DE102017111230B4

DE102017111230B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers

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Publication number: DE102017111230B4
Application number: DE102017111230.8A
Authority: DE
Inventors: Diego Schierle; Gerhard Kopp; Gundolf Kopp
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: DE102017111230A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines längserstreckten Formkörpers, umfassend:- Bereitstellen mindestens eines ersten, strangförmigen Formteils, wobei das mindestens eine erste Formteil mittels eines ersten Formwerkzeugs geformt und/oder eines ersten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird;- nachfolgend Anordnen von einen Querschnitt des Formkörpers definierenden Formelementen am mindestens einen ersten Formteil zur Verbindung mit diesem, wobei zwischen den Formelementen in Verlaufsrichtung des mindestens einen ersten Formteils Zwischenräume vorhanden sind;- nachfolgend Bereitstellen und Anordnen mindestens eines zweiten, strangförmigen Formteils zur Verbindung mit den am mindestens einen ersten Formteil angeordneten Formelementen, wobei das mindestens eine zweite Formteil mittels eines zweiten Formwerkzeugs geformt und/oder eines zweiten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird; wobei die Verfahrensschritte unter kontinuierlicher Zuführung des mindestens einen ersten Formteils, Anordnung der Formelemente und Anordnung des mindestens einen zweiten Formteils durchgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere eine Längserstreckung aufweisenden Formkörpers.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und zur Herstellung eines Formkörpers.
Formkörper, die insbesondere eine Längserstreckung aufweisen, können beispielsweise als tragende, kraftaufnehmende Strukturen in Bauten oder Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Wünschenswert ist hierbei eine Leichtbauweise bei zugleich stabiler Konstruktion, Einfachheit der Herstellung sowie deren Variabilität, um eine bestmögliche Anpassung an die Erfordernisse zu ermöglichen.
Bekannt ist es, Profile aus faserverstärktem Kunststoff für Leichtbaustrukturen einzusetzen. Derartige Profile können beispielsweise unter Einsatz eines Pultrusions-, eines Flecht- und eines Wickelverfahrens gefertigt werden.
Unterschiedliche Ausführungsformen von in kontinuierlichen Verfahren herstellbaren Werkstücken und diesbezügliche Herstellungsverfahren sind in der EP 0 017 010 A2 , der US 2002/0014302 A1 , der EP 0 604 100 A1 und der EP 3 037 248 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers bereitzustellen, das eine herstellungstechnisch einfache und vielseitige Möglichkeit der Fertigung von Formkörpern mit Eignung zum Einsatz in Leichtbaustrukturen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines längserstreckten Formkörpers gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen mindestens eines ersten, strangförmigen Formteils, wobei das mindestens eine erste Formteil mittels eines ersten Formwerkzeugs geformt und/oder eines ersten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird;
- nachfolgend Anordnen von einen Querschnitt des Formkörpers definierenden Formelementen am mindestens einen ersten Formteil zur Verbindung mit diesem, wobei zwischen den Formelementen in Verlaufsrichtung des mindestens einen ersten Formteils Zwischenräume vorhanden sind;
- nachfolgend Bereitstellen und Anordnen mindestens eines zweiten, strangförmigen Formteils zur Verbindung mit den am mindestens einen ersten Formteil angeordneten Formelementen, wobei das mindestens eine zweite Formteil mittels eines zweiten Formwerkzeugs geformt und/oder eines zweiten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird;

Durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht die Möglichkeit, einen eine Längserstreckung aufweisenden Formkörper mittels des mindestens einen ersten, strangförmigen Formteils, des mindestens eines zweiten, strangförmigen Formteils und der Formelemente in einem kontinuierlichen Prozess herzustellen. „Kontinuierlich“ ist vorliegend insbesondere dahingehend aufzufassen, dass eine Verlaufs- oder Arbeitsrichtung der Herstellung durch die Verlaufs- oder Längsrichtung der jeweiligen Formteile gegeben ist, die Formteile fortwährend zugeführt und mit den Formelementen verbunden werden können und dementsprechend der Formkörper fortwährend gefertigt werden kann. „Kontinuierlich“ schließt vorliegend jedoch die Möglichkeit nicht aus, dass eine Bewegung der Formteile unterbrochen werden kann und einzelne Verfahrensschritte bei unbewegten Formteilen oder Formelementen ausgeführt werden können. Zur Fertigung des Formkörpers wird mindestens ein erstes Formteil bereitgestellt. Am ersten Formteil werden Formelemente derart angeordnet, dass in der Verlaufsrichtung des ersten Formteils Zwischenräume vorhanden sind. Die Formelemente werden mit dem ersten Formteil verbunden. Die Formelemente können im Winkel und insbesondere senkrecht zur Verlaufsrichtung der Formteile angeordnet sein. Anschließend wird das mindestens eine zweite Formteil bereitgestellt und an den Formelementen zur Verbindung mit diesen angeordnet. Auf diese Weise kann ein Formkörper mit Längserstreckung gefertigt werden, der beispielsweise eine skelettartige Gestalt aufweist, wobei zwischen den Formelementen insbesondere luftgefüllte Zwischenräume vorhanden sein können. Dies führt zu einem Formkörper in Leichtbauweise mit zugleich robuster Konstruktion.
