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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils mit einer Rippe. Das Fertigen der Rippe und des Bauteils erfolgt bevorzugt mittels Faserverbundwerkstoffen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Bauteil umfassend eine derartige Rippe.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, einzelne Fahrzeugkomponenten aus faserverstärkten Werkstoffen zu bilden. Insbesondere werden glasfaserbasierte Werkstoffe oder kohlenstofffaserbasierte Werkstoffe oder aramidfaserbasierte Werkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe auf Recyclingbasis (z.B. Vliese) verwendet. Soll aus solchen Werkstoffen eine Versteifungsrippe geformt werden, so ist diese in ihrer Höhe limitiert. Die Rippe erstreckt sich von einem Rippenfuß zu einer Rippenspitze, wobei die Rippenhöhe dem Abstand zwischen Rippenfuß und Rippenspitze entspricht. Insbesondere kohlenstofffaserbasierte Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Fasermassengehalte aus und verfügen somit über schlechte Fließfähigkeiten. Aus diesem Grund sind komplexe Geometrien, wie insbesondere die zuvor beschriebenen Verrippungen, nur eingeschränkt realisierbar, da die Rippenhöhe stark limitiert ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das bei einfacher und kostengünstiger Durchführung ein sicheres und zuverlässiges Formen von Rippen ermöglicht.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Die Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils mit einer Rippe, die sich von einem Rippenfuß zu einer Rippenspitze erstreckt.
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Das Fertigen des Bauteils mit der Rippe erfolgt aus einem Faserverbundmaterial. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Schichten von einer Vielzahl von Lagen aus Faserverbundmaterial. Anschließend wird ein Teil der Vielzahl Lagen eingeschnitten. Schließlich erfolgt das Formen der Rippe, wobei die Rippenspitze an der Stelle geformt wird, an der der Teil der Vielzahl von Lagen eingeschnitten ist. Somit wird in einem Teil der Vielzahl von Lagen der Verlauf der Fasern unterbrochen. Diese unterbrochenen Fasern vermeiden ein Blockieren der Lagen, wenn diese zu den Rippen geformt werden. Die Anzahl der einzuschneidenden Lagen ist dabei abhängig von einer gewünschten Rippenhöhe. Somit lassen sich auch komplexe Geometrien mittels Lagen aus Faserverbundmaterial einfach und kostengünstig fertigen. Besonders vorteilhaft lassen sich Rippen fertigen, die größere Höhen aufweisen als dies bisher im Stand der Technik möglich war. Die Rippe stellt eine globale Verstärkung des gesamten gefertigten Bauteils dar, sodass die globale Festigkeit des Bauteils erhöht ist. An Stellen, an denen keine Rippe vorhanden ist, insbesondere an Stellen außerhalb der Rippenspitze, ist keine potentielle Schwächung der Lagen durch Einschnitte vorhanden. Unter einer Vielzahl wird im Rahmen dieser Erfindung bevorzugt eine Anzahl von mindestens zwei angesehen. Somit sind mindestens zwei flächige Lagen aus Faserverbundmaterial vorhanden. Eingeschnitten wird zumindest eine dieser Lagen. Unter flächig ist insbesondere zu verstehen, dass die Lagen Abmessungen in zwei unabhängigen Raumrichtungen aufweisen, die erheblich größer sind als Abmessungen in einer dritten unabhängigen Raumrichtung. Unter erheblich ist hierbei bevorzugt mindestens der Faktor 10 zu verstehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Einschneiden ausschließlich bei benachbarten Schichten. Somit ist das Einschneiden vereinfacht, da insbesondere nicht einzelne Lagen separat eingeschnitten werden müssen. Vielmehr kann das Einschneiden von einer Seite der geschichteten Lagen erfolgen und die gewünschte Anzahl von Lagen umfassen.
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Besonders vorteilhaft bilden die eingeschnittenen Lagen eine Außenseite der Rippe. Unter Außenseite der Rippe sind solche Flächen der Rippe zu verstehen, die zu keinen weiteren Flächen der Rippe weisen. Insbesondere findet hier ein maximales Umformen der flächigen Lagen statt, um die Rippe zu formen. Die Außenseite der Rippe ist bevorzugt durch eine eingeschnittene Lage gebildet. Die Innenseite der Rippe, die der Außenseite gegenüberliegt, ist durch eine nicht eingeschnittene Lage gebildet. Zwischen der eingeschnittenen Lage und der nicht eingeschnittenen Lage befinden sich vorteilhafterweise weitere Lagen, wobei die Anzahl der Lagen abhängig von der Ausgestaltung des Bauteils und/oder der Rippe ist. Dabei liegen alle eingeschnittenen Lagen sowie alle nicht eingeschnittenen Lagen benachbart zueinander. Die Anzahl der eingeschnittenen Lagen ist abhängig von einer Form der Rippe, insbesondere von einer Höhe der Rippe.
