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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Faserhalbzeugen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels eines Flechtverfahrens sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs. Darüber hinaus wird auch ein Faserhalbzeug mit belastungsgerechter Faserstruktur beschrieben.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile aus Faserhalbzeugen sind im Automobilbau und in der Luftfahrt von großer Bedeutung, da sie bei geringem Eigengewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen. Ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Hohlstruktur-Faserhalbzeugen ist das Flechtverfahren. Hierbei werden Flechtfäden mittels eines Roboters um einen Flechtkern geflochten, wobei eine vollständige Bedeckung des Flechtkerns durch Anpassung des Flechtwinkels auf den zu umflechtenden Umfang erreicht wird. Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Flechtbauteils vorbestimmt. Die erhaltene Faseranordnung entspricht lokal jedoch nicht einer belastungsgerechten Faserstruktur. Zur lokalen Aussteifung und Erhöhung der Festigkeit eines Flechtbauteils schlägt
DE 10 2013 218 006 A1 vor, das Flechtverfahren mit einem Wickelverfahren zu kombinieren. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig, bedingt durch die Komplexität der Flecht- und Wickelvorrichtung.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vereinfachte Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs sowie eines faserverstärkten Kunststoffbauteils anzugeben, die eine lokal belastungsgerechte Faserablage und damit eine räumlich differenzierte mechanische Stabilität im Faserhalbzeug bzw. im faserverstärkten Kunststoffbauteil ermöglichen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Faserhalbezug mit einer an lokal einwirkende Belastungen angepassten Flechtstruktur bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe sieht vor, eine strukturell einfache Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs anzugeben, mit der kostengünstig und mit hoher Taktung lokal stabilisierte Faserhalbzeuge erhalten werden können.
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Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs durch Umflechten eines Flechtkerns mit Flechtfäden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Ablegen der Flechtfäden oder unmittelbar nach dem Ablegen der Flechtfäden auf dem Flechtkern eine Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden vergrößert wird. Die Fäden sind im Einzelnen nicht beschränkt und können natürliche oder synthetische Fasermaterialien umfassen, die beispielsweise metallischer, kohlenstoffbasierter, keramischer, glasartiger oder polymerer Natur sind. Die Breite eines Flechtfadens wird an der breitesten Stelle seines Querschnitts gemessen und entspricht bei zylindrischen Flechtfäden dem Durchmesser des Querschnitts. Der richtige Zeitpunkt für die Fadenverbreiterung ist während oder unmittelbar nach dem Ablegevorgang der Fäden. Eine spätere Verbreiterung gefährdet einen Überflechtvorgang, während eine Verbreiterung vor dem Ablegen der Fäden uneffektiv ist, da die Fäden auf Spannung gehalten werden, wodurch sie sich bis zum Ablegen wieder zusammenziehen können. Durch das Verbreitern verändert sich der Querschnitt des Flechtfadens zu Gunsten der Auflagefläche des Fadens auf dem Flechtkern, so dass mit gleicher Fadenmenge ein größerer Oberflächenbereich des Flechtkerns umflochten und damit abgedeckt werden kann. Die Flächendichte der abgelegten, verbreiterten Flechtfäden ist geringer als diejenige von nicht verbreiterten Fäden. So können Faserhalbzeuge mit flexiblerer Geometrie erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird somit die Bedeckung des Flechtkerns mit Flechtfäden primär durch die Verbreiterung, also ein Auffächern bzw. ein Spreizen der Flechtfäden, erzielt. Die Bedeckung des Flechtkerns kann folglich unabhängig vom Flechtwinkel eingestellt werden. Dies ermöglicht eine lokal belastungsoptimierte Faserablage im Faserhalbzeug, da