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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit integriertem Anbindungselement sowie ein Presswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Um Faserverbundbauteile mit anderen Bauteilen zu verbinden, ist es bekannt Befestigungspunkte vorzusehen, die an oder in den Faserverbundbauteilen angeordnet sind. Üblicherweise umfassen die Befestigungspunkte spezielle Verbindungsmittel, wie Bolzen, Schrauben oder Muttern, die als Anbindungselemente eine Verbindung mit den anderen Bauteilen ermöglichen.
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Diese Anbindungselemente werden in der Regel in nachträglichen Arbeitsschritten auf bereits fertig erzeugte und ausgehärtete Faserverbundbauteile aufgebracht, wodurch ein erheblicher Zusatzaufwand für das Vorbereiten der Verbindungsoberflächen durch Bohren, Fräsen, Spanen, Schleifen, Schneiden und Reinigen sowie für das eigentliche Verbinden durch oberflächliches Aufkleben entsteht. Die Verbindung wird in diesem Fall lediglich durch die stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt und ist entsprechend in ihrer Festigkeit limitiert.
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Diese Vorgehensweise ist entsprechend zeitintensiv und bewirkt aufgrund der spanabhebenden Bearbeitung und je nach gewähltem Verbindungsmittel eine Schädigung des Laminataufbaus, welche eine Festigkeit des gesamten hergestellten Bauteils herabsetzt.
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Um dies zu vermeiden, sind Verfahren bekannt, bei denen die Anbindungselemente bereits innerhalb des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils an diesem befestigt werden. Hierzu erfolgt ein Einbringen des Anbindungselements in textilen Vorprozessen, insbesondere beim schichtweisen Aufbau von Lagenanordnungen, indem die Anbindungselemente zwischen die einzelnen Lagen eingebracht werden. Jedoch müssen diese Prozesse üblicherweise für das Einlegen der Anbindungselemente unterbrochen werden, mit der Folge, dass eine Taktzeit erheblich reduziert wird. Zudem sind meist ein Vernähen der Anbindungselemente und ein Lochen einzelner Faserlagen erforderlich. Die auf diese Weise erzeugten Lagenanordnungen werden anschließend in ein Presswerkzeug eingelegt und mittels Nasspressen unter hohem Druck zum Bauteil ausgeformt. Dabei besteht die zusätzliche Gefahr, dass die lediglich eingelegten oder vernähten Anbindungselemente verrutschen oder zumindest aufgrund eines unvermeidlichen Spiels nicht reproduzierbar positioniert werden können, wodurch hohe Toleranzanforderungen nicht realisierbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Anbindungselement derart mit einem Faserverbundbauteil zu verbinden, dass dieses hohen Toleranzanforderungen genügt und für hohe Lasten einsetzbar ist sowie außerdem einfach und möglichst kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Presswerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit integriertem Anbindungselement vorgestellt, mit mindestens den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines Presswerkzeugs mit einem ersten Werkzeugteil und einem relativ hierzu bewegbaren zweiten Werkzeugteil, welche in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine formgebende Kavität bilden,
- – Positionieren des Anbindungselements in einer Aufnahme des ersten Werkzeugteils, wobei das Anbindungselement einen flächigen Sockelabschnitt und ein flächiges Faserelement umfasst, wobei das Faserelement auf einer ersten Oberfläche des Sockelabschnitts angeordnet ist und mindestens einen Verbindungsabschnitt umfasst, welcher über einen Rand des Sockelabschnitts übersteht, wobei die erste Oberfläche in Richtung des ersten Werkzeugteils ausgerichtet ist,
- – Anordnen eines Faserhalbzeugs zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil, und
- – Schließen des Presswerkzeugs und Pressen des Faserhalbzeugs zum Erzeugen des Faserverbundbauteils, wobei das Pressen ein Verbinden des mindestens einen Verbindungsabschnittes des Faserelements mit dem Faserhalbzeug zum Umschließen des Sockelabschnitts umfasst.