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Das Formen der Rippe erfolgt vorteilhafterweise durch ein Eindrücken der Lagen in eine Form. Die Form ist vorteilhafterweise komplementär zu der Rippe geformt. Dies bedeutet, dass nach dem Entfernen der geschichteten Lagen aus der Form die Rippe vorhanden ist.
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Besonders vorteilhaft erfolgt das Formen der Rippe mittels einer Presse, insbesondere durch Fließpressen. Auf diese Weise lassen sich die geschichteten Lagen sehr einfach und kostengünstig formen, um somit ein Bauteil und/oder die Rippe herzustellen. Insbesondere ist auf diese Weise außerdem ermöglicht, aufgrund des Schritts des Einschneidens des Teils der Vielzahl von Lagen eine komplexe Geometrie, wie insbesondere eine Rippe, herzustellen.
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Das Einschneiden erfolgt bevorzugt mittels einer Stanze und/oder einer Schere und/oder eines CNC-Cutters. Ein CNC-Cutter umfasst vorteilhafterweise rotierende Messer und/oder oszillierende Messer und kann elektrisch und/oder pneumatisch angetrieben sein. Das Einschneiden ist besonders vorteilhaft ein automatisierter Prozessschritt. Alternativ kann das Einschneiden insbesondere auch manuell erfolgen. Grundsätzlich ist der Schritt des Einschneidens aufwandsarm und insbesondere in kurzer Zeit durchführbar, sodass die Prozesszeit zum Fertigen des Bauteils und/oder der Rippe nicht oder nur minimal erhöht ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil. Das Bauteil ist aus einer Vielzahl von geschichteten Lagen aus Faserverbundmaterial gefertigt. Dabei ist vorgesehen, dass das Bauteil eine Rippe aufweist. Die Rippe erstreckt sich zwischen einem Rippenfuß und einer Rippenspitze. Der Abstand zwischen Rippenfuß und Rippenspitze wird insbesondere auch als Höhe der Rippe bezeichnet. Dabei ist vorgesehen, dass ein Teil der Vielzahl von Lagen, aus denen das Bauteil gefertigt ist, an der Rippenspitze eingeschnitten ist. Ein solches Bauteil lässt sich einfach und aufwandsarm fertigen, insbesondere ist eine einfache und aufwandsarme Fertigung mittels Fließpressen ermöglicht. Dadurch, dass ein Teil der Vielzahl von Lagen an der Rippenspitze eingeschnitten ist, wird durch die somit unterbrochenen Fasern verhindert, dass ein Blockieren des Materials den Formvorgang der Rippe verhindert. Gleichzeitig lassen sich Rippen mit nahezu beliebiger Geometrie, insbesondere mit größeren Höhen als dies im Stand der Technik möglich war, fertigen. Auf diese Weise ist das Bauteil sehr stabil und weist eine hohe globale Festigkeit auf.
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Besonders vorteilhaft sind nur benachbarte Lagen eingeschnitten. Dies bedeutet, dass sämtliche eingeschnittene Lagen benachbart zueinander angeordnet sind, insbesondere befindet sich keine nicht eingeschnittene Lage zwischen zwei eingeschnittenen Lagen. Dies vereinfacht das Fertigen des Bauteils, da der Schritt des Einschneidens sehr einfach und aufwandsarm durchgeführt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass diejenigen Lagen eingeschnitten sind, die an einer Außenseite der Rippe angeordnet sind. Die Außenseite der Rippe ist bevorzugt eine solche Fläche, die zu keiner weiteren Fläche der Rippe weist. Besonders vorteilhaft ist die Rippe symmetrisch zu einer Ebene, die mittig durch die Rippe verläuft, wobei die Außenseite von der Symmetrieebene weg weist. Eine der Außenseite gegenüberliegende Innenseite der Rippe hingegen weist bevorzugt zu der Symmetrieebene, und damit zu einer anderen Fläche der Innenseite, hin. Insbesondere ist somit vorgesehen, dass eine äußerste Lage, das bedeutet diejenige Lage der geschichteten Lagen, die die Außenseite der Rippe bildet, eingeschnitten ist. Eine innerste Lage, das bedeutet diejenige Lage, die die Innenseite der Rippe bildet, ist hingegen nicht eingeschnitten.
