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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff.
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Im Kraftfahrzeugbau werden im zunehmenden Maße faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, wobei unter Anderem aus diesen faserverstärkten Kunststoffen auch Hohlbauteile hergestellt werden.
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Bei der Herstellung solcher Hohlbauteile werden Kerne verwendet, welche die Kontur des Hohlbauteils festlegen und mit Verstärkungsfasern beispielsweise umflochten werden. Anschließend werden die Verstärkungsfasern in einen Matrixwerkstoff eingebettet und wird der Kern zur Ausbildung des Hohlbauteils wahlweise entfernt.
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Im Hinblick auf eine im Kraftfahrzeugbau notwendige Großserienfertigung müssen für beispielsweise das Umflechten des Kerns bzw. das Aufbringen der Verstärkungsfasern gut handhabbare, steife Kerne eingesetzt werden, die von Greifersystemen einfach und stabil gehaltert werden können.
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Zum einen werden beispielsweise Aluminiumkerne eingesetzt, die nach dem Einbetten der Verstärkungsfasern aus dem Hohlbauteil herausgelöst werden. Diese Kerne können allerdings nur bei Bauteilen mit einfachen Geometrien eingesetzt werden, da ansonsten der Kern zur Herstellung des Hohlbauteils nicht wieder entfernt werden kann.
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Zum anderen werden, um die Kerne bei komplexen Geometrien entfernbar zu gestalten, auswaschbare Kernsysteme wie Salz- oder Sandkerne verwendet. Diese Kernsysteme sind allerdings aufwendig in der Herstellung und sehr kostenintensiv und daher nicht für die Großserienfertigung geeignet.
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Des Weiteren werden zur Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexen Geometrien, wie beispielsweise Hinterschneidungen oder Abzweigungen, Blasformkerne eingesetzt, die nach Einbetten der Verstärkungsfasern in den Matrixwerkstoff kollabiert und aus dem Hohlbauteil entfernt werden.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Blasformkerns 8, bevor er mit Verstärkungsfasern umflochten wird. Der Blasformkern 8 ist mit Luft gefüllt und wird durch Greifer 7 gehaltert. Wie ersichtlich ist, bietet der Blasformkern nur wenig Widerstand gegen Verformung und muss deshalb an weiteren, nicht gezeigten, Positionen gestützt werden. Darüber hinaus müssen der/die zur Halterung des Blasformkerns 8 vorgesehenen Greifer 7 so eingerichtet werden, dass sie den Blasformkern nicht beschädigen. Diese Probleme treten speziell bei großen Blasformkernen und/oder solchen mit geringer Wandstärke auf. Insoweit sind Blasformkerne mit unterschiedlichsten Querschnitten und Wandstärken, insbesondere in automatisierten Herstellungsverfahren, nur schlecht handhabbar.
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Darüber hinaus können Blasformkerne nach dem Entfernen aus dem Hohlbauteil nicht direkt wiederverwendet werden, sondern müssen in der Regel zuerst eingeschmolzen und erneut hergestellt werden.
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Letztendlich werden keine der genannten Kerne in den entsprechenden Herstellungsverfahren so verwendet, dass die Kerne neben der Festlegung der Kontur des Hohlbauteiles auch andere Funktionen übernehmen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gut handhabbares Herstellungsverfahren vorzuschlagen, mit dem Hohlbauteile mit verschiedenen Anforderungen und/oder komplexen Geometrien aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff weist insbesondere folgende Verfahrensschritte auf:
- – einen Aufbauschritt, in dem ein mehrteiliger Kern aus einer Vielzahl von Kernelementen aufgebaut wird, wobei zumindest ein steifes Kernelement vorgesehen ist;
- – einen Aufbringungsschritt, in dem Verstärkungsfasern auf den mehrteiligen Kern aufgebracht werden;
- – einen Einbettungsschritt, in dem die Verstärkungsfasern zur Ausbildung des Hohlbauteils in einen Matrixwerkstoff aus Kunststoff eingebettet werden;
- – einen Entfernungsschritt, in dem zumindest das steife Kernelement aus dem Hohlbauteil entfernt wird und zumindest ein verbleibendes Kernelement, welches nicht zerstörungsfrei entfernt werden kann oder eine gezielte Verstärkung des Hohlbauteils bildet, im Hohlbauteil verbleibt; und
- – einen Abschlussschritt, in dem das Verfahren abgeschlossen wird, wobei das verbleibende Kernelement über den Abschlussschritt hinaus im Hohlbauteil verbleibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich beispielsweise um ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils, das zumindest einen Bauteilabschnitt mit einer komplexen Geometrie, wie beispielsweise eine Hinterschneidung, eine Abzweigung, ein Knotenpunkt oder ein Verbindungselement, aufweist. Ein solches Hohlbauteil kann beispielsweise ein Krümmer, ein Krafteinleitungselement oder ein Hohlprofil sein.