der Flechtwinkel nun unabhängig von der Flechtkernbedeckung so eingestellt werden kann, dass Bereiche des Faserhalbzeugs, die im faserverstärkten Kunststoffbauteil einmal hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, örtlich und räumlich selektiv verstärkt werden können. Ein auf diese Weise hergestelltes Faserhalbzeug kann hohen mechanischen Belastungen bzw. Spannungen widerstehen. Das Verfahren bietet hohe Freiheitsgrade bezüglich lokaler Flechtwinkeländerungen und geometrischer Gestaltung des Bauteils, wodurch eine wirtschaftliche und ergonomische Herstellung von Faserhalbzeugen möglich ist. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die eingesetzte Fasermenge reduziert werden, womit bei verbesserter Qualität des Faserhalbzeugs sowohl eine Kosteneinsparung als auch eine Gewichtsreduktion einhergeht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und kostengünstig mit hoher Taktung anwendbar.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Breite der Flechtfäden um 20 bis 150% und insbesondere um 40 bis 80%, vergrößert. Bereits eine Verbreiterung der Flechtfäden um 20% bewirkt eine deutliche Reduzierung der für eine vollständige Flechtkernabdeckung erforderlichen Menge an Flechtfäden. Je größer die Verbreiterung eingestellt wird, desto leichter lassen sich zudem durch Anpassung der Flechtwinkel Verstärkungen bzw. Versteifungen lokal in das Faserhalbzeug einarbeiten. So kann die Stabilität des Faserhalbzeugs besonders gut auf später einmal einwirkende mechanische Belastungen bzw. Spannungen abgestimmt werden. Eine Verbreiterung um mehr als 150% kann jedoch die Fadenstabilität reduzieren.
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Sehr einfach und kostengünstig kann das Vergrößern der Breite der Flechtfäden vorteilhaft dadurch ausgeführt werden, dass Druckluft angewandt wird, die auf die im Ablegevorgang befindlichen oder abgelegten Flechtfäden geleitet wird. Durch Einstellen des Druckes der aufgebrachten Druckluft kann der Verbreiterungsgrad der Flechtfäden unkompliziert eingestellt werden.
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Alternativ dazu ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass das Vergrößern der Breite der Flechtfäden durch mechanisches Andrücken der Flechtfäden ausgeführt wird. Die Flechtfäden können dabei beispielsweise mittels eines Stempels oder einer Walze gegen den Flechtkern gedrückt werden, wodurch ebenfalls ein selektives Auffächern bzw. Spreizen der Flechtfäden erzielt werden kann.
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Zur weiteren selektiven Aussteifung bzw. Stabilisierung des Faserhalbzeugs ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass während des Umflechtens des Flechtkerns ein Flechtwinkel der Flechtfäden variiert wird. Hierdurch wird ein Anpassen von lokalen Winkeländerungen im Faserhalbzeug ermöglicht, wobei das Variieren des Flechtwinkels in einem Bereich innerhalb einer Schicht von Flechtfäden oder lagenweise ausgeführt werden kann. Dadurch können neue Eigenschaften in das Faserhalbzeug eingetragen werden.
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Vorteilhafterweise wird die Einstellung des Flechtwinkels durch Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit des Flechtkerns durch die Flechtmaschine eingestellt. Hierbei ist es erfindungsgemäß bevorzugt, möglichst große Bereiche des Flechtkerns mit einem kleinen Flechtwinkel (kleiner als ca. 45°) zu überflechten, da hierbei eine Durchfahrgeschwindigkeit des Flechtkerns durch die Flechtmaschine erhöht werden kann. Dies ist insbesondere dort möglich, wo das entstehende Flechtfaserhalbzeug eine geringere mechanische Belastung erfordert. Hierdurch kann die Taktzeit reduziert werden.