzeugschließbewegung, also ein 90° Winkel.
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Vorzugsweise ist im Rahmen der Erfindung bei geschlossenem Unterwerkzeug und Oberwerkzeug ein Formhohlraum zwischen diesen gebildet, wobei die Höhe des Formhohlraums variiert. Hierbei kann der Formgebungsgeometrie des herzustellenden Werkstückes Rechnung getragen werden. In Bereichen, in denen ein relativ auf das herzustellende Werkstück bezogener hoher Umformgrad hergestellt wird, kommt es folglich zu Materialstreckungen und einer Abnahme der Materialstärke des hergestellten Werkstücks in diesem Bereich. Durch eine größere Höhe des Formhohlraums in diesem Bereich kommt es zu einer weniger starken Streckung. Ebenfalls kann ergänzend durch eine geringere Höhe in benachbarten Bereichen bewusst Werkstoff und/oder Material in die Bereiche hoher Umformgrade, also mit hohen Streckungen, verdrängt werden, so dass die sich aufgrund des Umformgrades einstellende Streckung kompensiert wird. In der Folge kommt es nicht zu kritisch dünnen Materialstellen in dem herzustellenden Werkstück und auch nicht zu einer Riss- oder Lochbildung während des Herstellungsprozesses.
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Besonders bevorzugt wird dabei die Höhe jeweils in Abhängigkeit des örtlichen Umformgrades gewählt. Erfindungsgemäß kann somit bereits im Vorhinein beim Werkzeugbau auf die während des Umformprozesses auftretenden Scherungen, Streckungen oder Materialverdünnungen eingegangen werden. In der Folge können herkömmliche Faserwerkstoffbahnen, beispielsweise aus Kohlenstoff, Glas, Aramid, Basalt oder aber anderen handels- und marktüblichen Faserwerkstoffen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil insbesondere dieser Ausführungsform ist, dass die Fasern selbst keine besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise eine elastische Längenänderung o. ä., aufweisen müssen, da diese während des Herstellungsprozesses durch die Ausgestaltung des Umformwerkzeugs kompensiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ragt das Zusatzsegment in einen zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug gebildeten Formhohlraum. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass das Zusatzsegment gegenüber der Anordnung im Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug, also gegenüber der jeweiligen Basisplatte, hervorsteht. Es kommt somit beim Schließen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zunächst zu einem Kontakt zwischen dem Zusatzsegment, der Faserwerkstoffbahn und dem jeweils gegenüberliegenden Werkzeug. Durch die versenkbare Lagerung des Zusatzsegments ist es somit möglich, die Faserwerkstoffbahn während des Schließvorgangs bei teilgeöffnetem Werkzeug bereits lagezufixieren.
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Durch den weiteren Schließvorgang und eventuelle Konturen innerhalb des Formwerkzeugs wird die Faserwerkstoffbahn somit in dem Werkzeug selber glatt gezogen bzw. gespannt. Weiterhin wird sie an unter Umständen kritischen zu formenden Stellen des herzustellenden Werkstücks lagefixiert gehalten. In der Folge stellt sich eine besonders hohe Werkstückgenauigkeit bei nur geringen Produktionstoleranzen in der Herstellung eines Faserverbundwerkstückes ein.
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Besonders bevorzugt ist das zusätzliche Segment hierzu federnd gelagert. In einer federnden Lagerung ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine Lagerung über ein Federelement zu verstehen, wobei das Federelement gegenüber dem Zusatzsegment eine Druckkraft ausübt, so dass das Zusatzsegment gegenüber der jeweiligen Basisplatte hervorsteht. Durch die beim Schließvorgang zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug auftretenden Druckkräfte kommt es zur Anlage zwischen dem Zusatzsegment und der jeweils gegenüberliegenden Basisplatte des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs. In der Folge wird das Zusatzsegment in der Basisplatte entgegen der Druckkraft des Federelements versenkt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Schraubenfeder. Es kann sich jedoch auch um eine Elastomerfeder oder aber eine pneumatische Feder handeln. Ebenfalls ist es vorstellbar, dass das Zusatzsegment über ein aktives Stellglied bewegbar ist. Hierunter ist beispielsweise ein Aktor zu verstehen. Bei dem Aktor kann es sich wiederum um einen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder aber mechanisch betätigten Aktor handeln.
