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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drapieren und Zuschneiden eines Faserhalbzeugs zur Herstellung eines Vorformlings gemäß Anspruch 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Dabei wird typischerweise ein trockenes, biegeschlaffes Faserhalbzeug unter Vorspannung auf einem Formkörper drapiert, insbesondere in einer zwischen einem Unterwerkzeug und einem Oberwerkzeug angeordneten Kavität dreidimensional umgeformt. Der so erzeugte Vorformling, auch Preform genannt, wird mit einem matrixbildenden Kunststoff, beispielsweise einem Harz, imprägniert und konsolidiert. Für das Drapieren wird üblicherweise ein bereits zugeschnittenes, flaches Muster, ein sogenanntes Flat Pattern, verwendet. Der Zuschnitt ist bereits auf eine letztlich herzustellende Form eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, beispielsweise einem Bauteil für ein Kraftfahrzeug, abgestimmt. Zusätzlich weist ein solcher Zuschnitt typischerweise bereits vor dem Drapieren Entlastungsschnitte auf, die insbesondere eine Faltenbildung beim Drapieren verhindern sollen. Verformungsphänomene wie Faltenbildung, zu große Scherung oder zu große Abweichungen von einem gewünschten Faserverlauf, mithin lokale Faserwinkelfehler, können zu einer Schwächung des auszubildenden Bauteils führen, weshalb sie nach Möglichkeit vermieden werden sollen. Es zeigt sich andererseits, dass das Durchschneiden zu vieler Fasern oder Faserbündel entweder beim Zuschneiden oder beim Einbringen der Entlastungsschnitte dazu führt, dass Lasten in dem fertigen Bauteil nicht mehr adäquat übertragen werden können. Ist dies der Fall, bedarf es zur Stabilisierung des Bauteils zusätzlicher Verstärkungslagen, was eine lokale Wandaufdickung des Bauteils und ein erhöhtes Bauteilgewicht zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll es mithilfe des Verfahrens möglich sein, einen Vorformling für ein stabiles Bauteil zu erzeugen, wobei einerseits Verformungsphänomene möglichst vermieden werden, und wobei andererseits ohne Verstärkungslagen eine hinreichenden Stabilität des fertigen Bauteils erreicht werden kann, sodass auch lokale Wandaufdickungen und ein unnötig vergrößertes Bauteilgewicht vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird ein Faserhalbzeug konturnah an ein Unterwerkzeug angeschmiegt. Das Faserhalbzeug wird durch eine Spanneinrichtung fixiert. Es wird ein Oberwerkzeug zusammengestellt, welches eine Vielzahl von Werkzeugsegmenten umfasst, die einzeln oder in Gruppen verlagerbar sind. Weiterhin sind die Werkzeugsegmente einzeln oder in Gruppen bezüglich eines Anstellwinkels einstellbar. Dabei spricht der Anstellwinkel einen Winkel zu einer gedachten Mittelebene an, die durch das noch undrapierte, aber mithilfe der Spanneinrichtung gespannte Faserhalbzeug definiert wird. Beträgt der Anstellwinkel demnach 90°, wird ein Werkzeugsegment quasi senkrecht auf das Faserhalbzeug zu verlagert. Weicht der Anstellwinkel dagegen von 90° ab, erfolgt die Verlagerung des Werkzeugsegments schräg zu dem Faserhalbzeug. Das Oberwerkzeug wird zusammengestellt, indem eine Anzahl und Form der Werkzeugsegmente bestimmt wird. Da das Faserhalbzeug in einer zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug ausgebildeten Kavität umgeformt wird, weist das Oberwerkzeug insgesamt eine Form auf, welche komplementär zu der Form des Unterwerkzeugs ausgebildet ist. Daher korrespondieren Anzahl und Form der Werkzeugsegmente insoweit, als bei einer abweichenden Anzahl von Werkzeugsegmenten auch eine abweichende Form der einzelnen Werkzeugsegmente vorgesehen sein muss, um insgesamt für das Oberwerkzeug eine Form zu erhalten, die komplementär zu der Form des Unterwerkzeugs ist. Es wird ferner für jedes Werkzeugsegment ein Anstellwinkel bestimmt. Dies bedeutet nicht notwendigerweise, dass sich die Anstellwinkel aller Werkzeugsegmente voneinander unterscheiden. Vielmehr ist es auch hier möglich, dass Werkzeugsegmente in Gruppen zusammengefasst sind, wobei jeder Gruppe ein bestimmter Anstellwinkel zugewiesen wird, der verschieden ist von den Anstellwinkeln der übrigen Gruppen. Es ist aber auch möglich, dass Anstellwinkel für verschiedene Gruppen von Werkzeugsegmenten identisch gewählt werden. Selbstverständlich ist ein Fall von dem Verfahren umfasst, bei dem für jedes Werkzeugsegment ein Anstellwinkel gewählt wird, der von dem Anstellwinkel jedes anderen Werkzeugsegments abweicht. Das Oberwerkzeug wird zugefahren, was bedeutet, dass eine Relativverlagerung zwischen dem Unterwerkzeug und dem Oberwerkzeug durchgeführt wird, um die Werkzeugkavität zu schließen und somit das Faserhalbzeug zu drapieren. Dabei wird zumindest ein Teil der Werkzeugssegmente sequentiell unter dem Anstellwinkel zugefahren. Es werden also zumindest einige der Werkzeugsegmente nacheinander verlagert, wobei die Verlagerung entlang einer durch den Anstellwinkel definierten Geraden erfolgt. Dabei werden zumindest Bereiche des Faserhalbzeugs sequentiell, also nacheinander, zu Bereichen des zu bildenden Vorformlings ausgeformt. Es ist möglich, dass insgesamt alle Werkzeugsegmente sequentiell zugefahren werden, wobei auch alle entsprechenden Bereiche des Faserhalbzeugs sequentiell umgeformt beziehungsweise ausgeformt werden. Alternativ ist es möglich, dass mindestens eine Gruppe von Werkzeugsegmenten gemeinsam zugefahren wird. Davor, zugleich oder danach können einzelne Werkzeugsegmente oder andere Gruppen von Werkzeugsegmenten zugefahren werden. Einzelne Spannelemente der Spanneinrichtung werden derart angesteuert, dass in einem auszuformenden Bereich des Faserhalbzeugs lokal eine maximale Anlage desselben an das Unterwerkzeug erreicht wird.
