DE102017100621A1

DE102017100621A1 - Formstück

Info

Publication number: DE102017100621A1
Application number: DE102017100621.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Katzinger; Roman Gmeiner; Wolfgang Allerstorfer
Original assignee: Teufelberger GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19
Also published as: EP3568292A1; WO2018130640A1

Abstract

Zumindest teilweise hohles Formstück (1) und Verfahren zur Herstellung des hohlen Formstücks (1), wobei das zumindest teilweise hohle Formstück (1) einen in länglicher Ausrichtung zumindest teilweise geschlossenen Umfang aufweist, der zumindest eine äußere Schicht (3) und eine erste innere Schicht (2) umfasst. Die erste innere Schicht (2) ist innerhalb der äußeren Schicht (3) angeordnet, ist mit dieser dauerhaft verbunden und ist aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Die äußere Schicht (3) ist aus einem von faserverstärktem Kunststoff verschiedenen Material gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein zumindest teilweise hohles Formstück nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Formstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Es sind ganz allgemein Verfahren zur Herstellung von hohlen Formstücken bekannt, die aus faserverstärkten Kunststoff bestehen. Ausgangsmaterial solcher aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten hohlen Formstücke ist für gewöhnlich ein Fasermaterial, das eine oder mehrere Lagen Fasern aufweist, wobei die Fasern des Fasermaterials in verschiedenen Ausrichtungen, unidirektional, als Gewebe oder als Gelege vorliegen können. Das Fasermaterial ist entweder bereits mit einem Kunststoff vorimprägniert oder der Kunststoff wird in einem späteren Schritt vor einem Konsolidierungsprozess in das Fasermaterial zugeführt. Mit Kunststoff vorimprägnierte Fasermatten werden auch als „Prepreg“ bezeichnet. Der Kunststoff für derartige Formstücke ist in der Regel ein Kunststoff aus der Gruppe der Duroplaste oder Thermoplaste.
Zur Herstellung des hohlen Formstücks wird in einem ersten Schritt das Fasermaterial unter Bildung eines Hohlraums einlagig oder mehrlagig in ein Formwerkzeug eingeformt. In einem daran anschließenden Schritt wird mittels eines im Hohlraum über ein expandierbares Element aufgebrachten Drucks das Fasermaterial gegen das Formwerkzeug gepresst und je nach Ausgangsmaterial wird Kunststoff zum Fasermaterial zugeführt oder nicht. Das expandierbare Element kann zum Beispiel durch einen Kern und eine expandierbare Membran oder nur durch eine expandierbare Membran gebildet sein, wobei das expandierbare Element nach dem Einformen des Fasermaterials oder beim Einformen des Fasermaterials eingesetzt wird. In einem weiteren Schritt wird der Kunststoff zum Beispiel in einem Autoklaven konsolidiert. Nach dem Konsolidieren wird das Bauteil aus dem Formwerkzeug ausgeformt und je nach Verfahren und Fertigungstoleranzen nachbearbeitet. So ein Herstellungsverfahren bzw. ein entsprechend hergestelltes Formstück ist zum Beispiel aus WO 2013/026801 A1 , US 2010/0116438 A1 , WO 99/38681 , US 5,262,118 , DE 40 39 231 A1 oder WO 94/21438 bekannt.
Darüber hinaus sind Verfahren zur Herstellung von hohlen Formstücken bekannt, bei denen die Formstücke aus mehreren durch faserverstärkten Kunststoff gebildeten Schichten bestehen. Die Schichten selbst können jeweils durch eine Lage Fasermaterial oder durch mehrere Lagen Fasermaterial gebildet sein. US 4,169,749 offenbart die Herstellung so eines hohlen Formstücks, wobei das Formstück ein Rotorblatt ist. Bei dem Verfahren wird zuerst eine innere Schicht aus Prepreg unter Bildung eines Hohlraums geformt, welche innere Schicht entsprechend dem eingangs erwähnten Verfahren zu einem Dorn konsolidiert wird. Der Dorn wird anschließend mit Prepreg-Lagen zur Bildung einer äußeren Schicht umhüllt und in einem Formwerkzeug unter Aufbringung von Druck in dem Hohlraum erneut konsolidiert. Dadurch verbindet sich die äußere Schicht mit dem Dorn und es wird besagtes aus mehreren Schichten gebildetes Formstück gebildet.