Als günstig erweist sich das Formen des mindestens einen ersten Formteils mittels eines Formwerkzeugs und/oder das Formen des mindestens einen zweiten Formteils mittels eines Formwerkzeugs. Sowohl dem mindestens einen ersten Formteil als auch dem mindestens einen zweiten Formteil kann mittels des Formwerkzeugs die erforderliche Form zur vielseitigen Anpassung des Formkörpers an die Anforderungen verliehen werden.
Von Vorteil ist alternativ oder ergänzend das Bereitstellen des mindestens einen ersten Formteils und/oder des mindestens einen zweiten Formteils mittels eines Pultrusionswerkzeugs. Insbesondere kann das vorstehend genannte (erste) Formwerkzeug zum Formen des mindestens einen ersten Formteils und das (zweite) Formwerkzeug zum Formen des mindestens einen zweiten Formteils ein Pultrusionswerkzeug sein oder umfassen. Das Pultrusionsverfahren ermöglicht es herstellungstechnisch einfach, das mindestens eine erste Formteil kontinuierlich zuzuführen, um an diesem die Formelemente anzuordnen. In entsprechender Weise kann das mindestens eine zweite Formteil kontinuierlich gebildet und an zugeführten Formelementen angeordnet werden.
Günstig ist ein Fertigen des mindestens einen ersten Formteils, des mindestens einen zweiten Formteils und/oder der Formelemente aus einem Verbundwerkstoff, um bei leichter Bauweise eine robuste Struktur zu erzielen. Als vorteilhaft erweist sich zum Beispiel die Fertigung aus einem Faser-Matrix-Material. Beispielsweise kann ein Prepreg-Material mit vorimprägnierten Fasern zum Einsatz kommen. Bei Verwendung des vorstehend genannten Pultrusionsverfahrens kann vorgesehen sein, dass trockene Fasern dem Pultrusionswerkzeug zugeführt und in dieser zum Formen und Aushärten des jeweiligen Formteils getränkt werden. Alternativ ist die Zufuhr von getränkten Fasern zum Aushärten im Pultrusionswerkzeug denkbar.
Zum Bereitstellen des mindestens einen ersten Formteils und/oder des mindestens einen zweiten Formteils wird einem jeweiligen Formwerkzeug vorteilhafterweise ein Fasermaterial in Form von Fasergewebe, Fasergelege, Faservlies oder vorzugsweise Faserrovings zugeführt. Beispielsweise werden trockene Faserrovings zugeführt, die im geschlossenen Pultrusionsverfahren getränkt, geformt und ausgehärtet werden, um das mindestens eine erste Formteil bzw. das mindestens eine zweite Formteil bereitzustellen.
Bei dem Fasermaterial handelt es sich vorteilhafterweise um Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern.
Bei dem Matrix-Material kann es sich beispielsweise um ein Thermoplast oder ein Duroplast handeln.
Die Fertigung aus einem Faser-Matrix-Material mit Thermoplast-Matrix erweist sich beispielsweise als vorteilhaft für ein Umformen des Formkörpers, wie nachfolgend erläutert.
Die Fertigung der Formelemente aus einem Faser-Matrix-Material mit einer Thermoplast-Matrix bietet beispielsweise die Möglichkeit, die Formelemente durch zumindest lokale Erwärmung bereichsweise aufzuschmelzen und dadurch bei Abkühlung eine Verbindung mit den Formteilen sicherzustellen.
