DE102015109289B3

DE102015109289B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge

Info

Publication number: DE102015109289B3
Application number: DE102015109289.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Zacharias; Yannis Grohmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: FR3037272B1; FR3037272A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge, das ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial aufweist, wobei ein Faserhalbzeug und ein Dorn relativ zueinander positioniert werden. Durch Einführen des Dorns in das Faserhalbzeug wird dann das Faserhalbzeug im Bereich der Öffnung verdrängt, wobei eine elektrische Spannung an eine Elektrode und/oder Gegenelektrode angelegt wird, um das Faserhalbzeug zu erwärmen, wobei die Elektrode an dem Dorn angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge, die ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial aufweist oder aus einem solchen bestehen.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, so genannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile exakt an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Faserverbundbauteile werden in der Regel durch Aushärten eines Matrixmaterials, beispielsweise eines Harzes, das in ein Fasermaterial infundiert ist, hergestellt. Das benötigte Fasermaterial kann dabei in verschiedenen Ausprägungen als so genannte Faserhalbzeuge bereitgestellt werden und bietet somit die Grundlage für den eigentlichen Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils. Faserhalbzeuge können dabei beispielsweise trockene Faserhalbzeuge oder vorimprägnierte Faserhalbzeuge (so genannte prepregs) sein, wobei den Faserhalbzeugen gegebenenfalls noch weitere Inhaltsstoffe, wie beispielsweise Bindermaterialien, hinzugefügt sein können.
Faserhalbzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung können somit in den trockenen Faserhalbzeugen wie Gelege, Gewebe oder auch vorbebinderte trockene Rovings auch vorimprägnierte Faserhalbzeuge (prepregs) sein, wobei unter einem Faserhalbzeug schließlich jegliches Fasermaterial zu verstehen ist, aus dem sich schließlich ein Faserverbundbauteil herstellen lässt. Insbesondere Fasermaterial aus Kohlenstofffasern sind Faserhalbzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung. Auch thermoplastische oder duroplastische prepregs sind Faserhalbzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen rückt auch die gleichzeitige Nutzung mehrerer Materialien in Form so genannter Hybridverbindungen immer mehr in den Fokus. Dabei gewinnt auch die Bedeutung der entsprechenden Verbindungstechnik dieser Materialien immer mehr an Bedeutung.
Aus der DE 10 2013 211 580 A1 ist beispielsweise ein Thermoclinchverfahren bekannt, bei dem ein Faserhalbzeug einerseits und eine metallische Struktur andererseits in einem so genannten Clinchverfahren miteinander formschlüssig verbunden werden sollen. Hierzu wird das Faserhalbzeug über eine Öffnung der metallischen Struktur gelegt und anschließend mit einem Dorn in das Loch der metallischen Struktur gedrückt, um so das Faserhalbzeug in das Loch der metallischen Struktur zu verdrängen. Von der unten liegenden Seite wird dann ein Stempel herangedrückt, um so das verdrängte Faserhalbzeug an den Lochrand der metallischen Struktur zu drücken. Dabei kann das Faserhalbzeug auch mithilfe einer Wärmequelle erwärmt werden, was beispielsweise mittels Wärmestrahlung, einem Heißluftgebläse oder einer Infrarotwärmequelle geschehen kann.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass dieser Prozess sehr langwierig und energieintensiv ist. Durch die flächige Erwärmung mittels Infrarot werden angrenzende Bereiche unnötig erwärmt, was dazu führt, dass bei thermoplastischen Kunststoffen die Materialeigenschaften auch nicht betroffener Gebiete verändert werden.
Aus der EP 2 821 200 A1 ist eine Faservorformling-Temperiervorrichtung bekannt, bei der zwei Elektroden auf ein und dieselbe Seite eines Faservorformlings kontaktiert werden, wobei eine Kraft in Richtung des Faservorformlings durch die Elektroden zur Kompaktierung der Fasern aufgebracht wird, während eine elektrische Spannung zur Erzeugung des Stromflusses in dem Faservorformling angelegt wird.
