DE102012002841A1

DE102012002841A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs aus faserverstärktem Verbundkunststoff

Info

Publication number: DE102012002841A1
Application number: DE201210002841
Authority: DE
Inventors: Joachim Renner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-02-11
Filing date: 2012-02-11
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs (1) aus faserverstärktem Verbundkunststoff, bereit, sowei das Rohr (1) selbst. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Bereitstellen einer Schraubenfeder (2) mit einer für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Länge, – Formen der Schraubenfeder (2) entsprechend einem für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Verlauf, – Umwickeln der geformten Schraubenfeder (2) mit einem Verstärkungsfasermaterial (3) entsprechend einer für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Wandstärke, und Imprägnieren mit einer aushärtbaren Harzmatrix, – Aushärten der Harzmatrix unter Bildung des Verbundkunststoffs und Erhalten des gekrümmten Rohrs (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs aus faserverstärktem Verbundkunststoff, das gekrümmte Rohr selbst und eine Vorrichtung zum Herstellen des gekrümmten Rohrs.
Rohre aus faserverstärktem Verbundkunststoff werden im Kraftfahrzeugbau zur Substitution von Metallrohren eingesetzt. Während sich FVK-Rohre mit thermoplastischer Matrix biegen lassen, um einen bestimmten Rohrverlauf zu erzielen, können duroplastische FVK-Rohre nach der Herstellung nicht mehr verformt werden. Werden duroplastische FVK-Rohre eingesetzt, so ist es zum Erreichen eines gekrümmten Verlaufs erforderlich, geradlinige Rohrstücke mit Knotenelementen zu verbinden, die den vorgesehenen gekrümmten Verlauf bereitstellen. Die Herstellung eines bereits gekrümmten FVK-Rohrs ist bislang lediglich für einfache Verlaufsformen mit wenigen Krümmungsänderungen oder nur in äußerst aufwändigen und kostenintensiven Herstellungsverfahren möglich.
Die DE 195 12 525 C1 beschreibt die Herstellung eines rohrförmigen Bauteils aus einem Faserverbundmaterial, welches einen Innenmantel oder Außenmantel aus einem flexiblen Gliederschlauch umfasst, der mit dem Faserverbundmaterial formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist. Die Herstellung des rohrförmigen Bauteils umfasst den Zuschnitt einzelner Prepregs entsprechend der zu verstärkenden Rohrlänge und die Verklebung der Prepreg-Zuschnitte zu einer Bahn. Die Prepreg-Bahn wird auf einem Dorn zu einem Prepreg-Rohr gewickelt, das von dem Dorn abgezogen wird und in das Innere des Gliederschlauchs eingeführt wird. Hiernach folgt das aufwändige Vakuumverpacken des Gliederschlauchs mit dem innenliegenden Prepreg-Rohr und das Evakuieren der Vakuumverpackung, wobei der Gliederschlauch mit dem innenliegenden Prepreg-Rohr in der evakuierten Vakuumverpackung zur Erreichung einer vorgegebenen Kontur verformt wird, ehe das Prepreg-Rohr expandiert und ausgehärtet wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines Rohres aus faserverstärktem Verbundkunststoff mit beliebiger Geometrie einfach, schnell und damit preisgünstig sowie zugleich präzise und damit geeignet zur Großserienfertigung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe der Schaffung eines Rohres aus faserverstärktem Verbundkunststoff mit beliebiger Geometrie wird durch das Rohr mit den Merkmalen des Anspruchs 8 offenbart.
Ferner wird die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zu schaffen, durch das Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Rohre beliebiger Geometrie aus faserverstärktem Verbundkunststoff schnell und zugleich präzise hergestellt werden. Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs aus faserverstärktem Verbundkunststoff umfasst die Schritte:

– Bereitstellen einer Schraubenfeder mit einer für das FVK-Rohr vorgesehenen Länge,
– Formen der Schraubenfeder entsprechend einem für das FVK-Rohr vorgesehenen Verlauf,
– Umwickeln der geformten Schraubenfeder mit einem Verstärkungsfasermaterial entsprechend einer für das FVK-Rohr vorgesehenen Wandstärke, das mit einer aushärtbaren Harzmatrix imprägniert wird,
– Aushärten der Harzmatrix unter Bildung des Verbundkunststoffs und Erhalten des gekrümmten Rohrs.

