DE102016012534A1

DE102016012534A1 - System und Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102016012534A1
Application number: DE102016012534.9A
Authority: DE
Inventors: Niklas Minsch; Matthias Müller; Furkan Güzelkücük
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zur Herstellung von Bauteilen (25) aus faserverstärktem Kunststoff, mit wenigstens einer Positionierplatte (3), die eine Mehrzahl von Anbindungsstellen zum lösbaren Befestigen von Umlenkelementen (5) an der Positionierplatte (3) aufweist; einer Mehrzahl von Umlenkelementen (5), und mit einer Mehrzahl von Stützelementen (7), wobei die Umlenkelemente (5) eingerichtet sind, um an der Positionierplatte (3), und/oder an den Stützelementen (7), und/oder aneinander befestigt zu werden, wobei die Stützelemente (7) eingerichtet sind, um an der Positionierplatte (3), und/oder an den Umlenkelementen (5), und/oder aneinander befestigt zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 019 080 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils bekannt, bei welchem eine erste Strukturkomponente durch Umwickeln einer Mehrzahl von Wickeldornen an einem äußeren Umfang der Wickeldorne in einem Nasswickelverfahren hergestellt wird, wobei wenigstens eine zweite Strukturkomponente hergestellt wird, und wobei die erste Strukturkomponente und die wenigstens eine zweite Strukturkomponente zu einer übergeordneten Struktur angeordnet werden, wobei das Strukturbauteil durch Fixieren der Strukturkomponenten relativ zueinander hergestellt wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 001 056 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, bei welchem auf einem Träger an einer Mehrzahl von Befestigungsstellen Umlenkelemente befestigt werden, wobei eine Faser um die an den jeweiligen Befestigungsstellen befestigten Umlenkelemente gewickelt wird. Die Verfahren sind insbesondere in Hinblick auf die Möglichkeit, in einfacher Weise auch komplexe Strukturbauteile mit möglichst beliebiger Geometrie herzustellen, verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein System zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff geschaffen wird, welches wenigstens eine Positionierplatte aufweist, an der eine Mehrzahl von Anbindungsstellen zum lösbaren Befestigen von Umlenkelementen und/oder Stützelementen an der Positionierplatte angeordnet und/oder ausgebildet sind. Das System weist außerdem eine Mehrzahl von Umlenkelementen sowie eine Mehrzahl von Stützelementen auf. Die Umlenkelemente sind eingerichtet, um an der Positionierplatte und/oder an den Stützelementen und/oder aneinander befestigt zu werden. Die Stützelemente sind eingerichtet, um an der Positionierplatte und/oder an den Umlenkelementen und/oder aneinander befestigt zu werden. Durch die Bereitstellung einer Positionierplatte mit Umlenkelementen und Stützelementen, die wahlweise untereinander verbunden und aneinander befestigt werden können, ist es mithilfe des Verfahrens in relativ einfacher Weise möglich, selbst komplexe Bauteile, insbesondere Strukturbauteile sowie Fachwerkstrukturen mit möglichst geringem Gewicht herzustellen. Das System stellt dabei ein Baukastensystem dar, welches die Positionierplatte als Basis sowie die Umlenkelemente und die Stützelemente als Bausteine aufweist, um quasi beliebige Geometrien erzeugen zu können. Insbesondere um die Umlenkelemente kann dann ein Fasermaterial gewickelt werden, sodass letztlich eine Fachwerkstruktur entsteht. Dabei kann ein höchster Leichtbaugrad durch ideale Faseranordnung und durchgängige Faserverläufe erreicht werden. Die Umlenkelemente können dabei – insbesondere mittels der Stützelemente – beliebig im Raum positioniert werden.
Die Positionierplatte ist vorzugsweise als Lochplatte ausgebildet, die ein regelmäßiges oder auch beliebiges Muster von Bohrungen aufweist, mit denen die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente lösbar verbunden werden können. Besonders bevorzugt ist die Positionierplatte als Gewindeplatte ausgebildet, wobei die Löcher in der Positionierplatte als Gewinde ausgebildet sind. Eine Befestigung der Umlenkelemente und/oder der Stützelemente ist dann in besonders einfacher Weise, beispielsweise mittels Schrauben oder Gewindestiften, möglich.
