-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung eines flächigen Halbzeugs zu einer dreidimensionalen Hohlkörperkontur.
-
Das Umformen flächiger Halbzeuge, insbesondere als einlagiges oder mehrlagiges, binderstabilisiertes Kohlenstofffasergewebe zu Hohlkörperkonturen mit komplexer Erstreckung erfolgt derzeit in allgemein bekannter Weise regelmäßig mittels manueller Arbeit. Hierbei werden zu verbindende Halbzeuge an den Kanten aneinandergelegt oder überlappend gefügt. Eine solche manuelle Bearbeitung ist wegen der hohen Taktzeiten für eine Serienproduktion unwirtschaftlich. Bei einer überlappenden Fertigung und Verbindung des Preforms entsteht zudem ein erhöhter Materialverbrauch, wobei der Dickensprung im Überlappungsbereich nachteilig eine mechanische Schwachstelle darstellt. Erfolgt die Fertigung durch bündig aneinandergelegte und verbundene Kanten ist dort die Faserstruktur unterbrochen, wodurch die Festigkeit reduziert ist.
-
Ein weiteres allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Hohlkörperstruktur aus einem flächigen Halbzeug insbesondere aus einem Kohlenstofffasergewebe besteht darin, zwei zugeordnete Halbschalen mit Überlappungsflanschen zu fügen. Dieses Verfahren ermöglicht zwar im Vergleich zum vorstehenden rein manuellen Verfahren einen höheren Automatisierungsgrad, wobei jedoch die vorstehend genannten Nachteile des Dickensprungs in Verbindung mit hohem Materialverbrauch und damit auch einer Gewichtserhöhung durch die hier erforderlichen noch größeren Überlappungsstellen verstärkt werden.
-
Ein zudem allgemein bekanntes Verfahren mit hohem Automatisierungsgrad ist die Herstellung von Hohlkörperprofilen aus Fasermaterial durch Flechten oder Wickeln. Verfahrensbedingt sind jedoch hier nachteilig nur eingeschränkte Geometrien mit Einschränkungen hinsichtlich einer Faserorientierung möglich. Zudem ist dieses Verfahren durch komplexe Werkzeuge und Steuerungen aufwendig und kostenintensiv.
-
Ein besonders kostenintensives, automatisiertes und allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörperkonturen, insbesondere von Hohlkörperprofilen aus Fasermaterial ist das sogenannte Pull-Forming, welches durch die immensen Werkzeug- und Anlagenkosten nur für Großserienproduktionen geeignet ist. Mit diesem Verfahren lassen sich bisher nur konstante Querschnitte herstellen.
-
Ein Verfahren zum Umbiegen des Randes einer Überzugsschicht um die Kante eines Verkleidungsteils mittels eines verlagerbaren Stempels ist aus
EP 0 747 201 A2 bekannt. Die Herstellung einer Hohlkörperkontur ist damit nicht möglich.
-
Weiter ist ein Verfahren zum Umfalten eines Profilabschnitts eines zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehenen textilen Halbzeugprofils aus
DE 10 2008 057 783 B3 bekannt, wobei der Profilabschnitt mittels eines biegsamen Flächengebildes, insbesondere mittels einer Kunststofffolie umgefaltet wird. Eine dreidimensionale Hohlkörperkontur wird damit nicht herstellbar.
-
Zudem ist ein Kaschierverfahren aus
DE 94 07 177 U1 bekannt, bei dem ein Trägerbauteil mit einer Kunststofffolie oder einem dehnbaren Textilgewebe überzogen wird. Ränder des Kaschiermaterials werden hier mittels Umbugschieber auf das Trägerteil geklappt. Die Herstellung einer dreidimensionalen Hohlkörperkontur ist nicht vorgesehen.
-
Aus der
DE 10 2007 049 347 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Hohlkörperstruktur bekannt, wobei ein endloses flächiges Halbzeugband von einer Bandspule abgezogen und einige Male auf einen drehangetriebenen Kern mit einem der Endkontur entsprechenden radial inneren Flansch, einem radial äußeren Flansch und einem zwischen den Flanschen liegenden Stegbereich aufgewickelt wird.
