DE102018215658A1

DE102018215658A1 - Fixierelement zum Fixieren eines Verstärkungsbandes sowie Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem

Info

Publication number: DE102018215658A1
Application number: DE102018215658.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baranowski; Maik Broda; Markus FRANZEN; Pascal Rebmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fixierelement (1) zum Fixieren eines Verstärkungsbandes (2) in einem Verbundsystem (3), insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes (2), umfassend einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche (16, 17), sowie eine innere und äußere Mantelfläche (13, 15) aufweisenden Zylinderkörper (10), der einen an der äußeren Mantelfläche (15) ausgebildeten, in Radialrichtung (R) abgeschlossenen Führungskanal (4) aufweist, wobei der Zylinderkörper (10) dazu eingerichtet ist, im Wege eines Spritzgießprozesses in das Verbundsystem (3) integriert zu werden, und wobei der Führungskanal (4) dazu eingerichtet ist, das Verstärkungsband (2) unter Änderung seiner Erstreckungsrichtung (E1, E2) zu fixieren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes (2) in einem Verbundsystem (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fixierelement zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem, insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes, umfassend einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche, sowie eine innere und äußere Mantelfläche aufweisenden Zylinderkörper, der einen an der äußeren Mantelfläche ausgebildeten, in Radialrichtung abgeschlossenen Führungskanal aufweist, wobei der Zylinderkörper dazu eingerichtet ist, im Wege eines Spritzgießprozesses in das Verbundsystem integriert zu werden, und wobei der Führungskanal dazu eingerichtet ist, das Verstärkungsband unter Änderung seiner Erstreckungsrichtung zu fixieren.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem, insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes, umfassend die folgenden Schritte:

a. Anordnen einer Mehrzahl von Fixierelementen auf einem Substrat und/oder in einer Gießform eines Spritzgießwerkzeugs, wobei die Fixierelemente jeweils einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche, sowie eine innere und äußere Mantelfläche aufweisenden Zylinderkörper umfassen, der einen an der äußeren Mantelfläche ausgebildeten, in Radialrichtung abgeschlossenen Führungskanal aufweist;
b. Befestigen des Verstärkungsbandes an den Fixierelementen, wobei das Verstärkungsband zur Befestigung durch die jeweiligen Führungskanäle hindurchgeführt und unter Zugspannung gesetzt wird, und wobei sich Erstreckungsrichtung des Verstärkungsbandes nach dem Hindurchführen durch den jeweiligen Führungskanal ändert;
c. Umspritzen der Fixierelemente und des Verstärkungsbandes mit einer Spritzgussmasse im Wege eines Spritzgießprozesses.

Der Bedarf an gewichtreduzierenden Leichtbauteilen nimmt in vielerlei Industriesektoren stetig zu. Von besonderer Bedeutung sind Leichtbauteile für die Automobilindustrie. Denn durch den Ersatz einer bestimmten Fahrzeugkomponente mit einem Leichtbauteil von geringerem Gewicht wirkt sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs aus. Denn bei gleichbleibender Größe muss zum Betrieb eines leichteren Fahrzeugs weniger Energie aufgewendet werden. Der Kraftstoffverbrauch wird damit unmittelbar reduziert. Trotzdem werden auch an Leichtbauteile hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität gestellt. Denn häufig müssen auch die Leichtbauteile die bei der Fahrt oder im Falle eines Crashs auftretenden Kräfte ableiten. Gleichsam müssen die Bauteile eine Gewisse Scher- und Torsionssteifigkeit aufweisen. Diese Erfordernisse werden insbesondere durch faserverstärkte Kunststoffmaterialien erfüllt. Bei geringem Gewicht weisen diese Werkstoffe eine verhältnismäßig hohe mechanische Stabilität auf. Nachteilig sind jedoch die relativ hohen Fertigungskosten für aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigte Vollbauteile.
Eine mögliche Lösung bei der sowohl eine Reduzierung des Bauteilgewichts als auch eine hohe Stabilität gewährleistet werden kann, ist lokale Bauteilverstärkung mittels faserverstärkter Bänder. Bekannt sind Verstärkungsbänder, bei denen unidirektional ausgerichtete Endlosfasern, beispielsweise Carbon- oder Glasfasern, in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Diese Verstärkungsbänder können im Wege eines Spritzgießvorgangs oder eines „Additive Manufacturing“ bzw. 3D-Drucks in ein Bauteil integriert werden. Dabei werden sie von einer Spritzgussmasse umspritzt oder mit einer Druckmasse bedruckt.
