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Die Erfindung betrifft eine Faserlage für gekrümmte Faserverbundwerkstoff-Laminate und ein Verfahren zur Ablage aufgefächerter Faserlagen dieser Art. Die Erfindung stellt eine Möglichkeit zur Minimierung von Spalten bei der Ablage aufgefächerter Faserlagen für gekrümmte Faserverbundwerkstoff-Laminate, im Folgenden FVK-Laminate genannt, dar. Die Erfindung stellt auch einen Weg zur Erhöhung der Ablegebreite bei einer Spalt-Breite unter 2,5 mm bereit.
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Bei der Ablage von Faserlagen mit Faserwinkeln φ ≠ 0° für gekrümmte FVK-Laminate, wie sie insbesondere für die Herstellung gekrümmter Profile mit profilfolgendem Faserkoordinatensystem benötigt werden, werden diese typischerweise aufgefächert. Eine Möglichkeit, Laminate mit derartigen Eigenschaften abzulegen, besteht im Einsatz der Automated Fiber Placement Technologie (AFP), die eine Schar separater, parallel geführter Faserbändchen verarbeitet. Bei dieser Technologie bedingt die Auffächerung zur Außenbahn hin wachsende Spalte, sogenannte „Gaps“. Gegenstand der Erfindung ist die Minimierung dieser Spalte.
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Bisherige Verfahren zum Generieren von gekrümmten Winkellagen basieren zum einen auf der Warmumformbarkeit einzelner Prepreg-Zuschnitte. Dabei werden einzelne Lagen oder Verbunde aus Lagen zum Teil unter Wärmezufuhr entweder in einem elastischen Umformkern oder um eine feste Form umgeformt.
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Die
EP 2 403 706 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines konturierten Verbundwerkstoffbauteils, wobei das Verfahren umfasst:
- • Auflegen einer Verbundwerkstoffcharge zur Bildung eines Lagenstapels, das ein Auflegen von zumindest einer Lage unidirektionaler Faser-Prepreg-Lagensegmente, die eine im Wesentlichen konstante Breite besitzen, ein sich in überlappender Weise nebeneinander Anordnen der Lagensegmente und ein Ausrichten von in Längsrichtung verlaufenden Mittellinien der Lagensegmente in einer auf die Kontur des Bauelements bezogenen polaren Orientierung umfasst, sowie
- • Umformen der Verbundwerkstoffcharge in im Wesentlichen der Form des Bauteils unter Verwendung eines Drapierformprozesses.
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Aus der
US 7 670 525 B2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Trägers aus Faserverbundmaterial bekannt, das die folgenden Schritte umfasst:
- • Ausbilden eines flachen Faserverbundlaminats, das aus einer Vielzahl von Lagen und zumindest zwei verschiedenen Faserrichtungen aufgebaut ist,
- • Anordnung des Faserverbundlaminats gegen ein männliches, das heißt innenliegendes Werkzeug, das eine erste Backe, eine zweite Backe und eine Zwischenbahn umfasst, welches männliche Werkzeug in seiner Längsrichtung mit einem Krümmungsradius R derart gekrümmt ist, dass die erste Backe eine kürzere Längserstreckung aufweist als die zweite Backe,
- • Aufbringen und Sichern des Faserverbundlaminats an der ersten Backe des männlichen Werkzeugs,
- • Drehen des männlichen Werkzeugs und des Faserverbundlaminats relativ zueinander, so dass das Faserverbundlaminat in einer ersten Umformbewegung mit der Zwischenbahn des männlichen Werkzeugs in Kontakt gebracht wird, und in einer zweiten Umformbewegung mit der zweiten Backe des männlichen Werkzeugs in Kontakt gebracht wird,
- • Aushärten des Faserverbundlaminats am männlichen Werkzeug und
- • Trennen des fertigen Trägers vom männlichen Werkzeug.
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Die
DE 10 2011 119 220 A1 betrifft Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Einrichtungen haben das Ziel, dass die Bauteile einfach und ohne eine Faserverwerfung und/oder Stauchung herstellbar sein sollen. Dazu besteht die Einrichtung im Wesentlichen aus einem langgestreckten elastischen Träger für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers Winkel verschieden Null einschließen, einem biegeelastischen Anker für die neutrale Faser des Halbzeugs im Träger, wenigstens einem translatorisch wirkenden Antrieb zur Krümmung des Trägers mit dem Halbzeug und einem Grundkörper für den Träger und den Antrieb. Der Träger ist an wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb gekoppelt, mittels dem der Träger und damit das darauf angeordnete Halbzeug gekrümmt wird. Damit sind vorteilhafterweise Bauteile als gekrümmte Profile mit profilfolgenden Faserkoordinaten reproduzierbar herstellbar.
