DE102013107688B3

DE102013107688B3 - Verfahren und Formvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils

Info

Publication number: DE102013107688B3
Application number: DE201310107688
Authority: DE
Inventors: Fabian Zacharias; Lars Brohme; Alexander Scheffer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-07-19

Abstract

Beim Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug (2) wird das Halbzeug (2) zwischen einem Formwerkzeug (3) mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) und einer Beaufschlagungseinrichtung (5) positioniert. Zum Anformen des Halbzeugs (2) an die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche (4) wird das Halbzeug (2) von Formteilchen (8) der Beaufschlagungseinrichtung (5) in Richtung der formgebenden Oberfläche (4) beaufschlagt. Dabei wird das Halbzeug (2) zumindest teilweise von magnetischen Formteilchen (9) der Beaufschlagungseinrichtung (5) beaufschlagt. Außerdem wird zum Anformen ein Magnetfeld angelegt, um die magnetischen Formteilchen (9) in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) zu beaufschlagen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Formvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 9.
Bei dem dreidimensional geformten faserverstärkten Formteil kann es sich um einen Vorformling handeln, der nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem Strukturelement weiterverarbeitet wird. Das Formteil kann aber auch ohne weitere Verarbeitungsschritte bereits das Strukturelement sein.
STAND DER TECHNIK
Formteile mit dreidimensionalen Strukturen können durch Abformen einer entsprechend dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche eines Formwerkzeugs hergestellt werden. Beispielsweise werden Formteile aus vorimprägnierten oder trockenen zweidimensionalen Halbzeugen hergestellt, die an das Formwerkzeug angedrückt werden. Dazu wird das Halbzeug z. B. zwischen dem Formwerkzeug und einem Expansionskörper angeordnet, der dann zum Andrücken des Gewebezuschnitts an das Formwerkzeug mit einem Fluid oder Schüttgut befüllt wird. Ein möglichst homogenes Anpressen und somit auch Anformen wird jedoch mit zunehmender Komplexität der abzuformenden Oberfläche immer schwieriger.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 054 934 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung bekannt. Die Vorrichtung weist ein Formwerkzeug mit einer auf die Faseranordnung abzuformenden Formkontur auf. Zum Anformen wird die Faseranordnung von einer Handhabungsvorrichtung der Vorrichtung gehalten und auf dem Formwerkzeug positioniert. Dann wird die Faserordnung über eine Schüttgutzuführeinrichtung der Vorrichtung mit dort als Schüttgut bezeichneten Formteilchen befüllt. Das Befüllen erfolgt ausgehend von einem tiefsten Punkt der Formkontur, und mit zunehmendem Befüllen wird die zweidimensionale flächige Faseranordnung zunehmend an die Formkontur angeformt. Das Anformen wird hierbei durch die Gewichtskraft des Schüttguts bewirkt. Nach dem Anformen wird das Schüttgut von der Faseranordnung entfernt. Gemäß DE 10 2010 054 934 A1 kann hierzu vorgesehen sein, dass das Schüttgut einen magnetischen Materialanteil aufweist und so mittels einer Magnetvorrichtung entfernt werden kann.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug aufzuzeigen, das hinsichtlich des Anformens des Halbzeugs an eine dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche eines Formwerkzeugs verbessert ist, und insbesondere auch zum Abformen von komplexen Strukturen geeignet ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Formvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aufzuzeigen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug wird das Halbzeug zwischen einem Formwerkzeug mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche und einer Beaufschlagungseinrichtung positioniert. Zum Anformen des Halbzeugs an die formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs wird das Halbzeug von Formteilchen der Beaufschlagungseinrichtung in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt. Dabei wird das Halbzeug zumindest teilweise von magnetischen Formteilchen der Beaufschlagungseinrichtung in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt. Durch die Formteilchen wird zum einen durch das Gewicht der Formteilchen eine Anpresskraft auf das Halbzeug ausgeübt, sodass das Halbzeug in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt wird. Zusätzlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass ein Magnetfeld angelegt wird, um die magnetischen Formteilchen in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche des Formwerkzeugs zu beaufschlagen. Durch das Magnetfeld wird eine magnetische Kraft auf die magnetischen Formteilchen bewirkt. Von den magnetischen Formteilchen wird so eine zusätzliche Kraft auf das Halbzeug ausgeübt, die zum Anformen an die formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs genutzt werden kann.