Aus der DE 195 03 579 B4 ist ein Kunststoff-Formkörper mit einer Lochverstärkung bekannt, wobei die Verstärkung mit Hilfe einer Kunststoffbuchse realisiert wird. Die Kunststoffbuchse wird in die zuvor erzeugte Öffnung in dem Faserhalbzeug eingesteckt und anschließend durch bekannte Kunststoff-Schweißverfahren verschweißt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge anzugeben, mit dem die Öffnungen schnell und prozesssicher erzeugt werden können bei gleichzeitiger Reduzierung der benötigten Energie und einer Reduzierung der betroffenen Faserbereiche.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst.
Demnach ist ein Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in ein Faserhalbzeug vorgesehen, das ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial aufweist oder aus einem solchen besteht, wobei das elektrisch leitfähige Fasermaterial beispielsweise ein Faserhalbzeug mit Kohlenstofffasern sein kann. Denkbar ist aber auch, dass das Faserhalbzeug entsprechend zusätzliche, elektrisch leitfähige Fasern aufweist, um das Faserhalbzeug grundsätzlich elektrisch leitfähig zu machen.
In einem ersten Vorbereitungsschritt werden nun das Faserhalbzeug einerseits und ein Dorn andererseits bereitgestellt. Anschließend werden das Faserhalbzeug und der Dorn relativ zueinander so positioniert, dass der Dorn gegenüber einem Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges liegt bzw. positioniert ist. Der Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges ist derjenige Bereich, in dem die Öffnung eingebracht werden soll bzw. wurde. Die Form der Öffnung kann beispielsweise rund oder oval sein. Der Öffnungsbereich kann aber auch maximal definiert werden durch den Faserbereich, der durch die Kontaktpunkte der Elektrode am Dorn einerseits und der Gegenelektrode andererseits definiert wird. Der Öffnungsbereich kann somit größer sein als die Öffnungen selber.
Durch das Einführen des Dorns in den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges wird dabei die Öffnung in das Faserhalbzeug eingebracht, wobei vorteilhafterweise zumindest ein Teil des Fasermaterials im Öffnungsbereich verdrängt bzw. umgeformt wird, um die Öffnung auszubilden.
Der Dorn weißt vorteilhafterweise eine zu dem Querschnittsform der herzustellenden Öffnung korrespondierende Form auf.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an dem Dorn eine Elektrode angeordnet ist, die mit einer Gegenelektrode zum Bewirken eines Stromflusses zusammenwirkt, wenn an der Elektrode und/oder Gegenelektrode eine elektrische Spannung angelegt wird und sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode ein elektrisch leitfähiges Material befindet. Während des Einführens des Dorns in den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges ist eine elektrische Spannung an die Elektrode und/oder Gegenelektrode, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert ist, angelegt, so dass ein Stromfluss zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode im Faserhalbzeug zumindest innerhalb des Öffnungsbereiches derart bewirkt wird, dass das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich erwärmt wird. Denn beim Einführen des Dorns in den Öffnungsbereich wird die Elektrode mit dem Faserhalbzeug im Öffnungsbereich elektrisch kontaktiert, so dass bei kontaktierter Gegenelektrode und angelegter elektrischer Spannung ein Strom fließen kann.
Während der Dorn in das Faserhalbzeug innerhalb des Öffnungsbereiches eingeführt wird, um das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich zu verdrängen und umzuformen, wird die Elektrode an dem Umformdorn mit dem Faserhalbzeug kontaktiert, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der Elektrode und/oder an einer Gegenelektrode, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert ist, ein Stromfluss bewirkt werden kann, der zu einer Erwärmung des Faserhalbzeugs im Öffnungsbereich führt, so dass hierdurch der Umformvorgang und die Verdrängung des Faserhalbzeuges verbessert werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, in ein und demselben Prozessschritt das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich zu erwärmen und gleichzeitig die Öffnung in das Faserhalbzeug einzubringen. Dabei wurde erkannt, dass hierdurch das Erzeugen von Öffnungen deutlich schneller und effizienter durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus kann bei einer hinreichend hohen elektrischen Spannung erreicht werden, dass zumindest ein Teil des Fasermaterials bzw. der Fasern im Öffnungsbereich beim Einführen des Dorns verbrannt werden, da der bewirkte Stromfluss zu einer derart hohen Erwärmung führt, dass die Fasern zerstört werden. Dadurch werden die Fasern im Öffnungsbereich nicht nur verschoben und umgeformt, sondern auch teilweise zerstört (verbrannt), wodurch die Gefahr von Faserverschiebungen durch den Umformprozess selber im restlichen Faserhalbzeug deutlich reduziert werden kann.
