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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, umfassend eine Feder und mindestens ein Anbauteil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Feder-Baugruppe sowie eine Feder, die zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist.
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Es ist bekannt, Federn, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern, aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Die Verbindung derartiger Federn aus Faserverbundwerkstoffen mit Anbauteilen, wie z.B. mit Federtellern oder Federunterlagen, stellt sich jedoch als problematisch dar. Derartige Anbauteile sind oftmals aus Kunststoff, Faserverbundwerkstoffen oder Elastomeren gebildet.
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Bislang bekannte Verbindungsmethoden, wie z.B. das Verkleben der Bauteile, bieten keine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und den zugehörigen Anbauteilen. Nach Ermüdung der entsprechenden Verbindung treten oftmals Relativbewegungen zwischen den Bauteilen auf, die zu Beschädigungen an den Berührungsflächen führen können. Außerdem ist es bekannt, dass Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten in den Spalt zwischen einer Feder und einem zugehörigen Anbauteil eindringen können. Dies führt zu einem abrasiven oder korrosiven Abtrag an den Bauteilen. Insbesondere bei Bauteilen, die aus Faserverbundkunststoffen oder Kunststoffen gebildet sind, können abrasive oder korrosive Phänomene zu Frühausfällen der Bauteile führen.
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Aus dem Vorgenannten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, insbesondere ein Verfahren zum Verbinden einer Feder-Baugruppe, anzugeben, die zu einer dauerhaften formschlüssigen Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem Anbauteil führt. Aufgrund der erfindungsgemäß hergestellten Feder-Baugruppe sollen Relativbewegungen zwischen den Bauteilen verhindert werden.
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Des Weiteren soll aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Feder-Baugruppe eine derartige Verbindung zur Verfügung gestellt werden, die das Eindringen von Schmutzpartikeln und/oder Flüssigkeiten in den Verbindungsbereich zwischen der Feder und einem Anbauteil verhindert.
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Ferner besteht die Aufgabe darin, eine weiterentwickelte Feder-Baugruppe sowie eine weiterentwickelte Feder anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe durch den Gegenstand des Anspruches 1, im Hinblick auf die Feder-Baugruppe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 6 und im Hinblick auf die Feder durch den Gegenstand des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Feder-Baugruppe sowie der erfindungsgemäßen Feder sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, die eine Feder und mindestens ein Anbauteil umfasst, anzugeben, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer Feder, insbesondere einer Schraubenfeder oder einer Drehstabfeder, die zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist, wobei die Feder im Bereich des Faserverbundwerkstoffes mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines Anbauteils aufweist;
- b) zumindest abschnittsweises Einbringen von Durchbrüchen und/oder Vertiefungen in den Verbindungsabschnitt;
- c) Anbringen des Anbauteils am Verbindungsabschnitt mittels eines Urformverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht zunächst im Schritt a) von bereitgestellten Federn aus, die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
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Die Federn sind ausgewählt aus einer Gruppe von Schraubenfedern, insbesondere Schraubendruckfedern, Schraubenzugfedern, Kegelfedern, Sprungfedern, Biegefedern, besonders bevorzugt Spiralfedern, gewundenen Torsionsfedern, oder Drehstabfedern, insbesondere Stabilisatoren und Kombinationen hiervon.
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Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich insbesondere um kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln. Des Weiteren kann es sich bei dem Faserverbundwerkstoff um glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) handeln.
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Generell kann der Faserverbundwerkstoff aus mineralischen oder organischen Fasern und einem harzartigen Grundstoff gebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass der Faserverbundwerkstoff auf einem Mischwerkstoff mit Glas- und Carbonfaserlagen beruht.
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Es ist möglich, dass der Faserverbundwerkstoff mehrere Faserlagen aufweist. Eine Faserlage kann mehrere miteinander verwobene Fasern umfassen. Des Weiteren ist es möglich, dass eine Faserlage unidirektionale Faserbündel umfasst oder aus unidirektionalen Faserbündeln besteht. Eine Faserlage kann beispielsweise eine Matte oder ein Gewebe oder ein Gelege oder ein Geflecht oder eine Wirrfasermatte oder ein Vlies oder ein 3D-Gewebe oder ein 2D-Gewebe oder ein Gestrick sein.
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Die Matrix des Faserverbundwerkstoffs der Feder kann aus Thermoplast und/oder Elastomer und/oder Duroplast gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix aus Epoxidharz.
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Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes aus dem die Feder zumindest abschnittsweise gebildet ist, sind vorzugsweise mineralische oder organische Fasern. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um Carbonfasern und/oder Glasfasern.
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Die Fasern können Kurzfasern und/oder Langfasern und/oder Endlosfasern sein.
