DE102015220073A1

DE102015220073A1 - Kontaktelement und Verfahren zum Herstellen einer Preform

Info

Publication number: DE102015220073A1
Application number: DE102015220073.6A
Authority: DE
Inventors: Ulf Henning NEUMANN
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Kontaktelement für eine oder in einer Schweiß- und/oder Umformvorrichtung, insbesondere zum Herstellen einer Preform, mit einem Kontaktkörper zum Einbringen von Energie in eine Wirkzone, wobei der Kontaktkörper unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte aufweist, die für unterschiedliche Oberflächengeometrien der Wirkzone ausgelegt sind. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Preform mittels eines solchen Kontaktelements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktelement für eine oder in einer Schweiß- und/oder Umformvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Preform.
Beim sogenannten Preformen von Faserverbundwerkstoffen wird ein Faservorformling, eine sogenannte Preform, hergestellt, welche bereits im Wesentlichen die Form eines daraus herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist. Dazu wird ein Fasermaterial vorstabilisiert.
Das Preformen beinhaltet, vor allem bei Mehrschichtverbunden, oftmals Kompaktierungsschritte zum Kompaktieren von Faserlagen. Dazu kann beispielsweise ein Ultraschallschweißwerkzeug, eine sogenannte Sonotrode, eingesetzt werden.
Obwohl auf vielfältige Schweiß- und/oder Umformanwendungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Sonotrode und ein Verfahren zum Herstellen einer Preform mittels einer solchen Sonotrode erläutert.
Besonders wirtschaftlich kann das Preformen in einem kontinuierlichen Prozess realisiert werden. Die EP 2 873 517 A1 beschreibt eine Stabilisierungsvorrichtung und ein Verfahren zum Stabilisieren von auf einem formgebenden Werkzeug gebildeten, ein Bindermaterial aufweisenden Faserlagen mittels einer oder mehrerer Sonotrode(n). Dabei kann eine Radialsonotrode zum Umschließen eines Kantenbereichs des formgebenden Werkzeugs vorgesehen sein, um eine kontinuierliche Verfestigung in Kantenbereichen der Faserlagen zu erzielen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Preform zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Ein Kontaktelement für eine Schweiß- und/oder Umformvorrichtung, insbesondere zum Herstellen einer Preform, mit einem Kontaktkörper zum Einbringen von Energie in eine Wirkzone, wobei der Kontaktkörper unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte aufweist, die für unterschiedliche Oberflächengeometrien der Wirkzone ausgelegt sind.
– Ein Verfahren zum Herstellen einer Preform, mit den Schritten: Bereitstellen einer ein Bindermaterial aufweisenden Faserlage; Einbringen von Energie in die Faserlage zum Umformen derselben mittels eines erfindungsgemäßen Kontaktelements.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Kontaktelement, das zum Einbringen von Energie in eine Wirkzone vorgesehen ist, mit unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten vorzusehen. Somit ist die Realisierung eines Herstellungsprozesses für unterschiedliche oder wechselnde Geometrien ohne Werkzeugwechsel ermöglicht.
Es kann sich um ein Kontaktelement für eine oder in einer Schweiß- und/oder Umformvorrichtung handeln.
Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Kontaktelement vorteilhaft Bauteile mit wechselnder Geometrie, insbesondere einer Dickenänderung ihres Profils, trotz der Geometrieänderung kontinuierlich bearbeitet werden. So können beispielsweise Preformen mit sich lokal änderndem Mehrschichtaufbau in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt werden.
Vorteilhaft wird somit erfindungsgemäß ein Einsatz des kontinuierlichen Preformens, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, auch für unebene Strukturen, die sich in ihrer Geometrie ändern, ermöglicht. Dies ist vorteilhaft werkzeugwechselfrei und mit hoher Flexibilität im Einsatz einzelner Kontaktelemente ermöglicht.
Mit der Einsparung von Werkzeugwechseln wird vorteilhaft die Taktzeit der Herstellung verringert. Ferner werden auch zusätzliche Werkzeuge eingespart, was vorteilhaft Investitionskosten für eine Fertigungsanlage reduziert. Darüber hinaus können aufgrund der hohen Flexibilität der Einsetzbarkeit erfindungsgemäßer Kontaktelemente auch unterschiedliche Teile, insbesondere unterschiedliche Preformen, beispielsweise mit unterschiedlichen Profildicken, ohne Umrüsten auf einem gleichen oder auf demselben Werkzeug gefertigt werden.
Insbesondere in der Luftfahrt sind optimierte Teile meist von komplexer Geometrie. Erfindungsgemäß können Abschnitte derartig optimierter Teile bzw. deren Preformen in einem kontinuierlichen Prozess mit hoher Wirtschaftlichkeit hergestellt werden. Beispielsweise können dabei Kanten von Bauteilen, die sich durch steigende Lagenzahlen bzw. lokale Aufdickungen ändern sowie Flächenübergänge mit nicht kontinuierlichen Radien in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess bearbeitet werden.
