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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils aus einem Wickelrohling, der vorimprägnierte Endlosfasern und wenigstens ein von diesen umwickeltes Funktionselement aufweist, und ein Heißpressenwerkzeug zum Pressen eines solchen Wickelrohlings zur Endkontur.
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Bei einem Faserwickelverfahren werden beispielsweise mit Epoxidharz vorimprägnierte Endlosfasern roboterbasiert und lastpfadgerecht auf eine Wickelvorrichtung abgelegt. Hierbei dienen an einer sogenannten Wickelplatine angeordnete und sich von dieser weg erstreckende Pins als Umlenkpunkte für die Endlosfasern und als spätere Krafteinleitungspunkte des Bauteils, wodurch eine schlaufenförmige Krafteinleitung ermöglicht wird. Der so hergestellte Wickelrohling wird dann in eine Heißpresse eingelegt und isotherm zur Endkontur gepresst. Erforderliche Funktionselemente werden bei dieser Form der Faserablage und dem anschließenden Pressprozess nachträglich gefügt.
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Nach dem Wickelvorgang weist der Wickelrohling üblicherweise ein größeres Volumen auf als die Heißpressenkavität, welche die Endkontur des hergestellten Verbundbauteils abbildet. Beispielsweise kann ein Funktionselement so ausgeführt sein, dass es den axialen Freiraum beim Umwickeln begrenzt, wodurch der Wickelrohling im Bereich eines Funktionselements insbesondere in radialer Richtung deutlich größer wird, als die vorgesehene Endkontur. Entsprechend werden beim Einlegen eines entsprechend groß gewickelten Wickelrohlings in das Heißpressenwerkzeug die „überstehenden“ vorimprägnierten Fasern auf die obere Funktionsfläche des Krafteinleitungselements gedrückt. Ferner ist es schwierig, im Wickelrohling vorhandene Funktionselemente in eine definierte Position in der Heißpressenkavität zu bringen. Nachdem Pressvorgang kann die Lage der Funktionselemente im Faser-Kunststoff-Verbundbauteil von der gewünschten Position abweichen, weshalb das Bauteil dann im Bereich des Funktionselements nachbearbeitet werden muss.
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Üblicherweise werden solche Funktionselemente nach dem Pressen in einem zusätzlichen Prozessschritt in das Bauteil eingeklebt. Dabei bedingt der zwischen dem Funktionselement und dem faserverstärkten Kunststoff angeordnete Klebstoff einen lokalen Steifigkeitsabfall. Bei einer Einbindung eines Funktionselement bereits beim Wickelprozess in den Wickelrohling stellen folglich das Positionieren des Funktionselements im hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteil und der Aufwand für ein nachfolgendes Entfernen von sich beim Pressvorgang an den Funktionsflächen des Funktionselements anlagernden Matrixwerkstoff und/ oder Fasern Aufgabenstellungen dar, für welche noch keine zufriedenstellende Lösungen bekannt sind.
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Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren und ein Heißpressenwerkzeug zum Herstellen eines verbesserten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit wenigstens einem integrierten Funktionselement vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit wenigstens einem integrierten Funktionselement vorgeschlagen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer Wickeleinrichtung mit wenigstens einem Umlenkelement, wobei wenigstens ein späteres Funktionselement des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils als Umlenkelement vorgesehen ist;
- - Anordnen von vorimprägnierten Endlosfasern an der Wickeleinrichtung zum Ausbilden eines Wickelrohlings, wobei das wenigstens eine Funktionselement mit Endlosfasern umwickelt wird;
- - Einlegen des Wickelrohlings mit dem wenigstens einen umwickelten Funktionselement in eine Heißpressenkavität;
- - Pressen des Wickelrohlings in die Endkontur des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, beim Einlegen des Wickelrohlings das wenigstens eine Funktionselement in einer vorbestimmten Position in der Heißpressenkavität anzuordnen und während dem Pressen zu halten, und wenigstens eine Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität abzudichten.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil hergestellt, dessen wenigstens ein darin integriertes Funktionselement an einer vorbestimmten Stelle in der Heißpressenkavität und damit auch im hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteil positioniert wird. Durch das Abdichten der wenigstens einen am Funktionselement angeordneten Funktionsfläche gegenüber der Heißkavität kommen zudem während des Pressvorgangs weder Fasern noch Matrixwerkstoff des Wickelrohlings mit einer Funktionsfläche in Kontakt, so dass diese frei von Rückständen aus dem Pressvorgang bleiben und die Funktionselemente zudem die vorgesehene Position und Orientierung aufweisen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine Wickeleinrichtung mit wenigstens einem Umlenkelement bereitgestellt. Eine solche Wickeleinrichtung weist üblicherweise sich von dieser weg erstreckende Umlenkelemente beispielsweise in Form von Pins auf, welche zur Positionierung von daran angeordneten, insbesondere diese „umwickelnde“ und dabei umgelenkte Endlosfasern dienen, so dass der dabei hergestellte Wickelrohling in der gewünschten Form ausgebildet wird. Als wenigstens ein Umlenkelement der Winkeleinrichtung dient beim vorgeschlagenen Verfahren ein späteres Funktionselement des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils, welches auf diese Weise in einer durch die Wickeleinrichtung vorgegebenen Position in den hergestellten Wickelrohling integriert wird. Bei einem solchen Funktionselemente handelt es sich beispielsweise um ein Einlageelemente, welche zur Bereitstellung von vorgesehenen Funktionen des hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils dienen, wie beispielsweise geeignete Schnittstellen in Form von Krafteinleitungselementen wie Ösen, Gewindeeinsätzen oder auch Formschlusselementen wie definiert ausgebildete Verbindungsflächen und dergleichen.
