DE102017011461A1 - Method for producing a component from a fiber structure and component from a fiber structure - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (17) aus einer Faserstruktur, wobei ein Faserstrang (19) mittels einer Faserführungseinrichtung (15) geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung (3) abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung (3) eine Halteplatte (5) mit einer Mehrzahl von Stützelementen (7) und einer Mehrzahl von Umlenkelementen (9) aufweist, wobei die Stützelemente (7) an der Halteplatte (5) angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente (9) an der Halteplatte (5), an den Stützelementen (7) und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang (19) um die Umlenkelemente (9) entlang eines Wickelpfades abgelegt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Faserstrang (19) um jedes der Umlenkelemente (9) mindestens einmal vollständig umschlauft wird.The invention relates to a method for producing a component (17) from a fiber structure, wherein a fiber strand (19) is guided by means of a fiber guiding device (15) and deposited on a fiber depositing device (3), the fiber depositing device (3) comprising a holding plate (5). with a plurality of support elements (7) and a plurality of deflection elements (9), wherein the support elements (7) on the holding plate (5) are arranged, wherein the deflection elements (9) on the holding plate (5), on the support elements ( 7) and / or are arranged relative to each other in a certain spatial arrangement, and wherein the fiber strand (19) is deposited around the deflecting elements (9) along a winding path. The method is characterized in that the fiber strand (19) is completely looped around each of the deflection elements (9) at least once.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur, sowie ein Bauteil aus einer Faserstruktur.The invention relates to a method for producing a component from a fiber structure, as well as a component of a fiber structure.
Bekannt sind Wickelverfahren, bei denen ein Faserstrang mittels eines Roboters um einen Wickelkern gewickelt wird, wodurch eine 2-dimensionale Fachwerkstruktur entsteht. Die Struktur wird anschließend ausgehärtet, wonach der Wickelkern entfernt wird oder in der Struktur verbleibt. Des Weiteren ist es bekannt 3-dimensionale Fachwerkstrukturen ohne Wickelkern zu konzipieren, wobei der Faserstrang um an unterschiedlich hohen Passbolzen angeordnete Hülsen gewickelt wird, welche als Umlenkpunkte für den Faserstrang dienen. Die Passbolzen werden nach Erhalt der Fachwerkstruktur entfernt, während die Hülsen in der Struktur verbleiben und als Anbindungspunkte für Anbauteile fungieren können.Wrapping methods are known in which a fiber strand is wound around a winding core by means of a robot, whereby a 2-dimensional framework structure is created. The structure is then cured, after which the winding core is removed or remains in the structure. Furthermore, it is known to design 3-dimensional truss structures without a winding core, wherein the fiber strand is wound around sleeves arranged at different high pass bolts, which serve as deflection points for the fiber strand. The dowel pins are removed upon receipt of the truss structure, while the sleeves remain in the structure and act as attachment points for attachments.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Diese Verfahren sind allerdings im Hinblick auf die Stabilität, die Tragfähigkeit und die Belastbarkeit der dadurch herstellbaren Bauteile verbesserungsfähig. Dies gilt insbesondere beim Herstellen eines Faserverbundbauteils, das zum Zweck der Gewichtsersparnis bisher verwendete Bauteile aus Metall oder Metall-Legierungen ersetzen soll. So bestehen beispielsweise Getriebeträger derzeit häufig aus Aluminium-Magnesium Feinguss, da diese Bauteile hohen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise müssen die Bauteile bei einem Unfall hohe Lasten aufnehmen und sind dementsprechend sowohl kosten- als auch gewichtsintensive Bauteile, was insbesondere bei Sport- und Rennwagen, aber auch Elektrofahrzeugen, ein entscheidender Faktor ist.However, these methods can be improved in terms of the stability, the load capacity and the load capacity of the components that can be produced thereby. This is especially true in the manufacture of a fiber composite component, which is to replace the previously used components made of metal or metal alloys for the purpose of weight savings. For example, currently transmission carriers are often made of aluminum-magnesium precision casting, since these components are exposed to high loads. For example, the components must absorb high loads in an accident and are therefore both cost and weight-intensive components, which is a decisive factor especially in sports and racing cars, but also electric vehicles.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.The invention is therefore based on the object to provide a method for producing a component from a fiber structure, wherein said disadvantages do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur geschaffen wird, wobei ein Faserstrang durch eine Faserführungseinrichtung geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung eine Halteplatte mit einer Mehrzahl von Stützelementen und einer Mehrzahl von Umlenkelementen aufweist, wobei die Stützelemente an der Halteplatte angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente an der Halteplatte, an den Stützelementen und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang um die Umlenkelemente entlang eines Wickelpfads abgelegt wird. