DE102014019080A1

DE102014019080A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102014019080A1
Application number: DE102014019080.3A
Authority: DE
Inventors: Farbod Nosrat Nezami; Matthias Müller; Christian Eberdt; Stefan Huhn; Ahmed Abdelfattah
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2015-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils (1) mit folgenden Schritten: Herstellen einer ersten Strukturkomponente (3) durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen (5) an einem äußeren Umfang der Wickeldorne (5) in einem Nasswickelverfahren; Herstellen von wenigstens einer zweiten Strukturkomponente (17, 19, 21, 23); Anordnen der ersten Strukturkomponente (3) und der wenigstens einen zweiten Strukturkomponente (17, 19, 21, 23) zu einer übergeordneten Struktur (26), und Herstellen des Strukturbauteils (1) durch Fixieren der Strukturkomponenten (3, 17, 19, 21, 23) relativ zueinander.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 268 164 B1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils hervor, bei dem ein kunstharzimprägniertes Faserhalbzeug in einem Wickelverfahren um eine Anordnung von Wickelspulen gewickelt wird, wobei Außengurtteile erstellt und wickeltechnisch integral mit einer fachwerkartig aufgebauten Zwischenstruktur gewickelt werden. Nachteilig hieran ist, dass eine integrale Wicklung einer fachwerkartig aufgebauten Zwischenstruktur mit Außengurtteilen eine äußerst komplexe und daher teure Wickeltechnik voraussetzt, wobei zugleich die auf diese Weise herstellbaren Geometrien für faserverstärkte Strukturbauteile geometrisch beschränkt sind. Insbesondere komplexe fachwerkartige Strukturen lassen sich entweder nicht oder nur mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand integral mit einem einzigen, geschlossenen Wickelpfad darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Strukturbauteile zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren mit den Schritten gemäß Anspruch 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils mit folgenden Schritten geschaffen wird:
Es wird eine erste Strukturkomponente hergestellt, indem eine Mehrzahl von Wickeldornen an einem äußeren Umfang der Dorne in einem Nasswickelverfahren umwickelt wird. Es wird wenigstens eine zweite Strukturkomponente hergestellt. Die erste und die wenigstens eine zweite Strukturkomponente werden derart angeordnet, dass sie eine übergeordnete Struktur bilden, und es wird das Strukturbauteil hergestellt, indem die Strukturkomponenten – mithin die erste und die wenigstens eine zweite Strukturkomponente, welche die übergeordnete Struktur bilden – relativ zueinander fixiert werden. Dadurch, dass die erste Strukturkomponente derart hergestellt wird, dass eine Mehrzahl von Wickeldornen an einem äußeren Umfang umwickelt wird, bedarf es keiner komplexen Wickelpfade. Vielmehr wird in einfacher und kostengünstiger Weise durch einfaches, äußeres Umwickeln der Dome ein Lastgurt als erste Strukturkomponente erzeugt. Die übergeordnete Struktur wird nicht durch integrales Wickeln, sondern vielmehr durch relatives Anordnen der ersten und der wenigstens einen zweiten Strukturkomponente erzeugt. Dies ist daher ebenfalls auf einfache und insbesondere kostengünstige Weise möglich. Ferner sind die mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens erreichbaren Geometrien für ein faserverstärktes Strukturbauteil nicht in prinzipieller Weise beschränkt, sodass das Verfahren äußerst flexibel einsetzbar ist.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein faserverstärktes Strukturbauteil für eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere für eine Kraftfahrzeugkarosserie, bevorzugt für die Karosserie eines Personenkraftwagens, eines Lastwagens oder eines Nutzfahrzeugs, hergestellt. Dabei kann mithilfe des Verfahrens sehr frei eine Vielzahl möglicher Geometrien für solche faserverstärkten Strukturbauteile in einfacher, schneller und kostengünstiger Weise hergestellt werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein faserverstärktes Strukturbauteil hergestellt wird, dass seinerseits zur Herstellung einer Fahrzeugkarosserie, insbesondere einer Kraftfahrzeugkarosserie dient. Dabei können die Eigenschaften eines solchen Strukturbauteils im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens sehr vielseitig, flexibel und an die gewünschten Anforderungen angepasst eingestellt werden.
Die erste Strukturkomponente wird bevorzugt hergestellt, indem eine Mehrzahl von Wickeldornen beabstandet voneinander angeordnet wird, wobei die Wickeldorne dann von außen, mithin an einem äußeren Umfang derselben, in dem Nasswickelverfahren umwickelt werden. Dabei liegt eine Faser oder ein Faserroving, mit welcher/welchem die Dorne umwickelt werden, stets nur im Bereich eines relativ kleinen Umfangsabschnitts an jedem der Dorne an. Die Dorne werden also nicht entlang ihres gesamten Umfangs umwickelt, vielmehr wird lediglich die gemeinsame Anordnung der Wickeldorne von außen umfänglich umwickelt. Daher ist das Verfahren sehr schnell, einfach und kostengünstig durchführbar.
Dass die Mehrzahl von Wickeldornen an einem äußeren Umfang beziehungsweise von außen umwickelt wird, bedeutet insbesondere, dass ein Faserstrang oder Filament, mit welchem die Wickeldorne umwickelt werden, nicht in einen von den Wickeldornen eingeschlossenen Innenraum eindringt. Vielmehr umgreift der aufgewickelte Faserstrang diesen Innenraum lediglich entlang gedachter Umfangslinien.
Wie zuvor bereits angedeutet, ist es bei einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, dass die Dome mit Fasern oder Faserrovings, insbesondere mit Hybridfaserrovings, welche sowohl Verstärkungsfasern als auch ein Matrixmaterial, insbesondere in Form von Matrixfasern und/oder in Form einer Beschichtung auf zumindest einem Teil der Verstärkungsfasern aufweisen, umwickelt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Dorne mit wenigstens einem Textil, insbesondere einem Schmalbandtextil, beispielsweise einem Gewebe, oder anderen geeigneten Halbzeugen, beispielsweise einem Gelege, einem anderen Hybridmaterial, oder einem sonstigen, geeigneten Material umwickelt werden.
Dass die Wickeldorne in einem Nasswickelverfahren umwickelt werden, bedeutet insbesondere, dass eine Faser, ein Faserroving oder ein Textil durch ein Bad flüssigen Harzes transportiert, insbesondere gezogen, und anschließend – insbesondere in noch nassem Zustand – auf die Wickeldorne aufgewickelt wird. Auf diese Weise wird die erste Strukturkomponente mit integrierter Imprägnierung hergestellt. Durch das Aushärten des Harzes entsteht die Strukturkomponente als Laminat des derart gewickelten Lastgurts. Insbesondere entsteht beim Umwickeln der Wickeldorne eine geschlossene Struktur in Form eines Lastgurts mit integrierter Imprägnierung. Die Wickeldorne dienen dabei während des Umwickelns als Stützen zur Definition der Geometrie der Strukturkomponente. Dabei liegen bei jedem einzelnen Wickeldorn die Faserstränge nur in einem kleinen Umfangsbereich an der Dornumfangswandung an. Alternativ oder zusätzlich zu der Stützfunktion zur Definition der Geometrie der Strukturkomponente können die Wickeldorne – insbesondere wenn sie als verlorene Teile verwendet werden und in der Strukturkomponente verbleiben, zum späteren Fügen der Strukturkomponenten miteinander und/oder zum Anbinden von weiteren Komponenten, insbesondere Bauteilen, an das faserverstärkte Strukturbauteil, verwendet werden.
Insbesondere ist es möglich, dass die Wickeldorne zur Anbindung metallischer Komponenten genutzt werden. Hierzu ist es möglich, dass die Dorne Flansche aufweisen, welche in Höhenrichtung – insbesondere senkrecht zu einer gedachten Wickelebene – über die Strukturkomponente hinausragen und/oder seitlich über eine gedachte Fläche der Strukturkomponente in der gedachten Wickelebene überstehen. An den Flanschen können Anbindungselemente, beispielsweise Bohrungen, insbesondere Gewindebohrungen oder Durchgangsbohrungen, Gewindehülsen, Gewindestifte oder Bolzen, insbesondere Stehbolzen, oder andere geeignete Elemente vorgesehen sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine fertig gewickelte und ausgehärtete Strukturkomponente erwärmt wird, um die Steifigkeit des derart hergestellten Laminats zu erhöhen. Insbesondere ist es möglich, dass die Strukturkomponente in einem Ofen nachgetempert wird. Ein solcher Verfahrensschritt kann abhängig von dem konkret gewählten Harzsystem des Nasswickelverfahrens vorgesehen oder auch weggelassen werden.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass ein erhöhter Konsolidierungsdruck auf das Laminat ausgeübt wird, insbesondere indem das Laminat nach der Herstellung der fertig gewickelten und ausgehärteten Strukturkomponente verpresst wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden dabei zwischen den Wickeldornen in einem ersten Schritt Profile als verlorene Wickelkerne eingebracht. Zusätzlich ist es möglich, eine Verpressung – beispielsweise mit Hilfe eines Vakuumsacks oder weiterer Profile – gegen einen solchen Wickelkern zu erreichen, wobei hierdurch insbesondere ein Faservolumengehalt zunimmt. Alternativ ist es auch möglich, dass unter Normaldruck auf entnehmbare Profile gewickelt wird, wobei bevorzugt keine Verpressung erfolgt und die entnehmbaren Profile aus der fertigen Strukturkomponente oder dem fertigen Strukturbauteil entnommen werden. Die konkrete Vorgehensweise kann insbesondere abhängig von einer gewünschten Bauteilqualität einerseits und den mit dem Verfahren verbundenen Kosten andererseits gewählt werden. Insbesondere Strukturbauteile, an die nur ein geringer Anspruch gestellt wird, können mit einfacheren Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt werden, wobei Kosten eingespart werden können.
