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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Durch die Druckschrift
WO 2009/115736 A2 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung eines gekrümmten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Das zu krümmende Bauteil befindet sich an einem Stützelement aus Silikon. Beide werden an eine die Krümmung aufweisende beheizte Metallform abgeformt. Dazu wird das Stützelement mit dem Bauteil kontinuierlich auf die Metallform aufgebracht, so dass das Bauteil die der Metallform äquivalente Krümmung erhält. Die Abformung ist von der Zufuhr des Stützelements und deren Halt auf der Metallform abhängig. Stauchungen oder Dehnungen des Bauteils sind durch das flexible Stützelement nicht auszuschließen.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2008 028 865 A1 ist ein Profilvorformling zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils, sowie die Herstellung und Verwendung von derartigen Profilvorformlingen bekannt. Der Profilvorformling ist dabei entsprechend einer gewünschten Krümmung und/oder Torsion des herzustellenden Profilbauteils krümmbar oder tordierbar. Dazu besitzt der Profilvorformling einen entlang einer Richtung x langgestreckten Formkern, der aus einem flexiblen Werkstoff wie zum Beispiel Silikon oder Schaumwerkstoff gefertigt ist. Unter dem Begriff Formkern sollen dabei auch von dem Fasermaterial-Halbzeug umgebene Strukturen fallen. Der Formkern kann auch eine aus mehreren Teilen gebildete Struktur darstellen. Der Profilvorformling bestimmt dabei die Form des herzustellenden Fasermaterial-Halbzeugs. Eine Veränderung der Geometrie des Profilvorformling mit dem Fasermaterial-Halbzeug ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
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Die Druckschrift
DE 600 00 593 T2 beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Elementes aus synthetischem Verbundwerkstoff für eine Kraftfahrzeugkarosserie. Zur Herstellung kommt dabei im Wesentlichen eine Schablone zur Anwendung, die eine Anordnung von nebeneinander liegenden parallelen Lamellen aufweist sowie wenigstens eine in Querrichtung gleitende Lamelle auf denen die Ausgangsplatte zur Ausbildung des Elementes eingespannt wird. Das zu fertigende Element wird dabei durch eine Mehrzahl von Spannbügeln auf der Schablone fixiert. Die gleitenden Lamellen sind an Druckzylinder gekoppelt, so dass bei einer translatorischen Bewegung das Element entsprechend der Bewegung der gleitenden Lamellen verformt wird. Neutrale Fasern des Elements werden dabei nicht berücksichtigt. Stauchungen und Dehnungen sind nicht auszuschließen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gekrümmte Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff einfach herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Bauteile einfach und ohne eine Faserverwerfung und/oder Stauchung herstellbar sind. Dazu umfasst die Einrichtung
- – einen langgestreckten elastischen Träger mit einem die neutrale Faser wenigstens eines bahnenförmigen und aus dem Faserverbundwerkstoff bestehenden Halbzeugs bestimmenden biegeelastischen Anker im Träger und einer Vertiefung für das Halbzeug,
- – eine die Vertiefung des Trägers überdeckende elastische Deckplatte,
- – eine an die Vertiefung des Trägers über wenigstens einen Durchbruch im Träger gekoppelte und einen Unterdruck erzeugenden Einrichtung, so dass die Deckplatte und damit auch das Halbzeug fixierbar sind,
- – wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb zur Krümmung des Trägers mit dem Halbzeug und
- – einen Grundkörper für den Träger, den Antrieb und mehrere beabstandet zueinander auf dem Grundkörper angeordnete Anschläge, wobei die Anschläge in verschiedenen Positionen korrespondierend zum Träger positionier- und feststellbar sind.
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Zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ist dabei ein Verbund in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger angeordnet, wobei der oder die Faserwinkel des Halbzeugs gegenüber der Längsachse des Trägers verschieden Null ist oder sind und die ungehärteten Halbzeuge als endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit parallel und gerade verlaufenden Fasern ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie erhalten.
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Damit sind vorteilhafterweise Bauteile als gekrümmte Profile mit profilfolgenden Faserkoordinaten reproduzierbar herstellbar. Das Halbzeug ist flächig auf den Träger so aufgebracht, dass die Fasern einen Winkel verschieden Null gegenüber der Längsachse des Trägers einschließen.