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Das Verfahren basiert darauf, dass durch eine geschickte Wahl der Anzahl, Form und Anstellwinkel der Werkzeugsegmente für das Oberwerkzeug sowie einer anschließenden geschickten, und darauf abgestimmten Wahl der Reihenfolge, in der die Werkzeugsegmente zugefahren werden, Verformungsphänomene beim Drapieren insbesondere in einem zentralen Bereich des umzuformenden Faserhalbzeugs vermieden werden, wobei eine Faltenbildung beim Drapieren vorzugsweise in äußere Bereiche des Faserhalbzeugs verlagert wird. Es ist somit möglich, das Faserhalbzeug verformungsarm zu drapieren beziehungsweise zu einem Vorformling umzuformen. Dabei wird lokal auf eine maximale Anlage des Faserhalbzeugs an das Unterwerkzeug geachtet, sodass die Drapierung verformungsarm verläuft.
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Das Faserhalbzeug ist vorzugsweise als Gewebe oder Gelege ausgebildet. Alternativ ist es möglich, dass das Faserhalbzeug als Matte, Gewirk, Geflecht, Gestrick, Vlies oder als andersartige Faseranordnung ausgebildet ist. Das Faserhalbzeug kann Einzelfasern und/oder Faserbündel, sogenannte Rovings, umfassen. Bevorzugt weist das Faserhalbzeug Kohlefasern, Glasfasern, Kunststofffasern wie Aramidfasern, Metallfasern und/oder anderer geeignete Fasern auf. Kombinationen verschiedener Fasern in einem Faserhalbzeug sind möglich.
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Das Unterwerkzeug ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Bei einer alternativen Ausbildungsform des Verfahrens ist es möglich, dass das Unterwerkzeug ebenfalls aus Werkzeugsegmenten zusammengesetzt ist. Dies ermöglicht eine Verwendung desselben Unterwerkzeugs nach dem Baukastenprinzip für verschiedene auszuformende Geometrien. In diesem Fall wird vorzugsweise auch für das Unterwerkzeug eine Anzahl und Form sowie gegebenenfalls ein Anstellwinkel für die verschiedenen Werkzeugsegmente bestimmt, aus welchen das Unterwerkzeug zusammengestellt ist.
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Das Faserhalbzeug wird zunächst konturnah an das Unterwerkzeug angeschmiegt, um bereits vor dem eigentlichen Drapieren eine möglichst weitreichende Anlage an dem Unterwerkzeug zu gewährleisten. Insbesondere soll dabei eine Anzahl und Ausdehnung von Kontaktflächen zwischen dem Faserhalbzeug und dem Unterwerkzeug maximiert werden. Hierdurch wird der anschließend beim eigentlichen Drapiervorgang zurückzulegende Verformungsweg des Faserhalbzeugs minimiert, was sich günstig auf die Genauigkeit der Drapierung auswirkt und dazu beiträgt, unzulässige Verformungsphänomene von vornherein zu vermeiden.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Faserhalbzeug bereichsweise eingeschnitten wird. Alternativ oder zusätzlich werden Bereiche des Faserhalbzeugs ausgeschnitten. Hierbei werden Falten beseitigt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Zuschnitt des Faserhalbzeugs erzeugt. Insbesondere wird das Faserhalbzeug vorzugsweise am Ende des Drapierverfahrens eingeschnitten oder zugeschnitten. Es ist möglich, gezielt verformte Bereiche, insbesondere Bereiche, in denen Falten aufgetreten sind, auszuschneiden, um solche Verformungen zu beseitigen. Alternativ oder zusätzlich sind Entlastungsschnitte möglich, um Spannungen in dem Faserhalbzeug zu reduzieren und hierdurch Falten oder andere Verformungen zu glätten beziehungsweise zu eliminieren. Weiter alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise ein auf das auszubildende Bauteil abgestimmter Zuschnitt des Faserhalbzeugs erzeugt. Dabei zeigt sich, dass im Rahmen des Verfahrens bevorzugt nicht mit einem vorgeschnittenen Faserhalbzeug, also einem Zuschnitt oder Flat Pattern gearbeitet wird, sondern dass vielmehr Einschnitte oder Ausschnitte erst während und/oder nach dem Drapieren erzeugt werden. Hierdurch wird effektiv vermieden, dass zu viele Fasern oder Faserbündel durchtrennt werden, was sich positiv auf die Stabilität des letztlich auszubildenden Bauteils auswirkt. Hierdurch können Verstärkungslagen vermieden werden, sodass keine lokalen Wandaufdickungen und kein unnötig erhöhtes Bauteilgewicht resultieren.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Reihenfolge festgelegt wird, in der die Werkzeugsegmente sequentiell zugefahren werden. Diese wird vorzugsweise abgestimmt auf die Anzahl, die Form und die Anstellwinkel der Werkzeugssegmente, um eine verformungsarme Drapierung zu ermöglichen.