Der Stromfluss kann aber auch bewirkt werden, nachdem der Dorn vollständig in den Öffnungsbereich eingeführt wurde. Dadurch kann ein thermisch aktivierbares Bindermaterial aktiviert werden und somit der Randbereich der Öffnung fixiert werden, so dass Form und Geometrie der Öffnung nach Entfernen des Dorns erhalten bleiben.
Darüber hinaus wird gezielt nur der Bereich erwärmt, bei dem später auch das Faserhalbzeug aufgrund des Einführens des Dorns verdrängt bzw. umgeformt werden soll. Anders als aus dem Stand der Technik bekannt bedarf es somit keiner großflächigen Erwärmung des Faserhalbzeuges nur zum Zwecke einer lokalen Umformung.
Der Dorn kann dabei eine spitze konische Form aufweisen, mit der das Fasermaterial im Öffnungsbereich in Richtung Öffnungsrand verdrängt werden. Die Elektrode kann dabei an dem Dorn isolierend angeordnet sein oder die Elektrode besteht aus dem Dorn selber. Dies ist beispielsweise denkbar, wenn der Dorn selber aus einem elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Metallwerkstoff, besteht. Denkbar ist auch, dass mehrere Elektroden isolierend an dem Dorn angeordnet sind. Denkbar ist auch, dass die Elektrode ringförmig im Bereich der Spitze um den Umformdorn herum angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine formstabile Struktur vorgesehen, die eine Öffnung hat, die mit der in das Faserhalbzeug einzubringenden Öffnung korrespondiert. Die formstabile Struktur wird dabei an dem Faserhalbzeug so positioniert, dass die Öffnung der formstabilen Struktur den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges abdeckt. Durch Einführung eines Dorns in das Faserhalbzeug im Bereich der Öffnung der formstabilen Struktur und im Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges wird nun das Fasermaterial des Faserhalbzeuges verdrängt, umgeformt und ggf. zerstört. Dabei wird das verdrängte und umgeformte Fasermaterial des Faserhalbzeuges an den Rand der Öffnung der formstabilen Struktur gedrückt.
Vorteilhafterweise weist der Dorn dabei eine zu der Form der Öffnung der formstabilen Struktur korrespondierende Querschnittsform auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist das Faserhalbzeug ein erster Fügepartner und die formstabile Struktur ein zweiter Fügepartner, die miteinander verbunden werden sollen, und zwar mittels eines Clinchverfahrens. Hierbei wird zunächst das Faserhalbzeug im Bereich der Öffnung der formstabilen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung durch Einführen des Dorns umgeformt, wobei ein Hinterschnitt durch Anformen des durch die Öffnung hindurch verdrängten Fasermaterials des Faserhalbzeuges an einen Öffnungsrand der Öffnung des zweiten Fügepartners mittels eines Stempels ausgebildet wird. Der Stempel hat dabei eine zu dem Dorn korrespondierende Form.
Auch bei einem Clinchverfahren wird es somit möglich, innerhalb eines Prozessschrittes das Fasermaterial zu erwärmen und umzuformen, um dann in einem zweiten Prozessschritt den Hinterschnitt zur Ausbildung der formschlüssigen Verbindung herzustellen.
In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die formstabile Struktur ein elektrisch leitfähiges Material aufweist oder aus einem solchen besteht, wobei die elektrische Spannung an der Elektrode des Dorns und/oder an die formstabile Struktur als Gegenelektrode angelegt werden kann. In diesem Fall ist die formstabile Struktur gleichzeitig auch die Gegenelektrode, so dass sehr wirkungsvoll ein Stromfluss im Bereich der Öffnung der formstabilen Struktur in dem Faserhalbzeug bewirkt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Gegenelektrode mit dem Faserhalbzeug im Öffnungsbereich an einer zweiten Seite des Faserhalbzeuges kontaktiert, die der ersten Seite des Faserhalbzeuges, in der der Dorn in das Faserhalbzeug eingeführt wird, gegenüber liegt. Hierbei kann die Gegenelektrode als Gegenhalter benutzt werden, der ein Verziehen des Faserhalbzeuges beim Einführen des Dorns verhindert.