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Besonders vorteilhaft ist dann über die federnde Lagerung des Zusatzsegments ein Haftbeiwert zwischen der Faserwerkstoffbahn und dem Zusatzsegment erzeugbar, so dass bei teilgeschlossenem Werkzeug bzw. während des Schließvorgangs die Faserwerkstoffbahn lagefixierbar ist und durch Zugkrafteinwirkung relativ beweglich zu dem Zusatzsegment ist, ohne dabei zu reißen.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass in einer komplex zu erzeugenden Geometrie des herzustellenden Werkstücks eine faltenfreie und wellenfreie Umformung der Faserwerkstoffbahn zu dem Faserverbundwerkstück hergestellt wird. Die Faserwerkstoffbahn wird hier zunächst durch den Kontakt bei teilgeschlossenem Werkzeug zwischen Zusatzsegment, Faserwerkstoffbahn und jeweiligen Werkzeug lagefixiert vorgespannt gehalten.
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Durch den weiteren Schließvorgang und somit den weiteren Umformvorgang kann es jedoch zu einer Relativverschiebung, tangential zur Basisplatte der Faserwerkstoffbahn kommen. Der Haftbeiwert der Vorspannung, die durch das Zusatzsegment erzeugt ist, ist dabei so regelbar, dass stets eine entsprechende Spannkraft aufgebracht ist, um die Faserwerkstoffbahn während des Umformvorgangs glatt zu ziehen, jedoch auch gleichzeitig ein Fließen der Faserwerkstoffbahn möglich ist, so dass es nicht zu einer Abstreckung, Rissbildung oder Lochbildung innerhalb der Faserwerkstoffbahn kommt. Der Haftbeiwert ist dabei durch entsprechende Wahl der federnden Lagerung und somit der Federkraft des federgelagerten Zusatzsegments bzw. Normalkraft einzustellen. Diese kann beispielsweise degressiv, linear oder progressiv verlaufen. Im Rahmen der Erfindung kann die Federkraft jedoch auch aktiv einstellbar sein, so dass hier ein optimaler Haftbeiwert erzeugbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsvariante oder aber auch in einer zusätzlichen Ausführungsvariante weist das Zusatzsegment eine Oberflächenrauigkeit auf, wobei über die Oberflächenrauigkeit ein Haftbeiwert zwischen der Faserwerkstoffbahn und dem Zusatzsegment erzeugbar ist, so dass bei teilgeschlossenem Werkzeug die Faserwerkstoffbahn lagefixierbar ist und durch Zugkrafteinwirkung relativ beweglich zu dem Zusatzsegment bleibt, ohne zu reißen. Die zuvor genannten Vorteile ergeben sich für die Oberflächenrauigkeit analog.
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Die Oberflächenrauigkeit weist dabei relativ zu der Oberfläche der Basisplatte eine höhere Rautiefe auf. Die jeweils absolute Rautiefe des Zusatzsegments ist in Abhängigkeit des verwendeten Faserwerkstoffs und/oder der verwendeten Matrixmaterialen, Klebstoffe oder Bindemittel zu wählen. Im Rahmen der Erfindung wäre es somit auch vorstellbar, das die Zusatzsegmente oder aber die Oberflächen der Zusatzsegmente austauschbar sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Werkzeug an verschiedene Werkstoffarten angepasst werden kann. Ebenfalls ergibt sich der Vorteil, dass während der Einführungsphase der Produktion und/oder während des Produktionsprozesses durch die Austauschbarkeit der Zusatzsegmente das Werkzeug optimiert werden kann.