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Die WO 2009/ 115 736 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gestaltung eines gebogenen Teils, das aus einem Verbundmaterial hergestellt ist. Das resultierende Profil ist zumindest aus einem Streifen aus Verbundwerkstoff entlang einer Längsachse hergestellt. Der Streifen ist durch Stapeln von wenigstens zwei Bändern von unidirektionalen Verstärkungsfasern angeordnet. Der Streifen ist auf einer Vorlage mit einer flachen oder im wesentlichen flachen Oberfläche mit einer im Allgemeinen länglichen Form abgelegt, mit einer spezifischen Konfiguration, die dem gewünschten Profil entspricht und sich um eine Referenzlinie erstreckt, so dass die schrittweise Auffächerung der Fasern in der Anwendungsebene und das gleichzeitige Verformen entlang der Bezugslinie teilweise realisiert ist oder Teile einen nicht-Null-Grad-Krümmungsradius aufweisen.
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Als Alternative zum Umformen können gekrümmte Lagen auch durch Ablage einzelner Ablegeeinheiten (Prepreg-Tows, Tapes) definierter Breite auf AFP-Anlagen erzeugt werden. Die AFP-Technologie wird insbesondere dann benötigt, wenn Faserschichten oder ganze Laminate auf gekrümmten Bahnen abgelegt werden müssen. Dieser Vorgang wird als Tape-Steering bezeichnet. Die Ablegeeinheiten werden dazu auf definierten Pfaden in der Ebene abgelegt. Der bei der Ablage eingestellte Winkelversatz pro Ablegeeinheit führt hierbei zu einer Krümmung der entstehenden Lage und der Entstehung keilförmiger Spalte mit geraden oder gekrümmten Flanken.
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Aus der US 2012 / 0 076 973 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines konturierten Verbundwerkstoffbauteils beschrieben. Die konturierte Verbundwerkstoffstruktur weist eine Krümmungsachse und zumindest einen gekrümmten Schenkel auf. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ablegen eines ebenen Stapels von Prepreg-Faserlagen jeweils mit einer Faserorientierung ungleich null Grad relativ zur Krümmungsachse, Ablegen von mindestens einer Prepreg-Faserlage mit einer Null-Grad-Faserorientierung auf dem Stapel, einschließlich das Anordnen der Prepreg-Faserbändchen in Segmente auf mindestens einem Teil des Stapels, und Formen des Stapels, einschließlich der Null-Grad-Faserlage, in einer Bahn und einem gekrümmten Schenkel.
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Die US 2010 / 0 285 265 A1 zeigt ein gekrümmtes Verstärkungsfasersubstrat, welches eine gekrümmte planare Form aufweist. Das Verstärkungsfasersubstrat umfasst eine Vielzahl von Verstärkungsfäden, die parallel in eine Richtung entlang einer Umfangsrichtung der genannten gekrümmten Form angeordnet sind, und Hilfsschussfäden, die in Richtungen angeordnet sind, die die Vielzahl von Verstärkungsfäden kreuzen, wobei jeder Hilfsschussfaden in einer Richtung der genannten Umfangsrichtung angeordnet ist.
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Die US 2007 / 0 026 215 A1 beschreibt ein Verfahren zum Platzieren wenigstens eines Fadenelements auf einer Fläche, bei dem wenigstens ein Fadenelement auf die Fläche aufgebracht und mit wenigstens einem Teil der Fläche verbunden wird, wobei die Breite des aufgebrachten Fadenelements in Längsrichtung variiert. Bei diesem Verfahren wird die Breite des Fadenelements vor dem Aufbringen mit Hilfe von Mitteln zum Einstellen seiner Breite verändert.