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Es wird also zunächst das Anbindungselement in das Presswerkzeug eingesetzt und dort in der hierfür (in dem ersten Werkzeugteil) vorgesehenen Aufnahme angeordnet. Im Folgenden wird zwar stets nur ein einziges Anbindungselement beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Schritt des Positionierens ebenso mehr als ein Anbindungselement sowie zusätzlich auch ein Positionieren eines oder mehrerer Anbindungselemente in eine oder mehrere Aufnahmen des zweiten Werkzeugteils auf gleiche Art und Weise umfassen kann.
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Das Anbindungselement wird derart ausgerichtet, dass dessen Sockelabschnitt mit seiner ersten Oberfläche, auf der auch das Faserelement angeordnet ist, dem ersten Werkzeugteil zugewandt ist. Dies bedeutet, dass eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche in Richtung des zweiten Werkzeugteils beziehungsweise in Richtung der Kavität weist. Entsprechend ist also das Faserelement zwischen dem Sockelabschnitt und dem ersten Werkzeugteil angeordnet.
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Die Positionierung des Anbindungselements in der Aufnahme bietet den großen Vorteil, dass dieses aufgrund der definierten Aufnahme exakt und reproduzierbar an das zu erzeugende Faserverbundbauteil anbringbar ist. Die Gefahr eines unbeabsichtigten Verrutschens beim Drapieren und Pressen des Faserhalbzeugs wird beseitigt. Dies ermöglicht im Gegensatz zu den bekannten Herstellungsverfahren die Einhaltung besonders hoher Toleranzanforderungen.
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Vor diesem Schritt des Positionierens, nach diesem oder zeitgleich zu diesem Schritt, kann das Faserhalbzeug zwischen die beiden Werkzeugteile in das Presswerkzeug eingelegt werden. Sofern hierbei das Faserhalbzeug auf das erste Werkzeugteil abgelegt wird, an dem auch das Anbindungselement platziert werden soll, muss dieser Schritt selbstverständlich vorher oder zumindest gleichzeitig erfolgen, um die Zugänglichkeit zu der Aufnahme zu gewährleisten.
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Das erste Werkzeugteil kann vorzugsweise von einem Oberwerkzeug und das zweite Werkzeugteil von einem Unterwerkzeug des Presswerkzeugs gebildet sein. Alternativ kann aber auch umgekehrt das erste Werkzeugteil als Unterwerkzeug und das zweite Werkzeugteil als Oberwerkzeug ausgeführt sein. Es versteht sich, dass in jedem Fall das erste und/oder das zweite Werkzeugteil jeweils aus einem oder aus mehreren Stücken gefertigt sein können.
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Beim anschließenden Pressen werden insbesondere der mindestens eine Verbindungsabschnitt mit dem Faserhalbzeug verpresst. Hierbei entsteht vorzugsweise eine stoffschlüssige Verbindung über eine Matrix, welche den Verbindungsabschnitt und das Faserhalbzeug miteinander verbindet und somit den Sockelabschnitt umschließt und in das spätere Faserverbundbauteil integriert.
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Vorzugsweise umfasst das Anbindungselement einen Anbindungsabschnitt, welcher sich von der ersten Oberfläche des Sockelabschnitts weg erstreckt. Dieser Anbindungsabschnitt dient zur Anbindung beziehungsweise zum Verbindung mit anderen Bauteilen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Anbindungsabschnitt mittig auf der ersten Oberfläche des Sockelabschnitts angeordnet und erstreckt sich senkrecht von dieser weg. Beispielsweise kann der Sockelabschnitt als Scheibe ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der Anbindungsabschnitt hierzu koaxial angeordnet ist. Darüber hinaus kann die Scheibe optional mit mehreren Durchbrüchen, also zum Beispiel als gelochte Scheibe, ausgeführt sein, durch welche die Matrix hindurchtreten kann und somit eine Verbindung mit dem Faserhalbzeug beziehungsweise dem Faserelement verbessert.