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Vorteilhafterweise befindet sich zumindest eine weitere Lage zwischen der eingeschnittenen Lage und der nicht eingeschnittenen Lage. Die Anzahl der Lagen kann je nach Anforderungen an das Bauteil variieren. Ebenso kann variieren, wie viele Lagen eingeschnitten sind. Dabei ist vorgesehen, dass sämtliche nicht eingeschnittenen Lagen benachbart zueinander angeordnet sind, während sämtliche eingeschnittenen Lagen ebenfalls benachbart zueinander angeordnet sind. Die genaue Anzahl an eingeschnittenen Lagen und nicht eingeschnittenen Lagen ist somit abhängig von den Anforderungen an das Bauteil sowie der Geometrie der Rippe.
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Das Faserverbundmaterial ist vorteilhafterweise ein Faser-Matrix-Halbzeug. Das Faser-Matrix-Halbzeug weist vorteilhafterweise Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Recyclingfasern auf. Unter einem Faser-Matrix-Halbzeug ist zu verstehen, dass die Fasern, insbesondere die Kohlenstofffasern und/oder die Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Recyclingfasern, mit einer Matrix, insbesondere einem Harz, versehen sind, wobei das Harz noch nicht ausgehärtet ist. Bei den Matrixsystemen kann es sich insbesondere um duroplastische und thermoplastische Matrixsysteme handeln. Bei duroplastischen Matrixsystemen werden bevorzugterweise Harze verwendet, bei denen es sich insbesondere um Polyesterharze, Epoxidharze, Phenolharze oder Vinylesterharze, insbesondere Epoxidharze, handelt. Solche Faser-Matrix-Halbzeuge sind vorteilhafterweise durch Fließpressen umformbar und somit einfach und aufwandsarm verarbeitbar. Zum finalen Fertigen des Bauteils, insbesondere der Rippe, ist das Harz auszuhärten. Nach dem Aushärten des Harzes steht somit ein faserverstärktes Bauteil zur Verfügung, wobei dieses faserverstärkte Bauteil bevorzugt besagte Rippe aufweist. Durch die Rippe ist das faserverstärkte Bauteil verstärkt, sodass eine globale Bauteilfestigkeit verbessert ist.
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Durch die Verbesserung der Bauteilsteifigkeit ist insbesondere ermöglicht, das Bauteil einfach und kostengünstig zu fertigen, wobei das Bauteil vorteilhafterweise ein geringes Gewicht aufweist. Grundsätzlich können die Wandstärken des Bauteils verringert werden, da das Bauteil aufgrund der Rippe in seiner Festigkeit optimiert ist. Da aufgrund der eingeschnittenen Lagen Rippen mit unterschiedlichen Geometrien gefertigt werden können, ist das Bauteil durch die Rippe optimal in seiner Festigkeit optimierbar.
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Durch das Einschneiden der Lagen ergibt sich ein geringerer Fließwiderstand, sollte die Rippe durch Pressen der geschichteten Lagen in eine Form hergestellt werden. Durch diesen geringeren Fließwiderstand ist eine geringere Presskraft notwendig, sodass die Presse und/oder die Form vereinfacht und damit kostengünstiger hergestellt werden kann. Insbesondere sind aufgrund der geringeren notwendigen Presskraft kleinere Pressen verwendbar, als dies im Stand der Technik der Fall war.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht von geschichteten Lagen aus Faserverbundmaterial, die mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu einer Rippe geformt werden, und
- 2 eine schematische Ansicht eines Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere mittels des Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gefertigt wurde.
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1 zeigt schematisch eine Vielzahl von geschichteten Lagen 4, die zur Fertigung eines Bauteils 8 mit einer Rippe 1 (vgl. 2) verwendet werden sollen. Zum Fertigen des Bauteils 8 mit der Rippe 1 wird ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet.
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Zum Fertigen des Bauteils 8 mit der Rippe 1 werden die Lagen 4 mittels einer Presskraft 100 in eine Form 7 gepresst. Die Form 7 ist komplementär zu der Rippe 1 geformt, sodass ein einfaches und aufwandsarmes Fertigen der Rippe 1 durch Fließpressen erfolgt.
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Die Lagen 4 sind insbesondere jeweils ein Faser-Matrix-Halbzeug und somit ein Faserverbundmaterial. Das Faser-Matrix-Halbzeug umfasst vorteilhafterweise Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Recyclingfasern. Insbesondere bei Verwendung von Kohlenstofffasern ist jedoch die Fließfähigkeit aufgrund der hohen Fasermassengehalte verringert, wodurch sich Rippen 1 nicht oder nur sehr eingeschränkt formen lassen.
