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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Stabstruktur gebildeten Leichtbauteils.
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Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Stabstruktur eine ebene (2-dimensionale) oder räumliche (3-dimensionale) Anordnung mehrer Stäbe bzw. Stabelemente verstanden, wobei die Stäbe bzw. deren Stabachsen unterschiedliche Richtungen aufweisen, sodass sich bspw. ein fachwerkartiger Aufbau ergibt.
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Eine solche Stabstruktur kann hergestellt werden, indem vorgefertigte Stäbe zueinander positioniert und ausgerichtet und dann mittels sogenannter Knoten untereinander verbunden werden.
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Die
DE 10 2016 012 534 A1 beschreibt ein anderes Verfahren sowie ein System zum Herstellen eines Bauteils, bevorzugt eines Fachwerkbauteils, aus faserverstärktem Kunststoff. Im Rahmen des Verfahrens wird eine Mehrzahl von Umlenkelementen in einer vorbestimmten geometrischen Lage relativ zueinander an einer Positionierplatte angeordnet. Die Umlenkelemente werden dann mit einem Fasermaterial entlang eines vorbestimmten Wickelpfades umwickelt. Das durch das Umwickeln der Umlenkelemente gebildete Bauteil, insbesondere eine komplexe Fachwerkstruktur, wird von der Positionierplatte entfernt. Das fertig gewickelte Bauteil wird bevorzugt nach oder vor dem Entfernen von der Positionierplatte konsolidiert (und ausgehärtet). Dank der integralen Bauweise ergibt sich keine Faserunterbrechung.
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Die
US 3 979 493 A ein offenbart Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Verstärkungsbändern mit einem Verankerungspunkt an mindestens einem Ende, umfassend das kontinuierliche Hindurchführen von harzimprägnierten Glasfaser-Rovings durch eine Düse, um die Rovings zu einem Band zu formen, und anschließendes Aushärten des Harzes beim Durchlaufen des geformten Bands durch einen Härtungsofen.
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Die
DE 10 2014 202 352 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten duroplastischen Gegenstands mit folgenden Schritten:
- Ziehen eines ersten Abschnitts eines fortlaufenden Materials, welches mit einem wärmehärtbaren duroplastischen Harz getränkte Verstärkungsfasern aufweist, durch eine Düse; Beaufschlagen des ersten Abschnitts in der Düse mit einem Feld elektromagnetischer Mikrowellen, um den ersten Abschnitt auf zumindest eine Aushärtetemperatur des wärmehärtbaren Harzes zu erwärmen; Ziehen eines zweiten Abschnitts des fortlaufenden Materials durch die Düse; und Reduzieren des Feldes elektromagnetischer Mikrowellen in der Düse, sodass der zweite Abschnitt nicht auf die Aushärtetemperatur erwärmt wird.
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Die
GB 1 546 764 A offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines geformten verstärkten Kunststoffmaterials. Die
DE 696 05 645 T2 und die
US 4 347 287 A offenbaren ein jeweiliges Pultrusionsverfahren und eine jeweilige Putrusionsvorrichtung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 steht nun ein weiteres Verfahren zur vergleichweise einfachen Herstellung eines Leichtbauteils mit Stabstruktur zur Verfügung, welches ebenfalls eine Bauweise ohne Faserunterbrechung ermöglicht. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung sowie der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines aus einer Stabstruktur gebildeten bzw. eine Stabstruktur aufweisenden Leichtbauteils umfasst zumindest die folgenden Schritte, die sowohl nacheinander als auch teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können:
- - Herstellen oder Bereitstellen wenigstens eines seil- bzw. strangartigen Rohlings, der aus flexiblem Fasermaterial und ungehärtetem Matrixmaterial gebildet ist (der Rohling ist somit noch flexibel bzw. biegeweich), wobei als Matrixmaterial ein warmhärtendes Harz verwendet wird;
- - abschnittsweises Aushärten des Matrixmaterials (im Rohling), sodass der (strangartige) Rohling ausgehärtete Längenabschnitte (die im Weiteren die Stäbe bilden) und ungehärtete Zwischenabschnitte (die sich zwischen den ausgehärteten Längenabschnitten befinden) aufweist, wobei dieses
abschnittsweise Aushärten mittels wenigstens zwei beheizten Rollen erfolgt, zwischen denen der strangartige Rohling unter Druck hindurchgeführt wird, wobei die Heizung ausgeschaltet und/oder der Rollendruck reduziert wird, wenn die nicht zu härtenden Zwischenabschnitte die Rollen durchlaufen, sodass diese Abschnitte flexibel bleiben;
- - Ablegen des (strangartigen) Rohlings, wobei die ausgehärteten Längenabschnitte (Stäbe) zueinander in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet werden, gegebenenfalls auch überkreuzend, sodass bevorzugt eine ebene oder räumliche, insbesondere fachwerk- oder gitterartige, Stabstruktur geschaffen wird, und hierbei die ungehärteten Zwischenabschnitte als flexible bzw. biegeweiche Gelenke (an denen beim Ablegen des Rohlings ein Richtungswechsel bzw. eine Umlenkung erfolgt) fungieren; und
- - Aushärten der (noch ungehärteten) Zwischenabschnitte bzw. Aushärten des Matrixmaterials in den Zwischenabschnitten.