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Aufgrund der Mehrteiligkeit des Kerns und des erfindungsgemäßen Verbleibs eines der Kernelemente können Hohlbauteile mit komplexer Geometrie hergestellt werden, wobei beispielsweise ein Abschnitt mit einfacher Geometrie durch das steife Kernelement und ein Abschnitt mit komplexer Geometrie durch das verbleibende Kernelement realisiert wird. Auch lässt sich der Kern aufgrund der Mehrteiligkeit gut in Abhängigkeit von der Geometrie des herzustellenden Hohlbauteils verschiedenartig aufbauen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich ferner beispielsweise um ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils, das an einem bestimmten Abschnitt gezielt verstärkt werden soll. In dieser Hinsicht wird in dem Entfernungsschritt das steife Kernelement aus dem Hohlbauteil entfernt, wobei das verbleibende Kernelement an einem bestimmten Abschnitt des Hohlbauteiles gezielt verbleibt, an dem es eine Verstärkung des Hohlbauteiles bildet. Der bestimmte Abschnitt kann jeder beliebige Abschnitt des Hohlbauteils sein.
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Wird beispielsweise bei der Konstruktion und Auslegung der Dimensionierung des Hohlbauteiles ermittelt, dass ein Abschnitt bei einer bestimmten Verwendung nicht über eine ausreichende Stabilität verfügt, kann das verbleibende Kernelement bei der Konstruktion/Auslegung berücksichtigt werden und in dem Aufbauschritt der mehrteilige Kern derart aufgebaut werden, dass in dem Entfernungsschritt das verbleibende Kernelement an dem Abschnitt verbleibt und dort die gezielte Verstärkung bildet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann insoweit die gesamte Herstellung des Hohlbauteils dahingehend vereinfacht werden, dass u. U. Inserts oder Versteifungselemente in dem Aufbringungs- oder Einbettungsschritt nicht mit in das Hohlbauteil integriert werden müssen.
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Durch das Vorsehen mindestens eines steifen Kernelementes lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der Herstellung von Hohlbauteilen in einer automatisierten Großserienfertigung durchführen und gut handhaben, weil durch das Vorsehen mindestens eines steifen Kernelementes mit ausreichender Biegesteifigkeit und Druckbeständigkeit der mehrteilige Kern gut gehaltert und das Risiko einer Beschädigung des steifen Kernelementes durch einen Greifer vermindert werden kann. Somit lassen sich steife Kernelemente, die sich beispielsweise durch automatisierte Greifer gut handhaben lassen, zur Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexer Bauteilgeometrie und bestimmten Anforderungen verwenden.
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Weiterhin kann zumindest abschnittsweise durch die Verwendung des steifen Kernelementes sehr einfach für eine gute und hohe Druckbeständigkeit des mehrteiligen Kerns gesorgt werden, was bei richtiger Positionierung des steifen Kernelements zu einer guten Wandstärkenverteilung der die Verstärkungsfasern einbettenden Kunststoffmatrix führt. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des komplexen Hohlbauteils erhöht und die Komplexität reduziert.
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Zusätzlich können durch die einfache Handhabbarkeit der Kernelemente reduzierte Taktzeiten bei der Herstellung von faserverstärkten Hohlbauteilen realisiert werden.
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Durch den bestimmungsgemäßen Verbleib eines der Vielzahl von Kernelementen können beispielsweise bestimmte Abschnitte, wie Abzweigungen des Hohlbauteils, zusätzlich bewusst versteift oder bewusst die Verwindungssteifigkeit des Hohlbauteils erhöht werden. Allgemein können lokale Versteifungen einfach realisiert werden, ohne dass zusätzliche Anlagentechnik oder Verfahrensschritte notwendig sind.