Häufig ist es jedoch problematisch die Verstärkungsbänder in einer gewünschten oder vorgegebenen Anordnung in ein Verbundsystem zu integrieren. Durch einfaches Bandlegen lässt sich nicht jede gewünschte Bandanordnung verwirklichen, insbesondere lässt sich damit keine Zugspannung innerhalb des Bandes aufbauen. Auch eine Richtungsumkehr innerhalb eines abgelegten Bandes ist damit nur schwerlich zu verwirklichen. Geeignete Fixierelemente, vermöge dessen Verstärkungsbänder in einem Verbundsystem flexibel angeordnet und fixiert werden könnten, sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Fixierelement zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem bereitzustellen, welches eine stabile Befestigung bzw. Integration des Verstärkungsbandes in dem Verbundsystem ermöglicht und welches eine flexible Anordnung des Verstärkungsbandes erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Fixierelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem bereitzustellen, vermöge dessen eine stabile Befestigung bzw. Integration des Verstärkungsbandes in dem Verbundsystem ermöglicht wird, und welches eine flexible Anordnung des Verstärkungsbandes in dem Verbundsystem erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Fixierelement zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem, insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes, umfassend einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche, sowie eine innere und äußere Mantelfläche aufweisenden Zylinderkörper, der einen an der äußeren Mantelfläche ausgebildeten, in Radialrichtung abgeschlossenen Führungskanal aufweist, wobei der Zylinderkörper dazu eingerichtet ist, im Wege eines Spritzgießprozesses in das Verbundsystem integriert zu werden, und wobei der Führungskanal dazu eingerichtet ist, das Verstärkungsband unter Änderung seiner Erstreckungsrichtung zu fixieren.
Das Fixierelement ist dazu eingerichtet im Wege eines Spritzgießprozesses oder alternativ eines „Additive Manufacturing“ Prozesses bzw. 3-D Drucks in ein Verbundsystem integriert zu werden und ein ebenfalls in das Verbundsystem zu integrierendes Verstärkungsband zu fixieren bzw. zu positionieren. Insbesondere wirken dabei mehrere Fixierelemente zusammen, wobei das Verstärkungsband zur Fixierung an einer Mehrzahl von Fixierelementen befestigt wird. Beispielsweise können mehrere Fixierelemente auf einem Ausgangssubstrat, beispielsweise einem plattenförmigen Substrat, positioniert werden. Die Fixierelemente können dabei mechanisch mit dem Substrat verbunden werden, beispielsweise über eine Schraubverbindung. Gleichermaßen ist eine Befestigung der Fixierelemente über eine Klebeverbindung vorstellbar. Weiterhin können die Fixierelemente im Wege eines eigenen Spritzgießprozesses an dem Substrat ausgebildet werden. Dazu kann das Substrat in eine Gießform vorgelegt werden. Die Fixierelemente können dann an das Substrat angespritzt werden. Auch können die Fixierelemente ohne Vorlage eines Substrats im Wege eines Spritzgießverfahrens oder 3-D Drucks gefertigt werden und nachträglich auf einem Substrat angeordnet bzw. befestigt werden. Die jeweiligen Fixierelemente werden bevorzugt mit einer ihrer Grundflächen auf das Substrat aufgesetzt bzw. derart in eine entsprechende Gießform eingesetzt, dass eine der Grundflächen einer Gießformgrundfläche zugewandt ist. Auch ist es möglich die Fixierelemente ohne ein Substrat in einer Gießform oder einem 3D-Drucker vorzulegen.