Aus der EP 0 933 756 A2 ist ein hohles rohrförmiges Formstück in Form einer Bogenstange für ein Streichinstrument bekannt, bei dem der Umfang auch eine äußere und eine erste innere Schicht umfasst. Die äußere Schicht ist durch eine Folie und die erste innere Schicht ist aus einem Faserbundmaterial gebildet, wobei die äußere Schicht als Dekor sowie zur Erzielung einer glatten, porenfreien Oberfläche dient. Die Herstellung der Bogenstange erfolgt durch Auflegen der einzelnen Schichten nacheinander in ein Formwerkzeug, dessen Oberfläche dem Negativ der fertigen Bogenstange entspricht. Als Ausgangsmaterial der ersten inneren Schicht wird Prepreg verwendet. Während dem Konsolidieren der Bogenstange wird mittels einer in den Hohlraum der fertigen Bogenstange eingeführten Lanze Druck auf die innere Schicht aufgebracht, wodurch diese und die Folie gegen das Formwerkzeug gepressten werden. Nach dem Konsolidieren sind die erste innere Schicht und die Folie dauerhaft verbunden.
Als nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik hat sich erwiesen, dass aufgrund der Sprödigkeit des faserverstärkten Kunststoffes die Formstücke nur einen begrenzten Schutz gegen Einkerbung, auch als „Impactschutz“ bezeichnet, bieten. Einkerbungen in Formstücken aus faserverstärktem Kunststoff können schon bei einem Aufprall von kleinen Gegenständen auf der Oberfläche des Formstücks auftreten, wodurch dessen Struktur geschwächt ist und es zu einem plötzlichen Versagen des Formstücks unter Last kommen kann. Auch das mit einer Folie versehene Formstück bekannt aus der EP 0 933 756 A2 bietet diesbezüglich keinen besseren Schutz, da die Folie keine nennenswerte Kräfte aufnehmen kann. Ferner sind die bekannten Herstellungsverfahren sehr teuer, da zur Herstellung der Formstücke sehr viele Verfahrensschritte nötig sind und ein aufwendig zu fertigendes Formwerkzeug benötigt wird.
Weitere Formstücke aus faserverstärkten Kunststoffen oder die Herstellung solcher Formstücke sind aus DE 41 00 510 A1 , DE 10 2006 031 335 A1 , WO 90/01410 , DE 195 42 665 A1 oder DE 28 27 574 A1 bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein zumindest teilweise hohles Formstück bereitzustellen, welches zumindest zum Teil aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist und eine haltbare und hochbelastbare Oberfläche aufweist. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formstücks bereitzustellen, bei welchem auf die Zuhilfenahme eines Formwerkzeugs verzichtet werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen zumindest teilweise hohlen Formstück besteht die äußere Schicht aus einem von faserverstärktem Kunststoff verschiedenen Material und hält einem Relativdruck von 3bar bis 40bar, im Besonderen einem Relativdruck von 5bar bis 20bar, zwischen einer Innenseite der äußeren Schicht und einer Außenseite der äußeren Schicht stand. Bedingt dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das hohle Formstück insbesondere einem unten beschriebenen Herstellungsverfahren standhält und die äußere Schicht in Abhängigkeit vom Material, Dicke und Oberflächenhärte sehr hohe Kräfte aufnehmen kann, wodurch nicht nur der Impactschutz verbessert wird, sondern auch die Belastbarkeit des Formstücks erhöht wird. Materialien für die äußere Schicht können zum Beispiel eine Vielzahl an Metallen, wie Aluminium, verschiedene Stahl- und Eisenlegierungen, Bronze, Kupfer etc., oder verschiedene Kunststoffe oder Keramiken sein.
Die dauerhafte Verbindung zwischen der ersten inneren Schicht und der äußeren Schicht kann dabei insbesondere ausschließlich durch den Kunststoff des faserverstärkten Kunststoffes und somit ohne zusätzlichen Klebstoff erfolgen.
