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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines endlosfaserverstärkten Fahrwerkbauteils sowie ein Formwerkzeug zur Herstellung eines solchen Fahrwerkbauteils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Ein derartiges Verfahren und Formwerkzeug sind aus der
DE 10 2015 109 289 B3 bekannt. Hier wird ein Dorn mit einer konischen Spitze in ein Faserhalbzeug eingeführt.
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Aus der
DE 10 2015 010 905 A1 ist ebenfalls die Herstellung eines Durchbruches in einem Faser-Matrix-Verbund bekannt, wobei zunächst in einem Vorbearbeitungsschritt ein Durchbruch ausgebildet und der Durchbruch anschließend mittels eines Dorns aufgeweitet wird. Der Dorn kann eine in Umfangsrichtung des Dorns verlaufende Zahnkontur aufweisen, die mit einer korrespondierend ausgebildeten Matrize zusammenwirken kann.
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Der
DE 10 2014 113 294 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelementes mit einer Nabenöffnung aus mehreren Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials zu entnehmen. Hierbei ist in jeder Lage ein Langloch eingebracht, dessen Längsachse parallel zur Faserhauptrichtung ausgerichtet ist. Die mehreren Lagen werden derart übereinander angeordnet, dass die Langlöcher übereinander liegen und die übereinander liegenden Langlöcher mittels eines Dorns zu einer kreisförmigen Nabenöffnung aufgeweitet werden können.
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Aus der
DE 1 109 874 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Kugelpfanne für ein Kugelgelenk bekannt, bei dem aus mehreren Schichten eines faserhaltigen Werkstoffes ein Lagereinsatz gebildet wird.
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Endlosfaserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials u. a. für Fahrwerkbauteile, wie beispielsweise Mehrpunktlenker, eingesetzt. Müssen derartige Bauteile mit Durchgangslöchern versehen werden, die im Fahrbetrieb einer Belastung unterliegen, so wird versucht, die Faserstruktur der Bauteile möglichst nicht oder nur in geringem Umfang zu unterbrechen. In der
DE 10 2010 001 634 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem als Organoblech bezeichneten, endlosfaserverstärkten Kunststoff offenbart, der aus einer thermoplastischen Matrix mit einer darin eingebetteten Faseranordnung besteht. Zur Ausbildung einer Aussparung in dem Bauteil wird die Faseranordnung des Organoblechs aufgeweitet, indem ein Formteil am Ort der zu bildenden Aussparung in das Organoblech eingeschoben wird. Das Formteil weist einen spitzen Kopf auf und wird mit diesem in das Organoblech eingeschoben. Ein solches Formteil wird auch als Dorn bezeichnet und das Aufweiten der Faseranordnung auch als aufdornen. Bei einem derartigen Aufdornprozess taucht der angespitzte Dorn senkrecht zur Materialebene des Organoblechs in dieses ein und weitet die Faserstruktur des Organoblechs radial auf. Die Aufweitung der Faserstruktur zur Ausbildung einer Aussparung, die beispielsweise als ein Durchgangsloch ausgebildet sein kann, erfolgt demnach zweidimensional in der Materialebene des Organoblechs. Dadurch sind die geometrischen Möglichkeiten zur Anbindung von Anschlussbauteilen an die Aussparung bzw. an das Durchgangsloch beschränkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Fahrwerkbauteil mit einem Durchgangsloch hergestellt werden kann, wobei die Möglichkeiten zur Anbindung eines Anschlussbauteils im Bereich des Durchgangslochs gegenüber dem Stand der Technik erweitert sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren, welches zusätzlich die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung sieht demnach ein Verfahren zum Herstellen eines endlosfaserverstärkten Fahrwerkbauteils vor, wobei eine Faseranordnung des Fahrwerkbauteils zur Ausbildung eines Durchgangslochs in dem Fahrwerkbauteil mittels eines Dorns radial aufgeweitet wird. Erfindungsgemäß wird darüber hinaus ein das Durchgangsloch umschließender Umformbereich unter Verlagerung des Durchgangslochs dreidimensional umgeformt. Darüber hinaus wird als Dorn ein Spreizdorn mit an seinem Umfang radial verlagerbaren Segmenten verwendet, wobei mittels der radial verlagerbaren Segmente die Faseranordnung radial aufgeweitet wird
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Durch die dreidimensionale Umformung des Umformbereichs, der das Durchgangsloch umschließt, erhöht sich die Anzahl der Anbindungsmöglichkeiten eines Anschlussbauteils signifikant. Die dreidimensionale Geometrie des Umformbereichs kann ebenfalls als Anlagefläche für etwaige Anschlussbauteile genutzt werden. Durch die dreidimensionale Ausbildung des Umformbereichs können Anschlussbauteile darüber hinaus im Bereich des Durchgangslochs derart an das Fahrwerkbauteil angebunden werden, dass eine Relativbewegung zwischen dem Fahrwerkbauteil und dem Anschlussbauteil durch einen Formschluss zwischen den Fügepartnern unterbunden wird. Auch die zur Verfügung stehende Anlagefläche zwischen dem Fahrwerkbauteil und dem Anschlussbauteil wird durch den dreidimensional ausgebildeten Umformbereich vergrößert, wodurch die Flächenpressung zwischen den Fügepartnern herabgesetzt werden kann. Während des Aufweitens der Faseranordnung, die insbesondere als ein Gewebe, ein Gelege oder ein Gewirke ausgebildet ist, ordnen sich die durch den Dorn verdrängten Endlosfasern im Wesentlichen ringförmig um das Durchgangsloch an. Dadurch wird das Durchgangsloch umfänglich verstärkt und ist an dieser Stelle besonders widerstandsfähig, beispielsweise gegenüber einem Versuch, in dem Umformbereich angeordnete Bauteile unter Aufweitung des Durchgangslochs durch dieses zu ziehen. Hierzu erforderliche Kräfte, die auch als Auszieh- oder Auszugskräfte bezeichnet werden, sind wesentlich höher als dies der Fall wäre, wenn das Durchgangsloch ausschließlich durch ein lochendes Verfahren unter Trennung der Endlosfasern hergestellt wäre.