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Bei dem Fasermaterial handelt es sich bevorzugt um Kohlenstoff- oder Glasfasern oder dergleichen, oder auch Fasergemische, die insbesondere als Endlosfasern zu einem Strang bzw. Seil, der bspw. einen Durchmesser von 0,5 mm bis 10 mm aufweisen kann, zusammengefasst sind. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich um ein wärmehärtendes Harz. Das Fasermaterial kann aber auch Metallfasern enthalten oder aus Metallfasern gebildet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der strangartige Rohling weitgehend ohne Zugspannungen abgelegt werden. Dies ist bei dem in der
DE 10 2016 012 534 A1 beschriebenen Verfahren, bei dem das Umwickeln der Umlenkelemente zwangsläufig unter Zugspannung erfolgt, nicht möglich. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stabstruktur weist daher wenig bis gar keine innere Spannungen (die bspw. zu Verzügen führen und/oder die Belastbarkeit beeinträchtigen könnten) auf. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein Nachausrichten der bereits ausgehärteten Längenabschnitte (Stäbe), bevor die Zwischenabschnitte ausgehärtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem viele Freiheitsgrade bei der Formgebung bzw. Gestaltung einer Stabstruktur (durch bessere Zugänglichkeiten).
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit nur einem strangartigen Rohling ausgeführt werden, womit insbesondere gemeint ist, dass der strangartige Rohling entsprechend der herzustellenden Stabstruktur einfach verlegt wird, wobei grundsätzlich auch eine mehrfache Verlegung möglich ist. Bevorzugt weist der strangartige Rohling einen Vollquerschnitt, insbesondere einen Rund- bzw. Kreisquerschnitt, auf, wobei prinzipiell auch geschlossene oder offene Hohlquerschnitte (bspw. ein U-Profil oder dergleichen) möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch mit mehreren strangartigen Rohlingen ausgeführt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass zwei oder mehr strangartige Rohlinge gleichzeitig (oder auch nacheinander) einem gemeinsamen Verlauf folgend abgelegt werden oder dass jeder strangartige Rohling einem eigenen Verlauf folgend abgelegt wird. Bei Verwendung mehrerer strangartiger Rohlinge können diese unterschiedliche Fasermaterialien bzw. -arten, Matrixmaterialien und/oder Querschnitte bzw. Durchmesser aufweisen.
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Der strangartige Rohling kann in eine Werkzeugform (die bspw. mit einer verlaufsvorgebenden bzw. schablonenartigen Kavität ausgebildet ist) oder auf einer Positionierplatte mit Umlenkelementen (wie bspw. in der
DE 10 2016 012 534 A1 beschrieben) oder Ähnlichem abgelegt werden. Der strangartige Rohling kann auch auf einem Kern, z. B. einem Salzkern, abgelegt werden. Jeder flexible Zwischenabschnitt ermöglicht beim Ablegen einen Richtungswechsel bzw. ein Umlenken des Strangverlaufs, bspw. durch Einlegen in gekrümmte Kavitätsabschnitte, durch Umschlingen der Umlenkelemente oder des Kerns. Das Ablegen kann manuell oder bspw. auch mittels Roboter erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Aushärten des Matrixmaterials in den Zwischenabschnitten dann in der Werkzeugform, bzw. auf der Positionierplatte oder dem Kern, d. h., die Strangstruktur wird erst nach dem Aushärten der Zwischenabschnitte entnommen bzw. entformt. Es ist aber auch möglich, zuerst die Strangstruktur zu entnehmen bzw. zu entformen und danach die Zwischenabschnitte auszuhärten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer ebenen, insbesondere fachwerk- oder gitterartigen, Stabstruktur, wobei der strangartige Rohling bevorzugt auf einer ebenen Positionierplatte (gegebenenfalls auch mit Umlenkelementen) oder sonstigen ebenen Unterlage abgelegt wird, was manuell oder auch mittels Roboter, bspw. mittels robotergeführtem Ablegekopf, erfolgen kann.