Durch geeignete Dimensionierung und Ausrichtung des Magnetfelds kann eine Richtung einer durch die magnetischen Formteilchen bewirkten Anpresskraft auf das Halbzeug direkt beeinflusst werden. Somit kann auch das Anformen des Halbzeugs an die formgebende Oberfläche direkt beeinflusst werden.
Beispielsweise kann die Anpresskraft aufgrund der auf die magnetischen Formteilchen wirkenden magnetischen Kraft eine Komponente aufweisen, die allein durch die auf die Formteilchen wirkende Gewichtskraft nicht erreicht werden kann. Insbesondere kann durch ein geeignetes Magnetfeld erreicht werden, dass zu der durch die Gewichtskraft bewirkten Komponente der Anpresskraft eine quer dazu wirkende Komponente hinzukommt. Ein besonders gleichmäßiges Anformen des Halbzeugs an alle Bereiche der formgebenden Oberfläche wird z. B. erreicht, indem das Magnetfeld derart angelegt wird, dass die resultierende Anpresskraft beim Anformen an den jeweiligen Bereich (zumindest ungefähr) senkrecht zu diesem Bereich der formgebenden Oberfläche wirkt.
Es ist auch möglich, dass das Halbzeug aufgrund des Magnetfelds über einzelne Bereiche hinweg gezielt mit einer größeren Anpresskraft in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt wird als in anderen Bereichen.
Um das Halbzeug in Richtung der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeugs zu beaufschlagen, kann vorgesehen sein, dass mit den Formteilchen ein Freiraum zwischen einem Grundkörper des Beaufschlagungseinrichtung und dem Halbzeug befüllt wird. Mit dem Befüllen des Freiraums mit den Formteilchen wird das Halbzeug in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt und an diese angeformt. Mit dem Befüllen und dem damit verbundenen Anformen des Halbzeugs an die formgebenden Oberfläche kann sich u. U. zwischenzeitlich das Volumen des Freiraums vergrößern. Insgesamt wird das Halbzeug mit zunehmendem Befüllen aber sukzessive an die formgebende Oberfläche angeformt.
Wenn vermieden werden soll, dass die Formteilchen unmittelbar mit dem Halbzeug in Kontakt kommen können, kann eine Abdeckung wie ein Tuch zum Abdecken des Halbzeugs zwischen dem Halbzeug und der Beaufschlagungseinrichtung angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass mit den Formteilchen ein Expansionskörper der Beaufschlagungseinrichtung befüllt wird, um das Halbzeug an die formgebende Oberfläche anzuformen.
Für den Expansionskörper gibt es vielfältige Möglichkeiten der Ausgestaltung. Insbesondere kann der Expansionskörper als eine flexible Hülle ausgestaltet sein. Dadurch kann gewährleistet werden, dass auch bei komplexen dreidimensionalen Formen ein gutes Anformen des Halbzeugs an die formgebende Oberfläche erreicht werden kann. Beispielsweise kann der Expansionskörper als flexible Kunststoffmembran ausgebildet sein. In besonderer Ausgestaltung kann ein Teil der Formteilchen der Beaufschlagungseinrichtung mechanisch gekoppelt sein, sodass diese eine flexible Hülle des Expansionskörpers ausbilden. Beispielsweise können die Formteilchen zur mechanischen Kopplung in einer Matrix eingebettet sein. Die Formteilchen können aber auch über Verbindungselemente untereinander verbunden sein. Dies wird z. B. erreicht, wenn die Formteilchen der Hülle zumindest eine Durchgangsbohrung zum "Auffädeln" auf ein Verbindungselement aufweisen. Beispielsweise können die Formteilchen in einem hexagonalen Muster als Hülle vernetzt sein.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Halbzeug ausgehend von Bereichen mit kleinerem Krümmungsradius zu Bereichen mit größerem Krümmungsradius hin an die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs angeformt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Fasern des Halbzeugs für eine besonders hohe Qualität des geformten Formteils gerichtet drapiert werden müssen. Dass das Anformen ausgehend von den Bereichen mit kleinerem Krümmungsradius erfolgt, wird z. B. erreicht, wenn das Formwerkzeug so ausgerichtet wird, dass durch das Befüllen des Expansionskörpers oder des Freiraums mit den Formteilchen das Halbzeug zunächst in diesen Bereichen in Richtung auf das Formwerkzeugs beaufschlagt