Entsprechend weisen die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente bevorzugt jeweils wenigstens ein Befestigungsmittel auf, wobei das Befestigungsmittel insbesondere als Gewinde, insbesondere als Innengewinde oder als Außengewinde an einem Gewindestift ausgebildet sein kann. Es ist auch möglich, dass die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente jeweils ein Innengewinde und ein Außengewinde aufweisen, sodass sie in besonders einfacher Weise eines an dem anderen miteinander verbunden werden können. Es ist aber auch möglich, dass die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente nur ein oder auch beidseitig jeweils ein Innengewinde aufweisen, wobei das System zusätzlich Gewindestifte oder andere geeignete Schraubelemente aufweist, welche mit den Innengewinden zusammenwirken können, um die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente an der Lochplatte, an den jeweils anderen Elementen oder aneinander zu befestigen.
Die Stützelemente sind bevorzugt säulenartig ausgebildet, wobei sie insbesondere Erhebungen bilden, mittels welcher die Umlenkelemente von einer Befestigungsebene der Positionierplatte beabstandet angeordnet werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass verschiedene Umlenkelemente der Mehrzahl von Umlenkelementen verschiedene Formen aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Umlenkelemente flexibel für verschiedene Umlenkaufgaben, beispielsweise dem Umlenken in einer Ebene oder das Umlenken aus einer Ebene heraus, einzusetzen.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass verschiedene Stützelemente der Mehrzahl von Stützelementen verschiedene Längen aufweisen. Die verschiedenen langen Stützelemente können genutzt werden, um verschiedene Abstände von Umlenkelementen zu der Befestigungsebene der Positionierplatte einzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement der Mehrzahl von Umlenkelementen als Spule ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Umlenkelement als Scheibenspule ausgebildet. Eine solche Scheibenspule weist einen zylindrischen Grundkörper mit endenseitig angeordneten, radial vorspringenden Scheiben auf. Insbesondere an einer Scheibenspule ist ein sehr sicheres und stabiles Umlenken oder auch Umwickeln des Fasermaterials möglich.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement aus der Mehrzahl von Umlenkelementen einen zylindersymmetrischen Grundkörper mit wenigstens einem in radialer Richtung von dem Grundkörper abragenden Umlenkarm aufweist. Besonders bevorzugt weist der Grundkörper an einer Oberseite und an einer Unterseite, die sich – in Axialrichtung des Grundkörpers entlang einer Symmetrieachse desselben gesehen – gegenüberliegen, jeweils wenigstens einen radial abragenden Umlenkarm auf. Der Grundkörper weist bevorzugt eine Mehrzahl von radial abragenden Umlenkarmen auf, die entlang einer Umfangslinie des Grundkörpers – vorzugsweise symmetrisch zueinander, das heißt in gleichen Winkelabständen voneinander – an dem Grundkörper angeordnet sind. Der wenigstens eine Umlenkarm ist bevorzugt als Umlenkstift ausgebildet, wobei er insbesondere in den Grundkörper eingesteckt sein kann. Solche Umlenkarme eignen sich in besonderer Weise, um Fasermaterial aus einer Ebene, insbesondere einer Ebene, auf welcher die Symmetrieachse des Grundkörpers senkrecht steht, heraus umzulenken. Demgegenüber eignen sich als Spule ausgebildete Umlenkelemente eher, um Fasermaterial innerhalb der Ebene, auf welcher die Symmetrieachse der Spule senkrecht steht, umzulenken.