Vorteilhafterweise ist dabei die Gegenelektrode mit dem Dorn axial fluchtend mit der zweiten Seite kontaktiert, so dass hier maximal bis zur vollständigen Einführung des Dorns in das Faserhalbzeug ein Kräfteausgleich stattfindet, um ein Verziehen des Faserhalbzeuges zu verhindern.
Dabei ist es denkbar, dass die an der zweiten Seite kontaktierte Gegenelektrode mithilfe eines Schwingungserzeugers in mechanische Schwingung versetzt wird, um so den Einführvorgang des Dorns in das Faserhalbzeug zu verbessern. Hierbei ist es denkbar, dass die Gegenelektrode mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wird. Denkbar ist aber auch, dass zusätzlich oder alternativ der Umformdorn in Schwingung versetzt wird, insbesondere mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Gegenelektrode mit dem Faserhalbzeug an einer ersten Seite des Faserhalbzeuges, an der der Dorn in das Faserhalbzeug eingeführt wird, kontaktiert, so dass sowohl die Gegenelektrode als auch der Dorn an ein und derselben Seite des Faserhalbzeuges elektrisch kontaktiert werden. Hierdurch erfolgt ein Stromfluss in Faserebene, während bei einer Kontaktierung der Gegenelektrode an der zweiten Seite des Faserhalbzeuges (dem Dorn gegenüberliegenden Seite) ein Stromfluss durch das Faserhalbzeug hindurch bewirkt wird.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Gegenelektrode als Ringelektrode ausgebildet ist, wobei der innere Durchgang der Ringelektrode mit der herzustellenden Öffnung korrespondiert und die Gegenelektrode somit um den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges umlaufend mit dem Faserhalbzeug kontaktierbar ist.
In dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn die Gegenelektrode beispielsweise als Niederhalter wirken kann, um so ein Verschieben und Verzerren des Faserhalbzeuges beim Einführen des Dorns in das Faserhalbzeug verhindert zu können.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Dorn sowohl die Elektrode als auch die Gegenelektrode angeordnet, wobei die Elektrode und die Gegenelektrode hierbei isolierend angeordnet sind. Beim Einführen des Dorns in das Faserhalbzeug wird nun eine elektrische Spannung an die an dem Dorn angeordnete Elektrode und/oder an die an dem Dorn hierzu isolierend vorgesehene Gegenelektrode angelegt, so dass ein Stromfluss in dem Faserhalbzeug zur Erwärmung Elektrode und Gegenelektrode am Dorn bewirkt werden kann. Der Vorteil hierbei ist, dass der Stromfluss sehr dicht im Bereich des Dorns in dem Faserhalbzeug bewirkt wird, so dass eine stark lokal begrenzte Erwärmung nur in dem Bereich stattfindet, in dem das Fasermaterial tatsächlich auch am stärksten umgeformt wird.
Das Erwärmen des Faserhalbzeuges im Öffnungsbereich kann neben dem Anlegen einer elektrischen Spannung auch mit anderen Erwärmungsmethoden, wie beispielsweise Ultraschall, Induktion oder Strahlungswärme, kombiniert werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren bespielhaft erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung des Einbringens einer Öffnung;
2 – schematische Darstellung eines Clinchverfahrens;
3 – schematische Darstellung eines Umformvorgangs mit gegenüberliegender Gegenelektrode;
4 – schematische Darstellung eines Umformvorgangs mit ringförmiger Gegenelektrode;
5 – schematische Darstellung eines Umformvorgangs mit Elektrode und Gegenelektrode am Umformdorn.
In 1 wird schematisch ein Verfahren zum Erzeugen einer Öffnung in einem Faserhalbzeug 1 gezeigt, wobei in Schritt A) zunächst das Faserhalbzeug 1 relativ zu einem Dorn 4 so positioniert wird, dass der Dorn 4 gegenüber dem Öffnungsbereich 13 des Faserhalbzeuges 1 liegt, in den die Öffnung eingebracht werden soll. Des Weiteren ist das Faserhalbzeug 1 mit einer Gegenelektrode 8 kontaktiert, die im Ausführungsbeispiel der 1 als Ringelektrode ausgebildet ist.