wird. Alternativ oder kumulativ kann dies auch dadurch erreicht werden, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass die magnetischen Formteilchen das Halbzeug ausgehend von diesen Bereichen in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass die magnetischen Formteilchen zumindest zeitweise überwiegend in Richtung eines Bereichs der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche mit dem kleinsten Krümmungsradius beaufschlagt werden. So kann ein besonders genaues Anformen an den Bereich mit dem kleinsten Krümmungsradius erreicht werden. Insbesondere kann das Halbzeug durch die magnetischen Formteilchen in diesem Bereich "festgehalten" werden, sodass das Halbzeug auch mit dem weiteren Befüllen des Expansionskörpers oder des Freiraums in diesem Bereich fest an der Oberfläche anliegt. Es kann hierzu aber auch vorgesehen sein, dass Halbzeug in diesem Bereich über ein Heizsystem erwärmt wird, wodurch in dem erwärmten Bereich ein Bindemittel in dem Halbzeug aktiviert wird. Auf diese Weise kann das Halbzeug in bereits geformten Bereichen in seiner Form stabilisiert werden.
Um auch die Bereiche mit zunehmendem Krümmungsradius abzuformen, kann nachfolgend das Magnetfeld derart angepasst werden, dass die magnetischen Formteilchen auch in Richtung der anderen Bereiche beaufschlagt werden. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass das Magnetfeld derart angepasst wird, dass die magnetischen Formteilchen anschließend überwiegend in Richtung eines anderen Bereichs beaufschlagt werden, z. B. in Richtung des Bereichs der formgebenden Oberfläche mit dem zweitkleinsten Krümmungsradius. Dies kann aber auch dadurch erfolgen, dass die magnetischen Formteilchen weiterhin überwiegend in Richtung des Bereichs mit dem kleinsten Krümmungsradius beaufschlagt werden, aber ein Teil der magnetischen Formteilchen auch in Richtung eines anderen Bereichs beaufschlagt wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass zusätzlich zu einem Magneten, der in der Nähe des Bereichs mit dem kleinsten Krümmungsradius angeordnet ist und zunächst alleine das Magnetfeld bereitstellt, weitere Magnete in der Nähe der anderen Bereiche angeordnet oder zugeschaltet werden, die das Magnetfeld dann mitbestimmen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass ein Gradient des Magnetfelds in Bereichen der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche mit kleinerem Krümmungsradius größer ist als in ihren Bereichen mit größerem Krümmungsradius. Hierdurch wird erreicht, dass die auf die magnetischen Formteilchen wirkenden magnetischen Kräfte vor allem in Richtung der Bereiche mit kleinerem Krümmungsradius wirken. Durch entsprechende Dimensionierung des Magnetfelds und des Gradienten des Magnetfelds kann dann erreicht werden, dass diese Bereiche der Oberfläche besonders gut auf das Halbzeug abgeformt werden.
Um die magnetischen Formteilchen nach dem Anformen des Halbzeugs an die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs wieder von der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeugs weg zu beaufschlagen, kann vorgesehen sein, ein weiteres Magnetfeld anzulegen. Das weitere Magnetfeld ist dabei derart ausgelegt, dass auf die magnetischen Formteilchen magnetische Kräfte ausgeübt werden, die ein Entfernen der magnetischen Formteilchen aus dem Freiraum oder dem Expansionskörper zur Folge haben.
Neben dem Beaufschlagen des Halbzeugs mit den magnetischen Formteilchen kann vorgesehen sein, dass das Halbzeug auch mit nicht-magnetischen Formteilchen in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt wird. Die nicht-magnetischen Formteilchen können aus einem diamagnetischen Material hergestellt sein, das eine vergleichsweise kleine magnetische Permeabilität aufweist. Dann werden durch das Magnetfeld nur geringe Kräfte auf die Formteilchen aus dem diamagnetischen Material ausgeübt. Derartige nicht-magnetische Formteilchen können beispielsweise aus nicht-magnetischem Metall, Glas, Kunststoff o. ä. hergestellt sein. Die magnetischen Formteilchen sind z. B. Formteilchen aus ferromagnetischem Material wie beispielsweise magnetischem Stahl.