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Die dreidimensionale Umformung des Umformbereichs unter Verlagerung des Durchgangslochs ist vorliegend so zu verstehen, dass der Umformbereich zumindest teilweise in einem Bereich umgeformt wird, der außerhalb einer Ebene liegt, in der die radiale Aufweitung der Faseranordnung erfolgt. Dabei ist es zunächst einmal unerheblich, ob zuerst die Faseranordnung radial aufgeweitet wird und danach die dreidimensionale Umformung des Umformbereichs erfolgt oder umgekehrt oder zumindest teilweise gleichzeitig. Der Umformbereich ist bevorzugt muldenförmig, insbesondere nestartig und/oder eine Kugelkalotte aufweisend, ausgebildet. Unter einer Endlosfaserverstärkung ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Länge der zur Verstärkung des Fahrwerkbauteils dienenden Endlosfasern im Wesentlichen durch die Abmaße des Fahrwerkbauteils begrenzt ist. Zugleich ist eine einzelne Endlosfaser innerhalb des Fahrwerkbauteils im Wesentlichen nicht unterbrochen. Die Endlosfasern können beispielsweise als Glas-, Aramid-, Kevlar- oder Kohlefasern ausgebildet sein, die vorzugsweise in einer duroplastischen oder alternativ in einer thermoplastischen Matrix eingebettet sind. Das Durchgangsloch ist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kreisrund ausgebildet. Alternativ sind auch unrunde Ausgestaltungen möglich, wie beispielsweise Mehrkantlöcher oder Polygonlöcher mit verrundeten Ecken.
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Vorzugsweise wird der Umformbereich zumindest im Wesentlichen durch werkzeuggebundenes Umformen zwischen zwei aktiven Werkzeugflächen eines Formwerkzeugs hergestellt und nicht durch freies Umformen, beispielsweise Umformen mit Wirkmedien. Insbesondere wird das Fahrwerkbauteil während des radialen Aufweitens der Faseranordnung und/oder der Umformung des Umformbereichs, im selben Arbeitsschritt gleichzeitig an anderer Stelle bearbeitet, beispielsweise umgeformt oder beschnitten. Bei der dreidimensionalen Umformung des Umformbereichs handelt es sich vorzugsweise um eine plastische Umformung. Insbesondere ist der das Durchgangsloch umschließende Umformbereich angrenzend an das Durchgangsloch angeordnet. Das radiale Aufweiten der Faseranordnung und/oder das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs erfolgt vorzugsweise nach vorheriger Erwärmung des Fahrwerkbauteils, zumindest im Bereich des Durchgangslochs bzw. des Umformbereichs.
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Vorteilhaft erfolgen das Aufweiten der Faseranordnung und das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs im selben Arbeitsschritt. Mit der Formulierung „im selben Arbeitsschritt“ ist gemeint, dass die Bearbeitung in einer Aufspannung, also ohne zwischenzeitliche Verlagerung des Werkstücks, und ohne Werkzeugwechsel erfolgt. Auf diese Weise hat der Zusatznutzen durch den dreidimensional ausgebildeten Umformbereich keine wesentliche Erhöhung der Herstellungskosten zur Folge.
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Insbesondere erfolgen das Aufweiten der Faseranordnung und das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs im selben Arbeitshub.
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Vorteilhaft erfolgt das radiale Aufweiten der Faseranordnung ausschließlich durch radiales Spreizen des Dorns. Auf diese Weise wird eine unerwünschte, einseitig umlaufende Wulstbildung oder Aufwerfung am Umfang des Durchgangslochs vermieden, weil sich der Dorn während des Aufweitens der Faseranordnung ausschließlich radial bewegt, also keinen zusätzlichen Bewegungsanteil in Axialrichtung des Dorns aufweist. Auf diese Weise wird die Umgebung des Durchgangslochs einschließlich der darin eingebetteten Endlosfasern nicht in Axialrichtung des Durchgangslochs gequetscht und/oder unter Ausbildung eines axialen Einzugs einseitig verformt. Vielmehr kann durch das ausschließlich radiale Aufweiten der Faseranordnung ein Durchgangsloch hergestellt werden, das keine durch Axialkräfte hervorgerufenen, unerwünschten Verformungen aufweist.
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Bevorzugt wird in die Faseranordnung vor deren Aufweitung eine Vorlochung eingebracht. Durch die Vorlochung werden unerwünschte, durch zu starkes Aufweiten der Faseranordnung hervorgerufene, Begleiterscheinungen, wie z. B. die Ausbildung unerwünschter Verwerfungen, vermieden. Insbesondere erfolgt das Vorlochen durch ein Verfahren, das möglichst rechtwinklige Schnittkanten erzeugt, wie dies beispielsweise durch Ausschneiden auf einer Cutteranlage möglich ist, die eine mit hoher Frequenz oszillierende, scharfe Klinge aufweist. Insbesondere ist die Vorlochung derart ausgebildet, dass der Dorn widerstandsfrei in die Vorlochung eingeführt werden kann. In diesem Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll auch dann von einer dreidimensionalen Umformung unter Verlagerung des Durchgangslochs gesprochen werden, wenn tatsächlich nur die Vorlochung verlagert wird. Dies liegt darin begründet, dass das zukünftige Durchgangsloch durch die Vorlochung „indirekt“ bereits vorhanden ist; nur eben noch nicht fertig aufgeweitet.