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Die Querschnittsform des steifen Kernelementes kann beliebig sein. Darüber hinaus kann/können das/die steife(n) Kernelemente Entformungsschrägen aufweisen.
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Das verbleibende Kernelement ist vorzugsweise aus einem gewichtsmäßig leichten Werkstoff, wie beispielsweise aus einem Schaum, Strukturschaum oder Kunststoff hergestellt, um angestrebte Leichtbaueigenschaften des Hohlbauteils möglichst wenig zu beeinflussen. Zur gezielten Verstärkung kann das verbleibende Kernelement bevorzugt auch aus Metall gebildet sein.
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Durch die Entfernung des steifen Kernelements kann zusätzlich Gewicht eingespart werden – im Vergleich zu einem vollständig im Hohlbauteil verbleibenden einteiligen Schaumkern.
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Bei den im Aufbringungsschritt eingesetzten Verstärkungsfasern kann es sich beispielsweise um Kohlenstoffasern, Glasfasern oder Aramidfasern handeln, die als Lang- oder Endlosfasern oder in Form von Geweben bzw. Gelegen auf den Kern aufgebracht werden.
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Im Einbettungsschritt werden die Verstärkungsfasern nach dem Aufbringungsschritt mit einem Kunststoff-Matrixwerkstoff getränkt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der mit den Verstärkungsfasern versehene Kern in eine Werkzeugkavität eingelegt und der Kunststoff-Matrixwerkstoff in die Kavität injiziert wird (Niederdruck-/Hochdruckverfahren). Alternativ können die Verstärkungsfasern bereits vor dem Aufbringungsschritt mit dem Kunststoff-Matrixwerkstoff getränkt werden.
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Anschließend wird der Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Ausbildung des Hohlbauteils ausgehärtet und bildet die Matrix der Verstärkungsfasern.
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Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren als Harzinjektionsverfahren (Resin-Transfer-Moulding) oder als Harzinfusionsverfahren (Resin Infusion) durchgeführt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Kern im Aufbringungsschritt und/oder im Einbettungsschritt zumindest an dem steifen Kernelement gehaltert.
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Dies bietet den Vorteil, dass der mehrteilige Kern unter Verwendung von automatisierten Roboter- oder Greifsystemen gut durch das Verfahren geführt werden kann, ohne beispielsweise plastisch verformt oder beschädigt zu werden. Zusätzlich wird das Risiko eines Kollabierens des Kerns, wie es beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Blasformkernen besteht, durch die Verwendung des steifen Kernelements verhindert. Auch ein zusätzliches Stützen des Kerns von der Innenseite, beispielsweise bei einem einseitigen Einführen des Kerns in eine Flechtanlage zur Durchführung des Aufbringungsschrittes kann somit entfallen.
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Bevorzugt wird der Kern ausschließlich an dem steifen Kernelement gehaltert.
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Diese bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens eignet sich insbesondere für die Herstellung von Hohlbauteilen in Großserienfertigung unter Einsatz von Roboter- oder Greifsystemen.
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Durch die Reduzierung des Aufwands für das Handling des Kerns kann die Komplexität des Herstellungsverfahrens reduziert und gleichzeitig die Produktionsgeschwindigkeit erhöht werden, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit führt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Aufbauschritt der mehrteilige Kern aus der Vielzahl von Kernelementen aufgebaut wird, derart, dass die Vielzahl von Kernelementen lösbar miteinander verbunden sind und in dem Entfernungsschritt das steife Kernelement oder eine Vielzahl von steifen Kernelementen der Vielzahl von Kernelementen von dem verbleibenden Kernelement gelöst und aus dem Hohlbauteil entfernt wird/werden.
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Die lösbare Verbindung der Kernelemente kann insbesondere über einen Steckmechanismus, eine Klebeverbindung, eine Schraubverbindung oder eine Pressverbindung hergestellt werden. Bevorzugt wird die lösbare Verbindung derart hergestellt, dass die Kernelemente einen bündigen Übergang zueinander ausbilden. Besonders bevorzugt wird zwischen den Kernelementen eine zusätzliche Dichtung vorgesehen, die in dem Einbettungsschritt ein Eindringen des Kunststoff-Matrixwerkstoffes zwischen die Kernelemente – was in dem Entformungsschritt zu Problemen führen kann – verhindert.