-
Die
DE 43 35 062 A1 beschreibt ein Verfahren, mit dem gekrümmte Profile aus faserverstärkten Thermoplastwerkstoffen herstellbar sind. Dazu wird ein vorgeformter Prepreg einem Werkzeug zugeführt, wobei ein erstes Werkzeugteil, das als Rolle mit profilierter Mantelfläche ausgebildet ist, und ein zweites Werkzeugteil in Form eines gegen die profilierte Mantelfläche der Rolle gedrückten Druckstückes vorgesehen sind.
-
Ferner ist aus der
DE 697 10 418 T2 ein Verfahren zum Herstellen der Vorform einer Felge aus Verbundmaterial bekannt.
-
Auch die
EP 2 3 96 164 B1 beschreibt die Herstellung einer Felge aus faserverstärktem Kunststoff.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umformung eines flächigen Halbzeugs zu einer dreidimensionalen Hohlkörperkontur vorzuschlagen, welches mit relativ geringem Aufwand eine Vollautomatisierung mit vergleichsweise geringer Taktzeit ermöglicht und zudem die Problematik an Überlappungsstellen reduziert.
-
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Umformung eines flächigen Halbzeugs zu einer dreidimensionalen Hohlkörperkontur wird ein flächiges Halbzeug mit einer Fläche entsprechend der Umfangsfläche der Hohlkörperkontur hergestellt, wobei zudem Überlappungsränder vorgesehen sind, die bei der fertig geformten Hohlkörperkontur übereinanderliegend verbunden sind. Diese Überlappungsränder sind in ihrer einander zugeordneten Materialdicke so gestaltet, dass sie übereinanderliegend der Dicke des angrenzenden Bereichs des flächigen Halbzeugs entsprechen, so dass hier bei der fertigen Hohlkörperkontur kein Materialdickensprung mit den eingangs erwähnten Nachteilen entsteht.
-
Das so gestaltete flächige Halbzeug wird dann in einem Umformwerkzeug dergestalt umgeformt, dass es mittels segmentierter Stempel um ein ins Umformwerkzeug eingesetztes, formstabil entsprechend der Innenkontur der Hohlkörperkontur gestaltetes Kernteil an diesem anliegend und dieses bis zur Überlappung der Überlappungsränder umschließend umgeformt wird. Bei diesem Verfahren sind Kernteile unterschiedlicher Formen einsetzbar, wodurch entsprechend unterschiedliche dreidimensionale Hohlkörperkonturen herstellbar sind, sodass insgesamt ein hoher Freiheitsgrad hinsichtlich herstellbarer Formen und Faserorientierungen gegeben ist.
-
Zur Vermeidung eines Materialdickensprungs an den einander zugeordneten Überlappungsrändern weisen diese erfindungsgemäß ein Stufenprofil und/oder Keilprofil auf, dergestalt, dass sie übereinanderliegend der Dicke eines angrenzenden Halbzeugbereichs entsprechen. Für eine einfache Herstellung und für viele Anwendungen geeignet sind flächige Halbzeuge mit durchgehend gleicher Materialdicke, wobei dann auch die übereinanderliegenden Überlappungsränder diese Materialdicke aufweisen.
-
Das vorstehende Verfahren ist bevorzugt geeignet und vorgesehen für ein flächiges Halbzeug als Preform (Vorformling) in der Art eines textilen, binderstabilisierten Halbzeugs aus Fasermaterial mit vorbestimmter Faserorientierung. Vor, während und/oder nach der Umformung wird der Binder thermisch und/oder chemisch aktiviert. Mit dem angegebenen Verfahren wird somit ein Faserverbundbauteil mit dreidimensionaler Hohlkörperstruktur hergestellt.