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang um jedes der Umlenkelemente mindestens einmal vollständig umschlauft wird. Auf diese Weise wird letztlich das Bauteil aus einer Faserstruktur erhalten. Die Stützelemente werden dabei derart entfernt, dass die Umlenkelemente zumindest teilweise in der Faserstruktur verbleiben. Durch das Umschlaufen der Umlenkelemente wird der Faserstruktur eine höhere Tragkraft verliehen.The object is achieved in particular by providing a method for producing a component from a fiber structure, wherein a fiber strand is guided through a fiber guiding device and deposited on a Faserablegeeinrichtung, wherein the Faserablegeeinrichtung has a holding plate with a plurality of support elements and a plurality of deflection elements, wherein the support elements are arranged on the holding plate, wherein the deflecting elements are arranged on the holding plate, on the support elements and / or each other in a certain spatial arrangement relative to each other, and wherein the fiber strand is deposited around the deflecting elements along a winding path. The method is characterized in particular in that the fiber strand is completely looped around each of the deflection elements at least once. In this way, the component is ultimately obtained from a fiber structure. The support elements are removed in such a way that the deflection elements remain at least partially in the fiber structure. By looping the deflection of the fiber structure is given a higher load capacity.
Die Faserablegeeinrichtung kann als ein Baukastensystem ausgebildet sein, welches den flexiblen Aufbau einer 3-dimensionalen Anordnung von Umlenkelementen ermöglicht. Dabei können die Umlenkelemente flexibel oder fest an der Halteplatte angeordnet werden, wobei die Stützelemente insbesondere verwendet werden können, um die Umlenkelemente von der Halteplatte zu beabstanden und so eine dritte Dimension zu der Ebene der Halteplatte zu ermöglichen. Es kommen vorzugsweise verschieden ausgebildete Umlenkelemente sowie verschieden lange Stützelemente zum Einsatz, um mit größtmöglicher Flexibilität verschiedene 3-dimensionale Fachwerkstrukturen wickeln zu können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein Umlenkelement einen zylindersymmetrischen Hohlkörper mit einer Mehrzahl radial angeordneter Passstifte aufweist, wobei diese Passstifte den Faserstrang in eine dritte Dimension, insbesondere aus einer Ebene heraus umlenken können. Mithilfe der verschieden ausgestalteten Umlenkelemente ist es möglich, dass der Faserstrang direkt einem zu erwartenden Lastpfad in dem späteren Bauteil folgen kann, ohne zusätzliche Umlenkungen zu erfahren. Die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente werden bevorzugt durch eine Steckverbindung oder eine Schraubverbindung mit der Halteplatte verbunden. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stützelemente als Gewindestifte ausgebildet sind, die an der Halteplatte befestigt werden. Bevorzugt werden die Umlenkelemente auf die Stützelemente aufgesteckt, so dass die Umlenkelemente nach Erhalt des Bauteils leicht von den Stützelementen entfernt werden können. Bevorzugt werden die Umlenkelemente auf die Stützelemente geschraubt.The Faserablegeeinrichtung can be designed as a modular system, which allows the flexible construction of a 3-dimensional arrangement of deflection. In this case, the deflecting elements can be arranged flexibly or firmly on the holding plate, wherein the supporting elements can be used in particular to space the deflecting elements of the holding plate and thus to allow a third dimension to the plane of the holding plate. It comes preferably differently designed deflecting elements and variously long support elements are used in order to be able to wind various 3-dimensional framework structures with the greatest possible flexibility. It is preferably provided that at least one deflection element has a cylindrically symmetrical hollow body with a plurality of radially arranged dowel pins, wherein these dowel pins can deflect the fiber strand into a third dimension, in particular out of a plane. By means of the diversely configured deflection elements, it is possible that the fiber strand can directly follow an expected load path in the later component, without experiencing additional deflections. The deflection elements and / or the support elements are preferably connected by a plug connection or a screw connection with the retaining plate. It is preferably provided that the support elements are designed as threaded pins which are fastened to the retaining plate. Preferably, the deflecting elements are attached to the support elements, so that the deflecting elements can be easily removed from the support elements after receipt of the component. Preferably, the deflection elements are screwed onto the support elements.