Der Grundkörper des wenigstens einen Umlenkelements ist bevorzugt hülsenförmig oder als Hülse ausgebildet. Vorzugsweise weist auch ein als Spule, insbesondere als Scheibenspule, ausgebildetes Umlenkelement einen hülsenförmigen Grundkörper auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement aus der Mehrzahl von Umlenkelementen und/oder wenigstens ein Stützelement aus der Mehrzahl von Stützelementen ein Metall oder eine Metalllegierung, oder einen Kunststoff, insbesondere einen faserverstärkten Kunststoff, aufweist, oder aus einem der genannten Materialien besteht. Diese Materialien eignen sich besonders, um für das System geeignete Umlenkelemente und/oder Stützelemente herzustellen. Eine Ausbildung der Umlenkelemente aus faserverstärktem Kunststoff ist besonders vorteilhaft, wenn diese als verlorene Teile in dem hergestellten Bauteil verbleiben. In diesem Fall tragen auch die Umlenkelemente zum Leichtbau des Bauteils bei.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement aus der Mehrzahl von Umlenkelementen in seinem Grundkörper ein Gewinde aufweist. Dieses Gewinde kann – wie bereits erläutert – insbesondere zur Befestigung des Umlenkelements an der Positionierplatte, an einem Stützelement, und/oder an einem anderen Umlenkelement dienen; es ist aber auch möglich, dass das Gewinde bei einem verlorenen Umlenkelement, welches in dem herzustellenden Bauteil verbleibt, als Anbindungsstelle für weitere, dem hergestellten Bauteil benachbarte Bauteil dient. Somit kann das Gewinde in dem wenigstens einen Umlenkkörper verwendet werden, um ein anderes Bauteil mit dem hergestellten Bauteil zu verbinden. Bevorzugt ist das Gewinde als Innengewinde ausgebildet, welches ganz besonders bevorzugt symmetrisch in dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei sich eine Längsachse des Gewindes insbesondere entlang der Symmetrieachse des Grundkörpers erstreckt.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff geschaffen wird, wobei im Rahmen des Verfahrens ein System nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet wird. Im Rahmen des Verfahrens wird eine Mehrzahl von Umlenkelementen in einer vorbestimmten geometrischen Lage relativ zueinander an der Positionierplatte angeordnet. Die Umlenkelemente werden mit einem Fasermaterial entlang eines vorbestimmten Wickelpfades umwickelt, und das durch das Umwickeln der Umlenkelemente gebildete Bauteil wird von der Positionierplatte entfernt. Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem System erläutert wurden. Insbesondere ist es in relativ einfacher Weise möglich, auch komplexe Fachwerkstrukturen mit möglichst niedrigem Gewicht und mit quasi beliebiger Geometrie herzustellen. Dabei werden die Umlenkelemente insbesondere genutzt, um das Fasermaterial insbesondere dreidimensional umzulenken, wobei es bevorzugt entlang des vorbestimmten Wickelpfads so verlegt wird, dass der Wickelpfad Lastpfaden in dem Bauteil folgt, sodass das Fasermaterial direkt den Lastpfaden folgen kann. Auf diese Weise können insbesondere unidirektionale Fasern, ganz besonders bevorzugt Endlosfasern, optimal entlang von zug- und druckdominierten Lastpfaden abgelegt werden. Dank der integralen Bauweise ergibt sich keine Faserunterbrechung.
Bevorzugt wird zum Umwickeln der Umlenkelemente mit dem Fasermaterial ein Roboterwickelverfahren angewendet. Auf diese Weise ist es möglich, auch komplexen Wickelpfaden im dreidimensionalen Raum ohne weiteres zu folgen.
Dabei wird bevorzugt eine fachwerkartige Struktur hergestellt, welche Zug- und/oder Druckkräfte optimal aufnehmen kann.
Als Fasermaterial wird bevorzugt ein vorimprägniertes Fasermaterial verwendet, sodass es nach dem Umwickeln keiner Infiltration, Injektion oder Infusion bedarf. Auch jegliche Autoklavprozesse können entfallen. Alternativ oder zusätzlich wird als Fasermaterial bevorzugt ein Endlos-Fasermaterial verwendet, besonders bevorzugt ein unidirektionales Fasermaterial. Dabei können sowohl Einzelfasern als auch Faserbündel, sogenannte Rovings, verwendet werden. Besonders bevorzugt kommen Hybridrovings zum Einsatz, welche sowohl Endlos-Verstärkungsfasern als auch ein Matrixmaterial, insbesondere in Form von Matrixfasern, aufweisen.
Besonders bevorzugt werden als Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern verwendet. Es ist aber auch möglich, andere Materialien für die Verstärkungsfasern zu verwenden, beispielsweise können als Verstärkungsfasern auch Glasfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern oder andere geeignete Fasern verwendet werden.
Das fertig gewickelte Bauteil wird bevorzugt nach oder vor dem Entfernen von der Positionierplatte konsolidiert. Hierzu ist es insbesondere möglich, eine Vakuumfolie einzusetzen, wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 001 056 A1 beschrieben ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Stützelement verwendet wird, um wenigstens ein Umlenkelement in einer erhöhten Position gegenüber der Positionierplatte, insbesondere in einem Abstand von einer Befestigungsebene der Positionierplatte, anzuordnen. Dabei können insbesondere verschieden lange Stützelemente verwendet werden, um verschiedene Umlenkelemente in verschiedener Hohe anzuordnen. Es ist zusätzlich oder alternativ bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eines der Umlenkelemente direkt an der Positionierplatte befestigt wird, also ohne Zwischenschaltung eines Stützelements.