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Im Fall der Klebeverbindung wird ein solcher Klebstoff verwendet, der die Kernelemente in dem Aufbringungsschritt und dem Einbettungsschritt ausreichend zusammenhält und in dem Entfernungsschritt beispielsweise durch eine Scherbeanspruchung gut gelöst werden kann.
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Durch die lösbare Verbindung, insbesondere zwischen dem verbleibenden Kernelement und dem/den zu entfernenden steifen Kernelement(en), kann der Aufbauschritt und der Entfernungsschritt einfach durchgeführt werden.
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Die Kernelemente, insbesondere die steifen Kernelemente, können im Baukastenprinzip als Gleichteile ausgeführt sein. Darüber hinaus können nach dem Baukastenprinzip beispielsweise Verbindungselemente, Übergangsstücke oder Adapterteile zur Verfügung stehen, wodurch die Möglichkeiten eines modularen Aufbaus des mehrteiligen Kerns erweitert werden.
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Das Verfahren ist durch den modularen Aufbau des mehrteiligen Kerns entsprechend einfach handhabbar und kann schnell und kostengünstig an herzustellende Hohlbauteile und deren Geometrien angepasst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird/werden in dem Entfernungsschritt zumindest das steife Kernelement bzw. die steifen Kernelemente zerstörungsfrei entfernt.
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Durch die zerstörungsfreie Entfernung können die entsprechenden Kernelemente wiederverwendet werden. Insbesondere sind die zerstörungsfrei entfernbaren Kernelemente hierfür vorteilhaft aus steifen Werkstoffen derart hergestellt, dass auch durch mehrmaliges Angreifen durch eines in der Großserienfertigung eingesetzten Roboter- oder Greifsystems nicht beschädigt werden. Stabile und steife Werkstoffe zur Herstellung der entfernbaren steifen Kernelemente sind vorzugsweise Metalle, insbesondere Aluminium oder Magnesium.
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Durch den Einsatz wiederverwendbarer, steifer Kernelemente und der Möglichkeit eines modularen Aufbaus des Kerns können Verfahrenskosten reduziert, die Produktivität erhöht und die Nachhaltigkeit gefördert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Aufbauschritt der mehrteilige Kern derart aufgebaut wird, dass das in dem Entfernungsschritt zu entfernende steife Kernelement oder die in dem Entfernungsschritt zu entfernenden steifen Kernelemente sich mit steigender Temperatur stärker ausdehnen und mit fallender Temperatur stärker schrumpfen als das Hohlbauteil, und
der Kern in oder vor dem Einbettungsschritt auf eine erhöhte Temperatur gebracht und nach dem Einbettungsschritt in oder vor dem Entfernungsschritt derart abkühlt wird, dass das zu entfernende steife Kernelement oder die zu entfernenden Kernelemente stärker schrumpfen als das Hohlbauteil und sich dadurch ein Sitz des/der steifen Kernelements(s) in dem Hohlbauteil löst.
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Die Temperaturschwankungen können verfahrensbedingt auftreten. Beispielsweise wird bei Einsatz eines thermoplastischen Matrixwerkstoffes vor/in dem Einbettungsschritt unter erhöhter Temperatur auf die Verstärkungsfasern aufgebracht und anschließend zur Aushärtung abgekühlt. Diese notwendige Temperaturschwankung kann zur Erzielung des genannten Ausdehnungs-/Schrumpfverhalten ausgenutzt werden. Alternativ kann der mehrteilige Kern in zusätzlichen Heiz- und Abkühlschritten aufgeheizt und abgekühlt werden.
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Zur Erzielung des Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhaltens werden beispielsweise die zu entfernenden steifen Kernelemente aus einem Werkstoff hergestellt, welcher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zu einem stärkeren Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten der steifen Kernelemente führt als das des Hohlbauteils.
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Insbesondere weisen die bereits erwähnten für die steifen Kernelemente verwendeten Materialien, d. h. Aluminium oder Magnesium, einen solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
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Im Gegensatz hierzu ist eine feste, zumindest spielfreie Verbindung zwischen dem bestimmungsgemäß im Hohlbauteil verbleibenden Kernelement und dem Hohlbauteil von Vorteil.
