DE102019132851A1

DE102019132851A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils

Info

Publication number: DE102019132851A1
Application number: DE102019132851.9A
Authority: DE
Inventors: Heiko Assing
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff als einen ersten Werkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist, und einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff, wobei das Hybrid-Profilbauteil eine profilierte Querschnittsform hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen eines ersten Fügepartners aus dem ersten Werkstoff in Form eines Organobleches und Bereitstellen eines zweiten Fügepartners aus dem zweiten Werkstoff mit einer vorgegebenen Profilform;- Temperieren zumindest des Organobleches mittels einer Temperiereinrichtung derart, dass das Organoblech plastisch verformbar wird;- Umformen des erwärmten Organobleches mittels einer Umformeinheit in die gewünschte profilierte Querschnittsform, indem das erwärmte Organoblech kontinuierlich in eine Förderrichtung an einer Mehrzahl von Umformelementen der Umformeinheit form- und/oder kraftschlüssig entlanggeführt wird; und- Fügen des in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformten Organobleches in oder auf den zweiten profilierten Fügepartner unter Aufbringung einer Anpresskraft mittels einer Fügeeinheit, um das Hybrid-Profilbauteil herzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff als einen ersten Werkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist, und einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff, wobei das Hybrid-Profilbauteil eine profilierte Querschnittsform hat. Die Erfindung betrifft ebenso eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens hierzu.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind oder werden, in nahezu allen Anwendungsgebieten. Derartige Faserverbundwerkstoffe weisen dabei ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf, wobei das ausgehärtete Matrixmaterial dabei mit dem Fasermaterial eine integrale Einheit bildet und so die Verstärkungsfasern des Fasermaterials in die vorgegebene Richtung zwingt. Dabei werden Faserverbundwerkstoffe auch zunehmend zur Herstellung von lasttragenden Strukturen in Form von Profilbauteilen verwendet.
Faserverbundwerkstoffe als anisotrope Werkstoffe weisen jedoch nur in Faserrichtung ihre spezifizierte Festigkeit und Steifigkeit auf. Außerhalb dieser Faserrichtung bestehen diesbezüglich Nachteile. Vor dem Hintergrund des Leichtbaus wurden daher Hybrid-Profilbauteile entwickelt, bei denen zum einen Faserverbundwerkstoffe als ein erster Werkstoff und insbesondere isotrope Werkstoffe als ein zweiter Werkstoff verwendet werden, um so die Nachteile der Faserverbundwerkstoffe außerhalb der Faserrichtung zu reduzieren.
Dabei besteht das Bedürfnis, derartige Hybrid-Profilbauteile in einem automatisierten Herstellungsverfahren prozesssicher herstellen zu können. Insbesondere das automatisierte Umformen der Faserverbundwerkstoffe stellt dabei eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar.
So sind aus der DE 10 2012 101 706 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer gekrümmten Preform aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes bekannt, bei der mithilfe von Walzpaaren, die in Förderrichtung an einem Randabschnitt des Fasermaterials angreifen, eine Verscherung der Fasern bewirkt wird, indem unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeiten zwischen den Walzpaaren eingestellt werden, sodass die Fasern gestreckt werden. Das Ergebnis ist eine gekrümmte, profilierte Faserpreform.
Aus der DE 10 2014 116 270 B3 sind eine Anlage und ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung gekrümmter Preformen bekannt, wobei hier nach dem Verscheren der Fasern zur Herstellung der Krümmung in den Gurtabschnitten der profilierten Faserpreform zusätzliche Faserbänder abgelegt werden. Durch eine lineare verschiedenbare Walze kann dabei die Steghöhe der gekrümmten Profilform variiert werden.