Als Fasern oder Faserrovings werden im Rahmen des Verfahrens vorzugsweise Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, insbesondere E-Glasrovings, Keramikfasern, Naturfasern, insbesondere – bevorzugt carbonisierte – Naturfasern aus Flachs, Hanf oder Chinaschilf, Kunststofffasern, Metallfasern und/oder andere geeignete Fasern oder Faserrovings verwendet. Dabei ist es auch möglich, dass eine Kombination der hier genannten Fasern oder Faserrovings oder anderer Fasern oder Faserrovings verwendet wird. Insbesondere ist es möglich, dass verschiedene Strukturkomponenten aus verschiedenen Fasermaterialien hergestellt werden, es ist aber auch möglich, dass innerhalb der Wicklung einer Strukturkomponente verschiedene Materialien – insbesondere abschnittsweise nacheinander – verwendet und insbesondere um die Mehrzahl von Wickeldorne gewickelt werden.
Wie bereits ausgeführt, ist auch das Wickeln von Textilien, insbesondere Schmalbandtextilien, beispielsweise Geweben, oder von anderen Halbzeugen, beispielsweise Gelegen, Hybridmaterialien oder ähnlichen Halbzeugen, möglich.
Insoweit wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher in bestimmter Abfolge verschiedene Materialien auf die Wickeldorne gewickelt werden, wobei beispielsweise ein Verstärkungsfilament, insbesondere eine Verstärkungsfaser oder ein Verstärkungsroving aus wenigstens einem der zuvor genannten Materialien, dann ein elastisches Filament, beispielsweise ein Schaumband, und danach wieder ein – gegebenenfalls von dem ersten verschiedenes – Verstärkungsfilament eingesetzt wird, wobei die Mehrzahl von Wickeldornen zur Herstellung der Strukturkomponente mit diesen verschiedenen Filamenten in der bestimmten Abfolge umwickelt wird. Auf diese Weise ist es äußerst flexibel möglich, die Eigenschaften der entstehenden Strukturkomponente zu bestimmen und auch zu variieren. Insbesondere kann auf die beschriebene Weise eine Sandwichstruktur hergestellt werden.
Wichtig ist, dass es im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens möglich ist, Filamente verschiedener Materialien aufeinanderfolgend, insbesondere in bestimmter Abfolge, um die Mehrzahl von Wickeldorne zu wickeln und so die Materialeigenschaften der herzustellenden Strukturkomponente vielfältig und flexibel zu beeinflussen.
Als Harz wird im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eine Harzmatrix auf duroplastischer oder thermoplastischer Basis – insbesondere ein Zwei-Komponenten-Harz – verwendet. Hierdurch ist es möglich, die Strukturkomponente auf die in der späteren Anwendung gewünschten Eigenschaften flexibel und zielgenau abzustimmen.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Fadenlegung im Rahmen des Nasswickelverfahrens über eine Linearachse erfolgt. Dies ist eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Ausführungsform des Verfahrens.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Fadenlegung über eine Roboterführung erfolgt. Dabei wird bevorzugt ein Roboterwerkzeug verwendet, in welches eine Tränkeinrichtung, insbesondere ein Tauchbad zur Imprägnierung des aufzuwickelnden Materials, sowie eine Fadenbremse zur insbesondere definierten Einleitung von Rückhaltekräften in das aufzuwickelnde Material integriert sind. Auf diese Weise steht ein besonders flexibles Werkzeug auch zur Herstellung sehr komplexer Strukturkomponenten mithilfe des Roboterwerkzeugs zur Verfügung. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Fadenlegung nur über eine Roboterführung ohne Linearachse erfolgt.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein faserverstärkter Strukturbauteil hergestellt, welches eine Fachwerkstruktur aufweist. Die Fachwerkstruktur wird dabei jedoch nicht – wie aus dem Stand der Technik bekannt – integral gewickelt, sondern dadurch, dass separate Strukturkomponenten hergestellt werden, die dann zu der übergeordneten Fachwerkstruktur relativ zueinander angeordnet und fixiert werden. Diese Vorgehensweise macht das hier vorgeschlagene Verfahren besonders einfach, schnell durchführbar, flexibel und kostengünstig. Zur Strukturfixierung der Fachwerkstruktur kann diese bevorzugt auch um mehrere Achsen umwickelt werden, wodurch sie quasi bandagiert wird.
Die Strukturkomponenten werden bevorzugt relativ zueinander fixiert, indem sie relativ zueinander – insbesondere auf einem gemeinsamen Basiselement, beispielsweise einer Trägerplatte – montiert werden, wobei vorzugsweise wenigstens zwei Strukturkomponenten miteinander verklebt, miteinander verschraubt, miteinander vernietet oder auf andere geeignete Weise aneinander befestigt werden. Selbstverständlich ist es möglich, verschiedene Methoden zur Fixierung der Strukturkomponenten miteinander zu kombinieren. Zur Fixierung der Strukturkomponenten miteinander eingesetzte Fixierungselemente können Bestandteile der späteren Struktur, insbesondere des fertigen Strukturbauteils, sein, sodass insofern kein zusätzliches Montagewerkzeug notwendig ist.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine zweite Strukturkomponente durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen an einem äußeren Umfang der Wickeldorne in einem Nasswickelverfahren hergestellt wird. Insbesondere wird die zweite Strukturkomponente vorzugsweise mithilfe der gleichen Vorgehensweise hergestellt, wie dies zuvor für die erste Strukturkomponente erläutert wurde. Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher alle Strukturkomponenten, die letztlich zu der übergeordneten Struktur und damit zu dem Strukturbauteil angeordnet und relativ zueinander fixiert werden, in entsprechender Weise hergestellt werden. Dabei besteht zur Herstellung der Strukturkomponenten eine große Variationsvielfalt an erreichbaren Geometrien, wobei die wickeltechnische Herstellung durch Umwicklung der Mehrzahl von Wickeldornen an deren äußeren Umfang sehr einfach, rasch und kostengünstig möglich ist. Diese Vorteile verwirklichen sich dabei in zunehmendem Maße, je höher der Anteil an Strukturkomponenten ist, die tatsächlich in entsprechender Weise hergestellt werden.
Dabei wird besonders eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei dem zunächst eine Mehrzahl von Strukturkomponenten als Einzelkomponenten in Form gewickelter Lastgurte in Faserverbundbauweise mit integrierter Imprägnierung hergestellt werden. Durch das Aushärten des im Rahmen des Nasswickelverfahrens aufgebrachten flüssigen Harzes entstehen dann die einzelnen Strukturkomponenten als Laminate der Lastgurte. Diese einzelnen Strukturkomponenten werden dann zu der gewünschten Fachwerkstruktur montiert, insbesondere aneinander fixiert, vorzugsweise miteinander verklebt.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Strukturkomponente, ausgewählt aus der ersten und der wenigstens einen zweiten Strukturkomponente, mit nicht-rotationssymmetrischer Form hergestellt wird. Insbesondere wird die wenigstens eine Strukturkomponente bevorzugt in Form eines gewickelten, nicht-rotationssymmetrischen Lastgurts hergestellt. Im Rahmen des Verfahrens ist es sehr einfach, schnell und kostengünstig möglich, nicht-rotationssymmetrische Geometrien für Strukturkomponenten zu realisieren, indem Wickeldorne entsprechend angeordnet und von außen umwickelt werden. Gerade mithilfe nicht-rotationssymmetrischer Strukturkomponenten ist es möglich, eine große. Vielzahl auch komplizierter Geometrien für ein fachwerkartiges Strukturbauteil herzustellen. Es ist dabei möglich, dass im Rahmen des Verfahrens alle verwendeten Strukturkomponenten mit nicht-rotationssymmetrischer Form hergestellt werden. Bevorzugt bezieht sich die nicht-rotationssymmetrische Form auf eine Achse, um welche die Wickelrichtung beim Umwickeln der Mehrzahl von Wickeldorne läuft.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zumindest die erste Strukturkomponente frei im Raum gewickelt wird. Dabei können die Wickeldorne beispielsweise an einem Gestell angeordnet oder als Teile eines Gestells ausgebildet sein. Das Gestell kann frei im Raum durch eine Drehvorrichtung, beispielsweise durch eine Robotereinrichtung, gedreht und so sehr flexibel – auch in verschiedenen Richtungen – umwickelt werden. Mit dieser Vorgehensweise sind Strukturkomponenten quasi beliebiger Geometrie und Komplexität herstellbar.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zumindest die erste Strukturkomponente hergestellt wird, indem als Stützelemente auf einer Drehplatte angeordnete Wickeldorne von außen umwickelt werden, indem die Drehplatte gedreht wird. Bevorzugt werden alle durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldorne hergestellte Strukturkomponenten, insbesondere alle überhaupt für das Strukturbauteil verwendeten Strukturkomponenten, auf diese Weise hergestellt. Als Drehplatte wird vorzugsweise eine Trägerplatte verwendet, die bestimmte Befestigungspunkte für die Wickeldorne aufweist. Dabei ist es möglich, dass die Drehplatte ein Raster von Befestigungspunkten, insbesondere von Durchgangsbohrungen oder Löchern aufweist, an denen die Wickeldorne befestigt werden können. Dabei ist eine hohe Flexibilität und eine freie Positionierung der Wickeldorne zur Herstellung einer Vielzahl von Geometrien der Strukturkomponenten im Rahmen des festen und vorzugsweise regelmäßigen Rasters möglich. Alternativ ist es auch möglich, dass die Drehplatte in Hinblick auf die Anordnung der Befestigungspunkte spezifisch auf die Geometrie der herzustellenden Strukturkomponente abgestimmt ist. Dies wird insbesondere bei einer Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher die Drehplatte als verlorenes Teil verwendet wird, welches an der hergestellten Strukturkomponente verbleibt und dabei selbst ein Teil der Strukturkomponente – insbesondere in Form einer Decklage – darstellt.