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Die Endlosfasern sind mit dem vorgesehenen Matrixwerkstoff, wie beispielsweise einem Phenolharz vorimprägniert. Ein aus solchen vorimprägnierten Fasern hergestellter Wickelrohling kann ohne weitere Vorbehandlung mit einem Matrixwerkstoff in einem Heißpressenwerkzeug zu einem Verbundbauteil gepresst werden.
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Ein so hergestellter Wickelrohling kann unmittelbar mit dem wenigstens einen darin integrierten Funktionselement in eine Heißpressenkavität einer Heißpresse eingelegt und in die vorgesehene Endkontur gepresst werden. Die Heißpressenkavität weist hierfür eine entsprechend der vorgesehenen Endkontur des hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ausgebildete Form auf. Das wenigstens eine Funktionselement wird beim Einlegen des Wickelrohlings in die Heißpressenkavität insbesondere unter Berücksichtigung der vorgesehenen Position und Ausrichtung von daran angeordneten Funktionsflächen oder -elementen in einer vorbestimmten Position angeordnet und während dem Pressen so gehalten. Hierdurch ist das wenigstens eine Funktionselement im fertigen Faser-Kunststoff-Verbundbauteil in der gewünschten Position angeordnet. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, während dem Pressvorgang wenigstens eine Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements gegenüber der Heißpressenkavität abzudichten. So kann die wenigstens eine Funktionsfläche frei von Rückständen aus dem Pressvorgang gehalten werden, insbesondere frei von in den Bereich der Funktionsfläche eindringenden Fasern und/ oder frei von während dem Pressvorgang flüssigen und in alle Bereiche der Heißpressenkavität gepressten Matrixwerkstoff. Als Funktionsfläche soll im Zusammenhang mit der Erfindung jede an einem Funktionselement angeordnete Fläche verstanden werden, welche beim hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteil eine Funktion erfüllt, wie beispielsweise als Kontaktfläche für ein später mit dem Verbundbauteil zusammenwirkenden Element dient und daher die am Funktionselement vorgesehene Oberfläche aufweisen soll. Ferner kann eine Funktionsfläche auch aufgrund der Positionierungsfunktion für das Funktionselement frei von Matrixmaterial und Fasern zu halten sein, um die vorgegebene Position des Funktionselements im hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteil zu ermöglichen.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils wird der Wickelrohling so in die Heißpressenkavität eingelegt, dass in der Einlegeposition kein Kontakt zu einer Wandung der Heißpressenkavität besteht. Insbesondere bei Wickelrohlingen, welche deutlich größer sind, als die vorgesehene Endkontur des herzustellenden Verbundbauteils besteht die Gefahr, dass der an den Endlosfasern angeordnete Matrixwerkstoff bei einem Kontakt zu heißen Wandungen der Heißpressenkavität vorzeitig schmilzt und es damit zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Fasern und Matrix im Faser-Kunststoff-Verbundbauteil kommt. Diese Gefahr verringert sich bei einer Einlegeposition, bei welcher der Wickelrohling keine Wandung der Heißpressenkavität berührt.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils wird beim Einlegen des Wickelrohlings das wenigstens eine Funktionselement an einer in der Heißpressenkavität angeordneten Positioniereinrichtung angeordnet, welche das wenigstens eine Funktionselement während dem Pressen in der vorbestimmten Position hält. Eine solche Positioniereinrichtung sorgt zum einen für die richtige Positionierung eines Funktionselements in der Heißpressenkavität und kann zum anderen beispielsweise während dem Schließen des Heißpressenwerkzeugs und auch während dem Pressvorgang am Funktionselement wirkende Kräfte aufnehmen und eine hieraus resultierende Verlagerung des Funktionselements verhindern.