Erfindungsgemäß unterliegt das kontinuierliche Preformen mittels Ultraschallschweißen daher deutlich geringeren geometrischen Restriktionen. Profilkanten oder -formen können nun nicht mehr nur durch Sonotroden mit speziellem Profil für eine diskrete Bauteilform sondern flexibel und dennoch kontinuierlich abgebildet werden. So ist nicht mehr nur eine Kompaktierung ebener Bauteile oder von Bauteilen mit gleichbleibenden Profilkanten, sondern auch einer innerhalb der Preform veränderlichen Geometrie, insbesondere mit sich ändernden Radien, in kontinuierlicher Bearbeitung möglich.
Erfindungsgemäß sind somit beim Herstellen einer Preform, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, auch komplexe 3D-Strukturen abbildbar, da die geometrische Form des Kontaktelements sich veränderten Oberflächenstrukturen des Bauteils anpassen kann. Dies gilt insbesondere für Bereiche mit sich ändernden Krümmungsradien, wobei sowohl diskrete als auch kontinuierliche Änderungen erfindungsgemäß abgebildet werden können.
Ferner können erfindungsgemäß beim Preformen von Mehrschicht-Verbunden Kompaktierungszyklen angepasst an diskrete Lagenanzahlen stattfinden. Zudem können erfindungsgemäß Kantenradien, die bei Mehrschicht-Verbunden von Zyklus zu Zyklus immer größer werden, aufgrund der für unterschiedliche Oberflächengeometrien der Wirkzone unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte mit demselben Kontaktelement bearbeitet werden.
Unter einer Auslegung für unterschiedliche Oberflächengeometrien der Wirkzone ist dabei sowohl eine Auslegung zum Angriff an vor dem Bearbeiten unterschiedlichen Formen als auch eine Auslegung zum Herstellen einer der Auslegung entsprechenden Form der Wirkzone zu verstehen.
Unter einer Wirkzone ist eine Zone einer Energieeinbringung, insbesondere eine Schweiß- oder Fügezone, zu verstehen, in welcher das Kontaktelement eine Wirkung auf das bearbeitete Bauteil, insbesondere die Preform, ausübt.
Das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Kontaktelements ist nicht auf Ultraschallschweißen beschränkt. Vielmehr kann es auch für andere formgebende Schweißanwendungen, beispielsweise Heizelemente-Schweißen, eingesetzt werden. Ferner ist auch ein Einsatz des erfindungsgemäßen Kontaktelements zum Warmumformen oder zum Heißpressen denkbar.
Erfindungsgemäß werden Preformen für Faserverbundwerkstoffe hergestellt, welche bevorzugt aus Faserlagen mit Trockenfasern und einem Bindermaterial geformt werden. Eine Bindung wird in der Wirkzone durch thermische Aktivierung des Bindermaterials, beispielsweise interlaminarer Schichten eines Bindermaterials, die insbesondere Thermoplaste oder Epoxide enthalten, mittels des Kontaktelements hergestellt. Jedoch ist auch eine Bearbeitung von anderen Werkstoffen mittels des erfindungsgemäßen Kontaktelements möglich, beispielsweise von bereits infiltrierten Faserverbunden mit thermoplastischer Matrix oder von schweißbaren Kunststoffen. Darüber hinaus sind auch weitere Anwendungen für die Bearbeitung schweißbarer Werkstoffe denkbar.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Kontaktelement als Sonotrode ausgebildet. Der Kontaktkörper ist dabei vorgesehen und ausgebildet, Ultraschall-Energie in die Wirkzone einzubringen. Dazu ist der Kontaktkörper aus einem geeigneten Material, beispielsweise Titan oder hochlegiertem Stahl gefertigt. Ferner ist der Kontaktkörper hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens zur Übertragung von Ultraschall-Energie ausgelegt. Somit ist mit dem Kontaktelement ein Fasermaterial stabilisierbar. Eine Preform kann daher mittels Ultraschallschweißen im Bereich der Wirkzone geformt und somit hergestellt werden. Die Sonotrode braucht erfindungsgemäß vorteilhaft für die einzelnen Kompaktierungszyklen oder für unterschiedliche Radien einer Preform nicht gewechselt zu werden. Stattdessen wird ein für den jeweiligen Kompaktierungsschritt oder den jeweiligen Radius passender Arbeitsflächenabschnitt des Kontaktkörpers angelegt.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte unterschiedliche Ausrichtungen an dem Kontaktkörper auf. Vorteilhaft kann somit auf einfache Weise durch Änderung der Ausrichtung des Kontaktelements eine Änderung des in der Wirkzone anliegenden Arbeitsflächenabschnitts des Kontaktkörpers vorgenommen werden. Vorteilhaft ist daher eine flexible, schnelle und insbesondere unterbrechungsfreie Anpassung des Kontaktelements, beispielsweise an eine veränderte Oberflächengeometrie der Wirkzone, ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kontaktkörper zumindest abschnittsweise eine zylinderförmige Gestalt auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Kontaktkörper zumindest abschnittsweise auch eine prismenförmige Gestalt aufweisen. Insbesondere kann es sich bei einer abschnittsweise zylinderförmigen Gestalt um einen Halbkreiszylinderabschnitt und/oder bei einer