Die Wickeldorne werden bevorzugt voneinander beabstandet auf der Drehplatte angeordnet. Auf diese Weise ist es sehr flexibel möglich, eine Vielzahl von Geometrien für die Strukturkomponente darzustellen.
Es wird also bevorzugt eine drehbare Anordnung mit flexibel auf einer Trägerplatte fixierbaren Wickeldornen verwendet, auf der die Lastgurte aufgewickelt werden. Insbesondere werden die Wickeldorne durch Drehen der Drehplatte mit harzgetränkten Fasern oder Faserrovings umwickelt, um die Lastgurte herzustellen, wobei dann durch Aushärten des Harzes die Strukturkomponente als Laminat des Lastgurts entsteht.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Wickeldorne eine im Wesentlichen zylindersymmetrische, vorzugsweise zylindersymmetrische Geometrie aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass eine Umfangsfläche der Wickeldorne, um die bereichsweise das aufzuwickelnde Material gelegt wird, als Mantelfläche eines Kreiszylinders ausgebildet ist. Ein bevorzugt verwendetes Ausführungsbeispiel eines Wickeldorns weist eine zentrale, kreiszylindrische Hülse auf, in die endenseitig zwei Drehteile eingesteckt werden können. Alternativ ist es auch möglich, dass die zwei Drehteile endenseitig auf die Hülse aufgesteckt werden. Durch die hohle Struktur der kreiszylindrischen Hülse ist der Wickeldorn im Vergleich zu einem Dreh- oder Frästeil leicht. Wenigstens eines der Drehteile weist bevorzugt eine Flanschgeometrie auf, welche wenigstens ein Anbindungselement, beispielsweise eine Bohrung, insbesondere eine Gewindebohrung, eine Gewindehülse, und/oder einen Gewindebolzen oder -stift aufweist. Somit können die Flanschgeometrien der Drehteile zur Anbindung an andere Strukturkomponenten und/oder benachbarte Bauteile, beispielsweise Funktionsplatten, genutzt werden, wenn der Wickeldorn als verlorenes Teil verwendet wird. Wird für den Wickeldorn eine zentrale Hülse mit zwei ein- oder aufsteckbaren Drehteilen bereitgestellt, kann eine Änderung des Profilquerschnitts zur Erzeugung andersartiger Geometrien der Strukturkomponenten sehr rasch erfolgen, indem die Hülse und/oder jedenfalls eines der Drehteile ausgetauscht wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher Wickeldorne verwendet werden, welche eine – im Längsschnitt gesehen – strukturierte Umfangswandung aufweisen. Werden solche strukturierten Umfangswandungen zumindest bereichsweise umwickelt, entstehen für die Strukturkomponente Profile als Lastgurte, welche eine zu der Struktur der Umfangswandung der Wickeldorne komplementäre Struktur aufweisen, indem sie beispielsweise Nuten oder Rücksprünge in der Geometrie der Umfangswandung ausfüllen und selbst im Bereich von Vorsprüngen der Struktur der Umfangswandung Vertiefungen oder Nuten ausbilden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen Wickeldorns, der im Rahmen des Verfahrens bevorzugt verwendet wird, weist an der umwickelten Umfangsfläche zumindest bereichsweise eine – im Längsschnitt gesehen – E-förmige Struktur auf, wobei ein hierauf gewickelter Lastgurt schließlich ein C-förmiges Profil aufweist, insbesondere nämlich eine Nut oder Aussparung im Bereich des Mittelstegs des E der Umfangswandung, sowie seitlich abragende Vorsprünge des C im Bereich der Nuten oder Aussparungen zwischen dem Mittelsteg des E und den endseitigen Stegen desselben an der Struktur der Umfangsfläche des Wickeldorns. Auf diese Weise können hochstabile Strukturkomponenten mit lastgerechtem Profil erzeugt werden.
An den Wickeldornen vorgesehene Flansche können auch durch die Struktur der Umfangsfläche bereitgestellt werden, beispielsweise indem die Endstege einer E-förmigen Struktur zugleich Anbindungsflansche mit Anbindungselementen bilden. Die Wickeldorne können dann als verlorene Teile in der fertigen Strukturkomponente verbleiben.
Selbstverständlich ist es möglich, im Rahmen des Verfahrens verschiedene Wickeldorn-Geometrien miteinander zu kombinieren. Auf diese Weise kann die Vielfalt und Flexibilität der herzustellenden Strukturkomponenten nochmals gesteigert werden.
Es zeigt sich auch Folgendes: Werden beispielsweise zwei C-förmige Strukturkomponenten, deren Lastgurte insbesondere die Form von C-Trägern haben, miteinander kombiniert und insbesondere seitlich miteinander verbunden, entsteht im Bereich der Verbindung der beiden C-Träger ein biegesteiferes Doppel-T-Profil oder I-Profil. Auf diese Weise können hochstabile und belastungsgerechte Strukturen geschaffen werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass die Wickeldorne zumindest teilweise verloren sind. In diesem Fall verbleibt zumindest ein Teil der Wickeldorne in oder an der hergestellten Strukturkomponente und bildet einen Teil derselben. Es ist auch möglich, dass alle Wickeldorne in diesem Sinne als verlorene Wickeldorne verwendet werden. Es ist möglich, dass ein verlorener Wickeldorn als Anbindungspunkt für ein benachbartes Bauteil ausgebildet ist. Insbesondere kann ein solcher Wickeldorn ein Insert als Anbindungspunkt, beispielsweise ein Gewindeinsert, aufweisen.
Sind die Wickeldorne zumindest teilweise verloren, können sie – wie bereits mehrfach ausgeführt – zur Anbindung weiterer Komponenten verwendet werden. Beispielsweise können an die verlorenen Wickeldorne Funktionsplatten, insbesondere Metallplatten, angefügt werden. Dabei zeigt sich, dass sich die faserverstärkten Lastgurte, insbesondere Karbonfasergurte, sehr gut als lasttragende Elemente – im Sinne eines Strukturskeletts – eignen, wobei sie jedoch weniger geeignet sind in Bereichen, die im Betrieb einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind oder in Bereichen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, beispielsweise weil hier andere Elemente angebaut oder gefügt werden sollen. Daher werden für Bereiche, die einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind oder eine hohe Genauigkeit erfordern, bevorzugt metallische Elemente an die Lastgurte angebunden, welche eine solche hohe Genauigkeit gewährleisten können. Dabei können – wie bereits ausgeführt – die verlorenen Wickeldorne insbesondere mithilfe ihrer Flansche zur Befestigung der Funktionsplatten und/oder metallischen Elemente genutzt werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass Funktionsplatten, insbesondere Metallplatten, unmittelbar mit den Lastgurten, also mit der Wickelkonstruktion selbst, verbunden werden. Auch in diesem Fall können die Funktionsplatten zur dimensional hochgenauen Anbindung an weitere Bauteile oder Baugruppen dienen. Um die Funktionsplatten an der Wickelkonstruktion befestigen zu können, werden vorzugsweise Inserts – insbesondere mit Innengewinden – in die gewickelten Lastgurte integriert, in welche dann Befestigungsschrauben eingeschraubt werden können. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Lastgurte an den Befestigungsstellen zwischen zwei Funktionsplatten, insbesondere Metallplatten oder Metallelementen, eingepresst und/oder eingespannt werden, sodass Schrauben durch Bohrungen in den Lastgurten hindurchgeführt und in Gewinde eingeschraubt werden, die in Funktionselementen, insbesondere Gegenplatten, in gegenüberliegenden Wickeldornen, oder in anderen geeigneten Elementen, auf der – in Einschraubrichtung gesehen – gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind.