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils wird beim Einlegen des Wickelrohlings die wenigstens eine am Funktionselement angeordnete Funktionsfläche an einer in der Heißpressenkavität angeordneten Dichteinrichtung angeordnet, welches die wenigstens eine Funktionsfläche während dem Pressen abdichtet. Eine Dichteinrichtung kann dabei beispielsweise ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und nur einen Teil einer Funktionsfläche, einen wesentlichen Teil der Funktionsfläche oder auch eine ganze Funktionsfläche erfassen. Eine solche Dichteinrichtung kann so insbesondere während dem Pressvorgang das Vordringen von Fasern und/ oder Matrixwerkstoff an eine am Funktionselement angeordnete Funktionsfläche verhindern. Dabei ist eine solche Dichteinrichtung an einer entsprechenden Position in der Heißpressenkavität angeordnet. Insbesondere ist eine solche Dichteinrichtung elastisch (E-Modul ≤ 3 GPa) ausgeführt, wodurch sich diese insbesondere unter einem Schließdruck der Heißpresse an die abzudichtende Funktionsfläche anpassen kann, um eine geeignete Dichtwirkung auszubilden.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Heißpressenwerkzeug vorgeschlagen, zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils aus einem Wickelrohling, der vorimprägnierte Endlosfasern und wenigstens ein von diesen umwickeltes Funktionselement aufweist. Das Heißpressenwerkzeug weist hierfür eine Heißpressenkavität zum Pressen eines Wickelrohlings zur Endkontur des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils auf. In der Heißpressenkavität ist wenigstens eine Positioniereinrichtung angeordnet, an welcher wenigstens ein in einem Wickelrohling angeordnetes Funktionselement positionierbar ist und wenigstens eine Dichteinrichtung, mit welcher wenigstens eine Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität abdichtbar ist.
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Das Heißpressenwerkzeug ist insbesondere zum Durchführen des vorausgehend beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils verwendbar, dessen wenigstens ein darin integriertes Funktionselement an einer vorbestimmten Stelle in der Heißpressenkavität und damit auch im hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteil positioniert ist. Die Dichteinrichtung ermöglicht ein Abdichten der wenigstens einen am Funktionselement angeordneten Funktionsfläche gegenüber der Heißpressenkavität, so dass während dem Pressvorgang weder Fasern noch Matrixwerkstoff des Wickelrohlings mit wenigstens einer am Funktionselement angeordneten Funktionsflächen in Kontakt kommen, wodurch diese frei von Rückständen aus dem Pressvorgang bleibt.
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Das Heißpressenwerkzeug weist hierfür eine Heißpressenkavität auf, welche die Form des herzustellenden Verbundbauteils abbildet, um damit einen Wickelrohling in die gewünschte Endkontur zu pressen. In der Heißpressenkavität ist wenigstens eine Positioniereinrichtung angeordnet, an welcher wenigstens ein Funktionselement eines Wickelrohling positionierbar ist. Die wenigstens eine Positioniereinrichtung ist so angeordnet und ausgebildet, dass diese das wenigstens eine Funktionselement insbesondere auch während des Pressvorgangs an der vorbestimmten Position hält. Insbesondere ist die Positioniereinrichtung ausgebildet, beispielsweise über daran angeordnete Formschließelemente mit entsprechenden am Funktionselement ausgebildeten Flächen, Vorsprüngen und/ oder dergleichen zusammenzuwirken, um wenigstens ein Funktionselement in einer vorbestimmten Position an der Positioniereinrichtung zu halten.
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Ferner ist in der Heißpressenkavität des Heißpressenwerkzeugs wenigstens eine Dichteinrichtung angeordnet, mit welcher wenigstens eine Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität abdichtbar ist. Wie bereits vorausgehend in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Verfahren beschrieben wurde, ist eine solche ein- oder mehrteilig ausgebildete Dichteinrichtung geeignet, insbesondere während dem Pressvorgang das Vordringen von Fasern und/ oder Matrixwerkstoff an eine am Funktionselement angeordnete Funktionsfläche zu verhindern. Hierzu ist eine Dichteinrichtung an einer geeigneten Position in der Heißpressenkavität angeordnet und beispielsweise elastisch (E-Modul ≤ 3 GPa) ausgeführt, so dass sich dieses zum Ausbilden einer geeigneten Dichtwirkung insbesondere unter einem Schließdruck der Heißpresse an die abzudichtende Funktionsfläche anpassen kann.
