-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Wickelrahmens zur Herstellung eines Faserwerkstoffrohlings zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
In der Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen sind innerhalb der letzten Jahre große Fortschritte zur automatisierten Herstellung getätigt worden. So wird im Fahrzeugbau, beispielsweise für Luftfahrzeuge oder aber auch für Kraftfahrzeuge, auf gezielten Leichtbau gesetzt, für den sich Faserverbundwerkstoffbauteile optimal eignen, da diese hohe Festigkeitseigenschaften bei hohen Formgebungsfreiheitsgraden und geringem spezifischen Eigengewicht besitzen.
-
Heutzutage ist es möglich, in modernen Produktionsstraßen Faserwerkstoffbauteile automatisiert herzustellen. Beispielsweise ist aus der
DE 100 59 801 A1 ein Herstellungsverfahren bekannt, bei dem eine Faserverbundstruktur aus einem im Wege des Fließpressens unter Wärmeeinwirkung konsolidierbarem Zuschnitt aus mindestens einer fließfähigen, mit einem Matrixsystem durchtränkten und beim Fließpressen umstrukturierten Faserlage hergestellt wird. Hierzu werden auch mehrlagige Zuschnitte von Manipulatoren oder aber Industrierobotern aufgenommen, gestapelt und einer Umformanlage zugeführt. In der Umformanlage erfolgt zum einen die Formgebung, zum anderen die Aushärtung, beispielsweise durch Zuführung von Wärme.
-
Ein Nachteil von solch automatisierten Fertigungsanlagen ist die Verschmutzung der einzelnen Werkzeuge von Manipulatoren sowie Greifvorrichtungen innerhalb der Fertigungslinie aufgrund des aus dem Faserverbundwerkstoff tropfenden Matrixharzes. Eine weitere Problematik insbesondere bei der Formgebung mit lokalen hohen Umformgraden ist die gezielte Faserausrichtung bzw. Faserorientierung und auch die Faserdichte innerhalb des automatisiert hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils.
-
Von der Faserdichte und der Faserorientierung sind jedoch die Festigkeitswerte sowie die Steifigkeitswerte des hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils stark abhängig. Hier besteht eine weitere Problematik in der automatisierten Fertigung von Faserverbundwerkstoffbauteilen, wobei aufgrund der Umformung eine Abscherung der einzelnen Fasern innerhalb eines Gewebes oder aber auch Geleges ein Faserriss entstehen kann.
-
Ziel ist es, die Produktionstoleranzen so gering wie möglich zu halten und auch bei lokal hohen Umformgraden eine gezielte Faserausrichtung zu ermöglichen bzw. beizubehalten. Hierzu sind aus dem Stand der Technik Spannrahmen bekannt, wobei flächige Fasermatten, beispielsweise in Form von Gelegen, Geweben oder aber auch Gestricken in einen solchen Spannrahmen eingesetzt werden und anschließend in einem Umformwerkzeug zu dem entsprechenden Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 199 30 000 A1 bekannt. Eine weitere Alternative zur Verwendung eines Spannrahmens stellt die
DE 10 2007 046 734 A1 dar. Hierbei werden verschiedene Fasermatten mittels eines Spannrahmens, der die Fasermatten randseitig klemmend fixiert, in einem Formwerkzeug zu dem entsprechenden Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt.
-
Bei dem Faserwerkstoff selber kann es sich um verschiedenste Faserarten handeln. Exemplarisch seien Karbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, aber auch Metallfasern erwähnt. Ebenfalls werden Mischformen der zuvor genannten Faserarten verarbeitet, bei denen es sich dann um Faserbündel oder aber Rovings handelt. Ebenfalls werden verschiedene Faserlagen übereinander gelegt, wobei die Faserlagen jeweils verschiedene Ausrichtungen zueinander haben, so dass sich hierdurch wiederum gezielt verschiedene Festigkeitseigenschaften einstellen lassen. Beispielsweise sind solch verschiedene Ausrichtungen von Faserlagen und die Verwendung von einander verschiedenen Faserarten aus der
DE 10 2009 052 263 A1 bekannt.
-
Die einzelnen Faserwerkstoffe werden von den Faserherstellern in verschiedenen Formen angeboten. Hierbei stellen Gewebe, Gelege oder aber Gestricke bzw. Filze oder Vliese, mithin flächige Formen der Faserwerkstoffe, eine teure Alternative dar gegenüber Fasern bzw. Fasersträngen, die auf eine Spule gewickelt sind. Bei der Weiterverarbeitung von Halbzeugen, also von flächig gelieferten Faserwerkstoffen, entsteht zudem ein hoher Verschnitt, da nur ein Teil der verarbeiteten Fasern effektiv in dem späteren Bauteil verbaut sind. Die restlichen Fasern stehen über dem bereits oben erwähnten Spannrahmen über oder überranden das Bauteil umfangsseitig und werden nach der Formgebung abgeschnitten. Es fällt also ein hoher Verschnitt an.
-
Ein Nachteil von einzelnen Fasern oder Faserbündeln bzw. Rovings, die bei einem Hersteller selbst zu Halbzeugen oder aber direkt in Faserverbundwerkstoffanwendungen verarbeitet werden, ist die schlechte Kontrollierbarkeit während des Umformens. So können diese Fasern leicht abscheren oder in sonstiger Form unkontrolliert oder aber nur unter Einhaltung von sehr weit auszulegenden Produktionstoleranzen verarbeitet werden. Ein mitunter günstigerer Einkauf der Rohmaterialien des Faserwerkstoffs wird mithin durch höhere Produktionskosten ausgeglichen.
-
In diesem Zusammenhang zeigen auch die
JP 62-109 627 A und die
DE 10 2008 014 380 A1 Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei eine Faserbahn mit Hilfe eines Spannrahmens zu einem zylindrischen Faserverbundwerkstoff ausgeformt wird und anschließend, nach Entnahme des Kerns weiterverarbeitet werden.
-
Auch die
DE 697 16 751 T2 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Schleifwerkzeugen. Hierbei wird die Grundlage des Schleifwerkzeuges durch eine flächige Grundplatte aus Faserwerkstoff bereitgestellt.
-
Weiterhin zeigen auch die
US 5,685,933 A , die
JP 5-229 018 A und die
US 7 384 585 B2 weitere Verfahren zur Herstellung von aus Verbundwerkstoffen hergestellten dreidimensionalen Bauteilen, welche mittels einer Führungsstruktur ausgebildet werden.
-
Weiterhin ist aus der
DE 10 2008 011 517 A1 ein Wickel-/Spannrahmen bekannt. Hierbei sind Spannvorrichtungen ortsfest an Fundamente gekoppelt und ein länglicher hohler Faserwerkstoffrohling kann zwischen den Spannvorrichtungen gewickelt werden und härtet zum Faserverbundwerkstoffbauteil aus. Danach wird das so hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil abgetrennt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, eine kostengünstige Möglichkeit aufzuzeigen, Faserwerkstoffe derart zu verarbeiten, dass ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit besonders geringen Produktionstoleranzen optimal herstellbar ist.
-
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit der Verwendung eines Wickelrahmens zur Herstellung eines Faserwerkstoffrohlings, der zur Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil geeignet ist, gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
-
Der Wickelrahmen zur Herstellung eines Faserwerkstoffrohlings, wobei der Faserwerkstoffrohling zur Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil für Fahrzeuge nutzbar ist, beispielsweise Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge oder aber auch für Schiffe oder Schienenfahrzeuge, wobei einzelne Fasern um den Wickelrahmen wickelbar sind und in einem Innenbereich des Wickelrahmens der Faserwerkstoffrohling ausgebildet wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelrahmen auf einem außen umlaufenden Rand des Rahmens mindestens einreihig nach außen zeigende Zähne aufweist und zwischen den Zähnen der Faserstrang anordnenbar ist, wobei ein hohler Innenbereich von dem Rahmen eingeschlossen ist.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Wickelrahmens mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale, wobei die Verwendung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wickelrahmen als Spannrahmen während des Umformprozesses des Faserverbundwerkstoffrohlings zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil genutzt wird, wobei der Spannrahmen bevorzugt nach dem Umformprozess erneut bewickelbar ist.