Alternativ ist es möglich, dass die Wickeldorne zumindest teilweise aus der fertigen Strukturkomponente entnommen werden, insbesondere sobald diese hinreichend ausgehärtet ist, um selbstständig formstabil zu sein. Die Wickeldorne können dann wiederverwendet, werden. Dabei ist es möglich, dass alle verwendeten Wickeldorne aus der fertigen Strukturkomponente entnommen werden, oder dass ein Teil der Wickeldorne als verlorene Wickeldorne in der Strukturkomponente verbleibt.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die erste Strukturkomponente auf einer zweiten Drehplatte angeordnet wird, wobei auf der zweiten Drehplatte die übergeordnete Struktur angeordnet wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Strukturkomponente nach der Herstellung von der ersten Drehplatte entnommen und auf die zweite Drehplatte übertragen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Wickeldorne von der ersten Drehplatte gelöst und auf der zweiten Drehplatte befestigt werden. Vorzugsweise werden dann nacheinander, mithin sukzessive, die verschiedenen Strukturkomponenten, welche gemeinsam die übergeordnete Struktur bilden, auf der zweiten Drehplatte angeordnet, sodass dort die übergeordnete Struktur schrittweise aufgebaut wird.
Besonders ökonomisch gestaltet sich dabei eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die verschiedenen Strukturkomponenten nacheinander auf der ersten Drehplatte jeweils durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen hergestellt werden, wobei diese dann nach der Herstellung auf die zweite Drehplatte transferiert werden. So kann zur Herstellung jeder einzelnen Strukturkomponente die gleiche erste Drehplatte verwendet werden, wobei die übergeordnete Struktur sukzessive auf der zweiten Drehplatte aufgebaut wird. Selbstverständlich ist es alternativ möglich, verschiedene Strukturkomponenten auf verschiedenen Drehplatten zu wickeln und dann auf die zweite Drehplatte zu übertragen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Drehplatte und die zweite Drehplatte – entlang einer gemeinsamen Achse, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse, gesehen – gegenüber angeordnet. In diesem Fall ist eine besonders einfache Übertragung von Strukturkomponenten von der ersten Drehplatte auf die zweite Drehplatte möglich. Besonders günstig gestaltet sich eine solche Ausführungsform, wenn zumindest eine der beiden Drehplatten dabei – entlang der gemeinsamen Achse gesehen – verlagerbar ist, sodass es möglich ist, die Drehplatten in ihrer Relativposition zueinander – entlang der gemeinsamen Achse gesehen – zu verändern. Diese können beispielsweise beim Herstellen einer Strukturkomponente in einem ersten, größeren Abstand zueinander angeordnet sein, sodass die zweite Drehplatte und/oder bereits auf dieser angeordnete Strukturkomponenten ein Wickeln einer weiteren Strukturkomponente auf der ersten Drehplatte nicht behindern, wobei die beiden Drehplatten in einem zweiten, kleineren Abstand zueinander angeordnet sein können, um eine Strukturkomponente von der ersten Drehplatte auf die zweite Drehplatte zu übertragen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wickeldorne einer noch auf der ersten Drehplatte befestigten Strukturkomponente bereits auf der zweiten Drehplatte befestigt werden können, bevor sie von der ersten Drehplatte gelöst werden. In diesem Fall ist es nämlich möglich, die Strukturkomponente zunächst sicher und fest auf der zweiten Drehplatte zu fixieren, bevor sie von der ersten Drehplatte gelöst wird. Dabei ist es gegebenenfalls sogar möglich, die Strukturkomponente in noch nicht vollständig ausgehärtetem und damit noch nicht vollständig struktursteifem Zustand von der ersten Drehplatte auf die zweite Drehplatte zu übertragen, da sie zu jedem Zeitpunkt des Transfers sicher und stabil von den als Stützelementen wirkenden Wickeldornen auf zumindest einer Drehplatte gehalten wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Strukturbauteil durch Umwickeln der übergeordneten Struktur hergestellt wird. Insbesondere wird die Fixierung der Strukturkomponenten relativ zueinander vorzugsweise zumindest auch dadurch bewirkt, dass die übergeordnete Struktur, mithin die relativ zueinander angeordneten Strukturkomponenten, insgesamt umwickelt werden. Dabei wird die übergeordnete Struktur bevorzugt an ihrem äußeren Umfang, mithin von außen, umwickelt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Wicklung in einer solchen Weise aufgebracht wird, dass der Faserstrang oder das Filament, mit welchem die übergeordnete Struktur umwickelt wird, nicht in einen von den Strukturkomponenten eingeschlossenen Innenraum eindringt. Insbesondere wird dabei der Faserstrang nicht zwischen den einzelnen Strukturkomponenten hindurchgeführt, sondern umgreift diese lediglich entlang von Umfangslinien, welche die übergeordnete Struktur umlaufen. Auf diese Weise kann die übergeordnete Struktur und damit auch das Strukturbauteil äußerst stabil, zugleich jedoch einfach, schnell und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere bedarf es keines komplizierten Wickelwerkzeugs, welches geeignet wäre, in enge Zwischenräume zwischen den einzelnen Strukturkomponenten einzudringen, sodass eine vergleichsweise einfache Wickeltechnik angewendet werden kann. In Zusammenhang mit der hier beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn die übergeordnete Struktur auf einer zweiten Drehplatte – wie zuvor beschrieben – aufgebaut ist, weil sie dann in sehr einfacher Weise durch Drehen der zweiten Drehplatte an ihrem äußeren Umfang umwickelt werden kann.
Ein Umwickeln der übergeordneten Struktur erfolgt vorzugsweise in einem Nasswickelverfahren, wie dies bereits in Zusammenhang mit dem Umwickeln der Mehrzahl von Wickeldornen zur Herstellung einer Strukturkomponente beschrieben wurde.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die übergeordnete Struktur, eine Strukturkomponente, oder eine andere, bestehende und insbesondere außerhalb des Verfahrens hergestellte Struktur, umwickelt wird. Dabei wird eine solche Struktur bevorzugt um mehrere Achsen umwickelt. Dabei ist es durch aufeinanderfolgende Wicklungen in verschiedenen Richtungen und insbesondere um mehrere Achsen möglich, sehr komplexe Strukturen aufzubauen. Bevorzugt werden dabei zunächst innenliegende, gewickelte Lastgurte hergestellt, die vorzugsweise zunächst ausgehärtet werden. Anschließend wird die Struktur in einer anderen Richtung mit weiteren Lastgurten umwickelt. Diese Verfahrensschritte können beliebig fortgesetzt werden, um hochkomplexe, sehr struktursteife Strukturbauteile und/oder Strukturkomponenten herzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist zusätzlich vorgesehen, dass die Strukturkomponenten aneinander befestigt, insbesondere aneinander montiert, miteinander verschraubt, vernietet und/oder verklebt werden. Die Stabilität der übergeordneten Struktur und damit auch des Strukturbauteils kann somit nochmals erhöht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die übergeordnete Struktur auf einer Montageplatte angeordnet wird, die als verlorenes Teil ausgestaltet ist, mithin Teil des entstehenden Strukturbauteils ist. Dabei ist es möglich, dass die Montageplatte zugleich als zweite Drehplatte verwendet wird, sodass die übergeordnete Struktur durch Drehen der Montageplatte umwickelt wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Strukturkomponenten ein Füllmaterial angeordnet wird. Hierdurch ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des Strukturbauteils hochflexibel und variabel auf die gewünschten Anforderungen abzustimmen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in wenigstens einer Strukturkomponente ein Füllmaterial angeordnet wird. Auch dies dient bevorzugt zur anforderungsgerechten Beeinflussung der Materialeigenschaften des faserverstärkten Strukturbauteils. Dabei wird das Füllmaterial bevorzugt in dem von den Wicklungen umschlossenen Innenraum der Strukturkomponenten angeordnet. Diese sind nämlich als hohle Lastgurt-Strukturen ausgestaltet, wobei die Wicklungen dadurch, dass sie um eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Wickeldornen umwickelt wurden, einen Innenraum einschließen, in dem in vorteilhafter Weise ein Füllmaterial angeordnet werden kann.