Je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Formstücks kann es vorteilhaft sein, das Formstück mittels der äußeren Schicht und/oder der ersten inneren Schicht an weitere Bauteile anzubinden. So kann zum Beispiel das erfindungsgemäße Formstück mittels der ersten inneren Schicht und/oder der äußeren Schicht mittels Schweißen, Löten, Schrauben, Nieten, Kleben, Verpressen, etc. mit anderen Bauteilen verbunden werden. Dabei kann auf Materialpaarungen Rücksicht genommen werden, wodurch nicht nur eine optimale Anbindung hinsichtlich Belastbarkeit erreicht werden kann, sondern es können auch Vorteile hinsichtlich eines bestmöglichen Korrosionsschutzes erzielt werden. Auch besteht die Möglichkeit bei Verwendung eines reaktivierbaren Kunststoffes, wie zum Beispiel einem thermoplastischen Kunststoff, die erste innere Schicht zur Anbindung an weitere Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff oder reinem Kunststoff wieder teilweise zu reaktivieren.
In diesem Zusammenhang ist sehr vorteilhaft, dass die erste inneren Schicht und/oder die äußere Schicht für die Anbindung an weitere Bauteile Aussparungen aufweist/aufweisen. Es kann zum Beispiel ein freies Ende des Formstücks nur aus der äußeren Schicht gebildet sein, wodurch zum Beispiel bei einer aus Aluminium gebildeten äußeren Schicht das Formstück durch Verschweißen ohne Schädigung der ersten inneren Schicht aufgrund von thermischer Belastung an weitere Aluminiumbauteile angebunden werden kann. Auch besteht die Möglichkeit, dass solche Aussparungen in der Mitte der Formstücke oder an beliebigen Stellen der Formstücke vorgesehen sind.
Ein weiterer Vorteil des Aufbaus des erfindungsgemäßen Formstücks ist, dass die äußere Schicht die innere Schicht gegenüber UV-Strahlung schützt, wodurch eine Alterungsgeschwindigkeit des Kunststoffes der ersten inneren Schicht herabgesetzt wird und eine Lebensdauer des erfindungsgemäßen Formstücks erhöht wird. Auch wird gegenüber einem Formstück aus reinem faserverstärktem Kunststoff bei dem erfindungsgemäßen Formstück eine Hitzebeständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen verbessert.
Bevorzugt weist das zumindest teilweise hohle Formstück im Querschnitt zumindest teilweise die Form eines Kreisrings oder eines polygonalförmigen Rings auf. Unter dem Begriff Kreisring wird auch ein ovaler Kreisring gesehen. Das erfindungsgemäße Formstück kann über seine gesamte Länge hohl sein oder auch nur teilweise hohl sein. Es kann zum Beispiel in einer Ausführungsvariante das Formstück auch durch eine Vollwelle aus Metall gebildet sein, die an einem Ende eine in ihrer Längsrichtung konzentrisch gebohrte Sackbohrung aufweist. Der Bereich der Sackbohrung stellt dabei die äußere Schicht dar, wobei in der äußeren Schicht eine innere Schicht aus faserverstärktem Kunststoff eingebracht ist. Diese Ausführungsvariante des Formstücks kann zum Beispiel als Verbindungsstück zwischen Bauteilen aus Metall und faserverstärktem Kunststoff herangezogen werden.
Bevorzugt ist das Formstück in Längsrichtung über seine ganze Länge hohl und weist die Form eines geraden oder gekrümmten Formrohrs auf. Ein erfindungsgemäßes Formstück in Form eines Formrohrs kann zum Beispiel als Grundlage für die Bildung einer Rahmenkonstruktion, insbesondere als Crashelement, Domstrebe oder Überrollbügel in Fahrzeugen, dienen, oder kann als Drucktank, als Antriebswelle, als Flugzeugrumpf, Fachwerkstrebe im Kranbau, etc. Einsatz finden. Auch besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass das Formstück eine Fahrzeugfelge oder eine Fahrzeugtür ist. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Fahrzeugtür kann ein Insassenschutz in einem Fahrzeug maßgeblich verbessert werden.