Das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil können unterschiedliche Formen aufweisen. Die Formteile können alternativ identisch geformt sein. Eine Mehrzahl erster Formteile und/oder eine Mehrzahl zweiter Formteile können unterschiedlich oder identisch geformt sein.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil als Leiste oder Holm bereitgestellt werden.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform erweist es sich als günstig, wenn das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil schalenförmig bereitgestellt werden und gemeinsam eine die Formelemente einfassende Schale des Formkörpers bilden. Die Schale ist vorzugsweise geschlossen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können das erste Formteil und das zweite Formteil Halbschalen sein und eine in sich geschlossene Hülle bilden, so dass der Formkörper rohrförmig mit darin angeordneten Formelementen ausgestaltet ist.
Vorzugsweise werden das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil an einander kontaktierenden Fügebereichen verbunden. Eine Verbindung erfolgt beispielsweise durch Kraftschluss und/oder Formschluss. Vorgesehen sein kann etwa eine Verklebung oder eine thermische Verschweißung. Die Formteile können, zum Beispiel mittels des zweiten Formwerkzeugs, für eine innige Verbindung aneinandergepresst werden.
Auch eine Verbindung der Formelemente mit dem mindestens einen ersten Formteil und/oder dem mindestens einen zweiten Formteil kann vorteilhafterweise durch Kraftschluss und/oder Stoffschluss erfolgen.
Als vorteilhaft erweist sich zum Beispiel eine Verklebung oder ein Aufschmelzen der Formelemente zum Verbinden mit dem mindestens einen ersten Formteil und/oder dem mindestens einen zweiten Formteil. Die Formelemente umfassen beispielsweise ein Thermoplast-Material, das zum Verbinden mit dem Formteil-/den Formteilen erwärmt und abgekühlt werden kann. Von Vorteil erweist sich ein Anpressen der Formelemente an das mindestens eine erste und/oder das mindestens eine zweite Formteil, um eine innige Verbindung sicherzustellen.
Die Formelemente werden vorteilhafterweise mittels einer Positioniereinrichtung am mindestens einen ersten Formteil angeordnet, zum Beispiel mittels eines Roboterarms.
Es kann vorgesehen sein, dass die Formelemente jeweils an mindestens zwei Verbindungsbereichen mit dem mindestens einen ersten Formteil und/oder dem mindestens einen zweiten Formteil verbunden werden. Bei einer Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Formteilen ist vorteilhafterweise jedes Formelement mit jedem Formteil verbunden.
Die Formelemente werden bevorzugt frei von Kontakt miteinander angeordnet. Insbesondere können die Formelemente in Verlaufsrichtung der Formteile relativ zueinander beabstandet sein.
Günstigerweise werden scheibenförmige oder stegförmige Formelemente verwendet.
Es kann vorgesehen sein, dass unterschiedliche Formelemente zur Erzielung unterschiedlicher Querschnitte des Formkörpers quer zu dessen Verlaufsrichtung verwendet werden. Beispielsweise sind die Formelemente scheibenförmig, wobei sie eine unterschiedliche Gestalt aufweisen und quer und insbesondere senkrecht zur Verlaufsrichtung der Formteile ausgerichtet sind. Durch die unterschiedliche Gestalt der Formelemente ist es konstruktiv einfach möglich, unterschiedliche Querschnitte des Formkörpers zu erzielen.
Günstig ist eine Anpassung der Position und/oder der Form des mindestens einen zweiten Formteils mittels eines Formwerkzeuges abhängig von dem von den Formelementen und/oder dem mindestens einen ersten Formteil vorgegebenen Querschnitt zur Erzielung unterschiedlicher Querschnitte des Formkörpers. Das Formwerkzeug kann anpassungsfähig ausgestaltet sein, damit das mindestens eine zweite Formteil gezielt an den Formelementen angeordnet und mit diesen verbunden werden kann. Beispielsweise bei der vorstehend erwähnten unterschiedlichen Ausgestaltung der Formelemente erweist sich eine derartige Anpassungsmöglichkeit als vorteilhaft, um dem Formkörper unterschiedliche Querschnitte zu verleihen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Formkörper umwickelt wird zur Ausbildung einer Hülle und insbesondere einer vollständig geschlossenen Hülle des Formkörpers. Selbst dann, wenn die Formteile schalenförmig sind und eine Hülle ausbilden, kann zusätzlich eine Umwicklung der so gebildeten Hülle vorgesehen sein.
Günstig ist ein Umwickeln des Formkörpers mittels einer rotierenden Wickeleinrichtung mit mindestens einer integrierten Spule oder mittels um den Formkörper rotierenden Spulen.