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Der biegeelastische Anker bestimmt die neutrale Faser des Trägers und damit die des Halbzeugs. Der biegeelastische Anker ist günstigerweise ein biegeelastischer Stahlanker. Die Position des biegeelastischen Ankers wird so gewählt, dass keine Verwerfungen während des Verformens auftreten. Die Lageveränderung der Fasern zueinander erfolgt so, dass keine Überkreuzung der Fasern stattfindet. Die Fasern werden beim Biegen aufgefächert.
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Der Träger weist die Vertiefung für das Halbzeug auf, die mit der elastischen Deckplatte überdeckt ist. Wenigstens eine der Kanten der Vertiefung wirkt während der Deformation vorteilhafterweise als Anschlag des Halbzeugs. Die Deckplatte stellt eine Druckplatte dar, so dass vorteilhafterweise Verwerfungen während des Biegevorgangs vermieden werden.
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Weiterhin ist die Vertiefung oder der Träger vorteilhafterweise über wenigstens einen Durchbruch im Träger an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung gekoppelt, so dass die Deckplatte und damit auch das Halbzeug fixierbar sind.
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Darüber hinaus sind die Anschläge beabstandet zueinander auf dem Grundkörper angeordnet und in verschiedenen Positionen korrespondierend zum Träger positionier- und feststellbar. Damit können leicht unterschiedlich gekrümmte Bauteile realisiert werden. Darüber hinaus sind auch Bauteile mit mehreren Krümmungen leicht herstellbar.
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Zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ist ein Verbund in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger angeordnet. Der Verbund stellt wiederum ein Halbzeug dar. Dabei ist der Faserwinkel oder sind die Faserwinkel gegenüber der Längsachse des Trägers verschieden Null. Die ungehärteten Halbzeuge als endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit parallel und gerade verlaufenden Fasern erhalten ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie.
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Der Verbund ist flächig auf den Träger so aufgebracht, dass die Fasern beispielsweise einen Winkel zwischen jeweils +/–45°, +/–30°, 30°/90°, 45°/90° gegenüber der Längsrichtung einschließen. Der Träger wird zur Erzielung der Krümmung mittels des translatorisch wirkenden Antriebs bewegt. Dazu kann auch der wenigstens eine Anschlag mit eingesetzt werden. Der Anschlag und der Träger mit den flächig aufgebrachten Halbzeugen sind in einer Ebene angeordnet, so dass bei einer Bewegung des Trägers zu dem Anschlag die Halbzeuge über ihre Breite einschließlich des Trägers beispielsweise zu einem Teilring geformt werden. Die Breite des Teilrings entspricht dabei im Wesentlichen der Breite der Halbzeuge. Die neutrale Faser des Trägers und damit der Halbzeuge wird so gewählt, dass keine Verwerfungen während des Verformens auftreten. Die Lageveränderung der Fasern zueinander erfolgt so, dass keine Überkreuzung der Fasern stattfindet. Die Fasern werden aufgefächert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 sind entweder Antriebe an die Enden oder die Endenbereiche des Trägers oder es sind beabstandet angeordnete Antriebe an den Träger oder den biegeelastischen Anker angekoppelt. Dadurch können auch Bauteile unterschiedlicher Krümmung leicht realisiert werden.
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Günstigerweise ist der translatorisch wirkende Antrieb nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein Schubmotor oder ein rotatorischer Antrieb mit einem Getriebe zur Umwandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung. Der Schubmotor ist ein bekannter Hydromotor in Form eines einfach (Plangerzylinder) oder doppelt (Differentialzylinder) wirkenden Zylinders.
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Die Position des biegeelastischen Ankers ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 im Träger veränderbar, so dass die neutrale Faser des Halbzeugs auf dem Träger einstellbar ist. Damit kann die neutrale Faser des Trägers und damit die des Halbzeugs leicht an die jeweiligen zu erzielenden Krümmungen angepasst werden. Beispielsweise besitzt der Träger dazu den biegeelastischen Anker aufnehmende Nuten, die bei Nichtbedarf mit die Nuten füllenden Körpern bestehend aus dem Material des Trägers befüllt sein können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen Träger mit einem Anker vor und nach der Biegung,
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2 einen Träger mit einer Vertiefung für das Halbzeug und einer Deckplatte als Bestandteile einer Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer Schnittdarstellung und
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3 eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer Draufsicht.