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Mithilfe eines Computers kann vorab ermittelt werden (bspw. durch Analyse des herzustellenden Bauteils bzw. der herzustellenden Stabstruktur), welche Strangabschnitte gehärtet und welche Strangabschnitte als Zwischenabschnitte zunächst noch ungehärtet und somit flexibel bleiben. Ferner kann mithilfe eines Computers ein Roboter und/oder ein Ablegekopf (für das Ablegen) gesteuert werden. Bevorzugt werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mithilfe eines Computers, der hierzu insbesondere mit einer geeigneten Software ausgestattet ist, automatisiert ausgeführt.
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Der strangartige Rohling kann mit einem Matrixmaterial, insbesondere einem duroplastischen oder auch thermoplastischen Matrixmaterial, vorimprägniert sein, welches durch Wärme aufgeschmolzen wird, das Fasermaterial durchdringt und dann aushärtet. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der strangartige Rohling zunächst „trocken“ ist und erst vor dem Aushärten, d. h. kurz vor dem abschnittsweisen Aushärten, insbesondere vollständig, mit einem pulverförmigen oder flüssigen Matrixmaterial versetzt bzw. getränkt wird. Als Matrixmaterial wird ein warmhärtendes und insbesondere flüssiges Harz(system) verwendet. Ferner können auch Füllstoffe (Zuschlagstoffe) wie bspw. Talkum oder Kreide, vorgesehen sein.
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Der strangartige Rohling wird vor dem Ablegen mittels wenigstens zwei beheizten Rollen (Rollenpaar), zwischen denen der strangartige Rohling unter Druck hindurchgeführt wird, abschnittsweise ausgehärtet, insbesondere bei Verwendung einer duroplastischen Matrix (Harz). Dabei können nicht nur gerade Längenabschnitte, sondern auch gebogene bzw. gekrümmte und insbesondere einem vorgegebenen Längsverlauf folgende Längenabschnitte erzeugt werden. Durchlaufen die nicht zu härtenden Zwischenabschnitte die Rollen, wird die Heizung ausgeschaltet und/oder der Rollendruck reduziert, sodass diese Abschnitte flexibel bleiben.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fasermaterial bzw. die darin enthaltenen Fasern, insbesondere im Bereich der Stäbe, vor dem Aushärten oder beim Aushärten, insbesondere durch Aufbringen einer Zugkraft und/oder Querkraft (Druckkraft), verstreckt werden, wodurch die Fasern ausgerichtet werden und die Festigkeit bzw. Belastbarkeit erhöht wird. Ein solches Verstrecken kann bspw. mithilfe eines zweiten Rollenpaars erfolgen.
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Der strangartige Rohling kann beim Ablegen auf einer ebenen Positionierplatte oder sonstigen ebenen Unterlage mit wenigstens einer Rolle, die Bestandteil eines robotergeführten Ablegekopfs sein kann, angedrückt werden, wobei zur abschnittsweisen Aushärtung die Rolle und/oder die Platte bzw. Unterlage beheizt wird. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere bei Verwendung einer duroplastischen Matrix (Harz). Ferner ist denkbar, dass nur die Platte bzw. Unterlage beheizt wird und der strangartige Rohling in den Zwischenabschnitten von der Platte bzw. Unterlage abgehoben wird. Auch hierbei kann ein Verstrecken (wie oben beschrieben) erfolgen.
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Die Zwischenabschnitte können später, insbesondere bei Verwendung einer duroplastischen Matrix (Harz), durch Erwärmung ausgehärtet werden. Zum gleichzeitigen Aushärten der Zwischenabschnitte kann das Bauteil bzw. die Strangstruktur als Ganzes in einen Ofen eingebracht werden. Die Aushärtung kann auch mittels Energiestrahl (z. B. Laserstrahl) erfolgen.
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Im Bereich wenigstens eines Zwischenabschnitts kann wenigstens ein (lokal wirksames) Verstärkungselement angeordnet bzw. angebracht werden. Bevorzugt wird das Verstärkungselement nach dem Ablegen des strangartigen Rohlings zur Stabstruktur und noch vor dem Aushärten der gelenkigen Zwischenabschnitte angeordnet bzw. angebracht und kann sich dann beim Aushärten der Zwischenabschnitte form- und/oder stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial verbinden. Solche Verstärkungselemente können Metall- oder Kunststoffelemente (auch Schaumelemente), wie bspw. Platten- oder Winkelstücke sein, die an die Stabstruktur angebunden werden, oder auch Umwicklungen (Verbände), bspw. mit einer (harzgetränkten) Faserschnur (Roving), einem (harzgetränkten) Faserband (Tape), einem Draht, einem Metallband oder dergleichen. Mit solchen Verstärkungselementen kann die gesamte Stabstruktur versteift und die Belastbarkeit erhöht werden. Ferner gelingt eine gezielte Verstärkung entlang durchmesserreduzierter Strangabschnitten (als Folge der Biegung bzw. Umlenkung). Die Verstärkungselemente können auch nachträglich mittels Werkzeugen angebracht werden.