Zum Umwickeln kann zum Beispiel ein Verbundmaterial verwendet werden.
Als vorteilhaft ist die Verwendung eines Faser-Matrix-Materials, inbesondere eines auf den Formkörper aufgebrachten Thermoplast-Faserrovings oder eines aufgebrachten Thermoplast-Faserbandes. Der Faserroving oder das Faserband kann im erwärmten Zustand gewickelt werden oder beim oder nach dem Aufwickeln erwärmt und dadurch innig mit den Formteilen verbunden werden. Durch Abkühlung erfolgt die Aushärtung zu einer robusten Hülle.
Es kann vorgesehen sein, dass der Formkörper umgeformt wird. Beispielsweise wird der Formkörper durch Erwärmen und anschließendes Biegen umgeformt. Dementsprechend kann eine Biegeeinrichtung vorgesehen sein, die zum Beispiel eine Heizeinrichtung aufweist oder bildet. Das Biegen des Formkörpers erfolgt zum Beispiel dadurch, dass die Formelemente gewissermaßen als Stützelemente dienen und der Formkörper zwischen nebeneinander liegenden Formelementen gebogen wird.
Vorteilhafterweise ist ein Ablängen des längserstreckten Formkörpers in einzelne Segmente vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch die kontinuierliche Fertigung des Formkörpers die Herstellung eines langen, zusammenhängenden Stranges. Dieser kann bedarfsgerecht in einzelne Segmente unterteilt werden. Zu diesem Zweck kann eine Trenneinrichtung vorgesehen sein.
Zum Steuern des Verfahrensablaufs ist vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel die vorstehend genannten Form- und insbesondere Pultrusionswerkzeuge ansteuern, eine Positioniereinrichtung zum Anordnen der Formelemente, eine Wickeleinrichtung zum Umwickeln des Profils aus Formteilen und Formelementen, eine Biegeeinrichtung, eine Heizeinrichtung und/oder eine Trenneinrichtung.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch einen Formkörper. Ein derartiger Formkörper ist gemäß einem der vorstehend genannten Verfahren hergestellt.
Die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Verfahrens erwähnten Vorteile können bei dem Formkörper ebenfalls umgesetzt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst die Merkmale des unabhängigen Anspruches 19.
Die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Verfahrens erwähnten Vorteile können unter Einsatz der Vorrichtung ebenfalls erzielt werden, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alle Verfahrensmerkmale können als Vorrichtungsmerkmale vorgesehen sein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf voranstehende Ausführungen verwiesen werden kann.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: eine weitere Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: eine weitere Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4: eine weitere Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
5: eine weitere Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
6: eine schematische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
7: eine Teildarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens; und
8 bis 11: Teildarstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die 1 bis 5 zeigen schematisch Verfahrensschritte vorteilhafter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Formkörpers.
In seiner allgemeinen Form sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen Verfahrensschritt 10 vor, in dem mindestens ein erstes, strangförmiges Formteil bereitgestellt wird.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 12 werden Formelemente am mindestens einen ersten Formteil an diesem angeordnet und mit diesem verbunden, wobei zwischen den Formelementen in Verlaufsrichtung des mindestens einen ersten Formteils Zwischenräume vorhanden sind.
Ein nachfolgender Verfahrensschritt 14 sieht das Bereitstellen und Anordnen mindestens eines zweiten, strangförmigen Formteils und die Verbindung mit den Formelementen vor.
Die Verfahrensschritte 10, 12, 14 werden unter kontinuierlicher Zuführung des mindestens einen ersten Formteils, Anordnung der Formelemente und Anordnung des mindestens einen zweiten Formteils durchgeführt.
Der in 1 in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 16 belegte Verfahrensablauf ist in den 2 bis 5 abgekürzt als solcher vereinfacht dargestellt. Die 2 bis 5 zeigen zusätzliche Verfahrensschritte bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beim Verfahrensablauf gemäß 2 schließt sich ein Verfahrensschritt 18 an, bei dem der aus den Formteilen und den Formelementen gebildete längserstreckte Formkörper zur Ausbildung einer vorzugsweise geschlossenen Hülle umwickelt wird.
Der vorteilhafte Verfahrensschritt 20 gemäß 3 sieht vor, dass der Formkörper umgeformt wird, beispielsweise mittels eines thermischen Umformverfahrens.