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Anstellwinkel für wenigstens eines der Werkzeugsegmente so gewählt wird, dass sich beim Zufahren des Werkzeugsegments ein möglichst symmetrischer Materialeinzug des Faserhalbzeugs in die lokal auszubildende geometrische Struktur ergibt. Dies ist besonders wichtig, wenn ein mehrseitiger Materialeinzug erfolgt. Durch eine Symmetrisierung des Materialeinzugs wird nämlich der lokale Verlagerungsweg des zu drapierenden Faserhalbzeugs minimiert, wodurch auch das Risiko einer unzulässigen Verformung minimiert wird. Betrachtet man beispielsweise einen lokalen Bereich der auszuformenden Geometrie, welcher zwei im rechten Winkel aufeinander stehende Flächen nach Art einer Treppenstufe umfasst, wobei das Unterwerkzeug die konkave Stufe und das Oberwerkzeug eine entsprechende konvexe Struktur umfasst, so zeigt sich, dass der Materialeinzug ausschließlich entlang einer der beiden Flächen erfolgt, wenn das Oberwerkzeug entlang einer Richtung auf das Unterwerkzeug zugefahren wird, welche parallel zu der einen Fläche und senkrecht auf der anderen Fläche steht. Wird dagegen das Oberwerkzeug parallel zu einer Winkelhalbierenden zwischen den beiden Flächen, also in einem Winkel von 45°, auf das Unterwerkzeug zugefahren, ergibt sich ein symmetrischer Materialeinzug entlang beider Flächen. Der Gesamtverlagerungsweg des Faserhalbzeugs ist dann minimal. Unzulässige Verformungsphänomene wie eine zu starke Aufscherung, unzulässige Faserwinkel und/oder eine Faltenbildung können so wirksam vermieden oder zumindest minimiert werden. Die entsprechenden Überlegungen können ohne Weiteres auf kompliziertere geometrische Strukturen angewendet werden. Dabei zeigt sich, dass der optimale Anstellwinkel für jedes Werkzeugsegment stets eine Funktion der lokal auszuformenden Geometrie ist und bevorzugt so gewählt wird, dass sich ein möglichst symmetrischer Materialeinzug ergibt. Vorzugsweise wird der Anstellwinkel für jedes Werkzeugsegment so gewählt, dass sich beim Zufahren aller Werkzeugsegmente ein möglichst symmetrischer Materialeinzug des Faserhalbzeugs in die lokal auszubildenden geometrischen Strukturn ergibt.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass zur Zusammenstellung des Oberwerkzeugs in geometrisch einfachen Bereichen der auszuformenden Geometrie eine geringere Zahl von Werkzeugsegmenten gewählt wird, wobei zur Zusammenstellung des Oberwerkzeugs in geometrisch komplexeren Bereichen der auszuformenden Geometrie eine größere Zahl von Werkzeugsegmenten gewählt wird. Dabei spricht eine Zahl von Werkzeugsegmenten hier insbesondere eine Flächendichte von Werkzeugsegmenten an, was bedeutet, dass geometrisch einfache Bereiche mit einer bestimmten Ausdehnung stets bevorzugt durch weniger Werkzeugsegmente darstellt werden als geometrisch komplexere Bereiche mit vergleichbarer Ausdehnung, die bevorzugt durch eine größere Anzahl von Werkzeugsegmenten, also feinkörniger oder mit höherer Auflösung dargestellt werden. Insgesamt wird vorzugsweise eine Minimalzahl von Werkzeugsegmenten angestrebt.
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Als geometrisch einfache Bereiche gelten insbesondere konvexe Bereiche, wobei die Begriffe konvex und konkav hier mit Blick vom Oberwerkzeug aus auf das Unterwerkzeug gewählt werden. Weist also das Unterwerkzeug quasi eine Ausstülpung zum Oberwerkzeug hin auf, auf die das Faserhalbzeug drapiert werden soll, handelt es sich hier um einen konvexen Bereich. Es ist dabei einfacher, das Faserhalbzeug faltenfrei beziehungsweise verformungsarm auf einer Ausstülpung abzulegen, als es in eine konkave Vertiefung hineinzudrängen. Daher werden in konvexen Bereichen der auszuformenden Geometrie bevorzugt größere Werkzeugsegmente für das Oberwerkzeug gewählt, beziehungsweise es werden größere Bereiche durch einzelne Werkzeugsegmente dargestellt, beziehungsweise es wird eine geringere Zahl von Werkzeugteilungen vorgesehen. Geometrisch komplexere Bereiche sind insbesondere konkave Bereiche, wobei das Material hier in Vertiefungen des Unterwerkzeugs hineingedrängt werden muss. Entsprechende Bereiche des Oberwerkzeugs werden bevorzugt durch kleinere Werkzeugsegmente dargestellt, beziehungsweise es wird eine höhere Anzahl von Werkzeugsegmenten für einen konkaven Bereich gewählt, beziehungsweise es wird eine vermehrte Anzahl von Werkzeugteilungen in dem konkaven Bereich vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, den Materialeinzug besser zu steuern beziehungsweise zu kontrollieren. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die verschiedenen Werkzeugsegmente sequentiell, also nacheinander zugefahren werden, wodurch sich gegebenenfalls beim Drapieren ergebende Falten ausgestrichen werden können.