Der Dorn 4 weist eine Elektrode 9 auf bzw. besteht aus dieser, wobei Elektrode 9 und Gegenelektrode 8 mit einer elektrischen Spannungsquelle 5 verbunden sind.
Dabei kann vor dem Einführen des Dorns 4 in das Faserhalbzeug oder erst während dessen die elektrische Spannung mittels der elektrischen Spannungsquelle 5 an die Elektrode 9 und/oder Gegenelektrode 8 angelegt werden.
In Schritt B) ist nun der Dorn vollständig in das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich 13 eingeführt, wobei aufgrund der angelegten Spannung ein Stromfluss in dem Faserhalbzeug innerhalb des Öffnungsbereiches 13 bewirkt wird bzw. wurde. Dabei wurde das Faserhalbzeug erwärmt, was den Umformprozess begünstigt. Denkbar ist auch, dass das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich zumindest teilweise zerstört (verbrannt) wurde, was das Einführen des Dorns 4 beschleunigt.
2 zeigt schematisch ein Clinchverfahren, bei dem das Faserhalbzeug 1 als erster Fügepartner und eine formstabile Struktur 2 als zweiter Fügepartner miteinander verbunden werden sollen. Der zweite Fügepartner 2 weist hierfür eine Öffnung 3 auf, in die das Faserhalbzeug 1 hineinverdrängt werden soll, um so eine formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner zu erreichen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die formstabile Struktur 2 aus einem Metallwerkstoff gebildet, damit es elektrisch leitfähig ist. Denkbar ist allerdings auch, dass hier andere Werkstoffe, insbesondere auch nicht leitende Werkstoffe verwendet werden, wobei dann die Positionierung der Gegenelektrode, wie nachstehend noch gezeigt, anders gehandhabt werden muss.
Im ersten Prozessschritt a) wird zunächst das Faserhalbzeug 1 und die formstabile Struktur 2 relativ zueinander so positioniert, dass das Faserhalbzeug 1 die Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2 abdeckt.
Im Prozessschritt b) wird nun der Dorn 4 mit einer vorgegebenen Treibkraft F₁ im Bereich der Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2 in das Faserhalbzeug 1 eingeführt, wodurch das Faserhalbzeug 1 an den Rand der Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2 gedrückt wird.
Der Dorn 4 ist aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet und bildet so die Elektrode. Die formstabile Struktur 2 ist aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet und bildet somit die Gegenelektrode.
Während des Einführens des Dorns 4 wird dabei eine elektrische Spannung mithilfe einer Spannungsquelle 5 an den Dorn 4 als Elektrode sowie an die formstabile Struktur als Gegenelektrode angelegt, so dass ein Stromfluss in dem Faserhalbzeug zwischen Dorn 4 und formstabiler Struktur 2 bewirkt werden kann. Hierdurch wird insbesondere der Verdrängungs- und Umformprozess des Faserhalbzeuges aufgrund einer Erwärmung durch die Bestromung begünstigt.
So ist es beispielsweise denkbar, dass eine thermoplastische Matrix aufschmilzt und die Verstärkungsfasern von dem Dorn 4 zur Seite geschoben werden.
Ist der Dorn 4 vollständig in das Faserhalbzeug eingeführt, so wird in Prozessschritt c) dann mithilfe eines Stempels 6 ein Hinterschnitt 7 erzeugt, in dem das verdrängte Fasermaterial mithilfe des Stempels 6 an die formstabile Struktur 2 im Bereich des Öffnungsrandes angeformt wird. Somit wird die Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2 vollständig von dem Fasermaterial des Faserhalbzeuges 1 eingeschlossen.