An den Fixierelementen kann ein Verstärkungsband entlanggeführt bzw. befestigt werden. Vorzugsweise wird das Verstärkungsband entlang der äußeren Mantelfläche des Fixierelements geführt, bzw. entlang der Mantelfläche zumindest teilweise um das Fixierelement herumgeführt. Dabei erfährt das Verstärkungsband eine Richtungsänderung. Eine besonders gute Fixierung bzw. Befestigung des Verstärkungsbandes kann dann erreicht werden, wenn an der äußeren Mantelfläche des Zylinderkörpers ein in Radialrichtung abgeschlossener Führungskanal ausgebildet ist. Der Führungskanal eines jeden Fixierelements weist eine Öffnung zum Einführen des Verstärkungsbandes und eine Öffnung zum Herausführen des Verstärkungsbandes auf. Im Führungskanal wird das Verstärkungsband durch die Oberfläche der äußeren Mantelfläche einerseits und durch eine Kanalfläche des Führungskanals andererseits nach außen begrenzt. Das Verstärkungsband kann zudem von der äußeren Mantelfläche und der Kanalfläche geführt werden. Durch die Führung des Verstärkungsbandes durch den Führungskanal, verläuft das Verstärkungsband zumindest für die Länge des Führungskanals in Umfangsrichtung des Fixierelements. Dadurch erfährt das Verstärkungsband eine Richtungsänderung. Durch eine Anordnung gleich mehrerer Fixierelemente in einer bestimmten Geometrie, können aufgrund der durch die Fixierelemente vermittelbaren Richtungsumkehr des Verstärkungsbandes vielfältige Anordnungsmöglichkeiten verwirklicht werden. Auch ist es möglich an den Fixierelementen keinen Führungskanal auszubilden und das Verstärkungsband lediglich an der äußeren Umfangsfläche des Zylinderkörpers entlang zu führen. Insofern das Verstärkungsband unter Zugspannung um mehrere solcher Zylinderkörper herumgeführt ist, wird das Verstärkungsband durch die Zugspannung fixiert. Eine solche Zugspannung tritt jedoch auch auf, wenn das Verstärkungsband durch an den Fixierelementen ausgebildete Führungskanäle hindurchgeführt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fixierelements sind in den auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüchen angegeben, auf welche nachfolgend genauer Bezug genommen wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Zylinderkörper aus drei zylindrischen Teilsegmenten zusammengesetzt sein, nämlich aus einem Außensegment, einem Innensegment und einem zwischen dem Außensegment und dem Innensegment angeordneten Zwischensegment. In vorteilhafter Weise weist das Innensegment dabei eine innere Mantelfläche auf, die einen inneren Hohlraum des hohlzylindrisch ausgebildeten Zylinderkörpers in Radialrichtung begrenzt. Der Innere Hohlraum kann dabei als weiteres Befestigungselement dienen, beispielsweise zur Befestigung des Zylinderkörpers auf einem Substrat, in einer Gießform oder einer Trägerplatte eines 3D-Druckers. Dabei können kann es sich um zylinderförmige Befestigungselemente bzw. Befestigungsanker handeln, die mit ihrem Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Hohlraums des Zylinderkörpers angepasst sind. Kurz gesagt, der Zylinderkörper kann mit seinem inneren Hohlraum auf ein jeweiliges zylinderförmiges Befestigungselement aufgeschoben werden. Auf dem genannten Substrat, in der Gießform, oder der Trägerplatte können mehrere solcher zylinderförmiger Befestigungselemente vorgesehen sein, um mehrere Fixierelemente an den Befestigungselementen zu befestigen. Auch können die Befestigungselemente an einer externen Montageplatte vorgesehen sein, um lediglich die Fixierelemente während des Umspannens des Verstärkungsbandes in Position zu halten. Danach können die Fixierelemente samt Verstärkungsband von der Montageplatte entfernt werden. Im Anschluss kann die Montageanordnung aus Fixierelementen und Verstärkungsband mit einer Spritzgussmasse umspritzt oder mit einer Druckmasse im Wege eines 3D-Drucks bedruckt werden. In jedem Falle wird die Montageanordnung in ein Verbundsystem integriert. Dazu können auch anderweitige Verfahren eingesetzt werden, vermöge dessen die Anordnung aus Fixierelementen und Verstärkungsband in eine Verbundmatrix, beispielsweise einen Kunststoff, integriert werden kann.
