DE102018129530A1

DE102018129530A1 - Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen und damit hergestellte Faserverbundfeder

Info

Publication number: DE102018129530A1
Application number: DE102018129530.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Petrich
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden, wobei insbesondere die Qualität der Kanten verbessert werden soll.Erfindungsgemäß wird ein mit zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) versehenes Trägersubstrat (2) an einem Bauteil abgeformt und anschließend getempert, wobei das mit zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) versehene Trägersubstrat (2) vor dem Abformen in eine flexible Hülle (3) eingebracht und die flexible Hülle (3) an die äußere Geometrie des mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehenen Trägersubstrat (2) adaptiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen, bei welchem ein mit zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern versehenes Trägersubstrat an einem Bauteil abgeformt und anschließend getempert wird.
Strukturelemente, besonders aus Leichtbaumaterialien wie z.B. Faserverbundwerkstoffen, finden u.a. im modernen Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie bei Sportgeräten ein großes Anwendungsfeld. Auch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen zur Herstellung von vielfältig einsetzbaren Federn, die als Energiespeicher-, Mess-, Schwingungs-, Dämpfungs-, Lager- und Ruheelemente zur Sicherung von Kraftpaarungsstellen bzw. zur Spielbeseitigung benutzt werden können, ist bekannt. Von Medizinprodukten über den Hobby- bzw. Tuning-Sektor bis hin zur Anwendung im Automobilbau oder der Gebäudetechnik erstrecken sich mögliche Anwendungsgebiete für derartige Faserverbundfedern. Dementsprechend breit gefächert sind auch ihre Gestaltungsmöglichkeiten.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Basis-Verfahren zur Herstellung von Profilen und Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen bekannt. Beispielhaft sollen an dieser Stelle die Pultrusion, das Wickeln, RTM und die Infusion erwähnt werden (s. hierzu DE 10 2010 062 682 A1 , DE 10 2012 004 942 A1 , DE 10 2013 226 018 B4 , DE 10 2014 004 158 A1 , DE 10 2014 019 724 A1 , DE 10 2016 202 012 B3 , DE 20 2015 103 906 U1 , DE 198 26 081 A1 und DE 41 01 226 A1 , EP 3 030 404 B1 und DE 10 2008 005 970 A1 ). In diesen Schriften wird allerdings die Herstellung von Bauteilen und Strukturelementen beschrieben, die besonders bei dünnwandigen Strukturen eine weniger komplex gekrümmte Geometrie aufweisen, als die zuvor beschriebenen Federelemente aus faserverstärkten Kunststoffen.
Daneben wird in der Veröffentlichung von [Petrich, M.; Schrodin, B.; Llimpe, J.; Kletzin, U.: Grundlagen der Auslegung von Federn aus faserverstärkten Kunststoffen. 4. Ilmenauer Federntag am 20.09.2017 in Ilmenau, Deutschland] ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Federn aus faserverstärkten Kunststoffen am Beispiel der Herstellung einer Kegeldruckfeder (auch Kegelstumpffeder oder Evolutfeder genannt) beschrieben (s. 1). Hierbei wird in einem ersten, vorbereitenden Schritt ein Werkzeug, eine Form oder ein Kern vorbereitet, mit dem die innere und / oder äußere Geometrie der herzustellenden Feder definiert wird. Insbesondere gibt das Werkzeug, die Form oder der Kern die Anzahl der Windungen, die Windungsrichtung und -steigung sowie die Windungsdurchmesser vor. Außerdem wird ein Laminat aus faserverstärkten Kunststoffen vorbereitet, das der abgerollten Geometrie der herzustellenden Feder entspricht. Dafür wird eine entsprechende Trägerfolie mit zugeschnittenen Fasern beschichtet und mit noch nicht vernetztem (flüssigem) Kunststoff (bspw. Epoxydharz) getränkt.
In einem zweiten Schritt wird das Laminat um den Kern beginnend mit der innersten Federwindung und der Steigungslinie des Kerns folgend aufgewickelt und mit seinen Enden am Kern befestigt, wobei sich einzelne Windungslagen gegenseitig überlappen können. Nachfolgend wird das um den Kern gewickelte Laminat ausgehärtet und vorzugsweise bei erhöhter Temperatur getempert.
Nachdem der Kunststoff vollständig ausgehärtet ist, kann der Kern und die Trägerfolie zwischen den Windungen entfernt werden, so dass im Ergebnis ein Rohling der herzustellenden Feder vorliegt, dessen Enden und Kanten noch nachbearbeitet werden müssen (z.B. durch Sägen und Schleifen).
Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, dass die Formbeständigkeit der damit hergestellten Federn, besonders im Querschnitt betrachtet, nicht vollständig gegeben ist. Lediglich an der oder den Längsseiten des Laminats, die mit der Trägerfolie versehen sind (s. 2), kann dies gewährleistet werden. In den Bereichen des Laminats ohne Trägerfolie kann sich das unausgehärtete Laminat z.B. beim Wickeln verformen, so dass einzelne Fasern herausragen (Verletzungsgefahr) oder auch der noch flüssige Kunststoff herauslaufen kann (s. 3).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen, wie z.B. der genannten Kegeldruckfeder, mit hoher Genauigkeit bereitzustellen, wobei insbesondere die Qualität der Kanten verbessert werden soll.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten oder zweiten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, ein mit den zugeschnittenen und in nichtvernetzten Kunststoff gebetteten Fasern versehenes Trägersubstrat allseitig zu umhüllen, wobei diese Hülle eine gewisse Elastizität aufweisen muss, um die Flexibilität des noch nicht ausgehärteten Halbzeugs und somit seine Formbarkeit (z.B. Wicklung) im weiteren Herstellungsprozess zu gewährleisten.
Weiterführende Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 - die Herstellung eines Strukturelements aus faserverstärktem Kunststoff am Beispiel einer Kegeldruckfeder nach dem Stand der Technik
2- zwei Querschnittansichten eines Strukturelementrohlings mit einem ein- bzw. beidseitig angeordnetem Trägersubstrat (Stand der Technik)
3- eine mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellte Kegeldruckfeder
4- drei Querschnittansichten eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Strukturelementrohlings mit einem ein- oder beidseitig angeordneten oder mit einem vollständig umschlossenen Trägersubstrat
5- eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kegeldruckfeder