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Weiterhin zeigt sich, dass vorzugsweise in zusammenhängenden Bereichen, die als sogenannte 2,5D-Bereiche bezeichnet werden, also insbesondere Bereiche, in denen eine Krümmung ausschließlich in einer Richtung gegeben ist, möglichst mit einem Werkzeugsegment dargestellt werden. Hierdurch kann eine hohe Ablegegenauigkeit des Faserhalbzeugs gewährleistet werden. Umgekehrt werden sogenannte 3D-Bereiche, in denen insbesondere eine Krümmung der auszuformenden Geometrie in zwei Richtungen gegeben ist, durch eine größere Zahl von Werkzeugsegmenten dargestellt, um den Materialeinzug besser steuern beziehungsweise kontrollieren zu können. Nach Möglichkeit wird bevorzugt eine Werkzeugteilung innerhalb einer von zwei 2,5D-Bereichen eingeschlossenen 3D-Fläche, zum Beispiel im Bereich einer Ecke, insbesondere einer Ecke, an der drei Kanten aufeinandertreffen, vermieden, wodurch einer überhöhten Faltenbildung vorgebeugt werden kann.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass in Hinblick auf die Reihenfolge, in der die Werkzeugsegmente zugefahren werden, zuerst Werkzeugsegmente in geometrisch einfachen Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren werden, bevor Werkzeugsegmente in geometrisch komplexen Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren werden. Diese Vorgehensweise entspricht einer ersten Strategie minimaler lokaler Scherung und maximaler lokaler Faserwinkelgenauigkeit. Vorzugsweise wird in Bereichen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen an den Faserwinkel begonnen, vorzugsweise in 2,5D-Ebenen beziehungsweise an einfach gekrümmten Oberflächen. Hierbei werden die einzelnen Werkzeugsegmente sequentiell zugefahren. Danach werden – vorzugsweise ebenfalls sequentiell – die Werkzeugsegmente in geometrisch komplexeren Bereichen, insbesondere in 3D-Bereichen beziehungsweise in zweifach gekrümmten Oberflächenbereichen zugefahren. Auf diese Weise können lokal sehr hohe Faserwinkelgenauigkeiten erzielt werden. Allerdings ist das Schergefälle, also ein Unterschied im Scherwinkel zwischen Zonen minimaler Scherung und Zonen maximaler Scherung, hoch. Dies liegt daran, dass für die Ausbildung einer geometrisch komplexeren Struktur ein größerer Materialeinzug erforderlich ist als für die Ausbildung einer geometrisch einfacheren Struktur. Werden also zunächst die geometrisch einfachen Bereiche ausgebildet und das Faserhalbzeug in diesen Bereichen durch das Unterwerkzeug einerseits und die entsprechenden Werkzeugsegmente des Oberwerkzeugs andererseits fixiert, steht in benachbarten, geometrisch komplexeren Bereichen weniger Material für einen Einzug zur Verfügung. Daher schert das Faserhalbzeug in diesen Bereichen stärker auf. Hierdurch kann sich eine erhöhte Faltenbildung ergeben, und es ist möglich, dass letztlich eine größere Zahl von Entlastungsschnitten, also Einschnitten oder auch Durchschnitten nötig sind. Die hier beschriebene Strategie ist daher eher für kleinere Lagengrößen und weniger zur Drapierung von Ganzkörperlagen geeignet.
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Gemäß einer alternativen Vorgehensweise werden zunächst Werkzeugsegmente in geometrisch komplexen Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren. Danach werden Werkzeugsegmente in geometrisch einfachen Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren. Dies entspricht einer zweiten Strategie maximalen Materialeinzugs. Es wird also vorzugsweise in Bereichen mit höchster geometrischer Komplexität begonnen, vorzugsweise in konkaven Bereichen, da hier der größte Materialeinzug benötigt wird. Weiterhin werden bevorzugt Bereiche zuerst ausgeformt, welche einen größten Abstand zum Halbzeugrand aufweisen. Hierdurch wird sichergestellt, dass unter ausreichendem Materialeinzug zunächst die zentralen Bereiche ausgeformt werden, wobei dann sukzessive die benachbarten Regionen bis zum Bauteilrand ausgeformt werden. Es wird sichergestellt, dass ein maximal kontrollierbarer Materialeinzug für die verbleibenden zu drapierenden Bereiche erhalten bleibt. Dies erfolgt dadurch, dass zunächst die Bereiche ausgeformt werden, welche einen großen Materialeinzug benötigen werden, während erst danach die Bereiche ausgeformt werden, die einen geringeren Materialeinzug benötigen. Daher ist es in diesem Fall weniger nachteilig, wenn durch Fixierung des Faserhalbzeugs in benachbarten, bereits ausgeformten Bereichen weniger Material zum Einzug zur Verfügung steht, als wenn das benachbarte Material noch nicht fixiert wäre. Die hier beschriebene zweite Strategie birgt ein größeres Potenzial bei der Umformung einer Ganzkörperlage. Zwar sind die lokalen Faserwinkelgenauigkeiten nicht so hoch wie bei der zuvor beschriebenen ersten Strategie, insgesamt sind aber Faserwinkelabweichungen homogener verteilt. Das Schergefälle ist geringer, insgesamt tritt aber eine erhöhte Scherung auf.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, bei welchem zunächst Werkzeugsegmente in konkaven Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren werden, bevor Werkzeugsegmente in konvexen Bereichen der auszuformenden Geometrie zugefahren werden. Es ist möglich, dabei auch den Abstand der Bereiche zum Rand des Faserhalbzeugs zu berücksichtigen. Es können also zunächst zentrale, konkave Bereiche ausgeformt werden, danach randnahe konkave Bereiche, schließlich zentrale konvexe Bereiche und zuletzt randnahe konvexe Bereiche.