abschnittsweise prismenförmigen Gestalt um einen Quaderabschnitt des Kontaktkörpers handeln. Der Halbkreiszylinderabschnitt und der Quaderabschnitt können dabei integral miteinander ausgebildet sein. Die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte sind dabei zumindest teilweise an einer Mantelfläche der zylinderförmigen und/oder prismenförmigen Gestalt angeordnet. Somit kann auf einfache Weise durch ein Drehen des Kontaktelements um eine Hauptachse des Kontaktkörpers ein unterschiedlich geformter Arbeitsflächenabschnitt in der Wirkzone eingesetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung sind die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte entlang der Mantelfläche aneinander angrenzend angeordnet. Somit genügt vorteilhaft lediglich ein Abgleiten des Kontaktelements oder eine Rotation um dessen Hauptachse, um einen unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitt in der Wirkzone vorzusehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält eine Grundfläche der zylinderförmigen und/oder prismenförmigen Gestalt ein Kreissegment. Beispielsweise beschreibt das Kreissegment einen Öffnungswinkel von 180°. In diesem Fall weist das Kontaktelement entsprechend einen Halbkreiszylinderabschnitt auf. Auch andere Öffnungswinkel des Kreissegments sind möglich, beispielsweise im Bereich von 30° bis 270°, vorzugsweise von 90° bis 180°. Vorteilhaft kann somit durch Abgleiten des Kontaktelements auf der Mantelfläche oder durch Rotation des Kontaktelements um eine Achse durch den Kreismittelpunkt eine kontinuierliche Änderung des in der Wirkzone anliegenden bzw. wirksamen Arbeitsflächenabschnitts erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist an den unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten eine Nut vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann in gleicher Weise auch ein Fortsatz vorgesehen sein. Eine Geometrie der Nut und/oder des Fortsatzes ist an den unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten unterschiedlich ausgebildet. Somit wird eine veränderliche Geometrie bereitgestellt, wobei die Nut und/oder der Fortsatz insbesondere eine Negativform einer in die Wirkzone einzuprägenden Geometrie darstellen. Beispielsweise weist die Nut an einem Arbeitsflächenabschnitt die Geometrie einer herzustellenden Kante auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Geometrie der Nut und/oder des Fortsatzes ist in der Art eines Polygons bzw. Vielecks von Arbeitsflächenabschnitt zu Arbeitsflächenabschnitt diskret geändert ausgebildet. Somit kann auf einfache Weise durch Ansetzen der unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte zwischen diskret unterschiedlichen Geometrien der Arbeitsflächenabschnitte gewechselt werden. Denkbar ist auch eine quasikontinuierliche Ausführung, wobei eine hohe Anzahl von Ecken und eine Änderung der Geometrie in kleinen Schritten vorgesehen ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Nut als Rundnut ausgebildet, deren Radius und/oder Tiefe von Arbeitsflächenabschnitt zu Arbeitsflächenabschnitt diskret geändert ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise bei Kanten von Bauteilen, die sich durch steigende Lagenzahlen ändern, durch Ansetzen eines passenden Arbeitsflächenabschnitts stets eine an die lokale Lagenanzahl angepasste Rundnutgeometrie zur Kantenbearbeitung bereitgestellt werden. Vorzugsweise sind die Unterschiede der Geometrie der Rundnut auf die unterschiedlichen Lagenanzahlen abgestimmt. Ferner können bei einer Bearbeitung mit mehreren Zyklen Kantenradien, die bei Mehrschicht-Verbunden von Zyklus zu Zyklus immer größer werden, ohne Umrüsten mit demselben Kontaktelement bearbeitet werden. In diesem Fall sind vorzugsweise die Unterschiede der Geometrie der Rundnut auf die unterschiedlichen Kantenradien abgestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform gehen die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte kontinuierlich ineinander über. Dementsprechend ist die Geometrie der Nut und/oder des Fortsatzes sich kontinuierlich ändernd ausgebildet. Somit kann vorteilhaft auf einfache Weise stufenlos die Geometrie des Arbeitsflächenabschnitts eingestellt werden. Besonders vorteilhaft braucht ein kontinuierlicher Herstellungsprozess dazu nicht unterbrochen werden sondern kann während des Einstellens ununterbrochen weiterlaufen. Realisiert wird eine derartige Ausführungsform beispielsweise durch eine sich kontinuierlich ändernde Profilfräsung in dem Kontaktkörper.