Wie in 4 dargestellt, wird erfindungsgemäß die bekannte Kombination aus Trägersubstrat (2) und zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) um eine flexible Hülle (3) erweitert. Es ist denkbar, das Trägersubstrat (2) einseitig, zweiseitig oder vollständig (schlauchförmige Faserhalbzeuge) mit den in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) zu umschließen. Beim Einsatz von schlauchförmigen Faserhalbzeugen kann das Trägersubstrat auch mittig eingesetzt werden und später im Strukturelement verbleiben. Dabei ist es wichtig, dass die flexible Hülle (3) über eine ausreichend hohe Steifigkeit, zugleich aber geringe Dicke verfügt, so dass sie sich an das Trägersubstrat (2) und an die gewünschte Bauteilgeometrie anpassen kann. Dies ist für die weitere Verarbeitung des Halbzeugs (Trägersubstrat mit in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern in einer flexiblen Hülle), z.B. Wicklung um einen Kern, erforderlich, wobei der rechteckige Profilquerschnitt weitgehend erhalten bleibt, wenn beidseitig Trägersubstrate aufgebracht sind. Wenn das Trägersubstrat einseitig oder mittig platziert ist, werden sich die freien Ecken im Querschnitt aufgrund des zunächst flüssigen Kunststoffes leicht abrunden.
Der Herstellungsprozess ist ähnlich dem bereits beschriebenen. Zuerst werden das Trägersubstrat aus Metall, Kunststoff oder Holz (z.B. ein mit einem Trennmittel behandelter Zuschnitt) und die zugeschnittenen Fasern präpariert und die Fasern auf dem Trägersubstrat positioniert. Anschließend werden die Fasern auf dem Trägersubstrat mit einem unausgehärteten Matrixmaterial getränkt. Alternativ dazu können vorgetränkte, unausgehärtete Faserhalbzeuge (sogenannte PrePregs) auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Das Trägersubstrat (2) mit den in dem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) wird im nächsten Schritt in die flexible Hülle (3) verbracht. Es ist aber auch denkbar, dass das Trägersubstrat mit ungetränkten (trockenen) Faserhalbzeugen in die flexible Hülle (3) verbracht wird und das flüssige Matrixmaterial anschließend injiziert wird. Im folgenden Schritt erfolgt die Formgebung des umhüllten, unausgehärteten Halbzeuges und dessen Aushärtung zum gewünschten Strukturelement (z.B. Feder), wobei auch hier wiederum als Alternative zuerst die Formgebung des Trägersubstrates mit ungetränkten (trockenen) Faserhalbzeugen mit anschließender Injektion des Matrixmaterials und nachfolgender Aushärtung zu erwähnen ist. Die flexible Hülle (3) wird vor der Formgebung oder währenddessen erhitzt oder evakuiert und passt sich somit der Geometrie von Trägersubstrat und faserverstärktem Kunststoff an.
Im letzten Schritt werden dann alle verwendete Hilfswerkzeuge (Wickelkern, Formwerkzeuge, Gieß- oder Pressformen), die flexible Hülle (3) und das Trägersubstrat (2) entfernt und der ausgehärtete und entformte Strukturelementrohling gegebenenfalls nachbearbeitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zu beachten, dass das Trägersubstrat (2) und die flexible Hülle (3) in für den Formgebungsprozess relevanten Richtungen flexibel oder nachgiebig sind. Zudem muss das Trägersubstrat (2) eine gewisse Steifigkeit quer zu seiner Längsachse aufweisen, um von der flexiblen Hülle (3) nicht oder nur wenig verformt zu werden, wenn sie sich an die Bauteilgeometrie anpasst. Dabei kann das Trägersubstrat (2) eine Folie (Vollmaterial) aus Metall oder Kunststoff, aber auch schaumartig, gitter- oder wabenförmig ausgeführt sein. Selbstverständlich sind daneben auch noch weitere geometrisch ähnliche Ausführungen unterschiedlichster Werkstoffe für die Funktionserfüllung als Stützstruktur möglich. Die Gestaltung des Trägersubstrates (2) ist insbesondere zur Einsparung von Gewicht von Bedeutung, wenn das Trägersubstrat am oder im Bauteil verbleibt.
Die flexible Hülle (3) muss sich geometrisch an die Kontur des Trägersubstrates (2) mit in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) anpassen lassen, bspw. durch Umwickeln mit (Schrumpf-)Folie oder Aufschrumpfen von Schrumpfschlauch oder Schrumpfband. Ebenso ist die Evakuierung von luftdichten Hüllen denkbar.
Durch die Herstellung von Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Verletzungsgefahren reduzieren sowie auch die Fertigungsgenauigkeiten und Reproduzierbarkeiten im Fertigungsprozess erhöhen und folglich die technischen Eigenschaften der Strukturelemente verbessern. Im Anwendungsbeispiel Feder, kann zudem die Lebensdauer bei zyklischer Belastung signifikant gesteigert werden, da die Oberflächen und Kanten der hergestellten Strukturelemente maßgeblichen Einfluss darauf nehmen (Spannungsüberhöhungen sowie bevorzugte Rissentstehungsorte an Kanten). Schließlich kann durch den Einsatz der flexiblen Hülle auch die Verwendung von zusätzlichen Formwerkzeugen reduziert werden. Es ist lediglich die Einhaltung der Bauteilgeometrie sicher zu stellen.
Bezugszeichenliste