Das Beaufschlagen des Halbzeugs mit magnetischen und nicht-magnetischen Formteilchen kann sequentiell erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Freiraum oder der Expansionskörper zunächst nur zu einem Teil, aber ausschließlich mit magnetischen Formteilchen befüllt wird. Die magnetischen Formteilchen werden dann entsprechend dem angelegten Magnetfeld in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche beaufschlagt. Zum Beispiel kann das Magnetfeld dazu derart ausgelegt sein, dass die von den magnetischen Formteilchen auf das Halbzeug ausgeübten Kräfte vor allem in den Bereichen mit kleinerem Krümmungsradius wirken, sodass zunächst ein Anformen an diese Bereiche erfolgt. Im Anschluss daran wird der Freiraum oder der Expansionskörper mit den nicht-magnetischen Formteilchen befüllt, bis er schließlich vollständig befüllt ist und auch ein Anformen des Halbzeugs an die restlichen Bereiche erfolgt ist. Indem gleichzeitig das Magnetfeld angelegt bleibt und die magnetischen Formteilchen weiterhin in Richtung der Bereiche mit kleinerem Krümmungsradius beaufschlagt werden, kann sichergestellt werden, dass diese Bereiche beim weiteren Anformen festgehalten werden. Ein nachträgliches Bereiche kann damit effektiv verhindert werden.
Alternativ zu dem sequentiellen Befüllen des Freiraums oder des Expansionskörpers mit magnetischen und nicht-magnetischen Formteilchen kann aber auch vorgesehen sein, dass der Freiraum oder der Expansionskörper gleichzeitig mit den magnetischen und den nicht-magnetischen Formteilchen befüllt wird. Dadurch wird eine Durchmischung der magnetischen und der nicht-magnetischen Formteilchen in dem Freiraum oder Expansionskörper erreicht. Je nach Durchmischung weisen die magnetischen Formteilchen dann größere Abstände zueinander auf, sodass sich die magnetischen Formteilchen gegenseitig weniger stark beeinflussen, wenn ein Magnetfeld angelegt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, das Halbzeug mit Formteilchen unterschiedlicher Geometrien, Durchmesser und/oder Dichten in Richtung der formgebenden Oberfläche zu beaufschlagen. Welche Formteilchen jeweils vorteilhaft eingesetzt werden können, richtet sich dabei u. a. nach der Form der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche und nach dem Material des Formteils. Zum Anformen an besonders feine Strukturen können beispielsweise kugelförmige Formteilchen mit kleinem Durchmesser vorgesehen sein, während zum Anformen an gröbere Strukturen auch Formteilchen mit größerem Durchmesser eingesetzt werden können. Formteilchen mit besonders hohen Dichten werden insbesondere zum Herstellen von Formteilen aus besonders steifen Materialien eingesetzt. Die Formteilchen können auch beschichtet sein, z. B. um das Halbzeug nicht zu beschädigen, wenn sie mit diesem in Kontakt kommen.
Eine erfindungsgemäße Formvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug weist ein Formwerkzeug mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche und eine Beaufschlagungseinrichtung mit Formteilchen auf. Durch die Formteilchen kann das Halbzeug in Richtung der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeugs beaufschlagt werden, sodass das Halbzeug an die formgebende Oberfläche angeformt wird. Indem die Formteilchen bei der erfindungsgemäßen Formvorrichtung zumindest teilweise magnetische Formteilchen sind, können diese durch Anlegen eines Magnetfelds gezielt in Richtung der formgebenden Oberfläche beaufschlagt werden. Durch das Magnetfeld werden magnetische Kräfte auf die magnetischen Formteilchen bewirkt, die zu einem gezielten Anformen des Halbzeugs an die Oberfläche genutzt werden können. Zum Bereitstellen des Magnetfelds weist die erfindungsgemäße Formvorrichtung eine Magneteinrichtung auf. Mittels der Magneteinrichtung kann dann das zum Beaufschlagen der magnetischen Formteilchen erforderliche Magnetfeld angelegt werden.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Beaufschlagungseinrichtung einen Expansionskörper auf, der mit den Formteilchen befüllt werden kann, um das Halbzeug in Richtung der formgebenden Oberfläche zu beaufschlage und an diese anzuformen. Der Expansionskörper kann in besonderer Ausgestaltung eine flexible Hülle aufweisen, die aus mechanisch gekoppelten Formteilchen gebildet ist. Hierdurch können sich Vorteile hinsichtlich der Stabilität und/oder Reißfestigkeit des Expansionskörpers ergeben.