Als Füllmaterial wird bevorzugt ein Schaum oder ein Kern verwendet. Insbesondere ist es möglich, dass ein physikalisch und/oder chemisch schäumbarer Kunststoff, ein Metallschaum, und/oder ein Keramikschaum als Füllmaterial verwendet wird/werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Strukturkomponente an wenigstens einer Stirnseite – zumindest bereichsweise – umgebogen oder umgebördelt wird. Hierdurch ist es möglich, die Stabilität der Strukturkomponente und insbesondere eine Biegesteifigkeit von deren Lastgurtprofil deutlich zu erhöhen. Der Begriff „Stirnseite” spricht dabei eine Seite an, die sich entlang einer gedachten Ebene erstreckt, auf welcher die Wickelachse bei der Herstellung der Strukturkomponente und/oder eine Drehachse einer Drehplatte, die zum Wickeln der Strukturkomponente verwendet wird, senkrecht steht. Die lastgurtartige Strukturkomponente weist insoweit Wandungen auf, die durch Wickeln entstanden sind, und die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer solchen gedachten Ebene erstrecken. Dabei weist die Strukturkomponente – entlang dieser Dreh- oder Wickelachse gesehen – zwei Stirnseiten, nämlich eine obere und eine untere Stirnseite auf. Es ist möglich, dass die Strukturkomponente nur an einer Stirnseite umgebogen oder umgebördelt wird. Dabei wird die stegförmige Wandung der Strukturkomponente an der entsprechenden Stirnseite zumindest bereichsweise umgebogen oder umgebördelt, sodass letztlich ein L-Profil oder ein T-Profil entsteht. Alternativ ist es möglich, dass die Strukturkomponente an beiden Stirnseiten umgebogen oder umgebördelt wird, wobei ein U-Profil, ein I-Profil oder ein Doppel-T-Profil, gebildet wird. Auf diese Weise kann die Biegesteifigkeit der Strukturkomponente bedarfsgerecht abgestimmt werden. Zugleich können durch das Umbiegen oder Umbördeln der Strukturkomponente an wenigstens einer Stirnseite Flansche zur Befestigung von Anbindungskomponenten und/oder zur Befestigung einer Decklage geschaffen werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Strukturkomponente und/oder die übergeordnete Struktur mit wenigstens einer Decklage versehen wird. Dies ist vorteilhaft, weil mithilfe der Decklage Funktions- und Maßflächen erzeugt werden können. Die Decklage kann auch als Anbindungsfläche für benachbarte Teile – beispielsweise an einer Fahrzeugkarosserie – dienen. Besonders bevorzugt wird eine metallische Decklage vorgesehen. Es ist möglich, dass die Decklage als Platte, insbesondere als Montageplatte, ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass die erste und/oder die zweite Drehplatte als Decklage verwendet wird/werden. In diesem Fall ist die Drehplatte als verlorenes Teil vorgesehen, welches an dem faserverstärkten Strukturbauteil oder der Strukturkomponente als Decklage verbleibt. Die Decklage wird bevorzugt an wenigstens einer Stirnseite der Strukturkomponente(n) vorgesehen. Es ist insbesondere möglich, dass an beiden Stirnseiten der Strukturkomponente(n) jeweils eine Decklage/Decklagen vorgesehen wird/werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Decklage auf eine Stirnseite geklebt wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Decklage auf an den Wandungen der Strukturkomponenten vorgesehene Flansche, die insbesondere durch Umbiegen oder Umbördeln erzeugt sind, geklebt wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Decklage auf andere Weise an den Flanschen zu befestigen, beispielsweise durch Schrauben oder Nieten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine metallische Decklage mit einem an sich bekannten Metallverarbeitungsverfahren zugeschnitten, beispielsweise durch Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Sägen oder Fräsen, wobei die Decklage anschließend auf die gewickelten Stege und insbesondere auf die dort durch Umformen ausgebildeten Flansche aufgelegt wird. Besonders bevorzugt wird sie dann mit den Stegen oder Flanschen verklebt oder auf andere geeignete Weise befestigt.
Es zeigt sich, dass verschiedene Ausführungsformen für das Verfahren existieren, die gegebenenfalls auch miteinander kombiniert werden können. Dabei bestehen insbesondere die Möglichkeit eines freien Wickelns im Raum, eines Wickelns auf Profile, die wieder entnommen werden, und/oder eines Wickelns auf verlorene Profile. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, einen erhöhten Konsolidierungsdruck auf das Laminat anzuwenden, dieses also quasi zu verpressen. Dies kann beispielsweise durch einen Vakuumsack oder mit weiteren Profilen erfolgen.
Dabei stellt die Möglichkeit, Strukturkomponenten frei im Raum zu wickeln, eine flexibelste Variante auch für sehr komplexe Strukturen dar. Sollen dagegen steifere Strukturkomponenten erzeugt werden, die eine höhere Belastbarkeit aufweisen, können diese auf eine Fläche, insbesondere auf eine Drehplatte gewickelt werden. Eine weitere Steigerung der Belastbarkeit kann durch Nachkompaktieren, insbesondere Verpressen, der Laminate erreicht werden. Besonders struktursteife Strukturkomponenten lassen sich auch dadurch erhalten, dass zunächst separate Strukturkomponenten auf Flächen, insbesondere Drehplatten, gewickelt werden, wobei diese anschließend in situ gefügt, insbesondere miteinander verpresst, werden. Dabei kann eine hochfeste, klebstofffreie Verbindung zwischen den Laminaten erzielt werden. Hierzu können die Laminate insbesondere erwärmt oder in warmem Zustand miteinander verpresst werden, sodass sie stoffschlüssig aneinander angebunden, insbesondere miteinander verschweißt werden.
Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Strukturbauteil ein Betriebsmittel für die Herstellung einer Fahrzeugkarosserie oder eines Fahrzeugkarosseriebauteils, oder ein Fahrzeugkarosseriebauteil hergestellt wird. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Niederhalter für das Falzen einer Motorhaube hergestellt. Insbesondere kann dabei der Greifer des Niederhalters im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens hergestellt werden, bevorzugt aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Erfindung betrifft auch ein faserverstärktes Strukturbauteil, das sich dadurch auszeichnet, dass es durch eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt ist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Strukturbauteil die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsmittel für die Herstellung einer Fahrzeugkarosserie oder eines Fahrzeugkarosseriebauteils, wobei das Betriebsmittel hergestellt ist durch eine der zuvor erläuterten Ausführungsformen des Verfahrens. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Betriebsmittel die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Besonders bevorzugt ist das Betriebsmittel als Niederhalter für das Falzen von Motorhauben ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Betriebsmittel als Greifer eines Niederhalters für das Falzen von Motorhauben, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, ausgebildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Karosserie, die sich durch ein faserverstärktes Strukturbauteil nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auszeichnet. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Karosserie die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem Strukturbauteil erläutert wurden. Die Karosserie ist bevorzugt eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs, besonders eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer Karosserie gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Karosserie, dem Strukturbauteil und dem Verfahren erläutert wurden. Das Fahrzeug ist bevorzugt als Personenkraftwagen, als Lastkraftwagen oder als Nutzfahrzeug ausgebildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils, insbesondere eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Vorrichtung weist eine um eine Drehachse drehbar gelagerte Drehplatte mit einer Mehrzahl von Befestigungspunkten zur Befestigung einer Mehrzahl von Wickeldornen auf der Drehplatte auf. Außerdem weist die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung zur Zuführung eines harzgetränkten oder mit einem Harz imprägnierten Fasermaterials, insbesondere eines Faserstrangs oder Faserrovings, auf.
Die erste Drehplatte ist bevorzugt mit einem Drehantrieb, insbesondere einem Elektromotor, wirkverbunden, wobei der Drehantrieb eingerichtet ist, um die Drehplatte um die Drehachse zu drehen. Die Zuführeinrichtung weist bevorzugt eine Abwickelvorrichtung zum Abwickeln des Faserstrangs oder Faserrovings sowie ein Tauchbad auf, durch welches der Faserstrang oder das Faserroving nach dem Abwickeln und vor dem Aufwickeln auf die Drehplatte geführt wird. In dem Tauchbad wird der Faserstrang oder das Faserroving vorzugsweise durch ein Bad von flüssigem Harz gezogen und auf diese Weise benetzt oder imprägniert.
Die Vorrichtung weist bevorzugt eine zweite Drehplatte auf, die – entlang der Drehachse gesehen – gegenüber der ersten Drehplatte angeordnet ist. Vorzugweise sind die erste Drehplatte und die zweite Drehplatte relativ zueinander – entlang der Drehachse gesehen – verlagerbar. Besonders bevorzugt ist die zweite Drehplatte auf einem Schlitten – entlang der Drehachse gesehen – verlagerbar gehalten. Die zweite Drehplatte ist um eine zweite Drehachse drehbar gelagert, wobei es besonders bevorzugt möglich ist, dass die erste und die zweite Drehachse zusammenfallen, sodass die erste und die zweite Drehplatte eine gemeinsame Drehachse aufweisen.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen zweiten Drehantrieb, insbesondere einen Elektromotor auf, mit welchem die zweite Drehplatte wirkverbunden ist. Dabei ist der zweite Drehantrieb eingerichtet, um die zweite Drehplatte um die zweite Drehachse oder die gemeinsame Drehachse zu drehen.