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Bei einer Ausführungsform des Heißpressenwerkzeugs weist dieses eine gegenüber der Heißpressenkavität bewegbare Aufnahmeeinrichtung auf, an welcher wenigstens eine Positioniereinrichtung und/ oder wenigstens eine Dichteinrichtung angeordnet ist. Eine solche Aufnahmeeinrichtung dient zum Aufnehmen eines in die Heißpressenkavität eingelegten Wickelrohlings, wobei die Aufnahmeeinrichtung insbesondere so ausgebildet und so in der Heißpressenkavität angeordnet ist, dass ein daran angeordneter Wickelrohling die Wandung der Heißpressenkavität nicht berührt. Der Wickelrohling ist dabei beispielsweise über wenigstens ein im Wickelrohling integriertes Funktionselement an der Aufnahmeeinrichtung positioniert. Auf diese Weise verhindert die Aufnahmeeinrichtung ein verfrühtes Schmelzen der Vorimprägnierung der Endlosfasern, welche nicht in Kontakt mit üblicherweise durch den vorhergehenden Presszyklus erhitzten Wandungen der Heißpressenkavität des Heißpressenwerkzeug kommen.
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Bei einer Ausführungsform des Heißpressenwerkzeugs ist die Aufnahmeeinrichtung zwischen einer Einlegeposition und einer Schließposition gegenüber der Heißpressenkavität bewegbar ausgeführt, wobei wenigstens ein in der Einlegeposition an der Aufnahmeeinrichtung positionierbarer Wickelrohling keinen Kontakt zu einer heißen Wandung der Heißpressenkavität aufweist. Eine bewegbare Aufnahmeeinrichtung kann dabei eine vorteilhafte Einlegeposition insbesondere für größere Wickelrohlinge ermöglichen und/ oder einen größeren Abstand zwischen eingelegtem Wickelrohling und einer Wandung der Heißpressenkavität bereitstellen.
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Bei einer Ausführungsform des Heißpressenwerkzeugs ist die Aufnahmeeinrichtung wenigstens zweiteilig ausgeführt, wobei wenigstens eines der wenigstens zwei Teile bewegbar gegenüber der Heißpressenkavität ausgeführt ist. Eine derartige wenigstens zweiteilige Ausführung der Aufnahmeeinrichtung ermöglicht es beispielsweise, wenigstens einen Wickelrohling in einer Einlegeposition der Aufnahmeeinrichtung in das Heißpressenwerkzeug einzulegen, dabei das wenigstens eine Funktionselement des Wickelrohlings an der Aufnahmeeinrichtung zu positionieren und dann die Aufnahmeeinrichtung in eine Schließposition zu bewegen, in welcher der wenigstens eine Wickelrohling positioniert in der Aufnahmeeinrichtung gehalten wird. Zum Positionieren des wenigstens einen Funktionselements in der Aufnahmeeinrichtung können dabei an einem oder mehreren der wenigstens zwei Teile der Aufnahmeeinrichtung Positioniereinrichtungen ausgebildet sein, welche insbesondere auch zum Positionieren von wenigstens einem Funktionselement des Wickelrohlings zusammenzuwirken können. Insbesondere wird der wenigstens eine Wickelrohling während dem Pressvorgang in der an der Aufnahmeeinrichtung eingenommenen Position gehalten, wodurch das Risiko einer unerwünschten Verlagerung von Endlosfasern oder des wenigstens einen Funktionselements des Wickelrohlings während dem Schließen des Heißpressenwerkzeugs weiter verringert ist.
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Bei einer Ausführungsform des Heißpressenwerkzeugs ist in der Schließposition der Aufnahmeeinrichtung wenigstens eine Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements des wenigstens einen an der Aufnahmeeinrichtung positionierbaren Wickelrohlings durch die Dichteinrichtung gegenüber der Heißpressenkavität abgedichtet. Bei dieser Weiterbildung ist insbesondere zusätzlich dazu, dass nach dem Schlie-ßen der Aufnahmeeinrichtung das wenigstens eine Funktionselement des Wickelrohlings fest in der Aufnahmeeinrichtung positioniert ist, die wenigstens eine Dichteinrichtung in der Schließposition so an wenigstens einer Funktionsfläche des wenigstens einen Funktionselements angeordnet, dass die Dichtwirkung der Dichteinrichtung hergestellt ist. Beispielsweise wird eine elastisch (E-Modul ≤ 3 GPa) ausgeführte Dichteinrichtung in einer Schließposition der Aufnahmeeinrichtung gegen das Funktionselement gedrückt und damit die gewünschte Dichtwirkung hergestellt.