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Nut als Rundnut ausgebildet, deren Radius und/oder Tiefe sich kontinuierlich ändert. Somit kann beispielsweise bei Kanten von Bauteilen, die sich durch steigende Lagenzahlen ändern, stets eine zur Kantenbearbeitung an die lokale Lagenanzahl angepasste Rundnutgeometrie in einem kontinuierlichen Prozess stufenlos bereitgestellt werden. Ferner können bei einer Bearbeitung mit mehreren Zyklen Kantenradien, die bei Mehrschicht-Verbunden von Zyklus zu Zyklus immer größer werden, ohne Umrüsten mit demselben Kontaktelement bearbeitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Preform sind mehrere Bearbeitungsschritte zum Herstellen der Preform vorgesehen. Bei jedem Arbeitsschritt wird ein an den jeweiligen Arbeitsschritt angepasst unterschiedlich geformter Arbeitsflächenabschnitt eingesetzt. Vorteilhaft ist somit stets eine für den jeweiligen Bearbeitungsschritt ausgelegte Arbeitsfläche bereitgestellt, ohne dass es dazu eines Werkzeugwechsels oder einer Umrüstung bedarf.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Preform wird die Preform kontinuierlich hergestellt. Während der Herstellung werden dabei kontinuierlich unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte eingesetzt, um in Wirkverbindung mit unterschiedlichen Abschnitten der Faserlage zu gelangen und der Faserlage eine sich kontinuierlich ändernde Oberflächengeometrie zu verleihen. Vorzugsweise sind dazu die Arbeitsflächenabschnitte mit sich kontinuierlich ändernder Form ausgebildet. Denkbar wäre auch eine quasikontinuierliche Änderung, das heißt eine diskrete Änderung der mit einer Vielzahl von kleinen Änderungsschritten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird zum Einsetzen unterschiedlicher Arbeitsflächenabschnitte die Ausrichtung, des Kontaktelements verändert. Insbesondere wird der Prozesswinkel, das heißt ein Anstellwinkel des Kontaktelements relativ zur Bauteiloberfläche, verändert. Dies kann angepasst an eine lokal unterschiedliche Ausrichtung der Bauteiloberfläche vorgesehen sein. Vorteilhaft steht somit durch die Einstellung der Ausrichtung stets eine gewünschte Arbeitsflächengeometrie zur Verfügung.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind die Merkmale des Kontaktelements mit dem Verfahren zur Herstellung einer Preform kombinierbar, und umgekehrt.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Kontaktelements;
2 einen schematischen Verlauf einer Arbeitsflächengeometrie;
3 einen schematischen Verlauf einer Arbeitsflächengeometrie gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 eine Vorderansicht einer Schweißvorrichtung bei der Bearbeitung einer Kante einer Preform;
5A–5C eine Vorderansicht der Schweißvorrichtung gemäß 4 in unterschiedlichen Stadien der Bearbeitung der Kante; und
6 eine perspektivische Darstellung einer Preform mit sich kontinuierlich ändernder Geometrie.
Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnung. Die Elemente der Zeichnung sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kontaktelements 1.
Das Kontaktelement 1 ist als Sonotrode ausgebildet. Dementsprechend ist der Kontaktkörper 2 vorgesehen und ausgebildet, Ultraschall-Energie in eine Wirkzone einzubringen.
Das Kontaktelement 1 ist mit einem Kontaktkörper 2 gebildet, welcher abschnittsweise eine zylinderförmige Gestalt und abschnittsweise eine prismenförmige Gestalt aufweist.
Eine Grundfläche 6 der zylinderförmigen Gestalt ist mit einem Kreissegment 14, welches als Halbkreis vorgesehen ist, gebildet. Ein Abschnitt des Kontaktkörpers 2 ist somit als Halbkreiszylinderabschnitt gebildet.
Im Bereich einer Mantelfläche 5 der zylinderförmigen Gestalt sind unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' vorgesehen. Die unterschiedlichen Geometrien der Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' sind mit einer sich kontinuierlich entlang der Mantelfläche 5 verändernden Nut 7 realisiert, welche als Rundnut ausgebildet ist. Die Nut 7 vergrößert ihren Radius und ihre Tiefe kontinuierlich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Mantelfläche 5 des mit einem Halbkreis 14 als Grundfläche 6 gebildeten Halbkreiszylinderabschnitts.
An dem ersten Ende ist die Nut 7 somit mit einem vergleichsweise kleinen Radius von beispielsweise 15 mm bemessen, während der Radius an dem zweiten Ende vergleichsweise groß vorgesehen ist, beispielsweise 40 mm beträgt. Eine derartige Dimensionierung der Nut entspricht einer geeigneten Auslegung zum Bearbeiten von Kanten einer Preform.
Eine Grundfläche der prismenförmigen Gestalt ist mit einem Rechteck gebildet. Eine Kantenlänge des Rechtecks entspricht dabei dem Durchmesser des Halbkreises. Der Bereich des mit einem Rechteck als Grundfläche gebildeten Abschnitts der prismenförmigen Gestalt stellt somit einen Quaderabschnitt dar.
Im Bereich des Quaderabschnitts ist die Nut 7 an den Stirnseiten jeweils ausgehend von dem ersten und zweiten Ende der Mantelfläche 5 des Halbkreiszylinderabschnitts mit konstanter Tiefe und konstantem Radius fortgesetzt.
An einem den Arbeitsflächenabschnitten 3, 3', 3'' abgewandten Ende des Kontaktelements 1 ist im Bereich des Quaderabschnitts ein Montageabschnitt 13 zum Anbringen des Kontaktelements 1 an einen Ultraschallgenerator 12 vorgesehen.