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Zweckmäßig wird ein Rand der Vorlochung während des Aufweitens der Faseranordnung und/oder während des dreidimensionalen Umformens des Umformbereichs zumindest teilweise von dem Dorn umfänglich gehalten, wobei das Halten durch Formschluss und/oder Kraftschluss und/oder Stoffschluss bewirkt wird. Durch das umfängliche Halten des Randes wird vermieden, dass sich dieser während des Aufweitens der Faseranordnung und/oder während des dreidimensionalen Umformens des Umformbereichs unkontrolliert verlagert und es infolgedessen zu unerwünschten Geometrieabweichungen kommt. Insbesondere wird der Rand der Vorlochung in einer umlaufenden Ringnut des Dorns formschlüssig gehalten, wobei die Ringnut in einem Längsschnitt durch den Dorn insbesondere rechteckig ausgebildet ist, um die rechtwinkligen Schnittkanten der Vorlochung formschlüssig aufnehmen zu können. Der Formschluss kann durch einen Kraftschluss, beispielsweise über einen Niederhalter aufgebracht, unterstützt sein. Das umfängliche Halten des Randes der Vorlochung kann vollumfänglich an dem Dorn anliegend oder segmentweise an dem Dorn anliegend erfolgen. Vorzugsweise liegen beide Zustände, vollumfänglich an dem Dorn anliegend oder segmentweise an dem Dorn anliegend, einmal während des Aufweitens der Faseranordnung vor, insbesondere zu Beginn des Aufweitens oder am Ende des Aufweitens. Das Halten des Randes der Vorlochung durch Stoffschluss geschieht insbesondere durch einen Klebstoff, der zugleich eine Versiegelung der Schnittkanten der Vorlochung bewirken kann. Insbesondere bewegt sich während des dreidimensionalen Umformens des Umformbereichs ein Stempel auf eine relativ dazu stillstehende Matrize zu, wobei der Stempel und die Matrize Bestandteile eines Formwerkzeugs sind. Insbesondere stellt die Matrize eine obere Werkzeughälfte des Formwerkzeugs dar.
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Vorzugsweise liegt ein an den Rand der Vorlochung angrenzender und zugleich den Rand umschließender, ringförmiger Bereich der Faseranordnung während des radialen Aufweitens der Faseranordnung frei. Durch den freiliegenden, ringförmigen Bereich wird für einen während des Aufweitens der Faseranordnung entstehenden Materialüberschuss ein Raum bereitgestellt, in dem sich dieser spannungsfrei ausdehnen kann.
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Vorteilhaft werden zur Herstellung des Fahrwerkbauteils mehrere Faserlagen schichtartig übereinander gelegt und/oder Faserrichtungen von zumindest zwei zur Herstellung des Fahrwerkbauteils schichtartig übereinander gelegten Faserlagen winkelversetzt ausgerichtet. Durch mehrere schichtartig übereinander gelegte Faserlagen, deren Faserrichtungen winkelversetzt angeordnet sind, kann ein Fahrwerkbauteil erreicht werden, das bei Belastungen in verschiedenen Richtungen jeweils zumindest im Wesentlichen der gleichen Beanspruchung unterliegt. Das wäre nicht der Fall, wenn ein Fahrwerkbauteil beispielsweise nur eine einzige Faserrichtung aufweisen würde und ein solches Fahrwerkbauteil einmal in Faserrichtung und einmal quer dazu belastet werden würde.
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Alternativ wird jede Faserlage für sich vorgelocht. Dies geschieht wirtschaftlich in einem Arbeitsgang mit einem Zuschneiden der Faserlage auf einer Cutteranlage, insbesondere einer CNC-Cutteranlage. Insbesondere wird als Ausgangsmaterial für den Zuschnitt der Faserlage Rollenmaterial verwendet.
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Bevorzugt ist die Vorlochung jeweils länglich ausgebildet und wird derart in die Faserlage eingebracht, dass die größte Längserstreckung der länglichen Vorlochung dem oder einem Verlauf der Endlosfasern folgend ausgerichtet ist. Insbesondere ist die Vorlochung dabei jeweils als ein Langloch ausgebildet. Auf diese Weise kann bei einem mehrlagigen Aufbau des Fahrwerkbauteils mit mehreren schichtartig übereinander gelegten Faserlagen die Belastbarkeit richtungsabhängig beeinflusst werden. Mit der Formulierung „dem oder einem Verlauf der Endlosfasern folgend“ ist gemeint, dass die längliche Vorlochung dem Verlauf der Endlosfasern folgend ausgerichtet ist, wenn nur eine einzige Faserrichtung vorliegt. Verlaufen die Endlosfasern in mehreren Richtungen, beispielsweise bei einer gewebeartig ausgebildeten Faserlage, ist die längliche Vorlochung dem Verlauf einer der Endlosfaser-Richtungen folgend ausgerichtet, insbesondere der Richtung der stabileren Endlosfasern.
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Vorzugsweise sind die länglichen Vorlochungen übereinanderliegender Faserlagen derart überlappend angeordnet, dass der Dorn widerstandsfrei eingeführt werden kann. Dadurch, dass der Dorn widerstandsfrei eingeführt werden kann, wird ein rein radiales Aufweiten möglich. Bei einer nur teilweise überdeckenden Anordnung der länglichen Vorlochungen sind die länglichen Vorlochungen, insbesondere die schichtartig übereinander liegenden Vorlochen, bevorzugt derart angeordnet, dass diese zumindest im Wesentlichen nur in ihren Längsseiten aufgeweitet werden. Dadurch erfolgt zumindest im Wesentlichen eine Umlenkung der an den Längsseiten angeordneten und zugleich in Längsrichtung der länglichen Vorlochungen ausgerichteten Endlosfasern. Bei einer solchen Anordnung der Endlosfasern werden diese bei Belastung des Fahrwerkbauteils zumindest im Wesentlichen auf Zug beansprucht.
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Aufgrund der vorherigen Ausführungen kann das Aufweiten der Faseranordnung unmittelbar zu dem Durchgangsloch des Fahrwerkbauteils führen. Dies ist der Fall, wenn das Fahrwerkbauteil aus nur einer einzigen Faserlage besteht oder wenn mehrere schichtartig übereinander liegende und zugleich miteinander verbundene, insbesondere flächig miteinander verbundene, Faserlagen zur Herstellung des Durchgangslochs radial aufgeweitet werden. Alternativ können die Faseranordnungen mehrerer einzelner, vorgelochter Faserlagen einzeln für sich aufgeweitet werden. Die so entstehenden Aufweitungen liegen zumindest teilweise übereinander, wenn die einzelnen Faserlagen anschließend flächig miteinander verbunden werden. In diesem Fall bilden die übereinander liegenden Aufweitungen bereits das Durchgangsloch, wenn die Aufweitungen exakt übereinander liegen. Wenn die Aufweitungen nur teilweise übereinanderliegen werden diese zur Fertigstellung des Durchgangslochs auf das Fertigmaß des Durchgangslochs aufgeweitet.