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Bei einer Ausführungsform des Heißpressenwerkzeugs ist die Heißpressenkavität erst dann schließbar, wenn sich die Aufnahmeeinrichtung in einer Schließposition befindet. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass das wenigstens eine Funktionselement in der vorgesehenen Position angeordnet und gehalten wird, während insbesondere zusätzlich eine vorgesehene Dichtwirkung wenigstens einer Dichteinrichtung an wenigstens einem Funktionselement hergestellt ist.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil vorgeschlagen, welches aus mit einem Matrixwerkstoff vorimprägnierten Endlosfasern und wenigstens einem von diesen umwickelten Funktionselement hergestellt ist. Das wenigstens eine Funktionselement wird dabei unmittelbar von den Endlosfasern und dem Matrixwerkstoff des Verbundbauteils im Verbundbauteil gehalten und wenigstens eine Funktionsfläche des Funktionselements ist nach dem Pressvorgang unbearbeitet und frei von Matrixwerkstoff oder Endlosfasern. Das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ist dabei mit dem vorausgehend beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils und insbesondere unter Verwendung des vorausgehend beschriebenen Heißpressenwerkzeugs hergestellt.
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Die Merkmale und Vorteile des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ergeben sich insbesondere aus der vorausgehenden Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils. Dieses weist wenigstens ein darin integriertes Funktionselement auf, welches im hergestellten Verbundbauteil an einer vorbestimmten Position angeordnet ist. Bei der Herstellung kommen am Funktionselement angeordnete Funktionsflächen weder mit Fasern noch mit Matrixwerkstoff des Wickelrohlings in Kontakt, so dass diese nach dem Pressvorgang in einem Heißpressenwerkzeug frei von Verfahrensrückständen sind.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wickeleinrichtung mit einem daran angeordneten Funktionselement;
- 2a eine schematische Darstellung einer Heißpressenkavität in einem beispielhaften erfindungsgemäßen Heißpressenwerkzeug;
- 2b eine weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität aus 2a mit darin angeordnetem Wickelrohling;
- 2c eine weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität aus 2a beim Schließen des Heißpressenwerkzeugs;
- 2d eine weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität aus 2a mit geschlossenem Heißpressenwerkzeug;
- 2e eine schematische Darstellung des in der beispielhaften Heißpressenkavität aus 2a hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils;
- 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4a eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Heißpressenwerkzeugs mit darin angeordnetem Wickelrohling;
- 4b eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs aus 4a mit geschlossener Aufnahmeeinrichtung;
- 4c eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs aus 4a während dem Schließen;
- 4d eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs aus 4a mit geschlossenem Heißpressenwerkzeug; und
- 4e eine schematische Darstellung des im beispielhaften erfindungsgemäßen Heißpressenwerkzeug aus 4a hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wickeleinrichtung 10 mit einem daran angeordneten Umlenkelement, welches ein Funktionselement 11 in einem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil vorgesehen ist. Die linke Darstellung zeigt eine Draufsicht und die rechte Darstellung eine Schnittdarstellung der Wickeleinrichtung 10. In der Wickeleinrichtung 10 werden vorimprägnierte Endlosfasern 12 an der Wickeleinrichtung 10 zum Ausbilden eines Wickelrohlings 15 (in 2b dargestellt) angeordnet. Der an den Endlosfasern 12 angedeutete Pfeil in der linken Darstellung zeigt die Wickelrichtung. Dabei wird das Funktionselement 11 mit Endlosfasern 12 umwickelt. In der rechten Darstellung in 1 ist der Wickelprozess weiter fortgeschritten, aber noch nicht abgeschlossen. Das Funktionselement 11 weist eine zentral angeordnete Bohrung 13 sowie eine an dessen Unterseite angeordnete Funktionsfläche 14 auf, an welcher das herzustellende Faser-Kunststoff-Verbundbauteil mit einem anderen Bauteil gefügt werden soll.
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2a zeigt eine schematische Darstellung einer Heißpressenkavität 21 in einem beispielhaften erfindungsgemäßen Heißpressenwerkzeug 20, welches insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Im beispielhaften Heißpressenwerkzeug 20 ist eine zylindrisch ausgebildete Positioniereinrichtung 22 angeordnet, welche geeignet ist, das Funktionselement 11 an dessen Bohrung 13 zu positionieren. Entsprechend ist ein Wickelrohling 15 mit seinem Funktionselement 11 beim Einlegen in die Heißpressenkavität 21 an der Positionseinrichtung 22 positionierbar. In der Heißpressenkavität 21 ist ferner eine Dichteinrichtung 23 angeordnet, welche bei der beispielhaft dargestellten Ausführung ein elastisches Element ist, welches sich dichtend an die Funktionsfläche 14 anschmiegen kann. Entsprechend ist die Funktionsfläche 14 des wenigstens einen Funktionselements 11 während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität 21 abdichtbar. Gleichfalls ist es aber auch möglich, dass die Heißpressenkavität 21 ein oder mehrere anders ausgebildete und/ oder angeordnete Positionselemente 22 aufweist oder der Wickelrohling 15 auch ohne speziell für diesen Zweck vorgesehenes in der Heißpressenkavität 21 angeordnetes Positionselement 22 dort in einer vorbestimmten Position anordenbar ist und während dem Pressen gehalten werden kann. Beispielsweise kann auch eine Dichteinrichtung 23 diese Funktion insbesondere unter Ausbildung eines Reibschlusses mit übernehmen. Ebenfalls ist es möglich, dass in der Heißpressenkavität 21 keine separate Dichteinrichtung 23 angeordnet ist, da beispielsweise ein Positionselement 22 auch Eigenschaften wie insbesondere bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit aufweist, welche ein Abdichten einer Funktionsfläche 14 gegenüber der Heißpressenkavität ermöglicht.