Das Formstück kann in länglicher Ausrichtung in seinem Umfang geschlossen sein oder zumindest teilweise offen sein. So besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass die erste innere Schicht und/oder die äußere Schicht entlang ihrer Längsrichtung an offenen Enden oder Mittig geschlitzt ist/sind, wodurch sich eine Formänderung bei Aufbringung von äußeren Kräften auf das Formstück verändern lässt. So kann so ein Formstück zum Beispiel auch als Torsionselement verwendet werden. Auch können die Schlitze vorteilhaft für Anbindungen des Formstücks an andere Bauteile sein.
Bevorzugt weist ein Fasermaterial der ersten inneren Schicht eine oder mehrere Lagen Fasern auf, wobei die Fasern des Fasermaterials als Gewebe oder Gelege ausgebildet sind oder unidirektional und/oder winkelig zur Längsachse des hohlen Formstücks ausgerichtet sind. Bei mehreren Lagen Fasermaterial besteht die Möglichkeit, dass die Fasern jeder Lage eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Das hat den Vorteil, dass die Festigkeit der inneren Schicht beliebig variiert und an Belastungen angepasst werden kann. Vorteilhaft wird aber die Festigkeit des Formstücks sowohl durch Variation der Dicke und der Form der äußern Schicht, als auch durch die Anzahl und die Orientierung der Lagen Fasermaterial der ersten inneren Schicht und den Kunststoff der ersten inneren Schicht eingestellt. Zweckmäßig ist die Dicke der äußeren Schicht zumindest 0,5mm, bevorzugt zwischen 0,5mm und 10mm.
Bevorzugt weist die äußere Schicht an ihrer Außenseite und/oder Innenseite eine funktionelle Beschichtung auf. Das hat den Vorteil, dass Eigenschaften der Außenseite und/oder Innenseite an einen Einsatzbereich des Formstücks angepasst werden können. So kann/können zum Beispiel durch die funktionelle Beschichtung eine Gleiteigenschaft, eine Oberflächenrauhigkeit, eine Oberflächengüte und/oder eine Oberflächenfestigkeit der Außenseite und/oder Innenseite verändert werden. Die funktionelle Beschichtung kann sowohl durch eine Metallschicht wie Chrom oder Kupfer gebildet sein, als auch durch eine dünne Schicht aus Kunststoff oder Keramik gebildet sein. In diesem Zusammenhang wird als funktionelle Beschichtung auch ein Lackieren oder Pulverbeschichten der Außenseite und/oder Innenseite gesehen. Auch besteht die Möglichkeit, durch die Beschichtung die Haftung der ersten inneren Schicht an der äußeren Schicht zu verbessern. Eine verbesserte Haftung der ersten inneren Schicht an der äußeren Schicht kann zum Beispiel durch Gravur, Schleifen oder Laserbearbeitung erreicht werden. Als funktionelle Beschichtung wird in diesem Zusammenhang auch das Härten der Innenseite und/oder der Außenseite gesehen.
Zweckmäßig weist das zumindest teilweise hohle Formstück eine zweite innere Schicht auf, die innerhalb der ersten inneren Schicht angeordnet und vorteilhaft mit dieser verklebt ist. Das hat den Vorteil, dass eine Innenseite der ersten inneren Schicht geschützt ist und die Festigkeit noch einmal erhöht wird. Vorteilhaft ist die zweite innere Schicht aus demselben Material wie die äußere Schicht gebildet. Je nach Einsatz so eine Formstücks kann es zweckmäßig sein die zweite innere Schicht an ihrer Außenseite und/oder Innenseite auch mit einer funktionellen Beschichtung entsprechend des oben beschriebenen Typs zu versehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Formstücks aufweisend zumindest eine erste innere Schicht und eine äußere Schicht umfasst folgende Schritte:

a) Vorformen der ersten inneren Schicht aus einem Ausgangsmaterial, welches durch Fasermaterial oder bereits mit Kunststoff versehenem bzw. vorimprägniertem Fasermaterial gebildet ist;
b) Einbringen der vorgeformten ersten inneren Schicht in die äußere Schicht;
c) Einbringen eines expandierbaren Elements in die erste innere Schicht;
d) Expandieren des expandierbaren Elements mittels Einbringen eines mit Druck beaufschlagten Fluids in das expandierbare Element oder in Teile davon und optionales Aufbringen von Wärme auf die erste innere Schicht, um die erste innere Schicht an eine Innenseite der äußeren Schicht anzuschmiegen;
e) optionales zusätzliches Einbringen von Kunststoff in die erste innere Schicht;
d) Konsolidieren der ersten inneren Schicht.

