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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Die
US 2017/0197371 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundstruktur, bei welchem eine mit einem Harz imprägnierte Faser auf einer Bearbeitungsoberfläche angeordnet wird. Die mit dem Harz imprägnierte Faser wird zumindest teilweise gehärtet, wobei ein Material in Kontakt mit der Faser angeordnet wird, um die Verbundstruktur bereitzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem wenigstens ein Faserverbundbauteil auf besonders einfache, zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wird wenigstens eine Faser zum Herstellen des Faserverbundbauteils um eigensteife Wickelstrukturen gewickelt, welche, insbesondere bevor die Wickelstrukturen mit der Faser umwickelt werden, durch 3D-Drucken, das heißt durch wenigstens ein 3D-Druckverfahren, hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, zumindest ein Wickelverfahren beziehungsweise zumindest eine Wickeltechnik, mittels welchem beziehungsweise mittels welcher die Wickelstrukturen mit der wenigstens einen Faser umwickelt werden, mit wenigstens einem 3D-Druckverfahren, mittels welchem die Wickelstrukturen hergestellt werden, zu kombinieren, wodurch beispielsweise die Wickeltechnik und das auch als 3D-Drucktechnik bezeichnete 3D-Druckverfahren innerhalb einer Fertigungsanlage zum Herstellen des Faserverbundbauteils kombiniert werden können.
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Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Die Verarbeitung von Fasern, insbesondere Verstärkungsfasern wie beispielsweise Carbonfasern, zu Strukturbauteilen beziehungsweise Faserverbundbauteilen ist in der Regel sehr kostenintensiv. Hinzu kommt, dass Faserverbundwerkstoffe nur entlang ihrer Vorzugsrichtung, welche üblicherweise der Faserlängsrichtung entspricht, vorwiegend auf Zug vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Materialien wie Metall eingesetzt werden können. Wir nun ein Materialmix verwendet, um eine besonders vorteilhafte Bauteilauslegung bei minimalem Gewicht zu erreichen, so sollten besonders vorteilhafte Materialien an vorteilhaft dafür geeigneten Stellen eingebracht werden. Beispielsweise wird hierzu ein anisotropes Material, zum Beispiel eine Faserverstärkung, entlang von einachsig beziehungsweise anisotrop belasteten Bereichen einer Struktur verwendet, wobei isotrope Materialien wie beispielsweise Metall oder Kunststoff in mehrachsig, isotrop belasteten Bereichen der Struktur zum Einsatz kommen. Ein solcher Materialmix ist mit herkömmlichen Herstellungsverfahren enorm aufwendig und rechnet sich in der Regel nicht für eine Serienproduktion, sondern nur für Einzel- oder Kleinserienteile. Zusätzlich entstehen Korrosionsproblematiken durch ein Potenzialgefälle zwischen zum Beispiel Carbon und Aluminium beziehungsweise Stahl sowie optische Probleme, da besonders hochwertige Oberflächen nur sehr schwierig realisierbar sind.
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Um die zuvor genannten Probleme zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die Wickeltechnik mit der 3D-Drucktechnik, insbesondere innerhalb einer Fertigungsanlage, kombiniert, wobei als die Wickeltechnik vorzugsweise ein 3D-Wickeln beziehungsweise ein 3D-Wickelverfahren zum Einsatz kommt. Im Rahmen des 3D-Wickelns wird beispielsweise die wenigstens eine Faser dreidimensional beziehungsweise im Raum bewegt und um die Wickelstrukturen gewickelt. Die Kombination der Wickeltechnik mit der 3D-Drucktechnik innerhalb einer Fertigungsanlage ermöglicht eine additive, kostengünstige Realisierung von hybriden Bauteilstrukturen, und ferner können durch die Generativität des Verfahrens auch Leichtbaugrade und Bauweisen realisiert werden, die mittels herkömmlicher Verfahren nicht realisierbar sind. Gleichzeitig wird auch eine Fertigungsintegration durch Nutzung von entsprechenden Faser-Metall-und/oder Kunststoff-Kombinationen möglich, so dass beispielsweise Strom leitende Eigenschaften von Carbon, Lichtwellenleiter und Glasfasern genutzt werden können.
