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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise aus faserverstärktem Werkstoff bestehenden Bauteils sowie einen Kern zur Herstellung eines solchen faserverstärkten Bauteils und ein damit hergestelltes Bauteil. Insbesondere wird ein erfindungsgemäßes Bauteil in einem Fahrzeug und insbesondere in einem Kraftfahrzeug wie einem Automobil eingesetzt. Bei der Herstellung von Bauteilen und Komponenten für den Automobilbereich spielt bei vorgegebenen Stabilitätsanforderungen das Gewicht des Bauteils eine große Rolle.
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Deshalb werden zunehmend leichtere Materialien und auch faserverstärkte Bauteile eingesetzt. Derartige Bauteile bestehen meist aus einem faserverstärkten Kunststoff, der auch Faserverbundkunststoff genannt wird. Dabei werden Verstärkungsfasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden werden. Für das Verbundsystem können unterschiedlichste Verstärkungsfasern und auch unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet werden. Durch das Fasermaterial wird ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten erreicht. Das wird ausgenutzt, um Fasern gezielt in Richtung der Hauptbelastungen auszurichten.
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Mit Faserverbundwerkstoffen kann das Gewicht von Bauteilen deutlich reduziert werden. Da die Bauteile in der Regel aber nicht aus einem Vollmaterial bestehen, hat sich der Einsatz von Kernen bewährt, die bei der Herstellung in das Bauteil eingebracht werden. Entsprechend der Stabilitätsanforderungen werden Faserlagen in gewünschter Ausrichtung und Lagenanzahl auf dem Kern drapiert. Derartige Kerne können als verlorene Kerne im fertigen Bauteil verbleiben oder gegebenenfalls auch entfernt werden.
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Beispielsweise ist der Einsatz von Schaumstoffkernen bekannt geworden, mit denen grundsätzlich jede beliebige Kernform herstellbar ist. Dadurch können neben runden und ovalen auch eckige und auch mehreckige Kernstrukturen zur Verfügung gestellt werden, um auch bei konstruktiv aufwendigen Bauteilen eine entsprechende Kernform zur Verfügung zu stellen. Nachteilig bei derartigen Kernen ist allerdings, dass das Kernmaterial an sich schon ein gewisses Gewicht aufweist und dass sich zudem die offene Porenstruktur des Schaums mit dem verwendeten Matrixmaterial teilweise füllt und somit das Gewicht noch weiter erhöht. Außerdem kann der beim Harzinjektionsverfahren aufgebrachte Druck beim Einspritzen des Matrixmaterials auch zu einer Oberflächenverformung des Schaumaterials führen, wodurch sich dort auch eine größere Menge an Matrixmaterial ansammelt, was das Gewicht erhöht, ohne die Stabilität zu vergrößern. Zur Stabilisierung wird deshalb ein festeres und stabileres Kernmaterial verwendet, was das Gewicht aber erhöht.
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Alternativ zu Schaumstoffkernen können zum Beispiel Silikonschläuche als Kern eingesetzt werden, bei denen das flexible Schlauchmaterial mit Luft gefüllt wird und von außen unter Überdruck gesetzt wird, um einen entsprechenden Innendruck in dem Werkzeug zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
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Beispielsweise ist aus der
US 4,446,092 der Einsatz eines aufblasbaren Kerns aus Gummi oder eines ähnlichen Elastomermaterials zur Herstellung eines hohlen Behälters wie z. B. eines Wassertanks bekannt geworden, wobei beim Einbringen des Harzes der Druck in dem aufblasbaren Kern erhöht wird. Derartige aufblasbare Kerne aus Gummi oder Silikonschläuche funktionieren zuverlässig, haben aber den Nachteil, dass damit nur einfache Kernstrukturen realisierbar sind. Prinzipbedingt tendieren derartige Kerne zu einem runden oder ovalen Querschnitt. Außerdem können scharfkantige oder eckige Kernstrukturen nicht ohne Weiteres zur Verfügung gestellt werden. Deshalb eignen sich Kerne aus aufblasbaren elastischen Materialien meist nur für einfache und in der Regel symmetrische Bauteile oder sie müssen aufwendig konfektioniert werden.