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Schließlich ist es nach einer anderen Strategie auch möglich, zunächst zentrale konkave Bereiche, dann zentrale konvexe Bereiche, dann randnahe konkave Bereiche und schließlich randnahe konvexe Bereiche auszuformen.
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Die konkrete Strategie für eine Reihenfolge der zuzufahrenden Werkzeugsegmente wird vorzugsweise stets vor dem Hintergrund des Anforderungsprofils an das auszubildende Bauteil bestimmt. Hierzu müssen Toleranzabweichungen des Faserwinkels in den einzelnen Bauteilzonen festgelegt werden, aus denen schließlich bestimmt werden kann, welche Reihenfolge zur Ausformung optimal ist. Dabei ist eine Faltenbildung stets zu vermeiden.
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Es zeigt sich auch, dass die Werkzeugreihenfolge in Hinblick auf das Zufahren der einzelnen Werkzeugsegmente bevorzugt stets so gewählt wird, dass beim Drapieren Falten nach und nach in den Bereich des Halbzeugrandes verlagert werden. Damit wird das Faserhalbzeug quasi während des Drapiervorgangs ausgestrichen beziehungsweise von innen nach außen geglättet. Randständige Falten können dann am Ende des Verfahrens durch Entlastungsschnitte eliminiert, ausgeschnitten, oder beim Zufahren der letzten Werkzeugsegmente geglättet werden.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Spanneinrichtung einen Spannrahmen umfasst. Das Faserhalbzeug ist in dem Spannrahmen vorgespannt und wird konturnah an das Unterwerkzeug angeschmiegt, indem es mithilfe des Spannrahmens über das Unterwerkzeug gestülpt wird. Hiermit ist eine Relativverlagerung zwischen dem Faserhalbzeug beziehungsweise dem Spannrahmen und dem Unterwerkzeug angesprochen. Es ist möglich, dass das in dem Spannrahmen eingespannte Faserhalbzeug mit diesem gemeinsam relativ zu dem Unterwerkzeug verlagert wird, um es möglichst nah an die Unterwerkzeugkontur mit maximalen Kontaktpunkten anzuschmiegen. Alternativ ist es möglich, dass der Spannrahmen mit dem eingespannten Faserhalbzeug festgehalten wird, während das Unterwerkzeug verlagert wird, um das Faserhalbzeug an seine Kontur anzuschmiegen. Schließlich ist es auch möglich, dass sowohl der Spannrahmen als auch das Unterwerkzeug aufeinander zu verlagert werden, wobei das Faserhalbzeug konturnah in eine Lagepositionierung mit maximalen Kontaktpunkten an die Unterwerkzeugkontur angeschmiegt wird. Insgesamt wird so eine beim endgültigen Drapieren nötige Verlagerung beziehungsweise ein Materialeinzug des Faserhalbzeugs minimiert, weil dieses bereits in dem Ausgangszustand des Drapierens konturnah an der Unterwerkzeugkontur anliegt.
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Die Spanneinrichtung weist vorzugsweise Spannelemente auf, welche bevorzugt Rückhalteelemente und/oder Klemmelemente umfassen. Rückhalteelemente sind vorgesehen, um den Materialeinzug zu steuern, insbesondere indem Rückhaltekräfte parallel zur Faserrichtung erzeugt werden, die dem Materialeinzug entgegenwirken. Vorzugsweise sind die Rückhalteelemente so ausgebildet, dass die Rückhaltekräfte lokal bedarfsgerecht während des Verfahrens variiert werden können. Klemmelemente sind bevorzugt vorgesehen, um Klemmkräfte senkrecht zur Faserrichtung auf das Faserhalbzeug aufzubringen, wodurch lokal während des Drapiervorgangs eine Faltenbildung vermieden werden kann, indem die lokale Scherfestigkeit beziehungsweise das lokale Drapierverhalten des Faserhalbzeugs variiert werden kann. Vorzugsweise sind auch die Klemmelemente so ausgebildet, dass die entsprechenden Klemmkräfte bedarfsgerecht lokal während des Verfahrens variiert werden können. Die Rückhalteelemente und die Klemmelemente sind vorzugsweise entlang eines Umfangs des Faserhalbzeugs angeordnet und besonders bevorzugt einzeln ansteuerbar. Dabei ist es möglich, dass insbesondere die Rückhalteelemente von dem Spannrahmen umfasst sind. Insbesondere ist es möglich, dass das Faserhalbzeug mithilfe der Rückhalteelemente in den Spannrahmen eingespannt ist. Dabei ist es möglich, dass die Rückhalteelemente als Klemmen ausgebildet sind, mit denen das Faserhalbzeug gehalten wird. Es ist auch möglich, dass die Klemmelemente an dem Spannrahmen angeordnet oder als Teil des Spannrahmens ausgebildet sind.