Die Stützelemente können nach dem Aushärten des konsolidierten Bauteils oder auch vor dem Konsolidieren von der Positionierplatte und damit auch von dem Fachwerkbauteil gelöst, insbesondere herausgeschraubt werden. Die Stützelemente werden also bevorzugt – insbesondere im Unterschied zu den Umlenkelementen – nicht als verlorene Teile verwendet und verbleiben nicht in dem hergestellten Bauteil. Vielmehr werden sie bevorzugt zur Herstellung eines nächsten Bauteils weiterverwendet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Umwickeln der Umlenkelemente wenigstens eines der Umlenkelemente eingewickelt wird. Das Umlenkelement wird in diesem Fall bevorzugt mehrfach umwickelt, sodass es anschließend in dem hergestellten Bauteil sicher und stabil von dem faserverstärkten Kunststoffmaterial des Bauteils gehalten wird. Das Umlenkelement wird als verlorenes Element verwendet und verbleibt in dem Bauteil, wo es insbesondere mit seinem Gewinde als Anbindungselement für weitere Bauteile dienen kann.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens ein Zusatzbauteil beim Umwickeln der Umlenkelemente eingewickelt wird. Durch Einwickeln können also auch weitere Bauteile in das herzustellende Bauteil integriert werden, wobei das Zusatzbauteil beispielsweise eine Hülse, ein Dorn, ein Anbindungselement, insbesondere ein Anbindungsflansch für einen Roboter, eine Platte, ein Profilbauteil oder dergleichen sein kann. Solche Zusatzbauteile können ohne weiteres und insbesondere ohne zusätzliche Befestigungsschritte durch Umwickeln oder Einwickeln in das entstehende Bauteil integriert werden. Dies schließt nicht aus, dass nach dem Herstellen des Bauteils andere Zusatzbauteile in anderer Weise an dem Bauteil befestigt werden, beispielsweise durch Anbinden an die verlorenen Umlenkelemente, insbesondere durch Anschrauben an dieselben.
Schließlich ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung möglich, dass im Rahmen des Verfahrens ein Grundgerüst für einen Robotergreifer hergestellt wird. Insbesondere kann das Grundgerüst für einen Sauggreifer hergestellt werden. Da selbst komplexe Greifergeometrien mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens und des Systems in einfacher Weise hergestellt werden können, können hochstabile, belastungsfähige und zugleich sehr leichte Greifer erhalten werden, welche den Energieverbrauch des Roboters senken können. Dabei ergibt sich eine geringere Trägheit des Greifers, was die Verringerung von Taktzeiten ermöglicht. Ebenso ergibt sich eine erhöhte Steifigkeit, wodurch Schwingungen der Tragstruktur verringert und wiederum die Taktzeiten reduziert werden können. Durch den Leichtbau ergibt sich auch der Vorteil einer geringeren Abnutzung des Robotergetriebes und des Antriebsstrangs des Roboters. Es ist auch eine Verwendung von gewickelten Fachwerken für Ladungsträger möglich.
Wie bereits erläutert, kann ein Anbindungsflansch für einen Roboter, insbesondere zur Anbindung des hergestellten Bauteils an einen Roboterarm, beim Wickeln in das herzustellende Bauteil integriert werden. Dabei kann der Anbindungsflansch insbesondere formschlüssig in die Fachwerkstruktur eingewickelt werden. Die Position des Anbindungsflanschs und/oder anderer Funktionselemente lässt sich aufgrund der hohen Flexibilität des Verfahrens beliebig wählen. Dies ermöglicht es, Unzulänglichkeiten oder Reichweiteneinschränkungen der Greiferanwendung zu umgehen.
Eingewickelt oder anderweitig mit dem herzustellenden Bauteil verbundene Zusatzbauteile können aus metallischen Werkstoffen und/oder aus Faserverbundwerkstoffen bestehen.
Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich insbesondere folgende Vorteile: Es ist eine flexible Abbildung von Geometrien ohne teure Werkzeugkomponenten oder Verfahren möglich, ähnlich additiven Verfahren wie beispielsweise einem 3D-Druck. Die Flexibilität in der Anordnung der Umlenkelemente resultiert in einer werkzeugunabhängigen Herstellung. Eine automatisierte Herstellung, insbesondere mittels eines Roboterwickelverfahrens, ermöglicht kurze Prozesszeiten ohne aufwändige Vor- und/oder Nachbearbeitung. Es können kostengünstige Kohlenstofffaserrovings verarbeitet werden. Das Herstellungsverfahren ist mit hoher Formtreue automatisierbar, sodass geringe Toleranzen umsetzbar sind, was insbesondere für die Herstellung von Robotergreifern wichtig ist. Es werden höchste Leichtbaugrade durch Fachwerkstrukturen und unidirektionale Faserverstärkung entlang von zug- und druckbehafteten Lastpfaden erzielt. Es erfolgt keine Unterbrechung des Faserverlaufs innerhalb der Struktur. Ein faserverbundgerechtes Anbinden von Funktionselementen, beispielsweise von formschlüssig-integrierten metallischen Hülsen oder Dornen ist möglich. Auch eine Integration von Schmaltextilien, beispielsweise Gewebebänder oder dergleichen, ist insbesondere zur Bereitstellung weiterer Verstärkungsrichtungen möglich. Ein Verschnitt von teuren Materialien wird vollständig vermieden. Metallische Komponenten können in dem Wickelprozess integriert werden. Verschiedene Werkstoffe, beispielsweise Glasfasern und Kohlenstofffasern, können miteinander kombiniert werden. Fügestellen können entfallen. Autoklav-, Injektions- oder Infusionsprozesse können entfallen. Eine schnelle Umsetzbarkeit von weiteren Strukturen durch ein Lochmuster in der Positionierplatte ist möglich. Weiterhin ist eine schnelle Aushärtung durch Temperierung der Positionierplatte möglich. Schließlich ist eine Erhöhung der Laminatqualität durch Kompression möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff;
2 Darstellungen von zwei Ausführungsbeispielen von Umlenkelementen des Systems;
3 eine schematische Darstellung eines ersten Schritts einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff mit dem System gemäß 1;
4 ein weiterer Schritt der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 3, und
5 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mit dem System im Rahmen des Verfahrens hergestellten Bauteils.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems 1 zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, wobei das System eine Positionierplatte 3 mit einer Mehrzahl von Anbindungsstellen zum lösbaren Befestigen von Umlenkelementen 5 aufweist, wobei hier die einzelnen Anbindungsstellen nicht sichtbar sind, weil jede Anbindungsstelle zumindest des dargestellten Ausschnitts der Positionierplatte 3 besetzt ist. Das System 1 weist außerdem eine Mehrzahl von Umlenkelementen 5 sowie von Stützelementen 7 auf. Dabei sind die Umlenkelemente 5 eingerichtet, um an der Positionierplatte 3 und/oder an den Stützelementen 7 oder aneinander befestigt zu werden, wobei die Stützelemente 7 eingerichtet sind, um an der Positionierplatte 3 und/oder an den Umlenkelementen 5 oder aneinander befestigt zu werden.
Anhand von 1 zeigt sich, dass hier einige der Umlenkelemente 5 direkt an der Positionierplatte 3 befestigt sind, wobei andere Umlenkelemente 5 durch Stützelemente 7 von einer Befestigungsebene 9 der Positionierplatte 3 beabstandet angeordnet sind. Nicht dargestellt ist dabei, dass verschiedene Stützelemente 7 der Mehrzahl von Stützelementen 7 verschiedene Längen aufweisen können, sodass verschiedene Umlenkelemente 5 mithilfe verschiedener Stützelemente 7 in verschiedenen Abständen von der Befestigungsebene 9 angeordnet werden können. Dabei ist es durchaus auch möglich, mehrere Stützelemente 7 hintereinander beziehungsweise übereinander anzuordnen, um zusätzliche Flexibilität bei der Wahl der Abstände der Umlenkelemente 5 von der Befestigungsebene 9 zu verwirklichen.
Die Positionierplatte 3 ist bevorzugt als Lochplatte, insbesondere als Gewindeplatte ausgebildet, wobei sie eine Mehrzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Löchern, insbesondere von Gewindebohrungen, aufweist. Auch die Umlenkelemente 5 und/oder die Stützelemente 7 weisen bevorzugt wenigstens ein Gewinde auf, sodass sie aneinander oder an der Positionierplatte 3 durch Schrauben, insbesondere mittels Gewindestiften, befestigt werden können.