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Des Weiteren kann der Anbindungsabschnitt als zylinderförmiger Gewindebolzen ausgebildet sein. Dieser umfasst ein Außengewinde und eignet sich insbesondere zum Anschrauben weiterer Bauteile. Alternativ ist eine Ausgestaltung als Mutter, also mit einem Innengewinde, oder als Nietbolzen oder Steckbolzen möglich.
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Das Faserelement kann ein Gewebe, Geflecht, Gelege, Multiaxialgelege, Gesticke, Gewirke oder ein Vlies sein. Geeignete Fasermaterialien sind Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunststofffasern und/oder geeignete Naturfasern sowie alle beliebigen Kombinationen der genannten Materialien.
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Vorzugsweise weist das Faserelement eine Ausnehmung auf, durch welche der Anbindungsabschnitt hindurch erstreckt ist. Dies bedeutet, dass das Faserelement flächig auf der ersten Oberfläche des Sockelabschnitts angeordnet ist und die Ausnehmung an der Stelle vorgesehen ist, an welcher sich der Anbindungsabschnitt befindet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Faserelement plattenförmig, insbesondere mit rechteckiger Form, oder scheibenförmig, insbesondere mit kreisrunder oder ovaler Form, ausgebildet.
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Des Weiteren kann das Faserelement eine Länge aufweisen, die der 1,5 bis 20-fachen, vorzugsweise der 1,5 bis 10-fachen, Länge des Sockelabschnitts entspricht. Ein derartig dimensioniertes Faserelement stellt sicher, dass der mindestens eine über den Rand des Sockelabschnitts überhängende Verbindungsabschnitt eine ausreichende Länge aufweist, um haltbar – aber dennoch materialsparend – mit dem Faserhalbzeug verbunden zu werden. Als Länge des Faserelementes beziehungsweise des Sockelabschnitts ist dessen Erstreckung in mindestens einer beliebigen Richtung innerhalb der durch die jeweilige Fläche definierten Ebene zu verstehen, also beispielsweise die Länge oder Breite des plattenförmigen Faserelements oder ein Durchmesser des scheibenförmigen Faserelements.
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Weiterhin kann das Faserelement mit einem Binder oder einer Matrix beschichtet oder imprägniert sein. Dies ermöglicht ein Anhaften an dem Sockelelement für eine möglichst einfache Montage, sowie eine verbesserte Verbindung mit dem Faserhalbzeug.
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Das Verfahren kann entweder vor, während oder nach dem Schritt des Anordnens des Faserhalbzeugs ein Imprägnieren des Faserhalbzeugs mit einer Matrix, insbesondere ein Aufsprühen der Matrix oder ein Injizieren mit der Matrix, umfassen. Demnach kann das Faserhalbzeug also bereits in imprägniertem Zustand für den Schritt des Anordnens des Faserhalbzeugs verwendet werden. Alternativ ist es aber auch möglich die Matrix während des Schrittes des Anordnens aufzubringen.
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Wird die Matrix erst nach dem Anordnen eingebracht, kann eine Imprägnierung mit der Matrix beispielsweise bei geöffnetem Presswerkzeug durch Aufbringen auf das Faserhalbzeug erfolgen, oder bei geschlossenem Presswerkzeug in die Kavität injiziert werden.
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In den Fällen, in welchen die Matrix bereits vor dem Schließen des Presswerkzeugs eingebracht wird, kann die Matrix beim Verpressen dazu genutzt werden, das Faserelement zu tränken, indem die Matrix aus Richtung des Faserhalbzeugs in das Faserelement einströmt. Es wird somit über die Matrix eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Faserhalbzeug und dem Faserelement erzeugt.
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Wird dagegen die Matrix erst im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs in die Kavität des Presswerkzeugs injiziert, so werden das Faserhalbzeug und das Faserelement gemeinsam mit der Matrix infiltriert.