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Vorzugsweise wird die Faser um die Wickelstruktur mittels desselben Roboters gewickelt, mittels welchem die Wickelstrukturen durch 3D-Drucken hergestellt werden. Dabei werden beispielsweise mittels des Roboters wenigstens ein erstes Werkzeug zum Herstellen der Wickelstrukturen und wenigstens ein zweites Werkzeug zum Wickeln der Faser im Raum bewegt. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Werkzeuge abwechselnd mittels des Roboters im Raum bewegt werden. Ferner ist es denkbar, dass die Werkzeuge gleichzeitig an dem Roboter gehalten sind und gleichzeitig mittels des Roboters im Raum bewegt werden. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass der Roboter entweder abwechselnd das an den Roboter andockbare und von dem Roboter abdockbare und auch als 3D-Druckwerkzeug bezeichnete erste Werkzeug und das an den Roboter andockbare und das vom Roboter abdockbare und auch als Wickelwerkzeug bezeichnete zweite Werkzeug führt, oder der Roboter führt beide Werkzeuge gleichzeitig, welche beispielsweise in ein Kombinationswerkzeug integriert sind.
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Das Wickelwerkzeug sollte beispielsweise in diesem Zuge in der Lage sein, selbstständig einen Anfang der Faser an wenigstens einer der gedruckten Wickelstrukturen zu fixieren und nach Abschluss des Wickelns auch wieder zu durchtrennen. Mittels des Kombinationswerkzeugs wäre es möglich, den Anfang der Faser direkt mittels einer 3D-Druckdüse des Druckwerkzeugs an eine der bestehenden Wickelstrukturen anzudrucken und somit daran zu befestigen. Die jeweilige Wickelstruktur wird beispielsweise auch als Stützstruktur, Kernstruktur, Umlenkstruktur, Stützpunkt, Kernpunkt oder Umlenkpunkt bezeichnet, da die jeweilige Stützstruktur zumindest teilweise mit der Faser umwickelt beziehungsweise bewickelt wird.
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Insbesondere lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Vorteile realisieren:
- - maximaler Leichtbau
- - Erhöhung der Druckaufnahmefähigkeit der beispielsweise als Carbonstrang ausgebildeten Faser oder von durch die Faser gebildeten Strängen, insbesondere Carbonsträngen, durch die formschlüssigen, als Stützstruktur wirkenden Wickelstrukturen zum Stützen von Augenverbindungen, die nach Abschluss des Wickelprozesses an ein Auge gedruckt werden und dadurch die Carbonstränge formschlüssig einschließen
- - flexibler Wechsel zwischen dem 3D-Drucken und dem Wickeln ermöglicht Bauweisen, welche bislang nicht oder nur sehr Aufwendig und kostenintensivrealisierbar waren
- - Sowohl das Wickeln als auch das 3D-Drucken sind generative Verfahren und somit höchst flexibel.
- - Verschiedene Faserarten und Fasertypen können zur Funktionsintegration eingebracht werden, wodurch vielfältige Möglichkeiten hinsichtlich einer Funktionsintegration durch ein enormes Spektrum an möglichen Materialien realisierbar sind, wobei nicht nur Kunststoff und Metall, sondern auch textile Fasern zum Einsatz kommen können.
- - Korrosionsschutz von kritischen Stellen, insbesondere an Kontaktstellen zwischen Carbon und Aluminium durch Überdrucken mit 3D-Druckmaterial und dadurch deren Abriegelung beziehungsweise Schutz vor Elektrolyten
- - Vorteilhafte Kernstruktur für Wickeltechnik kann beliebig über 3D-Drucken realisiert werden.
- - Oberflächenthematik mit Sichtflächen in Zusammenhang mit der Wickeltechnik können durch 3D-Druckdeckschichten umgangen werden, sodass unschöne gewickelte Carbonstränge nicht mehr sichtbar sind.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Faser und die mit der Faser umwickelten Wickelstrukturen ein Bauelement bilden, aus welchem das Faserverbundbauteil hergestellt wird. Das Bauelement wird zum Herstellen des Faserverbundbauteils durch 3D-Drucken mit wenigstens einer Druckschicht aus Druckmaterial versehen, sodass mittels der Druckschicht beispielsweise eine besonders vorteilhafte und hochwertige Oberfläche, insbesondere Sichtfläche, des Faserverbundbauteils realisiert werden kann. Mit Hilfe der abschließenden Druckschicht über das gesamte Bauelement ist es insbesondere möglich, das Bauelement von seiner Umgebung zu isolieren, wodurch zum Beispiel vermieden werden kann, dass ein Elektrolyt wie zum Beispiel Wasser zu korrosiv kritischen Stellen des Bauelements, insbesondere zu Kontaktstellen zwischen Metall (z.B. Aluminium) und Carbon, gelangen kann. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Druckschicht eine besonders hochwertige und insbesondere als Sichtfläche ausgebildete, außenseitige Oberfläche des Faserverbundbauteils geschaffen werden.