1 -: zugeschnittene und in einem Matrixmaterial eingebettete Fasern
2 -: Trägersubstrat
3 -: flexible Hülle
4 -: Kantendefekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010062682 A1 [0003]
DE 102012004942 A1 [0003]
DE 102013226018 B4 [0003]
DE 102014004158 A1 [0003]
DE 102014019724 A1 [0003]
DE 102016202012 B3 [0003]
DE 202015103906 U1 [0003]
DE 19826081 A1 [0003]
DE 4101226 A1 [0003]
EP 3030404 B1 [0003]
DE 102008005970 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen, bei welchem ein mit zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) versehenes Trägersubstrat (2) an einem Bauteil abgeformt und anschließend getempert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehene Trägersubstrat (2) vor dem Abformen in eine flexible Hülle (3) eingebracht und die flexible Hülle (3) an die äußere Geometrie des mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehenen Trägersubstrat (2) adaptiert wird.
Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen, bei welchem ein mit zugeschnittenen und ungetränkten Fasern (1) versehenes Trägersubstrat (2) an einem Bauteil abgeformt, anschließend ein Matrixmaterial injiziert und getempert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mit ungetränkten Fasern (1) versehene Trägersubstrat (2) nach dem Abformen in eine flexible Hülle (3) eingebracht und die flexible Hülle (3) an die äußere Geometrie des mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehenen Trägersubstrat (2) adaptiert wird.
Verfahren zur Herstellung von komplex gekrümmten Strukturelementen aus faserverstärkten Kunststoffen, bei welchem ein mit zugeschnittenen und in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern (1) versehenes Trägersubstrat (2) geformt und anschließend getempert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehene Trägersubstrat (2) vor dem Formen in eine flexible Hülle (3) eingebracht und die flexible Hülle (3) an die äußere Geometrie des mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehenen Trägersubstrat (2) adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hülle (3) als Schlauch oder Band ausgeführt ist und die Adaption an das mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehene Trägersubstrat (2) mittels Zuführung von Wärme realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hülle (3) luftdicht ist und die Adaption an das mit den Fasern (1) und dem Matrixmaterial versehene Trägersubstrat (2) mittels Erzeugung eines Unterdruckes in der Hülle (3) realisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein Wickelkern, ein verlorener Kern oder ein Formwerkzeug verwendet wird.
Faserverbundfeder, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hülle ein Schrumpfschlauch ist.
Faserverbundfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als die geometrischen Parameter der Faserverbundfeder definierender Wickelkern ausgebildet ist.
Faserverbundfeder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern, der Schrumpfschlauch und das Trägersubstrat nach der Temperung entfernbar sind.