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Mithilfe insbesondere der Klemmelemente oder mithilfe der Klemmelemente in Kombination mit den Rückhalteelementen sind Nachführkräfte aufbringbar, bevorzugt bedarfsgerecht variierbar, die beeinflussen, inwieweit das Material beim Drapieren nachgeführt werden kann. Dies beeinflusst zugleich die lokale Scherfestigkeit beziehungsweise Drapierbarkeit. Insbesondere mithilfe der Rückhalteelemente sind auch Vorspannkräfte in das Material einbringbar, wodurch es insbesondere möglich ist, entstehende Falten zu glätten oder die Faltenbildung zu vermeiden, indem durch gezielte, lokale Abstimmung der Vorspannkräfte eine lokale Scherfestigkeit beziehungsweise Drapierbarkeit des Faserhalbzeugs variiert wird.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass mithilfe der Spannelemente, also insbesondere der Rückhalte- und/oder Klemmelemente, lokal Nachführkräfte, Rückhaltekräfte und/oder Vorspannkräfte abgestimmt werden, und zwar insbesondere in Hinblick auf einen Angriffspunkt, einen Betrag, eine Wirkrichtung, einen Angriffszeitpunkt während des Verfahrens und/oder eine Einwirkdauer während des Verfahrens, jeweils bezogen auf die lokal ausgeübte Kraft. Hierdurch ist es besonders flexibel möglich, mittels der Spanneinrichtung lokal die Scherfestigkeit beziehungsweise Drapierbarkeit des Materials zu beeinflussen, gegebenenfalls Falten zu glätten und/oder eine Faltenbildung von vornherein zu vermeiden. Insgesamt wird der Materialeinzug bevorzugt so gesteuert, dass die Faltenbildung minimiert beziehungsweise im Laufe des Verfahrens in die Randbereiche des Faserhalbzeugs verlagert wird. Diese sogenannte Niederhaltestrategie wird vorzugsweise auf die Werkzeugsteuerung abgestimmt. Dies bedeutet, dass bevorzugt die Wahl der entsprechenden Parameter für die Kräfte auf das sequentielle Zufahren der Werkzeugsegmente abgestimmt, insbesondere hierauf synchronisiert wird. Dabei wird über die Spanneinrichtung, insbesondere den Spannrahmen, die Lagenpositionierung über dem Werkzeug und die Nachführung des Faserhalbzeugs im Prozess beeinflusst. Besonders bevorzugt wird dabei mittels des Spannrahmens das Faserhalbzeug derart positioniert, dass vor jeder Umformung mit einem Werkzeugsegment das Material in dem auszuformenden Bereich mit maximaler Kontaktfläche an das Unterwerkzeug angelegt wird. Es kann so eine geringe Verformungstiefe erzielt werden. Der Spannrahmen ist vorzugsweise flexibel auf die jeweilige Drapiersituation beziehungsweise das auszubildende Bauteil oder die Vorformling-Geometrie anpassbar. Er kann also vorzugsweise in Hinblick auf seine Geometrie und/oder in Hinblick auf die Position der einzelnen Rückhalte- und/oder Klemmelemente verändert werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einschneiden und/oder das Ausschneiden des Faserhalbzeugs unmittelbar vor und/oder gleichzeitig mit dem Zufahren des letzten Werkzeugsegments oder der letzten Gruppe von Werkzeugsegmenten durchgeführt werden. Dies steht vorzugsweise in Zusammenhang damit, dass das Verfahren so geführt wird, dass eine Faltenbildung in die äußeren Randbereiche verlagert wird, wobei mithin das Faserhalbzeug während des Drapierens quasi von einem Zentrum bis zum Rand ausgestrichen beziehungsweise geglättet wird. Die in dem Rand verbleibenden Falten werden dann vorzugsweise mittels eines Lasers und/oder eines Cutters, also mindestens eines Schneidmessers, vor dem Zufahren des letzten Werkzeugsegments oder der letzten Gruppe von Werkzeugsegmenten ausgeschnitten. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, alle oder einzelne Falten gleichzeitig mit dem Zufahren des letzten Werkzeugsegments auszuschneiden beziehungsweise Entlastungsschnitte in das Faserhalbzeug derart einzubringen, dass die noch verbleibenden Falten beim Zufahren des letzten Werkzeugsegments oder der letzten Gruppe von Werkzeugsegmenten geglättet werden, oder dass in Bereichen, bei denen ein Risiko einer Faltenbildung besteht, diese beim Zufahren des letzten Werkzeugsegments oder der letzten Gruppe von Werkzeugsegmenten ausbleibt. Mithilfe dieser Strategie wird vorzugsweise vermieden, dass ein bereits eingeschnittenes Faserhalbzeug für die Drapierung verwendet werden muss. Es kann daher am Ende des Verfahrens festgestellt werden, in welchen Bereichen tatsächlich noch Einschnitte nötig sind, um eine verformungsarme Drapierung zu gewährleisten. Daher werden nicht im Vorhinein zu viele Einschnitte gemacht, sondern es erfolgen bedarfsgerecht zum Ende des Verfahrens nur die tatsächlich nötigen Schnitte. Hierdurch ist das entstehende Bauteil sehr viel stabiler, sodass auf Verstärkungslagen, mithin zusätzliche Wandaufdickungen und ein erhöhtes Bauteilgewicht verzichtet werden kann. Auch ein Zuschnitt des Faserhalbzeugs auf die letztlich gewünschte Geometrie des Vorformlings beziehungsweise des Bauteils erfolgt vorzugsweise erst vor, gleichzeitig mit oder sogar nach dem Zufahren des letzten Werkzeugsegments oder der letzten Gruppe von Werkzeugsegmenten. Auch so werden bevorzugt zu große Verschnitte vermieden. Insgesamt wird eine Maximierung der Halbzeuglagenfläche und Minimierung der Einschnitte unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Prozessparameter angestrebt.