Der Verfahrensschritt 22 sieht vor, dass der Formkörper abgelängt und in einzelne Segmente unterteilt wird.
Der in 5 schematisch dargestellte Verfahrensablauf eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des Verfahrens umfasst insbesondere die Verfahrensschritte 10, 12, 14 mit anschließendem Verfahrensschritt 18 zum Umwickeln des Formkörpers, dem Verfahrensschritt 20 zum Umformen des Formkörpers und den Verfahrensschritt 22 zum Ablängen und Trennen des Formkörpers in einzelne Segmente. Es kann bei weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen des Verfahrens selbstverständlich vorgesehen sein, dass von den in 5 dargestellten Verfahrensschritten 18 bis 22 nur zwei Verfahrensschritte durchgeführt werden, zudem könnte die Reihenfolge der Verfahrensschritte 18, 20 und 22 sich von der hier dargestellten Reihenfolge unterscheiden.
Der Ablauf vorteilhafter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend unter Verweis auf die 6 bis 11 erläutert, in denen vorteilhafte Ausführungsbeispiele in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen eines Formkörpers teilweise dargestellt sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 24 umfasst Einrichtungen zum Bereitstellen von Formteilen und zum Anordnen und Verbinden der Formelemente mit den Formteilen.
Zunächst wird hierbei auf 6 eingegangen, die den Ablauf der Verfahrensschritte 10, 12 und 14 zeigt.
Insbesondere ist als Einrichtung ein erstes Formwerkzeug 26 vorgesehen, mit dem strangförmige Formteile 28 geformt und bereitgestellt werden. Das erste Formwerkzeug 26 ist ein Pultrusionswerkzeug 30.
Das Pultrusionswerkzeug 30 dient zum Formen und Bereitstellen von vorliegend zwei strangförmigen Formteilen 28, die infolgedessen eine Längserstreckung aufweisen und als Leiste oder als Holm ausgestaltet sind. Die Formteile 28 können zumindest abschnittsweise geradlinig erstreckt sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Formteile 28 zumindest abschnittsweise bogenförmig gekrümmt sind. Entsprechendes gilt für die nachfolgend erwähnten Formteile 44.
Die Formteile 28 sind aus einem Verbundmaterial gefertigt, insbesondere einem Faser-Matrix-Material. Dem Pultrusionswerkzeug 30 werden Faserrovings 32 zugeführt, die im offenen Pultrusionsverfahren bereits getränkt sein können (nicht dargestellt) oder im geschlossenen Pultrusionsverfahren im Pultrusionswerkzeug 30 getränkt werden. Die ausgehärteten Formteile 28 werden zur weiteren Herstellung kontinuierlich zugeführt. Der Pfeil 34 kennzeichnet die entsprechende Pultrusionsrichtung, die einer Verlaufsrichtung der Formteile 28 entspricht.
Bei den Fasern handelt es sich vorzugsweise um Kohlefasern, Glasfasern oder Aramidfasern. Das Matrix-Material ist vorteilhafterweise ein Thermoplast.
Der Verfahrensschritt 12 sieht das Anordnen von Formelementen 36 an den Formteilen 28 und das Verbinden der Formelemente 36 mit den Formteilen 28 vor.
Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung 24 eine Positioniereinrichtung 38, die die Formelemente 36 kontinuierlich an den Formteilen 28 anordnet. Die Formelemente 36 sind vorliegend ebenfalls aus einem Verbundmaterial gefertigt, insbesondere einem Faser-Matrix-Material. Vorteilhafterweise kommen Kohle-, Glas- oder Aramidfasern und eine Thermoplast-Matrix zum Einsatz.
Letzteres bietet zum Beispiel den Vorteil, dass die Formelemente 36 erwärmt werden können, um die Thermoplast-Matrix aufzuschmelzen. Beim Anordnen an den Formteilen 28 und nachfolgender Abkühlung kann auf diese Weise eine innige, stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Vorteilhaft ist es, die Formelemente 36 dabei gegen die Formteile 28 zu pressen.
Alternativ ist ein Verkleben der Formelemente 36 mit den Formteilen 28 denkbar.
Ein jeweiliges Formelement 36 wird vorteilhafterweise an einem Verbindungsbereich 40 mit einem jeweiligen Formteil 28 verbunden.
Die Formelemente 36 werden so an den Formteilen 28 angeordnet, dass in der Verlaufsrichtung 34 Zwischenräume zwischen den Formelementen 36 vorhanden sind. Insbesondere sind die Formelemente 36 in Verlaufsrichtung 34 voneinander beabstandet und frei von Kontakt miteinander.