Neben den magnetischen Formteilchen können bei der erfindungsgemäßen Formvorrichtung auch nicht-magnetische Formteilchen zum Einsatz kommen. Wie bereits ausgeführt, können die magnetischen Formteilchen aus einem ferromagnetischen Material und die nicht-magnetischen Formteilchen aus einem diamagnetischen Material hergestellt sein. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, kann vorgesehen sein, dass die magnetischen und nicht-magnetischen Formteilchen durchmischt oder nacheinander zum Befüllen des Expansionskörpers oder des Freiraums zwischen dem Halbzeug und einem Grundkörper der Beaufschlagungseinrichtung zum Einsatz kommen.
Weiterhin können sich die Formteilchen hinsichtlich ihrer Geometrien, Durchmesser und/oder Dichten unterscheiden. So können je nach Form der formgebenden Oberfläche und/oder je nach Befüllung des Expansionskörpers oder des Freiraums entsprechend geeignete Formteilchen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Expansionskörper mit zunehmender Befüllung mit Formteilchen zunehmenden Durchmessers und/oder zunehmender Dichte befüllt werden. So kann ein Verlauf der Beaufschlagung des Halbzeugs durch die Beaufschlagungseinrichtung vorgegeben werden.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Formvorrichtung weist die Magneteinrichtung mindestens einen Permanentmagneten auf. Durch den mindestens einen Permanentmagneten wird dauerhaft ein Magnetfeld bereitgestellt. Ein Verändern der Position und/oder Ausrichtung des Permanentmagneten relativ zu den beaufschlagenden Formteilchen hat zur Folge, dass sich die auf die magnetischen Formteilchen wirkenden Kräfte verändern. So kann die Richtung und/oder Stärke der Beaufschlagung des Halbzeugs in Richtung der formgebenden Oberfläche variiert werden. Wenn die Magneteinrichtung einen einzelnen Permanentmagneten aufweist, kann der Permanentmagnet zum Anformen an mehrere getrennte Bereiche der formgebenden Oberfläche nacheinander in die Nähe der entsprechenden Bereiche gebracht werden. Um das Halbzeug nachfolgend an voneinander getrennten Bereichen der formgebenden Oberfläche anzuformen, kann die Magneteinrichtung aber auch mehrere Permanentmagnete aufweisen. Diese können nachfolgend in die Nähe der entsprechenden Bereiche gebracht werden, um die für das Anformen erforderlichen magnetischen Kräfte auf die magnetischen Formteilchen zu bewirken. Beispielsweise kann ein erster Permanentmagnet in die Nähe des Bereichs mit dem kleinsten Krümmungsradius gebracht werden, sodass die magnetischen Formteilchen zunächst in Richtung diesen Bereichs beaufschlagt werden. Zum Anformen an diesen Bereich kann der Permanentmagnet u. U. auch in diesem Bereich hin und her bewegt werden. Danach kann ein zweiter Permanentmagnet in die Nähe des Bereichs mit dem zweitkleinsten Krümmungsradius gebracht werden, sodass die magnetischen Formteilchen auch zu diesem Bereich hin beaufschlagt werden, usw.
Alternativ oder kumulativ kann die Magneteinrichtung auch mindestens einen Elektromagneten aufweisen. Durch Beaufschlagen des Elektromagneten mit einem elektrischen Strom, kann so gezielt ein Magnetfeld erzeugt oder abgeschaltet werden. Beispielsweise kann die Magneteinrichtung eine Reihe von Elektromagneten aufweisen, die je nach Befüllung des Expansionskörpers oder des Freiraums mit magnetischen Formteilchen mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Das Befüllen des Expansionskörpers oder des Freiraums und das Beaufschlagen des Elektromagneten können dabei von voneinander separaten Steuerungen nacheinander gesteuert sein. Es kann aber auch lediglich eine Steuerung vorgesehen sein, über die sowohl das Befüllen als auch das Beaufschlagen des Elektromagneten gesteuert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Formvorrichtung mit einem zu formenden Halbzeug.