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Beim Ablegen des strangartigen Rohlings kann wenigstens ein Berührungsbereich gebildet werden, in dem ein Strangabschnitt einen anderen Strangabschnitt berührt oder sogar (berührend) überkreuzt. In wenigstem einem solchen Berührungsbereich kann wenigstens ein (lokal wirksames) Verstärkungselement angeordnet bzw. angebracht werden, das insbesondere die sich berührenden Strangabschnitte miteinander verbindet, wie bspw. eine Klammer und/oder eine Umwicklung bzw. ein Verband (s. o.). Dadurch kann die gesamte Stabstruktur versteift und die Belastbarkeit erhöht werden. Bevorzugt wird das Verstärkungselement noch vor dem Aushärten der gelenkigen Zwischenabschnitte angebracht und kann sich dann beim Aushärten der Zwischenabschnitte, wobei das Aushärten bspw. in einem Ofen erfolgt, mit dem Matrixmaterial verbinden. Das Verstärkungselement kann auch nachträglich mittels Werkzeugen angebracht werden.
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Bei einer fachwerk- oder gitterartigen Stabstruktur können einzelne oder alle Fächer noch ausgeschäumt werden, wodurch die Stabstruktur versteift und die Belastbarkeit erhöht werden kann. Das Ausschäumen kann nach dem Aushärten der Zwischenabschnitte oder gleichzeitig mit dem Aushärten der Zwischenabschnitte erfolgen.
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Bei dem herzustellenden Leichtbauteil mit Stabstruktur handelt es bevorzugt um ein Fahrzeugbauteil. Ein solches Fahrzeugbauteil ist insbesondere ein Strukturbauteil, bspw. eine Space-Frame-Struktur, oder eine Wandverstärkung, bspw. für eine Hutablage, Rücksitzwand, Instrumententafel etc. Bei dem Fahrzeugbauteil kann es sich auch um ein radähnliches Bauteil, bspw. eine Lenkradunterkonstruktion (Lenkradrahmen), handeln.
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Eine Vorrichtung (Anlage, System), die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist und somit der Herstellung aus einer Stabstruktur gebildeter Leichtbauteile dient, umfasst die folgenden Komponenten bzw. Einrichtungen (keine abschließende Aufzählung):
- - einen Ablegekopf zum Ablegen des strangartigen Rohlings, wobei der Ablegekopf insbesondere am Roboterarm eines Roboters befestigt ist;
- - gegebenenfalls eine Positionierplatte oder dergleichen, insbesondere mit Umlenkelementen, auf der der strangartige Rohling abgelegt werden kann;
- - gegebenenfalls wenigstens eine Tränkeinrichtung oder dergleichen, mit der der strangartige Rohling vor dem Ablegen mit Matrixmaterial versetzt bzw. getränkt werden kann;
- - wenigstens eine (erste) Aushärteinrichtung, mit der der strangartige Rohling vor dem Ablegen oder beim Ablegen abschnittweise ausgehärtet werden kann, sodass ungehärtete bzw. flexible Zwischenabschnitte verbleiben, wobei diese Aushärteinrichtung Bestandteil wenigstens einer der anderen Komponenten bzw. Einrichtungen (bspw. des Ablegekopfs oder der Positionierplatte) sein kann und es sich bei dieser Aushärteinrichtung insbesondere um eine Heizung handelt;
- - gegebenenfalls eine (zweite) Aushärteeinrichtung zum Aushärten der Zwischenabschnitte, wobei es sich bei dieser Aushärteinrichtung insbesondere um einen Ofen oder handelt;
- - wenigstens einen Computer bzw. eine Computereinrichtung oder dergleichen, der den Ablegekopf, den Roboter, die Tränkeinrichtung, die erste Aushärteeinrichtung, die zweite Aushärteeinrichtung und/oder gegebenenfalls vorgesehene Handhabungseinrichtungen steuert, insbesondere derart, dass ein im Wesentlichen automatischer Betrieb der Vorrichtung (Anlage) möglich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 veranschaulicht schematisch das abschnittsweise Aushärten eines strangartigen Rohlings.
- 2 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine ebene, fachwerkartige Stabstruktur, die aus einem strangartigen Rohling gemäß 1 hergestellt ist (noch vor dem Aushärten der ungehärteten Zwischenabschnitte).