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Deshalb ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass in dem Aufbauschritt der mehrteilige Kern derart aufgebaut wird, dass das Kernelement, welches in dem Entfernungsschritt bestimmungsgemäß im Hohlbauteil verbleibt, sich mit steigender Temperatur schwächer als oder in gleicher Weise wie das Hohlbauteil ausdehnt und mit fallender Temperatur schwächer als oder in gleicher Weise wie das Hohlbauteil schrumpft, und
der Kern in oder vor dem Einbettungsschritt auf eine erhöhte Temperatur gebracht und nach dem Einbettungsschritt in oder vor dem Entfernungsschritt abkühlt wird, wodurch das verbleibende Kernelement in dem Hohlbauteil zumindest spielfrei sitzt.
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Vor dem Entfernungsschritt kann der Kunststoff-Matrixwerkstoff, wie bereits erwähnt, auf eine erhöhte Temperatur gebracht und anschließend ausgehärtet werden, was zu dem Ausdehnungs-/Schrumpfungsverhalten führt.
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Durch die Verwirklichung des genannten Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhaltens löst sich das verbleibende Kernelement während des Abkühlens nicht vom Hohlbauteil, sondern verbleibt in dem Hohlbauteil spielfrei.
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Je nach thermischem Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten des verbleibenden Kernelements und des Hohlbauteils kann auch ein Presssitz des verbleibenden Kernelements im Hohlbauteil erzeugt werden.
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Vorteilhaft wird das verbleibende Kernelement aus einem Werkstoff hergestellt, welcher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zu einem gleichen oder schwächeren Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten des verbleibenden Kernelements führt als das des Hohlbauteils.
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Schließlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass in dem Aufbauschritt der mehrteilige Kern derart aufgebaut wird, dass das verbleibende Kernelement nach dem Entfernungsschritt in einem Abschnitt des Hohlbauteils sitzt, welcher eine Anbindungsstelle, ein Knotenpunkt oder eine Krafteinleitungsstelle bildet.
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An Anbindungsstellen können somit ohne zusätzliche Anlagentechnik und/oder ohne weitere Prozessschritte Versteifungen und lokale Verstärkungen ausgebildet werden.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezug auf die beigefügte Figuren erläutert.
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1a zeigt einen Aufbauschritt eines mehrteiligen Kerns, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
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1b zeigt einen vollständig aufgebauten Kern nach dem Aufbauschritt;
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1c zeigt eine Schnittdarstellung eines Hohlbauteils, in dem sich der mehrteilige Kern befindet, nach dem Einbettungsschritt;
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1d zeigt den Entfernungsschritt, in dem steife Kernelemente aus dem Hohlbauteil entfernt werden;
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1e zeigt eine Schnittdarstellung des fertigen Hohlbauteils mit einem verbleibenden Kernelement;
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2 zeigt eine Möglichkeit, einzelne Kernelemente miteinander zu verbinden;
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3 zeigt einen weiteren mehrteiligen Kern, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines steifen Kernelements, das von einem Greifer gehaltert wird; und
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5 zeigt Stand der Technik bzw. eine Schnittdarstellung eines Blasformkerns, der von einem Greifer gehaltert wird.
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird schematisch anhand der 1a bis 1e erläutert.
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1a zeigt einen Aufbauschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem ein mehrteiliger Kern 1 aus einer Vielzahl von im Querschnitt beispielsweise runden oder eckigen Kernelementen aufgebaut wird. Konkret wird der Kern 1 aus vier identischen steifen Kernelementen 2a–2d, einem in dem letztendlich hergestellten Hohlbauteil 5 bestimmungsgemäß verbleibenden Kernelement 3 und zwei optionalen steifen Kernabschlusselementen 4a, 4b, welche zur Ausbildung von Flanschen an dem letztendlich hergestellten Hohlbauteil 5 dienen, aufgebaut.
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Die vier bevorzugt identischen Kernelemente 2a–2d und die Kernabschlusselemente 4a, 4b sind, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, aus dem letztendlich hergestellten Hohlbauteil 5 zerstörungsfrei entfernbar.
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Die entfernbaren Kernelemente 2a–2d und die Kernabschlusselemente 4a, 4b sind vorzugsweise aus einem steifen Werkstoff, wie Aluminium oder Magnesium, hergestellt bzw. gefertigt.