Aus der DE 10 2015 109 864 A1 sind eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung einer gekrümmten, mehrlagigen Preform aus Fasern eines Faserverbundwerkstoffes bekannt, wobei auf den Stegabschnitt der gekrümmten Preform ein oder mehrere zusätzliche Faserlagen abgelegt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Anlage anzugeben, mit der Hybrid-Profilbauteile aus einem ersten Werkstoff in Form eines Faserverbundwerkstoffes und einem zweiten, insbesondere isotropen Werkstoff automatisiert hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Anlage gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils aus einem ersten Werkstoff und einem zweiten Werkstoff beansprucht, wobei der erste Werkstoff von dem zweiten Werkstoff verschieden ist. Bei dem ersten Werkstoff handelt es sich um einen Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hat. Bei dem zweiten Werkstoff handelt es sich insbesondere um einen isotropen Werkstoff, wie beispielsweise um einen Metallwerkstoff (Eisen, Stahl, Blech, Aluminium). Der erste Werkstoff soll dabei im Rollformverfahren auf den zweiten Werkstoff aufgebracht werden.
Dabei wird ein erster Fügepartner aus dem ersten Werkstoff bereitgestellt, der in Form eines Organobleches bereitgestellt wird. Bei einem Organoblech handelt es sich um ein Faser-Matrix-Halbzeug, das aus einem oder mehreren Lagen Fasermaterial gebildet wird. Die einzelnen Lagen Fasermaterial können dabei voneinander verschiedene oder sich abwechselnde Faserorientierungen der Verstärkungsfasern haben. Die Lagen Fasermaterial des Organobleches sind dabei in ein konsolidiertes bzw. vorkonsolidiertes Matrixmaterial eingebettet, dass unter Temperaturbeaufschlagung plastisch verformbar wird. Ein solches Matrixmaterial kann beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff bzw. thermoplastisches Matrixmaterial sein. Das Organoblech wird dabei vorzugsweise in einer flächigen Form bereitgestellt.
Des Weiteren wird ein zweiter Fügepartner aus dem zweiten Werkstoff bereitgestellt, der bereits eine vorgegebene Profilform hat. Eine solche Profilform kann beispielsweise ein C-Profil, Ω-Profil, I-Profil, etc. sein. Dabei soll der erste Fügepartner die Profilform des zweiten Fügepartners annehmen und diesen an zumindest einer Seite (vorzugsweise vollständig) abdecken, sodass die Werkstoffe beider Fügepartner das Hybrid-Profilbauteil bilden.
In einem ersten Schritt wird zunächst zumindest das bereitgestellte und einer Anlage zugeführte Organoblech mittels einer Temperiereinrichtung der Anlage derart temperiert, dass das Organoblech plastisch verformbar wird.
Anschließend wird das so erwärmte Organoblech einer Umformeinheit zugeführt, mittels derer das Organoblech in die gewünschte profilierte Querschnittsform des zweiten Fügepartners umgeformt wird. Dabei wird das erwärmte Organoblech kontinuierlich in eine Förderrichtung an einer Mehrzahl von Umformelementen der Umformeinheit Form- und/oder kraftschlüssig entlanggeführt, bis es schließlich die gewünschte Profilform bzw. profilierte Querschnittsform angenommen hat.
Anschließend wird das in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformte Organoblech als ersten Fügepartner an den zweiten Fügepartner mit der profilierten Querschnittsform angefügt, indem das Organoblech mit der profilierten Querschnittsform in oder auf den zweiten Fügepartner durch Aufbringung einer Anpresskraft angepresst wird, um so das Hybrid-Profilbauteil herzustellen.
Es wurde dabei erkannt, dass sich ein Organoblech automatisiert in einem kontinuierlichen Prozess so umformen lässt, dass es die Querschnittsform des zweiten Fügepartners annimmt und so mit diesem unter Aufbringung einer Anpresskraft zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils gefügt werden kann.
Bei den Umformelementen der Umformeinheit kann es sich beispielsweise um Rollen oder Walzen, insbesondere Anpressrolle oder Anpresswalzen, handeln sowie um Walzpaare bzw. Rollenpaaren handeln, mit denen das Organoblech von der flächigen Form in die durch den zweiten Fügepartner vorgegebene profilierte Querschnittsform gebracht werden kann.