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2b zeigt eine weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität 21 aus 2a mit einem darin angeordnetem Wickelrohling 15. Der Wickelrohling 15 liegt dabei mit der Funktionsfläche 14 des Funktionselements 11 an der Dichteinrichtung 23 an. Abhängig von der Beschaffenheit der Dichteinrichtung 23 und einem möglichen axialen Überstand der Endlosfasern 12 des Wickelrohlings 15 über das Funktionselement 11 hinaus kann beispielsweise eine axiale Höhe der Dichteinrichtung 23 ausreichen, dass im Wesentlichen kein Kontakt zwischen dem Wickelrohling 15 und den heißen Wandungen 21a der Heißpressenkavität 21 besteht.
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2c zeigt eine weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität 21 aus 2a beim Schließen des Heißpressenwerkzeugs 20. dabei senkt sich das Oberwerkzeug 24 in die Heißpressenkavität 21 entsprechend der Richtung des am Oberwerkzeug 24 dargestellten Pfeils. 2d zeigt eine im Verfahrensablauf hierauf folgende weitere schematische Darstellung der beispielhaften Heißpressenkavität 21 aus 2a mit geschlossenem Heißpressenwerkzeug 20. Das Oberwerkzeug 24 presst den Wickelrohling 15 dabei in die vorgesehene Endkontur des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16. Gleichzeitig wird während dem Pressvorgang das Funktionselement 11 von der Positioniereinrichtung 22 an der in der Endkontur vorbestimmten Position und Lage gehalten. Die Funktionsfläche 14 wird dabei gegen die Dichteinrichtung 23 gedrückt, wodurch infolge der Pressbewegung und der Erwärmung des Wickelrohlings 15 keine Endlosfasern 12 oder Matrixmaterial während des Pressvorgangs an die Funktionsfläche 14 gelangen können.
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2e zeigt schließlich eine schematische Darstellung des im beispielhaften Heißpressenwerkzeug 20 in den 2a bis 2d hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16. Das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 16 weist die vorgesehene Endkontur auf, wobei das Funktionselement 11 mit der Bohrung 13 an der vorgesehenen Position im Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 16 angeordnet ist und die Funktionsfläche 14 frei von Rückständen aus dem Pressvorgang, wie insbesondere frei von Endlosfasern 12 oder Matrixmaterial ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16 mit wenigstens einem integrierten Funktionselement 11. Zum Durchführen des Verfahrens eignet sich das in den 2a bis 2d gezeigte und hierzu beschriebene Heißpressenwerkzeug 20. Eine beispielhaft verwendbare Wickeleinrichtung 10 ist in 1 gezeigt. Zur Durchführung des Verfahrens sind wenigstens folgende Schritte vorgesehen: In einem ersten Schritt a) wird eine Wickeleinrichtung 10 mit wenigstens einem Umlenkelement bereitgestellt, wobei wenigstens ein späteres Funktionselement 11 des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16 als Umlenkelement vorgesehen ist. In einem zweiten Schritt b) werden vorimprägnierte Endlosfasern 12 an der Wickeleinrichtung 10 angeordnet, um einen Wickelrohling 15 auszubilden, wobei das wenigstens eine Funktionselement 11 mit Endlosfasern 12 umwickelt wird.
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Im nächsten Schritt c) wird der Wickelrohling 15 mit dem wenigstens einen umwickelten Funktionselement 11 in eine Heißpressenkavität 21 eingelegt und im folgenden Schritt d) in die Endkontur des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16 gepresst. Das wenigstens eine Funktionselement 11 des Wickelrohlings 15 wird beim Einlegen in der vorbestimmten Position in der Heißpressenkavität 21 angeordnet und während dem Pressen gehalten, wobei wenigstens eine Funktionsfläche 14 des wenigstens einen Funktionselements 11 während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität 21 abgedichtet wird.