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Weiterhin sind Kerne z.B. aus eutektischen Metallen bekannt geworden, die nach der Verwendung bei relativ geringen Temperaturen aufgeschmolzen und flüssig entnommen werden können. Doch der Aufwand ist groß und die Temperatur beim Aushärten muss geringer gewählt werden als die Schmelztemperatur des Kerns aus eutektischem Metall oder Wachs oder dergleichen, wodurch die Aushärtungszeit erheblich ansteigt.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise aus faserverstärktem Werkstoff bestehenden Bauteils, sowie einen Kern für die Herstellung eines solchen Bauteils und ein derart hergestelltes Bauteil zur Verfügung zu stellen, wobei eine andere Kernstruktur zur Herstellung eines Bauteils mit der gewünschten Stabilität eingesetzt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Kern mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines wenigstens teilweise aus faserverstärktem Werkstoff bestehenden Bauteils insbesondere mit einem RTM-Verfahren (englisch: „Resin Transfer Molding“). Dabei wird ein Werkzeug mit einem ersten und wenigstens einem zweiten Werkzeugteil verwendet. Es wird wenigstens das erste Werkzeugteil mit wenigstens einer ersten Fasermaterial enthaltenden Faserlage bestückt. Möglich ist es auch, das erste Werkzeugteil mit zwei oder mehr auch unterschiedlichen Faserlagen zu bestücken. Es wird ein mit wenigstens einem Hohlraum versehener und im Wesentlichen formstabiler Kern auf das erste Werkzeugteil aufgebracht. Der Kern ist oder wird in dem Hohlraum mit einem Fluid gefüllt. Es wird wenigstens das zweite Werkzeugteil aufgebracht und das Werkzeug wird geschlossen. Matrixmaterial wird mit Überdruck in das Werkzeug eingebracht. Dabei wird ein Druck des Fluids in dem Hohlraum des Kerns erhöht, um den Kern während des Einbringens des Matrixmaterials zu stabilisieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein formstabiler Kern mit einem Hohlraum eingesetzt wird. Durch den Hohlraum wird ein leichter Kern ermöglicht, der nur ein geringes Gewicht bei dem Gesamtvolumen des Kerns aufweist. Dadurch, dass der Kern formstabil ausgeführt ist, können grundsätzlich unterschiedlichste Kernstrukturen und Hohlraumstrukturen zur Verfügung gestellt werden, sodass auch eckige, gebogene oder eckige und gebogene und sogar scharfkantige Hohlräume zur Verfügung gestellt werden können. Dadurch, dass der von im Wesentlichen formstabilen Innenwandungen umgebene Hohlraum zur Verfügung gestellt wird, kann einerseits die Struktur des Hohlraums nahezu beliebig gewählt werden, während andererseits der Eintrag von Matrixmaterial in das Werkzeug begrenzt wird. Dadurch kann ein insgesamt leichteres Bauteil bei gleichbleibender Stabilität zur Verfügung gestellt werden.
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Ein ganz erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Hohlraum des Kerns beim Einbringen des Matrixmaterials in das Werkzeug unter einen erhöhten Druck gesetzt wird. Dadurch bleiben der Kern und insbesondere der Hohlraum formstabil, sodass auch im fertigen Bauteil der ursprünglich geplante Hohlraum im Wesentlichen und erheblich besser als im Stand der Technik erhalten bleibt. Dadurch wird es möglich, komplizierte Kernstrukturen zur Verfügung zu stellen, ohne das Gewicht des fertigen Bauteils unnötig zu erhöhen.
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Es ist möglich, auf das erste Werkzeugteil zwei oder mehr unterschiedliche Faserlagen aufzubringen. Möglich ist es auch, dass nach dem Aufbringen des Kerns auf den Kern eine Faserlage oder mehrere Fasermaterial enthaltende Faserlagen aufgebracht werden. Möglich ist es aber auch, dass das zweite Werkzeugteil mit ein, zwei oder mehr Faserlagen versehen wird, bevor das zweite Werkzeugteil auf den Kern aufgebracht und mit dem ersten Werkzeugteil verbunden wird.
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Die eingesetzten Faserlagen können unterschiedlicher Art und Struktur sein. Es ist möglich, dass sogenannte „trockene“ Faserlagen eingesetzt werden, bei denen die Faserlagen nur oder im Wesentlichen nur aus Verstärkungsfasern bestehen, die beispielsweise miteinander verwebt oder sonstwie verbunden sind. Möglich ist es aber auch, dass Prepregs verwendet werden, bei denen die Verstärkungsfasern schon mit einem Harz vorgetränkt sind, sodass wenigstens ein Teil des benötigten Matrixmaterials schon in den Faserlagen enthalten ist.