Im Allgemeinen kann eine segmentartige Ausbildung des Zylinderkörpers vorteilhaft sein, da dadurch eine Fertigung in mehreren Teilschritten ermöglicht ist, womit eine erhöhte Gestaltungsfreiheit einhergeht. Beispielsweise kann das Innensegment auf eine andere Art und Weise gefertigt werden als das Zwischensegment und das Außensegment. Nach der Fertigung können die einzelnen Segmente zusammengesetzt werden. Alternativ zur segmentartigen Ausbildung des Zylinderkörpers, kann dieser auch in einem einzigen Verarbeitungsschritt als einstückiger Zylinderkörper ausgebildet bzw. geformt werden, beispielsweise durch Spritzgießen oder im 3D-Druck.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Außensegment und das Innensegment aus einem Vollmaterial ausgebildet sein, während das Zwischensegment wabenartige Materialaussparungen aufweist, die von Materialstegen umgeben sind. Die Materialaussparungen können zur Gewichtseinsparung beitragen und sorgen für eine Reduzierung des Bauteilgewichts des Fixierelements und letztlich für eine Gewichtsreduzierung des Verbundsystems, soweit die Fixierelemente in dieses integriert werden. Selbstverständlich können auch alle Segmente aus Vollmaterial ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die einzelnen Segmente, also der Zylinderkörper aus Kunststoff gefertigt, unabhängig davon ob es sich um ein Vollmaterial-Segment oder ein mit Materialaussparungen versehenes Segment handelt. Alternativ ist auch eine Fertigung aus Metall vorstellbar. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass wabenartige Materialaussparungen zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität der Fixierelemente führen kann. Dies kann vorteilhaft sein, da auf die Fixierelemente als Teil eines Verbundsystems über die Verstärkungsbänder relativ hohe Kräfte übertragen werden können.
Wie bereits erwähnt weist der Führungskanal in vorteilhafter weise eine Öffnung zum Einführen des Verstärkungsbandes und eine Öffnung zum Herausführen des Verstärkungsbandes auf. Vor dem Einführen in die Öffnung erstreckt sich das Verstärkungsband entlang einer anderen Richtung als nach dem Herausführen aus einer weiteren Öffnung des Führungskanals. Damit ermöglicht das Fixierelement die Anordnung des Verstärkungsbandes unter einer Richtungsänderung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann sich der Führungskanal in Umfangsrichtung über ein Viertel des Umfangs der äußeren Mantelfläche erstrecken. Auch kann sich der Führungskanal in Umfangsrichtung nahezu über den gesamten Umfang der äußeren Mantelfläche erstrecken. Prinzipiell kann die Länge des Führungskanals, bzw. die Erstreckungslänge des Führungskanals entlang der äußeren Mantelfläche den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Je länger der Führungskanal, desto größer die Richtungsänderung des Verstärkungsbandes in Bezug auf dessen Richtung vor dem Eintritt und nach dem Austritt aus dem Führungskanal.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können der Zylinderkörper und der Führungskanal dazu eingerichtet sein, das Verstärkungsband helixartig um die äußere Mantelfläche zu führen, wodurch eine Richtungsumkehr des Verstärkungsbandes von bis zu 360° ermöglicht wird. Dazu kann sich der Führungskanal in der Form einer Helix entlang der äußeren Mantelfläche erstrecken und so eine helixartige Führungsbahn vorgeben. Die Länge des Zylinderkörpers kann dabei an die Raumerfordernisse für eine helikale Führung angepasst werden. Denn eine helikale Führung erstreckt sich, bei gleichbleibender Breite des Verstärkungsbandes, über einen größeren Abschnitt der äußeren Mantelfläche - dabei bezogen auf die Längsachse des Zylinderkörpers. Alternativ kann sich das Verstärkungsband helixartig um einen Zylinderkörper herum erstrecken, ohne dabei durch einen Führungskanal hindurchgeführt zu sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können auf der ersten und/oder zweiten Grundfläche des Zylinderkörpers Ankerelemente vorgesehen sein, vermöge dessen die Materialbindung des Zylinderkörpers zu dem Verbundsystem verstärkt wird. Nach dem Umspritzen mehrerer Zylinderkörper samt dem Verstärkungsband mit einer Kunststoffmasse zur Ausbildung eines Verbundsystems, wird der Oberflächenkontakt des Zylinderkörpers zur umgebenden Kunststoffmasse vergrößert. Weiterhin festigen die Ankerelemente den Materialkontakt zwischen den verschiedenen Komponenten des Verbundsystems, insbesondere zwischen der Kunststoffmasse und den Fixierelementen bzw. Zylinderkörpern. Die Ankerelemente sorgen für eine effizientere Kraftableitung zwischen den Komponenten des Verbundsystems bei extern auf das Verbundsystem einwirkenden Kräften. Vermöge der Ankerelemente wird letztlich die Stabilität und Langlebigkeit des Verbundsystems erhöht.
