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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 040 609 B4 als bekannt zu entnehmen. Ein zunächst biegeschlaffes, aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Faserhalbzeug wird hierbei zunächst um den Stützkörper gewickelt und anschließend mit Wärme beaufschlagt und dadurch ausgehärtet. Der Stützkörper wird somit zur Formgebung des zunächst biegeschlaffen Faserhalbzeugs verwendet.
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Die
DE 30 37 616 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder aus faserverstärktem Kunststoff, bei welchem ein Strang aus Fasern und Kunstharz auf einen mit einer Spiralnut versehenen, rotationssymmetrischen Kern gewickelt, anschließend gehärtet und schließlich von dem Kern abgenommen wird. Bei dem Verfahren wird um den Kern ein diesen umschließender äußerer Formkörper mit einer innenliegenden Spiralnut angeordnet, welche zusammen mit der ersten Spiralnut des Kerns das Querschnittsprofil um die Windungsgeometrie des Stranges formt. Der Kern und/oder der äußere Formkörper wird bei einer Relativdrehung in einem der Steigung der Spiralnuten entsprechenden Maße axial verschoben. Ferner wird der Strang der Spiralnut des Kerns vor dem Einlauf in die Spiralnut des äußeren Formkörpers zugeführt.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 30 31 582 A1 ein wendelförmiges Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Das wendelförmige Bauteil besteht aus einer äußeren biegsamen Hülle, einer darunterliegenden Schicht von draht- oder bandförmigen Material aus ausgehärtetem, faserverstärktem Kunststoff, der über einen hohlen oder vollen Wickelkern aus biegsamem Werkstoff gewickelt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich besonders vorteilhafte Eigenschaften des Faserverbundbauteils realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird durch erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich besonders vorteilhafte Eigenschaften des Faserverbundbauteils realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das biegeschlaffe Faserhalbzeug vor dem Aushärten außenseitig zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest überwiegend mit wenigstens einem wärmeschrumpfenden Material umgeben wird. Mit anderen Worten wird das Faserhalbzeug außenumfangsseitig mit einem Material umgeben, welches bei Wärmebeaufschlagung des Materials schrumpft. Das das Faserhalbzeug außenseitig zumindest teilweise umgebende, wärmeschrumpfende Material wird zusammen mit dem aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Faserhalbzeug der Wärmebeaufschlagung unterzogen. Diese Erwärmung beziehungsweise Wärmebeaufschlagung kann beispielsweise mittels eines Ofens erfolgen. Das wärmeschrumpfende Material schrumpft infolge der Wärmebeaufschlagung und verpresst dadurch das Faserhalbzeug. Durch dieses Verpressen des Faserhalbzeugs während des Aushärtens kann überschüssiger, noch flüssiger Kunststoff des Faserhalbzeugs aus dessen Struktur entfernt werden beziehungsweise weichen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Inhomogenitäten der Struktur des Faserhalbzeugs herkömmlicher Weise die Eigenschaften, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, des fertig hergestellten Faserverbundbauteils beeinträchtigen. Bei solchen Inhomogenitäten handelt es sich beispielsweise um Lufteinschlüsse, das heißt Poren, wobei solche Inhomogenitäten ein frühzeitiges Versagen des Faserverbundbauteils hervorrufen und den Setzprozess des fertig hergestellten Faserverbundbauteils unter Belastung verstärken können. Durch das Verpressen des Faserhalbzeugs während des Aushärtens können übermäßige Inhomogenitäten in der Struktur des Faserhalbzeugs vermieden werden, so dass das fertig hergestellte Faserverbundbauteil besonders vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften, und in der Folge eine hohe Lebensdauer sowie ein vorteilhaftes Setzverhalten aufweist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Wärmebeaufschlagung sowohl zum Aushärten des zunächst noch biegeschlaffen, das heißt formlabilen Faserhalbzeugs als auch zum Bewirken des Schrumpfens des wärmeschrumpfenden Materials genutzt wird. Dadurch kann das Verfahren besonders zeit- und kostengünstig durchgeführt werden.
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Bei dem wärmeschrumpfenden Material handelt es sich beispielsweise um eine Faserlage, insbesondere um eine äußerste beziehungsweise letzte Faserlage, welche das zunächst noch biegeschlaffe Faserhalbzeug umgibt. Das Faserhalbzeug ist beispielsweise ein Strang, welcher als nasser Strang bezeichnet wird, da das Faserhalbzeug. Insbesondere dessen Kunststoff, zunächst noch nicht ausgehärtet ist. Durch das Aushärten des Faserhalbzeugs wird dieses formstabil, das heißt biegesteif, so dass es seine Form eigenständig beibehält.