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Grundsätzlich können alle Verstärkungsfasermaterialien und alle Matrixmaterialien eingesetzt werden. Für die Matrixmaterialien eignen sich insbesondere Duroplaste und Thermoplaste. Duroplastische Materialien härten unter Temperatureinwirkung aus. Geschmolzene thermoplastische Materialien erstarren bei Unterschreitung gewisser Temperaturgrenzen.
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Wenigstens der Hohlraum des Kerns ist wenigstens zum Teil mit formstabilen Wandungen umgeben. Eine formstabile Wandung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch als starre Wandung bezeichnet werden. Es ist möglich, dass eine Faserlage als Deckschicht verwendet wird. Möglich ist es auch, dass eine separate Deckschicht eingesetzt wird, die keine Verstärkungsfasern oder die andere Verstärkungsfasern umfasst. Die Deckschicht ist insbesondere die am fertigen Bauteil außen liegende und von außen gegebenenfalls sichtbar Oberflächenschicht.
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Vorzugsweise wird der Druck des Fluids in dem Hohlraum des Kerns proportional zu einem Einspritzdruck des Matrixmaterials verändert. Dabei kann der Druck des Fluids bzw. der Fluiddruck in dem Hohlraum des Kerns kontinuierlich oder in diskreten Zeitabständen angepasst werden. Insbesondere wird der Druck des Fluids in dem Hohlraum an den Einspritzdruck des Matrixmaterials angepasst. Das bedeutet, dass vorzugsweise ein Differenzdruck zwischen dem Einspritzdruck des Matrixmaterials und dem Druck des Fluids in dem Hohlraum des Kerns ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass die auf die Wandungen des Hohlraums einwirkenden Kräfte ein vorbestimmtes Maß nicht überschreiten.
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In bevorzugten Weiterbildungen wird das Bauteil insbesondere innerhalb des Werkzeugs ausgehärtet. Vorzugsweise wird der Druck des Fluids in dem Hohlraum des Kerns reduziert, bevor das Bauteil dem Werkzeug entnommen wird. Dabei wird der Druck des Fluids vorzugsweise dem Umgebungsdruck vor der Entnahme im Wesentlichen angepasst. Nach der Aushärtung oder nach im Wesentlichen abgeschlossener Aushärtung kann passiv oder aktiv gekühlt werden.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Kern als verlorener Kern in dem Bauteil verbleibt. Der Kern kann auch in dem fertigen Bauteil noch zur Stabilität des gesamten Bauteils beitragen. Während die typischen Lastfälle im Betrieb durch die Verstärkungsfasern und das Faserverbundmaterial getragen werden, kann der Kern insgesamt noch eine gewisse unterstützende Stabilitätsfunktion aufweisen, um zum Beispiel die Montage zu erleichtern.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen wird der Kern mit wenigstens einem Verstärkungselement versehen und/oder ausgerüstet. Es ist auch möglich, dass der Kern direkt mit einem Verstärkungselement oder mit mehreren Verstärkungselementen hergestellt wird. Dabei kann ein solches Verstärkungselement insbesondere als Verstärkungsrippe und/oder als Verstärkungsstrebe ausgeführt sein. Möglich ist es auch, dass ein Verstärkungselement in einem Bereich als Verstärkungsrippe und in einem anderen Bereich als Verstärkungsstrebe ausgeführt ist. Derartige Verstärkungselemente können die Kernstruktur und insgesamt das Bauteil für die Verarbeitung vor der Montage und auch für die Montage selbst stabilisieren. Möglich ist es auch, dass der Kern mit den darin vorhandenen oder außen daran vorhandenen Verstärkungselementen insgesamt eine Verstärkungsfunktion für das Bauteil aufweist. Dann können die Verstärkungsfasern z. B. für (die Haupt-)Belastung in eine Richtung und der Kern mit seinen Verstärkungselementen für (kleinere) Belastungen in eine andere Richtung vorgesehen sein.
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Möglich ist es auch, dass der Kern selbst aus einem faserverstärkten Bauteil besteht und somit einen nennenswerten oder erheblichen Beitrag zur Gesamtstabilität des fertigen Bauteils beiträgt. Möglich ist es aber auch, dass der Kern in einem Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt wird. Für kleinere Serien oder insbesondere die Einzelteilfertigung ist es auch möglich, den Kern beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren herzustellen. Dann können grundsätzlich beliebige dreidimensionale Strukturen hergestellt werden.
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In allen Ausgestaltungen ist es auch möglich, dass der Kern auf seiner Außenseite ausgebildete Kanäle zur besseren Verteilung des Harzes bzw. des Matrixmaterials aufweist.