2 zeigt eine Darstellung von zwei Ausführungsbeispielen von Umlenkelementen 5. Dabei zeigt 2a) ein Umlenkelement 5 mit einem zylindrischen Grundkörper 11, an dem wenigstens ein in radialer Richtung von dem Grundkörper 11 abragender Umlenkarm 13 angeordnet ist. Hier sind konkret an einer Oberseite 15 und an einer Unterseite 17 des Grundkörpers 11 jeweils vier Umlenkarme 13 angeordnet, wobei die Umlenkarme 13 insbesondere als Stifte ausgebildet sind, die in den Grundkörper 11 eingesteckt sind. die Umlenkarme 13 sind besonders geeignet für eine Umlenkung von Fasermaterial in die dritte Dimension, da die Fasern direkt einem Lastpfad folgen können, ohne eine zusätzliche Umlenkung an einem Hülsenring oder einer Scheibe zu erfahren.
2b) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Umlenkelements 5, welches als Spule, insbesondere als Scheibenspule ausgebildet ist. Dabei weist auch dieses Ausführungsbeispiel des Umlenkelements 5 einen zylindrischen Grundkörper 11 auf, an dessen stirnseitigen Enden jeweils eine radial vorspringende Scheibe 19 angeordnet ist. Ein solches Umlenkelement 5 eignet sich besonders zum Umlenken von Fasermaterial innerhalb einer Ebene.
Insgesamt zeigt 2, dass verschiedene Umlenkelemente 5 der Mehrzahl von Umlenkelementen 5 bevorzugt verschiedene Formen aufweisen. Dabei müssen diese Formen nicht auf die in 2 explizit dargestellten Formen beschränkt sein, vielmehr sind auch andere Formen durchaus möglich.
Wenigstens eines der Umlenkelemente 5 und/oder wenigstens eines der Stützelemente 7 ist bevorzugt aus einem Metall oder einer Metalllegierung, oder aus Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, hergestellt.
Weiterhin weist wenigstens eines der Umlenkelemente 5 bevorzugt in seinem Grundkörper 11 ein Gewinde auf, das insbesondere der Anbindung an ein weiteres Umlenkelement 5, an die Positionierplatte 3 oder an ein Stützelement 7 dient, oder welches dann, wenn das Umlenkelement 5 als verlorenes Teil in dem hergestellten Bauteil verbleibt, zur Anbindung weiterer Bauteile an das hergestellte Bauteil dienen kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff mit dem Ausführungsbeispiel des Systems 1 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird eine Mehrzahl der Umlenkelemente 5 in einer vorbestimmten geometrischen Lage relativ zueinander an der Positionierplatte 3 angeordnet. Dabei werden insbesondere die Stützelemente 7 verwendet, um bestimmte Umlenkelemente 5 in einer erhöhten Position gegenüber der Positionierplatte 3, insbesondere gegenüber der Befestigungsebene 9, anzuordnen.
Die Umlenkelemente 5 werden dann mit einem Fasermaterial 21 entlang eines vorbestimmten Wickelpfades umwickelt, wobei bevorzugt ein Roboterwickelverfahren angewendet wird. In 3 ist hier schematisch eine Abwickelspule 23 dargestellt, die beispielsweise von einem Roboterarm geführt werden kann, um das Fasermaterial entlang des vorbestimmten Wickelpfades um die Umlenkelemente 5 zu wickeln.
4 zeigt eine Darstellung eines zweiten Schritts des Verfahrens gemäß 3. Dabei ist hier das Umwickeln der Umlenkelemente 5 beendet und insoweit bereits ein Bauteil 25 hergestellt, welches aber noch auf der Positionierplatte 3 angeordnet ist. Es zeigt sich, dass beim Umwickeln der Umlenkelemente 5 bevorzugt wenigstens eines der Umlenkelemente 5 und/oder wenigstens ein Zusatzbauteil, beispielsweise eine Hülse, ein Dorn, ein Anbindungselement, eine Platte, ein Profilbauteil, ein Anbindungsflansch für einen Roboter, oder dergleichen, eingewickelt wird, sodass dieses integral und formschlüssig in das Bauteil 25 integriert werden kann. Auf diese Weise können insbesondere Umlenkelemente 5 als verlorene Teile verwendet werden, die später zum Anbinden weiterer Bauteile an das hergestellte Bauteil 25 genutzt werden können.