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Eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff besteht im Wesentlichen aus einem elastischen Träger 1 für wenigstens ein Halbzeug 2, einem Grundkörper 8, Anschlägen 9 und translatorisch wirkenden Antrieben 7.
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Die 1 zeigt einen Träger 1 mit einem Anker 3 vor und nach der Biegung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Träger 1 ist ein langgestreckter elastischer Träger 1 für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug 2 aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers 1 Winkel verschieden Null einschließen. Der Träger 1 besteht dazu aus einem Kunststoff beispielsweise Silikon. Im Träger 1 befindet sich ein biegeelastischer Anker 3 für die neutrale Faser des Halbzeugs 2. Der Anker 3 ist dazu insbesondere ein biegeelastischer Stahlanker 3.
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Der Träger 1 weist eine Vertiefung 5 für das Halbzeug 2 auf. Auf dem Träger 1 mit dem Halbzeug 2 befindet sich eine die Vertiefung 5 überdeckende elastische Deckplatte 6.
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Die 2 zeigt einen Träger 1 mit einer Vertiefung 5 für das Halbzeug 2 und einer Deckplatte 6 als Bestandteile einer Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Die Vertiefung 5 oder der Träger 1 ist über wenigstens einen Durchbruch des Trägers 1 an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung 4 gekoppelt, so dass das auf dem Träger 1 angeordnete Halbzeug 2 mittels der durch den wirkenden Luftdruck angepressten Deckplatte 6 fixierbar ist.
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Der elastische Träger 1 ist ein Bestandteil der Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Die 3 zeigt eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer prinzipiellen Draufsicht.
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Weitere Bestandteile sind translatorisch wirkende Antriebe 7 zur Krümmung des Trägers 1 mit dem Halbzeug 2 und der Grundkörper 8 für den Träger 1, die Antriebe 7 und die Anschläge 9.
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Zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ist ein Verbund als Halbzeug 2 in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen 2 jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger 1 angeordnet, wobei der oder die Faserwinkel des Halbzeugs 2 gegenüber der Längsachse des Trägers 1 verschieden Null ist oder sind. Die ungehärteten Halbzeuge 2 als endlosfaserverstärkte Halbzeuge 2 mit parallel und gerade verlaufenden Fasern erhalten ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie. Die Halbzeuge 2 sind zusammen als Verbund lösbar auf dem Träger 1 angeordnet, wozu der Träger 1 beispielsweise aus Silikon besteht, so dass der gekrümmte Verbund als Halbzeug 2 einfach wieder vom Träger 1 lösbar ist.
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Die Anschläge 9 sind beabstandet zueinander auf dem Grundkörper 8 in einer Bogenform angeordnet. Der Träger 1 und die Anschläge 9 befinden sich in einer Ebene auf dem Grundkörper 8. Zur Veränderung des Radius sind diese feststellbar geführt und korrespondierend zum Träger 1 auf dem Grundkörper 8 angeordnet.
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An die Enden des Trägers 1 greift jeweils ein translatorisch wirkender Antrieb 7 an, so dass der Träger 1 zu den Anschlägen 9 hin und von diesen weg bewegbar ist.
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Die translatorisch wirkenden Antriebe 7 sind jeweils bekannte Schubmotoren oder rotatorische Antriebe mit einem Getriebe zur Umwandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung.
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Nach dem Biegevorgang wird der Verbund als Halbzeug 2 vom Träger 1 gelöst und nachfolgend in einem geeigneten und bekannten Härtewerkzeug/Härteeinrichtung ausgehärtet.
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Der Träger 1 wird in seine gerade Ausgangsstellung zurückgefahren.
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Anstelle der Anschläge 9 können in einer weiteren Ausführungsform mehrere Antriebe 7 beabstandet zueinander an den Träger 1 oder den Anker 3 gekoppelt sein. Der Verfahrweg der Antriebe 7 bestimmt dabei die Krümmung des Trägers 1 und damit des Halbzeugs 2.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Aushärten wenigstens ein Bereich parallel zur Mittelachse des ungehärteten Halbzeugs 2 abgewinkelt, so dass eine L-, Z-, U- oder Omega-Form vorhanden ist. Das so behandelte Halbzeug 2 wird anschließend ausgehärtet und ist ein Spant.