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Der Nachteil der Umformung liegt in der Dickenabnahme des Laminates, resultierend aus der Aufspreizung zum Außenradius hin. Ferner können prozessbedingt bei einigen Umformverfahren nur sogenannte biaxiale Vorgelege, also Lagenverbunde aus zwei Faserlagen unterschiedlichen Faserwinkels umgeformt werden. Eine Umformung von Faserlagen mit Faserwinkel φ = 0° mit den gegebenen Verfahren ist durch unzureichend mögliche und gänzlich ungewollte Dehnung der verwendeten Kohlenstofffasern nicht möglich. Folglich ist ein vorgegebener Lagenaufbau mit zwischen Faserlagen mit Faserwinkel φ = 0° liegenden einzelnen Winkellagen (φ ≠ 0°) mit diesen Verfahren nicht erreichbar.
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Der Nachteil der Laminatherstellung auf AFP-Anlagen besteht in der eingangs beschriebenen Bildung von Spalten. Solche Spalte sind bei der Herstellung eines gekrümmten Bauteiles aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CKF) unter Umständen nicht gewollt und die Herstellung solcher Bauteile folglich auf diesem Wege nicht oder nur mit Einschränkungen möglich. Um diese Spalte möglichst klein zu halten, ist eine sehr geringe Ablegebreite vonnöten und damit eine ineffiziente, weil kleinteiligere Ablage.
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Bei der gekrümmten Ablage von Faserschichten mit Winkeln φ ≠ 0° entstehen am Bahnaußenradius abhängig von der Gesamtablegebreite, der Bahnbreite und der Bahnkrümmung diskrete, keilförmige Spalte. Diese Spalte führen zur Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Laminats und zu werkstoffimmanenten Kerben.
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In der WO 2006/ 041 768 A1 ist ein Verbundelement und ein zugehöriges Verfahren zur Bildung des Verbundelements beschrieben. Das Verbundelement wird dazu aus einer Vielzahl von länglichen Bändern gebildet. Um Überlappungen und/oder Lücken, die durch benachbarte Bänder definiert werden, zu reduzieren oder zu minimieren, und dies ohne wesentliche Faltenbildung der angeordneten Bänder, ist jedes Band auf einem Pfad angeordnet, der durch eine Vielzahl von natürlichen Pfadsegmenten definiert ist, von denen jedes einen nicht natürlichen Versatzwinkel relativ zu den benachbarten Segmenten definiert.
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Aus der
EP 2 527 130 A1 ist ein Verfahren zum Auslegen des Bandes aus einem Prepreg-Verbundmaterial in der 0°-Richtung einer nicht ebenen Verbundkomponente auf einer geeigneten Form bekannt, wobei eine automatisierte Bandlegemaschine verwendet wird. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Bestimmen der Trajektorien der Bänder als modifizierte Trajektorien von geodätischen Trajektorien, die mit den folgenden Bedingungen in ihren Projektionen auf eine horizontale Ebene übereinstimmen: - dass der Krümmungsradius R2 ihrer gekrümmten Segmente größer ist als ein vorherbestimmter Wert Rmin von 400 mm für ein Band mit einer Breite von 300 mm; - dass der Spalt G2p zwischen zwei benachbarten Bändern zwischen 0 und einem vorherbestimmten Wert Gmax von 3,5 mm liegt;
- b) Bereitstellen der modifizierten Trajektorien an die automatisierte Bandlegemaschine.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Reduzierung beziehungsweise Eliminierung der oben genannten Spalte, ohne die Gesamtablegebreite zu reduzieren, das heißt, ohne Einschränkung der Produktivität des AFP-Prozesses. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die größere Bogenlänge am Bahnaußenradius mit einer gleichbleibenden Anzahl an Faserbändchen (Tows) ausgeglichen werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Faserlage mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem entsprechenden Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 4 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Faserlage für gekrümmte Faserverbundwerkstoff-Laminate ist so geformt, dass sie mindestens bereichsweise entlang einer gekrümmten Bahn mit einer längeren Bogenlänge am Bahnaußenradius und einer kürzeren Bogenlänge am Bahninnenradius verläuft. Entlang der Bahn umfasst die aufgefächerte Faserlage aneinander gereihte Ablegeeinheiten, wobei jede Ablegeeinheit als Schar separater, entlang eines Ablegepfads parallel angeordneter Faserbändchen mit Faserwinkeln φ ≠ 0° und mit einer konstanten Ablegebreite ausgebildet ist. Dabei ist der Faserwinkeln φ bezogen auf ein profilfolgendes Faserkoordinatensystem, in dem die Abszisse des Faserkoordinatensystems an der jeweiligen Position der Faser parallel zur Tangente der Krümmung der Bahn orientiert ist und die zugehörige Ordinate dementsprechend senkrecht, das heißt 90° dazu verläuft, beide jeweils in der Ebene der Bahn. Zur Minimierung von Spalten im Bereich der gekrümmten Bahn der aufgefächerten Faserlage ist ein Ausgleich der größeren Bogenlänge am Bahnaußenradius auf die Weise realisiert, dass durch eine Krümmung des Ablegepfads der Faserwinkel φ nach außen hin abnimmt, wobei die Grenzen der Winkeländerung durch die Einhaltung vorgegebener Faserwinkeltoleranzen für die Faserlage gesetzt sind, wobei die Faserwinkeltoleranz für die Faserlage Δφ = ± 5°, vorzugsweise Δφ = ± 3°, beträgt. Das heißt, der Ausgleich der größeren Bogenlänge am Bahnaußenradius erfolgt durch eine spezielle Krümmung des Ablegepfads. Vorzugsweise nimmt der Faserwinkel nach außen hin derart ab, dass die tangential zur Bahn liegende, nach außen größer werdende Hypotenuse der Faserbändchen-Schar exakt die größere Bogenlänge ausgleicht.