-
Die Fortsätze des Wickelrahmens sind als Zähne ausgebildet, wobei die Zähne mindestens einreihig mit der äußeren Kante umlaufend angeordnet sind, wobei die Zähne bevorzugt nach außen zeigend orientiert sind. Die außen umlaufenden Zähne haben im Rahmen der Erfindung zwei vordergründige Aufgaben. Zum einen besteht eine Aufgabe darin, die Fasern auf dem äußeren Rand des Wickelrahmens zu positionieren, was durch ein formschlüssiges Halten insbesondere in dem Zahnzwischenraum geschieht. Zum anderen besteht die Aufgabe der Zähne darin, während des Wickelvorgangs die auf einer Endlosspule bereit gestellten Fasern abzuziehen und mitzuführen, so dass eine Bewicklung stattfindet. Hierzu sind die Zähne bevorzugt auf der äußeren Kante umlaufend in Abständen zueinander angeordnet und zeigen nach außen, so dass sich der Wickelrahmen im Falle eines runden Wickelrahmens in Form eines Zahnrades ergibt.
-
Bei den Fasern, die auf dem Wickelrahmen gewickelt werden, handelt es sich in einfachster Form um einzelne Fasern aus Faserwerkstoff, also um Karbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder aber auch um Metallfasern. Ebenfalls können Mischformen der zuvor genannten Faserarten auf den Wickelrahmen gewickelt werden. Bevorzugt werden auch Faserbündel bzw. Faserstränge, Rovings oder aber auch Flechtfasern oder aber Drillfasern auf den Wickelrahmen gewickelt. Hierzu besitzt der Wickelrahmen einen außen umlaufenden Rand, der in Form eines umlaufend geschlossenen Spantes ausgebildet ist. Der Wickelrahmen kann dazu eine runde, ellipsenförmige oder aber auch eine eckige Kontur, also einen Verlauf des Rahmens, aufweisen. Auf dem umlaufenden Rahmen bzw. Rand sind Zähne angeordnet, wobei zwischen den Zähnen die auf den Wickelrahmen gewickelten Fasern anordnenbar sind. Die Zähne halten die um den Wickelrahmen gewickelten Fasern formschlüssig in Position.
-
Ein von dem umlaufenden Rahmen gebildeter Innenbereich wird somit von um den Rahmen gewickelten Fasern beidseitig flächig überdeckt und bildet dadurch einen flächigen Faserwerkstoffbereich aus. Die Fasern sind dabei beliebig über den Wickelrahmen in ihrer Orientierung sowie ihrer Dichte anordnenbar und können beispielsweise unidirektional oder aber auch omnidirektional über den Wickelrahmen gewickelt werden, so dass sie im Innenbereich eine gleich bleibende oder aber eine sich kreuzende Orientierung oder aber auch eine Mischform aufweisen.
-
Ebenfalls ist es möglich, auf der einen Seite des Wickelrahmens unidirektional verlaufende Fasern zu spannen und auf der gegenüberliegenden Seite omnidirektionale Fasern oder aber auch zu der gegenüberliegenden Seite in einem Winkel angeordnete unidirektionale Fasern.
-
Durch die auf dem umlaufenden Rand des Rahmens ausgebildeten Zähne ist es ebenfalls möglich, nicht beide Seiten des Wickelrahmens mit Fasern zu bewickeln, sondern nur eine Seite. Hierzu wird dann die Faser den Innenbereich des Wickelrahmens überspannend an dem Rand um den Zahn geführt und anschließend wieder auf der gleichen Seite des Innenbereichs zu einer anderen Stelle des Randes des Rahmens geführt. Hierdurch ergibt sich dann im Innenbereich eine einflächige Lage aus Faserwerkstoff. Bevorzugt werden jedoch durch Umwickeln des Wickelrahmens zweilagige Faserwerkstoffrohlinge hergestellt, wobei auf jeder Seite des Wickelrahmens eine flächige Faserlage durch das Umwickeln, also das Überführen der Faser am Rand des Rahmens von der einen Seite auf die andere Seite durch das Umwickeln ausgebildet wird.
-
Der Wickelrahmen weist bevorzugt an seinem äußeren Rand eine rund verlaufende Kontur auf, insbesondere eine kreisrunde Kontur. Der Wickelrahmen kann jedoch auch eine Ellipsenform oder aber eine eckige Kontur, insbesondere eine mehreckige Kontur, ganz besonders bevorzugt eine viereckige Kontur, weiterhin bevorzugt eine Mischform der zuvor genannten Konturen, beispielsweise eine kreisrund verlaufende Kontur in Form eines Vielecks aufweisen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist unter der verlaufenden Kontur der Rahmen mit seinem Rand in einer Draufsicht zu verstehen. Bei einer Draufsicht eines auf eine Arbeitsoberfläche aufgelegten flächig ausgebildeten erfindungsgemäßen Wickelrahmens ergibt sich die entsprechende Kontur. Insbesondere weist der Wickelrahmen eine scheibenförmige Kontur auf, ganz besonders bevorzugt eine im Wesentlichen runde Kontur.
-
Der Innenbereich des Wickelrahmens ist dabei weitestgehend hohl, er kann jedoch Verstärkungsverstrebungen oder aber Füllmaterialien aufweisen, wobei die Füllmaterialien nicht Bestandteil des Wickelrahmens sind. Der Rahmen mit dem äußeren Rand verläuft in sich geschlossen und ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Er kann Dehnungsfugen oder aber auch Dehnungsschnitte aufweisen, die gegebenenfalls auch nach dem Bewickeln mit Fasern in den Wickelrahmen eingebracht werden. Der Wickelrahmen weist daher bevorzugt eine Ringform auf, wobei die Ringform dann mit der Faser umwickelbar ist.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich den Faserstrang in den Zwischenräumen zwischen außen umlaufenden Fortsätzen anzuordnen, sondern auch zwischen nach innen verlaufenden Fortsätzen. Hierdurch wird im Innenbereich eine Ausnehmung bzw. ein Loch ausgebildet, in der kein Faserstrang vorhanden ist. Der erfindungsgemäße Wickelrahmen kann dabei derart ausgebildet sein, dass er sowohl nach außen als auch nach innen orientierte Zähne aufweist oder aber auch das er nach außen orientierte Zähne aufweist und ein Hilfsrahmen in dem äußeren Wickelrahmen angeordnet ist, der nach innen orientierte Zähne aufweist. Der Hilfsrahmen ist dann beispielsweise in Form von Speichen in dem Wickelrahmen aufgehangen. Ebenfalls ist es möglich, den Hilfsrahmen zunächst provisorisch in den Hauptrahmen einzuwickeln und dann anschließend den eigentlichen Wickelungsvorgang durchzuführen. Der Hilfsrahmen ist insbesondere als verlorener Rahmen ausgebildet, d. h. er wird nach dem Bewickeln aus dem Hauptrahmen ausgeschnitten oder geht bei der Umformung, also bei der Herstellung des Faserverbundwerkstückes verloren.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich den gesamten Wickelrahmen massiv auszubilden, so dass dieser beispielsweise als Wachsrahmen während des Umformvorganges aus dem hergestellten Faserverbundwerkstück ausschmilzt. Ebenfalls ist es möglich den Faserstrang nach dem Bewicklungsvorgang nur von einer Seite des Wickelrahmens zu lösen, so dass der eingewickelte flächige Wickelrahmen einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
-
Weiterhin bevorzugt ist an dem umlaufenden Rand des Wickelrahmens eine äußere Kante ausgebildet, wobei die äußere Kante im Querschnitt abgerundet ist. Durch die Abrundung oder aber zumindest durch eine Anfasung des äußeren Randes wird verhindert, dass auf den Wickelrahmen gewickelte Faserstränge bei dem Wickelvorgang reißen. Insbesondere wird der Wickelrahmen dazu benutzt, die Faserstränge mit einer entsprechend voreingestellten Zugspannung auf den Rahmen zu wickeln, wobei durch die abgerundete Kante ein Riss oder aber Bruch des Faserstrangs verhindert wird. Die Kante kann dabei im Rahmen der Erfindung zu beiden Seiten hin abgerundet sein oder aber auch insgesamt rund ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Kante abgefast ist.