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, fachwerkartig gewickelte und somit komplexe, sowie extrem leichte 3-dimensionale Strukturbauteile aus einer Faserstruktur herzustellen, welche dem Bauteil aus der Faserstruktur eine höhere Tragkraft verleihen, also Bauteile mit einer besonders leichten Bauform, die gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweisen. Der Faserstrang kann entlang von zu erwartenden Lastpfaden des Bauteils abgelegt werden. Hierdurch werden Druckkräfte und Zugkräfte übertragen, die die Tragkraft signifikant erhöhen. Die Umschlaufung fixiert zudem die Zwischenlagen am Krafteinleitungspunkt, zudem kann man bei weit auseinanderliegenden Anbindungspunkten, insbesondere den Umlenkelementen, durch Umschlaufung eines Umlenkelements mechanisch widerstandsfähige Strangverläufe erhalten, die außerhalb der geodätischen Linie liegen. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Faserstrukturen mit einer optimalen Topologie entlang von Hauptlastpfaden. Der Faserstrang kann unidirektional entlang von Zug-Druck-Bereichen orientiert werden. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verwendung einfacher Werkzeuge, beispielsweise von Stützelementen und Umlenkelementen, sehr kostengünstig. Vorteilhafterweise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, ein Bauteil aus einer Faserstruktur zu schaffen, das höchste mechanische Beanspruchung besteht, insbesondere geringe Verformung aufweist. Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fachwerkartige Strukturen hergestellt werden, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere deren Festigkeit, deren Belastbarkeit und deren Verformbarkeit, es ermöglichen, bisherige schwerere Bauteile, insbesondere Bauteile aus Guss, zu ersetzen.With the aid of the method according to the invention, it is possible, in particular, to produce trussed and thus complex, and extremely lightweight 3-dimensional structural components made of a fiber structure, which give the component from the fiber structure a higher load-bearing capacity, ie components with a particularly lightweight design, which at the same time have a high structural integrity Have stability. The fiber strand can be deposited along expected load paths of the component. As a result, compressive forces and tensile forces are transmitted, which significantly increase the load capacity. The loop also fixes the intermediate layers at the force introduction point, in addition can be obtained at widely spaced connection points, in particular the deflection, by looping a deflector mechanically resistant strand courses, which lie outside the geodesic line. Advantageously, the method according to the invention makes it possible to produce fiber structures with an optimal topology along main load paths. The fiber strand can be unidirectionally oriented along tensile-pressure areas. Advantageously, the method according to the invention by the use of simple tools, such as supporting elements and deflecting elements, very inexpensive. Advantageously, the method according to the invention makes it possible to create a component from a fiber structure which has the highest mechanical stress, in particular low deformation. Advantageously, truss-like structures can be produced with the method according to the invention, whose mechanical properties, in particular their strength, their load capacity and their deformability, make it possible to replace previous heavier components, in particular components made of cast iron.
Die Stützelement sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Umlenkelemente relativ zu einer Grundebene vertikal beabstandet werden. Unter einem Stützelement wird insbesondere ein Passbolzen verstanden.The support elements are preferably designed such that the deflection elements are spaced vertically relative to a ground plane. Under a support member is understood in particular a dowel pin.
Die Umlenkelemente können verschieden ausgestaltet sein. Unter einem Umlenkelement wird insbesondere eine Hülse verstanden, insbesondere eine mit einem Lochmuster versehene Hülse. Vorzugsweise werden die Umlenkelemente auf einer Halteplatte montiert, welche den Abstand der Umlenkelemente relativ zueinander fest definiert. Vorzugsweise werden die Umlenkelemente zumindest teilweise durch die Passbolzen gestützt, insbesondere um ein Biegemoment, welches durch die Ablage des Faserstrangs entsteht, ohne relevante plastische oder elastische Verformung aufzunehmen. Die Umlenkelemente sind derart eingerichtet, dass der Faserstrang innerhalb einer Wickelebene oder auch aus der Wickelebene heraus in eine dritte Dimension umlenkbar ist. Vorzugsweise sind die Umlenkelemente aus einem Metall oder einer metallischen Legierung gebildet.The deflecting elements can be designed differently. A deflection element is understood in particular to mean a sleeve, in particular a sleeve provided with a hole pattern. Preferably, the deflecting elements are mounted on a holding plate, which defines the distance between the deflecting elements relative to each other. Preferably, the deflecting elements are at least partially supported by the fitting bolts, in particular to a bending moment, which results from the filing of the fiber strand, without relevant plastic or elastic deformation absorb. The deflection elements are set up such that the fiber strand can be deflected within a winding plane or out of the winding plane into a third dimension. Preferably, the deflecting elements are formed from a metal or a metallic alloy.