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Vorzugsweise umfasst der Spannrahmen die Vorrichtung dazu zumindest abschnittsweise umlaufend, wobei der Spannrahmen auf eine Vertikalrichtung bezogen oberhalb der äußeren Profilierung des Unterwerkzeugs angeordnet ist, so dass die Faserwerkstoffbahn durchhängt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Faserwerkstoffbahn nicht über den Spannrahmen bereits mit einer Zugkraft vorgespannt ist, sondern sich die Vorspannkraft lediglich aufgrund der Gravitation ergibt. Gleichzeitig jedoch wird die Faserwerkstoffbahn durch den Spannrahmen selber lagefixiert gehalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug temperierbar oder der Vorrichtung selbst ist eine Heizeinrichtung zugeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist unter einem beheizbaren Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug ein zumindest partiell bzw. abschnittsweise beheizbares Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug zu verstehen. Hierbei sind in dem Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug beispielsweise Heizeinsätze in Form von Keramikplatten oder sonstigen Wärmeträgern zu verstehen. Beispielsweise sind aber auch eingebrachte Heizeinrichtungen in Form von Induktionsspulen für Heizkanäle, welche in das jeweilige Werkzeug selbst eingebracht sind, zu verstehen.
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Die Temperierbarkeit ist dabei so gewählt, dass es möglich ist, das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug einzeln zu temperieren, so dass hier ein Heizen oder aber auch ein Abkühlen möglich ist. Die Aufheizung des Werkstückes bzw. der Faserlagen erfolgt dabei bis auf einen Temperaturbereich von vorzugsweise 100° bis 150° C, so dass eine Aktivierung des auf die einzelnen Faserlagen aufgetragenen Binders erfolgt. Bevorzugt wird eine Aufheizung auf einen Temperaturbereich von 110° bis 130° C sichergestellt, insbesondere auf 115° bis 125° C. Danach ist es aufgrund der Temperierbarkeit möglich, die Temperiereinrichtungen auch zum Abkühlen zu nutzen. Vorzugsweise erfolgt dabei bereits während und/oder nach dem Umformen eine Abkühlung auf mindestens 100° C, bevorzugt weniger als 80° C und insbesondere weniger als 70° C, ganz besonders bevorzugt wird auf ca. 60° C abgekühlt, wonach dann die erfindungsgemäße Vorrichtung geöffnet wird und das Preformbauteil entnommen werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich durch die Temperiereinrichtung bis auf Raumtemperatur abzukühlen.
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Eine der Vorrichtung zugeordnete Heizeinrichtung selber kann wiederum beispielsweise eine Infraroterwärmung oder aber eine Mikrowellenerwärmung sein. Es kann sich hierbei auch um einen sonstigen Wärmestrahler oder aber eine sonstige Heizeinrichtung, beispielsweise eine Induktionsheizeinrichtung, handeln, die entweder neben der Vorrichtung positioniert ist oder aber ihre Wärme in die Vorrichtung einbringt, insbesondere bei geöffneten oder teilgeöffneten Werkzeugen. Die Heizeinrichtungen dienen dabei der Verflüssigung des Binders. Ein entsprechend folgender Härteprozess erfolgt durch Werkzeugkühlung.