Unter dem kontinuierlichen Umformen mittels der Umformelemente wird dabei verstanden, dass das Organoblech kontinuierlich in eine Förderrichtung bewegt wird, wobei mittels der Umformelemente eine Kraft auf das Organoblech aufgebracht wird, die zu einer Verformung des Organobleches aus der flächigen Ebene herausführen. Hierbei kann es sich insbesondere um Biegeprozesse und Drapierprozesse handeln.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor dem Umformen das Organoblech mittels der Temperiereinrichtung auf eine erste Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches temperiert wird und dass nach dem Umformen und vor dem Fügen das Organoblech mittels der Temperiereinrichtung auf eine zweite Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches temperiert wird.
Hierdurch kann verhindert werden, dass sich beim Umformen des Organobleches in die vorgegebene profilierte Querschnittsform Fasern bzw. Fasermaterial aufgrund einer zu hohen Viskosität des Matrixmaterials flächig ablösen und sowohl die Struktur des Organobleches zerstört als auch Anlagenelemente verstopft bzw. behindert werden. Insbesondere kann verhindert werden, dass sich Fasern bzw. Fasermaterial um Rollen oder Walzen der Umformelemente wickeln und so die Anlage zum Stillstand kommt.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass die erste Temperatur höchstens 50K, vorzugsweise höchstens 30K unterhalb der Schmelztemperatur und die zweite Temperatur höchstens 40K, vorzugsweise höchstens 30K, besonders vorzugsweise höchstens 25K oberhalb der Schmelztemperatur liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformte Organoblech mit mindestens einem Anpresselement an einer dem zweiten profilierten Fügepartner abgewandten Seite des Organobleches kontaktiert wird, um eine in Richtung des zweiten profilierten Fügepartners wirkende Anpresskraft zum Fügen aufzubringen.
Bei dieser Ausführungsform sind zusätzliche Anpresselemente vorgesehen, beispielsweise in Form von Rollen oder Walzen, die das umgeformte Organoblech an eine Fügeoberfläche des zweiten profilierten Fügepartners andrücken, sodass beide Fügepartner unter Prozesstemperatur (oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials) aneinandergefügt werden. Dabei kontaktieren die Anpresselemente das umgeformte Organoblech an einer dem zweiten Fügepartner abgewandten Seite und bringen eine Anpresskraft in Richtung des zweiten Fügepartners auf, sodass das Organoblech auf die Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners gepresst wird.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass ein Organoblech als erster Fügepartner bereitgestellt wird, welches an der abgewandten Seite eine Schutzfolie hat, sodass das mindestens ein Anpresselement beim Einpressen zum Aufbringen der Anpresskraft die Schutzfolie an der abgewandten Seite kontaktiert.
Die Schutzfolie hat eine selbsttrennende Oberfläche, sodass darüber die Haftung zwischen den Anpresselementen beim Aufbringen der Anpresskraft minimiert werden kann. Die Schutzfolie soll dabei verhindern, dass unter Prozesstemperatur beim Aufbringen der Anpresskraft sich Fasermaterial von dem Organoblech löst und damit die Anlage beschädigt bzw. zum Stillstand bringt. Die Schutzfolie kann nach dem Herstellen des Hybrid-Profilbauteils entfernt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erwärmte Organoblech zunächst in eine Vorform mittels zumindest einem Teil der Umformelemente umgeformt wird, indem zumindest ein Randabschnitt, vorzugsweise zwei gegenüberliegende Randabschnitte, des erwärmten Organobleches durch eine Mehrzahl von Walzpaaren als Umformelemente derart hindurchgeführt wird, dass das erwärmte Organoblech kontinuierlich von einer Ausgangsform in die gewünschte Vorform gebracht wird.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Umformen in mindestens 2 Schritten. Dabei wird das erwärmte Organoblech zunächst in eine Vorform umgeformt, welche die Profilform bzw. die profilierte Querschnittsform des zweiten Fügepartners annähert. Anschließend wird diese Vorform dann in die vorgegebene profilierte Querschnittsform des zweiten Fügepartners gebracht.