Vorzugsweise werden die Stützelemente und/oder die Umlenkelemente aus einem 3D-gedruckten Spulenkörper gebildet. Durch den Einsatz des 3D-Drucks ist die Herstellung der Stützelemente und/oder der Umlenkelemente wesentlich flexibler und es wird die Herstellung komplexerer Formen ermöglicht, die besonders vorteilhaft für den Wickelprozess und die Herstellung des Bauteils sind.Preferably, the support elements and / or the deflection elements are formed from a 3D-printed bobbin. Through the use of 3D printing, the production of the support elements and / or the deflection elements is much more flexible and it is possible to produce more complex shapes, which are particularly advantageous for the winding process and the manufacture of the component.
Vorzugsweise weisen die Umlenkelemente Bohrungen auf, in denen Passstifte angeordnet sind, durch die der Faserstrang eingefädelt und/oder auf die der Faserstrang abgelegt wird. Vorteilhafterweise verhindern die Passstifte das Verrutschen des Faserstrangs nach dessen Ablage und verhindern während der Fertigung die Verformung der Umlenkelemente und der Faserstruktur, so dass die Wandstärke der Umlenkelemente auf ein Minimum reduziert werden kann, und ein formstabiles Bauteil aus einer Faserstruktur erhalten wird.Preferably, the deflection elements have bores in which dowel pins are arranged through which the fiber strand is threaded and / or onto which the fiber strand is deposited. Advantageously, the dowel pins prevent the slippage of the fiber strand after its deposition and prevent the deformation of the deflecting elements and the fiber structure during manufacture, so that the wall thickness of the deflecting elements can be reduced to a minimum, and a dimensionally stable component is obtained from a fiber structure.
Nachdem der Faserstrang um die Umlenkelemente entlang eines Wickelpfads abgelegt wurde, wird das Bauteil entfernt, so dass das Bauteil erhalten wird. Vorzugsweise wird die Faserstruktur ausgehärtet, bevor das Bauteil entfernt wird, insbesondere durch Abkühlen oder Druckluft, und/oder die Faserstruktur härtet sich nach einer bestimmten Zeit von selbst. Die noch feuchte, insbesondere noch nicht ausgehärtete, Faserstruktur des Bauteils kann von der Halteplatte zum Aushärten auf eine andere Vorrichtung transferiert werden, so dass auf der Halteplatte bereits die nächste Faserstruktur abgelegt werden kann.After the fiber strand has been deposited around the deflection elements along a winding path, the component is removed, so that the component is obtained. Preferably, the fiber structure is cured before the component is removed, in particular by cooling or compressed air, and / or the fiber structure cures after a certain time by itself. The still moist, in particular not yet cured, fiber structure of the component can from the holding plate for curing to another Device are transferred so that the next fiber structure can already be stored on the holding plate.
Vorzugsweise wird der Faserstrang zumindest abschnittsweise mittels einer Zange und/oder einem Schlauch, insbesondere einem Strumpfschlauch, kompaktiert, so dass die Biegefestigkeit des Faserstrangs weiter erhöht wird.Preferably, the fiber strand is at least partially compacted by means of a pair of pliers and / or a hose, in particular a sock, so that the bending strength of the fiber strand is further increased.
Vorzugsweise wird der Faserstrang mittels eines Roboters gewickelt, insbesondere durch eine vollautomatische Ablage des Faserstrangs, wodurch ein hoher Massendurchsatz und eine hohe Reproduzierbarkeit erhalten wird.Preferably, the fiber strand is wound by means of a robot, in particular by a fully automatic deposition of the fiber strand, whereby a high mass flow rate and a high reproducibility is obtained.