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Besonders wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Faserhalbzeug einer Ganzkörperlage konturnah an das Unterwerkzeug angeschmiegt wird. Dies steht im Gegensatz zu der üblichen Vorgehensweise, ein bereits zugeschnittenes Faserhalbzeug zu drapieren. Besonders bevorzugt wird eine Ganzkörperlage verwendet, die frei von Einschnitten ist. Sie ist also nicht nur nicht zugeschnitten, sondern weist auch noch keine Entlastungsschnitte auf. Im Gegensatz hierzu wird herkömmlicherweise im Vorhinein eine Verformung des Materials beim Drapieren simuliert, und es werden aus den Simulationsergebnissen Bereiche identifiziert, die mit Entlastungsschnitten versehen werden. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass häufig zu viele Einschnitte oder Einschnitte an falschen Stellen gesetzt werden. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird dies vermieden, indem das Faserhalbzeug ohne Einschnitte drapiert wird. Zugleich werden mithilfe der zuvor beschriebenen Strategie Falten auf ein Minimum reduziert und/oder in einen Randbereich des Faserhalbzeugs verlagert. Insbesondere wird das Verfahren so geführt, dass eine Faltenbildung erst im letzten Umformschritt, oftmals erst mit dem Zufahren des letzten Werkzeugsegments, auftritt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Einschnitt in dem noch umzuformenden, sich faltenden Bereich durchgeführt werden, sodass dieser letztlich faltenfrei umgeformt wird. So wird mit minimalen Einschnitten gewährleistet, dass einerseits eine große Ganzkörperlage umgeformt wird, wobei dies darüber hinaus faltenfrei erfolgt.
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Der Ansatz des Verfahrens stellt damit insbesondere darauf ab, eine zuschnittfreie Ganzkörperlage zu drapieren und sich einem möglichst verformungsfreien, bezüglich der anzustrebenden Bauteilgeometrie in Hinblick auf eine exakte Faserorientierung optimalen Vorformling als Endergebnis iterativ durch Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Prozessführung zu nähern.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung von Schritten einer Ausführungsform des Verfahrens.
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Bei A ist in der Figur schematisch ein Faserhalbzeug 1 dargestellt, das in einem Spannrahmen unter Vorspannung gehalten ist. Dabei wird hier mithilfe von Rückhalte- und/oder Klemmelementen einer Spanneinrichtung eine symmetrische Vorspannung bewirkt, was anhand von gleich großen Pfeilen entlang der vier Kanten des Faserhalbzeugs 1 dargestellt ist, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur ein Pfeil mit dem Bezugszeichen P gekennzeichnet ist.
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Das Faserhalbzeug 1 ist vorzugsweise als Gewebe ausgebildet. Es wird nun zunächst konturnah an die Kontur eines Unterwerkzeugs angelegt beziehungsweise angeschmiegt.
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Das Verfahren kann als dreistufiges Verfahren aufgefasst werden, wobei eine erste Stufe die Auswahl einer Werkzeugstrategie betrifft. Hierbei werden eine Anzahl und Form der Werkzeugsegmente zur Zusammenstellung eines Oberwerkzeugs bestimmt. Außerdem wird für jedes Werkzeugsegment ein Anstellwinkel festgelegt, und es wird eine Reihenfolge bestimmt, in der die einzelnen Werkzeugsegmente oder auch Gruppen von Werkzeugsegmenten in Richtung auf das Unterwerkzeug verlagert werden. Die Auswahl der Anzahl und Form der Werkzeugsegmente und auch die Festlegung der Werkzeugreihenfolge wird im Wesentlichen durch zwei Prioritäten beeinflusst: Eine erste Priorität spricht an, dass eine Anzahl und eine Größe der beim Drapieren entstehenden Falten minimiert werden sollen. Eine zweite Priorität spricht an, dass eine Scherung bei der Drapierung minimiert werden soll.