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Das Faserhalbzeug umfasst beispielsweise eine Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern, welche in die Kunststoffmatrix eingebettet sind. Im biegeschlaffen Zustand des Faserhalbzeugs, das heißt vor dem Aushärten ist die Kunststoffmatrix noch flüssig beziehungsweise pastös. Im Zuge des Aushärtens wird die zunächst noch flüssige Kunststoffmatrix vernetzt und während der Vernetzung mittels des infolge der Wärmebeaufschlagung schrumpfenden Materials verpresst. Mit anderen Worten ist das Faserhalbzeug aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, welcher die Kunststoffmatrix und die Verstärkungsfasern aufweist. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich beispielsweise um Kohlefasern oder Glasfasern. Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich beispielsweise um ein Harz.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das wärmeschrumpfende Material Polyamid, insbesondere Polyamid 6 (PA6), aufweist. Mittels dieses wärmeschrumpfenden Materials kann eine besonders vorteilhafte Verpressung während der Vernetzung, das heißt während des Aushärtens des Faserhalbzeugs bewirkt werden. Mittels des Verfahrens lässt sich besonders vorteilhaft eine mehrere Windungen aufweisende Feder als das Faserverbundbauteil herstellen. Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die besonders vorteilhafte Herstellung von mehrere Windungen aufweisenden Federn aus faserverstärktem Kunststoff. Insbesondere können Federn aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) hergestellt werden. Beispielsweise können besonders vorteilhaft Schraubenfedern oder Spiralfedern hergestellt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich eine besonders homogen Materialstruktur einer solchen Feder ohne oder mit einer nur sehr geringen Anzahl an Poren und Kunststoffanhäufungen beziehungsweise Kunststoffinseln realisieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Seitenansicht auf ein Faserverbundbauteil in Form einer mehrere Windungen aufweisenden Feder, welche aus wenigstens einem Faserhalbzeug hergestellt wird, das einer Wärmebeaufschlagung unterzogen und dadurch ausgehärtet wird, wobei das zunächst biegeschlaffe Faserhalbzeug vor dem Aushärten außenseitig zumindest teilweise mit wenigstens einem wärmeschrumpfenden Material umgeben wird, welches zusammen mit dem Faserhalbzeug der Wärmebeaufschlagung unterzogen wird, infolge der Wärmebeaufschlagung schrumpft und dadurch das Faserhalbzeug verpresst;
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2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht auf das zunächst biegeschlaffe Faserhalbzeug, welches im Rahmen eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform außenseitig mit dem wärmeschrumpfenden Material umgeben wird;
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3 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht auf das zunächst noch biegeschlaffe Faserhalbzeug, welches im Rahmen des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform außenseitig mit dem wärmeschrumpfenden Material umgeben wird;
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4 eine schematische Querschnittsansicht durch das Faserhalbzeug vor dem Aushärten und vor dem Umgeben des Faserhalbzeugs mit dem wärmeschrumpfenden Material;
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5 eine schematische Querschnittsansicht durch das noch biegeschlaffe Faserhalbzeug, welches außenumfangsseitig mit dem wärmeschrumpfenden Material umgeben ist; und
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6 eine schematische Querschnittsansicht durch das ausgehärtete und außenseitig mit dem wärmeschrumpfenden Material umgebene Faserhalbzeug.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Faserverbundbauteil 10 in Form einer mehrere Windungen aufweisenden Feder. Das Faserverbundbauteil 10 ist aus wenigstens einem Faserhalbzeug 12 in Form eines Strangs hergestellt. Wie in Zusammenschau mit 4 bis 6 erkennbar ist, ist das Faserhalbzeug 12 aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, welcher eine Kunststoffmatrix 14 und Verstärkungsfasern 16 aufweist. Die Verstärkungsfasern 16 sind dabei in den Kunststoff 14, beispielsweise ein Harz, eingebettet, so dass dieser eine sogenannte Kunststoffmatrix ist. Die Verstärkungsfasern 16 sind beispielsweise als Glasfasern ausgebildet, so dass das Faserhalbzeug 12 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) gebildet ist.