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Das Faserverbundbauteil kann insbesondere dadurch als Hybridbauteil hergestellt werden, dass die wenigstens eine Faser und wenigstens eine der Wickelstrukturen aus voneinander unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die wenigstens eine Faser aus einem ersten Werkstoff hergestellt ist, wobei beispielsweise die Wickelstrukturen mit wenigstens einer zweiten Faser umwickelt werden, welche aus einem von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen zweiten Werkstoff gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Wickelstrukturen aus dem gleichen Werkstoff oder aus voneinander unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und mittels der erfindungsgemäßen Anlage lassen sich auf besonders einfache Weise unterschiedliche Materialen beziehungsweise Werkstoffe miteinander kombinieren, sodass Materialmixe beziehungsweise Werkstoffkombinationen auf einfache und kostengünstige Weise realisierbar sind, welche bislang nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar waren.
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Zur Erfindung gehört auch eine Fertigungsanlage, welche zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fertigungsanlage anzusehen und umgekehrt. Da sowohl das Wickeln als auch das 3D-Drucken generative Verfahren, insbesondere generative Fertigungsverfahren, zum Herstellen des Faserverbundbauteils sind, ist die erfindungsgemäße Fertigungsanlage eine additive Fertigungsanlage, mittels welcher das Faserverbundbauteil als hybride Strukturkomponente besonders einfach sowie Zeit- und Kostengünstig hergestellt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der Fig. eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils.
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Anhand der einzigen Fig. wird im Folgenden ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils veranschaulicht. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird beispielsweise ein Substrat 10 insbesondere in Form einer Grund- oder Ausgangsplatte bereitgestellt. Das Substrat 10 ist beispielsweise Bestandteil einer Fertigungsanlage, mittels welcher das zuvor genannte Verfahren durchgeführt wird.
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Die Fertigungsanlage umfasst wenigstens einen Roboter 12, welcher beispielsweise ein Industrieroboter ist. Der Roboter 12 umfasst eine Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen und somit relativ zueinander bewegbaren Roboterachsen 14a-c, welche beispielsweise über ein Basiselement 16 des Roboters 12 an einem Boden 18 der Fertigungsanlage gehalten sind. Die Roboterachsen 14a-c können beispielsweise paarweise um wenigstens eine Drehachse relativ zueinander gedreht und/oder entlang wenigstens einer Bewegungsachse translatorisch relativ zueinander bewegt werden, sodass beispielsweise die Roboterachsen 14a-c relativ zu dem Boden 18 dreidimensional im Raum bewegt werden können.
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Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens ist an dem Roboter 12, insbesondere an der Roboterachse 14a, ein erstes Werkzeug 20 gehalten, welches ein 3D-Druckwerkzeug ist. Hierdurch kann das Werkzeug 20 mittels des Roboters 12 dreidimensional im Raum umher bewegt werden, sodass beispielsweise das erste Werkzeug 20 mittels des Roboters 12 in und/oder um drei senkrecht zueinander verlaufende Raumrichtungen bewegt werden kann. Das Werkzeug 20 ist aber Bestandteil der Fertigungsanlage. Bei dem zweiten Schritt S2 wird mittels des Werkzeugs 20 ein 3D-Drucken, das heißt wenigstens ein 3D-Druckverfahren durchgeführt, um durch das 3D-Druckverfahren eigensteife Wickelstrukturen 22 herzustellen. Mittels des 3D-Druckverfahrens werden die eigensteifen Wickelstrukturen 22 auf das Substrat 10 gedruckt. Hierzu weißt beispielsweise das Werkzeug 20 wenigstens eine Düse auf, welche auch als 3D-Druckdüse bezeichnet wird. Ein Werkstoff, aus welchem die Wickelstrukturen 22 durch das 3D-Drucken hergestellt werden, strömt beispielsweise in flüssigem Zustand durch die Düse und wird mittels des Werkzeugs 20 auf das Substrat 10 gedruckt, um dadurch die Wickelstrukturen 22 durch das 3D-Druckverfahren herzustellen.