Als Faserstrang, also Fasermaterial, wird bevorzugt ein Endlosfasermaterial verwendet. Dabei kann es sich um Einzelfasern, aber auch um Faserbündel, insbesondere sogenannte Rovings, handeln. Als Fasermaterial kommen insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern, Keramikfasern, Naturfasern, Metallfasern, aber auch andere Fasern oder Kombinationen solcher Fasermaterialien in Frage. Insbesondere können als Fasermaterial auch Hybridrovings verwendet werden, welche vorzugsweise Verstärkungsfasern aus wenigstens einem der zuvor genannten Fasermaterialien sowie Matrixfasern aufweisen, wobei die Matrixfasern ein Matrixmaterial, insbesondere einen Kunststoff, aufweisen, oder aus einem solchen Matrixmaterial bestehen. Vorzugsweise ist der Faserstrang aus einem hohlen, geflochtenen oder geflechtbasierten Halbzeug gebildet, so dass der Leichtbaugrad weiter erhöht wird.As a fiber strand, ie fiber material, an endless fiber material is preferably used. These may be single fibers, but also fiber bundles, in particular so-called rovings. As fiber material in particular carbon fibers, glass fibers, ceramic fibers, natural fibers, metal fibers, but also other fibers or combinations of such fiber materials in question. Hybrid fiber rovings which preferably comprise reinforcing fibers of at least one of the abovementioned fiber materials and also matrix fibers may be used as fiber material, wherein the matrix fibers comprise a matrix material, in particular a plastic, or consist of such a matrix material. Preferably, the fiber strand is formed from a hollow, braided or braid-based semi-finished product, so that the degree of lightweight construction is further increased.
Die Faserablegeeinrichtung ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung raumfest angeordnet, das heißt nicht verlagerbar gehalten. Bevorzugt ist nur die Faserführungseinrichtung, insbesondere das Führungsmittel, verlagerbar, wobei es insbesondere relativ zu der Faserablegeeinrichtung verlagert werden kann, um das Fasermaterial in definierter Weise und insbesondere entlang vorbestimmter Wickelpfade an der Faserablegeeinrichtung abzulegen. Dadurch bedarf es lediglich einer Verlagerungseinrichtung für das Führungsmittel, jedoch keiner zusätzlichen Verlagerungseinrichtung für die Faserablegeeinrichtung. In einer anderen Ausgestaltung ist auch die Faserablegeeinrichtung verlagerbar gehalten, so dass grundsätzlich auch die hier vorgeschlagene Vorrichtung insbesondere mit zwei kooperierenden Robotern ausgestattet werden kann. Die Faserablegeeinrichtung ermöglicht einen einfachen Aufbau, insbesondere in Form eines Baukastensystems, mit dem quasi beliebige 3-dimensionale Fachwerkstrukturen wickelbar sind.The Faserablegeeinrichtung is spatially fixed in a preferred embodiment of the device, that is kept not displaced. Preferably, only the fiber guide device, in particular the guide means, displaceable, wherein it can be displaced in particular relative to the Faserablegeeinrichtung to deposit the fiber material in a defined manner and in particular along predetermined winding paths on the Faserablegeeinrichtung. This requires only a displacement device for the guide means, but no additional displacement device for the Faserablegeeinrichtung. In another embodiment, the Faserablegeeinrichtung is kept displaced, so that in principle also the device proposed here can be equipped in particular with two cooperating robots. The Faserablegeeinrichtung allows a simple structure, in particular in the form of a modular system with which virtually any 3-dimensional framework structures can be wound.
Das Ablegen des Faserstrangs erfolgt insbesondere mittels eines Wickelverfahrens. Als Wickelelemente kommen dabei vorzugsweise eine Mehrzahl von Umlenkelementen und/oder Stützelementen zur Anwendung, wobei die Umlenkelemente und/oder Stützelemente in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet werden, wobei die Stützelemente insbesondere Umlenkelemente tragen und dazu dienen, von den Stützelementen getragene Umlenkelemente relativ zu der Halteplatte, auf welcher die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente angeordnet sind, in vertikaler Richtung zu beabstanden. Dabei können insbesondere verschieden lange Stützelemente verwendet werden, um verschiedene vertikale Abstände zu erhalten.The laying of the fiber strand is done in particular by means of a winding process. As winding elements, preferably a plurality of deflecting elements and / or supporting elements are used, wherein the deflecting elements and / or supporting elements are arranged in a certain spatial arrangement relative to each other, wherein the support elements in particular carry deflecting elements and serve, supported by the support elements deflection relative to the Holding plate on which the deflecting elements and / or the support elements are arranged to space in the vertical direction. In particular, different length support elements can be used to obtain different vertical distances.
