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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine Verwendung eines solchen Hohlkörpers.
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STAND DER TECHNIK
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Die Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers, insbesondere eines hohlen Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug ist aus der
WO 2009/68127 A1 prinzipiell bekannt. Dabei werden Endlos-Verstärkungsfasern auf eine dem späteren Hohlraum entsprechende verlorene Form aufgebracht und mit einem härtbaren Harz imprägniert. Danach wird das aufgebrachte Harz ausgehärtet und die verlorene Form aus dem fertigen Bauteil herausgelöst.
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Aus der
DE 31 06 273 A1 ist weiterhin ein Rohrkörper aus hybridfaserverstärktem Kunststoff bekannt, wobei auf einen runden Formkörper Bänder aus parallel liegenden Fasersträngen aufgelegt und mit Kunstharz getränkt sind.
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Zwar sind Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile also prinzipiell bekannt, dennoch fehlt es an einem Verfahren zur rationellen Herstellung schalenförmiger Hohlkörper.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine Verwendung dafür anzugeben. Insbesondere soll eine Möglichkeit für die rationelle Herstellung eines solchen Hohlkörpers mit gleicher oder sogar verbesserter Qualität im Vergleich zu nach bekannten Verfahren hergestellten Hohlkörpern geschaffen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem in einem ersten Schritt ein in sich geschlossener Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird und dieser in einem zweiten Schritt in mehrere, insbesondere in zwei, vier oder acht schalenförmige Hohlkörper getrennt wird.
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Vorteilhaft kann die Herstellung von halbschalenförmigen Hohlkörpern auf diese Weise sehr rationell erfolgen. Generell ist ein in sich geschlossener Hohlkörper leichter herzustellen als ein schalenförmiger Hohlkörper, da die Fasern im Bereich der Öffnung des schalenförmigen Hohlkörpers nicht besonders verlegt werden müssen. Stattdessen werden diese bei der Herstellung des in sich geschlossenen Hohlkörpers – anders als bei der einzelnen Anfertigung der halbschalenförmigen Hohlkörper – über die spätere Trennfläche hinweg verlegt. Deshalb ist auch die Orientierung der Fasern in dem schalenförmigen Hohlkörper besonders homogen. Schließlich werden in einem Arbeitsgang zur Herstellung eines in sich geschlossenen Hohlkörpers gleich mehrere schalenförmige Hohlkörper produziert, wodurch sich eine zusätzliche Steigerung der Produktivität ergibt. Schließlich fällt beim Trennen des in sich geschlossenen Hohlkörpers praktisch kein Verschnitt an, wohingegen bei Besäumen eines nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten schalenförmigen Hohlkörpers stets Materialverlust auftritt.
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Beispielsweise können die genannten faserverstärkten Hohlkörper unter Zuhilfenahme von „Rovings” und/oder „Prepregs” sowie unter Verwendung eines „Autoklaven” hergestellt werden.
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„Rovings” sind Bündel von unverdrehten, gestreckten Fasern, die in der Fertigung von Faserverbundwerkstoffen und besonders von Faser-Kunststoff-Verbunden eingesetzt werden. Rovings sind maschinell verarbeitbar und können somit in automatisierten Prozessen eingesetzt werden
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„Prepregs” sind vorimprägnierte Fasern, welche aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix bestehen. Prepregs sind maschinell verarbeitbar und können somit in automatisierten Prozessen eingesetzt werden
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Ein „Autoklav” ist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter für die Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. In diesen Autoklaven werden üblicherweise Drücke von bis zu 10 bar und Temperaturen von bis zu 400°C erzeugt, um die einzelnen Laminatschichten zu verpressen. Als Faserhalbzeuge werden häufig Prepregs verwendet.
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Die Erfindung wird auch durch eine Verwendung eines nach dem genannten Verfahren hergestellten schalenförmigen Hohlkörpers im Fahrzeugbau gelöst. Vorzugsweise wird der schalenförmige Hohlkörper als Chassis, als Karosserie, als Fahrgastzelle und/oder für Teile derselben verwendet.