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Anhand von 2 ist ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform zum Herstellen des Faserverbundbauteils 10 veranschaulicht. Im Rahmen des Verfahrens wird das zunächst biegeschlaffe Faserhalbzeug einer Wärmebeaufschlagung unterzogen und dadurch ausgehärtet. Im biegeschlaffen, das heißt formlabilen Zustand des Faserhalbzeugs 12 ist der Kunststoff 14 noch nicht ausgehärtet, sondern flüssig beziehungsweise pastös, wobei das biegeschlaffe Faserhalbzeug 12 auch als nasser Strang bezeichnet wird. Um die die mehreren Windungen aufweisende Form der beispielsweise als Spiralfeder oder Schraubenfeder ausgebildeten Feder herzustellen, wird das Faserhalbzeug 12 in seinem formlabilen Zustand beispielsweise an wenigstens einem in 1 bis 6 nicht dargestellten Stützkörper angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass der noch nasse Strang (das biegeschlaffe Faserhalbzeug 12) um den beispielsweise zumindest im Wesentlichen stabförmigen Stützkörper gewickelt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Stützkörper einen Formverlauf aufweist, wobei das zunächst noch biegeschlaffe Faserhalbzeug 12 dem Formverlauf des Stützkörpers folgend an diesem derart angeordnet wird, dass der Formverlauf des Faserhalbzeugs 12 dem Formverlauf des Stützkörpers entspricht.
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Im Anschluss daran kann vorgesehen sein, dass der Stützkörper zusammen mit dem an dem Stützkörper angeordneten Faserhalbzeug 12 umgeformt und dadurch in die gewünschte Form der Feder gebracht wird. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Formverlauf des Stützkörpers bereits beim Anordnen des Faserhalbzeugs 12 an dem Stützkörper dem endgültigen Formverlauf entspricht, bei welchem das Faserhalbzeug 12 ausgehärtet wird. Dies bedeutet, dass ein Umformen des Stützkörpers und des Faserhalbzeugs 12 nach dem Anordnen des Faserhalbzeugs 12 an dem Stützkörper unterbleibt.
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Darüber hinaus ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass das Faserhalbzeug 12 vor dem Aushärten mit wärmeschrumpfendem Material 18 umgeben wird. Bei dem wärmeschrumpfenden Material kann es sich um ein Band handeln, welches unter Ausbildung um das Faserhalbzeug 12 gewickelt wird. Aus 2 ist erkennbar, dass das Material 18 bei der ersten Ausführungsform derart um das Faserhalbzeug 12 gewickelt wird, dass die einzelnen Windungen des Materials 18 in Längserstreckungsrichtung des nassen Strangs voneinander beabstandet sind. Das wärmeschrumpfende Material bildet vorliegend die äußerste Lage, insbesondere Faserlage, um das Faserhalbzeug 12 herum und ist vorliegend nicht von einer weiteren Lage umgeben.
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Nachdem das Faserhalbzeug 12 mit dem wärmeschrumpfenden Material 18 umwickelt wurde, wird es einer Wärmebeaufschlagung bzw. Wärmebehandlung unterzogen. Mit anderen Worten wird das wärmeschrumpfende Material 18 zusammen mit dem Faserhalbzeug 12 beispielsweise mittels eines Ofens erwärmt. Infolge dieser Erwärmung schrumpft das wärmeschrumpfende Material 18 und verpresst das Faserhalbzeug 12. Somit ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Wärmebeaufschlagung nicht nur zum Bewirken des Aushärtens des Faserhalbzeugs 12, sondern auch zum Bewirken des Schrumpfens des wärmeschrumpfenden Materials 18 und somit zum Verpressen des Faserhalbzeugs 12 während des Aushärtens verwendet wird.
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Anhand von 3 ist eine zweite Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass das wärmeschrumpfende Material 18 derart um das Faserhalbzeug 12 gewickelt wird, dass die einzelnen Windungen des wärmeschrumpfenden Materials 18 aneinander anliegen oder sich überlappen, das heißt nicht voneinander beabstandet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Windungen überlappungsfrei zueinander angeordnet werden oder sich gegenseitig überlappen. Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte Verpressung des Faserhalbzeugs 12 beim Aushärten realisieren. Das wärmeschrumpfende Material 18 kann beispielsweise Polyamid 6 aufweisen beziehungsweise aus diesem gebildet sein. Die Auswahl und/oder der Aufbau des wärmeschrumpfenden Materials 18 richtet sich vorzugsweise nach der erforderlichen Presskraft, mit welcher das wärmeschrumpfende Material 18 den innenliegenden Strang (Faserhalbzeug 12) beim Aushärten im Ofen zusammenpresst. Ferner kann sich die Auswahl und/oder der Aufbau des wärmeschrumpfenden Materials 18 nach dem erforderlichen Temperatureinsatzbereich beim Härten des Faserhalbzeugs 12 richten.