Der Stempel 6, beispielsweise in Form eines hohlen Bolzens, knickt somit das überstehende Fasermaterial so um, dass ein Hinterschnitt 7 entsteht. Dabei ist es denkbar, dass bis zur Bildung des Hinterschnittes die elektrische Spannung angelegt bleibt, um so eine kontinuierliche Erwärmung zu bewirken. Erst nachdem der Hinterschnitt erzeugt wurde, wird die Spannung abgeschaltet, um so beispielsweise eine aufgeschmolzene Matrix zu erstarren.
Dabei ist es grundsätzlich denkbar, dass der Dorn 4 beispielsweise kühlbar ausgebildet ist, so dass nach dem Abschalten der angelegten elektrischen Spannung der Dorn 4 gekühlt und somit der aufgewärmte Faserhalbzeugbereich gekühlt werden kann. Hierdurch kann die Prozessgeschwindigkeit noch einmal gesteigert werden.
Wie in 1 zu erkennen, weist der Dorn 4 einen Kragen auf, der breiter ist als die Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2. Hierdurch kann ein zu weites Reinrutschen des Dorn 4 verhindert werden.
3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Dorn 4 an einer ersten Seite 11 des Faserhalbzeuges 1 eingeführt wird, während die Gegenelektrode 8 in Form eines zusätzlichen Bauelementes das Faserhalbzeug 1 an einer gegenüberliegenden zweiten Seite 12 im Bereich der Öffnung der formstabilen Struktur 2 kontaktiert. Im Ausführungsbeispiel der 2 kontaktiert die Gegenelektrode 8 das Faserhalbzeug 1 dabei axial fluchtend mit dem Dorn 4.
Hierdurch wird ein Stromfluss direkt durch die Fasern des Faserhalbzeuges bewirkt, und zwar dort, wo sich später durch Verdrängen des Fasermaterials ein Loch ergeben muss. Die Gegenelektrode 8 kann hierbei auch als Gegenkraftelement verwendet werden, um so ein Verziehen und Verzerren des Faserhalbzeuges durch das Einführen des Umformdornes 4 zu verhindern. Die Gegenelektrode 8 kann hierbei auch ultraschallbeaufschlagt werden, um den Prozess zu beschleunigen.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der der Dorn 4 und die Gegenelektrode 8 an ein und derselben ersten Seite 11 des Faserhalbzeuges 1 kontaktiert werden, wodurch ein Stromfluss in den ersten oberen Schichten des Faserhalbzeuges 1 bewirkt wird. Die Gegenelektrode 8 ist hierbei um die Öffnung 3 der formstabilen Struktur 2 herum angeordnet und kann ebenfalls als Niederhalter zur Fixierung des Faserhalbzeuges dienen.
5 zeigt schließlich schematisch eine Ausführungsform, bei der sowohl die Elektrode 9 als auch die Gegenelektrode 8 elektrisch isolierend an dem Dorn 4 angeordnet sind. Hierbei sind unterschiedlichste Anordnungen der Elektroden und Gegenelektroden in der Spitze des Dorns 4 möglich. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Gegenelektrode mittelbar oder unmittelbar mit dem Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Faserhalbzeug
2: formstabile Struktur
3: Öffnung der formstabilen Struktur
4: Dorn
5: Spannungsquelle
6: Stempel
7: Hinterschnitt
8: Gegenelektrode
9: Elektrode
11: erste Seite des Faserhalbzeuges
12: zweite Seite des Faserhalbzeuges
13: Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges

Claims

Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge (1), das ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial aufweist oder aus einem Solchen besteht, mit a) Positionieren eines Faserhalbzeuges (1) und eines Dornes (4) relativ zueinander so, dass der Dorn (4) gegenüber einem Öffnungsbereich, in dem die Öffnung in das Faserhalbzeug eingebracht werden soll, liegt, und b) Einführen des Dornes (4) in den Öffnungsbereich des Faserhalbzeug (1) zum Einbringen der Öffnung in das Faserhalbzeug (1), gekennzeichnet durch c) Anlegen einer elektrischen Spannung (5) an eine an dem Dorn (4) angeordneten oder aus dem Dorn (4) bestehenden Elektrode (9) und/oder an eine Gegenelektrode (8), die mit dem Faserhalbzeug mittel- oder unmittelbar elektrisch kontaktiert ist, während oder nachdem der Dorn (4) in den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges (1) eingeführt wird, so dass ein Stromfluss zwischen der Elektrode (9) und der Gegenelektrode (8) im Faserhalbzeug (1) zumindest innerhalb des Öffnungsbereich derart bewirkt wird, dass das Faserhalbzeug (1) im Öffnungsbereich erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine formstabile Struktur (2), die eine Öffnung (3) hat, an dem Faserhalbzeug so positioniert wird, dass die Öffnung (3) der formstabilen Struktur (2) den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges (1) abdeckt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (1) ein erster Fügepartner und die formstabile Struktur (2) ein zweiter Fügepartner ist, die miteinander verbunden werden, indem ein Hinterschnitt (7) durch Anformen des durch die Öffnung (3) hindurch verdrängten Fasermaterials des Faserhalbzeuges (1) an einen Öffnungsrand der Öffnung (3) des zweiten Fügepartners (2) mittels eines Stempels (6), der eine zu dem Dorn (4) korrespondierende Form hat, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die formstabile Struktur (2) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist oder aus einem Solchen besteht, wobei die elektrische Spannung an die Elektrode (9) des Dorns (4) und/oder an die formstabile Struktur (2) als Gegenelektrode angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) mit dem Faserhalbzeug (1) im Öffnungsbereich an einer zweiten Seite (12) des Faserhalbzeuges (1) kontaktiert wird, die der ersten Seite (11) des Faserhalbzeuges (1), an der der Dorn (4) in das Faserhalbzeug (1) eingeführt wird, gegenüber liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) mit dem Dorn (4) axial fluchtend mit der zweiten Seite (12) des Faserhalbzeuges (1) kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) mit dem Faserhalbzeug (1) an einer ersten Seite (11) des Faserhalbzeuges (1), an der der Dorn (4) in das Faserhalbzeug (1) eingeführt wird, kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) zumindest teilweise um den Öffnungsbereich umlaufend an der ersten Seite (11) des Faserhalbzeuges (1) kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung an die an dem Dorn (4) angeordnete Elektrode (9) und/oder an die an dem Dorn (4) hierzu isolierend vorgesehene Gegenelektrode (8) angelegt wird, so dass ein Stromfluss zwischen der an dem Dorn (4) angeordneten Elektrode (9) und an dem Dorn (4) angeordneten Gegenelektrode (8) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abstellen der elektrischen Spannung (5) und Beenden des Stromflusses das Faserhalbzeug zumindest im Öffnungsbereich abgekühlt wird.
Vorrichtung zum Einbringen von Öffnungen in Faserhalbzeuge (1), das ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial aufweist oder aus einem Solchen besteht, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Dorn (4), der zum Einführen in das Faserhalbzeug (1) in einem Öffnungsbereich, in dem die Öffnung in das Faserhalbzeug (1) eingebracht werden soll, zum Erzeugen der Öffnung im Öffnungsbereich ausgebildet ist, mit mindestens einer Elektrode (9), die an dem Dorn (4) angeordnet oder aus dem Dorn (4) besteht und mit mindestens einer Gegenelektrode (8), die mittel- oder unmittelbar mit dem Faserhalbzeug kontaktierbar ist, sowie mit einer mit der Elektrode und der Gegenelektrode verbundenen elektrischen Spannungsquelle (5), die zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrode (9) und/oder Gegenelektrode (8) ausgebildet ist, um einen Stromfluss zwischen der Elektrode (9) und der Gegenelektrode (8) im Faserhalbzeug innerhalb des Öffnungsbereiches derart zu bewirken, dass das Faserhalbzeug im Öffnungsbereich erwärmt wird, während oder nachdem der Dorn (4) in das Faserhalbzeug eingeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine formstabile Struktur (2) vorgesehen ist, die eine Öffnung (3) hat und ausgebildet ist, an dem Faserhalbzeug so positioniert zu werden, dass die Öffnung (3) der formstabilen Struktur (2) den Öffnungsbereich des Faserhalbzeuges (1) abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (4) mindestens eine Elektrode (9) und mindestens eine Gegenelektrode (8) jeweils isolierend zueinander aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (5) mit der Elektrode des Dorns (4) einerseits und mit der formstabilen Struktur (2) als Gegenelektrode andererseits elektrisch verbunden ist.