Als vorteilhaft erweist sich zum Beispiel der Einsatz scheibenförmiger Formelemente, wobei auch stegförmige Formelemente vorgesehen sein können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Formelemente 36 quer und insbesondere senkrecht zur Verlaufsrichtung 34 ausgerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 24 bieten u. a. die Möglichkeit, Formkörper unterschiedlichen Querschnitts auf herstellungstechnisch einfache Weise bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Formelemente 36 unterschiedlich ausgestaltet sind, d. h. in ihrer Erstreckung quer und insbesondere senkrecht zur Verlaufsrichtung 34 unterschiedliche Formen aufweisen. Dies ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Formelemente 36 oder alle Formelemente 36 identisch ausgestaltet sind.
Beim nachfolgenden Verfahrensschritt 14 kommt ein zweites Formwerkzeug 42 zum Formen und Bereitstellen zweiter Formteile 44 zum Einsatz. Das zweite Formwerkzeug 42 ist insbesondere ebenfalls ein Pultrusionswerkzeug 46, mit dem strangförmige Formteile 44 mit Längserstreckung, vorliegend als Leisten ausgestaltet, kontinuierlich zugeführt und mit den Formelementen 36 verbunden werden können.
Die Formteile 44 sind vorzugsweise ebenfalls aus einem Verbundmaterial gefertigt, insbesondere einem Faser-Matrix-Material. Auch in diesem Fall kommen vorteilhafterweise Kohlefasern, Glasfasern oder Aramidfasern mit einer Thermoplast-Matrix zum Einsatz.
Die Fasern werden beispielsweise als Faserroving 48 zugeführt, die bei offener Pultrusion bereits getränkt oder bei geschlossener Pultrusion im Pultrusionswerkzeug 46 getränkt und ausgehärtet werden.
Das Pultrusionswerkzeug 46 ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine Anpassung der Position und/oder der Form der Formteile 44 abhängig von dem Querschnitt vorgenommen werden kann, der von den Formelementen 36 und/oder den Formteilen 28 definiert wird. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Querschnitte des zu bildenden Formkörpers 56 bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann das Pultrusionswerkzeug 46 durch eine angedeutete Werkzeugtrennlinie 50 getrennte Werkzeugteile 52, 54 umfassen. Ein Stellorgan oder mehrere Stellorgane des Pultrusionswerkzeugs 46 erlaubt/erlauben eine Bewegung der Werkzeugteile 52, 54 derart, die Position der Formteile 44 anzupassen sowie diese zur Erzielung einer innigen Verbindung gegen die Formelemente 36 und/oder die Formteile 28 zu pressen. Der Durchgangsquerschnitt des Pultrusionswerkzeugs 46 kann dementsprechend variabel sein.
Mögliche Stellorgane sind beispielsweise Bälge, Schieber, Luftsäcke, Gummisäcke etc.
Zum Verbinden der Formteile 44 mit den Formelementen 36 kann wie vorstehend erwähnt beispielsweise eine Verklebung oder eine stoffschlüssige Verbindung durch Aufschmelzen der Formelemente 36 vorgesehen sein. Günstig ist auch hier eine Verbindung jedes Formelementes 36 mit jedem Formteil 44.
Nach Austritt aus dem Pultrusionswerkzeug 46 und Durchlaufen der Verfahrensschritte 10, 12, 14 liegt ein im kontinuierlichen Verfahren gefertigter, strangförmiger Formkörper 56 vor. Das Verfahren zeichnet sich durch eine einfache Herstellung mit der Möglichkeit aus, unterschiedliche Querschnitte des Formkörpers 56 bereitzustellen. Durch den Einsatz von Faser-Matrix-Materialien weist der Formkörper 56 bei hoher Robustheit zugleich ein nur geringes Gewicht auf.
7 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit dem Bezugszeichen 58 belegt ist. Für gleiche und gleichwirkende Merkmale und Bauteile der Vorrichtungen 24 und 58 werden identische Bezugszeichen benutzt.
Bei der Vorrichtung 58 wird anstelle der leistenförmigen Formteile 28 nur ein Formteil 60 geformt und bereitgestellt. Das Pultrusionswerkzeug 30 ist zur Ausformung eines schalenförmigen Formteils 60 eingerichtet. Das Formteil 60 kann insbesondere eine Halbschale sein.