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Bevorzugt sind die Ablegeeinheiten als Scharen von separaten, parallel geführten Faserbändchen, sogenannte Tows, als 16 Tow-Schar oder als 32 Tow-Schar abgelegt. Es sind bevorzugt Faserbändchen mit einer Breite von 12,7 mm (½ Zoll) oder 6,35 mm (¼ Zoll) in Scharen angeordnet. Dabei sind vorzugsweise Ablegeeinheiten mit einer Ablegebreite von 101,6 mm (4 Zoll) bis 203,2 mm (8 Zoll) vorgesehen.
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Die Erfindung stellt einen Weg zur Erhöhung der Ablegebreite bei einer Spalt-Breite unter 2,5 mm bereit. Auch diese Aufgabe wird durch die Faserlage nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt dabei eine bogenförmige Ablage einer 90°-Lage. Es sind in diesem Fall zwei verschiedene Spalt-Arten zu unterscheiden.
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Erfindungsgemäß weist die Faserlage Ablegeeinheiten mit bogenförmigen Ablegepfaden, vorzugsweise ausgehend von 90° am Innenradius, auf, wobei benachbarte Ablegeeinheiten entgegengesetzt gebogen oder abwechselnd gebogen und nicht gebogen sind. Auf diese Weise sind zwischen den benachbarten Ablegeeinheiten linsenförmige Spalte und/oder trichterförmige Spalte ausgebildet. Linsenförmige Spalte sind Spalte mit einem Maximum in der Mitte und nach außen in Richtung des Bahnaußenradius und nach Innen in Richtung Bahninnenradius jeweils gegen Null gehend. Trichterförmige Spalte sind dagegen Spalte, die am Bahninnenradius schmal und nach außen in Richtung Bahnaußenradius wachsend ausgebildet sind.
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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung insbesondere profilförmiger Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) auf Basis der AFP-Technologie. Diese Technologie verarbeitet eine Schar separater, parallel geführter Faserbändchen (Tows) mittels CNC-gesteuerter Ablegemaschinen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden solche Scharen separater, entlang eines Ablegepfads parallel geführter Faserbändchen mit Faserwinkeln φ ≠ 0° als Ablegeeinheiten mit einer konstanten Ablegebreite mittels einer Ablegemaschine, vorzugsweise zur automatisierten Ablage von Faserbändchen (AFP), verarbeitet. Die Ablegebreite ist durch die Anzahl der parallel in einem Maschinenkurs abgelegten Faserbändchen definiert. Die Ablage der Faserlage erfolgt mindestens bereichsweise entlang einer gekrümmten Bahn mit einer längeren Bogenlänge am Bahnaußenradius und einer kürzeren Bogenlänge am Bahninnenradius, wobei in der aufgefächerten Faserlage Ablegeeinheiten aneinander gereiht werden. Zur Minimierung von Spalten im Bereich der gekrümmten Bahn der aufgefächerten Faserlage erfolgt ein Ausgleich der größeren Bogenlänge am Bahnaußenradius auf die Weise, dass durch eine Krümmung des Ablegepfads der Faserwinkel φ nach außen hin abnimmt, so dass die größere Bogenlänge ausgeglichen wird, wobei die Grenzen der Winkeländerung durch die Einhaltung vorgegebener Faserwinkeltoleranzen für die Faserlage gesetzt sind. Die Grenzen des Verfahrens sind durch die Einhaltung der vorgegebenen Faserwinkeltoleranzen Δφ = ± 5°, vorzugsweise Δφ = ± 3°, für die Faserlage, gesetzt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Ablegeeinheiten mit bogenförmigem Ablegepfaden, vorzugsweise ausgehend von 90° am Bahninnenradius, abgelegt, wobei benachbarte Ablegeeinheiten entgegengesetzt gebogen oder abwechselnd gebogen werden, so dass zwischen den benachbarten Ablegeeinheiten linsenförmige Spalte, das heißt Spalte mit einem Maximum in der Mitte und nach außen in Richtung des Bahnaußenradius und nach Innen in Richtung Bahninnenradius jeweils gegen Null gehend, und/oder trichterförmige Spalte, das heißt Spalte, die am Bahninnenradius schmal und nach außen in Richtung Bahnaußenradius wachsend, gebildet werden, wobei die Grenzen von Winkeländerungen des Faserwinkels in einem Faserbändchen durch die Einhaltung vorgegebener Faserwinkeltoleranzen für die Faserlage gesetzt sind und wobei die Faserwinkeltoleranz für die Faserlage Δφ = ± 5°, vorzugsweise Δφ = ± 3°, beträgt.