-
Zur Herstellung besonders formstabiler, belastbarer und gewichtsgünstiger Hohlkörperbauteile wird als Fasermaterial ein einlagiges oder mehrlagiges Kohlenstofffasergewebe vorgeschlagen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Fasermaterialien möglich.
-
In einer konkretisierten Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer dreidimensionalen Hohlkörperkontur, insbesondere als prismatisches, rohrförmiges Hohlkörperprofil werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- a) Das flächige Halbzeug als binderstabilisierter Preform bzw. Zuschnitt bzw. Stack bzw. Subpreform wird erhitzt und dadurch der Binder aktiviert.
- b) Der erhitzte Preform wird auf einem Unterwerkzeug eines Presswerkzeugs positioniert, wobei die obere Formfläche des Unterwerkzeugs die untere Kontur des Hohlkörperprofils bildet. Die Positionierung erfolgt dergestalt, dass Preform-Flächenbereiche jeweils seitlich am Unterwerkzeug überstehen und oberhalb oder auf verfahrbaren seitlichen Stempeln liegen. Der Preform kann bereits vor der Positionierung im Pressenwerkzeug und unabhängig vom Pressenwerkzeug erhitzt werden. Mit einer Heizeinrichtung im Presswerkzeug ist gegebenenfalls auch eine Erhitzung im Pressenwerkzeug möglich.
- c) Ein formstabiles Kernteil mit einer Unterfläche entsprechend der oberen Formfläche des Unterwerkzeug wird auf dieses und den darauf positionierten Preform aufgesetzt, wodurch am dazwischen einliegenden Preform die untere Kontur des Hohlkörperprofils ausgebildet wird.
- d) Die seitlichen Stempel werden dann nach oben und zum Teil über das Kernteil bis auf einen Zwischenspalt nacheinander verlagert, wodurch die überstehenden Preform-Flächenbereiche auf das Kernteil geklappt werden, dessen Oberfläche und entsprechend geformte Stempelflächen zum Teil die obere und gegebenenfalls seitliche Kontur des Hohlkörperprofils bildet. Entsprechend dieser Kontur werden dabei die dazwischen eingepressten Preform-Flächenbereiche im Bereich der Stempelflächen umgeformt.
- e) Anschließend wird ein oberer, verfahrbarer Stempel im Zwischenspalt nach unten zwischen den seitlichen Stempel verfahren, wodurch ein Preform-Flächenbereich mit übereinanderliegenden Überlappungsrändern zwischen dem Kernteil und einer entsprechenden Formfläche des oberen Stempels eingepresst und zum ringförmig geschlossenen Hohlkörperprofil umgeformt wird. Je nach den Gegebenheiten kann der Stempel auch von unten nach oben verfahren werden oder die Anordnung von unten her gegen den oberen Stempel verfahren werden.
- f) Anschließend wird das umgeformte Hohlkörperprofil in dieser Werkzeug- und Stempelposition abgekühlt und dadurch mit verbundenen Überlappungsrändern mechanisch stabilisiert.
- g) Die Stempel werden dann in ihre Ausgangsposition zurückverlagert und das Hohlkörperprofil kann aus dem Pressenwerkzeug genommen werden. Das Kernteil kann je nach den Gegebenheiten, insbesondere bei einem Rohrprofil mit gleichem Durchmesser entnommen und wiederverwendet werden. Je nach den baulichen Gegebenheiten und Festigkeitsanforderungen kann das Kernteil auch in einem Hohlkörperprofil verbleiben.
-
Die vorstehenden Verfahrensschritte können ersichtlich mit Handhabungsautomaten und einer geeigneten Steuerung des Pressenwerkzeugs vollautomatisiert durchgeführt werden.
-
Anhand einer Zeichnung wird eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit einer schematisch dargestellten Vorrichtung erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 bis 4 nacheinander ablaufende Verfahrensschritte zur Umformung eines flächigen Halbzeugs zu einem Hohlkörperprofil in der jeweils gleichen Vorrichtung.