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Vorteilhaft erfolgt das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs unmittelbar nach dem Aufweiten der Faseranordnung. Bevorzugt wird der Umformbereich dabei zumindest im Wesentlichen durch werkzeuggebundenes Umformen zwischen zwei aktiven Werkzeugflächen eines Formwerkzeugs hergestellt. Auf diese Weise können durch das Aufweiten der Faseranordnung entstandene, wulstartige Materialanhäufen wieder geglättet und ein dreidimensionaler Umformbereich mit hoher maßlicher Genauigkeit und zugleich hoher Formgenauigkeit hergestellt werden.
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Alternativ erfolgt das Aufweiten der Faseranordnung unmittelbar nach dem dreidimensionalen Umformen des Umformbereichs. Bevorzugt wird die Faseranordnung hierbei vorgelocht, wobei die Vorlochung vor oder nach dem dreidimensionalen Umformen des Umformbereichs eingebracht werden kann. Das Aufweiten der Faseranordnung kann in diesem Fall unmittelbar zu dem Durchgangsloch des Fahrwerkbauteils führen, beispielsweise wenn bei dem Umformen des Umformbereichs und dem anschließenden Aufweiten der vorgelochten Faseranordnung bereits der endgültige Schichtaufbau vorliegt. Es können alternativ aber auch mehrere einzelne vorgelochte Faserlagen zunächst dreidimensional umgeformt, danach geschichtet und abschließend deren Faseranordnung zu dem Durchgangsloch aufgeweitet werden. Auch können die Faseranordnungen der einzelnen Faserlagen nach dem dreidimensionalen Umformen bereits fertig aufgeweitet sein, so dass nur noch ein flächiges Verbinden der einzelnen Faserlagen erforderlich ist. Obwohl bei dem nachträglichen Aufweiten der vorgelochten Faseranordnung nach dem dreidimensionalen Umformen das Durchgangsloch zu Beginn der dreidimensionalen Umformung noch nicht fertiggestellt ist, soll, wie bereits erwähnt, auch hier von einer dreidimensionalen Umformung unter Verlagerung des Durchgangslochs gesprochen werden.
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Gemäß einer weiteren Alternative erfolgen das Aufweiten der Faseranordnung und das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs zumindest teilweise gleichzeitig. Insbesondere beginnt das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs bereits bevor das Aufweiten der Faseranordnung abgeschlossen ist. Durch das teilweise parallele Umformen des Umformbereichs bei gleichzeitigem Aufweiten der Faseranordnung kann Prozesszeit eingespart werden.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines endlosfaserverstärkten Fahrwerkbauteils, wobei das Formwerkzeug einen Dorn aufweist, der zur Erzeugung eines Durchgangslochs in dem Fahrwerkbauteil durch radiale Aufweitung einer Faseranordnung des Fahrwerkbauteils geeignet ist, wobei das Formwerkzeug einen Stempel aufweist, der zu einer dreidimensionalen Umformung eines das Durchgangsloch umschließenden Umformbereichs unter Verlagerung des Durchgangslochs geeignet ist. Das Formwerkzeug kann dabei eine Baueinheit eines größeren Werkzeugs, insbesondere eines Umformwerkzeugs, bilden. Wie bereits zuvor ausgeführt, bewegt sich der Stempel während der dreidimensionalen Umformung des Umformbereichs vorzugsweise auf eine relativ zu dem Stempel stillstehende Matrize zu, wobei die Matrize insbesondere eine obere Werkzeughälfte des Formwerkzeugs darstellt. Es ist allerdings auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, wonach der Stempel während der dreidimensionalen Umformung des Umformbereichs ortsfest stillsteht und sich und sich die Matrize auf den Stempel zu bewegt.
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Erfindungsgemäß ist der Dorn als ein Spreizdorn ausgebildet, dessen Umfang erweiterbar ist. Durch den Spreizdorn wird das eingangs beschriebene rein radiale Aufweiten der Faseranordnung möglich, wobei vorzugsweise ein an den Rand der Vorlochung angrenzender und zugleich den Rand umschließender, ringförmiger Bereich der Faseranordnung während des radialen Aufweitens der Faseranordnung freiliegt.
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Der Spreizdorn weist an seinem Umfang radial verlagerbare Segmente zur radialen Aufweitung der Faseranordnung auf. Die radiale Verlagerung der Segmente kann dabei beispielsweise strahlenförmig erfolgen und durch axiales Bewegen eines zentral zwischen den Segmenten angeordneten Kegels bewirkt werden. Der Kegel kann ein kegeliges Außengewinde aufweisen, welches mit einem korrespondierenden kegeligen Innengewinde zusammenwirkt, das in Innenumfangsflächen der Segmente eingebracht ist, die dem Kegel zugewandt sind. Ein Einschrauben des Kegels bewirkt eine radiale Spreizung der Segmente. Der Kegel kann alternativ auch eine glatte Oberfläche aufweisen, die sich beim Einschieben des Kegels in die diesen umgebenden Segmente an formkorrespondierenden Innenumfangsflächen der Segmente abstützt und auf diese Weise die radiale Spreizung der Segmente bewirkt. Gemäß einer weiteren Variante kann der Kegel auch abgestuft ausgebildet sein mit Kegelstumpf-förmigen Abschnitten, die sich beispielsweise in Axialrichtung des Spreizdorns mit zylindrischen Abschnitten abwechseln. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit während des Aufweitens der Faseranordnung variiert werden. Dies geschieht bei einem abgestuften Kegel mit unterschiedlich steilen Kegelabschnitten dadurch, dass sich die Segmente in Abhängigkeit von dem jeweils in Eingriff stehendem Kegel unterschiedlich schnell in Radialrichtung bewegen, wenn der abgestufte Kegel gleichförmig mit konstanter Geschwindigkeit in Axialrichtung zentral zwischen die Segmente eingeschoben wird. Die Bewegung der Segmente kann auch bahngeführt erfolgen, beispielsweise über eine Bewegungsanordnung nach dem Prinzip einer Irisblende, deren Lamellen über Stifte mit den Segmenten gekoppelt sind.