Es ist möglich, dass das Bauteil 25 noch auf der Positionierplatte 3 konsolidiert wird, beispielsweise mittels einer Vakuumfolie. Es ist aber auch möglich, dass das Bauteil 25 zunächst von der Positionierplatte 3 entfernt und dann konsolidiert wird.
Jedenfalls aber wird das – entweder bereits konsolidierte oder noch zu konsolidierende – Bauteil 25 von der Positionierplatte 3 entfernt.
5 zeigt insoweit das von der Positionierplatte 3 entfernte, fertige Bauteil 25. Dabei zeigt sich, dass hier alle Umlenkelemente 5 als verlorene Elemente in dem Bauteil 25 verblieben sind. Diese ermöglichen als formschlüssig integrierte Elemente ein faserverbundgerechtes Fügen und Anbinden von weiteren Bauteilen, wodurch insgesamt höchste Leichtbaugrade verwirklicht werden können.
Es zeigt sich aber auch, dass die Stützelemente 7 vollständig aus dem Bauteil 25 entfernt wurden. Diese werden vielmehr bevorzugt zur Herstellung eines weiteren Bauteils wiederverwendet.
Die Umlenkelemente 5 können beispielsweise zur Anbindung von Funktionselementen wie pneumatischen Saugern oder dergleichen verwendet werden, insbesondere wenn als Bauteil 25 ein Grundgerüst für einen Robotergreifer hergestellt wird, der bevorzugt als Sauggreifer ausgebildet ist.
Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen System 1 sowie dem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff in relativ einfacher Weise auch komplexe Fachwerkstrukturen mit möglichst niedrigem Gewicht hergestellt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014019080 A1 [0002]
DE 102016001056 A1 [0002, 0021]

Claims

System (1) zur Herstellung von Bauteilen (25) aus faserverstärktem Kunststoff, mit – wenigstens einer Positionierplatte (3), die eine Mehrzahl von Anbindungsstellen zum lösbaren Befestigen von Umlenkelementen (5) und/oder Stützelementen (7) an der Positionierplatte (3) aufweist; – einer Mehrzahl von Umlenkelementen (5), und mit – einer Mehrzahl von Stützelementen (7), wobei – die Umlenkelemente (5) eingerichtet sind, um a) an der Positionierplatte (3), und/oder b) an den Stützelementen (7), und/oder c) aneinander befestigt zu werden, wobei – die Stützelemente (7) eingerichtet sind, um a) an der Positionierplatte (3), und/oder b) an den Umlenkelementen (5), und/oder c) aneinander befestigt zu werden.
System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) verschiedene Umlenkelemente (5) der Mehrzahl von Umlenkelementen (5) verschiedene Formen aufweisen, und/oder dass b) verschiedene Stützelemente (7) der Mehrzahl von Stützelementen (7) verschiedene Längen aufweisen.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) wenigstens ein Umlenkelement (5) der Mehrzahl von Umlenkelementen (5) als Spule, insbesondere als Scheibenspule ausgebildet ist, und/oder dass b) wenigstens ein Umlenkelement (5) der Mehrzahl von Umlenkelementen (5) einen zylindersymmetrischen Grundkörper (11) mit wenigstens einem in radialer Richtung von dem Grundkörper (11) abragenden Umlenkarm (13) aufweist.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Umlenkelement (5) der Mehrzahl von Umlenkelementen (5) und/oder wenigstens ein Stützelement (7) der Mehrzahl von Stützelementen (7) aus Metall oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, hergestellt ist.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Umlenkelement (5) der Mehrzahl von Umlenkelementen (5) in seinem Grundkörper (11) ein Gewinde aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (25) aus faserverstärktem Kunststoff mit einem System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit folgenden Schritten: – Anordnen einer Mehrzahl von Umlenkelementen (5) in einer vorbestimmten geometrischen Lage relativ zueinander an der Positionierplatte (3); – Umwickeln der Umlenkelemente (5) mit einem Fasermaterial (21) entlang eines vorbestimmten Wickelpfades; und – Entfernen des durch das Umwickeln der Umlenkelemente (5) gebildeten Bauteils (25) von der Positionierplatte (3).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stützelement (7) verwendet wird, um wenigstens ein Umlenkelement (5) in einer erhöhten Position gegenüber der Positionierplatte (3) anzuordnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umwickeln der Umlenkelemente (5) a) wenigstens eines der Umlenkelemente (5) und/oder b) wenigstens ein Zusatzbauteil eingewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundgerüst für einen Robotergreifer hergestellt wird.