Die zweite Drehplatte ist bevorzugt relativ zu der Zuführeinrichtung in einer Wickelposition anordenbar, in welcher der Faserstrang oder das Faserroving von der Zuführeinrichtung zu der zweiten Drehplatte führbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Details einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines im Rahmen des Verfahrens hergestellten faserverstärkten Strukturbauteils;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils;
4 eine schematische Darstellung eines Details einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Details der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 4;
6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Verfahrens, und
7 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens verwendbaren Wickeldorns.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils 1, welches selbst lediglich in 2 dargestellt ist. In 1 ist die Herstellung einer ersten Strukturkomponente 3 für das Strukturbauteil 1 dargestellt, wobei die erste Strukturkomponente 3 durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen 5 von außen beziehungsweise an einem äußeren Umfang der Wickeldorne 5 in einem Nasswickelverfahren hergestellt wird. Hierzu werden die Wickeldorne 5 insbesondere beabstandet voneinander auf einer ersten Drehplatte 7 angeordnet, vorzugsweise dort fixiert oder befestigt. Hierzu weist die erste Drehplatte 7 vorzugsweise bestimmte Befestigungspunkte auf, von denen hier nur einer der besseren Übersichtlichkeit wegen mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet ist. Die Befestigungspunkte 9 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der ersten Drehplatte 7 in Form eines regelmäßigen, matrixartigen Rasters an der Drehplatte 7 vorgesehen. Insbesondere sind die Befestigungspunkte 9 hier als Durchgangsbohrungen ausgebildet, an denen die Wickeldorne 5 in einfacher Weise festgelegt werden können, indem sie in eine Durchgangsbohrung eingesteckt oder am Ort der Durchgangsbohrung mit der ersten Drehplatte 7 verschraubt werden.
Zur Herstellung der ersten Strukturkomponente 3 wird die erste Drehplatte 7 mit den beabstandet voneinander auf ihr angeordneten Wickeldornen 5 um eine auf der Bildebene von 1 senkrecht stehende Drehachse 11 gedreht, wobei die Anordnung der Wickeldorne 5 von außen mit einem Faserstrang 13 oder einem Faserroving umwickelt wird. Dabei ist erkennbar, dass der Faserstrang 13 stets nur in einem kleinen Umfangsbereich einer Wandung jedes einzelnen Wickeldorns 5 anliegt. Insbesondere ist auch erkennbar, dass der Faserstrang 13 lediglich außen an den Wickeldornen 5 vorbeigeführt und angelegt wird, wobei er nirgendwo in einen von den Wickeldornen 5 eingeschlossenen Innenraum 15 eindringt.
Es ist möglich, dass die Anordnung von Wickeldornen 5 mit einem einheitlichen Faserstrang 13 aus nur einem Material umwickelt wird, um die erste Strukturkomponente 3 herzustellen. Alternativ ist es auch möglich, dass in einer bestimmten Abfolge verschiedene Materialien, insbesondere in Form von Filamenten, auf die Anordnung von Wickeldornen 5 gewickelt wird. Beispielsweise kann in bestimmter Abfolge ein Verstärkungsfilament, insbesondere der Faserstrang 13, ein Schaumband, und wieder ein Verstärkungsfilament um die. Anordnung von Wickeldornen 5 gewickelt werden. Auf diese Weise kann die erste Strukturkomponente 3 als Sandwichstruktur hergestellt werden, und/oder es ist möglich, die Materialeigenschaften der ersten Strukturkomponente 3 flexibel und anforderungsgerecht abzustimmen.
Anhand von 1 ist auch erkennbar, dass die Strukturkomponente 3 als nicht-rotationssymmetrischer Lastgurt in Faserverbundbauweise entsteht. Dabei bildet der die Drehachse 11 umgreifende Faserstrang 13 Wandungen in Form von Stegen aus, welche den Innenraum 15 umschließen. Eine Höhenrichtung der Strukturkomponente 3 erstreckt sich dabei in Richtung der Drehachse 11. Die derart entstehende Strukturkomponente 3 weist dann einen stirnseitig oben und unten offenen Innenraum 15 auf, wobei mit einer Stirnseite hier jeweils eine Seite angesprochen ist, die sich entlang einer gedachten Ebene erstreckt, auf welcher die Drehachse 11 senkrecht steht, wobei die gedachte Ebene parallel zur Bildebene von 1 verläuft.
Bevorzugt werden auf die in 1 schematisch dargestellte Weise eine Mehrzahl von Strukturkomponenten hergestellt. Es ist aber auch möglich, dass im Rahmen des Verfahrens weitere Strukturkomponenten eingesetzt werden, die nicht auf die in 1 dargestellte Weise, sondern in anderer Weise hergestellt sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung des insgesamt entstehenden Strukturbauteils 1. Um dieses herzustellen, werden im Rahmen des Verfahrens die erste Strukturkomponente 3 sowie weitere Strukturkomponenten, hier insbesondere eine zweite Strukturkomponente 17, eine dritte Strukturkomponente 19, eine vierte Strukturkomponente 21 und eine fünfte Strukturkomponente 23 gemeinsam auf einer zweiten Drehplatte 25 zu einer übergeordneten Struktur 26 angeordnet und relativ zueinander fixiert. Dabei sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bevorzugt alle Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 in der gleichen Weise hergestellt, wie dies zuvor für die erste Strukturkomponente 3 beschrieben wurde.
Um die Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 relativ zueinander zu der übergeordneten Struktur 26 auf der zweiten Drehplatte 25 anzuordnen, weist diese bevorzugt – ebenso wie die erste Drehplatte 7 – eine Mehrzahl von Befestigungspunkten 9, insbesondere ein regelmäßiges, matrixartiges Raster solcher Befestigungspunkte 9, die vorzugsweise als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, auf. Es ist dann möglich, die Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 sukzessive von der ersten Drehplatte 7 zu lösen und an der zweiten Drehplatte 25 zu befestigen. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Drehplatte 7 nacheinander zur Herstellung der verschiedenen Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 genutzt wird, sodass sie wiedergewonnen wird. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass die erste Drehplatte 7 als Decklage an einer mit ihrer Hilfe hergestellten Strukturkomponente verbleibt, sodass die Strukturkomponente, beispielsweise die erste Strukturkomponente 3, die erste Drehplatte 7 als Teil umfasst. Diese wird dann insgesamt mit der ersten Drehplatte 7 auf der zweiten Drehplatte 25 befestigt, insbesondere so, dass das gewickelte Laminat beziehungsweise der Lastgurt der ersten Strukturkomponente 3 zwischen den beiden Drehplatten 7, 25 angeordnet ist.
Die verschiedenen Strukturkomponenten 17, 19, 21, 23 werden vorzugsweise miteinander verbunden, wobei die übergeordnete Struktur 26 fixiert wird. Hierzu ist es möglich, dass verschiedene, insbesondere benachbarte Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 miteinander verklebt, verschraubt, vernietet oder in anderer Weise aneinander befestigt werden. Insbesondere ist es möglich, zwischen den Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 angeordnete Zwischenräume, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnet ist, mit einem Kleber gefüllt werden, wobei die im Bereich des Zwischenraums 27 aneinandergrenzenden Strukturkomponenten 17, 19 miteinander verklebt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zumindest einen oder eine Auswahl von Zwischenräumen 27, insbesondere auch alle Zwischenräume 27, mit einem Schaum oder Kern zu füllen. Dabei kann als Schaum ein physikalisch und/oder chemisch schäumbarer Kunststoff, und/oder ein Metall- und/oder Keramikschaum eingesetzt werden.
Um die Materialeigenschaften des Strukturbauteils 1 weiter in gewünschter Weise zu beeinflussen, ist es möglich, die Innenräume 15 – von denen hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nur der Innenraum 15 der ersten Strukturkomponente 3 mit dem Bezugszeichen bezeichnet ist – mit einem Füllmaterial, insbesondere mit einem Schaum, zu füllen. Auch hierbei ist es möglich, dass als Schaum ein physikalisch und/oder chemisch schäumbarer Kunststoff, und/oder ein Metall- und/oder Keramikschaum verwendet wird.
Anhand der 1 und 2 wird deutlich, dass das Strukturbauteil 1 im Rahmen des Verfahrens als Fachwerkbauteil mit einer Fachwerkstruktur hergestellt wird, ohne dass es eines Eindringens einer Wickeleinrichtung in ein Inneres der Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 oder des Strukturbauteils 1 beziehungsweise der übergeordneten Struktur 26 bedarf. Daher sind mithilfe des Verfahrens Strukturbauteile 1 auch mit komplexer, fachwerkartiger Geometrie in einfacher, schneller und kostengünstiger Weise herstellbar.
Es ist möglich, dass zumindest einige der Wickeldorne 5 – insbesondere nach dem Befestigen der Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 aneinander – entnommen werden, was insbesondere deswegen möglich ist, weil die einzelnen Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 nach einem Aushärten der in Faserverbundbauweise mit integrierter Imprägnierung nassgewickelten Lastgurte struktursteif sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass zumindest ein Wickeldorn 5, eine Mehrzahl von Wickeldornen 5 oder auch alle Wickeldorne 5 als verlorene Teile behandelt werden und in den Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 beziehungsweise in dem Strukturbauteil 1 verbleiben. Dabei können sie insbesondere als Anbindungspunkte für dem Strukturbauteil 1 in einer übergeordneten Konstruktion, beispielsweise einer Kraftfahrzeugkarosserie, benachbarte Teile dienen.