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Als Material für die Faserlagen werden nach einer vorteilhaften Ausführungsform mit Harzen vorimprägnierte Faserhalbzeuge (Prepregs) verwendet. Als Harz wird vorzugsweise ein duroplastisches Epoxidharz eingesetzt.
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Es können auch mit Thermoplasten vorimprägnierte Fasern, das heißt thermoplastische Prepregs, als Material für die Faserlagen eingesetzt werden, vorzugsweise aus Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK). Als Material für die Faserlagen können alternativ auch trockene Faserhalbzeuge eingesetzt werden, die durch Aufbringen eines thermoplastischen Binders, vorzugsweise eines Schmelzklebstoffs, fixiert werden.
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Die Erfindung stellt somit einen Weg dar, die Spalt-Bildung, den entscheidenden Nachteil der Ablage von Faserlagen mit Faserwinkeln φ ≠ 0° auf einer AFP-Anlage, auszugleichen und somit die Herstellung gekrümmter, in den Winkellagen quasi spaltenfreier Laminate beliebigen Lagenaufbaus mit großer Ablegebreite und den damit verbundenen geringen Fertigungszeiten zu ermöglichen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1A: die Auffächerung einer gekrümmten 45°-Faserlage mit geradem Ablegepfad, Stand der Technik,
- 1B: die Auffächerung einer gekrümmten 45°-Faserlage mit leicht gekrümmten Ablegepfad im Polarkoordinatensystem, Stand der Technik,
- 1C: die Auffächerung einer gekrümmten 90°-Faserlage mit geradem Ablegepfad im Polarkoordinatensystem, Stand der Technik,
- 2: die Auffächerung einer gekrümmten 90°-Faserlage mit unterschiedlicher Feinheit der Ablegeeinheiten, Stand der Technik,
- 3: eine schematische Darstellung des Prinzips der größer werdenden Hypotenuse in einer gekrümmten Faserlage mit gekrümmten Ablegepfaden,
- 4: eine gekrümmte Faserlage mit Scharen von sechzehn Faserbändchen (16-Tow-Anordnung) als Ablegeeinheiten und gekrümmtem Ablegepfad und
- 5: eine gekrümmte 90°-Faserlage mit Ausnehmungen.