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Weiterhin bevorzugt ist der Vorrichtung eine Beschneideeinrichtung zugeordnet, vorzugsweise ist die Beschneideeinrichtung derart ausgebildet, dass bei geschlossener Vorrichtung überstehende Ränder des Faserverbundwerkstückes abschneidbar sind. Hierdurch ist wiederum die Taktzeit zur Herstellung eines Faserverbundwerkstückes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verkürzt. Die Beschneideeinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass sie bereits bei teilgeschlossenem Werkzeug einen Beschneidevorgang der überstehenden Ränder des herzustellenden Faserverbundwerkstückes abschneidet. Die Beschneideeinrichtung kann aber auch derart ausgebildet sein, dass sie nach Abschluss des Umformvorganges über eine Relativbewegung gegenüber dem geschlossenen Werkzeug verschoben wird und somit die überstehenden Ränder der Faserwerkstoffbahn an dem Faserverbundwerkstück abschneidet. Hierdurch wird insgesamt die Produktionsgenauigkeit, insbesondere bezogen auf die Randbereiche des hergestellten Faserverbundwerkstücks, erhöht.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes aus mindestens einer Materialbahn mit einer Vorrichtung nach mindestens einer der vorbeschriebenen Ausführungsvarianten mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Zuschneiden einer Faserwerkstoffbahn;
- – Auftragen eines Binders auf die zugeschnittene Faserwerkstoffbahn;
- – Fixieren der Faserwerkstoffbahn in einem Spannrahmen, Einlegen der Faserwerkstoffbahn in die Vorrichtung und Absenken des Spannrahmens, so dass die Faserwerkstoffbahn auf dem Unterwerkzeug fixiert wird, jedoch nicht durch Zugkraft gespannt wird;
- – Absenken des Oberwerkzeuges;
- – Einklemmen der Faserwerkstoffbahn zwischen Oberwerkzeug und Zwischensegment oder Unterwerkzeug und Zwischensegment;
- – weiteres Absenken des Oberwerkzeuges und gleichzeitiges Formen eines Mittelabschnittes des herzustellenden Werkstückes, wobei die Faserwerkstoffbahn durch die Klemmung innerhalb des Werkzeuges gestrafft wird und, sofern nötig, nachgleitet;
- – Vollständiges Schließen des Werkzeuges und Formen des Faserverbundwerkstückes;
- – Entnahme des Faserverbundwerkstückes.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein Faserverbundwerkstück besonders produktionsgenau mit niedrigen Taktzeiten herstellen. Insbesondere die Problematik einer Faltenbildung oder aber einer Wellenbildung wird gerade in der Großserienproduktion durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden. Aufwendige Nachbearbeitungen bezüglich der Bauteiltoleranz entfallen durch das erfindungsgemäße Verfahren nahezu gänzlich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Faserwerkstoffbahn zusätzlich in einem Spannrahmen fixiert und der Spannrahmen abgesenkt, so dass die Faserwerkstoffbahn auf dem Unterwerkzeug fixiert wird, jedoch nicht durch Zugkraft gespannt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Faserwerkstoffbahn durch den Spannrahmen zwar lagefixiert gehalten wird, über die Randbereiche des Unterwerkzeugs bis zum Spannrahmen jedoch lediglich durchhängt und nicht gespannt wird. Hierdurch wird wiederum ein Reißen oder aber eine Lochbildung der Faserwerkstoffbahn vermieden.
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Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere mehr als drei, vorzugsweise mehr als fünf und besonders bevorzugt mehr als acht Faserwerkstoffbahnen zugeschnitten und unter Hinzufügen von Binder übereinander gelegt und anschließend in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingelegt. Durch die jeweiligen Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorspannung bzw. Straffung und/oder des Glättens ist es somit möglich, die näheren Faserwerkstoffbahnen zum einen absolut gegenüber dem Werkzeug zu glätten, zum anderen zusätzlich auch die Faserwerkstoffbahnen relativ untereinander zu glätten. Eine Faltenbildung, beispielsweise einer mittig angeordneten Faserwerkstoffbahn gegenüber einer oben und unten liegenden Faserwerkstoffbahn, würde hier zu einer Hohlraumbildung innerhalb des herzustellenden Faserverbundwerkstücks führen. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, da die mittlere Faserwerkstoffbahn glatt gezogen wird. Im Rahmen der Erfindung ist auch hier unter Binder ein Klebstoff, Matrixharz, Matrixmaterial zu verstehen, welcher die einzelnen Faserwerkstoffbahnen zusammenklebt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird die Faserwerkstoffbahn durch Hilfswerkzeuge in Position gehalten, bevorzugt handelt es sich hierbei um Schaumstoffblöcke und/oder Sandpapier. Bei insbesondere komplex herzustellenden Geometrien kann es allein aufgrund des Durchhängens der Faserwerkstoffbahn aufgrund eines hohen Eigengewichts der durchhängenden Teile sowie scharfen herzustellenden Kanten zu einem Abscheren oder aber Reißen bereits kurz nach Einlegen in die erfindungsgemäße Vorrichtung oder aber während des Umformvorgangs kommen.