Die Reihenfolge des Schritts b) und c) ist beliebig variierbar, so kann zum Beispiel der Verfahrensschritt c) vor dem Verfahrenschritt b) durchgeführt werden.
Bei der Konsolidierung der ersten inneren Schicht geht die erste innere Schicht eine dauerhafte Verbindung mit der äußeren Schicht ein, wobei die dauerhafte Verbindung zwischen der ersten inneren Schicht und der äußeren Schicht durch den Kunststoff der ersten inneren Schicht gebildet wird. Zusätzlicher Klebstoff ist nicht notwendig.
Die Form des Formstücks wird im Wesentlichen durch die äußere Schicht vorgegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren der Vorteil, dass zur Herstellung eines Formstücks kein Formwerkzeug benötigt wird und somit nicht nur Kosten eingespart werden können, sondern auch die Fertigungszeit aufgrund des Wegfallens von zusätzlichen Verfahrenschritten minimiert werden kann.
Vorteilhaft wird das Fluid mit einem Druck von 3bar bis 40bar, im Besonderen mit einem Druck von 5bar bis 20bar, in das expandierbare Element eingebracht, wobei ein Druck außerhalb der äußeren Schicht bevorzugt dem atmosphärischen Druck entspricht. Dementsprechend muss die äußere Schicht so ausgebildet werden, dass sie diesem Druck/ Druckunterschied standhält. Bei einer dünnen äußeren Schicht kann es zur Vermeidung einer Formänderung der äußeren Schicht zweckdienlich sein Versteifungselemente an der Außenseite der äußeren Schicht während der Druckaufbringung vorzusehen. Das Fluid kann sowohl gasförmig als auch flüssig sein. Zweckmäßig ist das Fluid durch Luft, Wasser, Öl, etc. gebildet und kann auch vor Einbringung in das expandierbare Element erwärmt werden. Das expandierbare Element ist in seiner einfachsten Ausführungsform eine aufblasbare Membran, zum Beispiel eine Folie, kann aber auch durch ein starres Element, im Besonderen einem Kern, gebildet sein, das mit einer expandierbaren Membran versehen ist.
Das optionale Einbringen von Kunststoff in die erste innere Schicht wird vor allem bei Fasermaterial angewendet, das nicht vorimprägniert ist.
Das optionale Aufbringen von Wärme auf die zumindest eine erste innere Schicht, um die erste innere Schicht an eine Innenseite der äußeren Schicht anzuschmiegen, erfolgt zweckmäßig bei mit Kunststoff vorimprägniertem Fasermaterial, um eine optimale Anbindung der ersten inneren Schicht an die äußere Schicht zu gewährleisten.
Je nach eingesetztem Kunststoff ist es zur Beschleunigung des Prozesses vorteilhaft, den Kunststoff zur Konsolidierung auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Vorteilhaft liegt die Temperatur dabei zwischen 60°C und 150°C. Beim Konsolidieren des Kunststoffes können der Druck und die Temperatur entweder konstant gehalten werden oder auch verändert werden. Diesbezüglich besteht zum Beispiel auch die Möglichkeit, dass der Kunststoff zur Konsolidierung nur kurzfristig stark erwärmt wird.
Vorteilhaft ist bei rohrförmigen Formstücken das expandierbare Element durch einen starren länglichen Körper und eine expandierbare Membran gebildet, wobei das expandierbare Element mit dem Ausgangsmaterial zur Bildung der ersten Schicht ummantelt wird und wobei die gebildete erste innere Schicht und das expandierbare Element gleichzeitig in die äußere Schicht eingebracht werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Fertigung von rohrförmigen Formstücken.