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Vorteilhaft bilden Umfangsflächen der radial ausgefahrenen Segmente in einem Axialschnitt durch den Spreizdorn einen Kreisbogen. Auf diese Weise kann ein zylindrisches Durchgangsloch mit hoher umfänglicher Formgenauigkeit hergestellt werden.
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Mittels der Erfindung ist ein endlosfaserverstärktes Fahrwerkbauteil mit einem radial aufgeweiteten Durchgangsloch realisierbar, wobei das Durchgangsloch von einem dreidimensional ausgebildeten Umformbereich umgeben ist, in dem eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens gelagert ist. Insbesondere erstreckt sich aus dem Durchgangsloch heraus ein Zapfen des Kugelzapfens. Das Fahrwerkbauteil ist insbesondere nach einem Verfahren und/oder mit einem Formwerkzeug wie zuvor beschrieben hergestellt. Bevorzugt ist der Kugelzapfen Bestandteil eines Kugelgelenks, insbesondere eines Kugelgelenks in dem der Kugelzapfen dreh- und schwenkbar gelagert ist, wobei der Kugelzapfen aus der Gelenkkugel und dem damit starr verbundenen Zapfen gebildet ist. Insbesondere sind die Gelenkkugel und der Zapfen einstückig ausgebildet.
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Unter einem dreidimensional ausgebildeten Umformbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Umformbereich zu verstehen, der sich aus einer zweidimensionalen Erstreckungsebene über seine Materialdicke hinaus in eine dritte Dimension erstreckt. Vorteilhaft ist die Gelenkkugel oder zumindest eine die Gelenkkugel umschließende Lagerschale zumindest bereichsweise von dem Umformbereich überdeckt. Insbesondere ist das Durchgangsloch kreisrund oder als regelmäßiges Vieleck ausgebildet und weist dabei einen kleineren Durchmesser bzw. Inkreisdurchmesser auf als die Gelenkkugel und/oder als die die Gelenkkugel umschließende Lagerschale. Insbesondere ist der dreidimensional ausgebildete Umformbereich zumindest abschnittsweise als eine Kugelkalotte ausgebildet. Insbesondere befindet sich das Durchgangsloch am Pol des kalottenförmig ausgebildeten Umformbereichs. Insbesondere ist das Durchgangsloch von Endlosfasern eingefasst, die an den umfänglichen Verlauf des Durchgangslochs angepasst sind, wobei diese Anpassung zumindest teilweise von dem Aufweiten der Faseranordnung herrührt. Auf diese Weise ist eine Kugelgelenkanordnung realisierbar, bei der ein Herausziehen des Kugelzapfens, insbesondere der Gelenkkugel des Kugelzapfens, aus dem Kugelgelenk bzw. dem Durchgangsloch des Kugelgelenks nur unter Aufbietung hoher Auszugskräfte möglich ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fahrwerkbauteil um ein Lenkerbauteil.
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Bevorzugt ist das Fahrwerkbauteil als ein Mehrpunktlenker, insbesondere als ein Zweipunktlenker oder Dreipunktlenker oder Vierpunktlenker, ausgebildet. Vorzugsweise sind dabei zumindest mehrere Lagerpunkte des Mehrpunktlenkers, insbesondere jedoch sämtliche Lagerpunkte des Mehrpunktlenkers, durch ein einstückiges endlosfaserverstärktes Element des Fahrwerkbauteils verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile oder Elemente beziehen. Dabei zeigt:
- 1 in einer Draufsicht ein Fahrwerkbauteil, das gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
- 2 in einer schematischen Schnittdarstellung den Schnitt A - A aus 1;
- 3a zeigt in einer schematischen Darstellung das Zustandekommen eines Schichtaufbaus eines Fahrwerkbauteils;
- 3b zeigt in einer schematischen Darstellung das Zustandekommen eines gegenüber 3a alternativen Schichtaufbaus des Fahrwerkbauteils;
- 4a in einer schematischen Schnittdarstellung ein in ein Formwerkzeug eingelegtes Fahrwerkbauteil;
- 4b in einer schematischen Schnittdarstellung das Formwerkzeug aus 4a, wobei ein Dorn umfänglich an dem Fahrwerkbauteil anliegt;
- 4c in einer schematischen Schnittdarstellung das Formwerkzeug aus 4b, wobei ein Durchgangsloch in dem Fahrwerkbauteil durch Aufweiten hergestellt wurde;
- 4d in einer schematischen Schnittdarstellung das Formwerkzeug aus 4c, wobei ein Umformbereich des Fahrwerkbauteils dreidimensional umgeformt wurde;
- 5a in einer schematischen Perspektivdarstellung einen Spreizdorn in geschlossenem Zustand;
- 5b in einer schematischen Perspektivdarstellung den Spreizdorn aus 5a in gespreiztem Zustand;
- 6a in einer schematischen Schnittdarstellung einen Spreizdorn mit einem Werkzeugschieber;
- 6b in einer schematischen Schnittdarstellung einen Spreizdorn gemäß einer alternativen Ausführungsform;
- 7a in einer schematischen Schnittdarstellung einen Spreizdorn mit einem Gewindekegel;
- 7b in einer schematischen Schnittdarstellung den Spreizdorn aus den 4a bis 4d mit einem Kegel;
- 7c in einer schematischen Schnittdarstellung einen Spreizdorn mit einem Stufenkegel;
- 8a in einer schematischen Perspektivdarstellung einen Spreizdorn gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 8b in einer Unteransicht den Spreizdorn aus 8a;
- 9a in einer schematischen Draufsicht einen eingefahrenen Spreizdorn gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 9b in einer schematischen Draufsicht den Spreizdorn aus 9a in gespreiztem Zustand;
- 10a in einer schematischen Schnittdarstellung ein in ein Formwerkzeug eingelegtes Fahrwerkbauteil;
- 10b in einer schematischen Schnittdarstellung das Formwerkzeug aus 10a, wobei ein Umformbereich des Fahrwerkbauteils dreidimensional umgeformt wurde
und
- 10c in einer schematischen Schnittdarstellung das Formwerkzeug aus 4b, wobei ein Durchgangsloch in dem Fahrwerkbauteil durch Aufweiten hergestellt wurde.