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Möglich ist es auch, dass eine Innenbeheizung vorgesehen ist, was den Vorteil bietet, dass das Matrixmaterial schneller fließt und sich besser verteilt.
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In allen Weiterbildungen ist es möglich, Anbindungsstellen direkt zu integrieren. Dadurch können das Bauteil insgesamt und/oder der Kern schnell und gegebenenfalls einfach mit anderen Bauteilen oder Komponenten zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges verbunden werden.
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Vorzugsweise wird Gas als Fluid verwendet. Das Gas wird über eine dem Werkzeug zugeordnete Verdichtungseinrichtung oder Kompressoreinrichtung dem Kern verdichtet zugeführt. Besonders bevorzugt wird wenigstens im Wesentlichen Luft als Fluid verwendet. In weiteren Ausgestaltungen können auch andere Gase eingesetzt werden, wenn es spezielle Anforderungen gibt.
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Vorzugsweise wird wenigstens eine Faserlage aus einer Gruppe von Faserlagen verwendet, welche Gruppe konventionelle Faserlagen, Einzelfasern, Fasermatten, Fasergewirke, Fasergestricke, Fasergewebe und/oder Prepregs und dergleichen mehr umfasst. Möglich ist es auch, mehrere gleiche oder auch unterschiedliche Faserlagen aufzubringen. Möglich und bevorzugt ist es auch, reine Faserlagen und mit Matrixmaterial vorimprägnierte Faserlagen zur Herstellung desselben Bauteils zu verwenden.
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Ein erfindungsgemäßer Kern weist wenigstens einen Kernkörper für die Herstellung eines wenigstens teilweise aus faserverstärktem Werkstoff bestehenden Bauteils insbesondere in einem RTM-Verfahren auf. Dabei ist an dem Kernkörper wenigstens ein Hohlraum ausgebildet. Der Kernkörper besteht wenigstens im Wesentlichen aus wenigstens einer im Wesentlichen formstabilen Wandung. Ein Innenraum ist vorgesehen, der einen Hohlraum bildet. Der Hohlraum weist wenigstens eine Einlassöffnung für ein Fluid auf, um einen Innendruck in dem Hohlraum an einen Außendruck anpassen zu können.
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Ein erfindungsgemäßer Kern hat ebenfalls viele Vorteile. Der erfindungsgemäße Kern ermöglicht die Herstellung eines besonders leichten und stabilen Bauteils, auch wenn der Kern in dem fertigen Bauteil verbleiben sollte. Dadurch, dass der Kern wenigstens einen Hohlraum aufweist, der mit einem Fluid gefüllt ist oder wird, wird ein insgesamt besonders leichter Kern zur Verfügung gestellt. Die formstabile Wandung des Hohlraums sorgt dafür, dass grundsätzlich beliebige Kernstrukturen und Hohlraumstrukturen in dem Kernkörper ermöglicht werden. Der Hohlraum des Kernkörpers ist nicht auf eine runde, ovale oder zylindrische Form beschränkt, sondern kann grundsätzlich beliebig kompliziert ausgestaltet sein. Der Hohlraum kann sich um stumpfe oder sogar spitze Winkel herum erstrecken und kann abgerundete oder gestufte Bereiche aufweisen.
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Durch die Einlassöffnung an dem Hohlraum ist es möglich, den Innendruck in dem Hohlraum an einen Außendruck anzupassen. Die formstabilen Wandungen verhindern einen überschüssigen Eintrag des Matrixmaterials in den Werkzeuginnenraum, sodass genau definierte Bauteile hergestellt werden können.
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Der Kernkörper weist insbesondere wenigstens einen formstabilen und geschlossenen und insbesondere abgedichteten Hohlraum auf, der besonders bevorzugt nur über eine einzige oder möglicherweise auch über zwei oder drei Einlassöffnungen von außen zugänglich ist.
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Vorzugsweise besteht der Kernkörper im Wesentlichen aus wenigstens einem starren Kunststoffmaterial. Insbesondere die eine Wandung oder die mehreren Wandungen um den Hohlraum herum bestehen vorzugsweise aus einem starren Kunststoffmaterial.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist dem Kernkörper wenigstens eine Ventileinrichtung zugeordnet, um einen Innendruck des Fluids in dem Hohlraum zu variieren. Dabei ist es möglich, dass die Ventileinrichtung an oder in dem Kernkörper und insbesondere an oder in dem Hohlraum angeordnet ist. Möglich ist es aber auch, dass der Hohlraum des Kernkörpers über einen Schlauch oder dergleichen mit einer externen Ventileinrichtung verbunden ist oder verbindbar ist.