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Auf diese Weise können Kraftfahrzeuge besonders kostengünstig und mit hoher Qualität hergestellt werden. Durch die hohen Anforderungen im Kraftfahrzeugbau an Qualität und Herstellungskosten tritt der Vorteil bei dieser Anwendung besonders hervor.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nun aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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Vorteilhaft ist es, wenn im ersten Schritt eine hohle Positivform mit einem Faserstrang und/oder Fasergeweben, Fasergeflechten, Fasergestricken oder Faservliesen umwickelt wird. Durch Verwendung der hohlen Positivform, welche im fertigen Werkstück verbleiben kann, kann die Erzeugung schalenförmiger Hohlkörper weiter vereinfacht werden.
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Besonders vorteilhaft erfolgt das Umwickeln in einer Wickelmaschine. Auf diese Weise kann die Herstellung schalenförmiger Hohlkörper automatisiert und damit noch rationeller und nach noch engeren Qualitätskriterien hergestellt werden. Die Verwendung einer Wickelmaschine zur Herstellung schalenförmiger Hohlkörper wird erst dadurch ermöglicht, dass diese über den Umweg eines in sich geschlossenen Hohlkörpers hergestellt werden. Der Vorteil der Erfindung tritt daher an dieser Stelle besonders hervor, beziehungsweise kann die Erfindung in diesem Zusammenhang auch darin gesehen werden, zu erkennen, dass die Herstellung schalenförmiger Hohlkörper über den Umweg eines in sich geschlossenen Hohlkörpers die Anwendung einer Wickelmaschine ermöglicht.
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Günstig ist es, wenn der faserverstärkte Kunststoff Glasfasern, Kevlarfasern, Aramidfasern, Carbonfasern, Pflanzenfasern, Gesteinsfasern, Fasern aus thermoplastischem Kunststoff oder Gemische derselben enthält. Auf diese Weise können die Eigenschaften des schalenförmigen Hohlkörpers gut an die Anforderungen an denselben angepasst werden.
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Günstig ist es, wenn die Positivform aus dünnwandigem und insbesondere thermoplastischem Kunststoff besteht. Bei dieser Variante kann der Positivkern besonders kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann der Positvikern faserverstärkt sein.
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Günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn eine Positivform im Rotationsgussverfahren hergestellt wird. Das „Rotationsgussformen” oder „Rotationsgussverfahren” ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, bei dem eine Schmelze, welche häufig aus einem aufgeschmolzenen, thermoplastischen Kunststoff besteht, in einem rotierenden Werkzeug an dessen Wandung erstarrt.
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Günstig ist es auch, wenn eine Positivform im Blasverfahren hergestellt wird. Das „Blasformen” oder „Blasverfahren” ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen. Dabei wird ein Schlauch aus heißem, formbaren Kunststoff als Vorformling extrudiert und durch Einblasen von Druckluft an die Innenflächen einer Form gepresst.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 die Schritte zur Herstellung eines schalenförmigen Hohlkörpers nach einer Verfahrensvariante;
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2 ein erstes Beispiel, wie die schalenförmigen Hohlkörper im Kraftfahrzeugbau verwendet werden können;
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3 ein zweites Beispiel, wie die schalenförmigen Hohlkörper im Kraftfahrzeugbau verwendet werden können;
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4 einen Schnitt durch eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs und
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5 eine Seitenansicht noch einer Variante eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt die Schritte eines beispielhaften Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines halbschalenförmigen Hohlkörpers 5 aus faserverstärktem Kunststoff. Dabei wird in einem ersten Schritt ein in sich geschlossener Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff 4 hergestellt und dieser in einem zweiten Schritt in mehrere halbschalenförmige Hohlkörper 5 getrennt.
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In einer Variante wird der in sich geschlossene Hohlkörper 4 im Negativverfahren hergestellt. Dazu wird so wie in 1 dargestellt eine Positivform 1 bereitgestellt (linkes Bild) und diese in eine Wickelmaschine 2 eingespannt und mit einem Faserstrang 3 umwickelt (zweites Bild von links). Der Faserstrang 3 kann unimprägniert sein (Roving) oder mit einer Kunststoffmatrix imprägniert sein (Prepreg). Zudem kann der Faserstrang 3 auch Fasern aus thermoplastischem Kunststoff enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Positivform 1 auch mit Fasergeflechten, Fasergeweben, Fasergestricken oder Faservliesen belegt werden. Die Fasern können beispielsweise Glasfasern, Kevlarfasern, Aramidfasern, Carbonfasern, Pflanzenfasern, Gesteinsfasern, Fasern aus thermoplastischem Kunststoff oder Gemische derselben enthalten. Die Positivform selbst kann aus dünnwandigem und insbesondere thermoplastischem Kunststoff bestehen und beispielsweise im Rotationsgussverfahren oder Blasverfahren hergestellt sein.