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1 zeigt ein endlosfaserverstärktes Fahrwerkbauteil 1, das als ein Dreipunktlenker 1 ausgebildet und mit einem radial aufgeweiteten Durchgangsloch 3 versehen ist. Das Durchgangsloch 3 ist von einem dreidimensional ausgebildeten Umformbereich 5 umgeben, in dem eine Gelenkkugel 7 eines Kugelzapfens 9 gelagert ist. Aus dem Durchgangsloch 3 heraus erstreckt sich ein Zapfen 11 des Kugelzapfens 9. Der Dreipunktlenker 1 weist drei Lagerpunkte 13 auf, die durch ein einstückiges, endlosfaserverstärktes Element 15 des Dreipunktlenkers 1 miteinander in Verbindung stehen. Der Dreipunktlenker 1 ist nach einem Verfahren hergestellt, bei dem eine Faseranordnung 17 des Dreipunktlenkers 1 zur Ausbildung des Durchgangslochs 3 mittels eines Dorns 219 radial aufgeweitet wird, wobei der das Durchgangsloch 3 umschließende Umformbereich 5 unter Verlagerung des Durchgangslochs 3 dreidimensional umgeformt wird. Die schematisch angedeutete Faseranordnung 17 ist Bestandteil des endlosfaserverstärkten Elements 15 und ist als ein Gewebe ausgebildet, welches das endlosfaserverstärkte Element 15 vollflächig durchzieht.
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In 2 ist zu erkennen, dass eine die Gelenkkugel 7 umschließende Lagerschale 21 bereichsweise von dem dreidimensional ausgebildeten Umformbereich 5 über- deckt ist. Das Durchgangsloch 3 ist am Pol des kalottenförmig ausgebildeten Umformbereichs 5 angeordnet und von hier nicht sichtbaren Endlosfasern eingefasst, die an den umfänglichen Verlauf des Durchgangslochs 3 angepasst sind, wobei diese Anpassung von dem Aufweiten der Faseranordnung 17 herrührt. Die Gelenkkugel 7 und der Zapfen 11 sind einstückig ausgeführt und bilden zusammen den Kugelzapfen 9. Weiterhin ist zu erkennen, dass der Dreipunktlenker 1 mehrere schichtartig übereinander angeordnete Faserlagen 23 aufweist, die jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei der Stoffschluss vollflächig ausgeführt ist.
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3a zeigt vier einzelne Faserlagen 123 mit jeweils einer aus Endlosfasern 125 gebildeten Faseranordnung 117. Die Faserlagen 123 weisen jeweils eine längliche Vorlochung 127 auf, die jeweils als ein Langloch 127 ausgebildet ist. Die Langlöcher 127 sind jeweils derart in die Faserlagen 123 eingebracht, dass die größte Längserstreckung der Langlöcher 127 jeweils dem Verlauf der Endlosfasern 125 folgend in deren jeweiliger Faserrichtung 131 ausgerichtet sind. Das Zuschneiden der Faserlagen 123 sowie das Einbringen der Langlöcher 127 erfolgt auf einer CNC-Cutteranlage. Die Außenumrisse der fertig zugeschnittenen Faserlagen 123 nach dem Zuschnitt durch die CNC-Cutteranlage sind jeweils durch eine gepunktete Linie angedeutet. Die Langlöcher 127 weisen jeweils einen diese mit parallelem Abstand umlaufenden Rand 129 auf. Zur Herstellung eines Fahrwerkbauteils 101 werden die Faserlagen 123 schichtartig übereinander gelegt und dabei die Faserrichtungen 131 der schichtartig übereinander gelegten Faserlagen 123 winkelversetzt ausgerichtet. Die Faserlagen 123 werden zugleich so ausgerichtet, dass sich die Langlöcher 127 der übereinander liegenden Faserlagen 123 teilweise überdecken. Anschließend werden die Faseranordnungen 117 im Bereich der sich teilweise überdeckenden Langlöcher 127 mit Hilfe des Dorns 219 derart radial aufgeweitet, dass ein Durchgangsloch 103 in dem Fahrwerkbauteil 101 gebildet wird. Das radiale Aufweiten bewirkt eine Verdichtung der Endlosfasern 125, die das Durchgangsloch 103 umgeben. Diese Verdichtung wirkt ähnlich einer Lochverstärkung.
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In 3b ist eine alternative Vorgehensweise bei der Herstellung des Fahrwerkbauteils 101 mit dem Durchgangsloch 103 schematisch dargestellt. Diese alternative Vorgehensweise unterscheidet sich von dem in 3a dargestellten Vorgehen dadurch, dass die Faseranordnungen 117 der Faserlagen 123 jeweils einzeln für sich aufgeweitet werden. Die auf diese Weise entstehenden Aufweitungen 149 weisen jeweils den gleichen Durchmesser auf wie das Durchgangsloch 103. Das Durchgangsloch 103 entsteht dadurch, dass die Faserlagen 123 anschließend wie zuvor beschrieben übereinander gelegt und flächig miteinander verbunden werden, wobei die Aufweitungen 149 versatzfrei übereinander liegen.