Weiterhin wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes in einem Verbundsystem vorgeschlagen, insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes, umfassend die folgenden Schritte:

Wie bereits erwähnt, können die Fixierelemente samt einem oder mehrerer Verstärkungsbänder in ein Verbundsystem integriert werden, insbesondere um Verstärkungsbänder wie UD-Tapes vor der endgültigen Fertigung eines Verbundbauteils bzw. Verbundsystems vorpositionieren und eine flexible Anordnung des Bandes oder der Bänder zu ermöglichen. Im fertiggestellten Verbundsystem können die Fixierelemente dann eine wirksame Kraftübertragung bzw. Kraftableitung zwischen den Verbundkomponenten mediieren. Da die Fixierelemente eine stabile Fixierung der Verstärkungselemente ermöglichen, kann durch das Vorsehen der Fixierelemente in Kombination mit dem Verstärkungsband die Stabilität des gesamten Verbundsystems erhöht werden.
Gemäß Schritt a. des vorbezeichneten Verfahrensablaufs werden die Fixierelemente auf einem Substrat und/oder in einer Gießform eines Spritzgießwerkzeugs angeordnet. Bei dem Substrat kann es sich auch um eine Trägerplatte eines 3D-Druckers handeln, die nach dem Druckprozess von dem Druckerzeugnis entfernt wird. Gleichsam kann sie Teil des Druckerzeugnisses sein. Mit Anordnen auf einem Substrat ist gemeint, dass die Fixierelemente auf irgendeine Art auf dem Substrat positioniert werden, sei es manuell oder automatisiert (beispielsweise über einen Roboterarm). Eine Anordnung auf dem Substrat umfasst ferner die Möglichkeit die Fixierelemente mit einer ihrer Grundflächen auf dem Substrat zu befestigen, sei es über eine Klebeverbindung oder eine mechanische Verbindung. Beispielsweise können auf dem Substrat Befestigungselemente vorgesehen sein, auf die die Fixierelemente aufgeschoben werden, vorzugsweise mit ihrem zylinderförmigen Hohlraum. Gleichermaßen können solche Befestigungselemente in einer Gießform vorgesehen sein. Das Substrat kann Teil des Verbundsystems sein oder nach dem Fertigungs- oder Anordnungsprozess entfernt werden.
Nach der Anordnung der Fixierelemente wird das Verstärkungsband an diesen befestigt. Dazu wird das Verstärkungsband durch die Führungskanäle der Fixierelemente hindurchgeführt. Die Enden des Verstärkungsbandes können aneinander oder an einem Fixierelement befestigt werden, beispielsweise durch Verkleben, Vernieten oder Verschweißen. Das Verstärkungsband kann dabei unter Zugspannung gesetzt werden, um eine besonders stramme Befestigung an den Fixierelementen zu gewährleisten. Die endgültige Befestigung der Bandenden wird vorzugsweise nach Aufbringung der Zugspannung vollzogen. In einem Verbundsystem können auch mehrere Verstärkungsbänder an Fixierelementen befestigt werden. Nach der Anordnung der Fixierelemente und der Befestigung des Verstärkungsbandes werden die Fixierelemente und das Verstärkungsband bzw. die Verstärkungsbänder mit einer Spritzgussmasse, vorzugsweise einer Kunststoffmasse, umspritzt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verstärkungsband in Bezug auf seine Längsachse vor dem Einführen in den Führungskanal und nach dem Herausführen aus dem Führungskanal um 90° verdreht, bzw. unterliegt einem Dreh-Twist. Dies erlaubt eine Anordnung des Verstärkungsbandes mit seinen flachen Seiten auf einem Substrat oder Verbundpartner, gleichsam vor dem Einführen in den Führungskanal und nach dem Herausführen aus dem Führungskanal.
Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, wenn das Verstärkungsband helixartig um die äußere Mantelfläche geführt wird. Dadurch wird eine Richtungsumkehr des Verstärkungsbandes von bis zu 360° ermöglicht. Mit einer solchen helixartigen Führung kann ebenfalls eine Verdrehung des Verstärkungsbandes in Bezug auf seine Längsachse erzielt werden.
Betont sei an dieser Stelle, dass im Rahmen des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens Fixierelemente verwendet werden können, die die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweisen bzw. nach einer der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen.
Zur Fertigung des Verbundsystems kommen alle gängigen Verfahren zur Fertigung von Verbundsystemen in Betracht, die eine Integration der Fixierelemente und Verstärkungsbänder erlauben, insbesondere jedoch Spritzgießverfahren oder 3D-Druckverfahren. In beiden Verfahren können die Maße der zu fertigenden Verbundbauteile vorgegeben werden, beispielsweise im CAD-Format.