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Das bestimmungsgemäß verbleibende Kernelement 3 ist vorzugsweise aus einem leichten Strukturschaum hergestellt, welcher angestrebte Leichtbaueigenschaften des herzustellenden Hohlbauteils 5 nur geringfügig beeinflusst.
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Darüber hinaus können die entfernbaren Kernelemente 2a–2d und die Kernabschlusselemente 4a, 4b aus einem nicht dargestellten modularen Baukasten stammen, welcher verschiedene Kernelemente, wie Gleichteile, vorsieht. Hierdurch kann eine einfache und schnelle Anpassung des aufzubauenden Kerns in dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht durchgeführt werden.
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1b zeigt den mehrteiligen, fertig aufgebauten Kern 1 nach dem Aufbauschritt. Die Verbindung der Kernelemente ist lösbar gestaltet, um ein späteres einfaches und zerstörungsfreies Entfernen der zu entfernenden Kernelemente 2a–d und der Kernabschlusselemente 4a, 4b zu ermöglichen.
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Die lösbare Verbindung kann beispielsweise durch ein in 2 gezeigtes Stecksystem realisiert werden. Wie anhand der Kernelemente 2a bis 2c in 2 gezeigt ist, weisen die einzelnen Kernelemente 2a bis 2c männliche und weibliche Verbindungsabschnitte auf, die es ermöglichen, die Kernelemente ineinanderzustecken und/oder zu schrauben.
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Das verbleibende Kernelement 3 hat bevorzugt auf jeder den entfernbaren Kernelementen 2c und 2d zugewandten Seite einen weiblichen Verbindungsabschnitt in dem Strukturschaum.
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Bevorzugt sind die Oberflächen aller Kernelemente im zusammengefügten Zustand bündig, d. h. die Kernelemente gehen stufenlos ineinander über. Dadurch kann eine nahezu durchgehende Oberfläche des Kerns 1 erreicht werden, was zu einer erhöhten Qualität des Hohlbauteils 5 führt.
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Zurückkehrend zu 1b wird auf den so aufgebauten bzw. zusammengefügten mehrteiligen Kern 1 in einem sich anschließenden Aufbringungsschritt eine Verstärkungsfaser aufgebracht, indem beispielsweise eine Endlosfaser oder ein Fasergelege um den Kern 1 gewickelt wird. Bei den Fasern kann es sich beispielsweise um eine Kohlenstofffaser oder eine Glasfaser handeln.
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In einem Einbettungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verstärkungsfaser in einen duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Herstellung des Hohlbauteils 5 eingebettet. Dies kann dahingehend durchgeführt werden, dass die Verstärkungsfaser in einem mit dem Kunststoff-Matrixwerkstoff getränkten Zustand auf den Kern 1 aufgebracht wird oder die auf den Kern 1 bereits aufgebrachte Verstärkungsfaser mit dem Kunststoff-Matrixwerkstoff getränkt wird.
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Nach Aushärten des Kunststoff-Matrixwerkstoffes ist das Hohlbauteil 5 formstabil, wobei der mehrteilige Kern 1 sich noch in dem Hohlbauteil 5 befindet.
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Erfindungsgemäß ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kern 1 während des Aufbringungs- und des Einbettungsschrittes an den steifen Kernabschlusselementen 4a, 4b gehaltert wird.
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1c zeigt eine Schnittdarstellung des mehrteiligen Kerns 1 und des Hohlbauteils 5 nach dem Aufbringungs- und Einbettungsschritt.
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Hieran schließt sich ein Entfernungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens an, in dem die entfernbaren Kernelemente 2a–2d des Kerns 1 aus dem Hohlbauteil 5 entfernt werden. Dieser Schritt ist in 1d gezeigt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, werden die steifen Kernelemente 2a–2d und Kernabschlusselemente 4a, 4b von einander getrennt, beispielsweise durch Lösen der Steckverbindung oder Schraubverbindung, und aus dem Hohlbauteil herausgezogen. Die steifen Kernelemente 2a–2d und die Kernabschlusselemente 4a, 4b sind folglich zerstörungsfrei aus dem Hohlbauteil 5 entnehmbar und können anschließend ohne größeren Aufwand wiederverwendet werden.