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In den 4a bis 4d ist sind einzelne Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines endlosfaserverstärkten Fahrwerkbauteils 201 schematisch dargestellt. 4a zeigt das Fahrwerkbauteil 201 bestehend aus mehreren schichtartig übereinander liegenden und flächendeckend stoffschlüssig miteinander verbundenen Faserlagen 223, wobei jede einzelne Faserlage 223 eine aus Endlosfasern gebildete Faseranordnung aufweist. Ein als ein Spreizdorn 219 ausgebildeter Dorn wurde widerstandsfrei in eine Vorlochung 227 eingeführt, wobei die Vorlochung 227 einen Durchmesser aufweist, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des Spreizdorns 219. Der Spreizdorn 219 weist eine umlaufende Ringnut 239 zur formschlüssigen Aufnahme eines Randes 229 der Vorlochung 227 auf. Das Fahrwerkbauteil 201 ist zwischen einer oberen Werkzeughälfte 233 und einer unteren Werkzeughälfte 235 eines Formwerkzeugs 237 eingespannt. In 4b ist zu erkennen, dass sich Segmente 243 des Spreizdorns 219 geringfügig radial aufgeweitet haben und die Ringnut 239 des Spreizdorns 219 nun den Rand 229 der Vorlochung 227 formschlüssig aufnimmt. Ein an den Rand 229 der Vorlochung 227 angrenzender und zugleich den Rand 229 umschließender, ringförmiger Bereich 245 des Fahrwerkbauteils 201 liegt frei. Die obere Werkzeughälfte 233, die untere Werkzeughälfte 235 und ein Stempel 247 sind jeweils einstückig ausgebildet und daher schraffiert dargestellt. Der Spreizdorn 219 ist nicht schraffiert dargestellt, weil die Schnittebene zwischen umfänglich benachbarten Segmenten 243 verläuft.
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4c zeigt den Spreizdorn 219, wobei dessen Segmente 243 radial maximal aufgeweitet sind, wodurch die Vorlochung 227 derart aufgeweitet wird, dass sie zu einem Durchgangsloch 203 des Fahrwerkbauteils 201 wird. Dabei wird eine Faseranordnung, vorliegend gebildet aus den schichtartig übereinander liegenden Faserlagen 223, zur Ausbildung des Durchgangslochs 203 radial aufgeweitet. In 4d ist ein das Durchgangsloch 203 umschließender Umformbereich 205 gezeigt, der unter Verlagerung des Durchgangslochs 203 dreidimensional umgeformt wurde. Dabei ist der Spreizdorn 219 weiter in die obere Werkzeughälfte 233 eingetaucht, allerdings ohne sich dabei radial aufzuweiten. Der Rand des Durchgangslochs 203 sitzt nicht mehr formschlüssig in der umlaufenden Ringnut 239 des Spreizdorns 219. Der Umformbereich 205 wurde durch werkzeuggebundenes Umformen zwischen zwei aktiven Werkzeugflächen des Formwerkzeugs 237 hergestellt. Eine dieser beiden aktiven Werkzeugflächen wird durch den Stempel 247 bereitgestellt, der sich während der dreidimensionalen Umformung des Umformbereichs 205 auf eine relativ zu dem Stempel 247 stillstehende Matrize zu bewegt, die durch die obere Werkzeughälfte 233 gebildet ist und die zugleich die zweite aktive Werkzeugfläche bereitstellt. Der Stempel 247 ist somit zu der dreidimensionalen Umformung des das Durchgangsloch 203 umschließenden Umformbereichs 205 unter Verlagerung des Durchgangslochs 203 geeignet. Der Umformbereich 205 beinhaltet den ringförmigen Bereich 245, der während des radialen Aufweitens der Vorlochung 227 freigelegen hat. Das Aufweiten der Vorlochung 227 und das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs 205 erfolgen im erwärmten Zustand des Fahrwerkbauteils 201.
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5a zeigt schematisch einen scheibenförmigen Axialabschnitt eines als Spreizdorn 319 ausgebildeten Dorns mit fünf Segmenten 343, die bei Betrachtung in einer Draufsicht jeweils als ein Kreissektor ausgebildet sind und zueinander wie Tortenstücke einer Torte mit kreisrundem Umfang angeordnet sind. Alternativ ist auch eine größere oder kleinere Anzahl von Segmenten möglich, die allerdings jeweils gleichmäßig über den Umfang des Spreizdorns verteilt angeordnet sind. Die Segmente können auch Querschnittsformen aufweisen, die von einem Kreissektor abweichen, und beispielsweise als ein Dreieck ausgebildet sind. Demensprechend kann der geschlossene Spreizdorn im Querschnitt auch von einer Kreisform abweichen und beispielsweise als Viereck oder als Sechseck ausgebildet sein. In dem dargestellten geschlossenen Zustand des Spreizdorns 319 mit eingefahrenen Segmenten 343 könnte der Spreizdorn 319 beispielsweise widerstandsfrei in die zuvor beschriebene Vorlochung 227 eingeführt werden. In 5b sind die Segmente 343 strahlenförmig radial verlagert dargestellt, wodurch das radiale Aufweiten der zuvor beschriebenen Faseranordnungen 17, 117 möglich wird.
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6a zeigt einen Spreizdorn 419 mit einer radial umlaufenden Ringnut 439 zur formschlüssigen Aufnahme des Randes 229 der Vorlochung 227, wobei der Rand 229 durch einen in Axialrichtung des Spreizdorns 419 wirkenden Werkzeugschieber 451 zusätzlich kraftschlüssig geklemmt werden kann. In 6b ist ein Spreizdorn 519 mit einer radial umlaufenden Ringnut 539 dargestellt, wobei die Ringnut 539 mit einem Klebemittel 553 zum Halten des Randes 229 durch stoffschlüssige Anbindung versehen ist.
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7a zeigt einen Spreizdorn 619 dessen Segmente durch axiales Bewegen eines zentral zwischen den Segmenten angeordneten Gewindekegels 655 radial verlagert werden können. Der Gewindekegel 655 weist ein kegeliges Außengewinde 657 auf, welches mit einem korrespondierenden kegeligen Innengewinde zusammenwirkt, das auf den dem Gewindekegel 655 zugewandten Innenumfangsflächen der Segmente angeordnet ist. Ein Einschrauben des Gewindekegels 655 bewirkt eine radiale Spreizung der Segmente. Der in 7b dargestellte Spreizdorn 219, der bereits zuvor beschrieben wurde, weist einen Kegel 259 mit einer glatten, kegelförmigen Oberfläche auf. Diese Oberfläche stützt sich bei einem axialen Einschieben des Kegels 259 in die den Kegel 259 umgebenden Segmente an formkorrespondierenden Innenumfangsflächen dieser Segmente ab und bewirkt auf diese Weise die radiale Spreizung der Segmente.