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Nach dem Umwickeln wird der in sich geschlossene Hohlkörper 4 fertiggestellt, in dem er mit Harz imprägniert wird (wenn Rovings verwendet werden), oder direkt im Autoklaven ausgehärtet wird (wenn Prepregs oder thermoplastische Fasern verwendet werden). Der so entstandene Hohlkörper ist im dritten Bild von links dargestellt.
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In einem weiteren Schritt wird der in sich geschlossene Hohlkörper 4 in mehrere (hier konkret in zwei) halbschalenförmige Hohlkörper 5 getrennt (rechtes Bild). Vorteilhaft kann die Herstellung von halbschalenförmigen Hohlkörpern 5 auf diese Weise sehr rationell erfolgen, da das Umwickeln der Positivform 1 wie dargestellt in einer Wickelmaschine 2 und somit automatisiert geschehen kann. Zudem ist die Orientierung der Fasern im Hohlkörper 5 sehr homogen, da diese bei der Herstellung des in sich geschlossenen Hohlkörpers 4 – anders als bei der einzelnen Anfertigung der halbschalenförmigen Hohlkörper 5 – über die spätere Trennfläche hinweg verlegt werden.
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Der so entstandene halbschalenförmige Hohlkörper 5 wird vorteilhaft im Fahrzeugbau eingesetzt. Die 2 zeigt dazu ein Beispiel, bei dem ein halbschalenförmige Hohlkörper als Chassis 7 und ein anderer halbschalenförmiger Hohlkörper als Karosserie 8 eines Kraftfahrzeugs 6a verwendet wird.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 6b, welches dem Kraftfahrzeug 6a in der Form gleicht. Allerdings besteht das Chassis in diesem Fall aus zwei schalenförmigen Hohlkörpern 7a und 7b, welche wie zuvor beschrieben aus in sich geschlossenen Hohlkörpern geschnitten sind. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Beispielen wird ein sich geschlossener Hohlkörper hier in je vier Teile geteilt, sodass aus einem in sich geschlossenen Hohlkörper vier Teile 7a, aus einem anderen vier Teile 7b geschnitten werden. Diese Vorgangsweise ist zum Beispiel dann von Vorteil, wenn die Fasern im Teil 7a anders orientiert sein sollen als im Teil 7b. Die schalenförmigen Hohlkörper 8a und 8b, welche einen Teil der Karosserie des Kraftfahrzeugs 6b bilden, sind auf dieselbe Weise hergestellt. Lediglich der Mittelteil 9 ist nicht aus einem ursprünglich in sich geschlossenen Hohlkörper geschnitten.
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4 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Fahrzeug 6c, das eine Fahrgastzelle umfasst, welche ein Unterteil und ein Oberteil aufweist. Das Unterteil umfasst eine Positivform 1a, welche beispielsweise wie in 1 dargestellt mit einer Außenhülle 10a aus faserverstärktem Kunststoff umhüllt wurde. Analog umfasst das Oberteil eine Positivform 1b, welche beispielsweise wie in 1 dargestellt mit einer Außenhülle 10b aus faserverstärktem Kunststoff umhüllt wurde.
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Auf der Innenseite umfassen die Positivformen 1a, 1b in diesem Beispiel Funktionsbauteile, konkret ein Armaturenbrett 11a, eine Halterung 11b für einen Sitz, sowie Armauflagen 11c. Vorteilhaft kann eine Fahrgastzelle auf diese Weise besonders rationell hergestellt werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, Funktionsbauteile nachträglich in die Fahrgastzelle einzubauen. Insbesondere sind auch Mischformen von in der Positivform 1a, 1b integrierten Funktionsbauteilen 11a...11c und nachträglich eingebauten Funktionsbauteilen möglich.
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Vorteilhaft weisen die Positivformen 1a, 1b wie im vorliegenden Beispiel eine im Wesentlichen geschlossene äußere Oberflache auf, sodass diese leicht in einen faserverstärkten Kunststoff eingehüllt werden kann. Kleinere Öffnungen können aber problemlos überbrückt werden.