Ausgehend von einer relativ zu einem hier nicht dargestellten Bauteil senkrechten Stellung des Kontaktelements 1, in welcher ein mittiger Abschnitt der Mantelfläche 5 in einer Wirkzone 4 anliegt, lassen sich entlang der Mantelfläche 5 stufenlos unterschiedliche Oberflächengeometrielinien eines Arbeitsflächenabschnitts zwischen dem ersten und zweiten Ende der Mantelfläche 5 abbilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann daher durch Einstellen eines Prozesswinkels α von > 0° bis < 180° des Kontaktelements 1 eine unterschiedliche Arbeitsflächengeometrie eingestellt werden. Somit wird in dem Prozesswinkelbereich zwischen > 0° und < 180° eine kontinuierliche Funktionsänderung der Arbeitsfläche bereitgestellt. Der Prozesswinkel α stellt dabei eine Funktion des Radius und der Tiefe der Nut 7 dar.
Mit zunehmender Ablenkung aus einer senkrechten Stellung (α = 90°) findet eine Abschwächung einer über den Montageabschnitt 13 auf den Kontaktkörper 2 übertragenen Ultraschall-Amplitude statt. Die Amplitude kann dann durch eine Parameteranpassung am Ultraschallgenerator 9 angepasst werden, so dass ein homogener Energieeintrag unabhängig von dem eingestellten Prozesswinkel α möglich ist.
2 zeigt einen schematischen Verlauf einer Arbeitsflächengeometrie.
Die Arbeitsfläche setzt sich aus der Mantelfläche 5 und der darin eingebrachten Nut 7 zusammen. Schematisch dargestellt ist der Verlauf der Tiefe der Nut 7 innerhalb des Halbkreiszylinderabschnitts des Kontaktkörpers 2, wobei ein tiefster Punkt des Nutgrundes der Nut 7 in seinem Verlauf entlang der Mantelfläche 5 eingezeichnet ist.
Die Nut 7 weist an einem ersten hier links dargestellten Ende eine kleinste Tiefe und an einem zweiten hier rechts dargestellten Ende eine größte Tiefe auf. Zwischen den beiden Enden vergrößert sich die Tiefe kontinuierlich. Der Nutgrund weist entlang dem Umfang der Mantelfläche 5 entsprechend eine von der Krümmung der Mantelfläche 5 abweichende Krümmung auf.
Somit werden entlang der Mantelfläche 5 unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' bereitgestellt, die im Querschnitt unterschiedliche Oberflächengeometrielinien aufweisen. Dargestellt ist eine senkrechte Stellung des Kontaktkörpers, wobei der Prozesswinkel α = 90° beträgt. Dabei ist der mittig an der Mantelfläche 5 vorgesehene Arbeitsflächenabschnitt 3 in einer schematisch angedeuteten Wirkfläche 4 wirksam.
Ein Verschwenken des Kontaktelements 1 im Bereich 0 < α < 180° führt zum Anliegen eines anderen wirksamen Arbeitsflächenabschnitts 3' oder 3'' in der Wirkzone, welcher eine andere Geometrie der Nut 7 aufweist.
Realisiert wird eine derartige Ausführung mit sich entlang der Mantelfläche 5 kontinuierlich ändernder Geometrie der Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' vorzugsweise durch eine sich entlang der Mantelfläche 5 auf deren runder Kontur kontinuierlich ändernde Profilfräsung.
3 zeigt einen schematischen Verlauf einer Arbeitsflächengeometrie gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 sind hier sich in diskreten Schritten ändernde Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' vorgesehen. Dazu ist die Geometrie der Nut 7 in der Art eines Polygons bzw. Vielecks von Arbeitsflächenabschnitt 3 zu Arbeitsflächenabschnitt 3' oder 3'' diskret geändert, das heißt mit unterschiedlicher Tiefe ausgebildet. Ferner ist der Nutgrund abschnittsweise jeweils gerade ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Nut 7 auch bei dieser Ausführungsform als Rundnut ausgebildet. Dementsprechend ändert sich zusätzlich zur Tiefe auch der Radius der Nut 7 von Arbeitsflächenabschnitt 3 zu Arbeitsflächenabschnitt 3' oder 3''. Je nach Prozesswinkel α liegt somit einer der diskret unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'' in der Wirkzone 4 an.
Realisiert wird eine derartige Ausführung, bei der sich der Radius und die Tiefe der Nut 7 in diskreten Schritten ändern, durch eine unstete, abschnittsweise jeweils gerade Fräsung der Nut 7. So entstehen ebene Abschnitte der Nut 7, welche entlang einer gestrichelt eingezeichnete Kreisbahn schrittweise im Anschluss aneinander jeweils kreissehnenartig verlaufen.
Der schematische Verlauf der Nut 7 bildet somit ein Polygon mit einer Anzahl von n Ecken, wobei (n – 1) unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte 3, 3', 3'', etc. bereitgestellt werden. Eine derartige Ausführung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn eine vergrößerte Auflagefläche für eine bestimmte Profillänge des zu bearbeitenden Bauteils benötigt wird.
4 zeigt eine Vorderansicht einer Schweißvorrichtung 9 bei der Bearbeitung einer Kante einer Preform.
Die Preform ist aus einem Fasergelege 8 mit mehreren Faserlagen 8A, 8B, 8C aufgebaut.
In der Verarbeitung werden die Faserlagen 8A, 8B, 8C angepasst an die lokale diskrete Schichtanzahl kompaktiert und verbunden. Die Bindung wird durch thermische Aktivierung interlaminarer Schichten eines Bindermaterials, wie beispielsweise Thermoplaste oder Epoxide, hergestellt.