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In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass der Kernkörper wenigstens ein Verstärkungselement umfasst. Dadurch kann die Struktur des Kernkörpers verstärkt werden. Insbesondere ist wenigstens ein Verstärkungselement wenigstens teilweise als Verstärkungsrippe und/oder wenigstens teilweise als Verstärkungsstrebe ausgebildet. Möglich ist es, dass der Kernkörper eine oder mehrere Verstärkungsrippen und/oder eine oder mehrere Verstärkungsstreben aufweist. Mit derartigen oder ähnlichen oder anderen Verstärkungselementen kann die Eigensteifigkeit des Kernkörpers und des Kerns insgesamt erhöht werden. Dadurch werden beispielsweise das Handling und/oder die Montage eines damit hergestellten Bauteils erleichtert.
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Es ist bevorzugt, wenn der Kernkörper aus wenigstens zwei Kernteilen besteht. Insbesondere bilden die wenigstens zwei Kernteile den Hohlraum. In einer derartigen Ausgestaltung ist es beispielsweise möglich, dass beide Kernteile als hohle Kunststoffschalen oder als hohle Schalen aus sonstigen Materialien ausgebildet sind, die zusammengesetzt einen wenigstens im Wesentlichen abgeschlossenen Hohlraum ergeben. Bevorzugt ist es, dass der Hohlraum – abgesehen von gegebenenfalls einer Einlassöffnung für ein Fluid – vollständig geschlossen ausgebildet ist.
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Möglich und bevorzugt ist es, dass ein Kernteil als hohler Grundkörper ausgebildet ist, und dass ein weiteres oder mehrere weitere Kernteile eine Deckeleinrichtung bilden. Möglich ist es auch, dass der hohle Grundkörper aus zwei oder mehr Kernteilen besteht. Insgesamt ist ein mehrteiliger Kernkörper bevorzugt, an dem wenigstens ein Hohlraum zur Verfügung gestellt wird, der von außen mit Fluid beaufschlagbar ist. Besteht der Kernkörper aus zwei Kernteilen, so ist es bevorzugt, wenigstens eine Dichtung zwischen den zwei Kernteilen vorzusehen. Besteht der Kernkörper aus mehreren Kernteilen, die zusammen den Hohlraum bilden, so ist es bevorzugt, an wenigstens einer Kante zwischen wenigstens zwei Kernteilen eine Dichtung vorzusehen.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist insbesondere für den Einsatz an einem bodenbetriebenen Fahrzeug vorgesehen und weist einen wenigstens teilweise aus faserverstärktem Werkstoff bestehenden Bauteilkörper auf. Wenigstens teilweise im Inneren des Bauteilkörpers ist ein Kern angeordnet, wobei der Kern einen Kernkörper mit wenigstens einem im Wesentlichen geschlossenen und mit einem Fluid gefüllten Hohlraum aufweist. Dabei besteht der Kernkörper aus wenigstens einer im Wesentlichen starren Wandung. Insbesondere wird der Hohlraum des Kernkörpers von wenigstens einer im Wesentlichen starren Wandung umgeben.
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Auch das erfindungsgemäße Bauteil hat viele Vorteile, da es eine hohe Stabilität bei einem geringen Gewicht ermöglicht. Die Herstellung ist einfach. Der Kern kann in dem Bauteil verbleiben. Möglich ist es auch, dass der Kern sich zum Teil im Inneren und zum Teil außerhalb des Bauteils erstreckt.
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Es ist möglich, dass der Kern eine geringere Dichte besitzt als die anderen typischen Kernwerkstoffe, da durch den beim Fertigungsprozess aufgebrachten Innendruck der Prozessdruck bei der Fertigung durch den Kern ausgehalten wird. Die Kernstruktur kann für das jeweils benötigte Bauteil in seiner Struktur optimiert werden. Das bedeutet, dass nicht nur der Lagenaufbau der Faserlagen und der Decklagen, sondern auch die Schubfestigkeit, die Druckfestigkeit und die Steifigkeit des Kernwerkstoffs berücksichtigt und optimiert werden können.
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Anbindungsstellen für das Bauteil können direkt integriert werden. Der Harzfluss kann durch zum Beispiel gegossene oder angeformte Kanäle auf der Außenseite schneller fließen. Das Harz kann durch eine Innenbeheizung schneller fließen. Beispielsweise kann eine Innenbeheizung durch aufgewärmte Luft erreicht oder unterstützt werden, die dem Hohlraum des Kerns zugeführt wird.