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Im vorliegenden Beispiel ist die Fahrgastzelle fensterlos ausgeführt und umfasst außenseitige Kameras 12a, 12b, welche zu Übertragung eines Bild der Umgebung der Fahrgastzelle 1a auf einen oder mehrere Bildschirme 13, welche im Inneren der Fahrgastzelle angeordnet sind, vorgesehen ist. Die Fahrgastzelle ist somit besonders steif, was insbesondere auch durch deren Ei-Form begünstigt ist, die entlang ihrer Längsachse besonders stabil ist, wodurch die bei Auffahrunfällen auftretenden Kräfte gut abgeführt werden können.
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An die Fahrgastzelle sind schließlich Anbauteile 14 und 15 montiert, welche Teile des Fahrwerks und auch des Antriebs enthalten. Vorteilhaft wird die Fahrgastzelle durch diese Anbauteile 14 und 15 nicht unterbrochen, wodurch die Schutzfunktion Fahrgastzelle erhalten bleibt.
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5 zeigt nun ein Fahrzeug 6d in Seitenansicht, welches dem Fahrzeug 6c aus der 4 sehr ähnlich ist. Im Unterschied dazu umfasst die Fahrgastzelle des Fahrzeugs 6d aber Fenster 16a...16c. Die Kameras 12a und 12b und Bildschirme können daher entfallen, sind aber in diesem Ausführungsbeispiel weiterhin enthalten, um zusätzliche Sicherheit zu bieten. Beispielsweise könnten die Kameras 12a, 12b die Umgebung im Infrarotbereich erfassen oder besonders lichtempfindlich sein, um die Sicht in der Nacht zu verbessern. Des Weiteren ist in der 2 auch eine Einstiegstür 17 dargestellt.
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Beispielsweise kann die Tür 17 und/oder weitere Deckel aus der fertigen Fahrgastzelle heraus getrennt und danach beweglich mit der Fahrgastzelle verbunden werden. Das Trennen kann dabei beispielsweise mit Hilfe eines Fräsers, eines Laserschneidverfahrens oder eines Wasserstrahlschneidverfahrens erfolgen.
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Abweichend von dem dargestellten Beispiel kann die Trennebene zwischen den beiden Hälften der Fahrgastzelle auch vertikal verlaufen, sodass die Fahrgastzelle aus einer linken und einer rechten Hälfte hergestellt wird. Selbstverständlich kann die Fahrgastzelle auch aus mehr, beispielsweise vier Teilen zusammengesetzt werden.
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Die gezeigten Beispiele sollen die Erfindung selbstverständlich nur illustrieren und stellen nur einen Auszug aus den vielen Möglichkeiten dar. Selbstverständlich wird die äußere Form eines Kraftfahrzeugs 6a und 6b in der Praxis runder sein, als dies aus Gründen der Einfachheit in den Figuren dargestellt wurde. Die Außenhaut des Kraftfahrzeugs kann sogar Ei-förmig oder in Form eines Ellipsoids gestaltet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass in dem Chassis 7...7b beziehungsweise in der Karosserie 8...8b, 9 Ausschnitte angefertigt werden, beispielsweise zur Aufnahme einer Fahrzeugverglasung. Denkbar ist natürlich auch, dass die schalenförmigen Hohlkörper anderswo im Automobilbau eingesetzt werden, beispielsweise als Verkleidung oder ähnliches. Möglich ist es auch, nicht nur zwei oder vier, sondern auch mehr, insbesondere acht, schalenförmige Hohlkörper aus einem in sich geschlossenen Hohlkörper zu schneiden. Auf diese Weise ist das Herstellungsverfahren besonders rationell, da mit einem Wickelvorgang eines in sich geschlossenen Hohlkörpers gleich acht schalenförmige Hohlkörper hergestellt werden.
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Abschließend wird festgehalten, dass die Bestandteile der Figuren ggf. nicht maßstabsgetreu dargestellt sind und dass die einzelnen in den Figuren dargestellten Varianten auch den Gegenstand einer unabhängigen Erfindung bilden können. Lageangaben wie „rechts”, „links”, „oben”, „unten” und dergleichen beziehen sich auf die dargestellte Lage des jeweiligen Bauteils und sind bei Änderung der genannten Lage gedanklich entsprechend anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/68127 A1 [0002]
- DE 3106273 A1 [0003]