Besonders bevorzugt wird die übergeordnete Struktur 26 zur Fertigstellung des Strukturbauteils 1 nochmals insgesamt in einem Nasswickelverfahren durch Drehen der zweiten Drehplatte 25 von außen, also entlang ihres äußeren Umfangs, mit dem Faserstrang 13 und/oder mit einem anderen Fasermaterial und/oder Filamentmaterial, umwickelt. Auch hierbei dringt der Faserstrang 13 nicht in das Innere der übergeordneten Struktur 26 beziehungsweise des Strukturbauteils 1 ein, sondern umgreift diese/dieses lediglich von außen entlang des äußeren Umfangs. Insgesamt kann so ein besonders stabiles und struktursteifes Strukturbauteil 1 mit einem äußeren Lastgurt oder Außengurt und einer inneren Fachwerkstruktur in einfacher Weise schnell und kostengünstig erzeugt werden.
Um die Biegesteifigkeit wenigstens einer der Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 zu erhöhen, ist es möglich, dass diese an wenigstens einer ihrer Stirnseiten umgebogen oder umgebördelt wird. Auf diese Weise kann der die Wandung der Strukturkomponente darstellende Steg zu einem L-Profil, einem U-Profil, einem T-Profil, einem I-Profil oder einem Doppel-T-Profil umgeformt werden. Die derart umgebogenen oder umgebördelten Bereiche sind dann insbesondere auch als Montageflansche nutzbar, ganz besonders, um eine Decklage an der Strukturkomponente 3, 17, 19, 21, 23 und/oder der übergeordneten Struktur 26 zu befestigen. Die Decklage ist vorzugsweise eine metallische Decklage, insbesondere eine metallische Platte. Auf diese Weise können einfach und rasch Funktions- und Maßflächen erzeugt werden. Die Decklage kann durch Kleben, Schrauben, Nieten oder in anderer geeigneter Weise insbesondere mit den durch Umformen an den Stegen der Lastgurte gebildeten Flansche befestigt werden. Wie bereits zuvor ausgeführt, ist es auch möglich, dass wenigstens eine der Drehplatten 7, 25 als Decklage verwendet wird. Anders formuliert ist es möglich, dass wenigstens eine der Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 auf eine Decklage gewickelt wird, die insoweit als Drehplatte verwendet wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 29, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. Die Vorrichtung 29 weist eine Zuführeinrichtung 31 für den Faserstrang 13 oder ein Faserroving auf. Sie weist außerdem die erste Drehplatte 7 sowie die zweite Drehplatte 25 auf, die – entlang einer gemeinsamen Drehachse 11 gesehen – gegenüber voneinander angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Drehplatten 7, 25 in Richtung der Drehachse 11 gesehen relativ zueinander verlagerbar sind.
Bei dem in 3 konkret dargestellten Ausführungsbeispiel ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Drehplatte 25 auf einem Schlitten 33 in Richtung der Drehachse 11 verlagerbar angeordnet ist.
Jeder der Drehplatten 7, 25 ist bevorzugt ein Drehantrieb 35, 35 – vorzugsweise in Form eines Elektromotors – zugeordnet. Mithilfe der Drehantriebe 35, 35' sind die Drehplatten 7, 25 um die gemeinsame Drehachse 11 drehbar. Dabei sind die Drehplatten 7, 25 insbesondere unabhängig voneinander um die gemeinsame Drehachse 11 drehbar.
Die Zuführeinrichtung 31 weist vorzugsweise eine Abwickelvorrichtung 37 auf, die eingerichtet ist, um den Faserstrang 13 von einer Vorratsspule 39 abzuwickeln. Die Zuführeinrichtung 31 weist weiterhin ein Tauchbad 41 auf, durch welches der Faserstrang 13 nach dem Abwickeln in der Abwickelvorrichtung 37 und vor dem Aufwickeln auf die Drehplatte 7, 25 durchgeführt wird, wobei der Faserstrang 13 durch ein Bad von flüssigem Harz gezogen und auf diese Weise benetzt beziehungsweise imprägniert wird.
Auf der ersten Drehplatte 7 sind – wie bereits zuvor erläutert – Wickeldorne 5 beabstandet voneinander angeordnet, wobei der Faserstrang 13 nass von außen um die Wickeldorne 5 herum gewickelt wird, indem die erste Drehplatte 7 um die Drehachse 11 gedreht wird. Auf diese Weise ist die erste Strukturkomponente 3 herstellbar.
Nach der Herstellung einer Strukturkomponente wird bevorzugt die zweite Drehplatte 25 auf dem Schlitten 33 zu der ersten Drehplatte 7 hin verlagert, wobei bevorzugt die Wickeldorne 5 zunächst an der zweiten Drehplatte 25 fixiert und anschließend von der ersten Drehplatte 7 gelöst werden. Es ist allerdings auch möglich, dass die erste Drehplatte 7 als verlorenes Teil verwendet wird, wobei sie von dem Drehantrieb 35 entkoppelt und gemeinsam mit der Strukturkomponente 3 auf der zweiten Drehplatte 25 befestigt wird.
Vorzugsweise ist die zweite Drehplatte 25 größer als die erste Drehplatte 7 und/oder relativ zu dieser auch senkrecht zu der Drehachse 11 – vorzugsweise in zwei Richtungen – verlagerbar. Es ist dann möglich, mithilfe der ersten Drehplatte 7 oder auch weiteren Drehplatten sukzessive einzelne Strukturkomponenten zu wickeln, die dann an verschiedenen Orten der zweiten Drehplatte 25 montiert werden können. Auf diese Weise kann eine übergeordnete Struktur von verschiedenen Strukturkomponenten auf der zweiten Drehplatte 25 sukzessive aufgebaut werden.
Dabei wird die zweite Drehplatte 25 zum wickeltechnischen Herstellen einer weiteren Strukturkomponente stets mithilfe des Schlittens 33 von der ersten Wickelplatte 7 – entlang der Drehachse 11 gesehen – beabstandet angeordnet, wobei sie für einen Transfer der Strukturkomponente wiederum zu der ersten Drehplatte 7 hin verlagert wird.
Ist schließlich die übergeordnete Struktur auf der zweiten Drehplatte 25 aufgebaut, kann diese mithilfe des Schlittens 33 in eine Wickelposition relativ zu dem Tauchbad 41 und der Zuführeinrichtung 31 verlagert werden, wobei es dann möglich ist, unter Drehung der zweiten Drehplatte 25 insbesondere mithilfe des Drehantriebs 35' die übergeordnete Struktur 26 insgesamt mit dem Faserstrang 13 zu umwickeln und so das entstehende Strukturbauteil 1 zu fixieren.
Somit zeigt sich, dass es mithilfe der Vorrichtung 29 in besonders einfacher, flexibler, schneller und kostengünstiger Weise möglich ist, auch komplexe, fachwerkartige Strukturbauteile 1 herzustellen.
Es zeigt sich weiterhin, dass mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung 29 eine leichtbaugerechte Umsetzung von struktursteifen Elementen, beispielsweise von Dreiecken, möglich ist, um eine faserverbundgerechte Nutzung von Material entlang seiner Vorzugsrichtung, nämlich Faserrichtung, in einem Fachwerk ohne Fügestellen in den Knotenelementen zu ermöglichen. Dies ergibt insgesamt ein hohes Gewichtseinsparungspotential für das Strukturbauteil 1 und eine damit ausgebildete Struktur.
Auch eine Integration von Schmaltextilien, beispielsweise von Gewebebändern oder ähnlichen Elementen, ist für eine weitere Verstärkungsrichtung möglich. Es ergibt sich ein deutlich reduzierter Verschnitt gegenüber einer Schalenbauweise des Strukturbauteils 1. Auch eine Integration von metallischen Komponenten im Wickelprozess ist möglich. Wie bereits erwähnt, können verschiedene Werkstoffe, beispielsweise Glasfasern und Kohlefasern, miteinander kombiniert werden. Knotenelement und/oder Fügestellen innerhalb des Strukturbauteils können entfallen. Ebenfalls können Autoklav-, Injektions- oder Infusionsprozesse entfallen. Hierbei zeigt sich insbesondere, dass das verwendete Nasswickelverfahren große Vorteile im Hinblick auf den Fertigungsaufwand, die Kosten und die Eigenschaften des entstehenden Produkts hat. Weisen die Drehplatten 7, 25 ein insbesondere regelmäßiges Lochmuster auf, sind selbst sehr verschiedene Geometrien für das Strukturbauteil 1 schnell umsetzbar.
Eine besonders schnelle Aushärtung des Harzes ist dadurch erreichbar, dass die Drehplatten 7, 25 temperiert werden.
Es zeigt sich außerdem, dass die Drehplatten 7, 25 eine saubere Oberfläche zum Aufbau der einzelnen Strukturkomponenten 3, 17, 19, 21, 23 und auch des Strukturbauteils 1 aufweisen.