Hierfür sind Walzpaare vorgesehen, zwischen denen ein Randabschnitt des Organobleches hindurchgeführt wird. Der jeweilige Randabschnitt erstreckt sich dabei in Förderrichtung, wobei vorzugsweise zwei gegenüberliegende Randabschnitte des erwärmten Organobleches durch eine Mehrzahl von Walzpaaren hindurchgeführt werden.
Die Anlage bzw. die darin enthaltene Umformeinheit weist hierfür eine Mehrzahl von Walzpaaren für jeden Randabschnitt auf, sodass durch ein kontinuierliches hindurchführen eines Randabschnittes durch die nacheinander angeordneten Walzpaare das erwärmte Organoblech in die gewünschte Vorform gebracht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass der jeweilige Randabschnitt des erwärmten Organobleches durch eine Mehrzahl von Walzpaaren als Umformelemente hindurchgeführt wird, bei denen zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgende Walzpaare eine voneinander verschiedenen Förderebene aufweisen.
In dieser Ausführungsform werden die aufeinanderfolgenden Walzpaare so angeordnet, dass sich die Förderebene eines Walzpaares von der Förderebene des vorherigen Walzpaares unterscheidet. Hierdurch wird kontinuierlich die gewünschte Vorform angenähert und so das Organoblech Stück für Stück umgeformt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erwärmte Organoblech zum Umformen in die gewünschte Querschnittsform in oder auf eine Fügeoberfläche des zweiten profilierten Fügepartners drapiert wird, indem zumindest ein Teil der Umformelemente das erwärmte Organoblech an die Fügeoberfläche drücken.
In dieser Ausführungsform wird die Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners, auf denen der erste Fügepartner angefügt werden soll, als Werkzeugoberfläche zur Herstellung der profilierten Querschnittsform des ersten Fügepartners genutzt, da der zweite Fügepartner bereits die gewünschte Querschnittsform aufweist. So ist es denkbar, dass das Organoblech zunächst in die zuvor beschriebene Vorform gebracht wurde und anschließend aus der Vorform dann auf die Fügeoberfläche als Werkzeugoberfläche angeformt und drapiert wird, um so schlussendlich die gewünschte Querschnittsform zu erhalten. Dabei können die Umformelemente in Form von Rollen oder Walzen das Organoblech auf die Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners anrollen (aufrollen), anwalzen (aufwalzen) bzw. andrücken (aufdrücken), wodurch der erste Fügepartner die Querschnittsform des zweiten Fügepartners annimmt.
Dabei ist denkbar, dass ein Organoblech als erster Fügepartner bereitgestellt wird, welches eine Schutzfolie hat, sodass die Umformelemente beim Andrücken des ersten Fügepartners auf den zweiten Fügepartner die Schutzfolie kontaktieren. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich Fasermaterialien lösen und so den ersten Fügepartner beschädigen bzw. die Anlage zum Stillstand bringen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass mindestens ein Umformelement, vorzugsweise mehrere Umformelemente bzw. alle Umformelemente durch eine Kühleinrichtung aktiv gekühlt werden, um so lokal eine Kühlung des Matrixmaterials des kontaktieren Organobleches zu erreichen. Hierdurch kann eine Beschädigung des Fasermaterials des Organobleches sowie eine Kontamination der Umformelemente vermieden bzw. reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass das Organoblech mithilfe der Temperiereinrichtung lokal nur an denjenigen Stellen bzw. an den Bereichen temperiert wird, an denen schlussendlich auch eine plastische Verformung stattfindet. Hierdurch kann der Energieeintrag reduziert und die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen des Organobleches sowie von Kontaminationen der Anlage reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass ein Organoblech bereitgestellt wird, das an der dem zweiten Fügepartner zugewandten Seite eine Schutzfolie hat. Diese Schutzfolie wird dann vor dem Kontaktieren des zweiten Fügepartners durch das Organoblech entsprechend abgezogen bzw. entfernt.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einer Anlage zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils gemäß Anspruch 10 gelöst, wobei die Anlage eine Werkstoffzuführeinheit, eine Temperiereinrichtung, eine Umformeinheit sowie eine Fügeeinheit hat und zur Durchführung des Verfahrens wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
Mittels der Werkstoffzuführeinheit werden der Anlage sowohl der erste Fügepartner als auch der zweite Fügepartner bereitgestellt. Der erste Fügepartner wird dabei in Form eines Organobleches aus einem Faserverbundwerkstoff (Faser-Matrix-Halbzeug) bereitgestellt, während der zweite Fügepartner aus dem zweiten Werkstoff in einer vorgegebenen Profilform bereitgestellt wird.