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Durch die Hilfswerkzeuge ist es somit möglich, die partiellen Bereiche, welche durch hohes Eigengewicht stark durchhängen, derart abzufangen, dass ein Reißen vermieden wird. Die Hilfswerkzeuge können dann wiederum aktiv und/oder passiv während des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Vorrichtung entfernt werden. Beispielsweise können die Hilfswerkzeuge extern entfernt werden, was ein aktives Entfernen darstellen würde, oder aber durch den Schließvorgang selbst herausgedrückt werden, was ein passives Entfernen darstellen würde. Weiterhin ist es möglich als Hilfswerkzeug ein Werkzeug mittels Unterdruck zu nutzen. Hierbei wird die Faserwerkstoffbahn durch den Unterdruck, also durch die Saugkraft, in Position gehalten.
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Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Klemmkraft zwischen Zusatzsegment und Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug passiv durch ein Federmittel im Zusammenspiel mit dem sich absenkenden Oberwerkzeug eingestellt. Durch Wahl der Federeigenschaften, beispielsweise durch Einsatz eines Federmittels mit entsprechender Federkennlinie oder aber Federkonstanten ist es somit möglich, eine Klemmkraft zur erzeugen, die zunächst von der nur teilweise ausgeführten Schließbewegung gering ist, und sich ein leichtes Glattziehen und somit Überstreifen der Faserwerkstoffbahn über das Unterwerkzeug einstellt. Ist das Werkzeug weiter geschlossen, nahezu vollständig, wäre zum Glattziehen eine erhöhte Zugkraft nötig. Diese wird durch die erhöhte Klemmkraft zwischen dem Zusatzsegment und dem jeweils korrespondierenden gegenüberliegenden Werkzeug aufgrund der höheren Federkraft des Federmittels bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist die Federkraft derart abzustimmen, dass stets ein Gleiten der Faserwerkstoffbahn sichergestellt ist und es hier nicht zu einem Reißen kommt.
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Bevorzugt kann auch die Klemmkraft des Zusatzsegments und des jeweils gegenüberliegenden korrespondierenden Werkzeugs aktiv über einen Aktor geregelt und/oder gesteuert werden. Beispielsweise ist hier eine regelbare Gasdruckfeder oder aber eine elektromechanisch einstellbare Feder vorstellbar. Dies bietet den Vorteil, dass im Laufe des Produktionsprozesses etwaige Produktionsschwankungen stets ausgeregelt werden können. Ausschussware aufgrund von Rüstzeiten oder Nachbesserungen am Produktionswerkzeug wird hierdurch weitestgehend vermieden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Einklemmvorgang selber in Abstimmung mit dem Spannrahmen geregelt und/oder gesteuert. Hierbei wird das Einklemmen der Faserwerkstoffbahn zwischen Zusatzsegment und jeweils korrespondierendem gegenüberliegendem Werkzeug, beispielsweise Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug, durch die Schließbewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbst zunächst vorgenommen. Dies kann wiederum, wie bereits zuvor beschrieben, aktiv und/oder passiv erfolgen. In Ergänzung dazu kann eine weitere Glättung der zwischen der sich schließenden Vorrichtung befindlichen Faserwerkstoffbahn durch Relativbewegung des Spannrahmens erfolgen. Dies wiederum durchaus bevorzugt in Abstimmung mit der jeweils aktiv oder passiv eingestellten Klemmkraft zwischen Zusatzsegment und korrespondierendem Werkzeug.
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Weiterhin wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt bei geschlossener Vorrichtung der überstehende Rand des hergestellten Werkstücks abgeschnitten, vorzugsweise werden die Ränder dabei während oder kurz nach vollständigem Absenken des Oberwerkzeugs abgeschnitten.
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Auch hier wiederum ergibt sich eine besonders hohe Maßhaltigkeit, insbesondere im Randbereich des herzustellenden Werkstücks, da das eigentliche Werkstück zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug eine hohe Maßhaltigkeit aufweist. Nach Formung des Werkstücks bzw. kurz vor Beendigung des Formvorgangs des Werkstückes werden die Randbereiche abgeschnitten, so dass der hierzu korrespondierende Rand mit dem Werkstück selber eine gute Maßhaltigkeit aufweist. Dies ist insbesondere wichtig bei der Weiterverarbeitung des hergestellten Werkstückes, beispielsweise bei Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen oder aber Strukturbauteilen, für die Anbindung zu anderen umliegenden Bauteilen der Karosserie oder aber zur Herstellung von Spaltmaßen mit hoher Genauigkeit.