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7c zeigt einen Spreizdorn 719 mit einem Stufenkegel 761 mit Kegelstumpfförmigen Abschnitten, die sich in Axialrichtung des Stufenkegels 761 mit zylindrischen Abschnitten abwechseln. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit während des Aufweitens der Faseranordnung 17 oder 117 variiert werden. Dies geschieht bei dem Stufenkegel 761 mit unterschiedlich steilen Kegelstumpfabschnitten, der gleichförmig mit konstanter Geschwindigkeit in Axialrichtung zentral zwischen die Segmente eingeschoben wird, dadurch, dass sich die Segmente in Abhängigkeit von dem jeweils in Eingriff stehendem Kegelstumpfabschnitt unterschiedlich schnell in Radialrichtung bewegen. Die Spreizdorne 219, 619 und 719 sind nicht schraffiert dargestellt, weil die Schnittebene jeweils zwischen umfänglich benachbarten Segmenten 243 verläuft.
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In 8a ist in schematischer Weise ein Spreizdorn 819 dargestellt, bei dem eine radiale Bewegung von Segmenten 843 bahngeführt über eine Bewegungsanordnung nach dem Prinzip einer Irisblende 863 erfolgt. Diese Irisblende 863 weist kreisförmig angeordnete Lamellen 865 auf, die über Stifte 867 mit den Segmenten 843 gekoppelt sind. 9a zeigt einen Spreizdorn 919, bei dem drei Innensegmente 969 und drei Außensegmente 971 umfänglich abwechselnd angeordnet sind. Der Spreizdorn 919 weist in dem dargestellten eingefahrenen Zustand einen abschnittsweise unterbrochenen Kreisumfang auf, weil die Innensegmente 969 und die Außensegmente 971 in Radialrichtung unterschiedlich weit ausgefahren und dadurch zueinander radial versetzt angeordnet sind. 9b zeigt den Spreizdorn 919 im ausgefahrenen Zustand, wobei die Innensegmente 969 und die Außensegmente 971 hier in Radialrichtung gleich weit ausgefahren sind und einen ununterbrochenen, kreisrunden Umfang bilden.
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Alternativ zu der im Zusammenhang mit den 4a bis 4d beschriebenen Vorgehensweise zeigen die 10a bis 10c fortschreitend einen Verfahrensablauf bei dem das Aufweiten einer Vorlochung 1027 unmittelbar nach dem dreidimensionalen Umformen eines Umformbereichs 1005 erfolgt. Dazu wird ein Fahrwerkbauteil 1001 zunächst zwischen einer oberen Werkzeughälfte 1033 und einer unteren Werkzeughälfte 1035 eines Formwerkzeugs 1037 eingespannt (10a). Die Vorlochung 1027 wird vor dem dreidimensionalen Umformen des Umformbereichs 1005 eingebracht. Die Herstellung des Umformbereichs 1005 erfolgt derart, dass ein Stempel 1047 des Formwerkzeugs 1037 das Werkstoffvolumen des Umformbereichs 1005 verlagert und gegen eine matrizenartige Ausnehmung der oberen Werkzeughälfte 1033 drückt (10b). Nach erfolgter Herstellung des Umformbereichs 1005 wird die Vorlochung 1027 mittels eines Spreizdorns 1019 aufgeweitet (10c). Der Umformbereich 1005 wird größtenteils in einem Bereich umgeformt, der außerhalb der Ebene liegt, in der die radiale Aufweitung der Vorlochung 1027 erfolgt. Zugleich führt das Aufweiten der Vorlochung 1027 unmittelbar zur Ausbildung eines Durchgangslochs 1003 des Fahrwerkbauteils 1001. Daher gilt auch bei dieser Vorgehensweise, dass die dreidimensionale Umformung des Umformbereichs 1005 unter Verlagerung des Durchgangslochs 1003 erfolgt.
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Das dreidimensionale Umformen des Umformbereichs 1005 und das Aufweiten der Vorlochung 1027 erfolgen innerhalb des Formwerkzeugs 1037 im selben Arbeitsschritt, also in einer Aufspannung, also ohne zwischenzeitliche Verlagerung des Werkstücks, und ohne Werkzeugwechsel. Die obere Werkzeughälfte 1033 und die untere Werkzeughälfte 1035 sind jeweils einstückig ausgebildet und daher schraffiert dargestellt. Der Stempel 1047 ist einstückig massiv ausgebildet, allerdings nicht schraffiert dargestellt. Der Spreizdorn 1019 ist nicht schraffiert dargestellt, weil die Schnittebene zwischen umfänglich benachbarten Segmenten des Spreizdorns 1019 verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101, 201, 1001
- Fahrwerkbauteil, Dreipunktlenker
- 3, 103, 203, 1003
- Durchgangsloch
- 5, 205, 1005
- Umformbereich
- 7
- Gelenkkugel
- 9
- Kugelzapfen
- 11
- Zapfen
- 13
- Lagerpunkte
- 15
- endlosfaserverstärktes Element
- 17, 117
- Faseranordnung
- 21
- Lagerschale
- 23, 123, 223
- Faserlage
- 125
- Endlosfaser
- 127, 227, 1027
- Vorlochung, längliche Vorlochung, Langloch
- 129, 229
- Rand der Vorlochung
- 131
- Faserrichtung
- 149
- Aufweitung
- 219, 319, 419, 519, 619, 719, 819, 919, 1019
- Dorn, Spreizdorn
- 233, 1033
- obere Werkzeughälfte
- 235, 1035
- untere Werkzeughälfte
- 237, 1037
- Formwerkzeug
- 239, 439, 539
- Ringnut
- 243, 343, 843
- Segment des Spreizdorns
- 245
- ringförmiger Bereich
- 247, 1047
- Stempel
- 259
- Kegel
- 451
- Werkzeugschieber
- 553 Klebemittel 655
- Gewindekegel
- 657
- kegeliges Außengewinde
- 761
- Stufenkegel
- 863
- Irisblende
- 865
- Lamelle
- 867
- Stift
- 969
- Innensegment
- 971
- Außensegment