Das hier dargestellte Fasergelege 8 umfasst einen Mehrschichtverbund mit beispielhaft drei Faserlagen 8A, 8B, 8C, und weist ferner ein nicht einzeln dargestelltes schmelzbares Bindermaterial auf. Sofern es sich um abgesetzte Faserlagen handelt, kann sich die Anzahl der Faserlagen lokal, beispielsweise entlang der Längsrichtung des Fasergeleges 8, welche in die Zeichenebene hinein verläuft, erhöhen. Alternativ kann es sich um durchgehende Faserlagen handeln.
Das Fasergelege 8 ist auf einem Formgebungswerkzeug 11 positioniert. Zum Herstellen einer Preform bzw. zum sogenannten Preformen des Fasergeleges 8 wird das Fasergelege 8 mit der Schweißvorrichtung 9 bearbeitet.
Die Schweißvorrichtung 9 umfasst das als Sonotrode ausgebildete Kontaktelement 1 sowie einen Ultraschallgenerator 12, der über den Montageabschnitt 13 mit dem Kontaktelement 1 gekoppelt ist. Die Schweißvorrichtung 9 ist dementsprechend als Ultraschall-Schweißvorrichtung ausgebildet.
Die Schweißvorrichtung 9 ist zum Preformen der durch das Formgebungswerkzeug 11 vorgegebenen Kante, d. h. zum Kompaktieren von Faserlagen im Bereich der Kante, vorgesehen. Der Bereich der Kante bildet hier somit eine Wirkzone 4, in welche die Schweißvorrichtung 9 mittels des Kontaktelements 1 Ultraschall-Energie in das Bauteil einbringt.
Das Kontaktelement 1 überfährt im Herstellungsprozess der Preform die Kante entlang der Längsrichtung x des Fasergeleges 8 mit einem vorbestimmten Schweißdruck auf die Wirkzone 4 sowie mit einer konstanten Geschwindigkeit und einer konstanten Ultraschall-Schwingungsamplitude. Parallel können die an die Kante angrenzenden geraden Flächen des Fasergeleges 8 von einer weiteren nicht dargestellten geraden Sonotrode kompaktiert werden.
Im Falle abgesetzter Faserlagen ändert sich aufgrund der sich entlang der Längsrichtung aufbauenden Faserlagen 8A, 8B, 8C der äußere Radius des Fasergeleges 8 im Bereich der Wirkzone 4 über die Längsrichtung x. Somit muss der Radius der Nut 7 des wirksamen Arbeitsflächenabschnitts des Kontaktelements 1 über die Längsrichtung x des Fasergeleges 8 angepasst werden.
Im Falle durchgehender Faserlagen 8A, 8B, 8C bleibt der Radius entlang der Längsrichtung des Bauteils zwar konstant, jedoch sind mehrere Kompaktierungsschritte erforderlich. Bei jedem Kompaktierungsschritt wird dann wiederum ein unterschiedlicher Radius benötigt, sodass der Radius der Nut 7 des wirksamen Arbeitsflächenabschnitts des Kontaktelements 1 bei jedem Kompaktierungsschritt angepasst werden muss.
5A–5C zeigt eine Vorderansicht einer Schweißvorrichtung gemäß 4 in unterschiedlichen Stadien der Bearbeitung der Kante.
In dem in 5A gezeigten Bereich der herzustellenden Preform weist das Fasergelege 8 im Falle abgesetzter Faserlagen beispielsweise eine erste Faserlage 8A auf. Ein äußerer Radius R1 dieser ersten Faserlage 8A ist dann vorgegeben durch den Radius RT des Umformwerkzeugs 11 sowie die Dicke der ersten Faserlage 8A.
Zum Kompaktieren dieses Bereichs wird eine erste an den Radius R1 angepasste Geometrie des Arbeitsflächenabschnitts 3' benötigt, bei welcher die Nut 7 einen dem Radius R1 entsprechenden Radius und eine korrespondierende Tiefe aufweist. Diese Geometrie wird durch Einstellen eines passenden Prozesswinkels α1 des Kontaktelements 1 bereitgestellt, bei welchem die Nut 7 einen entsprechenden Radius R1 in der Wirkzone 4 aufweist. Im dargestellten Beispiel beträgt α1 < 90°.
In dem in 5B gezeigten Bereich der herzustellenden Preform weist das Fasergelege 8 eine erste Faserlage 8A und eine zweite Faserlage 8B auf. Ein äußerer Radius R2 des Fasergeleges 8 ist in diesem Bereich vorgegeben durch den Radius RT des Umformwerkzeugs 11 sowie der gemeinsamen Dicke der ersten und zweiten Faserlagen 8A, 8B.
Zum Kompaktieren dieses Bereichs wird daher eine zweite an den Radius R2 angepasste Geometrie des Arbeitsflächenabschnitts 3 benötigt, bei welcher die Nut 7 einen dem Radius R2 entsprechenden Radius und eine korrespondierende Tiefe aufweist. Diese Geometrie wird durch Einstellen eines passenden Prozesswinkels α2 des Kontaktelements 1 bereitgestellt, bei welchem die Nut 7 einen entsprechenden Radius R2 in der Wirkzone 4 aufweist. Im dargestellten Beispiel beträgt α2 = 90°.