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Bei einem dritten Schritt S3 des Verfahrens ist an dem Roboter 12, insbesondere an der Roboterachse 14a, ein zweites Werkzeug 24 der Fertigungsanlage gehalten. Dabei ist das zweite Werkzeug 24 ein Wickelwerkzeug, mittels welchem wenigstens eine Faser 26 zum Herstellen des Faserverbundbauteils um die eigensteifen Wickelstrukturen 22 gewickelt wird. Hierzu wird das Wickelwerkzeug (zweites Werkzeug 24) mittels des Roboters 12 im Raum umher bewegt, um die Faser 26 um die Wickelstrukturen 22 zu wickeln. Dies bedeutet, dass mittels des Roboters 12 und mittels des zweiten Werkzeugs 24 ein Wickeln beziehungsweise ein Wickelverfahren durchgeführt wird, mittels welchem die wenigstens eine Faser 26 um die Wickelstrukturen 22 gewickelt wird. Das Wickelverfahren ist vorzugsweise ein 3D-Wickelverfahren, in dessen Rahmen das Wickelwerkzeug mittels des Roboters 12 dreidimensional im Raum umher bewegt wird, während die Wickelstrukturen 22 mit der wenigstens einen Faser 26 umwickelt werden. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Wickelstrukturen 22 beispielsweise als Umlenkpunkte oder Umlenkstrukturen verwendet werden, mittels welchen die wenigstens eine Faser 26, welche beispielsweise zunächst formlabil ist, umgelenkt wird. Die Faser 26 ist oder wird beispielsweise mit einem Kunststoff imprägniert, welcher, insbesondere nachdem die Wickelstrukturen 22 mit der Faser 26 umwickelt wurden, aushärtet. Somit ist beziehungsweise wird die Faser 26 formstabil, sodass das die wenigstens eine Faser 26 und die Wickelstrukturen 22 umfassende Faserverbundbauteil insgesamt eigensteif und somit formstabil ist.
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Der zweite Schritt S2 wird vor dem dritten Schritt S3 durchgeführt, sodass beispielsweise zu Beginn des Verfahrens mittels des 3D-Druckwerkzeugs die Wickelstrukturen 22 flexibel im Raum gedruckt werden. Durch das 3D-Drucken lassen sich besonders vorteilhafterweise gewünschte beziehungsweise benötigte geometrische Verhältnisse für das anschließende Wickeln vorbereiten. Insbesondere durch das 3D-Drucken können Einfädelhilfen etc. in ein beispielsweise durch die Wickelstrukturen 22 gebildetes Bauteil integriert werden. Anschließend wird mittels des Wickelwerkzeugs insbesondere entlang von Hauptlastpfaden eine Faserverstärkung auf beziehungsweise um das genannte, durch die Wickelstrukturen 22 gebildete Bauteil aufgebracht, indem die Wickelstrukturen 22 mit der wenigstens einen Faser 26 umwickelt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Faser 26 die genannte Faserverstärkung bildet.
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Das Wickelwerkzeug weist beispielsweise eine Vorspannungsvorrichtung zur Straffung der auch als Fasermaterial bezeichneten Faser 26 und eine Imprägniereinrichtung zum Aufbringen eines Matrixmaterials auf die wenigstens eine Faser 26 auf. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff, insbesondere um einen Kunstharz. Durch das Aufbringen des Matrixmaterials auf die Faser 26 wird die Faser 26 mit dem Matrixmaterial imprägniert. Das Matrixmaterial ist beispielsweise zunächst flüssig und wird in flüssigem Zustand auf die Faser 26 aufgebracht. Daran anschließend kann das Matrixmaterial aushärten, wodurch die Faser 26 und das Matrixmaterial formstabil werden. Ferner ist es denkbar, als die Faser 26 eine vorimprägnierte Faser, insbesondere einen vorimprägnierten Roving, zu verwenden, sodass beispielsweise die Faser 26 bereits beim Umwickeln der Wickelstrukturen 22 mit einem Matrixmaterial versehen ist. Dann kann beispielsweise die Imprägniereinrichtung entfallen. Durch das Wickeln kann die Faser 26 beziehungsweise können Fasern nur dort aufgebracht werden, wo sie sinnvoll sind. Im Rahmen des Verfahrens kann beliebig oft zwischen dem 3D-Druckverfahren und dem Wickelverfahren abgewechselt beziehungsweise gewechselt werden, um eine besonders vorteilhafte Struktur mit besonders geringem Gewicht und besonders hoher Funktionalität herzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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