Mithilfe der Temperiereinrichtung wird dabei das zugeführte Organoblech auf Prozesstemperatur temperiert, zumindest soweit, dass es plastisch verformbar ist. Mittels der Umformeinheit wird das erwärmte Organoblech mithilfe einer Mehrzahl von Umformelementen der Umformeinheit in die gewünschte Querschnittsform des zweiten Fügepartners gebracht. Mithilfe der Fügeeinheit wird dann das Hybrid-Profilbauteil hergestellt, indem der erste Fügepartner der zweite Fügepartner aneinandergefügt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung des herzustellenden Hybrid-Profilbauteils in einem Querschnitt;
2 Darstellung der wesentlichen Anlagenelemente;
3 Teildarstellung der Umformeinheit der Anlage;
4 Teildarstellung der Fügeeinheit der Anlage.

1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung einen Querschnitt des herzustellenden Hybrid-Profilbauteils 10, das einen ersten Fügepartner 11 und einen zweiten Fügepartner 12 hat. Der erste Fügepartner 11 weist dabei einen ersten Werkstoff in Form eines Faserverbundwerkstoffes auf und wurde aus einem Organoblech (Faser-Matrix-Halbzeug) umgeformt und in die Profilform des zweiten Fügepartners 12 eingepresst. Unter Druck- und Temperaturbeaufschlagung wurden dann beide Fügepartner miteinander fest verbunden. Der zweite Fügepartner 12 weist hierfür eine Fügeoberfläche 13 auf, auf die der erste Fügepartner 11 aufgebracht wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei ein Ω-Profil gezeigt. Selbstverständlich lässt sich mithilfe der vorliegenden Erfindung nahezu jede Profilform für ein derartiges Hybrid-Profilbauteils erzeugen.
Zur Herstellung eines solchen Hybrid-Profilbauteils 10, wie es in 1 gezeigt ist, wird einer Anlage 100, wie sie in 2 dargestellt ist, ein flächiges und nicht in die gewünschte Profilform umgeformtes Organoblech 14 (erster Fügepartner 11) zugeführt, das dann in die gewünschte Profilform mithilfe der Anlage 100 umgeformt und mit dem ebenfalls zugeführten zweiten Fügepartner 12, der bereits die gewünschte Profilform aufweist, gefügt.
Das Zuführen des ersten Fügepartners sowie des zweiten Fügepartners erfolgt dabei mithilfe einer Werkstoffzuführeinheit 110, wie in 2 auf der rechten Seite der Anlage 100 erkennen ist. Die Anlage 100 ist dabei so ausgebildet, dass sie den ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 von der rechten Seite der Anlage 100 in 2 kontinuierlich nach links in Richtung der Umformeinheit 120 sowie der Fügeeinheit 130 fördert.
Mithilfe der Werkstoffzuführeinheit 110 werden somit das flächige Organoblech 14 sowie der bereits sich in der gewünschten Profilform befindliche zweite Fügepartner 12 zu der Umformeinheit 130 gefördert, wo das Organoblech 14 in einem ersten Schritt in eine Vorform gebracht wird und anschließend in einem zweiten Schritt dann in die gewünschte Profilform des zweiten Fügepartners 12 umgeformt wird.