In entsprechender Weise wird mittels des Pultrusionswerkzeugs 46 statt den leistenförmigen Formteilen 44 ein schalenförmiges Formteil 62 geformt und bereitgestellt.
Die Formteile 60, 62 sind insbesondere Halbschalen, um eine geschlossene Hülle 64 des Formkörpers zu bilden.
Günstig ist eine Verbindung der Formteile 60, 62 an den einander kontaktierenden Fügekanten. Denkbar ist beispielsweise eine Verklebung oder eine Verschmelzung durch lokale Erwärmung und nachfolgende Abkühlung.
Der Formkörper ist insgesamt als Rohr ausgestaltet, in das zur Verstärkung die Formelemente 36 eingesetzt sind. Der Querschnitt des Rohres kann wie vorstehend erläutert über dessen Länge variieren.
Die 8 und 9 beziehen sich auf die vorrichtungsgemäße Umsetzung des Verfahrensschrittes 18, bei dem der Formkörper umwickelt wird. Dies ist am Beispiel der Vorrichtung 24 und des Formkörpers 56 dargestellt.
Die Vorrichtung 24 kann beispielsweise eine schematisch dargestellte Wickeleinrichtung 68 mit mindestens einer integrierten Spule 70 aufweisen (8).
Alternativ oder ergänzend können zum Beispiel eine Mehrzahl von um den Formkörper 56 rotierenden Spulen 72 vorgesehen sein (9).
Über die Spulen 70, 72 ist eine Umwicklung des Formkörpers 56 möglich. Vorzugsweise kommt als Wickelmaterial ein Verbundmaterial und insbesondere ein Faser-Matrix-Material zum Einsatz. Denkbar ist beispielsweise ein Faserroving oder ein Faserband mit einer Thermoplast-Matrix.
Beim Umwickeln kann eine vorzugsweise geschlossene Hülle des Formkörpers 56 gebildet werden. Eine Umwicklung ist selbstverständlich auch denkbar, wenn der Formkörper für sich bereits eine Hülle aufweist, beispielsweise der Formkörper mit der Hülle 64.
10 zeigt, am Beispiel der Vorrichtung 24 und des bereits mit Umwicklung versehenen Formkörpers 56, eine vorrichtungsgemäße Umsetzung des Verfahrensschritts 20.
Die Vorrichtung 24 kann eine Biegeeinrichtung 74 aufweisen, die beispielsweise eine Heizeinrichtung umfasst. Der zugeführte Formkörper 56 mit Thermoplast-Matrix kann erwärmt und von der Biegeeinrichtung 74 in die gewünschte Form gebogen werden. Dabei können die Formelemente 36, die eine Versteifung des Formkörpers 56 in Querrichtung bewirken, gewissermaßen als „Stützen“ dienen. Das Biegen des Formkörpers 56 erfolgt vorteilhafterweise zwischen den Formelementen 36.
11 zeigt am Beispiel der Vorrichtung 24 und des Formkörpers 56, bereits mit Umwicklung, eine vorrichtungsgemäße Umsetzung des Verfahrensschrittes 22. Ein Biegen des Formkörpers 56 ist hierbei nicht vorgenommen worden, obgleich dies wie erwähnt möglich ist.
Die Vorrichtung 24 umfasst eine Trenneinrichtung 76. Der zugeführte Formkörper 56 kann mittels der Trenneinrichtung 76 in einzelne Segmente 78 gewünschter Länge abgelängt werden.
Die Vorrichtungen 24 und 58 umfassen vorzugsweise eine Steuereinrichtung 80 (in den 6 und 7 schematisch dargestellt) zum Ansteuern der Formwerkzeuge 26, 42, der Wickeleinrichtung 68 oder der Spulen 72, der Biegeeinrichtung 74 und/oder der Trenneinrichtung 76.