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Eine Konfektionierung des Kernwerkstoffs ist nicht erforderlich. Der Kern kann einzeln oder in Serie automatisch hergestellt werden.
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Der Kern und das damit hergestellte Bauteil können womöglich preisgünstiger und gegebenenfalls erheblich leichter hergestellt werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, da der eingesetzte Kernwerkstoff günstiger gewählt und dessen Menge reduziert werden kann, während der Fertigungsprozess gegebenenfalls beschleunigt werden kann.
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Gegenüber flexiblen und elastisch ausgebildeten aufblasbaren Kernen aus zum Beispiel Silikon ergeben sich erhebliche Vorteile durch die nicht erforderliche Konfektionierung und durch erleichterte Strukturen. Außerdem können Blaskerne aus Silikon keinen Schub übertragen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erörtert werden.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine stark schematisierte geschnittene Ansicht des Werkzeugs bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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2 eine stark schematisierte Querschnittsansicht mehrerer Faserlagen;
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3 eine stark schematisierte Draufsicht auf zwei Faserlagen;
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4 eine stark schematische Seitenansicht eines Kerns zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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5 eine stark schematische Draufsicht auf einen 2-teiligen Kern; und
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6 eine stark schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Kerns.
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In 1 ist eine stark schematische und geschnittene Draufsicht auf ein Werkzeug 10 bei der Herstellung eines Bauteils 1 dargestellt. Das Werkzeug 10 umfasst hier zwei Werkzeugteile 11, 12, von denen das Werkzeugteil 12 hier zum Teil weggeschnitten dargestellt ist. In dem Werkzeug 10 ist eine Aufnahme für das herzustellende Bauteil 1 und hier ein Kern 20 vorgesehen. Möglich ist es auch, ein Bauteil 1 mit zwei oder mehr Kernen 20 anzufertigen.
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Das herzustellende Bauteil 1 weist einen Bauteilkörper 6 auf, der sich zwischen dem Kern 20 und der Innenwandung des Werkzeugs 10 erstreckt, also zwischen dem Kern 20 und dem ersten oder dem zweiten Werkzeugteil 11 bzw. 12.
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Der Kern 20 weist einen Hohlraum 22 in dem Innenraum 28 auf. Der Hohlraum 22 ist über eine Einlassöffnung 29 hier mit einem externen Ventil 30 und schließlich mit einer Kompressor- oder Verdichtungseinrichtung 13 verbunden. Die Kompressoreinrichtung 13 steht mit der Steuereinrichtung 15 in Steuerverbindung. Die Steuereinrichtung 15 steuert sowohl die Kompressoreinrichtung 13 als auch den Ventilzustand der Ventileinrichtung 30. Bei Bedarf wird die Kompressoreinrichtung 13 aktiviert und/oder es wird die Ventileinrichtung 30 geöffnet, um den Innendruck in dem Hohlraum 22 des Kerns 20 wunschgemäß zu erhöhen. Ein entsprechender und hier nicht eingezeichneter Drucksensor kann vorgesehen sein, um ein Maß für das im Innenraum 28 des Kerns 2 des Kerns 20 anliegende Druckniveau zu bestimmen.
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Die Steuereinrichtung 15 ist des Weiteren mit einer Einspritzeinrichtung 14 verbunden, die auf Anforderung Matrixmaterial 4 (vergleiche 2) in das Werkzeug 10 einspritzt. Dabei steuert die Steuereinrichtung 15 die Antriebseinrichtung 14 und die Kompressoreinrichtung 13 derart, dass ein Innendruck in dem Hohlraum 22 des Kerns 20 in gewissen Grenzen dem Außendruck und somit dem Einspritzdruck der Einspritzeinrichtung 14 entspricht. Dadurch wird dafür gesorgt, dass die an sich stabil und starr ausgebildeten Wandungen 27 des Kerns 20 auch während des Spritzvorgangs beim Einspritzen des Matrixmaterials 4 in den Bauteilhohlraum formstabil bleiben und sich nicht aufgrund eines zu hohen Druckgefälles temporär oder dauerhaft verformen. Eine solche Verformung kann zu einer erhöhten Ansammlung des Matrixmaterials an z. B. nach innen eingedrückten Wandungen des Hohlraums 22 führen, wodurch das Gesamtgewicht des Bauteils 1 erhöht würde. Das kann hier zuverlässig verhindert werden.