So erübrigt sich ein aufwändiges Vakuumverfahren mit der dafür erforderlichen Vakuumverpackung und es können vorteilhaft FVK-Rohre durch das einfache und schnelle Herstellungsverfahren preisgünstig und in Großserie hergestellt werden.
Das Imprägnieren des Verstärkungsfasermaterials mit der aushärtbaren Harzmatrix kann dabei vor und/oder nach dem Umwickeln der geformten Schraubenfeder erfolgen.
Insbesondere kann das Imprägnieren des Verstärkungsfasermaterials mit der aushärtbaren Harzmatrix nach Durchführung der Schritte erfolgen:

– Erhitzen des um die Schraubenfeder gewickelten Verstärkungsfasermaterials, das ein trockenes Verstärkungsfasermaterial wie beispielsweise ein thermisch aktivierbares Bindemittel ist, und
– abkühlen Lassen unter Ausbildung eines Preforms,

Dabei kann die Schraubenfeder einen Durchmesser entsprechend einem für das Rohr vorgesehenen Innendurchmesser aufweisen. Ferner kann die Schraubenfeder eine Federkonstante haben, die das Verformen entsprechend dem für das FVK-Rohr vorgesehenen Verlauf gestattet, und die Schraubenfeder kann bevorzugt aus einem Draht gebildet sein.
Das Entfernen der Schraubenfeder kann leicht durch Herausziehen des Drahts, der die Schraubenfeder bildet, aus dem Rohr erfolgen.
Die Schraubenfeder wird etwa entsprechend des für das FVK-Rohr vorgesehenen Verlaufes durch Verlegen der Schraubenfeder in einem Werkzeug mit einer oder mehreren Haltevorrichtungen geformt und sie verbleibt mit der Umwicklung aus dem Verstärkungsfasermaterial in dem Werkzeug, bis die Harzmatrix ausgehärtet ist.
Das Verstärkungsfasermaterial kann ein Laminat mit Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Polymer, bevorzugt Aramid, Metall, Keramik und/oder Naturfasern sein; die Harzmatrix ist vorteilhaft eine duroplastische Harzmatrix.
So ergibt sich durch das erfindungegemäße Verfahren ein gekrümmtes Rohr aus faserverstärktem Verbundkunststoff mit duroplatischer Harzmatrix.
Um das Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs aus faserverstärktem Verbundkunststoff auszuführen, eignet sich besonders eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Schraubenfeder mit einer für das FVK-Rohr vorgesehenen Länge und ein Werkzeug umfasst, das zumindest eine Haltevorrichtung aufweist, die zur Aufnahme der Schraubenfeder ausgebildet ist und eine Formgebung für den gekrümmten Verlauf des herzustellenden Rohrs bildet.
Das Werkzeug der Vorrichtung umfasst mehrere Haltevorrichtungen, die geradlinige Aufnahmeabschnitte aufweisen und die versetzt zueinander entsprechend dem für das Rohr vorgesehenen gekrümmten Verlauf angeordnet sind. Dabei können die Aufnahmeabschnitte der Haltevorrichtungen unterschiedliche Längen, Höhen und/oder Neigungen aufweisen. Die Haltevorrichtungen können ferner bevorzugt variabel auf Grundplatten angeordnet sein, so dass Werkzeuge mit unterschiedlichen Verläufen zur Herstellung von unterschiedlich gekrümmten Rohren darstellbar sind, wobei die Grundplatten bevorzugt auf einer Basis ebenfalls variabel angeordnet werden können.
Die vorstehenden und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem besseren Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht des in einer Formgebungsvorrichtung gehaltenen FVK-Rohrs,
2 eine schematische Abfolge der Verfahrensschritte.
Die Erfindung bezieht sich auf die einfache und schnelle Herstellung eines gekrümmten FVK-Rohrs mit präzisen Abmessungen. Eine Schraubenfeder mit geeigneter Länge und geeigneter Federkonstante wird mit einem Verstärkungsfasermaterial wie einem Laminat in passender Wandstärke umwickelt. Hierfür können eine oder mehrere Materiallagen erforderlich sein. Die Wicklungswinkel können von Lage zu Lage variieren.
Vor dem Umwickeln wird die Schraubenfeder, unter Zuhilfenahme einer formgebenden Vorrichtung wie in 1 abgebildet, entsprechend dem für das Rohr 1 vorgesehenen Verkauf geformt. Ist die Feder komplett mit Verstärkungsfasermaterial umwickelt, wird dieses Konstrukt bis zur kompletten Aushärtung in Zwangslage innerhalb der Vorrichtung belassen. Die Feder kann im ausgehärteten Rohr verbleiben oder als Draht herausgezogen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für Rohre aus faserverstärktem Kunststoff können diese in Großserie gefertigt werden.