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Um ein solches Formen dennoch einfach und aufwandsarm zu ermöglichen, erfolgt ein Einschneiden eines Teils der Vielzahl Lagen 4, sodass ein Teil der Vielzahl Lagen 4 einen Schnitt 9 aufweist. Die Lagen 4 unterteilen sich somit in nicht eingeschnittene Lagen 41 und in eingeschnittene Lagen 42. Das Einschneiden des Teils der Vielzahl von Lagen 4 erfolgt lediglich an einer solchen Stelle, an der die zu formende Rippe 1 eine Rippenspitze 3 (vgl. 2) aufweisen soll. Insbesondere ist die Rippenspitze eine Stelle des maximalen Umformens der flächigen Lagen 4, sodass durch den Schnitt 9 die Fasern des Faser-Matrix-Halbzeugs unterbrochen werden. Die unterbrochenen Fasern können somit den Fließvorgang während des Umformens der flächigen Lagen 4 nicht verhindern oder beschränken. Auf diese Weise lassen sich Rippen 1 mit beliebigen Geometrien formen.
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Die eingeschnittenen Lagen 42 sind allesamt benachbart zueinander angeordnet, sodass auch die nicht eingeschnittenen Lagen 41 benachbart zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass die eingeschnittenen Lagen 42 eine Außenseite 5 (vgl. 2) der fertigen Rippe 1 bilden sollen. Dies bedeutet, dass sämtliche nicht eingeschnittenen Lagen 41 auf der Innenseite 6 der Rippe 1, die der Außenseite 5 gegenüberliegt, vorhanden sind. Aufgrund des Schnitts 9 in den eingeschnittenen Lagen 42 ist die Presskraft 100 verringert, sodass insbesondere Presswerkzeuge bereitgestellt werden können, die geringere Presskräfte 100 aufbringen als dies im Stand der Technik der Fall war. Somit ist ein einfaches und aufwandsarmes Fertigen der Rippe 1 ermöglicht.
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Das Einbringen des Schnitts 9 erfolgt vorteilhafterweise mittels einer Stanze und/oder einer Schere und/oder mittels eines CNC-Cutters. Der CNC-Cutter umfasst vorteilhafterweise rotierende Messer oder oszillierende Messer, die elektrisch oder pneumatisch angetrieben sind. Somit kann das Einschneiden des Teils der Vielzahl von Lagen 4 vorteilhafterweise automatisiert erfolgen. Ebenso ist ein manuelles Einschneiden des Teils der Vielzahl von Lagen 4 möglich. Da insbesondere lediglich benachbarte Lagen 4 einzuschneiden sind, ist der Schritt des Einschneidens einfach und aufwandsarm durchführbar.
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2 zeigt schematisch ein Bauteil 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Bauteil 8 weist eine Rippe 1 auf und wurde bevorzugt mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt. Die Rippe 1 erstreckt sich zwischen einem Rippenfuß 2 und einer Rippenspitze 3. Außerdem weist die Rippe 1 eine Außenseite 5 und eine Innenseite 6 auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Außenseite 5 nicht zu einer weiteren Fläche der Rippe 1 weist. Dahingegen weist eine der Außenseite 5 gegenüberliegende Innenseite 6 der Rippe 1 zu einer weiteren Fläche der Innenseite 6 der Rippe 1 hin.
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Es ist vorgesehen, dass die Außenseite 5 durch die eingeschnittenen Lagen 42 gebildet werden, während die Innenseite 6 durch die nicht eingeschnittenen Lagen 41 gebildet ist. Somit ist ein Teil der Vielzahl von Lagen 4 insbesondere an der Rippenspitze 3 eingeschnitten. Dies bedeutet, dass die Rippe 1, wie zuvor beschrieben, einfach und aufwandsarm durch Fließpressen fertigbar ist, wobei unterschiedliche Geometrien der Rippe 1 realisierbar sind. Besonders vorteilhaft lässt sich eine Höhe der Rippe 1, das bedeutet der Abstand zwischen der Rippenspitze 3 und dem Rippenfuß 2, nahezu beliebig wählen. Durch die Möglichkeit des unterschiedlichen Ausgestaltens der Rippe 1 ist auch eine Verbesserung der globalen Bauteilsteifigkeit des Bauteils 8 durch die Rippe 1 beliebig wählbar. Somit kann die Rippe 1 je nach Anforderungen an die Festigkeit des Bauteils 8 ausgelegt sein. Das Auslegen der Rippe 1 erfolgt durch die Wahl der Anzahl der Lagen 4 sowie durch die Wahl der Anzahl der eingeschnittenen Lagen 42. Durch die eingeschnittenen Lagen 42 lassen sich insbesondere größere Rippenhöhen erreichen, als dies im Stand der Technik der Fall war.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rippe
- 2
- Rippenfuß
- 3
- Rippenspitze
- 4
- Lagen
- 41
- nicht eingeschnittene Lagen
- 42
- eingeschnittene Lagen
- 5
- Außenseite
- 6
- Innenseite
- 7
- Form
- 8
- Bauteil
- 9
- Schnitt