-
Die Kante kann weiterhin bevorzugt beschichtet sein, beispielsweise durch eine Gummierung.
-
Im Rahmen der Erfindung ist der Wickelrahmen nicht nur zur Herstellung des Faserwerkstoffrohlings geeignet, er wird vielmehr auch als Spannrahmen, insbesondere auch als Transportrahmen, für den Faserwerkstoffrohling innerhalb des weiteren Produktionsprozesses genutzt. Hierbei ist es möglich, durch die Werkstoffwahl des Wickelrahmens und die damit verbundenen Werkstoffeigenschaften des Wickelrahmens eine entsprechende Zugspannung der Fasern des Faserwerkstoffrohlings vorzubestimmen oder aber auch während des Umformprozesses einzustellen. So kann beispielsweise bei einem elastischen Werkstoff des Wickelrahmens durch eine gezielte elastische Verformung während des Bewickelns und/oder während des Umformvorgangs die Zugspannung der Fasern vorherbestimmt werden.
-
Ebenfalls ist es möglich, durch die Wickelkraft, also die Zugkraft, mit der die Faser auf dem Wickelrahmen gewickelt wird, die Zugspannung der Fasern innerhalb des Faserwerkstoffrohlings und/oder während des Umformvorgangs einzustellen. Somit ist es durch den erfindungsgemäßen Wickelrahmen möglich, für verschieden herzustellende Bauteile entsprechende Zugspannungen der flächigen Faserlagen gezielt einzustellen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, aufgrund von Widerlagern in den Zwischenräumen der Zähne bzw. Fortsätze einzelne Fasern in der flächigen Faserlage des Wickelrahmens mit einer jeweils individuellen Zugspannung auf den Wickelrahmen zu wickeln. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, alle Fasern mit der gleichen Zugspannung auf den Wickelrahmen zu wickeln, wobei durch ein geringfügiges Nachgleiten der einzelnen Fasern über den Rand entsprechend eine homogene Zugspannungsverteilung der Fasern beim Wickelvorgang erfolgt.
-
Im Rahmen der Erfindung ist der Wickelrahmen bevorzugt aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, insbesondere aus einem Kunststoff oder aber auch aus Holz oder selbst aus Faserverbundwerkstoff. Durch den elastisch ausgebildeten Wickelrahmen wird somit bei versehentlich zu fest gezogener Wicklung ein Reißen der Fasern vermieden, da der Wickelrahmen nachgiebig ausgebildet ist.
-
Ein weiterer Vorteil eines elastisch nachgiebigen Wickelrahmens ist während des Umformprozesses. Hierbei hält der Wickelrahmen in seiner Funktion als Spannrahmen die einzelnen Fasern auf Spannung. Es erfolgt somit beim Zusammenfahren des Umformwerkzeugs, also während der Umformung, ein gezieltes Nachführen der Fasern. Der Wickelrahmen kann somit bei der Umformung zumindest teilweise umlaufend, vorzugsweise vollständig umlaufend, in Richtung zu dem Umformwerkzeug kontrahiert werden.
-
Der Wickelrahmen aus Kunststoff oder aber aus Holz bzw. einem Faserverbundwerkstoff kann weiterhin im Rahmen der Erfindung beschichtet sein, so dass durch die Beschichtung ein Gleiten der Fasern über den Rand oder aber im Falle einer Antihaftbeschichtung ein Festbacken oder Kleben der Fasern auf dem Wickelrahmen verhindert wird. Gleiche Ausführungen gelten für die nachfolgend beschriebenen Werkstoffeigenschaften des Wickelrahmens.
-
Im Rahmen der Erfindung kann der Wickelrahmen auch aus metallischem Werkstoff ausgebildet sein, insbesondere aus einem Leichtmetallwerkstoff oder aber einem Stahlwerkstoff. Hierüber ist es insbesondere möglich, Wickelrahmen zur Mehrfachverwendung einzusetzen. Im Rahmen der Erfindung können die Wickelrahmen aus metallischen Werkstoffen ebenfalls elastisch ausgebildet sein, so dass diese ein gezieltes Nachführen der Fasern während des Umformvorgangs ermöglichen. Durch die Ausführung des Wickelrahmens aus metallischem Werkstoff ist ein Einsatz des Wickelrahmens für mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Faserwerkstoffrohlinge möglich.
-
Im Rahmen der Erfindung wird der im Innenbereich des Wickelrahmens hergestellte Faserwerkstoffrohling in dem Umformwerkzeug zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt und anschließend randseitig beschnitten. Die am Rand des Wickelrahmens verbleibenden Fasern fallen entweder durch den Beschneidevorgang selbst bereits ab oder können durch einen Reinigungsprozess, beispielsweise durch Druckluft, oder aber auch durch einen mechanischen Reinigungsprozess, beispielsweise durch Bürsten, und/oder durch einen chemischen Reinigungsprozess entfernt werden.
-
Insbesondere ist der Wickelrahmen als Transportrahmen nutzbar, wobei die auf den Wickelrahmen gewickelten Fasern den Faserwerkstoffrohling bilden und der Faserwerkstoffrohling mit dem Transportrahmen transportierbar ist. Der auf den Wickelrahmen gewickelte Faserwerkstoffrohling ist dann beispielsweise durch einen Manipulator aus der Wickelvorrichtung entnehmbar und einer Zwischenlagerung, beispielsweise zum Aushärten von Matrixmaterial oder aber zum Eindiffundieren von Matrixmaterial, zwischenzulagern. Im Anschluss hieran kann der Faserwerkstoffrohling mit dem Transportrahmen in die Umformvorrichtung befördert werden, wobei der Transportrahmen dann während des Umformvorgangs auch als Spannrahmen fungiert.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere möglich, den Faserwerkstoffrohling an das herzustellende Faserwerkstoffverbundbauteil derart anzupassen, so dass sich ein Optimum aus Verschnitt, also Produktionsabfällen und für eine gute Umformbarkeit ein entsprechender randseitiger Überschuss an dem Wickelrahmen einstellt. So ist der Wickelrahmen an die äußere Kontur des herzustellenden Bauteils bevorzugt angepasst, vorzugsweise ist der Innenbereich des Wickelrahmens in seinem Durchmesser 1,1-fach bis 4,0-fach, insbesondere 1,2-fach bis 3,0-fach und ganz besonders bevorzugt 1,3-fach bis 2,0-fach größer als ein Außendurchmesser des herzustellenden Bauteils.
-
Als Bezugsgröße ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, alternativ zu dem Außendurchmesser des herzustellenden Bauteils den Außendurchmesser des Herstellungsumformwerkzeugs zu wählen. Im Rahmen der Erfindung ist es bei einem eckigen oder aber auch ellipsenförmigen Wickelrahmen ebenfalls möglich, die äußere Kontur dann in einem entsprechenden Verhältnis größer auszubilden, so dass ein Abstand zwischen dem Außendurchmesser des herzustellenden Bauteils oder aber den äußeren Abmessungen des Umformwerkzeugs sowie der Innenseite des den Wickelrahmen außen berandenden Rahmens sich ergibt.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Zähne zweireihig oder mehrreihig auf der äußeren Kante angeordnet sind, wobei die Zähne bevorzugt in den Reihen versetzt zueinander angeordnet sind. Im Falle einer zweireihigen Anordnung der Zähne auf der äußeren Kante ergibt sich dann ein abwechselnder zickzack-förmiger Verlauf, wobei ein Zahn der ersten Reihe in einem Abstand zu einem Zahn der zweiten Reihe steht, der wiederum in einem Abstand zu einem Zahn der ersten Reihe steht. Insbesondere bei einem Bewicklungsvorgang mit einer bewegbaren Spule, die von der einen Seite des Wickelrahmens auf die andere Seite überführt wird, ist dies von Vorteil.