2 zeigt eine schematische Ansicht der Formvorrichtung gemäß 1 nach einem anfänglichen Befüllen eines Expansionskörpers der Formvorrichtung.
3 zeigt eine schematische Ansicht der Formvorrichtung gemäß 2 nach Anlegen eines Magnetfelds.
4 zeigt eine schematische Ansicht der Formvorrichtung gemäß 3 nach einem weiteren Befüllen des Expansionskörpers.
5 zeigt eine schematische Ansicht der Formvorrichtung gemäß 3 mit einem vollständig befüllten Expansionskörper.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt eine Formvorrichtung 1 zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug 2. Die Formvorrichtung 1 weist ein Formwerkzeug 3 mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche 4 und eine Beaufschlagungseinrichtung 5 mit einem Expansionskörper 6 auf. Das Halbzeug 2 ist zwischen dem Formwerkzeug 3 und der Beaufschlagungseinrichtung 5 angeordnet. Dabei ist es zunächst nur lose an einem unteren Rand 7 des Formwerkzeugs 3 fest zwischen der Beaufschlagungseinrichtung 5 und dem Formwerkzeug 3 festgelegt, d. h. insgesamt ist das Halbzeug 2 noch nicht von der Beaufschlagungseinrichtung 5 gegen die formgebende Oberfläche 4 gepresst, sondern gegenüber dem Formwerkzeug 3 beweglich.
Um die formgebende Oberfläche 4 auf das Halbzeug 2 abzuformen, wird damit begonnen, das Halbzeug 2 über die Beaufschlagungseinrichtung 5 in Richtung auf die formgebende Oberfläche 4 zu beaufschlagen. Dazu wird der Expansionskörper 6 der Beaufschlagungseinrichtung 5 mit Formteilchen 8 befüllt. Durch das Gewicht der Formteilchen 8 wird eine Anpresskraft auf das Halbzeug 2 bewirkt, durch die ein Umformen des Halbzeugs 2 in Richtung der formgebenden Oberfläche 4 erreicht wird. Wie in 2 dargestellt, ist der Expansionskörper 6 erst mit einigen wenigen Formteilchen 8 befüllt. So wird das Halbzeug 2 zunächst nur in Richtung eines unteren, an den Rand 7 angrenzenden Bereichs der formgebenden Oberfläche 4 beaufschlagt. Ein vollständiges Anformen des Halbzeugs 2 an die formgebende Oberfläche 4 erfolgt aber noch nicht. Die Formteilchen 8 sind hier kugelförmig ausgebildet, um ein möglichst dichtes Befüllen des Expansionskörpers 6 zu erreichen. Außerdem ist der Expansionskörper 6, wie in 2 dargestellt, durchmischt mit magnetischen Formteilchen 9 und nicht-magnetischen Formteilchen 10 befüllt.
In 3 ist dargestellt, wie sich die Formteilchen 8 in ihrer Verteilung in dem Expansionskörper 6 und damit auch das Beaufschlagen des Halbzeugs 2 in Richtung der formgebenden Oberfläche 4 ändert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen. Das Magnetfeld wird dabei über eine Magneteinrichtung 11, die hier ein Permanentmagnet 12 ist, bereitgestellt. Durch das Magnetfeld wirkt auf jedes magnetische Formteilchen 9 eine magnetische Kraft. Die Stärke und Richtung der magnetischen Kraft hängt dabei wie das Magnetfeld vom Ort des jeweiligen magnetischen Formteilchens 9 ab. Durch geeignete Dimensionierung und Ausrichtung des Magnetfelds ergibt sich so eine zusätzliche Komponente der Anpresskraft zu der Gewichtskraft der magnetischen Formteilchen 9, die von den magnetischen Formteilchen 9 auf das Halbzeug 2 ausgeübt wird. Bei der in 3 gezeigten Anordnung ist der Permanentmagnet 12 derart ausgerichtet, dass die auf die magnetischen Formteilchen 9 wirkenden magnetischen Kräfte in Richtung der Kante 13 in der formgebenden Oberfläche 4 wirkt. Die magnetischen Formteilchen 9 sind entsprechend in Richtung einer Kante 13 beaufschlagt. Im Vergleich zu der in 2 dargestellten Situation hat sich daher die Verteilung der Formteilchen 8 in dem Expansionskörper 6 so geändert, dass nun auch Formteilchen 8 im Bereich der Kante 13 eine Anpresskraft auf das Halbzeug 2 in Richtung der Kante 13 bewirken. Im Vergleich zu 2 ist hier also durch das Anlegen des Magnetfelds die resultierende Anpresskraft im Bereich der Kante 13 erhöht. Als Folge wird das Halbzeug 2 in diesem Bereich fester an die formgebende Oberfläche 4 angepresst und so die Kante 13 auf das Halbzeug 2 abgeformt.