Der vorbestimmte Wickelpfad legt insbesondere fest, in welcher Reihenfolge und auf welche Weise die Umlenkelemente umwickelt werden, wobei der vorbestimmte Wickelpfad bevorzugt so gewählt ist, dass der Faserstrang entlang von Lastpfaden des herzustellenden Bauteils verlegt wird. Auf diese Weise kann eine extrem leichte aber auch besonders stabile 3-dimensionale Fachwerkstruktur erhalten werden.The predetermined winding path determines, in particular, in which order and in which way the deflection elements are wrapped, wherein the predetermined winding path is preferably selected such that the fiber strand is laid along load paths of the component to be produced. In this way, an extremely light but also very stable 3-dimensional truss structure can be obtained.
Die Faserstruktur weist bevorzugt ein Matrixmaterial auf. Das Matrixmaterial weist bevorzugt wenigstens einen Kunststoff auf oder besteht aus wenigstens einem Kunststoff, insbesondere einem Harz. Das Matrixmaterial kann zugleich mit dem Faserstrang abgelegt werden, beispielsweise indem ein Faserstrang verwendet wird, der sowohl Verstärkungsfasern als auch Matrixfasern aufweist, oder indem ein Faserstrang verwendet wird, welcher mit einem Matrixmaterial getränkt ist. Es ist aber auch möglich, dass das Matrixmaterial nachträglich, das heißt nach dem Wickelprozess, auf den Faserstrang aufgebracht und/oder eingebracht wird, beispielsweise durch Infiltrieren, Imprägnieren oder dergleichen. Das Bauteil aus einer Faserstruktur entsteht durch Aushärten des Matrixmaterials, so dass dieses fest und stabil wird.The fiber structure preferably has a matrix material. The matrix material preferably has at least one plastic or consists of at least one plastic, in particular a resin. The matrix material can be deposited simultaneously with the fiber strand, for example by using a fiber strand having both reinforcing fibers and matrix fibers, or by using a fiber strand impregnated with a matrix material. But it is also possible that the matrix material subsequently, that is applied after the winding process, on the fiber strand and / or introduced, for example by infiltration, impregnation or the like. The component of a fiber structure is formed by curing the matrix material, so that it becomes solid and stable.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest teilweise mehrfach durchgeführt wird, wobei der Faserstrang in mehreren Lagen abgelegt wird, so dass die Faserstruktur an diesen Stellen verstärkt wird.It is preferably provided that the inventive method is at least partially performed several times, wherein the fiber strand is deposited in a plurality of layers, so that the fiber structure is reinforced at these locations.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente zumindest teilweise in der fertig gewickelten Faserstruktur und dem erhaltenen Bauteil verbleiben, wobei sie insbesondere zur Anbindung weiterer benachbarter Bauteile an das Bauteil dienen können, insbesondere zur Anbindung des Bauteils an einen Motor und/oder ein Getriebe.It is preferably provided that the deflecting elements remain at least partially in the finished wound fiber structure and the resulting component, and in particular they can serve to connect further adjacent components to the component, in particular for connection of the component to a motor and / or a transmission.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente derart angeordnet werden, dass - insbesondere entlang des Wickelpfades aufeinanderfolgende - Abschnitte des Faserstrangs in einem Winkel von 40 bis 50° relativ zueinander verlaufen, bevorzugt 41 bis 49°, bevorzugt 42 bis 48°, bevorzugt 43 bis 47°, insbesondere bevorzugt 45°. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to one embodiment of the invention, it is provided that the deflecting elements are arranged such that - in particular along the winding path successive - sections of the fiber strand at an angle of 40 to 50 ° relative to each other, preferably 41 to 49 °, preferably 42 to 48 °, preferably 43 to 47 °, particularly preferably 45 °. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente in axialer Richtung nach oben und unten durch insbesondere scheibenförmige Begrenzungselemente begrenzt werden. Die scheibenförmigen Begrenzungselemente ermöglichen zum einen einen festen Sitz des Faserstrangs in den Umlenkelementen und der Faserstruktur, insbesondere da dieser nicht nach oben oder unten verrutschen kann. Zum anderen tragen die Begrenzungselemente zur Stabilität, Tragfähigkeit und Belastbarkeit des erhaltenen Bauteils aus der Faserstruktur bei. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to one embodiment of the invention it is provided that the deflecting elements are limited in the axial direction upwards and downwards by particular disk-shaped limiting elements. The disk-shaped limiting elements allow for a tight fit of the fiber strand in the deflecting elements and the fiber structure, in particular because this can not slip up or down. On the other hand, the limiting elements contribute to the stability, load capacity and load capacity of the resulting component from the fiber structure. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Vorzugsweise bilden die Umlenkelemente, insbesondere die Hülsen, mit den Passstiften eine Fuge, bevorzugt zwischen den Begrenzungselementen der Umlenkelemente und den Passstiften, so dass der Faserstrang kompaktierbar ist, wobei insbesondere mehrere Faserstränge gebündelt werden können, und ein Gesamtstrang mit nahezu kreisförmigem Durchschnitt ausbildbar ist. Dadurch wird eine Verflachung oder Auffächerung der Faserstruktur verhindert, die sich nachteilig auf die Stabilität des Bauteils auswirkt. Vorzugsweise ist mindestens ein Begrenzungselement der Umlenkelemente beweglich ausgebildet, so dass der Abstand in axialer Richtung zwischen dem oberen und dem unteren Begrenzungselement verringert werden kann, bevorzugt während und/oder nach dem Wickelprozess. Vorzugsweise kann der Faserstrang durch Klammern oder andere insbesondere formschlüssig angreifende Werkzeuge kompaktiert werden.Preferably, the deflection elements, in particular the sleeves, with the dowel pins form a joint, preferably between the delimiting elements of the deflection elements and the dowel pins, so that the fiber strand can be compacted, wherein in particular a plurality of fiber strands can be bundled, and a total strand with a nearly circular average can be formed. As a result, a flattening or fanning of the fiber structure is prevented, which adversely affects the stability of the component. Preferably, at least one limiting element of the deflection elements is designed to be movable, so that the distance in the axial direction between the upper and the lower limiting element can be reduced, preferably during and / or after the winding process. Preferably, the fiber strand can be compacted by staples or other particular form-locking attacking tools.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements angeordnet wird. Bevorzugt werden mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier Umlenkelemente derart angeordnet.According to one embodiment of the invention, it is provided that at least one deflecting element is arranged in the axial direction above a deflecting element which follows the winding path. At least two, preferably at least three, preferably at least four deflecting elements are preferably arranged in such a way.
Vorzugsweise ist eine alternierende oder zumindest teilweise alternierende Anordnung der Umlenkelemente in axialer Richtung oberhalb und unterhalb eines jeweils entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements vorgesehen. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise. Vorteilhafterweise entsteht durch mindestens ein in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements angeordnetes Umlenkelement ein großer Hebel für die Druck- und Zuglastübertragung und damit ein verringertes Biegemoment bei Beanspruchung. Vorteilhafterweise kann der auf dieser Strecke entstehende diagonale Faserstrang dünner ausgelegt werden als die restlichen Abschnitte des Faserstrangs, was zu einer Gewichtsverringerung des Bauteils führt, ohne oder weitgehend ohne Einbußen in der Steifigkeit und der Festigkeit des Bauteils.Preferably, an alternating or at least partially alternating arrangement of the deflecting elements in the axial direction above and below each provided along the winding path deflecting element is provided. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way. Advantageously, by at least one deflection element arranged in the axial direction above a deflection element following the winding path, a large lever is created for the pressure and tensile load transmission and thus a reduced bending moment under load. Advantageously, the diagonal fiber strand formed on this section can be made thinner than the remaining sections of the fiber strand, which leads to a weight reduction of the component, without or largely without sacrificing the rigidity and strength of the component.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faserstrang entlang des Wickelpfads alternierend oder zumindest abschnittsweise alternierend gekreuzt wird. Dadurch werden insbesondere mehrere Verbindungspunkte und kürzere Biegebalken in der Faserstruktur geschaffen, die dafür sorgen, dass die Fachwerkstruktur knicksteifer wird. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to one embodiment of the invention, it is provided that the fiber strand is alternately or alternately crossed at least in sections along the winding path. As a result, in particular a plurality of connection points and shorter bending beams are created in the fiber structure, which ensure that the truss structure becomes kink-resistant. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass in und/oder an der Faserstruktur Inserts angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Inserts formschlüssig und fasergerecht eingebunden. Vorzugsweise werden die Inserts durch den Faserstrang umschlauft, bevorzugt mindestens einmal, bevorzugt mindestens zweimal, bevorzugt mindestens dreimal, bevorzugt mindestens viermal, bevorzugt mindestens fünfmal, oder bevorzugt mindestens zehnmal. Vorteilhafterweise ermöglicht die Umschlaufung der Inserts die Übertragung von Druckkräften ohne Ablösung der Faserstränge von den Inserts. Vorteilhafterweise wird eine Rotation der Inserts in der Faserstruktur verhindert. Vorzugsweise sind die Inserts aus Metall beziehungsweise metallischen Legierungen, Kunststoff oder Faserstruktur gebildet. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to a development, it is provided that inserts are arranged in and / or on the fiber structure. The inserts are preferably incorporated in a form-fitting and functional way. Preferably, the inserts are looped through the fiber strand, preferably at least once, preferably at least twice, preferably at least three times, preferably at least four times, preferably at least five times, or preferably at least ten times. Advantageously, the looping of the inserts allows the transmission of compressive forces without detachment of the fiber strands from the inserts. Advantageously, a rotation of the inserts in the fiber structure is prevented. Preferably, the inserts are made of metal or metallic alloys, plastic or fiber structure. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente und/oder Inserts durch den Faserstrang mehrfach umschlauft werden, bevorzugt mindestens zweimal, bevorzugt mindestens dreimal, bevorzugt mindestens viermal, bevorzugt mindestens fünfmal, oder bevorzugt mindestens zehnmal. Durch die Umschlaufung der Umlenkelemente und/oder Inserts, insbesondere eine formschlüssige Umschlaufung, können Druckkräfte übertragen werden, wodurch eine Klebung der Fasern durch das Matrixmaterial an die Umlenkelemente und/oder Inserts des Faserstrangs verbessert wird. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to a further development, it is provided that the deflecting elements and / or inserts are looped around several times by the fiber strand, preferably at least twice, preferably at least three times, preferably at least four times, preferably at least five times, or preferably at least ten times. By wrapping the deflecting elements and / or inserts, in particular a positive loop, compressive forces can be transmitted, whereby an adhesion of the fibers is improved by the matrix material to the deflecting elements and / or inserts of the fiber strand. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Faserstruktur durch den Faserstrang ganz oder zumindest teilweise mehrlagig ausgebildet wird, bevorzugt zweilagig, bevorzugt dreilagig, bevorzugt vierlagig, bevorzugt fünflagig, oder bevorzugt zehnlagig. Vorzugsweise wird die Faserstruktur durch den Faserstrang abschnittsweise mehrlagig ausgebildet. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.According to one embodiment, it is provided that the fiber structure is formed by the fiber strand completely or at least partially multi-layer, preferably two-ply, preferably three-ply, preferably four-ply, preferably five-ply, or preferably ten ply. Preferably, the fiber structure is through the Fiber strand sections formed multi-layered. In this embodiment, the advantages already described realize in a special way.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Bauteil aus einer Faserstruktur geschaffen wird, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Im Zusammenhang mit dem Bauteil aus einer Faserstruktur verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is also achieved by providing a component of a fiber structure, which is produced by the method according to the invention. In connection with the component made of a fibrous structure, in particular the advantages which have already been explained in connection with the method are realized.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil ein Fahrzeugbauteil, ein Flugzeugbauteil, ein Bauteil für andere Flugkörper, beispielsweise Drohnen, ein Roboterbauteil oder ein Werkzeugbauteil ist, insbesondere ein Getriebeträger. Bei all diesen Bauteilen verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile, die bereits zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.According to a development of the invention, it is provided that the component is a vehicle component, an aircraft component, a component for other missiles, for example drones, a robot component or a tool component, in particular a transmission carrier. In all these components realize in a special way the benefits that have been previously described in connection with the process.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur, und -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils aus einer Faserstruktur.
-
1 a schematic representation of an embodiment of an apparatus for performing the method according to the invention for producing a component of a fiber structure, and -
2 a schematic representation of an embodiment of a component of a fiber structure.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils 17 aus einer Faserstruktur mit der Vorrichtung
Der Faserstrang
Die Umlenkelemente
Die Faserstruktur kann durch den Faserstrang
Die Umlenkelemente
In einer weiteren Ausführungsform können in die Faserstruktur Inserts angeordnet werden. Die Umlenkelemente
Insgesamt zeigt sich, dass durch das vorgeschlagene Verfahren komplexe 3-dimensionale Faserstrukturen besonderer Stabilität hergestellt werden können.Overall, it can be seen that the proposed method can produce complex 3-dimensional fiber structures of particular stability.
Das Bauteil
Das Bauteil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102013014032 A1 [0004]DE 102013014032 A1 [0004]
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