Wird im Rahmen des Verfahrens als Strukturbauteil 1 insbesondere ein Greifer für einen Roboter hergestellt, ergibt sich ein geringerer Energieverbrauch des Roboters durch das Leichtbaupotential, welches sich in dem Strukturbauteil 1 verwirklicht. Aufgrund der höheren dynamischen Tragfähigkeit des Strukturbauteils 1 ist außerdem ein schnelleres Handling durch den Roboter möglich. Weiterhin ergibt sich eine geringere Abnutzung des Robotergetriebes sowie von dessen Antriebsstrang.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist in 4a) die Herstellung der ersten Strukturkomponente 3 dargestellt, wobei hier Wickeldorne 5 verwendet werden, welche bereichsweise – im Längsschnitt gesehen – eine E-förmige Struktur aufweisen. Diese E-förmige Struktur wird innerhalb von Endflanschen 43, die hier der einfacheren Darstellung wegen nur für einen der Wickeldorne 5 mit Bezugszeichen versehen sind, und welche die äußeren Stege des E bilden, mit dem Faserstrang 13 umwickelt. In 4b) ist die derart entstandene erste Strukturkomponente 3, sowie eine identische, zweite Strukturkomponente 17 schematisch dargestellt. Dabei zeigt sich, dass durch Umwickeln der E-förmigen Struktur der Wickeldorne 5 zwischen den Endflanschen 43 eine C-förmige Struktur für die Strukturkomponenten 3, 17 resultiert. Insbesondere weisen die so entstandenen Lastgurte die Form von C-Trägern auf. Es ergibt sich also für die Lastgurte eine Form, die komplementär ist zu der Struktur der Umfangsfläche der Wickeldorne 5.
Die Strukturkomponenten 3, 17 sind in einem Verbindungsbereich 45 miteinander gefügt, besonders bevorzugt miteinander verpresst oder verschweißt, wobei hier zwei C-förmige Träger mit entgegengesetzter Ausrichtung aneinandergrenzen. Hierdurch entsteht insgesamt ein besonders stabiles und insbesondere biegesteifes Doppel-T-Profil oder I-Profil. Es kann so ein sehr struktursteifes Strukturbauteil 1 durch derartiges Fügen von Strukturkomponenten 3, 17 gebildet werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Details der zweiten Ausführungsform des Verfahrens gemäß 4. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei den in 5 dargestellten Strukturkomponenten 3, 17 sind die Wickeldorne 5 nicht entfernt, sondern werden vielmehr als verlorene Teile behandelt, sodass sie in den fertigen Strukturkomponenten 3, 17 und auch indem fertigen Strukturbauteil 1 verbleiben. Die Wickelkonstruktion wird hier durch angefügte Funktionsplatten ergänzt, die insbesondere als Metallplatten ausgebildet sind. Dabei dienen die Wickeldorne 5 zur Anbindung der Funktionsplatten. Hierzu weisen sie im Bereich ihrer Endflansche 43 Anbindungselemente 46 auf, von denen hier der einfacheren Darstellung wegen nur ein Anbindungselement mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet ist. Die Anbindungselemente 46 sind vorzugsweise als Gewindebohrungen ausgebildet. Eine erste Funktionsplatte 47 wird direkt auf die beiden in 5 dargestellten, benachbarten Wickeldorne 5 der Strukturkomponenten 3, 17 geschraubt, die unmittelbar aneinandergrenzen, wobei die beiden Wickeldorne 5 durch die erste Funktionsplatte 47 fest miteinander verbunden werden. An die gegenüberliegenden Endflansche 43 der Wickeldorne 5 wird eine zweite Funktionsplatte 49 in Form eines Winkels geschraubt. Diese weist ihrerseits Anbindungselemente 51 zum Befestigen eines den Strukturkomponenten 3, 17 benachbarten Bauteils 53 auf. Um einen Abstand zwischen dem Bauteil 53 und der zweiten Funktionsplatte 49 in geeigneter Weise einzustellen, ist es möglich, Unterlegplatten 55 zu verwenden.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei zeigt 6 ein Strukturbauteil 1, welches durch aufeinanderfolgendes Wickeln in verschiedenen Richtungen hergestellt ist. Es ist so möglich, sehr komplexe, dreidimensionale Strukturen aufzubauen. Dabei werden bevorzugt zunächst innenliegende Lastgurte 57 in einer ersten Richtung gewickelt, wobei diese vorzugsweise danach ausgehärtet werden. Bevorzugt werden nach dem Aushärten der innenliegenden Lastgurte 57 außenliegende Lastgurte 59 in einer anderen Richtung um die innenliegenden Lastgurte 57 gewickelt. Es ist auch möglich, dass eine bereits bestehende oder zuvor im Rahmen des Verfahrens ausgebildete Struktur in mehreren Richtungen umwickelt wird. Dabei erfolgt quasi ein Bandagieren der Struktur. Auch die innenliegenden Lastgurte 57 werden im Fall von 6 bevorzugt mittels der außenliegenden Lastgurte 59 bandagiert.
6 zeigt außerdem zwei vorzugsweise als Metallplatten ausgebildete Funktionsplatten, nämlich eine erste Funktionasplatte 647 und eine zweite Funktionsplatte 649. Diese werden hier über Schraubverbindungen mit dem Strukturbauteil 1 verbunden und dienen der dimensional hochgenauen Anbindung an weitere Bauteile oder Baugruppen. In die Lastgurte 57, 59 sind bevorzugt Inserts 61 integriert, wobei hier der einfacheren Darstellung wegen nur ein Insert mit dem Bezugszeichen 61 bezeichnet ist. Die Inserts 61 weisen insbesondere Innengewinde auf, in welche Befestigungsschrauben eingeschraubt werden können. Alternativ ist es möglich, dass die Wickelgurte an den Befestigungsstellen zwischen zwei Metallplatten oder Metallelementen eingepresst oder eingespannt sind, sodass Schrauben durch Bohrungen in den Lastgurten hindurchgeführt und in Gewinde eingeschraubt werden, die in Metallelementen, beispielsweise Wickelplatten, Wickeldornen, oder anderen Metallelementen, auf der anderen Seite des Lastgurts vorgesehen sind.
Die Funktionsplatten 647, 649 können auch an Stellen vorgesehen sein, die einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, um dort die Verschleißfestigkeit des Strukturbauteils 1 lokal bedarfsgerecht zu erhöhen.
7 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wickeldorns 5 im Längsschnitt, wie er in besonders einfacher Weise im Rahmen des Verfahrens verwendet werden kann. Dabei weist der Wickeldorn eine zentrale, hohlzylinderförmige Hülse 63 auf, in welche endseitig ein erstes Drehteil 65 und eine zweites Drehteil 67 eingesteckt sind. Die Drehteile 65, 67 weisen jeweils einen Flansch 69, 71 auf, wobei die Flansche 69, 71 wiederum Anbindungselemente 73, hier in Form von Bohrungen, besonders bevorzugt in Form von Gewindebohrungen, aufweisen. Die Flansche 69, 71 mit den Anbindungselementen 73 dienen dabei der Anbindung des bevorzugt als verlorenen Teils in dem Strukturbauteil 1 verbleibenden Wickeldorns 5 an benachbarte Bauteile. Die Geometrie und insbesondere ein Profilquerschnitt des Wickeldorns 5 kann in besonders einfacher Weise durch Austauschen der Drehteile 65, 67 und/oder der Hülse 63 erfolgen. Hierdurch können insbesondere verschieden ausgebildete Wandungen für eine mithilfe des Wickeldorns 5 hergestellte Strukturkomponente erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1268164 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils (1), mit folgenden Schritten: – Herstellen einer ersten Strukturkomponente (3) durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen (5) an einem äußeren Umfang der Wickeldorne (5) in einem Nasswickelverfahren; – Herstellen von wenigstens einer zweiten Strukturkomponente (17, 19, 21, 23); – Anordnen der ersten Strukturkomponente (3) und der wenigstens einen zweiten Strukturkomponente (17, 19, 21, 23) zu einer übergeordneten Struktur (26), und – Herstellen des Strukturbauteils (1) durch Fixieren der Strukturkomponenten (3, 17, 19, 21, 23) relativ zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Strukturkomponente (17, 19, 21, 23) durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen (5) an einem äußeren Umfang der Wickeldorne (5) in einem Nasswickelverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Strukturkomponenten (3, 17, 19, 21, 23) mit einer nicht rotationssymmetrischen Form hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Strukturkomponente (3) hergestellt wird, indem als Stützelemente auf einer ersten Drehplatte (7) angeordnete Wickeldorne (5) unter Drehen der ersten Drehplatte (7) von außen umwickelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strukturkomponente (3) auf einer zweiten Drehplatte (25) angeordnet wird, wobei auf der zweiten Drehplatte (25) die übergeordnete Struktur (26) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (1) durch Umwickeln der übergeordneten Struktur (26) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Strukturkomponenten (3, 17, 19, 21, 23) und/oder in wenigstens einer Strukturkomponente (3, 17, 19, 21, 23) ein Füllmaterial angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strukturkomponente (3, 17, 19, 21, 23) an wenigstens einer Stirnseite zumindest bereichsweise umgebogen oder umgebördelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strukturkomponente und/oder die übergeordnete Struktur (26) mit wenigstens einer Decklage versehen wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als faserverstärktes Strukturbauteil (1) ein Betriebsmittel für die Herstellung einer Fahrzeugkarosserie oder für die Herstellung eines Karosseriebauteils, oder ein Fahrzeugkarosseriebauteil hergestellt wird.