Das der Erfindung zugrunde liegende Fixierelement wie auch das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren kann mit sämtlichen vorangehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen kombiniert werden, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie „umfassend“ „aufweisen“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe „ein“ oder „das“, die auf einer Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus und umgekehrt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind anhand der nachfolgend beschriebenen und in den Figuren wiedergegebenen Beispiele beschrieben. Es zeigen:

1 eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Fixierelements samt Verstärkungsband;
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fixierelements samt Verstärkungsband;
3 eine schematisierte und vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Fixierelements im Längsschnitt samt angedeutetem Verlauf des Verstärkungsbandes nach einer ersten Ausführungsvariante;
4 eine schematisierte und vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Fixierelements im Längsschnitt samt angedeutetem Verlauf des Verstärkungsbandes nach einer zweiten Ausführungsvariante;
5a-c schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.

Die 1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung den Aufbau des erfindungsgemäßen Fixierelements 1, welches mit weiteren baugleichen Fixierelementen 1 zur Fixierung und Anordnung eines Verstärkungsbandes 2 in einem Verbundsystem 3 vorgesehen ist. Mittels eines derartigen Fixierelementes ist eine Richtungsänderung des Verstärkungsbandes 2 ermöglicht, im dargestellten Beispiel von einer ersten Erstreckungsrichtung E1 in eine Erstreckungsrichtung E2. Die Erstreckungsrichtung E1 definiert die Richtung entlang welcher sich das Verstärkungsband 2 vor dem Eintritt in einen an dem Fixierelement 1 ausgebildeten Führungskanal 4 erstreckt. Die Erstreckungsrichtung E2 definiert die Richtung entlang welcher sich das Verstärkungsband 2 vor dem Eintritt in einen an dem Fixierelement 1 ausgebildeten Führungskanal 4 erstreckt.
Ein Verstärkungsband 2 kann beispielsweise an mehreren Fixierelementen 1 befestigt werden und im Anschluss daran von einer Spritzgussmasse 30 umspritzt werden. Mit dem letzteren Schritt werden die Fixierelemente 1 und das Verstärkungsband 2 in ein Verbundsystem 3 integriert. Die Fixierelemente 1 geben dem Verstärkungsband 2 damit während der Fertigung, also des Spritzgießprozesses, den nötigen Halt und sorgen zudem auch im fertiggestellten Verbundsystem 3 für eine erhöhte Stabilität.
Wie in 1 dargestellt ist, kann sich das erfindungsgemäße Fixierelement 1 aus mehreren zylindrischen Teilsegmenten 7, 8, 9 zusammensetzen, die gemeinsam einen Zylinderkörper 10 ausbilden. Dabei weist der Zylinderkörper 10 ein Außensegment 7, ein Innensegment 9 und ein zwischen dem Außensegment 7 und dem Innensegment 9 angeordnetes Zwischensegment 8 auf. Das Zwischensegment 8 kann wabenartige Materialaussparungen 11 aufweisen, die von Materialstegen 12 umgeben sind. Eine solche Ausbildung trägt zu einer Gewichtsreduzierung des Fixierelements 1 bei. Gleichermaßen kann der Zylinderkörper 10 auch einstückig aus einem Bauteil gefertigt sein. Die Segmente 8, 9, 10 können miteinander verklebt oder im Wege eines Spritzgießprozesses oder 3D-Drucks ausgebildet werden. Beim Spritzgießen kann zunächst das Innensegment 9 ausgebildet werden, das Zwischensegment 8 und das Außensegment 7 werden dann nacheinander an das Innensegment 9 angeformt.
Wie ebenfalls aus der 1 hervorgeht, weist der Zylinderkörper 10 eine hohlzylindrische Form mit einem von einer inneren Mantelfläche 13 des Innensegments 9 begrenzten Hohlraum 14 auf. Der Hohlraum 14 kann zur Befestigung des Fixierelements 1 an einem Substrat 25 dienen. Der Führungskanal 4 ist an der äußeren Mantelfläche 15 des Zylinderkörpers 10 bzw. des Außensegments 7 ausgebildet und in Radialrichtung R des Zylinderkörpers 10 abgeschlossen. Der Führungskanal 4 kann in Form einer geschlossenen Leiste an der äußeren Mantelfläche 15 des Zylinderkörpers 10 befestigt werden. Gleichsam kann der Führungskanal 4 im Wege der Ausbildung des Fixierelements 1 im Spritzguss oder 3D-Druck ausgebildet werden. Gemäß der Darstellung nach 1 ist das Verstärkungsband 2 bezogen auf seine Längsachse (diese verläuft analog der Erstreckungsrichtungen E1, E2) mit dem gleichen Drehwinkel in die Öffnung 5 des Führungskanals 4 eingeführt und aus einer weiteren Öffnung 6 des Führungskanals 4 herausgeführt.