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Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kraftfahrzeugbauteil hergestellt, bevorzugt eine Kraftfahrzeugsäule, insbesondere eine B-Säule eines Kraftfahrzeugs. Das Zusammenspiel aus den einzelnen Ausführungsoptionen jeweils beliebig untereinander kombiniert, insbesondere die Straffungsmöglichkeiten bzw. Glättungsmöglichkeiten während des Schließens des Umformwerkzeugs wirken sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere positiv auf ein längliches Kraftfahrzeugbauteil, beispielsweise eine B-Säule oder aber einen Dachholm, aus. Es können im Rahmen der Erfindung jedoch auch flächige Kraftfahrzeugbauteile, beispielsweise eine Dachhaut oder aber eine Türaußenhaut oder Motorhaube, hergestellt werden.
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Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei den einzelnen Faserlagen um Gewebe oder Gelege. Hierbei können alle prinzipiell möglichen Fasermaterialen, beispielsweise Glas, Kohlenstoff, Aramid zum Einsatz kommen. Die einzelnen Rovings weisen dabei eine Stärke von 3 K bis 24 K auf. Die Dicke der Faserlagenmaterialstapel bewegt sich je nach Anzahl der Lagen in der Größenordnung von bis zu wenigen Millimetern.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im geöffneten Zustand;
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in teilgeöffnetem Zustand;
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in geschlossenem Zustand;
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4a) und 4b) eine Vorrichtung zur Herstellung einer B-Säule;
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5a) und 5b) ein Faserwerkstoffbahnstapel und
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6 einen erfindungsgemäßen Faserlagenstapel mit sieben Faserlagen.
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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 eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes aufweisend ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3. Zwischen dem Oberwerkzeug 2 und dem Unterwerkzeug 3 ist eine Faserwerkstoffbahn 4 angeordnet. Das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 weisen zur Innenseite gerichtet hin jeweils eine Basisplatte 5 auf. Das Unterwerkzeug 3 weist weiterhin zwei Zusatzsegmente 6 auf, die federnd in dem Unterwerkzeug 3 gelagert sind und die Basisplatte 5 in einer jeweiligen Öffnung 7 durchgreifen. Die Zusatzsegmente 6 sind über ein Federelement 8 gelagert und eine Oberfläche des jeweiligen Zusatzsegmentes 6 ist gegenüber der Basisplatte 5 hervorstehend. Die versenkbare Lagerung des Zusatzelements 6 ist jeweils in eine Mulde 10 des Unterwerkzeugs 3 ausführbar. Oberfläche des selber des Zusatzsegments 6 weist dabei eine federungsspezifische Oberflächenrauigkeit auf. Hier kann im Rahmen der Erfindung auch eine nicht näher dargestellte Beschichtung oder ähnliches aufgebracht sein.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einem teilgeschlossenen Zustand. Hierbei wurde das Oberwerkzeug 2 abgesenkt, so dass es zu einem Kontakt bzw. zu einer Klemmung 11 zwischen Faserwerkstoffbahn 4 und Zusatzsegment 6 sowie zwischen Faserwerkstoffbahn 4 dem gegenüberliegenden Bereich 12 des Oberwerkzeugs 2. In der Folge ergibt sich eine Klemmkraft K, die sich über den Haftkoeffizienten als Zugkraft Z auf die Faserwerkstoffbahn 4 auswirkt. Im Folgenden wird im mittleren Bereich 13, der durch einen hohen Umformgrad geprägt ist, eine Straffung hergestellt. Dabei kommt es zu einem Durchrutschen bzw. zu einem Schlupf im Bereich der Klemmung 11, so dass keine Lochbildung oder Rissbildung erfolgt. Zusätzlich ist in 2 ein Spannrahmen S eingezeichnet. Über den Spannrahmen S ist die Faserwerkstoffbahn 4 sowohl in Relativrichtung RW des Werkzeuges als auch in Relativrichtung R90° beweglich.