Anschließend wird der so umgeformte erste Fügepartner 11 und der zweite Fügepartner 12 zu der Fügeeinheit 150 gefördert, wo die beiden Fügepartner unter Temperaturbeaufschlagung und Druckbeaufschlagung fest miteinander gefügt werden.
3 zeigt die Umformeinheit 130 der Anlage 100 in einer detaillierten Darstellung. Die Umformeinheit 130 weist dabei zwei Bereiche auf, nämlich zum einen eine erste Umformteileinheit 132 (rechte Seite der 3) und eine zweite Umformteileinheit 134 (linke Seite der 3).
In der ersten Umformteileinheit 132 wird das flächige Organoblech zunächst in eine Vorform gebracht, bei der sich um ein schlichtes V-Profil handelt. Hierfür wird das Organoblech an seinen Randabschnitten durch in Förderrichtung nacheinander angeordneten Walzpaaren 330 geführt, deren Förderebene sich in Förderrichtung sich kontinuierlich verändert. Hierdurch wird das flächige Organoblech kontinuierlich und stetig von der flächigen Form in die gewünschte V-Profilvorform gebracht.
Sämtliche Walzpaare 330, die aus zwei Walzen bestehen, zwischen denen die Randabschnitte des Organobleches hindurchgeführt werden, weisen mindestens eine Walze auf, die drehbar angetrieben ist. Hierfür weist die erste Umformteileinheit 132 eine Antriebskette 340 auf, die mit der drehbar angetriebenen Walze in Wirkverbindung steht. Somit können alle Walzen der Walzpaare, die drehbar angetrieben sind, synchron angetrieben werden.
Die nicht dargestellte Temperiereinrichtung temperiert diesem Bereich derart, dass das Organoblech, welches plastisch umgeformt werden soll, eine erste Temperatur hat, die unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials liegt. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich Fasermaterialien aus dem Organoblech lösen und so das Organoblech als ersten Fügepartner beschädigen und zum anderen die Anlage verstopfen.
Im nächsten Schritt wird das in die V-Profilvorform gebrachter Organoblech der zweiten Umformteileinheit 134 zugeführt und dort in die gewünschte Profilform des zweiten Fügepartners 12 gebracht. Hierfür wird sich die Formstabilität der Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners zunutze gemacht, indem mithilfe von Rollen bzw. Walzen 350 das in der V-Profilvorform befindliche Organoblech auf die Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners gedrückt und somit drapiert wird, wodurch das Organoblech schlussendlich die Form der Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners annimmt und somit seine profilierte Querschnittsform erhält. Der zweite Fügepartner wird dabei als Werkzeug mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche genutzt, was den Vorteil hat, dass in dem nachgelagerten Fügeprozess die beiden Fügepartner nicht mehr miteinander verheiratet werden müssen. Vielmehr wird das Organoblech sehr präzise an die Form des zweiten Fügepartners angepasst.
Die Rollen bzw. Walzen 350 sowie die Walzpaare 330 bilden dabei die Umformelemente 300 der Umformeinheit 130, um das Organoblech in die gewünschte profilierte Querschnittsform zu bringen.
Die Rollen bzw. Walzen 350 der zweiten Umformteileinheit 134 kontaktieren dabei das Organoblech an einer zu dem zweiten Fügepartner abgewandten Seite des Organobleches, während die zu dem zweiten Fügepartner zugewandte Seite des Organobleches die Fügeoberfläche kontaktiert wird. Mit den Rollen bzw. Walzen 350 an der abgewandten Seite des Organobleches kann somit eine Kraft in Richtung der Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners ausgeübt werden, um so die Kontur bzw. Profilform nachzuarbeiten.
Um auch hier zu verhindern, dass sich Fasermaterial von dem Organoblech löst und dieses beschädigt wird bzw. die Anlage verstopft, weist das Organoblech an der abgewandten Seite, an der die Rollen bzw. Walzen 350 das Organoblech kontaktieren, eine Schutzfolie auf. Hierdurch kann zusätzlich zu der ersten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials ein prozesssicheres Umformen (Rollformen) realisiert werden.