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In einem optionalen Schritt e) kann der Wickelrohling 15 so in die Heißpressenkavität 21 eingelegt werden, dass in der Einlegeposition kein Kontakt zu einer Wandung 21 a der Heißpressenkavität 21 besteht. In einem weiteren optionalen Schritt f) kann das wenigstens eine Funktionselement 11 beim Einlegen des Wickelrohlings 15 an einer in der Heißpressenkavität 21 angeordneten Positioniereinrichtung 22 angeordnet werden, welche das wenigstens eine Funktionselement 11 während dem Pressen in der vorbestimmten Position hält. Und in einem weiteren optionalen Schritt g) kann die wenigstens eine am Funktionselement 11 angeordnete Funktionsfläche 14 beim Einlegen des Wickelrohlings 15 an einer in der Heißpressenkavität 21 angeordneten Dichteinrichtung 23 angeordnet werden, welche die wenigstens eine Funktionsfläche 14 während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität 21 abdichtet.
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4a zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Heißpressenwerkzeugs 20 mit darin angeordnetem Wickelrohling 15, welches insbesondere auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Gleiche Elemente bzw. solche mit gleichen Funktionen wie bei der in den 2a bis 2d gezeigten beispielhaften Ausführungsform werden im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Auch im beispielhaften Heißpressenwerkzeug 20 der 4a ist eine Positioniereinrichtung 22 angeordnet, welche geeignet ist, das Funktionselement 11 des Wickelrohlings 15 an einem Formschlusselement 17 des Funktionselements 11 zu positionieren. Die Positioniereinrichtung 22 weist dabei die Form einer axial am Funktionselement 11 angeordneten Aussparung auf. Die Positioniereinrichtung 22 ist im Ausführungsbeispiel der 4a an einer Aufnahmeeinrichtung 26 ausgebildet, welche in der Heißpressenkavität 21 angeordnet und gegenüber dieser im Heißpressenwerkzeug 20 bewegbar ist. Ferner ist an der Aufnahmeeinrichtung 26 auch eine Dichteinrichtung 23 angeordnet, welche zum Abdichten einer am Funktionselement 11 angeordneten Funktionsfläche 14 während des Pressvorgangs gegenüber der Heißpressenkavität 21 vorgesehen ist.
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Entsprechend ist ein Wickelrohling 15 mit seinem Funktionselement 11 beim Einlegen in die Heißpressenkavität 21 an der Positionseinrichtung 22 der Aufnahmeeinrichtung 26 positionierbar. Dadurch, dass der eine Teil 26a der Aufnahmeeinrichtung 26 beim Einlegen des Wickelrohlings 15 im Ausführungsbeispiel von den Wandungen der Heißpressenkavität 21 beabstandet ist, besteht in der Einlegeposition kein Kontakt zu einer heißen Wandung 21a der Heißpressenkavität 21. Die Aufnahmeeinrichtung 26, welche die beiden Teile 26a und 26b aufweist, ist dabei zwischen einer in den 4a und 4b gezeigten Einlegeposition und einer in den 4c und 4d dargestellten Schließposition gegenüber der Heißpressenkavität 21 bewegbar ausgeführt.
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An der Aufnahmeeinrichtung 26a ist ferner eine Dichteinrichtung 23 angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel elastisch ausgebildet ist und sich dichtend an die Funktionsfläche 14 anschmiegen kann. Durch einen während dem Pressen wirkenden Pressendruck ist die Funktionsfläche 14 des wenigstens einen Funktionselements 11 so während dem Pressen gegenüber der Heißpressenkavität 21 abdichtbar. Gleichfalls ist es aber auch möglich, dass die Heißpressenkavität 21 ein oder mehrere verschieden ausgebildete und/ oder insbesondere an der Aufnahmeeinrichtung 26a angeordnete Positionselemente 22 aufweist und das Wickelement 15 damit während dem Pressen in der vorgesehenen Position gehalten werden kann. Beispielsweise kann auch eine Dichteinrichtung 23 zugleich eine Positionierfunktion übernehmen und als Positionier- und Dichteinrichtung 22, 23 beispielsweise unter Ausbildung eines Reibschlusses zwischen der Aufnahmeeinrichtung 26a und dem Funktionselement 15 wirken. Ebenfalls ist es möglich, dass in der Heißpressenkavität 21 keine separate Dichteinrichtung 23 angeordnet ist, da beispielsweise ein Positionselement 22 auch Eigenschaften wie insbesondere bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit aufweist, welche ein Abdichten einer Funktionsfläche 14 gegenüber der Heißpressenkavität 21 ermöglicht.