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Faserhalbzeug beschrieben, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Faserhalbzeug zeichnet sich durch mindestens einen Anteil an verbreiterten Flechtfäden aus, die im Vergleich zu nicht verbreiterten Flechtfäden eine größere Breite und damit eine breitere Auflagefläche auf dem Flechtkern aufweisen. Das Faserhalbzeug hat bei reduzierter Fasermenge eine optimale Faserorientierung wodurch eine lokal belastungsgerechte Faserstruktur und trotz geringem Eigengewicht eine hohe Resistenz des Faserhalbzeugs gegenüber vorherrschenden Belastungen bzw. Spannungen erhalten wird. Das erfindungsgemäße Faserhalbzeug hat zudem eine kostenreduzierte Struktur.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte i) Umflechten eines Flechtkerns mit Flechtfäden unter Erzeugung eines Faserhalbzeugs, wobei beim Ablegen der Flechtfäden oder unmittelbar nach dem Ablegen der Flechtfäden auf dem Flechtkern eine Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden vergrößert wird, ii) Aufbringen eines härtbaren Kunststoffes auf das Faserhalbzeug und iii) Härten des Kunststoffes. Schritt i) ist identisch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, weshalb hier auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Das vorliegende Verfahren sieht ferner einen Schritt des Aufbringens eines härtbaren Kunststoffes vor, das durch ein herkömmliches Verfahren, beispielsweise ein Harztränkverfahren, Injektionsverfahren oder Spritzdruckverfahren, ggf. auch in einem entsprechend dafür vorgesehenen Werkzeug, ausgeführt werden kann. Der Schritt des Härtens richtet sich nach der Natur des härtbaren Kunststoffes und wird zumeist durch Anwendung von Wärme initiiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vereinfachte Herstellung von komplexen Faserverbundbauteilen mit lokal gezielt einstellbaren Bauteileigenschaften hinsichtlich z. B. Steifigkeit, mechanischer Festigkeit und Bruchdehnung. Das Verfahren arbeitet wirtschaftlich und kostengünstig und ist ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
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Vorteilhaft sieht das Verfahren ferner einen Formgebungsschritt vor dem Härten des Kunststoffes vor. Dies kann beispielsweise ein Pressvorgang oder Biegevorgang sein, durch den die Bauteilgeometrie zusätzlich variiert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs. Das Faserhalbzeug wird in Form eines Fasergeflechts erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hierzu eine Flechteinheit, die üblicherweise Flechtspulen und Flechtfadenzuführungen aufweist, so dass eine vorgesehene Anzahl an Flechtfäden auf einen bereitgestellten Flechtkern geflochten werden kann. Erfindungsgemäß ist zudem eine Einheit zur Vergrößerung einer Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden (Flechtfadenverbreiterungseinheit) vorgesehen. Diese Fadenverbreiterungseinheit ist dabei so zur Flechteinheit angeordnet, dass die Breite der Flechtfäden beim Ablegen der Flechtfäden oder unmittelbar nach dem Ablegen der Flechtfäden auf einem Flechtkern vergrößerbar ist. Dies ist wichtig, da nur in diesem engen Zeitraum eine effektive Vergrößerung der Breite und damit der Auflagefläche der Flechtfäden auf dem Flechtkern erzielt werden kann. Die Fadenverbreiterungseinheit ist damit in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert, so dass sich eine raumoptimierte Vorrichtung mit hoher Funktionalität ergibt, die Faserhalbzeuge von hoher Qualität bei reduziertem Faserverbrauch mit hoher Taktung erzeugt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Einheit zur Vergrößerung einer Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden eine Druckluftvorrichtung oder einen Anpressstempel oder eine Anpresswalze. Durch eine Druckluftvorrichtung wird eine Verbreiterung des Flechtfades durch Aufspreizen des Fadens durch Luft erzielt, was einfach umsetzbar ist und unterschiedliche Verbreiterungsgrade durch Variation des Luftdrucks ermöglicht. Die Anwendung eines Anpressstempels oder einer Anpresswalze ermöglicht ebenfalls eine einfache Verbreiterung des Flechtfadens, wobei diese Hilfsmittel relativ unempfindlich gegenüber vorherrschenden Umgebungsbedingungen sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung eines Faserhalbzeugs gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung.