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Das mindestens eine Anbauteil der Feder-Baugruppe kann beispielsweise ein Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement sein.
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Das mindestens eine Anbauteil ist vorzugsweise aus Kunststoff und/oder aus einem Faserverbund und/oder aus Metall gebildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anbauteil aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast und/oder einem Elastomer und/oder einem Duroplast, gebildet.
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Im Schritt b) erfolgt das zumindest abschnittsweise Einbringen von Durchbrüchen und/oder Vertiefungen im Verbindungsabschnitt.
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Bei dem Verbindungsabschnitt handelt es sich um den Abschnitt der Feder, an dem das mindestens eine Anbauteil angebracht wird. Mit anderen Worten wird im Verbindungsabschnitt der Feder eine Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil hergestellt.
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Es ist möglich, dass die Feder mehrere Verbindungsabschnitte aufweist. Es können mehrere Anbauteile mit der Feder verbunden werden oder sein.
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Der mindestens eine Verbindungsabschnitt ist vorzugsweise als eine abgegrenzte Kontaktfläche ausgebildet, wobei ein zu verbindendes Anbauteil mit dieser Kontaktfläche in Kontakt gebracht wird oder in Kontakt steht.
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Als Durchbrüche sind derartige Abschnitte des Verbindungsabschnittes zu verstehen, die eine vollständige Materialentfernung darstellen. Bei einer Vertiefung handelt es sich um einen derartigen Abschnitt eines Verbindungsabschnittes, der eine Teil-Materialentfernung darstellt.
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In den Durchbrüchen und in den die Vertiefungen bildenden Freiräumen sind sowohl die Fasern auch als die Matrix des Faserverbundwerkstoffes entfernt.
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Die Form der Durchbrüche kann variabel sein. Die Durchbrüche können beispielsweise eine kreisrunde Form, eine elliptische Form, eine Langlochform, eine rechteckige Form, eine quadratische Form oder eine polygonale Form aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Durchbrüche unterschiedliche Formen bzw. Strukturen aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Durchbrüche als Schlitze ausgebildet sind. Die einzelnen Durchbrüche können in gleichen oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Durchbrüche auf gemeinsamen Umfangslinien einer bereitgestellten Feder ausgebildet sind. Bei den Durchbrüchen kann es sich beispielsweise um Bohrungen handeln.
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Bei den Vertiefungen kann es sich beispielsweise um Sacklöcher handeln. Des Weiteren ist es möglich, dass die Vertiefungen als Nuten ausgebildet sind.
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Es ist möglich, dass die Vertiefungen auf gemeinsamen Umfangslinien des Federabschnittes ausgebildet sind. Die Vertiefungen können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass die Vertiefungen einen dreiecksförmigen Querschnitt aufweisen. Auch ein rechteckiger oder quadratischer Querschnitt ist möglich.
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Beim Einbringen der Durchbrüche und/oder Vertiefungen wird der Faserverbundwerkstoff in diesem Bereich vollständig oder abschnittsweise entfernt. Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes werden dabei zumindest abschnittsweise zerstört oder durchtrennt.
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Des Weiteren ist es möglich, dass die Randbereiche der Durchbrüche und/oder Vertiefungen derartige Abschnitte aufweisen, die freigelegte Fasern umfassen. In diesem Bereich ist lediglich die Matrix entfernt, wohingegen die Fasern freigelegt sind. Bei den freigelegten Fasern handelt es sich insbesondere vorzugsweise um Reststücke von abgetrennten Fasern zur Bildung der Durchbrüche und/oder Vertiefungen.
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An diesem Verbindungsabschnitt, der nach dem Schritt b) Durchbrüche und/oder Vertiefungen umfasst, wird im Schritt c) das Anbauteil mittels eines Urformverfahrens angebracht.
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Mit anderen Worten beruht die Erfindung darauf, dass an einer Feder aus Verbundwerkstoff in den für die Verbindung mit dem Anbauteil vorgesehenen Abschnitten Durchbrüche und/oder Vertiefungen ausgebildet werden. In diese Durchbrüche und/oder Vertiefungen kann mindestens ein Anbauteil durch Urformen aus der flüssigen Phase angebracht werden, so dass der noch flüssige Werkstoff des Anbauteils in die Durchbrüche und/oder Vertiefungen fließt. Anschließend härtet der Werkstoff des Anbauteils aus, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil entsteht.
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Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist vorzugsweise geringer als die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix. Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils kann derart gewählt sein, dass die Temperatur der Matrix im Berührungsbereich zur flüssigen Phase nicht über die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix steigt. Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist vorzugsweise derart zu wählen, dass keine Verbrennungen des Matrixmaterials erfolgen.