-
In den 1 bis 4 ist jeweils ein Umformwerkzeug 1 dargestellt, das aus einem Unterwerkzeug 2, einem seitlich linken Stempel 3 und einem seitlich rechten Stempel 4 sowie einem oberen Stempel 5 gebildet ist. Die beiden seitlichen Stempel 3, 4 sind, wie aus ihrer Endposition nach 4 ersichtlich nach oben und zur Mitte über das Unterwerkzeug 2 verlagerbar bis auf einen Zwischenspalt 6, in den hinein von oben her der obere Stempel 5 verlagerbar ist.
-
In das Umformwerkzeug 1 ist ein Kernteil 7 eingesetzt, das mit seiner Außenform die Innenkontur eines Faserverbundbauteils 8 vorgibt, das als rohrförmiges Hohlkörperprofil, wie in 4 gezeigt, hergestellt werden soll. Aus 4 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Stempel 3, 4, 5 mit ihren Formflächen das Kernteil 7 in ihren Endstellungen so umfassen, dass dazwischen die Kontur des fertig umgeformten Preformteil ausgebildet wird.
-
Zur Herstellung des Preformteil 8 wird gemäß 1 ein flächiges Halbzeug als binderstabilisierter Preform 9 zur Aktivierung des Binders erhitzt und auf dem Unterwerkzeug so positioniert, dass links und rechts Preformflächenbereiche 10, 11 überstehen und auf den seitlichen Stempeln 3, 4 in deren unteren Ausgangsstellungen jeweils aufliegen. In 1 ist zudem bereits das Kernteil 7 auf dem Preform 9 und das Unterwerkzeug 2 aufgesetzt, wodurch die obere Formfläche 12 des Unterwerkzeugs 2 in Verbindung mit der Unterfläche 13 des Kernteils 7 bereits die untere Kontur des Faserverbundbauteils 8 ausbildet.
-
Wie in 2 dargestellt, wird anschließend der seitlich rechte Stempel 4 nach oben (Pfeil 14) und dann nach innen (Pfeil 15) über das Kernteil 7 so verfahren, dass der Preformflächenbereich 11 durch die mit der Fläche des Kernteils 7 korrespondierende Formfläche 16 des Stempels 4 flächig anliegend auf das Kernteil 7 geklappt wird. Der Stempel 4 verbleibt in dieser Position.
-
Entsprechend wird der seitliche linke Stempel 3 nach oben (Pfeil 14a) und nach innen (Pfeil 15a) verlagert, wobei der Preformflächenbereich 10 weitgehend ebenfalls durch die Formfläche 17 des Stempels 3 auf das Kernteil 7 geklappt wird. In den Zwischenspalt 6 zwischen den Stempeln 3, 4 ragt noch nicht am Kernteil 7 anliegend ein Teil des Preformflächenbereichs 10 mit seinem Überlappungsrand 18.
-
Wie aus 3 deutlich ersichtlich, ist der Überlappungsrand 18 des Preformflächenbereichs 10 ebenso wie der Überlappungsrand 19 des Preformflächenbereichs 11 jeweils keilförmig so angeschnitten, dass die übereinanderliegenden Überlappungsränder 18, 19 die gleiche Materialdicke wie der übrige Preform 9 aufweisen, wie dies insbesondere auch aus 4 hervorgeht.
-
In der Position nach 3 wird dann der obere Stempel 5 gemäß 4 nach unten gefahren (Pfeil 20), wodurch das Kernteil 7 voll umschlossen ist und die Überlappungsränder 18, 19 aufeinander gepresst und verbunden werden. Damit ist das Preformteil 8 zu dem vorgegebenen Hohlkörperprofil umgeformt.
-
Nach einem anschließenden Abkühlprozess werden die Stempel 3, 4, 5 in ihre Ausgangsstellungen zurückverfahren und das Preformteil 8 kann zusammen mit dem Kernteil 7 aus dem Umformwerkzeug 1 entnommen werden. Das Kernteil 7 kann dann aus dem Preformteil 8 entnommen werden oder je nach den Anforderungen auch in diesem verbleiben.