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2 Schnittdarstellungen eines Flechtfadens vor und nach der Verbreiterung
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3 eine Ansicht eines Faserhalbzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
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4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der mechanischen Eigenschaften von Faserhalbzeugen.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Faserhalbzeugs dargestellt, alle übrigen Details sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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1 ist eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt. 1 dient gleichzeitig der Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs. Im Detail zeigt 1 im Zentrum einen Flechtkern 1. Der Flechtkern 1 wird mit Flechtfäden 3, 4 umflochten und während des Flechtvorgangs in Richtung des Pfeils F fortbewegt. Eine Flechteinheit 10 stellt hierfür Klöppel 12 bereit, die an Tragplatten 11 befestigt sind. Von den Klöppeln 12 werden Faserbündel 2 abgespult, die in einem Flechtring 13 zu Flechtfäden 3 gebündelt werden. Je nach örtlicher Lage der Flechtringe 13 bzw. je nach Fördergeschwindigkeit des Flechtkerns 1, kann der Flechtwinkel der sich kreuzenden Flechtfäden 3, 4, angepasst werden. In 1 ist ferner eine Einheit 20 zur Vergrößerung einer Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden 3, also eine Flechtfadenverbreiterungseinheit 20, zur Vergrößerung der Breite mindestens eines Teils der Flechtfäden vorgesehen. Mit dieser kann einer oder können mehrere Flechtfäden 3 in seiner/ihrer Breite vergrößert werden, so dass verbreiterte Flechtfäden 4 gegenüber nicht verbreiterten Flechtfäden 3 eine breitere Auflagefläche auf der Oberfläche des Flechtkerns 1 aufweisen. Die Breite des Flechtfadens wird beim Ablegen der Flechtfäden oder unmittelbar nach dem Ablegen der Flechtfäden vergrößert. Die Flechtfadenverbreiterungseinheit 20 ist hierfür so zur Flechteinheit 10 angeordnet, dass die Breite der Flechtfäden beim Ablegen der Flechtfäden oder unmittelbar nach dem Ablegen der Flechtfäden 3 vergrößerbar ist. Durch gezieltes Aktivieren bzw. Deaktivieren der Flechtfadenverbreiterungseinheit 20 kann in spezifischen lokalen Abschnitten eine Verbreiterung der Flechtfäden 3 ausgeführt werden, was sich in der Flechtstruktur der Flechtfäden 3, 4 auf dem Flechtkern 1 widerspiegelt. So kann die Bedeckung des Flechtkerns 1 gezielt über die Ablage von verbreiterten Flechtfäden 4 gesteuert werden, was bei guter Flechtkernabdeckung des Flechtkerns 1 mit einem minimalen Anteil an Flechtfäden hohe Freiheitsgrade in der Flechtwinkelvariation erlaubt und dies weitgehend unabhängig von der lokalen Geometrie des Bauteilquerschnitts. Durch Anpassung des Flechtwinkels kann die Flechtstruktur und damit die Stabilität des herzustellenden Faserhalbzeugs in Richtung zu erwartender Lastpfade oder Belastungsspitzen und Spannungen unabhängig von der Flechtkernabdeckung gesteuert werden. Hierdurch können die Faserhalbzeuggeometrie und die mechanischen Eigenschaften, wie Biegesteifigkeit, Festigkeit und Bruchdehnung entscheidend beeinflusst werden.
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Die Flechtfadenverbreiterungseinheit 20 kann beispielsweise als Druckluftvorrichtung ausgebildet sein, mittels der Druckluft in Richtung des Pfeils G auf einen Flechtfaden 3 gelenkt wird. Der Flechtfaden 3 spreizt sich durch die Druckeinwirkung auf, ohne dass er mechanisch in Mitleidenschaft gezogen wird.
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2 zeigt Schnittansichten eines Flechtfadens vor und nach der Verbreiterung. Flechtfaden 3 umfasst eine Vielzahl an Faserbündeln 2, so genannten Rovings. Der Querschnitt des Flechtfadens 3 ist annähernd rund, wobei eine Breite B1 und eine Höhe H1 des Flechtfadens 3 in etwa gleich groß sind und hier beispielhaft einem Durchmesser des Flechtfadens 3 entsprechen. Nach Verbreiterung durch die Flechtfadenverbreiterungseinheit hat sich die Form des Querschnitts des verbreiterten Flechtfadens 4 verändert. Der Flechtfaden 4 ist breiter geworden, hat damit eine breitere Auflagefläche auf dem Flechtkern, jedoch eine reduzierte Höhe H2. Die Breite B2 des Flechtfadens 4, die an der breitesten Stelle des Querschnitts des Flechtfadens ermittelt wird, ist etwa 60% größer als diejenige des Flechtfadens 3 vor der Verbreiterung. Somit kann mit dem verbreiterten Flechtfaden 4 bei reduziertem Flechtfadeneinsatz eine wesentlich bessere und vollständigere Abdeckung eines Flechtkerns erzielt werden. Zudem ist die Flächendichte reduziert, so dass auch das Gesamtgewicht des Faserhalbzeugs reduziert wird.