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Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare oder hergestellte Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem Anbauteil ist derart dauerhaft formschlüssig ausgelegt, dass Relativbewegungen zwischen den Bauteilen verhindert werden. Außerdem können keine Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten zwischen die Bauteile, d.h. zwischen die Feder und an das Anbauteil im Verbindungsabschnitt, gelangen.
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Im Schritt b) wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Das Einbringen von Durchbrüchen und/oder Vertiefungen erfolgt somit vorzugsweise mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers.
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Vorzugsweise werden dabei Laserimpulse mit einer Dauer von < 20 ps (Picosekunden), insbesondere ≤ 10 ps, auf den Faserverbundwerkstoff aufgebracht. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge bis zu 1.064 nm (Nanometer) verwendet.
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Des Weiteren beruht die Verwendung eines Lasers darauf, einen derartigen Laser mit einer mittleren Leistung von bis zu 400 W (Watt), insbesondere bis 100 W, besonders bevorzugt mit einer Leistung von 30 - 80 W, zu verwenden.
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Die Wiederholungsrate der aufzubringenden Laserstrahlen auf den Faserverbundwerkstoff kann bis zu 1 MHz (Megahertz) betragen. Die bevorzugte Verwendung eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers, hat den Vorteil, dass der Faserverbundwerkstoff orts- und tiefenselektiv bearbeitet und/oder entfernt werden kann.
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Bei dem in Schritt c) genannten Urformverfahren kann es sich insbesondere um ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren handeln. Diese Urformverfahren haben den Vorteil, dass zunächst ein flüssiger Werkstoff vorliegt, der in den Bereich des Verbindungsabschnittes aufgebracht werden kann, so dass die Durchbrüche und/oder Vertiefungen mit dem flüssigen Werkstoff gefüllt und/oder umschlossen und anschließend ausgehärtet werden können.
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Des Weiteren ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das Anbauteil mit der Feder verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel wird demnach nicht das Anbauteil selbst in einem Urformverfahren hergestellt, sondern ein Verbindungselement. Auch ein derartig angebrachtes Verbindungselement weist den Vorteil auf, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem Verbindungselement hergestellt wird.
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Es ist insbesondere möglich, dass eine bereitgestellte und gemäß Schritt b) bearbeitete Feder sowie ein bereitgestelltes Anbauteil in einem Schritt c) mittels Bildung eines Verbindungselements miteinander verbunden werden. Demnach wird in diesem Zusammenhang nicht das Anbauteil im Urformverfahren hergestellt, sondern die Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil. Die Verbindung erfolgt in diesem Fall aufgrund eines Spritzverfahrens und/oder Gießverfahrens und/oder Spritzgussverfahrens.
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Insbesondere ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens das Anbauteil hergestellt und gleichzeitig mit der Feder verbunden wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder-Baugruppe, umfassend eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder eine Drehstabfeder, und mindestens ein Anbauteil, insbesondere einen Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement, wobei die Feder-Baugruppe mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Bezüglich der Materialien aus denen die Feder und/oder das Anbauteil gebildet sind, gilt vorher Genanntes.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Feder-Baugruppe gehen die gleichen Vorteile oder ähnliche Vorteile einher, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt sind.
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Ein weiterer, insbesondere nebengeordneter, Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder Drehstabfeder, zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, wobei die Feder zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Feder ist insbesondere derart ausgebildet, dass diese beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe verwendet werden kann.
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Die Feder weist mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines Anbauteils auf, wobei der Verbindungsabschnitt Durchbrüche und/oder Vertiefungen aufweist. Als Durchbruch ist insbesondere ein derartiger Abschnitt einer Wandung der Feder zu verstehen, die einen vollständigen Materialabtrag bzw. Materialentfernung aufweist.
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Bei einer Vertiefung handelt es sich um einen derartigen Abschnitt einer Wandung der Feder, die einen Teil-Materialabtrag bzw. eine Teil-Materialentfernung aufweist. Bezüglich der Form der Durchbrüche und/oder Vertiefungen gilt vorher Genanntes.
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Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes können aus mineralischem oder organischem Material gebildet sein. Insbesondere sind die Fasern aus Carbon und/oder Glas gebildet.
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Die Matrix ist insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Thermoplast und/oder Duroplast und/oder Elastomer. Ein besonders bevorzugtes Material zur Ausbildung der Matrix ist Epoxidharz.
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Bei dem Faserverbundwerkstoff der Feder kann es sich demnach um glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) und/oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln.