-
Die Zähne selbst weisen bevorzugt einen Abstand zueinander auf, wobei sich zwischen den zwei Zähnen ein Talbereich ergibt, wobei in dem Talbereich die um die Kante gewickelten Fasern zur Anlage kommen. In einfachster Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann auch nur eine Faser in einem Talbereich zur Anlage kommen, bevorzugt sind jedoch dann mehrere Fasern übereinander gewickelt. Der Talbereich selbst kann eine runde Kontur aufweisen oder aber auch eine eckige Kontur. Im Rahmen der Erfindung hat es sich als besonders vorteilig herausgestellt, wenn der Talbereich eine entsprechende Breite aufweist, die der Breite der Faser, des Faserstrangs oder aber des Rovings entspricht, so dass ein Verdrehen oder Verkanten insbesondere eines Faserbündels nicht erfolgt. Die mehreren nebeneinander gelegten Fasern beispielsweise eines Rovings werden somit exakt in dem Talbereich positioniert und lagefixiert gehalten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind die Zähne mit ihrer Spitze innerhalb einer durch den Wickelrahmen gelegten Mittelebene liegend angeordnet und/oder einige oder aber alle Zähne sind mit ihrer Spitze in einem Winkel zu der Mittelebene orientiert angeordnet. Sofern keine spitz zulaufenden Zähne, sondern stumpf oder aber asymmetrisch verlaufende Zähne, beispielsweise säbelartig verlaufende Zähne, oder aber zylinderförmige, stumpfe Zähne verwendet werden, kann auch die Mittellängsachse eines jeden Zahns entweder innerhalb der durch den Wickelrahmen verlaufenden Mittelebene liegen oder aber parallel dazu und/oder die Mittellängsachse einer oder aller Zähne steht in einem Winkel zu der Mittelebene. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Anordnung möglich, bei der jeweils aufeinander folgende Zähne abwechselnd in einem positiven und einem negativen Winkel zu der Mittelebene verlaufen. Insbesondere für die Bewicklung mit einer sich bewegenden Spule ergeben sich hier entsprechende Vorteile beim Abziehen der Faser von der Spule.
-
Im Rahmen der Erfindung bilden die Zähne besonders bevorzugt einen Sägezahnverlauf auf der äußeren Kante des Wickelrahmens aus. Ganz besonders bevorzugt sind auf den Zähnen Widerlager und/oder Widerhaken selbst ausgebildet, wobei die Widerlager und/oder Widerhaken die Faser beim Wickelvorgang selbst mitnehmen, also von der Spule abziehen, und beim Spannen des Wickelfadens ein Gleiten in den Talbereich ermöglichen. Hierdurch ergeben sich zum einen gute Bewicklungseigenschaften des Wickelrahmens aufgrund der Fassung der auf dem Wickelrahmen zu wickelnden Faser. Zum anderen ergeben sich durch die Möglichkeit, dass die auf den Wickelrahmen gewickelte Faser in den Talbereich gleitet, gute Eigenschaften zum Spannen des jeweiligen Faserabschnitts über den Innenbereich des Wickelrahmens, so dass sich ein Faserwerkstoffrohling mit besonders hoher Produktionsqualität einstellt.
-
Fehler im Bewicklungsvorgang, aufgrund eines nicht oder nur teilweise ergriffenen Faserstrangs oder einer nicht ergriffenen Faser werden unterstützend durch die Anordnung der Zähne oder aber die geometrischen Eigenschaften der Zähne und/oder durch die Widerlager auf den Zähnen vermieden. Durch das Gleiten in den Talbereich und/oder das Gleiten über die Widerhaken oder Widerlager wird ein Spannen des jeweiligen Faserabschnitts über den Innenbereich ermöglicht, so dass eine über den Innenbereich hindurchhängende Faser und somit eine Fehlorientierung der entsprechenden Faser ebenfalls vermieden wird.
-
Dieser Effekt wird auch durch Zähne, die eine säbelartige Krümmung aufweisen, oder aber durch Zähne, die hakenförmig ausgebildet sind, unterstützt.
-
Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin bevorzugt an dem Wickelrahmen eine Klemmvorrichtung und/oder eine Aufnahme zur formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Koppelung des Anfangs eines Faserstrangs bzw. einer Faser vorgesehen und/oder eine Klemmvorrichtung und/oder eine Aufnahme zur formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Koppelung des Endes eines Faserstranges vorgesehen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es zunächst über die Klemmvorrichtung oder aber die Aufnahme zur formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Koppelung des Anfangs der Faserstrangs möglich, den Bewicklungsvorgang zu starten. Hierzu wird das freie Ende eines Faserstrangs bzw. einer Faser oder aber eines Rovings, welcher sich auf einer Spule befindet, auf dem Wickelkörper befestigt. Beispielsweise ist es bei der Klemmvorrichtung möglich, ein automatisiertes Einklemmen oder aber ein Einklemmen mittels Manipulator oder aber auch alternativ ein Einklemmen durch einen anwendenden Monteur schnell und sicher zu realisieren.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, beispielsweise eine Aufnahme in Form eines Loches oder eines Durchbruchs vorzusehen, durch die der Faserstrang hindurchgeführt wird und auf der anderen Seite vernietet oder aber verknotet bzw. vernäht wird. Im Rahmen der Erfindung ist es somit vielfältig möglich, den Anfang einer Faser eines Faserstrangs oder aber eines Rovings auf dem Wickelkörper zu befestigen, insbesondere durch Vernähen, Verknoten, Verkleben, Verklemmen oder aber auf eine andersartige Weise. Bevorzugt wird jedoch ein Einklemmen, da hierdurch ein einfaches, sicheres und schnelles Befestigen des Anfangs des Faserstrangs oder aber der Faser bzw. des Rovings erfolgt.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es dann auch möglich, nach Abschluss des Bewicklungsvorgangs des Wickelrahmens das Ende ebenfalls in eine Klemmvorrichtung oder aber eine Aufnahme formschlüssig und/oder stoffschlüssig zu koppeln. Bevorzugt wird hier ein Aufkleben des Endes auf den Wickelrahmen oder aber auf den auf den Wickelrahmen gewickelten Fasern selbst. Insbesondere erfolgt hier bevorzugt ein Aufkleben, da dies eine einfache, schnelle und sichere und von der geometrischen Form der Wicklung unabhängige Befestigungsmethode darstellt. Ebenfalls ist es möglich, das Ende der Faser, des Faserstrangs oder aber des Rovings zu vernähen oder aber auch in den auf den Wickelrahmen aufgewickelten Faserstrang selbst einzuflechten.