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Aufgefächerte, bogenförmige Faserlagen 1 für gekrümmte Faserverbundwerkstoff-Laminate können durch Ablage einzelner Ablegeeinheiten 2 (Prepreg-Tows, Tapes) definierter Ablegebreite 3 auf AFP-Anlagen erzeugt werden. Die Ablegeeinheiten 2 werden dazu auf definierten Ablegepfaden 4 in der Ebene abgelegt. Bei der Ablage von Faserlagen mit Faserwinkeln φ ≠ 0° für gekrümmte FVK-Laminate, wie sie insbesondere für die Herstellung gekrümmter Profile mit profilfolgendem Faserkoordinatensystem benötigt werden, werden diese typischerweise aufgefächert. Unter einem profilfolgenden Faserkoordinatensystem ist zu verstehen, dass die Abszisse des Faserkoordinatensystems parallel zur Tangente der Profillinie, im dargestellten Beispiel der Krümmung der Bahn 1, orientiert ist und die Ordinate dementsprechend senkrecht, das heißt 90° dazu verläuft, beide jeweils in der Ebene der Ablage. Dies ist in der 1 an zwei Positionen, nämlich, am Anfang und am Ende der Bahn 1, anhand von jeweils einem der Position zugeordneten Faserkoordinatensystem mit der Bahnkurven-Tangente als 0°-Abzisse, der Ordinate mit 90° und der Faserausrichtung von 45°, schematisch dargestellt. Die 1A zeigt die Auffächerung einer 45°-Faserlage 1 mit einem geraden Ablegepfad 4 nach dem Stand der Technik. Die so genannte Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) verarbeitet als Ablegeeinheiten 2 eine Schar separater, parallel geführter Faserbändchen 5 (Tows) mittels CNC-gesteuerter Ablegemaschinen. Der bei der Ablage eingestellte Winkelversatz der Ablegeeinheiten 2 führt hierbei zu einer Krümmung der entstehenden Faserlage 1 entlang einer in der Ebene gekrümmten Bahn 1 mit einer Bahnbreite, einer größeren Bogenlänge an einem Bahnaußenradius 6 und einer kleineren Bogenlänge an einem Bahninnenradius 7. Aufgrund des geraden Ablegepfads 4 kommt es dabei zur Entstehung keilförmiger Spalte 8 mit geraden oder gekrümmten Flanken. Die konstante Ablegebreite 3 der Ablegeeinheit 2 ergibt sich gemäß 1A aus der Anordnung einer Schar 2 von sechzehn Faserbändchen 5, einer sogenannten 16-Tow-Anordnung.
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Die durch ein solches Verfahren entstehende zumindest zum Teil bogenförmige, mehr oder weniger aufgefächerte ebene Faserlage lässt sich nicht nur mittels eines profilfolgenden Faserkoordinatensystems sondern auch mit einem oder mehreren polaren Faserkoordinatensystemen beschreiben, wie in 1B gezeigt. Wie in 1B gezeigt, ist die Definition des lokalen Faserwinkels φ abhängig von der Lage des jeweils betrachteten Punktes P im polaren Faserkoordinatensystem, der seinerseits durch einen Polarwinkel α und einen Radius r definiert ist. Ein Faserwinkel von φ = 0° entspricht dabei der tangetialen Richtung am jeweiligen Punkt P, ein 90°-Faserwinkel entspricht am Punkt P der radialen Richtung am Punkt P des polaren Koordinatensystems. Alle weiteren Faserorientierungen ergeben sich entsprechend daraus. Das Beschreibungsmodell des polaren Faserkoordinatensystems lässt sich zumindest lokal anwenden, wobei für die gesamte bogenförmige Faserlage nicht dasselbe Polarkoordinatensystem gelten muss, zum Beispiel im Falle von Sprüngen im Radius der Bogenform. Die 1B stellt schematisch die Anordnung einer Faserlage aus Ablegeeinheiten mit einem konstanten Faserwinkel φ mit 0 ° < φ < 90 ° dar, zum Beispiel φ = 45 °. Die 1B zeigt, dass sich auch bei einem konstanten Faserwinkel φ in diesem Bereich eine leichte Krümmung des Ablegepfads 4 ergibt und sich dennoch Spalte 8 zwischen den jeweils benachbarten Ablegeeinheiten 2 beziehungsweise Faserbändchen-Scharen 2 bilden.
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Die 1C zeigt eine ebene, bogenförmige, aufgefächerte Faserlage nach dem Stand der Technik in einem Polarwinkelabschnitt Dα eines Polarkoordinatensystems, wobei die Faserlage im Polarkorrdinatensystem einen Innenradius rinnen und einen Außenradius raußen aufweist. Die Faserausrichtung jeder Faserschar 2 entspricht einem Faserwinkel von 90°. Eine Faserschar 2 wird gebildet durch eine Schar 2 separater, parallel angeordenter Faserbändchen, was einer Ablegeeinheit 2 im Verfahren zur Ablage entspricht. Die Faserscharbreite 3 entspricht daher auch der Ablegebreite 3. Gemäß der 1C ist der Ablegepfad 4 nicht gekrümmt, das heißt der Faserwinkel in einer Faserschar bleibt konstant, im gezeigten Beispiel 90 °. Die Spalte 8 treten bei solchen bogenförmigen Faserlagen aufgrund der Auffächerung der 90° -Faserorientierung der einzelnen Faserscharen 2 und der zunehmenden Bogenlänge der Faserlage 1 vom Innen- zum Außenradius auf. Dies ist bei allen Faserorientierungen mit φ > 0° bei einem konstanten Faserwinkel entlang des Ablegepfades 4 der Fall.