Es kann je nach Einsatzzweck des Formstücks vorteilhaft sein, dass das expandierbare Element oder Teile des expandierbaren Elements beim Konsolidieren ein fester Bestandteil des zumindest teilweise hohlen Formstücks wird/werden. Das hat den Vorteil, dass die Festigkeit des fertigen Formstücks nochmals erhöht werden kann und/oder eine Innenseite der ersten inneren Schicht vor Umgebungseinflüssen/ äußeren Einflüssen geschützt wird.
Bevorzugt wird die erste innere Schicht zumindest temporär vor, während und/oder nach dem Konsolidieren mit einem Vakuum beaufschlagt. Das hat den Vorteil, dass Lufteinschlüsse im Kunststoff der ersten inneren Schicht vermieden werden und eine Schwächung des Formstücks verhindert wird.
Bevorzugt sind die im Fasermaterial eingesetzten Fasern aus der Gruppe bestehend aus Kohlefaser, Glasfaser, Aramidfaser, Borfaser, Keramikfaser, Basaltfaser, PBO-Faser oder einer beliebigen Kombination dieser Fasern ausgewählt, da es somit möglich ist, die Fasern je nach den an das Material gestellten Anforderungen optimal auszuwählen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Formstücks in einer perspektivischen Ansicht;
2 die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Formstücks nach 1 bei der Herstellung in einer Seitenansicht;
3 die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Formstücks nach 1 bei der Herstellung in einer Schnittansicht A-A; und
4 Teile der Schnittansicht A-A nach 3 in einer Detailansicht.

1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Formstücks 1 nach 1 in einer perspektivischen Ansicht, wobei das Formstück 1 im Querschnitt kreisringförmig ist. Das Formstück 1 ist durch eine erste innere Schicht 2, eine äußere Schicht und eine in 1 nicht dargestellte Folie 8 gebildet, wobei die erste innere Schicht 2 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und die äußere Schicht aus einem durchgängigen Aluminiumrohr 3 gebildet ist.
2 zeigt die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Formstücks 1 nach 1 bei der Herstellung in einer Seitenansicht.
3 zeigt die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Formstücks 1 nach 1 bei der Herstellung in einer Schnittansicht A-A. In 3 liegt die innere Schicht noch als Ausgangsmaterial des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs vor, wobei das Ausgangsmaterial Prepreg ist.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formstücks 1 wird bei der gezeigten Ausführungsvariante ein expandierbares Element 5 herangezogen, das aus einem Mittelstück 7, einer durch die Folie 8 gebildeten expandierbaren Membran und zwei Endstücken 6 gebildet ist. Die Folie 8 ist hülsenförmig und umschließt eine Mantelfläche des Mittelstücks 7.
Die Endstücke 6 weisen jeweils einen Gewindefortsatz 9 auf, mit Hilfe welchem diese jeweils seitlich in ein Gegengewindestück 10 des Mittelstücks 7 verschraubt sind, wobei bei verschraubten Endstücken 6 ein seitlicher Überstand 11 der Folie 8 zwischen Mittelstück 7 und Endstück 6 eingeklemmt ist und somit die Folie 8 jeweils seitlich dichtend abgeschlossen ist. In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Folie 8 jeweils seitlich mit dem Mittelstück 7 dichtend verbunden werden, wodurch auf eine Klemmung mittels der Endstücke 6 verzichtet werden kann.
Die Endstücke 6 weisen darüber hinaus jeweils einen Fluidzuführkanal 12, einen Fluidabführkanal 13 und eine Dichtung 15 auf. Das Mittelstück 7 weist einen Verteilerkanal 14 auf, der bei eingeschraubten Endstück 6 mit dem Fluidzuführkanal 12 eines Endstücks 6 in Fluid-Kommunikation steht.
4 zeigt Teile der Schnittansicht A-A nach 3 in einer Detailansicht G.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formstücks 1 wird zuerst das Mittelstück 7 mit der hülsenförmigen Folie 8 überzogen, wodurch die komplette Mantelfläche des Mittelstücks 7 durch die Folie 8 überdeckt ist. In einem weiteren Schritt wird die Folie 8 mit dem Prepreg zur Bildung der ersten inneren Schicht 2 ummantelt. Dabei wird die Folie 8 vorteilhaft mit dem Prepreg umwickelt, wobei bei dieser Ausführungsvariante mehrere Lagen Prepreg in unidirektionaler Richtung aufgebracht werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit nur eine Lage Prepreg aufzutragen oder mehrere Lagen Prepreg in verschiedenen Ausrichtungen, aufzubringen. Auch besteht die Möglichkeit Prepregs in Form eines Gewebes oder eines Geleges aufzubringen.