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Des Weiteren wird ein Presswerkzeug zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgestellt, mit einem ersten Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil, welche in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine Kavität zur formgebenden Aufnahme des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden, wobei das ersten Werkzeugteil eine Aufnahme umfasst, welche zum Aufnehmen des Anbindungselements ausgebildet ist.
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Optional kann die Aufnahme ein Haltemittel umfassen, insbesondere einen Magnethalter oder einen Vakuumhalter. Dies ermöglicht eine möglichst einfache, saubere und unkomplizierte Befestigung des Anbindungselements an dem ersten Werkzeugteil, die bei Bedarf ohne weiteres gelöst werden kann, beispielsweise um das erzeugte Faserverbundbauteil nach Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte aus dem Presswerkzeug zu entnehmen. Mit Hilfe dieser Haltemittel ist es insbesondere möglich, das Anbindungselement hängend zu positionieren, falls dieses im Oberwerkzeug des Presswerkzeugs angeordnet werden soll.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b eine schematische Darstellung eines Anbindungselements und seiner Komponenten zur Verwendung in einem Verfahren gemäß der Beschreibung, und
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2a, 2b, 2c, 2d eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrensablaufs des Verfahrens gemäß der Beschreibung.
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In 1a ist ein Anbindungselement 10 und in 1b dessen Komponenten zur Verwendung in einem Verfahren gemäß der Beschreibung dargestellt. Das Anbindungselement 10 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen flächigen Sockelabschnitt 11, welcher als Scheibe mit kreisrunder Form ausgeführt ist. Zusätzlich ist ein Anbindungsabschnitt 12 vorgesehen, welcher sich von einer Mitte einer ersten Oberfläche 11a des Sockelabschnitts 11 senkrecht weg erstreckt. Beispielsweise können der Sockelabschnitt 11 und der Anbindungsabschnitt 12 einstückig oder als zwei separate Elemente hergestellt sein, welche nachträglich miteinander verbunden werden, insbesondere durch Verkleben oder Verschweißen. Vorzugsweise kann der Anbindungsabschnitt 12 als zylinderförmiger Gewindebolzen ausgebildet sein, der koaxial an dem scheibenförmigen Sockelabschnitt 11 angeordnet ist und zur Verbindung mit anderen Bauteilen dient.
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Optional ist in dem Sockelabschnitt 11 eine Anzahl von Durchbrüchen 11b angeordnet, welche einen Fluss der Matrix und eine verbesserte Verbindung im verbauten Zustand ermöglichen.
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Des Weiteren umfasst das Anbindungselement 10 ein flächiges Faserelement 13, welches ebenfalls scheibenförmig mit kreisrunder Form ausgebildet und ebenfalls auf der ersten Oberfläche 11a des Sockelabschnitts 11 angeordnet ist sowie mit einem ringförmig umlaufenden Verbindungsabschnitt 13a über einen Rand des Sockelabschnitts 11 übersteht. Zusätzlich weist das Faserelement 13 eine Ausnehmung 13b auf, welche zentrisch in dem Faserelement 13 angeordnet ist und durch welches sich der Anbindungsabschnitt 12 im zusammengebauten Zustand hindurch erstreckt. Vorzugsweise ist das Faserelement 13 ein Gewebe, Geflecht, Gelege, Multiaxialgelege, Gestricke, Gewirke oder Vlies. Um eine ausreichende Größe des Verbindungsabschnitts 13a sicherzustellen, weist das Faserelement 13 vorzugsweise eine Länge L2 auf, die der 1,5 bis 20-fachen, vorzugsweise der 1,5 bis 10-fachen, Länge L1 des Sockelabschnitts 11 entspricht. Als jeweilige Länge L1, L2 ist im Falle der scheibenförmigen Komponenten jeweils deren äußerer Durchmesser zu verstehen.
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Optional kann das Faserelement 11 mit einem Binder oder einer Matrix beschichtet oder imprägniert sein.