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Die Bildung der Spalte 8 ist ein wesentlicher Nachteil bei der Herstellung gekrümmter Faserverbundwerkstoff-Laminate auf AFP-Anlagen. Solche Spalte 8 sind bei der Herstellung eines gekrümmten Bauteiles aus kohlestofffaserverstärktem Kunststoff (CKF) unter Umständen nicht gewollt und die Herstellung solcher Bauteile folglich auf diesem Wege nicht möglich.
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Nach dem Stand der Technik werden die dadurch auftretenden Spalte im Wesentlichen minimiert, indem die Breite der Faserbahnen 2 beziehungsweise Ablegeeinheiten 2 reduziert wird. Um diese Spalte 8 möglichst klein zu halten, ist eine sehr geringe Ablegebreite 3 vonnöten und damit eine ineffiziente, weil kleinteiligere Ablage, wie in 2, in Bereich A zu sehen, in der die Ablegeeinheit 2 eine Ablegebreite 3A von jeweils zwei Faserbändchen 5 (2-Tow-Anordnung) und nur kleine Spalte 8A aufweist. Die 2 zeigt eine Auffächerung einer 90°-Fadenlage mit unterschiedlicher Feinheit gemäß dem Stand der Technik. Im Bereich B umfasst eine Ablegeeinheit 2 acht Faserbändchen 5 (8-Tow-Anordnung), wobei es durch die Krümmung zwischen den Ablegeeinheiten 2 zur Bildung von größeren Spalten 8B kommt. Die Nachteile dieses Standes der Technik bestehen zum einen in einem hohen Fertigungsaufwand und zum anderen bleibt auch die Summe aller Spaltbreiten in der aufgefächerten Faserlage unverändert.
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Die 3 zeigt schematisch die Ablage einer aufgefächerten Faserlage 1, wobei das erfindungsgemäße Prinzip der größer werdenden Hypotenuse 9 angewandt wird. Es handelt sich bei der Hypotenuse um die einem rechten Winkel gegenüberliegende Strecke in einem rechtwinkligen Dreieck mit Ankathete, Gegenkathete und dem jeweiligen Faserwinkel φ als Innenwinkel. Der jeweils aktuelle Faserwinkel φ bestimmt dabei die Richtung der Ankathete, so dass die Ankathete der aktuellen Faserorientierung an einem Punkt der Faserschar entspricht. Die Länge der Gegenkathete entspricht der konstanten Ablegebreite 3. Die Ablegebreite wird immer senkrecht zur aktuellen Faserorientierung gemessen und bildet mit der Faserorientierung den rechten Winkel, dem die Hypotenuse gegenüberliegt. Der Ausgleich der größeren Bogenlänge am Bahnaußenradius 6 gegenüber der kleineren Bogenlänge am Bahninnenradius 7 erfolgt erfindungsgemäß durch eine Krümmung beziehungsweise Biegung des Ablegepfads 4, auch Krümmungskurs 4 genannt. Dies muss in der Weise erfolgen, dass der Faserwinkel φ nach außen, das heißt vom Bahninnenradius 7, wo der Faserwinkel φ vorliegt, zum Bahnaußenradius 6 hin, wo der Faserwinkel φ2 vorliegt, abnimmt, so dass die tangential zur Bahn liegende Hypotenuse 9 der Faserbändchen-Schar 2 beziehungsweise Ablegeeinheit 2 exakt die größere Bogenlänge am Bahnaußenradius 6 ausgleicht. Das heißt, dass die Hypotenuse 9b am Bahnaußenradius 6 größer ist als die Hypotenuse 9a am Bahninnenradius 7. Diese Krümmung/Biegung des Ablegepfades 4 ist nicht zu verwechseln mit der in 1B schematisch dargestellten leichten Krümmung des Ablegepfades 4, die bei Ablegeeinheiten 2 in einer entlang einer gekrümmten Bahn verlaufenden Faserlage auftritt, wenn der konstante Faserwinkel einen Wert φ > 0° und φ < 90 ° aufweist und die nicht zur Kompensation der Spalte zwischen den jeweils benachbarten Ablegeeinheiten 2/Faserbändchen-Scharen 2 führt.