2 zeigt die erfindungsgemäßen Schritte. Zunächst wird eine Schraubenfeder 2, die hier aus einem Draht gebildet ist, hergenommen und dann entsprechend dem für das herzustellende Rohr vorgesehenen Verlauf verformt. Hierfür kann das in 1 skizzierte Werkzeug 10 verwendet werden. Hier wird die Schraubenfeder 2 durch Einlegen in die Aufnahmen der Haltevorrichtungen 5 entsprechend dem gewünschten Verlauf des herzustellenden Rohres 1 verlegt. Alternativ zu dem dargestellten Werkzeug 10 können aber auch Haltevorrichtungen, die an Roboterarmen angeordnet sind, verwendet werden.
Ist die Schraubenfeder 2 entsprechend dem Rohrverlauf verlegt, wird sie mit einem nassen oder trockenen Fasermaterial, respektive Laminat 3, umwickelt, d. h., das verwendete Fasermaterial 3 kann vor dem Wickelprozess bereits mit der aushärtbaren Harzmatrix imprägniert sein oder erst nach erfolgter Wicklung damit getränkt werden.
Die mit dem Fasermaterial 3 umwickelte Schraubenfeder 2 verbleibt in dem Werkzeug 10, bis die Harzmatrix ausgehärtet ist und dabei das fertige FVK-Rohr 1 erhalten wird.
Eine weitere Alternative sieht vor, dass ein trockenes Fasermaterial 3 zum Umwickeln verwendet wird, dies jedoch noch vor der Imprägnierung mit dem Matrixharz erhitzt und abkühlen gelassen wird, so dass ein Preform des Rohrs ausgebildet wird, dem abschließend die Harzmatrix beigefügt wird, so dass dann auch hier nach Aushärtung der Harzmatrix das fertige FVK-Rohr 1 erhalten wird.
Die Schraubenfeder 2 kann in dem FVK-Rohr 1 verbleiben, allerdings kann auch vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder 2 aus dem FVK-Rohr 1 entfernt wird, wie im letzten Schritt in 2 dargestellt, indem der Draht 2', der die Schraubenfeder 2 bildet, aus dem Rohr 1 entsprechend dem Blockpfeil p herausgezogen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazu verwendeten Werkzeug-Vorrichtung können auch FVK-Rohre mit einem komplizierten, mehrfach gekrümmten Verlauf hergestellt werden, der, wie in 1 zu sehen, Krümmungen in allen drei Raumrichtungen umfassen kann. So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine Kühlwasserleitung für ein Kraftfahrzeug einfach und preisgünstig in Großserie hergestellt werden.
Die als Wickelkern verwendete Schraubenfeder weist vorzugsweise insbesondere dann, wenn sie nach erfolgter Aushärtung entfernt werden soll, einen Durchmesser auf, der einem für das Rohr vorgesehenen Innendurchmesser entspricht.
Um die Schraubenfeder entsprechend dem für das FVK-Rohr vorgesehenen Verlauf verformen zu können, wird eine Schraubenfeder mit einer Federkonstante gewählt, die dies zulässt und, die andererseits noch groß genug ist, einen für das Wickeln und das Aushärten erforderlichen Druck auszuhalten. Dem kann durch Materialwahl und Stärke des zur Bildung der Schraubenfeder verwendeten Drahts entsprochen werden.
Das zum Wickeln eingesetzte Verstärkungsfasermaterial kann ein Laminat sein, worunter vorliegend eine in Bahnen oder Bändern vorliegende Faseranordnung wie ein ein- oder mehrschichtiges Gelege, Gewebe, eine Matte etc verstanden wird.
Die eingesetzten Verstärkungsfasern können Mineralfasern wie Glasfaser, Kohlenstofffasern, Polymerfasern wie Aramidfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern und Kombinationen davon umfassen. Die Faseranordnung des Verstärkungsfasermaterials kann nicht imprägniert sein, sie kann trocken oder nass mit der Harzmatrix imprägniert sein, die bevorzugt eine duroplastische Harzmatrix, beispielsweise ein Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz ist, die Faseranordnung kann aber auch ein Bindemittel aufweisen, um in einer thermischen Behandlung ein Preform des Rohrs zu bilden. Ein solches Bindemittel kann ein polymeres Bindemittel, beispielsweise auch ein thermoplastischer Kunststoff sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs 1 umfasst die Schraubenfeder mit einer für das FVK-Rohr 1 vorgesehenen Länge und ein in 1 beispielhaft gezeigtes Werkzeug 10, das hier mehrere Haltevorrichtungen 5 aufweist, die nicht nur zur Aufnahme der Schraubenfeder 2 ausgebildet sind, um die Formgebung für den gekrümmten Verlauf des herzustellenden Rohrs 1 bereitzustellen, sondern ebenfalls die mit dem Verstärkungsmaterial umwickelte Feder während der Aushärtung zum FVK-Rohr 1 in der Zwangslage halten können.
Die Haltevorrichtungen 5 weisen geradlinige Aufnahmeabschnitte auf und sind versetzt zueinander entsprechend dem für das Rohr 1 vorgesehenen gekrümmten Verlauf angeordnet sind. Die Aufnahmeabschnitte der Haltevorrichtungen 5 können dementsprechend unterschiedliche Längen, Höhen und/oder Neigungen aufweisen. Mit entsprechend ausgebildeten Haltevorrichtungen 5 kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung jede beliebige Rohrgeometrie realisiert werden. Dazu können ferner die Haltevorrichtungen 5 auf Grundplatten 6, angeordnet sein, wobei die Ausführung der Grundplatten 6 als Lochplatten 6 eine variable Vorrichtung der Haltevorrichtungen 5 auf den Grundplatten 6 gestattet.