In dem in 5C gezeigten Bereich der herzustellenden Preform weist das Fasergelege 8 eine erste Faserlage 8A, eine zweite Faserlage 8B und eine dritte Faserlage 8C auf. Ein äußerer Radius R3 des Fasergeleges 8 ist in diesem Bereich vorgegeben durch den Radius RT des Umformwerkzeugs 11 sowie der gemeinsamen Dicke der ersten, zweiten und dritten Faserlagen 8A, 8B, 8C.
Zum Kompaktieren dieses Bereichs wird daher eine dritte an den Radius R3 angepasste Geometrie des Arbeitsflächenabschnitts 3'' benötigt, bei welcher die Nut 7 einen dem Radius R3 entsprechenden Radius und eine korrespondierende Tiefe aufweist. Diese Geometrie wird durch Einstellen eines passenden Prozesswinkels α3 des Kontaktelements 1 bereitgestellt, bei welchem die Nut 7 einen entsprechenden Radius R3 in der Wirkzone 4 aufweist. Im dargestellten Beispiel beträgt α3 > 90°.
Somit wird bei steigender Lagenanzahl dementsprechend auch der Radius der Nut 7 durch Verändern des Prozesswinkels α bzw. durch entsprechendes Anstellen des Kontaktelements 1 angepasst. Im dargestellten Beispiel ist R1 < R2 < R3 und α1 < α2 < α3.
Das Verändern des Prozesswinkels α geschieht dabei in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren, d. h. ohne ein Absetzen des Kontaktelements 1 von der Wirkzone 4 und ohne eine Unterbrechung der Energiezufuhr von dem Ultraschallgenerator 12 auf das Kontaktelement 1 und vom Kontaktkörper 2 des Kontaktelements 1 auf die Wirkzone 4.
Alternativ kann es sich bei dem in den 5A bis 5C gezeigten Zuständen auch um Stadien eines Kompaktierungsvorgangs eines Fasergeleges 8 mit durchgehenden Faserlagen 8A, 8B, 8C handeln, wobei beispielhaft drei aufeinander folgende Kompaktierungsschritte vorgesehen sind, sodass die Kante dreimal nacheinander bearbeitet wird.
In diesem Fall würde ein erster Kompaktierungsschritt den größten Radius R3 benötigen, wozu die dritte an den Radius R3 angepasste Geometrie des Arbeitsflächenabschnitts 3'', wie in 5c gezeigt, durch Einstellen des Prozesswinkels α3 eingesetzt wird.
Bei einem zweiten Kompaktierungsschritt wäre das Fasergelege 8 bereits vorkompaktiert, sodass es eine geringere Dicke aufweist und der mittlere Radius R2 durch Einstellen des Prozesswinkels α2 verwendet wird.
Bei einem dritten, hier beispielsweise finalen, Kompaktierungsschritt würde es sich dann um ein bereits stark vorkompaktiertes Fasergelege 8 mit bereits geringer Dicke handeln, sodass der Radius R1 durch Einstellen des Prozesswinkels α1 verwendet werden kann.
Neben der Anpassung des Prozesswinkels α wird vorzugsweise stets auch eine Korrektur der Schwingungsamplitude des Ultraschallgenerators 12 und der Schweißkraft abhängig vom Prozesswinkel α vorgenommen. Somit kann ein jeweils ein an den Kompaktierungsschritt oder ein an die lokale Anzahl der Faserlagen angepasster Energieeintrag erfolgen.
Als weitere Anwendung kann das Kontaktelement 1 auch zur Realisierung von sich kontinuierlich ändernden Geometrien eines Bauteils eingesetzt werden.
6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Preform 10 mit sich kontinuierlich ändernder Geometrie.
Zur Herstellung einer derartigen Preform 10 wird innerhalb eines Herstellungszyklus der Prozesswinkel α des Kontaktelements 1 im Vorschubprozess, vorzugsweise entlang der Längsrichtung des Bauteils, kontinuierlich angepasst. Somit wird durch das Kontaktelement 1 in einer Wirkzone 4 stets die lokal gewünschte Geometrie abgebildet.
Neben der Anpassung des Prozesswinkels α wird auch hier eine Korrektur der Schwingungsamplitude des Ultraschallgenerators und der Schweißkraft abhängig vom Prozesswinkel vorgenommen. Vorzugsweise erfolgt so in diesem Fall ein homogener Energieeintrag unabhängig von dem eingestellten Prozesswinkel α.
Die Rückseite der Preform kann mit einem festen entsprechend geformten Werkzeug definiert sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Zusätzlich zu den Arbeitsflächenabschnitten 3, 3', 3'' ist eine Vielzahl weiterer Arbeitsflächenabschnitte vorgesehen, die zur besseren Übersichtlichkeit nicht einzeln bezeichnet sind.