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Zum Schutz des mit einem Gewinde versehenden Anbindungsabschnitts 12 kann dieser vor dem Einsetzen in die Aufnahme mit einem Gewindeschutz 14 versehen werden, welcher eine Verschmutzung des Gewindes unterbindet und nach Abschluss des Herstellungsverfahrens wieder entfernt werden kann.
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In den 2a, 2b, 2c und 2d ist ein beispielhafter Verfahrensablauf für das beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 30 mit integriertem Anbindungselement 10 dargestellt. Dieses sieht mindestens die folgenden Schritte vor:
Zunächst erfolgt ein Bereitstellen eines Presswerkzeugs 20 mit einem ersten Werkzeugteil 21, hier einem Unterwerkzeug, und einem relativ hierzu bewegbaren zweiten Werkzeugteil 22, welches als Oberwerkzeug ausgebildet ist. Beide Werkzeugteile 21, 22 bilden in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs 20 eine formgebende Kavität 24 aus. Das Presswerkzeug kann beispielsweise ein Nasspress-Werkzeug zur Durchführung des sogenannten Nasspress-Verfahrens sein.
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In das Unterwerkzeug 21 wird in 2a das in 1 beschriebene Anbindungselement 10 in einer Aufnahme 21a des ersten Werkzeugteils 21 positioniert. Die Aufnahme 21a kann optional ein Haltemittel (nicht dargestellt) umfassen, um das Anbindungselement 10 lösbar zu halten, wie beispielsweise einen Magnethalter oder einen Vakuumhalter.
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Das Anbindungselement 10 wird derart ausgerichtet, dass die erste Oberfläche 11a in Richtung des ersten Werkzeugteils 21 weist. Dies ermöglicht das Einsetzen des Anbindungsabschnitts 12 in eine entsprechende Ausnehmung der Aufnahme 21a. Zudem ist eine zweite Oberfläche 11b des Sockelabschnitts 11, die entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 11a angeordnet ist, in Richtung der Kavität 24 ausgerichtet und kann in Kontakt mit dem noch einzubringenden Faserhalbzeug 23 gebracht und mit diesem verbunden werden. Das Faserelement 13 des Anbindungselements 10 ist somit zwischen dem Sockelabschnitt 11 und dem ersten Werkzeugteil 21 angeordnet.
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Demensprechend erfolgt anschließend der in 2b dargestellte Verfahrensschritt zum Anordnen des Faserhalbzeugs 23 zwischen dem ersten 21 und dem zweiten Werkzeugteil 22. Der Sockelabschnitt 11 ist somit zwischen dem Faserelement 13 und dem Faserhalbzeug 23 positioniert. Das Faserhalbzeug 23 wird vorzugsweise in einem mit einer Matrix imprägnierten Zustand in das Werkzeug eingelegt.
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Durch Schließen des Presswerkzeugs 20 und Pressen des Faserhalbzeugs 23 wird gemäß 2c das Faserverbundbauteil 30 erzeugt, wobei das Pressen ein Verbinden des Verbindungsabschnittes 13a des Faserelements 13 mit dem Faserhalbzeug 23 bewirkt, wodurch der Sockelabschnitt 11 umschlossen und somit in dem auf diese Weise erzeugten Faserverbundbauteil 30 integriert wird. Aufgrund des Pressens kann ein Teil der Matrix aus dem imprägnierten Faserhalbzeug 23 austreten und das Faserelement 13 ebenfalls tränken. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Matrix eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Faserelement 13 und dem Faserhalbzeug 23 erzielt.
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Üblicherweise wird das Faserverbundbauteil 30 in dem Presswerkzeug 20 ganz oder teilweise ausgehärtet und anschließend aus dem Presswerkzeug entnommen (2d). Sofern vorgesehen, kann der Gewindeschutz 14 entfernt und/oder das Gewinde gereinigt werden.