-
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin bevorzugt mindestens zwei Aufnahmen oder Klemmvorrichtungen zur Koppelung mindestens zwei voneinander verschiedener Faserstränge auf den Wickelrahmen vorgesehen. Der erfindungsgemäße Wickelrahmen eignet sich zum zeitlich aufeinander folgenden, also zeitlich versetzten, oder aber parallelen, also gleichzeitigem, Bewickeln mit verschiedenen Fasersträngen. So können von zwei, drei oder mehr Spulen gleichzeitig Faserstränge bei einer Rotationsbewegung des Wickelrahmens auf diesen aufgewickelt werden. Die mindestens zwei voneinander verschiedenen Fasern werden dann an zwei verschiedenen Aufnahmen gekoppelt und der Bewicklungsvorgang ausgeführt. Im Rahmen der Erfindung wäre es auch denkbar, zwei voneinander verschiedene Fasern an einer Aufnahme zu koppeln und zeitlich parallel und auch örtlich parallel auf den Wickelrahmen aufzuwickeln. Hierdurch ergibt sich bei dem auf dem Wickelrahmen entstehenden Fasergelege oder aber Geflecht ein Mischgeflecht aus mehreren voneinander verschiedenen Fasern, die unidirektional, multidirektional bzw. omnidirektional oder aber unidirektional in sich kreuzenden Richtungen auf den Wickelrahmen aufwickelbar sind. Insbesondere bietet sich diese Option zur Kombination beispielsweise von Glas- und Karbonfasern, aber auch zum Einbringen von nur wenigen Metallfasern in ein Glas- und/oder Karbonfasergeflecht.
-
Im Rahmen der Erfindung wird mindestens ein Faserstrang unidirektional und/oder omnidirektional auf den Wickelrahmen gewickelt, insbesondere ergeben mehrere nebeneinander und/oder übereinander gelegte Faserstränge eine flächige Faserwerkstoffschicht, wobei der Wickelrahmen auf seiner Vorderseite und/oder auf seiner Rückseite eine Faserwerkstoffschicht aufweist. Bevorzugt wird auf beiden Seiten des Wickelrahmens jeweils über den Innenbereich des Wickelrahmens sich erstreckend eine flächige Faserwerkstoffschicht aus unidirektionalen oder aber omnidirektionalen Faserorientierungen erzeugt. Die Wicklung kann dabei derart ausgebildet sein, dass ein Fasergelege oder aber auch ein Fasergeflecht entsteht.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, an einer Vorderseite eine unidirektionale Faserorientierung zu erzeugen und an der Rückseite ebenfalls eine unidirektionale Faserorientierung zu erzeugen, wobei die zwei Faserorientierungen parallel oder aber auch in einem Winkel zueinander verlaufen. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, auf einer Seite eine unidirektionale Faserorientierung und auf der gegenüberliegenden Seite eine sich kreuzende, also eine omnidirektionale bzw. multidirektionale Faserorientierung zu erzeugen. Hierdurch wird an einer Seite ein Gelege, an der anderen Seite ein Geflecht erzeugt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Wickelrahmen entsprechend mit dem Faserstrang so zu bespannen, dass nur an einer Seite eine flächige Faserwerkstoffschicht ausgebildet wird. Hierzu ist es möglich, den Faserstrang jeweils um 180° um die nach außen stehenden Fortsätze bzw. Zähne herum zu führen und dann den Wickelrahmen nur auf einer Seite zu bespannen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist der Wickelrahmen insbesondere zwischen 1 mm und 100 mm dick, besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 75 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 50 mm dick. Hierdurch ergibt sich je nach Anwendungsfall eine entsprechende Beabstandung der zwei voneinander flächig ausgebildeten Faserwerkstoffschichten, die dann in dem Umformwerkzeug zu dem herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt werden.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, insbesondere beschichtete Fasern bzw. Faserstränge auf den Wickelrahmen aufzubringen. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, im Innenbereich des Wickelrahmens einen Kern zu positionieren, der beispielsweise aus einem Matrixharz in festem Zustand ausgebildet ist, wobei dieser Kern eingewickelt wird und dann während des Umformvorganges und/oder durch einen Wärmenachbehandlungsvorgang aktiviert wird. Im Rahmen der Erfindung kann der Wickelrahmen selbst aus einem entsprechenden Matrixmaterial oder aber Thermoplast ausgebildet sein, wobei der Wickelrahmen dann während des Umformvorgangs aufschmilzt und in das Faserverbundwerkstoffbauteil zumindest teilweise integriert wird. In diesem Fall ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Wickelrahmen auch in seinem Innenbereich massiv durchgehend auszubilden, so dass der Wickelrahmen in Form eines flächigen Zahnrads mit abstehenden Zähnen ausgebildet ist.
-
Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass der Wickelrahmen über Koppelungsvorrichtungen verfügt, so dass mehrere Wickelrahmen nach dem Bewickeln mit Faserwerkstoff übereinander anordnenbar sind, so dass ein mehrschichtiger Faserwerkstoffrohling durch mehrere übereinander angeordnete Wickelrahmen ausgebildet wird. Im Rahmen der Erfindung können so 3-, 4-, 5-, 6-oder mehrschichtige Faserwerkstoffrohlinge durch übereinander Koppeln von 2, 3 oder mehr Wickelrahmen ausgebildet werden. Durch die Möglichkeit des Einwickelns von Matrixharzkernen oder aber von Thermoplasten wird eine homogene Verteilung des Matrixharzes innerhalb des herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteils realisiert. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, während des Bewicklungsvorgangs Folien, beispielsweise Thermoplastfolien, mit einzuwickeln.
-
Im Falle eines verlorenen Spannrahmens ist es möglich, den Wickelrahmen derart auszubilden, dass er den Fasern während des Umformprozesses eine hinreichende Zugspannung verleiht, so dass eine gezielte Faserorientierung ermöglicht wird. Hierbei kann der Spannrahmen derart stark nicht nur elastisch, sondern auch plastisch verformt werden, dass er durch den Umformprozess selbst verloren geht. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Spannrahmen derart auszubilden, dass er beispielsweise durch den Umformprozess selbst zerstört wird und bis zum Zeitpunkt seiner Zerstörung, beispielsweise durch eine plastische Deformation in Form einer Kontraktion, den Fasern eine hinreichende Zugspannung verleiht, so dass eine gezielte Umformung realisiert wird.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Wickelrahmen derart auszubilden, dass er mehrfach, vorzugsweise mehrere Hundert oder Tausend Male, bewickelbar ist und die auf dem Wickelrahmen hergestellten Faserwerkstoffrohlinge sich zur Herstellung eines entsprechenden Faserverbundwerkstoffbauteils eignen.
-
Im Rahmen der Erfindung ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass der auf dem Wickelrahmen hergestellte Faserwerkstoffrohling optimal auf das herzustellende Faserverbundwerkstoffbauteil abstimmbar ist. Zum einen wird dies dadurch erreicht, dass der Faserwerkstoffrohling in seinen äußeren Abmessungen an das herzustellende Bauteil derart angepasst ist, dass in zu vernachlässigender Weise Verschnitt während des Umformvorgangs auftritt.
-
Ebenfalls ist es möglich, den Faserwerkstoffrohling in seinen äußeren Abmessungen derart zu dimensionieren, dass die während des Umformvorgangs benötigte Zugspannung zur Verhinderung eines Abscherens oder aber Abgleitens der Fasern eingehalten wird. Ebenfalls ist durch eine gezielte Bewicklung beispielsweise in unidirektionaler und/oder in omnidirektionaler Richtung sowie durch Kombination mehrerer Wickelrahmen und somit mehrerer Schichten optimal auf die Faserausrichtung und die Faserorientierung bzw. Faserdichte innerhalb des Faserwerkstoffbauteils abstellbar. Allgemein ergibt sich der Vorteil, dass der Faserwerkstoff kostengünstig in Form von Fasern, Fasersträngen oder aber Rovings auf Spulen gewickelt eingekauft werden kann im Gegensatz zu flächig zu erwerbenden Faserwerkstoffen in Form von Gelegen, Gestricken oder aber Geweben. Hierdurch lassen sich die Produktionskosten deutlich senken bei gleichzeitiger Erhöhung der Formgebungsfreiheitsgrade sowie einer Erhöhung der Produktionsqualität von Faserwerkstoffbauteilen, insbesondere in automatisierten Herstellungsprozessen.