4 zeigt die Formvorrichtung 1 nach einem weiteren Befüllen des Expansionskörpers 6 mit Formteilchen 8. Durch das weitere Befüllen des Expansionskörpers 6 wird das Halbzeug 2 über eine zunehmende Fläche an die formgebende Oberfläche 4 des Formwerkzeugs 3 angepresst. Somit erfolgt auch in weiteren Bereichen ein Anformen des Halbzeugs 2 an die formgebende Oberfläche 4. Gemäß 4 bleibt bei dem Befüllen des Expansionskörpers 6 das durch die Magneteinrichtung 11 bereitgestellte Magnetfeld weiterhin angelegt, sodass auf die magnetischen Formteilchen 9 auch die magnetische Kraft in Richtung der Kante 13 wirkt. Hierdurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass sich das Halbzeug 2 im Bereich der Kante 13 während des weiteren Befüllens nicht wieder verformt, sondern weiterhin fest an der formgebenden Oberfläche 4 anliegt.
In der in 5 gezeigten Situation ist der Expansionskörper 6 schließlich vollständig mit Formteilchen 8 befüllt. Das Halbzeug 2 liegt hier vollständig an der formgebenden Oberfläche 4 des Formwerkzeugs 3 an. Die formgebende Oberfläche 4 wird so vollständig auf das Halbzeug 2 abgeformt.
Nach dem Anformen kann das Halbzeug 2 bereits ausreichend stabil sein, sodass seine dreidimensionale Form auch beim Entfernen der Beaufschlagungseinrichtung 5 erhalten bleibt. Es können jedoch zusätzlich Maßnahmen getroffen werden, um das Halbzeug 2 zu stabilisieren. Beispielsweise kann das Halbzeug 2 nach erfolgtem Anformen erwärmt werden, wodurch ein Bindemittel in dem Halbzeug 2 aktiviert wird, das zum Stabilisieren des geformten Halbzeugs 2 dient. Daran anschließend kann die Beaufschlagungseinrichtung 5 von dem Halbzeug 2 abgerückt werden, ohne dass sich das Halbzeug 2 in seiner Form ändert. Das geformte Halbzeug 2 kann dann nach einem beliebigen Verfahren zu dem gewünschten Formteil weiterverarbeitet werden. Mit dem Stabilisieren des geformten Halbzeugs 2 kann aber auch ohne weitere Verarbeitungsschritte bereits das dreidimensional geformte Formteil fertiggestellt sein, oder das geformte Halbzeug 2 kann, noch während es von der Beaufschlagungseinrichtung 5 beaufschlagt ist, zu dem Formteil weiterverarbeitet werden. Wenn das Halbzeug 2 ein trockenes Halbzeug ist, kann eine Injektion und ein Aushärten von Matrixmaterial noch dann erfolgen, solange das Halbzeug 2 von der der Beaufschlagungseinrichtung 5 in Richtung des Formwerkzeugs 3 beaufschlagt wird. Wenn das Halbzeug 2 ein vorimprägniertes Halbzeug ist, kann es direkt nach einem vollständigen Anformen und, während es noch von der Beaufschlagungseinrichtung 5 beaufschlagt wird, ausgehärtet werden. Die Beaufschlagungseinrichtung 5 wird dann erst abgerückt, wenn das Aushärten erfolgt und das Formteil fertiggestellt ist.