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Des Weiteren ist es möglich, dass die Durchbrüche und/oder Vertiefungen zumindest abschnittsweise Randbereiche aufweisen, die freigelegte Fasern umfassen. Mit anderen Worten ist in den Randbereichen lediglich die Matrix entfernt, so dass die Fasern zumindest abschnittsweise freigelegt sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1a: eine perspektivische Ansicht eines Teilabschnittes einer erfindungsgemäßen Feder;
- 1b: einen Querschnitt durch eine Feder im Verbindungsabschnitt; und
- 2: eine perspektivische Ansicht einer Feder-Baugruppe.
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Im Folgenden werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1a zeigt eine perspektivische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Feder 10. Bei dieser Feder 10 handelt es sich beispielsweise um eine Drehstabfeder. Die Feder 10 ist aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet. Insbesondere ist die Feder 10 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet.
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Die Feder 10 weist einen Verbindungsabschnitt 20 auf. Der Verbindungsabschnitt 20 dient zur späteren Verbindung eines Anbauteils mit der Feder 10. Es ist möglich, dass die Feder 10 mehrere Verbindungsabschnitte 20 aufweist.
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Im gezeigten Beispiel sind im Verbindungsabschnitt 20 Durchbrüche 50 ausgebildet. Im vorliegenden Fall sind vier Durchbrüche 50 dargestellt. Die Durchbrüche sind vollständige Materialentfernungen. Die Durchbrüche weisen eine Langlochform auf. Die Durchbrüche 50 sind gleichmäßig zueinander beabstandet. Alternativ ist es möglich, dass mehrere Durchbrüche unterschiedliche Formen und/oder Größen und/oder Abstände zueinander aufweisen.
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Des Weiteren ist es möglich, dass in Randbereichen 51 der Durchbrüche 50 von der Matrix freigelegte Fasern ausgebildet sind. Dies dient zur Herstellung einer besonders festen Verbindung zwischen der Feder 10 und einem Anbauteil.
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In 1a ist außerdem dargestellt, dass die Durchbrüche 50 auf einer gemeinsamen Umfangslinie bzw. in einer gemeinsamen Ebene ausgebildet sind.
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In 1b ist eine weitere Ausführungsform hinsichtlich einer erfindungsgemäßen Feder 10 dargestellt. Im dargestellten Querschnitt ist die Oberfläche 15 eines Verbindungsabschnittes 20 zu erkennen. In die Oberfläche 15 sind Vertiefungen 60 eingebracht. Die Vertiefungen 60 sind als Sacklöcher ausgebildet. Im dargestellten Beispiel weisen diese Vertiefungen 60 einen gleichmäßigen Abstand zueinander auf.
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Auch in den Vertiefungen 60 können Randbereiche 61 ausgebildet sein, die von der Matrix befreite bzw. freigelegte Faserabschnitte aufweisen. In die Vertiefungen 60 kann das Kunststoffmaterial des ebenfalls angedeuteten Anbauteils 40 im Rahmen des gewählten Urformverfahrens einfließen. Dabei kann eine besonders formschlüssige Verbindung zwischen dem Anbauteil 40 und der Feder 10 hergestellt werden.
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Zum Einbringen der Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 in den Verbindungsabschnitt 20 wird insbesondere ein Ultrakurzpulslaser verwendet. Mit Hilfe eines derartigen Ultrakurzpulslasers kann der Faserverbundwerkstoff orts- und tiefenselektiv entfernt werden. Dies ist insbesondere bei der Ausbildung der Vertiefungen 60 besonders vorteilhaft. Die im Schritt d) in den Verbindungsabschnitt 20 eingebrachten Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 können in einem weiteren Verfahrensschritt zur Verbindung mit einem/dem Anbauteil verwendet werden. Hierzu wird in einem Urformverfahren der flüssige Werkstoff des Anbauteils und/oder eines Verbindungselements in die Vertiefungen 60 eingebracht oder fließt durch die Durchbrüche 50. Anschließend härtet der flüssige Werkstoff aus. Aufgrund dessen wird eine formschlüssige Verbindung hergestellt.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Feder-Baugruppe 30. Diese umfasst zunächst eine Feder 10. Die Feder 10 ist zumindest abschnittsweise aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt.
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An einem Federende 18 wurden zunächst in einem Verbindungsabschnitt 20 Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 eingebracht.
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Mittels eines Urformverfahrens wurde das Anbauteil 40 am Verbindungsabschnitt 20 angebracht. Bei dem Anbauteil 40 kann es sich um einen Federteller, eine Federunterlage oder um ein Lagerelement handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Feder
- 15
- Oberfläche
- 18
- Federende
- 20
- Verbindungsabschnitt
- 30
- Feder-Baugruppe
- 40
- Anbauteil
- 50
- Durchbruch
- 51
- Randbereich
- 60
- Vertiefung
- 61
- Randbereich