Anschließend wird das so gebildete Paket aus dem Mittelstück 7, der Folie 8 und dem Prepreg in das Aluminiumrohr 3 eingebracht, wobei ein Außendurchmesser der Prepreg-Lagen nur geringfügig kleiner ist als ein Innendurchmesser des Aluminiumrohrs 3.
Durch Verschrauben der Endstücke 6 im Mittelstück 7 wird der seitliche Überstand 11 der Folie 8 zwischen Mittelstück 7 und Endstücken 6 eingeklemmt, wodurch die Folie 8 seitlich luftdicht abschließt. Ferner liegen die Dichtungen 15 der Endstücke 6 nach dem Verschrauben dichtend an dem Aluminiumrohr 3 an.
In einem anschließenden Prozess wird durch den Fluidzuführkanal 12 und den Verteilerkanal 14 entsprechend Pfeil 17 Luft mit einem Druck von 4bar in das expandierbare Element 5 zugeführt, wodurch die Folie 8 das Prepreg flächig gegen das Aluminiumrohr 3 drückt. Der Druck von 4bar entspricht einem Relativdruck zwischen einer Außenseite des Aluminiumrohrs 3 und einer Innenseite des Aluminiumrohrs 3. Vorteilhaft herrscht an der Außenseite des Aluminiumrohrs 3 atmosphärischer Druck.
Über den Fluidabführkanal 13 wird entsprechend Pfeil 16 Luft aus einem Zwischenraum 4 zwischen Mittelstück 7, den Endstücken 6 und dem Aluminiumrohr 3 abgesaugt, wodurch der Zwischenraum 4 mit einem Vakuum beaufschlagt wird. Bei einer anschließenden Erwärmung des Prepregs wird eine Viskosität des Kunststoffes des Prepregs vor einem Konsolidieren des Kunststoffes kurzzeitig verringert, wodurch sich das Prepreg durch den Druck an die Innenseite des Aluminiumrohrs 3 anschmiegt. Das Vakuum verhindert Luftblässchenbildung im Prepreg während dieses Prozesses. Die Erwärmung ist in 4 durch den Pfeil Q signalisiert. Beim Konsolidieren geht das Prepreg der ersten inneren Schicht 2 eine dauerhafte Verbindung mit dem Aluminiumrohr 3 ein.
Nach dem das Prepreg konsolidiert ist, wird die Zufuhr von Luft über den Fluidzuführkanal 12 und die Abfuhr von Luft über den Fluidabführkanal 13 unterbunden und die Endstücke 6 werden von dem Mittelstück 7 geschraubt. Dadurch kann das Mittelstück 7 entfernt werden, wobei die Folie 8 beim Konsolidieren eine dauerhafte Verbindung mit der ersten inneren Schicht 2 eingegangen ist und ein fester Bestandteil des Formstücks 1 geworden ist.