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Es kann vorgesehen sein, dass der gegebenenfalls verwendete Stützkörper zeitlich nach dem Aushärten des Faserhalbzeugs 12 zerstörungsfrei vom ausgehärteten Faserhalbzeug entfernt wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass das wärmeschrumpfende Material 18 nach dem Aushärten des Faserhalbzeugs 12 von diesem entfernt wird. Alternativ ist es möglich, dass das wärmeschrumpfende Material 18 nach dem Aushärten des Faserhalbzeugs 12 an diesem und somit am fertigen Faserverbundbauteil 10 verbleibt. Dabei kann das wärmeschrumpfende Material 18, welches vorliegend eine Umwicklung ist, Funktionen wie beispielsweise einen Schutz vor Steinschlag übernehmen.
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Das wärmeschrumpfende Material st eine Art Bandage oder Lage. Durch den Aufbau dieser Bandage, beispielsweise durch entsprechende Wahl des Garnwinkelns, der Überdeckung der Windungen, der Lagenstärke und der Voreckung lassen sich Prozessparameter wie Presskraft, Harzdurchlässigkeit etc. einstellen. Dies ist beispielsweise bei einer rein mechanischen Verpressung beziehungsweise bei einem rein mechanischen Auspressen wie zum Beispiel der Pultrusion nicht möglich. Im Vergleich zum klassischen Auspressen lässt sich mittels des Verfahrens ein besonders gleichmäßiger Faser-/Volumengehalt realisieren. Darüber hinaus findet die Verpressung erst nach beziehungsweise bei der Formgebung, das heißt bei dem Aushärten statt. Dadurch können Poren, die durch die Formgebung beziehungsweise das Aushärten entstehen, entfernt oder zumindest hinsichtlich ihrer Anzahl gering gehalten werden.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber dem klassischen Auspressen ist, dass beim klassischen Auspressen eine Rückverformung stattfinden kann, die wieder zu Lufteinschlüssen führt. Dies wird als Atmen bezeichnet. Eine solche Rückverformung kann bei dem geschilderten Verfahren vermieden werden. Je nach Auslegung des wärmeschrumpfenden Materials 18 ist es möglich, das komplette Harz einzuschließen, so dass sich ein besonders geringer Materialverbrauch und eine nur geringe Verschmutz realisieren lassen. Ferner besteht gegenüber dem klassischen Auspressen der Vorteil, dass das mechanische Auspressen, beispielsweise eine Pultrusion durch eine Öse, auf Durchmesserschwankungen kritisch reagiert. Diese Problematik kann bei dem Verfahren vermieden werden.
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Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Abstreifen, Entfernen und/oder Umverteilen des Harzes erfolgt, bevor die Aushärtung beginnt. Das Pressen des Faserhalbzeugs 12 beginnt spätestens mit der Aushärtung und ist idealerweise zumindest bei den ersten Vernetzungen vorhanden, so dass das Verpressen durch das Schrumpfen bei niedrigeren Temperaturen als die Vernetzung beginnt und stattfindet. Dies sollte durch entsprechende Prozessfenster abgesichert sein. Das thermische Schrumpfverhalten des wärmeschrumpfenden Materials 18 ist beispielsweise über die Werkstoffauswahl, beispielsweise durch unterschiedliche Polyamidtypen, einstellbar, wobei die Vernetzungstemperatur der Kunststoffmatrix 14 über die entsprechende Wahl des Härters, Verzögerers, von Katalysatoren etc. einstellbar ist.
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4 zeigt das Faserhalbzeug 12 im noch biegeschlaffen Zustand, das heißt vor dem Aushärten. Ferner ist das Faserhalbzeug 12 gemäß 4 noch nicht mit dem wärmeschrumpfenden Material 18 umwickelt. Aus 4 ist erkennbar, dass in dem Kunststoff 14 Lufteinschlüsse, das heißt Poren 20 vorhanden sind.
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5 zeigt das noch biegeschlaffe Faserhalbzeug 12, welches jedoch im Unterschied zu 4 mit dem wärmeschrumpfenden Material 18 bereits umgeben ist. Gemäß 5 wurde jedoch noch keine Schrumpfung des wärmeschrumpfenden Materials 18 bewirkt.
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6 zeigt das mit dem wärmeschrumpfenden Material 18 umwickelte Faserhalbzeug 12 nach dem Aushärten und somit nach dem Schrumpfen des wärmeschrumpfenden Materials 18. Aus 6 ist im Vergleich mit 4 und 5 erkennbar, dass im Kunststoff 14 die Poren 20 nicht mehr vorhanden sind, da sie beziehungsweise die Luft durch das Schrumpfen des wärmeschrumpfenden Materials 18 aus dem Kunststoff 14 herausgedrückt wurden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040609 B4 [0002]
- DE 3037616 A1 [0003]
- DE 3031582 A1 [0004]