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Das Kernelement 3 sitzt in einer Biegung bzw. einem gekrümmten Abschnitt des Hohlbauteils 5 und kann aus diesem Grund nicht zerstörungsfrei aus dem Hohlbauteil 5 entnommen werden, weshalb es in dem Hohlbauteil 5 verbleibt und eine gezielt gewollte, lokale Versteifung bildet.
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In dem vorhergehend erläuterten Verfahren werden alle Kernelemente vor oder in dem Einbettungsschritt bevorzugt auf eine höhere Temperatur aufgeheizt und nach dem Einbettungsschritt wieder abgekühlt. Dies hat zur Folge, dass die Kernelemente sich mit steigender Temperatur ausdehnen und mit dem Abkühlen eine Schrumpfung erfahren. Die zu entfernenden Kernelemente 2a bis 2d und die Kernabschlusselemente 4a, 4b sind bevorzugt so ausgestaltet, dass sie während des Abkühlens stärker schrumpfen als das Hohlbauteil 5. Hierdurch löst sich ihr Sitz innerhalb des Hohlbauteils 5, weshalb der Entfernungsschritt leichter durchgeführt werden kann.
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Das verbleibende Kernelement 3 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sein thermisches Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten gegensätzlich ist. D. h. das bestimmungsgemäß verbleibende Kernelement 3 schrumpft weniger oder in gleichem Maße wie das Hohlbauteil 5 und sitzt deshalb nach dem Abkühlen zumindest spielfrei in dem Hohlbauteil 5.
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Vor Abschluss des Verfahrens können weitere, nicht gezeigte, Bearbeitungsschritte am Hohlbauteil 5 erfolgen, wie beispielsweise ein Setzen von Bohrungen.
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In einem Abschlussschritt wird das Verfahren abgeschlossen, wobei dieser Schritt beispielsweise darin bestehen kann, dass das fertige Hohlbauteil 5 aus einer den Entfernungsschritt durchführenden Vorrichtung entnommen wird.
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1e zeigt eine Schnittdarstellung des fertigen Hohlbauteils 5, in dem das verbleibende Kernelement 3 nach dem Abschlussschritt sitzt, Das bestimmungsgemäß verbleibende Kernelement 3 dient in dem dargestellten Hohlbauteil 5 der Verstärkung. Insbesondere kann die Verstärkung der Krümmung eine erhöhte Steifigkeit des Hohlbauteils 5 bewirkten.
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Unter Bezug auf 3 wird noch eine bevorzugte Variante des zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen mehrteiligen Kerns erläutert.
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3 zeigt einen mehrteiligen Kern 1a, welcher aus drei unterschiedlichen Kernelementen 2e, 2f und 3 aufgebaut ist. Die Kernelemente 2e und 2f sind vorteilhaft aus steifen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium, und das bestimmungsgemäß verbleibende Kernelement 3 aus einem Strukturschaum hergestellt.
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Im Gegensatz zu dem in den 1a–1e gezeigten Kern 1 enthält diese Variante keine Kernabschlusselemente. Darüber hinaus sind die in 1a–1e gezeigten Kernelemente 2a bis 2c durch ein einziges Kernelement 2e verwirklicht.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung verständlich wird, können steife Kernelemente durch die Mehrteiligkeit des Kerns und durch ihre Lösbarkeit von dem verbleibenden Kernelement 3 auch zur Herstellung von Hohlbauteilen mit einer komplexen Struktur verwendet werden. Vielmehr lässt sich das Verfahren auch im Rahmen einer Großserienfertigung durchführen, weil der mehrteilige Kern mit seinen steifen Kernelementen eine gute Angriffsmöglichkeit für Roboter- und Greifersysteme bietet. 4 zeigt beispielhaft eine Schnittdarstellung des steifen Kernelements 2f bevor Verstärkungsfasern in dem Aufbringungsschritt auf den Kern 1a aufgebracht werden.
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Das Kernelement 2f wird durch Greifer 7 gehaltert. Durch die ausreichend hohe Biegesteifigkeit und Druckbeständigkeit des Kernelements 2f können entsprechend aufgebrachte Kräfte aufgenommen werden. Weitere Stützungspunkte des Kernelementes 2f, insbesondere auf dessen Innenseite, sind nicht notwendig.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale und Verfahrensschritte können miteinander kombiniert werden.