- 3 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine andere ebene, fachwerkartige Stabstruktur, die aus einem strangartigen Rohling gemäß 1 hergestellt ist (noch vor dem Aushärten der ungehärteten Zwischenabschnitte).
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Das in 2 gezeigte Leichtbauteil 300 ist eine beispielhaft aus Faserkunststoffverbund gebildete Wandverstärkung, bspw. für eine Hutablage oder Rücksitzwand eines Kraftfahrzeugs (PKW), die als ebene (2-dimensionale) Stabstruktur aus einem einzelnen strangartigen Rohling angefertigt ist.
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1 veranschaulicht die Vorfertigung des zur Herstellung der Stabstruktur 300 verwendeten strangartigen Rohlings 200. Ein strang- bzw. seilartiger, aus Fasermaterial (z. B. aus Kohlenstoff- oder Glasfasern, insbesondere Endlosfasern) gebildeter Rohling 200", welcher bspw. als Halbzeug bereitgestellt oder unmittelbar zuvor (bspw. durch Pultrusion) hergestellt wird, durchläuft eine Tränkeinrichtung 110, in der das Fasermaterial vollständig mit einem Matrixmaterial (Harz) versetzt bzw. durchtränkt wird.
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Der somit aus einem ungehärteten Faserkunststoffverbund bestehende, strangartige Rohling 200' durchläuft ein beheiztes Rollenpaar 121/122, wobei der Faserkunststoffverbund durch Ein- und Ausschalten der Rollenbeheizung und/oder durch Verändern des Rollendrucks abschnittsweise ausgehärtet wird, sodass schließlich der strangartige Rohling 200 ausgehärtete Längenabschnitte 210 (schraffiert dargestellt) und ungehärtete Zwischenabschnitte 220 (ohne Schraffur) aufweist. Mithilfe eines Computers kann ausgehend vom herzustellenden Bauteil bzw. der herzustellenden Stabstruktur 300 vorab ermittelt werden, welche Strangabschnitte 210 gehärtet und welche Strangabschnitte 220 als Zwischenabschnitte ungehärtet bleiben.
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Der abschnittsweise ausgehärtete strangartige Rohling 200 wird dann abgelängt bzw. abgetrennt und zu der in 2 gezeigten fachwerkartigen Stab- bzw. Strebenstruktur abgelegt, wobei die zuvor ausgehärteten (schraffiert dargestellten) Längenabschnitte 210, die nun innerhalb der Stabstruktur 300 die Zug- und Druckstäbe bzw. -streben bilden, zueinander in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet werden. Das Ablegen erfolgt bevorzugt in eine Werkzeugform oder auf einer Positionierplatte (nicht gezeigt). Die Längenabschnitte 210 können dabei auch sich überkreuzend abgelegt werden (nicht dargestellt). Hierbei fungieren die ungehärteten Zwischenabschnitte 220 als flexible bzw. biegeweiche Gelenke. Anschließend werden die Zwischenabschnitte 220 noch ausgehärtet. In den Berührungsbereichen (und/oder etwaigen Kreuzungsbereichen) können optional die betreffenden Strangabschnitte verbindende Verstärkungselemente 310 angebracht werden (wie oben beschrieben). Die auf diese Weise hergestellte Stabstruktur 300 ist weitgehend frei von inneren mechanischen Spannungen.
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In analoger Weise kann gemäß der vorausgehenden Verfahrensweise auch eine räumliche (3-dimensionale) Stabstruktur hergestellt werden.
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3 zeigt eine im Wesentlichen ebene, radartige Stabstruktur 400 (bspw. für ein Lenkrad), die analog zu den vorausgehenden Erläuterungen aus einem entsprechend vorbereiteten Rohling 200 hergestellt ist. Die Speichen sind aus den zuvor ausgehärteten (schraffiert dargestellten) Längenabschnitten 210 gebildet. Die Anzahl von vier Speichen ist nur beispielhaft. Die Nabe 420 ist als separates Teil gefertigt und mit den Speichen verbunden. Der aus den flexiblen Zwischenabschnitten 220 geformte Radkranz kann zur Verstärkung wenigstens ein Verstärkungselement 410 in Gestalt einer Umwicklung (Verband) aufweisen.
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Eine bevorzugte Verfahrensvariante des oben beschriebenen Verfahrens sieht vor, dass der strangartige Rohling 200' erst beim Ablegen (d. h. während des Ablegens oder kurz danach) abschnittweise ausgehärtet wird, wie oben beschrieben. Sonstige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind ebenfalls oben beschrieben.