-
Die zuvor genannten Merkmale sind beliebig untereinander kombinierbar mit den damit jeweils einhergehenden Vorteilen, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
-
1 einen Wickelrahmen;
-
2 eine Wickelvorrichtung mit Wickelrahmen;
-
3a bis f einen Wickelrahmen während der Bewicklung;
-
4 eine Detailansicht des Randes des Wickelrahmens;
-
5a bis c verschiedene Zahnformen auf dem Rand des Wickelrahmens;
-
6a bis d einen Wickelrahmen mit verschiedenen Wickelrichtungen;
-
7a bis b einen Wickelrahmen vor und nach der Umformung;
-
8a bis c einen Wickelrahmen während des Umformvorgangs;
-
9 einen Wickelrahmen in einer Querschnittsansicht mit eingewickeltem Kern;
-
10a bis c einen rechteckigen Wickelrahmen mit verschiedenen Bewicklungen;
-
11a bis c vier aufeinander gestapelte Wickelrahmen.
-
12 zeigt einen Wickelrahmen mit außenliegenden und innenliegenden Fortsätzen und
-
13 den außen umlaufenden Rand mit Fortsätzen und einem darauf gewickelten Faerstrang in einer Detailansicht.
-
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
-
1 zeigt einen Wickelrahmen 1 in einer Draufsicht. Der Wickelrahmen 1 weist dabei einen außen umlaufenden Rahmen 2 auf, wobei der Rahmen 2 wiederum einen den Rahmen 2 außen berandenden Rand 3 aufweist. Auf dem Rand 3 sind in Abständen zueinander Zähne 4 angeordnet. Exemplarisch ist ein Faserstrang 5 auf den Wickelrahmen 1 gewickelt, wobei der Faserstrang 5 jeweils am Rand 3 den äußeren Rahmen 2 des Wickelrahmens 1 umfasst und in einem Zahnzwischenraum 6 zur Anlage kommt und dort formschlüssig gehalten wird. Der Wickelrahmen 1 weist ferner eine Vorderseite 7 und eine nicht sichtbare Rückseite auf, wobei die Rückseite auf der der Vorderseite 7 gegenüberliegenden Seite des Wickelrahmens 1 ausgebildet ist.
-
Der Wickelrahmen 1 weist einen Innenbereich 8 auf, der von dem außen umlaufenden Rahmen 2 eingeschlossen ist. Zwischen dem außen umlaufenden Rahmen 2 ist ein Innendurchmesser 9 ausgebildet, wobei der Wickelrahmen 1 ebenfalls einen Außendurchmesser 10 aufweist, und der Außendurchmesser 10 je nach Anwendungsfall inklusive oder aber exklusive der Zähne 4 zu sehen ist.
-
2 zeigt eine Wickelvorrichtung 11, wobei die Wickelvorrichtung 11 zur Aufnahme des erfindungsgemäßen Wickelrahmens 1 ausgebildet ist. Hierzu besitzt die Wickelvorrichtung 11 Stützrollen bzw. Führungsrollen 12, die den Wickelrahmen 1 umfangsseitig umfassen. Die Führungsrollen 12 können dabei jeweils in translatorischer Richtung 13 verschoben werden, so dass die Wickelvorrichtung 11 zur Aufnahme von Wickelrahmen 1 mit verschiedenen Außendurchmessern 10 geeignet ist.
-
Der Wickelrahmen 1 erfährt eine Drehbewegung 14 um seinen Mittelpunkt 15, so dass ein auf einer Spule 16 bereit gestellter Faserstrang 5 von der Spule 16 abgewickelt wird und auf den Wickelrahmen 1 aufgewickelt wird. Ein Mitführen des Faserstrangs 5 erfolgt aufgrund des formschlüssigen Eingriffs des Faserstrangs 5 in den Zahnzwischenraum 6 der auf dem äußeren Rand 3 des Wickelrahmens 1 angeordneten Zähne 4.
-
Im Rahmen der Erfindung wird hier dargestellt der Wickelrahmen 1 von einer Antriebsrolle 17 angetrieben, so dass er die Drehbewegung 14 ausführt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Wickelrahmen 1 an seinem Mittelpunkt 15 aufzuhängen und dann auch über den Mittelpunkt 15 anzutreiben, so dass beispielsweise andere Außenkonturen des Wickelrahmens 1 mit dem erfindungsgemäßen Wicklungsverfahren bewickelbar sind. Beispielsweise sind dies eckige, insbesondere rechteckige, Außenkonturen.
-
Der Wickelrahmen ist dann beispielsweise analog einem Speichenrad aufgebaut. In der Mitte ist eine Nabe angeordnet und der außen umlaufende Felgenkranz, hier der Wickelrahmen, ist über Speichen mit der Nabe verbunden. Die Speichen können selbst aus Fasersträngen ausgebildet sein, so dass die Nabe und der Wickelrahmen aus dem fertig gewickelten Faserwerkstoffrohling problemlos heraustrennbar sind. Ebenfalls können die Speichen aus einem anderen Material ausgebildet sein, das in dem Faserwerkstoffrohling verbleiben kann.
-
3a bis f zeigen einen Wicklungsvorgang auf den erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1. Zunächst wird ein freies Ende 18 des Faserstrangs 5 an dem Wickelrahmen 1 befestigt. Anschließend wird der Wickelrahmen 1 in eine Drehbewegung 14 versetzt und wickelt somit den Faserstrang 5 von der Spule 16 ab und auf den Wickelrahmen 1 auf. Hierzu wird die Spule 16 von einer Vorderseite 7 des Wickelrahmens 1 in Richtung 21 zu einer Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 bewegt, wobei die Rückseite 19 auf der der Vorderseite 7 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Dabei kommt der Faserstrang 5 in einem Zahnzwischenraum 6 auf dem äußeren Rand 3 des Wickelrahmens 1 zum formschlüssigen Eingriff.
-
Im Anschluss daran erfährt der Wickelrahmen 1 gemäß 3b eine weitere Drehbewegung 14, wobei die Drehbewegung 14 sukzessive aufeinander folgend ausgeführt werden kann oder aber kontinuierlich. Hierdurch wickelt sich der Faserstrang 5 weiter von der Spule 16 ab und auf den Wickelrahmen 1 auf. Damit ein in Form eines Rovings, also eines unverdrehten, nebeneinander liegenden Faserstranges 5, keine ungewollte Verdrehung in sich und somit eine Schwächung des später herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteils erfährt, wird die Spule 16 in Rotationsrichtung 20 um ihre Hochachse H gedreht, so dass ein gleichmäßig flächiges Bespannen des Wickelrahmens 1 mit dem Faserstrang 5 erfolgen kann.
-
In 3c und d dargestellt wird die Spule 16 wieder von der Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 auf die Vorderseite 7 in Richtung 21 bewegt, so dass wieder an einem weiteren Zahnzwischenraum 6 der Faserstrang 5 zur formschlüssigen Anlage kommt und somit der Wickelrahmen 1 weiter bewickelt wird. Dieser Schritt ist überführend dargestellt in 3d.
-
Gemäß 3e wird dann die Spule 16 wiederum um eine Rotationsrichtung 20 um ihre Hochachse H gedreht, wobei die Rotationsrichtung 20 gemäß 3e der Rotationsrichtung 20 gemäß 3b und c entgegengesetzt ist. Hierdurch wird, wie bereits eingangs erwähnt, ein Verdrehen des Faserstrangs 5 verhindert. Die Spule 16 wird dann in 3f dargestellt wieder von einer Vorderseite 7 des Wickelrahmens 1 zu einer Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 in Richtung 21 bewegt, so dass wiederum ein erneuter formschlüssiger Eingriff in einem Zahnzwischenraum 6 durch den Faserstrang 5 erfolgt.