Das "Abrücken" des Expansionskörpers 6 kann beispielsweise erfolgen, indem die Formteilchen 8 wieder aus dem Expansionskörper 6 entfernt werden. Beispielsweise können die Formteilchen 8 aus dem Expansionskörper 6 abgesaugt werden. Die magnetischen Formteilchen 9 können auch durch Anlegen eines weiteren Magnetfelds entfernt werden, wobei durch das weitere Magnetfeld magnetische Kräfte auf die magnetischen Formteilchen 9 wirken, die eine Bewegung der magnetischen Formteilchen 9 aus dem Expansionskörper 6 heraus zur Folge haben.
Bezugszeichenliste

1: Formvorrichtung
2: Halbzeug
3: Formwerkzeug
4: Oberfläche
5: Beaufschlagungseinrichtung
6: Expansionskörper
7: Rand
8: Formteilchen
9: magnetische Formteilchen
10: nicht-magnetische Formteilchen
11: Magneteinrichtung
12: Permanentmagnet
13: Kante

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils aus einem Halbzeug (2), bei dem – das Halbzeug (2) zwischen einem Formwerkzeug (3) mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) und einer Beaufschlagungseinrichtung (5) positioniert wird und – das Halbzeug (2) zum Anformen des Halbzeugs (2) an die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) von Formteilchen (8) der Beaufschlagungseinrichtung (5) in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) beaufschlagt wird, – wobei das Halbzeug (2) zumindest teilweise von magnetischen Formteilchen (9) der Beaufschlagungseinrichtung (5) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld angelegt wird, um die magnetischen Formteilchen (9) in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) zu beaufschlagen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Expansionskörper (6) der Beaufschlagungseinrichtung (5) mit den Formteilchen (8) befüllt wird, um das Halbzeug (2) an die formgebende Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) anzuformen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Formteilchen (8) mechanisch gekoppelt wird, sodass sie eine flexible Hülle des Expansionskörpers (6) ausbilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) ausgehend von Bereichen mit kleinerem Krümmungsradius zu Bereichen mit größerem Krümmungsradius hin auf das Halbzeug (2) abgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass die magnetischen Formteilchen (9) zumindest zeitweise überwiegend in Richtung eines Bereichs der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) mit dem kleinsten Krümmungsradius beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass die magnetischen Formteilchen (9) nachfolgend auch in Richtung anderer Bereiche mit zunehmendem Krümmungsradius beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld derart angelegt wird, dass ein Gradient des Magnetfelds in Bereichen der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) mit kleinerem Krümmungsradius größer ist als in ihren Bereichen mit größerem Krümmungsradius.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anformen des Halbzeugs (2) an die dreidimensional konturierte formgebende Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) ein weiteres Magnetfeld angelegt wird, um die magnetischen Formteilchen (9) von der formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) weg zu beaufschlagen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (2) neben den magnetischen Formteilchen (9) auch von nicht-magnetischen Formteilchen (10) in Richtung der formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (2) von Formteilchen (8) unterschiedlicher Geometrien, Durchmesser und/oder Dichten in Richtung der formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) beaufschlagt wird.
Formvorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensional geformten faserverstärkten Formteils (2), insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit – einem Formwerkzeug (3) mit einer dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) und – einer Beaufschlagungseinrichtung (5) mit Formteilchen (8), – wobei die Formteilchen (8) zumindest teilweise magnetische Formteilchen (9) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Formvorrichtung (1) eine Magneteinrichtung (11) aufweist, die zum Bereitstellen eines Magnetfelds ausgebildet ist, um die magnetischen Formteilchen (9) in Richtung der dreidimensional konturierten formgebenden Oberfläche (4) des Formwerkzeugs (3) zu beaufschlagen.
Formvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungseinrichtung (5) einen mit den Formteilchen (8) befüllbaren Expansionskörper (6) aufweist.
Formvorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionskörper (6) eine flexible Hülle aufweist, die aus mechanisch gekoppelten Formteilchen (8) gebildet ist.
Formvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteilchen (8) zumindest teilweise auch nicht-magnetische Formteilchen (10) sind.
Formvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteilchen (8) unterschiedliche Geometrien, Durchmesser und/oder Dichten aufweisen.
Formvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung (11) mindestens einen Permanentmagneten (12) aufweist.
Formvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung (11) mindestens einen Elektromagneten aufweist.