Wie in der 2 wiedergegeben, kann der Drehwinkel des Verstärkungsbandes 2 in Bezug auf seine Längsachse vor dem Eintritt in den Führungskanal 4 von dem Drehwinkel nach dem Austritt aus dem Führungskanal 4 abweichen. Das Band 2 kann vor dem Eintritt in den Führungskanal 4, wie auch nach dem Austritt aus dem Führungskanal 4 um seine Achse verdreht werden, also einen Twist unterlaufen. Damit kann erreicht werden, dass das Verstärkungsband 2 vor dem Eintritt in den Führungskanal 4 sowie nach dem Austritt aus dem Führungskanal 4 flach auf einem Substrat 25 oder Träger angeordnet werden kann. Dadurch kann ein besonders guter Materialkontakt des Verstärkungsbandes 2 zu dem Substrat 25 oder Träger hergestellt werden. Denn der Oberflächenkontakt zwischen beiden Komponenten wird durch eine flache Anordnung vergrößert. Die Verdrehung des Verstärkungsbandes 2 vor und nach dem Eintritt in den Führungskanal 4 ist in den 3 und 4 in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung des Fixierelements 1 wiedergegeben. In 3 weist das Verstärkungsband 2 vor dem Eintritt in den Führungskanal 4 die gleiche Verdrehung auf wie nach dem Austritt aus dem Führungskanal 4. In 4 ist eine Verdrehung des Bandes 2 nach dem Heraustreten aus dem Führungskanal 4 um 90° wiedergegeben.
In den 5a bis 5c ist das der Erfindung ebenfalls zugrunde liegende Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes 4 in einem Verbundsystem 3 wiedergegeben. Verfahrensgemäß werden zunächst mehrere Fixierelemente 1 mit einer ersten oder zweiten Grundfläche auf einem Substrat 25 oder Träger oder einer Gießformfläche angeordnet bzw. positioniert (5a). Im Anschluss daran wird das Verstärkungsband 2 (es können auch mehrere Verstärkungsbänder 4 vorgesehen sein) an den Fixierelementen 1 befestigt. Dabei wird das Verstärkungsband 4 durch die jeweiligen Führungskanäle 4 der Fixierelemente 1 hindurchgeführt. Wie in 5b dargestellt, kann das Verstärkungsband 2 dadurch mehrere Richtungswechsel erfahren. In einem letzten Schritt (5c) wird die sich aus den Fixierelementen 1 und dem Verstärkungsband 2 zusammensetzende Anordnung von einer Spritzgussmasse 30 umspritzt. Gleichsam kann die Anordnung von einer Druckmasse um- oder bedruckt werden, beispielsweise mit einem 3D-Drucker. Durch den letzten Verfahrensschritt des Umspritzens oder Bedruckens entsteht ein Verbundsystem 3 aus Fixierelementen 1, Verstärkungsband 2 und einer Spritzgussmasse 30. Das Substrat 25 kann ebenfalls Bestandteil des Verbundsystems 3 sein.
Bezugszeichenliste

1: Fixierelement
2: Verstärkungsband
3: Verbundsystem
4: Führungskanal
5: Öffnung (Führungskanal)
6: Öffnung (Führungskanal)
7: Außensegment
8: Zwischensegment
9: Innensegment
10: Zylinderkörper
11: Materialaussparung
12: Materialsteg
13: Innere Mantelfläche
14: Hohlraum
15: Äußere Mantelfläche
16: Erste Grundfläche
17: Zweite Grunfläche
25: Substrat
30: Spritzgussmasse
E1: Erstreckungsrichtung
E2: Erstreckungsrichtung
R: Radialrichtung

Claims

Fixierelement (1) zum Fixieren eines Verstärkungsbandes (2) in einem Verbundsystem (3), insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes (2), umfassend einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche (16, 17), sowie eine innere und äußere Mantelfläche (13, 15) aufweisenden Zylinderkörper (10), der einen an der äußeren Mantelfläche (15) ausgebildeten, in Radialrichtung (R) abgeschlossenen Führungskanal (4) aufweist, wobei der Zylinderkörper (10) dazu eingerichtet ist, im Wege eines Spritzgießprozesses in das Verbundsystem (3) integriert zu werden, und wobei der Führungskanal (4) dazu eingerichtet ist, das Verstärkungsband (2) unter Änderung seiner Erstreckungsrichtung (E1, E2) zu fixieren.
Fixierelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkörper (10) aus drei zylindrischen Teilsegmenten (7, 8, 9) zusammengesetzt ist, nämlich aus einem Außensegment (7), einem Innensegment (9) und einem zwischen dem Außensegment (7) und dem Innensegment (9) angeordneten Zwischensegment (8).
Fixierelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskanal (4) eine Öffnung (5) zum Einführen des Verstärkungsbandes (2) und eine Öffnung (6) zum Herausführen des Verstärkungsbandes (2) aufweist.
Fixierelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innensegment (9) eine innere Mantelfläche (13) aufweist, die einen inneren Hohlraum (14) des hohlzylindrisch ausgebildeten Zylinderkörpers (10) in Radialrichtung (R) begrenzt.
Fixierelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außensegment (7) und das Innensegment (9) aus einem Vollmaterial ausgebildet sind, während das Zwischensegment (8) wabenartige Materialaussparungen (11) aufweist, die von Materialstegen (12) umgeben sind.
Fixierelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkörper (10) aus Kunststoff oder Metall gefertigt ist.
Fixierelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Führungskanal (4) in Umfangsrichtung über ein Viertel des Umfangs der äußeren Mantelfläche (15) erstreckt.
Fixierelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Führungskanal (4) in Umfangsrichtung nahezu über den gesamten Umfang der äußeren Mantelfläche (15) erstreckt.
Fixierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkörper (10) und der Führungskanal (4) dazu eingerichtet sind, das Verstärkungsband (2) helixartig um die äußere Mantelfläche (15) zu führen, wodurch eine Richtungsumkehr des Verstärkungsbandes (2) von bis zu 360° ermöglicht wird.
Fixierelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten und/oder zweiten Grundfläche (16, 17) des Zylinderkörpers (10) Ankerelemente vorgesehen sind, vermöge dessen die Materialbindung des Zylinderkörpers (10) zu dem Verbundsystem (3) verstärkt wird.
Verfahren zum Fixieren eines Verstärkungsbandes (2) in einem Verbundsystem (3), insbesondere eines mit unidirektionalen Endlosfasern versehenen Verstärkungsbandes (3), umfassend die folgenden Schritte: a. Anordnen einer Mehrzahl von Fixierelementen (1) auf einem Substrat (25) und/oder in einer Gießform eines Spritzgießwerkzeugs, wobei die Fixierelemente (1) jeweils einen hohlzylindrisch ausgebildeten, eine erste und zweite Grundfläche (16, 17) sowie eine innere und äußere Mantelfläche (13, 15) aufweisenden Zylinderkörper (10) umfassen, der einen an der äußeren Mantelfläche (15) ausgebildeten, in Radialrichtung (R) abgeschlossenen Führungskanal (4) aufweist; b. Befestigen des Verstärkungsbandes (2) an den Fixierelementen (1), wobei das Verstärkungsband (2) zur Befestigung durch die jeweiligen Führungskanäle (4) hindurchgeführt und unter Zugspannung gesetzt wird, und wobei sich Erstreckungsrichtung (E1, E2) des Verstärkungsbandes (2) nach dem Hindurchführen durch den jeweiligen Führungskanal (4) ändert; c. Umspritzen der Fixierelemente (1) und des Verstärkungsbandes (2) mit einer Spritzgussmasse (30) im Wege eines Spritzgießprozesses.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsband (2) in Bezug auf seine Längsachse vor dem Einführen und nach dem Herausführen aus dem Führungskanal (4) um 90° verdreht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsband (2) helixartig um die äußere Mantelfläche (15) geführt wird, wodurch eine Richtungsumkehr des Verstärkungsbandes von bis zu 360° ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussmasse (30) eine Kunststoffmasse ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Fixierelemente (1) mit den Merkmalen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 verwendet werden.