Es ist aber auch denkbar, dass das Organoblech auch mit einer Schutzfolie auf der zugewandten Seite versehen ist, um in der ersten Umformteileinheit 132 auch diejenigen Walzen der Walzpaare 330 vor Kontaminationen zu schützen, die mit der zugewandten Seite in Kontakt stehen. Bevor das in die Vorform gebrachte Organoblech zu der zweiten Umformteileinheit 134 transportiert wird, muss jedoch die auf der dem zweiten Fügepartner zugewandten Seite befindliche Schutzfolie abgezogen werden, damit beide Fügepartner aneinandergefügt werden können.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass die Walzen der Walzpaare 330 der ersten Umformteileinheit 132 und/oder die Rollen/Walzen 350 der zweiten Umformteileinheit 134 aktiv gekühlt werden, wodurch lokal die Prozesstemperatur des Matrixmaterials abnimmt und auch so eine Kontamination der Umformelemente 300 bzw. eine Beschädigung des Organobleches verhindert wird.
Schließlich ist es auch denkbar (alternativ oder zusätzlich), dass das Organoblech nur in den Bereichen mithilfe der Temperiereinrichtung lokal auf Prozesstemperatur temperiert wird, die tatsächlich einer plastischen Verformung unterliegen. Die anderen Bereiche des Organobleches weisen dabei eine deutlich kühlere bzw. geringere Temperatur auf, wodurch Beschädigungen vermieden werden können.
Nachdem das Organoblech mithilfe der zweiten Umformteileinheit 134 in die gewünschte Profilform gebracht und an die Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners angepasst wurde, werden die beiden so in Verbindung stehenden Fügepartner zu der Fügeeinheit 150 transportierten.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Fügeeinheit 150. Mithilfe von Anpresselementen 400, die in Form von Rollen und/oder Walzen 410 ausgebildet sind und die abgewandte Seite des Organobleches kontaktieren, wird das in die Profilform umgeformte Organoblech auf den zweiten Fügepartner angepresst.
Im Bereich der Fügeeinheit 150 wird mithilfe der nicht dargestellten Temperiereinrichtung das Organoblech auf eine zweite Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur temperiert, wodurch ein festes und prozesssicheres Fügen der beiden Fügepartner realisiert werden kann. Nachdem das so hergestellte Hybrid-Profilbauteil abgekühlt ist, weisen beide Fügepartner eine feste Verbindung auf.
Um auch hierbei eine Beschädigung des Fasermaterials des Organobleches bzw. eine Kontamination der Rollen/Walzen 410 zu vermeiden, können die Rollen/Walzen 410 auf der abgewandten Seite des Organobleches die Schutzfolie kontaktieren, die sich auf der abgewandten Seite des Organobleches befindet.