Bezugszeichenliste

10: Verfahrensschritt
12: Verfahrensschritt
14: Verfahrensschritt
16: Verfahrensablauf
18: Verfahrensschritt
20: Verfahrensschritt
22: Verfahrensschritt
24: Vorrichtung
26: erstes Formwerkzeug
28: Formteil
30: Pultrusionswerkzeug
32: Faserroving
34: Verlaufsrichtung
36: Formelement
38: Positioniereinrichtung
40: Verbindungsbereich
42: zweites Formwerkzeug
44: Formteil
46: Pultrusionswerkzeug
48: Faserroving
50: Werkzeugtrennlinie
52: Werkzeugteil
54: Werkzeugteil
56: Formkörper
58: Vorrichtung
60: Formteil
62: Formteil
64: Hülle
68: Wickeleinrichtung
70: Spule
72: Spule
74: Biegeeinrichtung
76: Trenneinrichtung
78: Segment
80: Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines längserstreckten Formkörpers, umfassend: - Bereitstellen mindestens eines ersten, strangförmigen Formteils, wobei das mindestens eine erste Formteil mittels eines ersten Formwerkzeugs geformt und/oder eines ersten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird; - nachfolgend Anordnen von einen Querschnitt des Formkörpers definierenden Formelementen am mindestens einen ersten Formteil zur Verbindung mit diesem, wobei zwischen den Formelementen in Verlaufsrichtung des mindestens einen ersten Formteils Zwischenräume vorhanden sind; - nachfolgend Bereitstellen und Anordnen mindestens eines zweiten, strangförmigen Formteils zur Verbindung mit den am mindestens einen ersten Formteil angeordneten Formelementen, wobei das mindestens eine zweite Formteil mittels eines zweiten Formwerkzeugs geformt und/oder eines zweiten Pultrusionswerkzeugs bereitgestellt wird; wobei die Verfahrensschritte unter kontinuierlicher Zuführung des mindestens einen ersten Formteils, Anordnung der Formelemente und Anordnung des mindestens einen zweiten Formteils durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formwerkzeug das erste Pultrusionswerkzeug ist oder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Formwerkzeug das zweite Pultrusionswerkzeug ist oder umfasst.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Fertigen des mindestens einen ersten Formteils, des mindestens einen zweiten Formteils und/oder der Formelemente aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere aus einem Faser-Matrix-Material, beispielsweise aus einem Prepreg-Material.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen des mindestens einen ersten Formteils und/oder des mindestens einen zweiten Formteils einem jeweiligen Formwerkzeug ein Fasermaterial in Form von Fasergewebe, Fasergelege, Faservlies oder vorzugsweise Faserrovings zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrix-Material ein Thermoplast oder ein Duroplast ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil - als Leiste oder Holm bereitgestellt werden oder - schalenförmig bereitgestellt werden und gemeinsam eine vorzugsweise geschlossene, die Formelemente einfassende Schale des Formkörpers bilden, wobei das erste Formteil und das zweite Formteil bevorzugt Halbschalen sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formteil und das mindestens eine zweite Formteil an einander kontaktierenden Fügebereichen verbunden werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verklebung oder Aufschmelzen der Formelemente zum Verbinden mit dem mindestens einen ersten Formteil und/oder dem mindestens einen zweiten Formteil.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente frei von Kontakt miteinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass scheibenförmige oder stegförmige Formelemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Formelemente zur Erzielung unterschiedlicher Querschnitte des Formkörpers verwendet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anpassung der Position und/oder der Form des mindestens einen zweiten Formteils mittels eines Formwerkzeuges abhängig von dem von den Formelementen und/oder dem mindestens einen ersten Formteil vorgegebenen Querschnitt zur Erzielung unterschiedlicher Querschnitte des Formkörpers.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper umwickelt wird zur Ausbildung einer insbesondere vollständig geschlossenen Hülle.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Umwickeln des Formkörpers mittels einer rotierenden Wickeleinrichtung mit mindestens einer integrierten Spule oder mittels um den Formkörper rotierenden Spulen.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umwickeln ein Faser-Matrix-Material verwendet wird, inbesondere ein auf den Formkörper aufgebrachter Thermoplast-Faserroving oder ein aufgebrachtes Thermoplast-Faserband.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper umgeformt wird, inbesondere durch Erwärmen und anschließendes Biegen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ablängen des längserstreckten Formkörpers in einzelne Segmente.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend eine Einrichtung zum Bereitstellen des mindestens einen ersten Formteils (28), die ein Formwerkzeug (26) und insbesondere ein Pultrusionswerkzeug (30) umfasst, eine Einrichtung (38) zum Anordnen und Verbinden der Formelemente (36) mit dem mindestens einen ersten Formteil (28) und eine Einrichtung zum Bereitstellen und Verbinden des mindestens einen zweiten Formteils (44) mit den Formelementen (36), welche Einrichtung ein Formwerkzeug (42) und insbesondere ein Pultrusionswerkzeug (46) umfasst.