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Der Kern 20 weist hier einen Hohlraum 22 in dem Kernkörper 21 auf, wobei der Hohlraum 22 hier zwei Umlenkungen um 90° Winkel aufweist. Grundsätzlich sind auch andere Umlenkungswinkel und erheblich kompliziertere Kernstrukturen möglich. Im Inneren des Kernkörpers 21 sind hier mehrere Verstärkungselemente 24 vorgesehen, wobei die Verstärkungselemente 24 zum Beispiel als Verstärkungsrippen 25 ausgebildet sein können.
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Möglich ist es auch, dass Verstärkungsstreben 26 vorgesehen sind, die beispielsweise eine gegenseitige Abstützung von gegenüberliegenden Wandungen 27 ermöglichen. Verstärkungsrippen können sich über einen Teil der Höhe des Hohlraums 22 oder auch über die gesamte Höhe erstrecken.
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Möglich ist es auch, dass Verstärkungsrippen einen oder mehrere Durchbrüche aufweisen, um einen Fluidaustausch zwischen den einzelnen Abschnitten des Hohlraums 22 zu gewährleisten.
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Hier wird als Fluid 23 Gas und besonders bevorzugt Luft verwendet, welches leicht ist und in der Umgebung reichlich zur Verfügung steht.
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2 zeigt eine stark schematische Prinzipdarstellung eines möglichen Lagenaufbaus, wobei es möglich ist, nur eine Faserlage 3 oder mehrere Faserlagen 3 insgesamt oder an bestimmten Stellen des Kernkörpers und/oder des ersten bzw. zweiten Werkzeugteils 11, 12 zu positionieren. Die einzelnen Faserlagen und die einzelnen Fasern werden über ein Matrixmaterial 4 miteinander verbunden.
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3 zeigt eine stark schematische Draufsicht auf einen Abschnitt zweier Faserlagen 3, wobei eine Faserlage beispielsweise aus trockenem Fasermaterial besteht, während eine andere Faserlage ein Prepreg 5 ist, welches mit Harzmaterial getränkte Verstärkungsfasern umfasst.
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Je nach Anforderungen können unterschiedliche Faserlagen und unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert werden.
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4 zeigt eine stark schematische geschnittene Seitenansicht eines weiteren Kerns 20, der hier aus zwei Kernteilen 31 und 32 besteht. Hier weist der erste Kernteil 31 eine topfartige Struktur auf, während das zweite Kernteil 32 als Deckeleinrichtung für das erste Kernteil 31 dient. Das zweite Kernteil 32 ist in 4 etwas beabstandet von dem ersten Kernteil 31 dargestellt.
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Bei der Montage wird zunächst eine Faserlage 3 oder eine entsprechende Anzahl von Faserlagen auf das erste Werkzeugteil 11 positioniert, bevor das erste Kernteil 31 auf der Faserlage 3 oder auf den mehreren Faserlagen positioniert wird. Anschließend oder zuvor kann das zweite Kernteil 32 auf das erste Kernteil 31 aufgebracht werden, sodass sich ein Hohlraum 22 in dem 28 des Kerns 20 ergibt. Zur Abdichtung des Hohlraums 22 kann beispielsweise eine umlaufende Dichtung 33 vorgesehen sein.
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In Innenraum 28 des Kerns 20 können in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Verstärkungselemente 24 in Form von zum Beispiel Verstärkungsrippen 25 vorgesehen sein. Die Verstärkungselemente 24 können sich über die gesamte Höhe des Kerns 20 erstrecken oder aber an der gestrichelt eingezeichneten Linie 34 enden.
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An wenigstens einer Stelle ist eine Einlassöffnung 29 vorgesehen, die direkt mit einer Ventileinrichtung 30 ausgerüstet sein kann. Die Einlassöffnung kann auch über einen Schlauch oder einen sonstigen Verbindungskanal mit einer Kompressoreinrichtung 13 oder dergleichen verbindbar sein.
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Durch den Kern 20 wird es ermöglicht, ein leichtes und stabiles Bauteil 1 herzustellen. Bei der Fertigung wird der Innenraum 28 mit dem Hohlraum 42 des Kerns 20 unter einen Überdruck gesetzt, der dem Außendruck bei der Harzinjektion entspricht. Dadurch behält der formstabil ausgebildete Kern auch bei hohen Prozessdrücken sicher seine Form.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Kerns 20, der hier beispielhaft als rotationssymmetrisches Teil ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es aber insbesondere auch möglich, beliebige andere Kernstrukturen auszubilden.