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3 veranschaulicht schematisch ein Faserhalbzeug 100 gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung. Das Faserhalbzeug 100 aus 3 zeigt eine Seitenansicht eines quadratischen Hohlprofils mit einer Höhe von 54 mm und einer Breite von 54 mm sowie einer Kantenlänge von 800 mm. Das Hohlprofil wurde aus Flechtfäden 3 aus Kohlenstofffasern hergestellt, die Faserbündel mit jeweils 50.000 Faserfilamenten umfassten. Entlang der Kantenlänge des Holprofils wurden der Flechtwinkel und eine Breite der Flechtfäden verändert. In einem Bereich A des Hohlprofils betrug der Flechtwinkel 15°. Im Bereich A betrug die Breite der Flechtfäden 13 mm. In einem Bereich B wurde der Flechtwinkel kontinuierlich auf 60° angehoben und eine Breite der Flechtfäden angepasst (reduziert). In einem Bereich C erfolgte eine kontinuierliche Flechtwinkelanpassung von 60° auf 15°. Die Breite der Flechtfäden in den Bereichen mit kleinerem Flechtwinkel wurde durch Anpressen der Flechtfäden auf den Flechtkern mit einem Stempel vergrößert und betrug bei einem Flechtwinkel von 15° 13 mm, während die Breite der Flechtfäden in Bereichen mit größerem Flechtwinkel kleiner war und bei einem Flechtwinkel von 60° 7 mm betrug.
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4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der mechanischen Eigenschaften von Faserhalbzeugen. Im Detail zeigt 4 Ergebnisse von 3-Punkt-Biegeversuchen. Hierbei ist die Kraft [N] über den Weg [mm], also die Durchbiegung bei Bruch, aufgetragen. Je größer die maximale Kraft ist, desto stabiler ist das betreffende Hohlprofil. Untersucht wurde zum einen das Hohlprofil, das in 3 beschrieben, mit einem Epoxidharz getränkt und ausgehärtet wurde. Die Kurve dieses erfindungsgemäßen Hohlprofils Vari-4 ist diejenige, die mit „Vari-4” beziffert ist. Die Kurve „15-5” ist die Kurve eines Hohlprofils 15-5, das mit gleichem Fasermaterial und Matrixmaterial, jedoch mit einem konstanten Flechtwinkel von 15° und einer Breite der Flechtfäden von 13 mm hergestellt wurde. Die Kurve „60-2” ist die Kurve eines Hohlprofils 60-2, das ebenfalls mit gleichem Fasermaterial und Matrixmaterial, jedoch mit einem konstanten Flechtwinkel von 60° und einer Breite der Flechtfäden von 7 mm hergestellt wurde. Das Hohlprofil Vari-4 zeigt die höchsten Kraftwerte, ein Hinweis darauf, dass mit variablen Flechtwinkeln und variabler Breitengestaltung der Breite der Flechtfäden lokal höhere Stabilitäten im Hohlprofil erzielt werden können als mit konstantem Flechtwinkel und konstanter Flechtfadenbreite.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flechtkern
- 2
- Faserbündel
- 3
- Flechtfaden
- 4
- verbreiterter Flechtfaden
- 10
- Flechteinheit
- 11
- Tragplatte
- 12
- Klöppel
- 13
- Flechtring
- 20
- Flechtfadenverbreiterungseinheit
- 100
- Faserhalbzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218006 A1 [0002]