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Als zweite Stufe des Verfahrens kann die Festlegung einer Niederhaltestrategie aufgefasst werden, wobei Angriffspunkte, Wirkungsrichtungen, Beträge, Angriffszeitpunkte und/oder Einwirkdauern für mithilfe der Spanneinrichtung erzeugte lokale Nachführ-, Rückhalte- und/oder Vorspannkräfte festgelegt werden. Auch diese Vorgehensweise wird durch zwei Prioritäten bestimmt. Eine erste Priorität spricht dabei an, dass eine beim Drapieren auftretende Scherung möglichst geglättet wird, eine zweite Priorität spricht an, dass beim Drapieren auftretende Falten nach Möglichkeit ausgezogen und somit durch Aufbringen zusätzlicher Kräfte geglättet werden. Dabei wird die Niederhaltestrategie auf die Werkzeugstrategie derart abgestimmt, dass die Parameter, welche die lokalen Nachführ-, Rückhalte- und/oder Vorspannkräfte bestimmen, auf das sequentielle Zufahren der Werkzeugsegmente abgestimmt, insbesondere hierauf synchronisiert werden. Es ist so insbesondere möglich, das Faserhalbzeug beim Drapieren quasi von innen nach außen auszustreichen, es quasi sukzessive von innen nach außen zu glätten und dabei sich bildende Falten in die äußeren Randbereiche des Faserhalbzeugs zu verlagern.
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Bei B ist die Niederhaltestrategie dadurch dargestellt, dass an dem Faserhalbzeug 1 durch die Pfeile P symbolisiert lokal verschieden große Kräfte angreifen, was durch lokal verschieden lange Pfeile P visualisiert ist. Nicht dargestellt ist, dass sich die Kräfte auch lokal in Hinblick auf ihre Wirkrichtung unterscheiden können, und dass sie dynamisch appliziert werden können, also zu verschiedenen Zeitpunkten während des Verfahrens und mit zeitlich variabler Stärke und/oder Richtung, wobei sie auch verschiedene Einwirkdauern aufweisen können.
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Als dritte Stufe des Verfahrens kann eine Generierung eines Zuschnitts für das Faserhalbzeug 1 angesehen werden, was bei C in der Figur dargestellt ist. Dabei werden gezielt lokal Einschnitte in das Faserhalbzeug 1 eingebracht beziehungsweise es werden Bereiche 3 ausgeschnitten. Dabei erfolgt vorzugsweise ein minimaler Zuschnitt zur Entspannung von Falten, wobei zugleich ein Zuschnitt zur Einsparung von Material maximiert werden kann. Zu beachten ist dabei, dass zu Beginn des Verfahrens das Faserhalbzeug 1 vorzugsweise als einschnitt- und zuschnittfreie Ganzkörperlage eingesetzt wird, wobei Einschnitte und Ausschnitte erst am Ende des Verfahrens durchgeführt werden. Zugleich werden beim Einschneiden und/oder Zuschneiden vorzugsweise die durch die Spanneinrichtung aufgebrachten Kräfte, insbesondere Klemmkräfte lokal und variabel an die durch die gesetzten Schnitte veränderten Bedingungen angepasst. Auch die Zuschnittgenerierung wird bevorzugt durch zwei Prioritäten bestimmt. Eine erste Priorität spricht an, nach Möglichkeit alle Falten zu eliminieren. Eine zweite Priorität spricht an, dass eine Scherung des drapierten Faserhalbzeugs minimiert werden soll.
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Es zeigt sich, dass während bei herkömmlichen Drapierverfahren bereits ein Zuschnitt eingesetzt wird, bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren der Zuschnitt erst im Rahmen des Verfahrens, insbesondere am Ende des Verfahrens erzeugt wird. Drapierung und Zuschnittgenerierung gehen dabei Hand in Hand, was dazu führt, dass ein in Hinblick auf seine Stabilität und Belastbarkeit besonders günstiges Bauteil erzeugt werden kann, wobei es vorzugsweise keiner zusätzlichen Verstärkungslagen bedarf, sodass keine lokalen Wandaufdickungen und kein erhöhtes Bauteilgewicht auftreten.
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Dies wird mithilfe des dreistufigen Drapierverfahrens erreicht.
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Insgesamt liegen der hier vorgeschlagenen Drapiermethodik vier Fertigungsprämissen zugrunde, welche für ein optimales Drapierergebnis notwendig sind: Eine erste Fertigungsprämisse spricht an, dass eine Bauteildrapierung mit einer Ganzkörperfaserlage durchgeführt wird. Eine zweite Fertigungsprämisse spricht an, dass eine faltenfreie Drapierung angestrebt wird. Eine dritte Prämisse spricht an, dass eine minimale Anzahl von Einschnitten erzeugt wird. Schließlich spricht eine vierte Prämisse an, dass eine exakte Faserorientierung gewährleistet wird. Je nach konkret herzustellendem Bauteil, insbesondere auch je nach Anforderungen an das konkret herzustellendem Bauteil müssen diese vier Fertigungsprämissen jeweils neu untereinander abgewogen und gewichtet werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens möglich ist, möglichst faltenfrei und verformungsarm einen zugeschnittenen Vorformling für ein faserverstärktes Bauteil zu erzeugen, wobei das Bauteil eine möglichst hohe Stabilität aufweist, ohne hierfür zusätzliche Verstärkungslagen umfassen zu müssen. Dadurch wird insbesondere das Gewicht des Bauteils bei gegebener Stabilität im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorgehensweise reduziert.