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Der Kern 20 aus 5 besteht aus einem ersten Kernteil 31, welches hier im Wesentlichen topfartig ausgebildet ist, und einem zweiten Kernteil 32, welches hier einen entsprechenden Deckel zur Verfügung stellt. Möglich ist es aber auch, dass zwei identische Kernteile 31 verwendet werden, die entsprechend aneinandergesetzt einen Hohlraum 22 in dem Kernkörper 21 bilden. Hier weist der Kernkörper 21 einen zentralen Durchgang bzw. ein zentrales Loch auf. Wenigstens eine Einlassöffnung 29 dient zur Zufuhr von Luft als Fluid.
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In Innenraum 28 des Kerns 20 können wieder Verstärkungselement 24 in Form von beispielsweise Verstärkungsrippen 25 vorgesehen sein. Die Verstärkungsrippen 25 können in radialer oder in Umfangsrichtung oder in sonstigen Richtungen verlaufen.
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6 zeigt ein weiteres und besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kerns 20, der hier eine komplexe und etwa nierenförmig ausgebildete Form aufweist. Von dem Kern 20 ist hier nur das erste Kernteil 31 abgebildet. Das zweite Kernteil 33 weist die entsprechende Form der oberen Öffnung des ersten Kernteils 31 auf und dichtet zusammen mit der Dichtung 33 den Innenraum 28 ab, sodass ein Hohlraum 22 im Inneren des Kernkörpers 21 entsteht.
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6 zeigt, dass komplizierte Kernstrukturen erfindungsgemäß herstellbar sind. Im Inneren des Kernkörpers 21 können Verstärkungselemente 24 vorgesehen sein, die rippenartig oder strebenartig ausgebildet sind. Beispielsweise können sich Verstärkungsrippen 25 in Quer- und in Längsrichtung durch den Innenraum 28 des Kernkörpers 21 erstrecken. In Randbereichen können sich die Verstärkungsrippen weiter nach oben hin erstrecken als in einem zentralen Bereich des Innenraums, sodass sich in Randbereichen abschnittsweise auch strebenartige Strukturen ergeben, die den Hohlraum 22 des Kernkörpers 21 abstützen.
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Hier ist eine Einlassöffnung 29 zum Einlass von Luft als Fluid 23 vorgesehen, um einen Innendruck in dem Kernkörper 21 zu ermöglichen, der dem bei der Harzinjektion auftretenden Druck entspricht.
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Dadurch wird es ermöglicht, dass der Kern insgesamt sehr leicht ausgebildet wird. Der Kern muss den im Inneren des Kernkörpers 21 vorhandenen Hohlraum 22 nicht so stabil abstützen, dass die beim Herstellprozess auftretenden Belastungen ausgehalten werden, sondern es reicht aus, den Kernkörper 21 so stabil auszubilden, wie es für das Handling und für die Montage und den weiteren Betrieb nötig ist. Die Stabilität bei dem Herstellprozess wird wesentlich durch die formstabilen und starr ausgebildeten Wandungen 27 des Kernkörpers 21 erreicht, die nach innen hin durch den entsprechenden Überdruck des Fluids 23 abgestützt werden. Dadurch bleiben die formstabil ausgebildeten Wandungen während des Einspritzvorgangs an den vorgesehenen Orten. Eine eventuelle Deformation des Kernkörpers 21 bei dem Herstellungsprozess bleibt gering und führt nicht zu einer unerwünschten Materialanhäufung des Matrixmaterials.
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Eine Konfektionierung des Kernwerkstoffs ist nicht nötig, um den Kernwerkstoff im Verbund einzusetzen. Die Kerne 20 können in Einzelfertigung oder in Massen- oder Serienproduktion einfach hergestellt werden. Der Materialeinsatz ist relativ gering, da die Wandungen 27 dünn gehalten werden können.
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Der Kern 20 für das Bauteil 1 muss nur auf den Einsatz im Betrieb ausgelegt werden und nicht auf den Fertigungsprozess. Dadurch kann die Masse des Kerns gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden, da die benötigte Widerstandsfähigkeit gegen den Druck während des Fertigungsprozesses durch den Innendruck in dem Hohlraum 22 erzeugt wird. Die formstabilen und starren Wandungen 27 des Kerns 20 ermöglichen die Verwendung eines Kerns mit sehr dünnen Wandstärken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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