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Die 4 zeigt schematisch eine Faserlage 1 mit einer 16-Tow-Anordnung, das heißt, es werden jeweils Scharen 2 von sechzehn Faserbändchen 5 als Ablegeeinheiten 2 nacheinander abgelegt, wobei der Ablegepfad 4 derart gekrümmt ist, dass der Faserwinkel nach außen hin abnimmt, so dass die im Vergleich zur Bogenlänge am Bahninnenradius 7 am Bahnaußenradius 6 größere Bogenlänge ausgeglichen wird, während die Ablegebreite 3 innerhalb einer Ablegeeinheit 2 konstant bleibt.
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Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Ablage einer gekrümmten 90°-Faserlage 1. Die entlang einer Bahn 1 gekrümmte Faserlage 1 weist an der längeren Seite der Bahn 1 in regelmäßigen Abständen Ausnehmungen 10 auf. Die Erfindung stellt einen Weg zur Erhöhung der Ablegebreite bei einer Spaltbreite unter 2,5 mm dar. Es erfolgt bei dieser 90°-Faserlage ebenfalls eine bogenförmige Ablage, wobei die Krümmung von einander benachbarten Ablegeeinheiten 2 entgegengesetzt erfolgt. Auf diese Weise können zwei Spalt-Arten, das heißt, zwei verschiedene Spaltenarten, entstehen. Linsenförmige Spalte 11 haben ein Maximum in der Mitte und gehen nach außen gegen Null. Trichterförmige Spalte 12 starten schmal im Innenbogen und wachsen dann.
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Zudem umfasst die Faserlage 1 gemäß 5 auch gerade Ablegeeinheiten 2a, das heißt Ablegeeinheiten 2a mit geradem Ablegepfad.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Verteilung der verschiedenen Spaltenarten 11, 12 auf die Geometrie folgendermaßen:
- Die linsenförmigen Spalte 11 werden annähernd mittig zwischen den Ausnehmungen 10 platziert. Dieser Bereich wird auch Außenflanschbereich 13 bezeichnet. Die Ablegebreite 3 wird so gewählt, dass die Faserlage 1 im Bereich ihrer Normalbreite, der sogenannte Außenflanschbereich 13, vollständig überdeckt wird.
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Der Bereich der Ausnehmungen 10 wird dagegen teilweise mit schmalen, zum Teil auch geraden Ablegeeinheiten 2a versehen. Die Ablegebreite 3 wird dabei so angepasst, dass für den nächsten Außenflanschabschnitt die linsenförmigen Spalte 11 wieder annähernd mittig platziert werden können und eine Ablegebreite 3 derart gewählt werden kann, dass der Außenflanschbereich 13 vollständig überdeckt wird. Zwischen den Ablegeeinheiten 2 des Außenflanschbereichs 13 und den benachbarten Ablegeeinheiten 2a des Bereichs der Ausnehmungen 10, ebenso teilweise zwischen den Ablegeeinheiten 2a im Bereich der Ausnehmungen 10, sind jeweils trichterförmige Spalte 12 ausgebildet. Teilweise sind im Bereich der Ausnehmungen auch Ausgleichsfadenbändchen 14 (Ausgleichs-Tows 14) vorgesehen.
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Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in einer Reduzierung der Maschinenpfade, einer schnellen Ablage der 90°-Faserlage und einer geringen Spaltbreite.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (aufgefächerte) Faserlage, Faserschicht
- 1'
- Bahn
- 2
- Ablage, Ablegeeinheiten, Schar
- 3
- Ablegebreite
- 4
- Ablegepfad, Krümmungskurs
- 5
- Faserbändchen, Tow
- 6
- Bahnaußenradius
- 7
- Bahninnenradius
- 8
- Spalt
- 9
- Hypotenuse
- 9a
- Hypotenuse (am Bahninnenradius 7)
- 9b
- Hypotenuse (am Bahnaußenradius 6)
- 10
- Ausnehmungen
- 11
- linsenförmiger Spalt
- 12
- trichterförmiger Spalt
- 13
- Außenflanschbereich
- 14
- Ausgleichsfadenbändchen
- φ
- Faserwinkel
- φ1
- Faserwinkel (am Bahninnenradius 7)
- φ2
- Faserwinkel (am Bahnaußenradius 6)