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Die Aufnahmeeinrichtung 26 der beispielhaften in 4a dargestellten Ausführungsform ist wenigstens zweiteilig ausgeführt, wobei wenigstens eines der wenigstens zwei Teile 26a, 26b bewegbar gegenüber der Heißpressenkavität 21 ausgeführt ist. Bei der in den 4a bis 4d dargestellten Ausführungsform ist im Oberwerkzeug 24 eine weitere Positioniereinrichtung 25 mit daran angeordneter Dichteinrichtung 28 vorgesehen, welche nach unten aus dem Oberwerkzeug 24 hervorsteht, aber auch vollständig verdrängt werden kann. Die Positioniereinrichtung 25 stellt ein Gegenstück zu dem am Funktionselement 11 angeordneten Formschlusselement 17 dar, wodurch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Funktionselement 11 und der Positioniereinrichtung 25 herstellbar ist.
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4b zeigt eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs 20 aus 4a, wobei hier die Aufnahmeeinrichtung 26 durch das Absenken des Oberwerkzeugs 24 geschlossen wird. Beim Absenken des Oberwerkzeugs 24 wird ein Formschluss zwischen der am oberen Teil 26b der Aufnahmeeinrichtung 26 angeordneten Positioniereinrichtung 25 und dem Funktionselement 11 hergestellt. Damit liegt die Dichteinrichtung 28 nun auf der an der Oberseite des Funktionselements 11 angeordneten Funktionsfläche 14 auf. Zu diesem Zeitpunkt hat der Wickelrohling 15 keinen Kontakt zu einer Wandung 21 a der Heißpressenkavität 21. Das obere Teil 26b der Aufnahmeeinrichtung 26 wird bei der beispielhaften Ausführung durch eine Federeinrichtung 29 aus dem Oberwerkzeug 24 gedrückt. Hier sind beispielsweise auch andere mechanische oder beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch wirkende Vorhalteeinrichtungen möglich. Zu dem in 4b dargestellten Zeitpunkt, in welchem die Aufnahmeeinrichtung 26 geschlossen ist, wird das Funktionselement 11 bereits horizontal formschlüssig gehalten und an den Funktionsflächen 14 abgedichtet. Von oben baut die Federeinrichtung 29 genügend Kraft auf und von unten hält die bei dieser Ausführung elastisch ausgeführte Dichteinrichtung 23 dagegen.
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4c zeigt eine weitere schematische Darstellung während dem Schließen des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs 20 aus 4a. Wird das Heißpressenwerkzeug 20 nun weiter zugefahren, wird das untere Aufnahmeelement 26a parallel hierzu verdrängt. So ist beim Zufahren des Heißpressenwerkzeugs 20 die Dichtwirkung der Dichteinrichtungen 23, 28 durchgehend gegeben. Der obere Teil 26b der Aufnahmeeinrichtung 26 wird so lange nicht vollständig in das Oberwerkzeug 24 eingefahren, bis die untere Dichteinrichtung vollständig verdrängt ist. Fährt das Heißpressenwerkzeug 20 nun weiter zu, wird auch die am oberen Teil 26b der Aufnahmeeinrichtung 26 angeordnete Dichteinrichtung 28 verdrängt und der eigentliche Pressvorgang beginnt. Dieser ist in 4d dargestellt, welche eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften Heißpressenwerkzeugs 20 aus 4a mit geschlossenem Heißpressenwerkzeug 20 während dem Pressvorgang zeigt.
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4e zeigt schließlich eine schematische Darstellung des im beispielhaften Heißpressenwerkzeug 20 in den 4a bis 4d hergestellten Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 16. Das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 16 weist die vorgesehene Endkontur auf, wobei das Funktionselement 11 an der vorgesehenen Position im Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 16 angeordnet ist und die an beiden Seiten des Funktionselements 11 angeordneten Funktionsflächen 14 frei von Rückständen aus dem Pressvorgang sind, wie insbesondere frei von Endlosfasern 12 oder Matrixmaterial.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wickeleinrichtung
- 11
- Funktionselement
- 12
- vorimprägnierte Endlosfasern
- 13
- Bohrung
- 14
- Funktionsfläche
- 15
- Wickelrohling
- 16
- Faser-Kunststoff-Verbundbauteil
- 17
- Formschlusselement
- 20
- Heißpressenwerkzeug
- 21
- Heißpressenkavität
- 22
- Positioniereinrichtung
- 23
- Dichteinrichtung
- 24
- Oberwerkzeug
- 25
- Positioniereinrichtung
- 26
- Aufnahmeeinrichtung
- 26a
- (unterer) Teil der Aufnahmeeinrichtung
- 26b
- (oberer) Teil der Aufnahmeeinrichtung
- 28
- Dichteinrichtung
- 29
- Federeinrichtung