-
4 zeigt eine Detailansicht des Rahmens 2, wobei der Rahmen 2 auf seinem äußeren Rand 3 umlaufend Zähne 4 angeordnet hat. Zwischen den Zähnen 4 ist der Zahnzwischenraum 6 ausgebildet, wobei zwei Zähne 4 zueinander einen Abstand 22 zueinander aufweisen. Wie hier dargestellt, sind es die Zahnspitzen 23, die einen entsprechenden Abstand 22 zueinander aufweisen, im Rahmen der Erfindung können die Zähne 4 jedoch auch rechteckig konfiguriert sein, so dass dann der Abstand 22 von einer Zahnflanke 24 zur nächsten Zahnflanke 24 zu sehen ist. Bei den hier dargestellten spitzen Zähnen 4 ist in den Zahnzwischenräumen 6 ein Talbereich 25 ausgebildet. In dem Talbereich 25 legt sich der Faserstrang 5 derart an, dass er seine ursprüngliche Breite 26 im Wesentlichen beibehält, jedoch nicht verdreht oder verdrillt wird. Hierdurch wird ein flächiges Anliegen des Faserstranges 5 auf der hier dargestellten Vorderseite 7, aber auch auf der Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 über den Talbereich 25 hinweg gewährleistet.
-
5a bis c zeigen verschiedene Ausführungsvarianten der Zähne 4 auf dem Rahmen 2. 5a zeigt spitz zulaufende Zähne 4 mit Zahnspitzen 23, wobei zwischen den Zähnen 4 ein Talbereich 25 ausgebildet ist. Die Zahnspitzen 23 weisen jeweils einen Abstand 22 zueinander auf. 5b zeigt Zähne 4, die eine säbelartige oder aber haifischflossenartige Krümmung aufweisen, wobei sich zwischen den Zähnen 4 ebenfalls ein Talbereich 25 ausbildet. Die Spitzen der Zähne 4 weisen wiederum einen Abstand 22 zueinander auf. Die Ausführungsvariante gemäß 5c zeigt zwei spitz zulaufende Zähne 4, wobei die Zähne 4 jeweils eine Zahnspitze 23 aufweisen. Zwischen den zwei Zähnen 4 erstreckt sich ein Abstand 27 auf dem Rand 3, so dass in der Breite des Abstandes 27 eine auf dem Rand im Wesentlichen gerade Auflagefläche für den nicht näher dargestellten Faserstrang erfolgt.
-
6a bis d zeigen verschiedene Bewicklungsmuster eines Wickelrahmens 1 mit einem Faserstrang 5. Gemäß 6a ist der Wickelrahmen 1 mit dem Faserstrang 5 in unidirektionaler Richtung 28 aufgewickelt. Dies bedeutet, dass alle Faserstränge 5 in eine Richtung orientiert sind, also parallel zueinander verlaufen. Die Bewicklung kann derart erfolgen, dass sich zwischen den Fasersträngen 5, wie hier dargestellt, ein Zwischenraum 29 ergibt, die Faserstränge 5 können jedoch auch so dicht auf den Wickelrahmen 1 gewickelt sein, dass sie ohne Zwischenraum 29 nebeneinander oder aber teilweise überlappend angeordnet sind. Im Innenbereich 8 des Wickelrahmens 1 entsteht somit ein im Wesentlich flächig ausgebildeter Faserwerkstoffrohling 30.
-
Gemäß der 6b ist eine Bewicklung in zwei unidirektionale Richtungen 28 möglich, wobei dann die zwei unidirektionalen Richtungen 28 in einem Winkel α zueinander angeordnet sind. Hier dargestellt ist ein Winkel α von im Wesentlichen 90°, es ist jedoch auch jede beliebige Winkellage der zwei unidirektionalen Richtungen 28 zueinander möglich. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, 3, 4 oder mehr unidirektionale Richtungen 28 auszubilden. Auch hier ergeben sich Zwischenräume 29, die je nach Art der Bewicklung, Dichte des Faserstrangs 5 und Materials als Freiräume ausgebildet sein können oder aber auch durch ein direktes benachbartes Anliegen der Faserstränge 5 zueinander gefüllt sein können.
-
6c zeigt eine weitere Ausführungsvariante als Bewicklungsmöglichkeit des Wickelrahmens 1, wobei hier die Fasern unidirektional übereinander gelegt sind. D. h. die Fasern von Vorderseite 7 und Rückseite des Wickelrahmens 1 sind jeweils in einem Winkel zueinander angeordnet, so dass sich ein entsprechend mehrdirektionales Geflecht für den im Innenbereich des Wickelrahmens 1 ergebenden Faserwerkstoffrohlings einstellt. Die Dichte des Fasermaterials ist, in 6c gut erkennbar, steuerbar, so dass ein Innenteil 31 gänzlich freibleibend ist und sich von dem Innenteil 31 zu dem äußeren Rand 3 erstreckend verschiedene Faserdichten einstellen.
-
Gemäß der Ausführung in 6d ist der Wickelrahmen 1 derart exzentrisch mit dem Faserwerkstoff umwickelt worden, dass zwar ein Innenteil 31 gleich bleibend zu 6c freibleibt, jedoch die Faserdichte sich zu einer Seite hin verlagert und auch dort konzentriert. Mit einem solch hergestellten Faserwerkstoffrohling ist es beispielsweise möglich, ein nicht näher dargestelltes, U-förmiges Faserwerkstoffverbundbauteil herzustellen, das dann in dem Bereich der höchsten Dichte seine höchste Festigkeit hat und beispielsweise zwei Ausleger mit geringeren Festigkeitsanforderungen aufweist. Der so in 6d dargestellte Faserwerkstoffrohling ist optimal an das herzustellende Faserwerkstoffverbundbauteil angepasst, so dass wenig Verschnitt beim Herstellungsprozess auftaucht.
-
7a zeigt ein auf einem Wickelrahmen 1 hergestellten Faserwerkstoffrohling 30, der gemäß 7b zu einem Faserwerkstoffverbundbauteil 32 umgeformt wurde. Der Winkelrahmen 1 des Faserwerkstoffrohlings 30 gemäß 7a weist einen Außendurchmesser 10 auf, der größer ist als der Außendurchmesser 33 des Wickelrahmens 1 des Faserwerkstoffverbundbauteils 32 nach dem Umformen. Dies erfolgt aufgrund einer Kontraktion 34 von allen Seiten zur gezielten Nachführung der in dem Faserverbundwerkstoffbauteil 32 ausgebildeten Faserorientierung. Der elastisch verformbare Wickelrahmen 1 kann entweder ein verlorenen Wickelrahmen 1 sein oder aber nach dem Ausschneiden des Faserverbundwerkstoffbauteils 32 aus dem Wickelrahmen 1 wieder verwendet werden. Der Wickelrahmen 1 dient somit während des Umformvorgangs als Spannrahmen.
-
Ebenfalls dargestellt ist dieses in 8a bis c, die den Umformprozess eines Faserwerkstoffrohlings 30, welcher auf einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 gewickelt ist, darstellt. Hierzu wird der Faserwerkstoffrohling 30 gemäß 8 in ein Umformwerkzeug 35 eingelegt und positioniert. Anschließend wird das Umformwerkzeug 35 geschlossen, so dass sich der einen Außendurchmesser 10 aufweisende Wickelrahmen 1 kontrahiert 34 und dabei ein gezieltes Nachführen der Fasern des Faserwerkstoffrohlings 30 in den Formhohlraum 36 ermöglicht. So wird auch im Bereich mit lokalen hohen Umformgraden 37 eine gezielte Faserausrichtung innerhalb des Umformwerkzeugs 35 durch den erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 ermöglicht.
-
Nach Abschluss des Umformverfahrens, dargestellt in 8c, weist der Wickelrahmen 1 einen gegenüber dem ursprünglichen Außendurchmesser 10 verringerten Außendurchmesser 33 auf. Der kontrahierte bzw. verringerte Außendurchmesser 33 ist jedoch derart dimensioniert, dass ein sich dadurch einstellender Innendurchmesser 9 des Wickelrahmens 1 größer ist als ein Außendurchmesser 38 des Umformwerkzeugs 35. Hier ist jedoch erfindungsgemäß innerhalb des Produktionsprozesses abzustimmen, dass der sich während der Umformung einstellende Innendurchmesser 9 des Rahmens nur geringfügig größer ist als der Außendurchmesser 38 des Umformwerkzeugs 35, so dass möglichst geringer Verschnitt bzw. wenig Produktionsreste anfallen.