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bei vollständig geschlossenem Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3. Das Faserverbundwerkstück 14 ist dabei vollständig umgeformt. Die Ränder 15 werden durch eine Beschneideeinrichtung 16 abgetrennt. Die Zusatzsegmente 6 sind nahezu vollständig in die Mulden 10 versenkt, so dass zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 ein Formhohlraum 17 gebildet ist, durch welchen die Formgebung des Faserverbundwerkstückes 14 bewerkstelligt wurde. Der Formhohlraum 17 wird auch zwischen Zusatzsegment 6 und Oberwerkzeug 2 gebildet. Nicht näher dargestellt kann im Rahmen der Erfindung die Höhe des Formhohlraums 17 variieren.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Kraftfahrzeug-B-Säule. Die Zusatzsegmente 6 sind hier jeweils versenkbar in der Basisplatte 5 des Unterwerkzeugs 3 angeordnet. 4a zeigt die Zusatzsegmente im Ausgangszustand vor der Umformung und 4b nach der Umformung, wobei das Einfahren durch das Oberwerkzeug, welches hier nicht näher dargestellt ist, realisiert wurde.
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5 zeigt einen Faserwerkstoffbahnstapel bestehend aus einer oberen Faserwerkstoffbahn 18, einer mittleren Faserwerkstoffbahn 19 und einer unteren Faserwerkstoffbahn 20. In 5a ist die mittlere Faserwerkstoffbahn 19 aufgrund des Umformvorgangs oder aber bereits vor dem Umformvorgang durch eine Wellenbildung geprägt. Hierbei kommt es zu Hohlräumen 21 sowohl zwischen der oberen Faserwerkstoffbahn 18 und der mittleren Faserwerkstoffbahn 19 sowie der mittleren Faserwerkstoffbahn 19 und der unteren Faserwerkstoffbahn 20. Aufgrund der Zugkrafteinwirkung erfolgt eine relative Glättung, dargestellt in 5b, so dass alle Faserwerkstoffbahnen 18, 19, 20 annähernd parallel orientiert verlaufen. In der Folge ergibt sich ein Werkstoff mit hoher Produktionsgenauigkeit bei gleichzeitig geringer Fehlstellenbildung.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau von mehreren Faserwerkstoffbahnen. Hierbei ist eine erste Lage L1 in einer Faserrichtung von plus 45° orientiert ausgerichtet. Eine zweite Lage L2 ist mit einer Faserrichtung von minus 45° orientiert ausgerichtet. Lage drei bis Lage fünf L3, L4, L5 haben jeweils eine 0° Orientierung der Faserrichtung. Die Lage sechs L6 weist wiederum eine minus 45° orientierte Faserrichtung auf. Und die Lage sieben L7 weist wiederum eine plus 45° orientierte Faserrichtung auf. Zwischen den einzelnen Lagen L1 bis L7 wird zumindest abschnittsweise ein Binder aufgetragen, so dass diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Preform umgeformt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Oberwerkzeug
- 3
- Unterwerkzeug
- 4
- Faserwerkstoffbahn
- 5
- Basisplatte
- 6
- Zusatzsegment
- 7
- Öffnung
- 8
- Federelement
- 10
- Mulde
- 11
- Klemmung
- 12
- Bereich zu 2
- 13
- mittlerer Bereich
- 14
- Faserverbundwerkstück
- 15
- Ränder zu 14
- 16
- Beschneideeinrichtung
- 17
- Formhohlraum
- 18
- obere Faserwerkstoffbahn
- 19
- mittlere Faserwerkstoffbahn
- 20
- untere Faserwerkstoffbahn
- 21
- Hohlraum
- K
- Klemmkraft
- Z
- Zugkraft
- S
- Spannrahmen
- RW
- Relativrichtung
- R90°
- Relativbewegung
- L1
- Lage
- L2
- Lage
- L3
- Lage
- L4
- Lage
- L5
- Lage
- L6
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