Die Grundplatten 6 sind auf einer Basis 7, die ebenfalls als Lochplatte ausgeführt sein kann, befestigt, um die Haltevorrichtungen 5 in ihrer Vorrichtung zueinander zu fixieren. Die Variabilität der Vorrichtung wird durch die lösbare Befestigung der Grundplatten 6 auf der Basis 7 noch weiter erhöht, so dass das Werkzeug 10 zur Herstellung von unterschiedlich gekrümmten Rohren mit unterschiedlichen Verläufen dargestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19512525 C1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs (1) aus faserverstärktem Verbundkunststoff, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Schraubenfeder (2) mit einer für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Länge, – Formen der Schraubenfeder (2) entsprechend einem für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Verlauf, – Umwickeln der geformten Schraubenfeder (2) mit einem Verstärkungsfasermaterial (3) entsprechend einer für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Wandstärke, und Imprägnieren mit einer aushärtbaren Harzmatrix, – Aushärten der Harzmatrix unter Bildung des Verbundkunststoffs und Erhalten des gekrümmten Rohrs (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Imprägnieren des Verstärkungsfasermaterials (3) mit der aushärtbaren Harzmatrix vor und/oder nach dem Umwickeln der geformten Schraubenfeder (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Imprägnierendes Verstärkungsfasermaterials (3) mit der aushärtbaren Harzmatrix nach Durchführung der Schritte erfolgt: – Erhitzen des um die Schraubenfeder (2) gewickelten Verstärkungsfasermaterials (3), das ein trockenes Verstärkungsfasermaterial (3) ist, umfassend ein thermisch aktivierbares Bindemittel, und – abkühlen Lassen unter Ausbildung eines Preforms, wobei der Preform mit der aushärtbaren Harzmatrix imprägniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schraubenfeder (2) – einen Durchmesser entsprechend einem für das Rohr (1) vorgesehenen Innendurchmesser aufweist, und – eine Federkonstante aufweist, die das Verformen entsprechend dem für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Verlauf gestattet, – bevorzugt aus einem Draht (2') gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend den Schritt: Entfernen der Schraubenfeder (2) aus dem Rohr (1) durch Herausziehen des Drahts (2'), der die Schraubenfeder (2) bildet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Formen der Schraubenfeder (2) entsprechend dem für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Verlauf durch Verlegen der Schraubenfeder (2) in einem Werkzeug (10) mit einer oder mehreren Haltevorrichtungen (5) erfolgt und wobei die Schraubenfeder (2) mit der Umwicklung aus dem Verstärkungsfasermaterial (3) in dem Werkzeug (10) verbleibt, bis die Harzmatrix ausgehärtet ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verstärkungsfasermaterial (3) ein Laminat ist, mit Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Polymer, bevorzugt Aramid, Metall, Keramik und/oder Naturfasern und die Harzmatrix eine duroplastische Harzmatrix ist.
Gekrümmtes Rohr (1) aus faserverstärktem Verbundkunststoff mit duroplatischer Harzmatrix, herstellbar durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7.
Vorrichtung zum Herstellen eines gekrümmten Rohrs (1) aus faserverstärktem Verbundkunststoff gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schraubenfeder (2) mit einer für das FVK-Rohr (1) vorgesehenen Länge und ein Werkzeug (10) umfasst, das zumindest eine Haltevorrichtung (5) aufweist, die zur Aufnahme der Schraubenfeder (2) ausgebildet ist und eine Formgebung für den gekrümmten Verlauf des herzustellenden Rohrs (1) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) mehrere Haltevorrichtungen (5) umfasst, die geradlinige Aufnahmeabschnitte aufweisen und die versetzt zueinander entsprechend dem für das Rohr (1) vorgesehenen gekrümmten Verlauf angeordnet sind, wobei die Aufnahmeabschnitte der Haltevorrichtungen (5) unterschiedliche Längen, Höhen und/oder Neigungen aufweisen können, und wobei die Haltevorrichtungen (5) bevorzugt variabel auf Grundplatten (6) anordenbar sind, so dass Werkzeuge (10) mit unterschiedlichen Verläufen zur Herstellung von unterschiedlich gekrümmten Rohren (1) darstellbar sind, wobei die Grundplatten (6) bevorzugt auf einer Basis (7) variabel anordenbar sind.