-
In 9 ist ein Faserwerkstoffrohling 30 dargestellt, wobei der Faserwerkstoffrohling 30 auf einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 gewickelt ist. Der Wickelrahmen 1 weist dazu eine Vorderseite 7 und eine Rückseite 19 auf, wobei jeweils um den Rand 3 des Rahmens 2 die Faserstränge 5 gewickelt worden sind. Hierdurch ergibt sich auf der Vorderseite 7 eine erste Lage L1 und auf der Rückseite 19 eine zweite Lage L2, mithin ein zweilagiger Faserwerkstoffrohling 30. Zwischen den Lagen L1 und L2 ist ein Kern 39 eingewickelt worden, wobei der Kern 39 beispielsweise aus einem Füllkörper oder aber auch aus einem Harzmaterial oder aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein kann. Der Kern 39 kann dann während des Umformprozesses als Füllkörper zur Formgebung dienen oder aber auch durch ein Aufschmelzen des Harzes für eine homogene Matrixharzverteilung innerhalb des Faserverbundwerkstoffbauteils genutzt werden.
-
10a bis c zeigen einen Wickelrahmen 1 mit einer rechteckigen Kontur, wobei innerhalb des Wickelrahmens 1 der Faserwerkstoffrohling 30 mit ebenfalls rechteckiger Kontur ausgebildet ist. Auch der Wickelrahmen 1 mit rechteckiger Kontur weist einen umlaufenden Rahmen 2 mit einem äußeren Rand 3 auf, wobei auf dem Rand 3 Zähne 4 angeordnet sind. Ebenfalls ist der rechteckig konfigurierte Wickelrahmen 1 durch zwei unidirektionale Faserrichtungen 28 umwickelt, wobei die zwei unidirektionalen Faserrichtungen 28 einen Winkel α zueinander aufweisen, hier dargestellt einen in etwa rechteckigen Winkel α. In 10c ist der rechteckig konfigurierte Wickelrahmen 1 in nur einer unidirektionalen Richtung 28 mit einem Faserstrang 5 bewickelt worden.
-
11a bis c zeigen hier dargestellt jeweils 4 Wickelrahmen 1, die übereinander positioniert werden und somit dargestellt in 11c einen aus 4 übereinander gestapelten Wickelrahmen 1 in deren Innenbereich 8 ausgebildeten Faserwerkstoffrohling 30 bereitstellen. Jeder der 4 Wickelrahmen 1 weist hierzu in dem Ausführungsbeispiel gemäß 11b eine unidirektionale Ausrichtung 28 der auf ihn gewickelten Faserstränge 5 auf. Hierdurch ergibt sich ein Faserwerkstoffrohling 30 gemäß 11c, der 8 Lagen mit 4 unidirektionalen Faserausrichtungen 28 aufweist, wobei jeweils 2 benachbarte Lagen auf einen Wickelrahmen 1 die gleiche Faserausrichtung aufweisen. Durch Kombination mit verschiedensten Faserausrichtungen, beispielsweise multidirektional oder aber omnidirektional ausgerichteten Fasern, oder aber auch gemäß 6d exzentrisch angeordneten Faserdichten lässt sich so jeweils beliebig ein Faserwerkstoffrohling 30 für das herzustellende Faserverbundwerkstoffbauteil optimal bereitstellen.
-
12 zeigt den Wickelrahmen 1 in einer Ausführungsvariante mit einem außen umlaufenden Rahmen 2, wobei auf dem äußeren Rand Fortsätze in Form von Zähnen 4 ausgebildet sind und in einem Innenbereich 8 nach innen orientierte Zähne 4 angeordnet sind, wobei der Faserstrang 5 um den äußeren Rand sowie den inneren Rand des erfindungsgemäßen Wickelrahmens gewickelt ist und zwischen den nach außen orientierten Zähne 4, und den nach innen orientierten Zähnen 4 angeordnet ist. In dem Innenbereich 8 ergibt sich somit eine Öffnung, die nicht von dem Faserstrang 5 überdeckt ist. Hierdurch lassen sich gezielt Faserwerkstoffrohlinge herstellen, die beispielsweise eine oder mehrere Öffnungen ohne Faserstrangmaterial aufweisen. Im Rahmen der Erfindung wird eine solche Ausführungsvariante insbesondere verwendet, wenn der Wickelrahmen, insbesondere der innere Hilfsrahmen selber als verlorener Rahmen ausgebildet ist, beispielsweise in dem später hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil verbleibt oder aber aus diesem herausgetrennt oder herausgeschmolzen wird. Der innere Teil des Wickelrahmens ist beispielsweise über nicht näher dargestellte Speichen an dem äußeren Rahmen aufgehangen oder kann auch zunächst durch eine gezielte Vorabwicklung in dem äußeren Rahmen aufgehangen werden und dann durch einen nachfolgenden Wickelvorgang entsprechend der in 12 dargestellten Bewicklung bewickelt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar im Innenbereich 8 kreisrunde oder mehreckige Öffnungen auszubilden.
-
13 zeigt eine Detailansicht des Wickelrahmens, wobei auf dem äußeren Rand 3 des Rahmens 1 Zähne 4 angeordnet sind, wobei zwischen den Zähnen 4 ein Abstand 22 ausgebildet ist, der dafür sorgt, dass der in dem Zahnzwischenraum 6 angeordnete Faserstrang 5 den gleichen Abstand 40 aufweist, wie die Zähne 4 zueinander. Ferner weist der äußere Rand 3 einen Winkelverlauf auf, unter dem Winkel β. Hierdurch ergibt sich ein Abstand 41, wobei der Abstand 41 gleich der Abstand 22 durch Sinus (β) ist. Hierbei ergibt sich auch unter dem Winkel β schräg verlaufende Seite des Wickelrahmens ebenfalls der Abstand 40 zwischen den Fasersträngen 5, die in den Zahnzwischenraum 6 eingreifen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wickelrahmen
- 2
- Rahmen
- 3
- Rand
- 4
- Zähne
- 5
- Faserstrang
- 6
- Zahnzwischenraum
- 7
- Vorderseite zu 1
- 8
- Innenbereich zu 1
- 9
- Innendurchmesser zu 2
- 10
- Außendurchmesser zu 2
- 11
- Wickelvorrichtung
- 12
- Führungsrollen
- 13
- translatorische Richtung
- 14
- Drehbewegung
- 15
- Mittelpunkt zu 1
- 16
- Spule
- 17
- Antriebsrolle
- 18
- freies Ende zu 5
- 19
- Rückseite
- 20
- Rotationsrichtung zu 16
- 21
- Bewegung der Spule von 7 zu 19 bzw. von 19 zu 7
- 22
- Abstand von 4 zu 4
- 23
- Zahnspitzen
- 24
- Zahnflanken
- 25
- Talbereich
- 26
- Breite zu 5
- 27
- Abstand von 5 auf 3
- 28
- unidirektionale Ausrichtung
- 29
- Zwischenraum
- 30
- Faserwerkstoffrohling
- 31
- Innenteil
- 32
- Faserwerkstoffverbundbauteil
- 33
- Außendurchmesser zu 2 nach Umformen
- 34
- Kontraktion
- 35
- Umformwerkzeug
- 36
- Formhohlraum
- 37
- lokal hoher Umformgrad
- 38
- Außendurchmesser zu 35
- 39
- Kern
- 40
- Abstand zu 5
- 41
- Abstand
- α
- Winkel
- L1
- erste Lage
- L2
- zweite Lage
- H
- Hochachse