Infolgedessen besteht das fertige Formstück 1 aus einer durch ein Aluminiumrohr 3 gebildeten äußeren Schicht, einer durch faserverstärkten Kunststoff gebildeten ersten inneren Schicht 2 und der Folie 8.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird nach dem Konsolidieren der ersten inneren Schicht 2 das Mittelstück 7 und die Folie 8 zusammen aus einem Inneren des Formstücks 1 entfernt.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird beim Erwärmen zusätzlicher Kunststoff über eine Zusatzleitung in die erste innere Schicht 2 zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/026801 A1 [0003]
US 2010/0116438 A1 [0003]
WO 9938681 [0003]
US 5262118 [0003]
DE 4039231 A1 [0003]
WO 9421438 [0003]
US 4169749 [0004]
EP 0933756 A2 [0005, 0006]
DE 4100510 A1 [0007]
DE 102006031335 A1 [0007]
WO 9001410 [0007]
DE 19542665 A1 [0007]
DE 2827574 A1 [0007]

Claims

Zumindest teilweise hohles Formstück (1) mit einem in länglicher Ausrichtung zumindest teilweise geschlossenen Umfang, wobei der Umfang zumindest eine äußere Schicht (3) und eine erste innere Schicht (2) umfasst, wobei die erste innere Schicht (2) innerhalb der äußeren Schicht (3) angeordnet und mit dieser dauerhaft verbunden ist und aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (3) aus einem von faserverstärktem Kunststoff verschiedenen Material gebildet ist und dass die äußere Schicht (3) einem Relativdruck von 3bar bis 40bar, im Besonderen einem Relativdruck von 5bar bis 20bar, zwischen einer Innenseite der äußeren Schicht (3) und einer Außenseite der äußeren Schicht (3) standhält.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise hohle Formstück (1) im Querschnitt zumindest teilweise die Form eines Kreisrings oder eines polygonalförmigen Rings aufweist.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fasermaterial der ersten inneren Schicht (2) eine oder mehrere Lagen Fasern aufweist, wobei die Fasern des Fasermaterials als Gewebe oder Gelege ausgebildet sind oder unidirektional und/oder winkelig zur Längsachse des hohlen Formstücks (1) ausgerichtet sind.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (3) an ihrer Außenseite und/oder Innenseite eine funktionelle Beschichtung aufweist.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise hohle Formstück (1) eine zweite innere Schicht aufweist, die innerhalb der ersten inneren Schicht angeordnet ist.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite innere Schicht aus dem gleichen Material wie die äußere Schicht (3) gebildet ist.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite innere Schicht an ihrer Außenseite und/oder Innenseite eine funktionelle Beschichtung aufweist.
Zumindest teilweise hohles Formstück (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Schicht (2) und/oder die äußere Schicht (3) Aussparungen aufweist/aufweisen.
Zumindest teilweise hohles Formstück gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der äußeren Schicht (3) zumindest 0,5mm, bevorzugt zwischen 0,5mm und 10mm, ist.
Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Formstücks (1) umfassend zumindest eine erste innere Schicht (2) und eine äußere Schicht (3), wobei die erste innere Schicht (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist und die äußere Schicht (3) aus einem von faserverstärktem Kunststoff verschiedenen Material gebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorformen der ersten inneren Schicht (2) aus einem Ausgangsmaterial, welches durch Fasermaterial oder bereits mit Kunststoff versehenem Fasermaterial gebildet ist; b) Einbringen der vorgeformten ersten inneren Schicht (2) in die äußere Schicht (3); c) Einbringen eines expandierbaren Elements (5) in die erste innere Schicht (2); d) Expandieren des expandierbaren Elements (5) mittels Einbringen eines mit Druck beaufschlagten Fluids in das expandierbare Element (5) oder in Teile davon und optionales Aufbringen von Wärme auf die erste innere Schicht (2), um die erste innere Schicht (2) an eine Innenseite der äußeren Schicht (3) anzuschmiegen; e) optionales zusätzliches Einbringen von Kunststoff in die erste innere Schicht (2); d) Konsolidieren der ersten inneren Schicht (2).
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mit einem Druck von 3bar bis 40bar, im Besonderen mit einem Druck von 5bar bis 20bar, in das expandierbare Element (5) eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) vor dem Verfahrenschritt b) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierbare Element (5) nach dem Konsolidieren aus dem zumindest teilweise hohlen Formstück (1) entfernt wird oder dass das expandierbare Element (5) oder Teile des expandierbaren Elements (5) beim Konsolidieren ein fester Bestandteil des zumindest teilweise hohlen Formstücks (1) wird/werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Schicht (2) zumindest temporär vor, während und/oder nachdem Konsolidieren mit einem Vakuum beaufschlagt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierbare Element (5) durch einen starren länglichen Körper (7) und einer expandierbaren Membran (8) gebildet ist, wobei das expandierbare Element (5) mit dem Ausgangsmaterial zur Bildung der ersten inneren Schicht (2) ummantelt wird und wobei die gebildete erste innere Schicht (2) und das expandierbare Element (5) gleichzeitig in die äußere Schicht (3) eingebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in die ausgehärtete erste innere Schicht (2) eine zweite innere Schicht eingeklebt wird.