Alternativ zu einem festen Werkzeug zum Formen der Rückseite der Preform 10 in einem kontinuierlichen Prozess mit sich kontinuierlich ändernder Geometrie wäre es auch denkbar, eine zweites Kontaktelement mit einer die Rückseite kontinuierlich abbildenden Form vorzusehen. In diesem Fall weist das zweite Kontaktelement anstatt der Nut 7 einen entsprechend geformten Fortsatz auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Kontaktelement können unterschiedlichste Materialen bearbeitet werden, beispielsweise neben den in 4 und 5A–C gezeigten Faserlagen, die Trockenfasern mit einem Bindermaterial enthalten, auch bereits infiltrierte Faserverbunde mit thermoplastischer Matrix oder auch reine Kunststoffe.
Neben dem Preformen ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Kontaktelements 1 für unterschiedlichste kontinuierliche Schweißprozesse und/oder Umformprozesse denkbar.
Neben dem gezeigten Kontaktelement mit Halbzylinderabschnitt, dessen Mantelfläche eine Krümmung aufweist, wobei die Schweißrichtung tangential zur Krümmung orientiert ist, sind auch andere Formen des Kontaktelements denkbar. Beispielsweise kann auch ein ebenes Kontaktelement mit im Bereich der Ebene unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten vorgesehen sein. Damit sind beispielsweise nicht planare, einseitig gekrümmte Bauteile je nach Krümmung mit unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten bearbeitbar.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktelement
2: Kontaktkörper
3, 3', 3'': Arbeitsflächenabschnitte
4: Wirkzone
5: Mantelfläche
6: Grundfläche
7: Nut
8: Fasergelege
8A, 8B, 8C: Faserlage
9: Schweiß- und/oder Umformvorrichtung
10: Preform
11: Werkzeug
12: Ultraschall-Generator
13: Montageabschnitt
14: Kreissegment bzw. Halbkreis
R1; R2; R3: Radius
α1; α2; α3: Prozesswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2873517 A1 [0005]

Claims

Kontaktelement (1) für eine Schweiß- und/oder Umformvorrichtung (9), insbesondere zum Herstellen einer Preform (10), mit: einem Kontaktkörper (2) zum Einbringen von Energie in eine Wirkzone (4); wobei der Kontaktkörper (2) unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') aufweist, die für unterschiedliche Oberflächengeometrien der Wirkzone (4) ausgelegt sind.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (1) als Sonotrode ausgebildet ist, wobei der Kontaktkörper (2) vorgesehen und ausgebildet ist, Ultraschall-Energie in die Wirkzone (4) einzubringen.
Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') unterschiedliche Ausrichtungen an dem Kontaktkörper (2) aufweisen.
Kontaktelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (2) zumindest abschnittsweise eine zylinderförmige und/oder prismenförmige Gestalt aufweist, wobei die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') zumindest teilweise an einer Mantelfläche (5) der zylinderförmigen und/oder prismenförmigen Gestalt angeordnet sind.
Kontaktelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') entlang der Mantelfläche (5) aneinander angrenzend angeordnet sind.
Kontaktelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundfläche (6) der zylinderförmigen und/oder prismenförmigen Gestalt ein Kreissegment (14) enthält.
Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten (3, 3', 3'') eine Nut (7) und/oder ein Fortsatz vorgesehen ist, wobei eine Geometrie der Nut (7) und/oder des Fortsatzes an den unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitten (3, 3', 3'') unterschiedlich ausgebildet ist.
Kontaktelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Nut (7) und/oder des Fortsatzes in der Art eines Polygons von Arbeitsflächenabschnitt (3) zu Arbeitsflächenabschnitt (3'; 3'') diskret geändert ausgebildet ist.
Kontaktelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) als Rundnut ausgebildet ist, deren Radius und/oder Tiefe von Arbeitsflächenabschnitt (3) zu Arbeitsflächenabschnitt (3'; 3'') diskret geändert ausgebildet ist.
Kontaktelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich geformten Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') kontinuierlich ineinander übergehen und die Geometrie der Nut (7) und/oder des Fortsatzes sich kontinuierlich ändernd ausgebildet ist.
Kontaktelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) als Rundnut ausgebildet ist, deren Radius und/oder Tiefe sich kontinuierlich ändert.
Verfahren zum Herstellen einer Preform (10), mit den Schritten: Bereitstellen einer ein Bindermaterial aufweisenden Faserlage (8; 8A, 8B, 8C); und Einbringen von Energie in die Faserlage (8; 8A, 8B, 8C) zum Umformen derselben mittels eines Kontaktelements (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bearbeitungsschritte zum Herstellen der Preform (10) vorgesehen sind und bei jedem Arbeitsschritt ein an den jeweiligen Arbeitsschritt angepasst unterschiedlich geformter Arbeitsflächenabschnitt (3; 3', 3'') des Kontaktelements (1) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform (10) kontinuierlich hergestellt wird und während der Herstellung kontinuierlich unterschiedlich geformte Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') des Kontaktelements (1) eingesetzt werden, um in Wirkverbindung mit unterschiedlichen Abschnitten der Faserlage (8; 8A, 8B, 8C) zu gelangen und der Faserlage (8; 8A, 8B, 8C) eine sich kontinuierlich ändernde Oberflächengeometrie zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsetzen unterschiedlicher Arbeitsflächenabschnitte (3, 3', 3'') die Ausrichtung, insbesondere der Prozesswinkel (α1; α2; α3), des Kontaktelements (1) verändert wird.