Bezugszeichenliste

10: Hybrid-Profilbauteil
11: erste Fügepartner
12: zweite Fügepartner
13: Fügeoberfläche des zweiten Fügepartners
14: Organoblech
100: Anlage
110: Werkstoffzuführeinheit
130: Umformeinheit
132: erste Umformteileinheit
134: zweite Umformteileinheit
300: Umformelemente
330: Walzpaare
340: Antriebskette
350: Rollen/Walzen der zweiten Umformteileinheit
150: Fügeeinheit
400: Anpresselemente
410: Rollen/Walzen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101706 A1 [0005]
DE 102014116270 B3 [0006]
DE 102015109864 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils (10) aus einem Faserverbundwerkstoff als einen ersten Werkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist, und einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff, wobei das Hybrid-Profilbauteil (10) eine profilierte Querschnittsform hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten Fügepartners (11) aus dem ersten Werkstoff in Form eines Organobleches (14) und Bereitstellen eines zweiten Fügepartners (12) aus dem zweiten Werkstoff mit einer vorgegebenen Profilform; - Temperieren zumindest des Organobleches (14) mittels einer Temperiereinrichtung derart, dass das Organoblech (14) plastisch verformbar wird; - Umformen des erwärmten Organobleches (14) mittels einer Umformeinheit (130) in die gewünschte profilierte Querschnittsform, indem das erwärmte Organoblech (14) kontinuierlich in eine Förderrichtung an einer Mehrzahl von Umformelementen (300) der Umformeinheit (130) form- und/oder kraftschlüssig entlanggeführt wird; und - Fügen des in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformten Organobleches (14) in oder auf den zweiten profilierten Fügepartner (12) unter Aufbringung einer Anpresskraft mittels einer Fügeeinheit (150), um das Hybrid-Profilbauteil (10) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - vor dem Umformen das Organoblech (14) mittels der Temperiereinrichtung auf eine erste Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches (14) temperiert wird; und - vor dem Fügen das Organoblech (14) mittels der Temperiereinrichtung auf eine zweite Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches (14) temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur höchstens 50K, vorzugsweise höchstens 30K unterhalb der Schmelztemperatur und die zweite Temperatur höchstens 40K, vorzugsweise höchstens 30K, besonders vorzugsweise höchstens 25K oberhalb der Schmelztemperatur liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformte Organoblech (14) mit mindestens einem Anpresselement (400) an einer dem zweiten profilierten Fügepartner (12) abgewandten Seite des Organobleches (14) kontaktiert wird, um eine in Richtung des zweiten profilierten Fügepartners (12) wirkende Anpresskraft zum Fügen aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Organoblech (14) als erster Fügepartner (11) bereitgestellt wird, welches an der abgewandten Seite eine Schutzfolie hat, sodass das mindestens eine Anpresselement (400) beim Einpressen zum Aufbringen der Anpresskraft die Schutzfolie an der abgewandten Seite kontaktiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Organoblech (14) zunächst in eine Vorform mittels zumindest einem Teil der Umformelemente (300) umgeformt wird, indem zumindest ein Randabschnitt des erwärmten Organobleches (14) durch eine Mehrzahl von Walzpaaren (330) als Umformelemente (300) derart hindurchgeführt wird, dass das erwärmte Organoblech (14) kontinuierlich von einer Ausgangsform in die gewünschte Vorform gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Randabschnitte des erwärmten Organobleches (14) jeweils durch eine Mehrzahl von Walzpaaren (330) als Umformelemente (300) hindurchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Randabschnitt des erwärmten Organobleches (14) durch eine Mehrzahl von Walzpaaren (330) als Umformelemente (300) hindurchgeführt wird, bei denen zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgende Walzpaare (330) einen voneinander verschiedenen Förderebene aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Organoblech (14) zum Umformen in die gewünschte Querschnittsform in oder auf eine Fügeoberfläche (13) des zweiten profilierten Fügepartners (12) drapiert wird, indem zumindest ein Teil der Umformelemente (300) das erwärmte Organoblech (14) an die Fügeoberfläche (13) drücken.
Anlage (100) zur Herstellung eines Hybrid-Profilbauteils (10) aus einem Faserverbundwerkstoff als einen ersten Werkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist, und einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff, wobei das Hybrid-Profilbauteil (10) eine profilierte Querschnittsform hat, mit: - einer Werkstoffzuführeinheit (110), die zum Bereitstellen eines ersten Fügepartners (11) aus dem ersten Werkstoff in Form eines Organobleches (14) und zum Zuführen eines zweiten Fügepartners (12) aus dem zweiten Werkstoff mit einer vorgegebenen Profilform ausgebildet ist; - einer Temperiereinrichtung, die zum Temperieren zumindest des zugeführten Organobleches (14) ausgebildet ist; - einer Umformeinheit (130), die eingerichtet ist, das erwärmte Organoblech (14) in die gewünschte profilierte Querschnittsform umzuformen, indem das erwärmte Organoblech (14) an einer Mehrzahl von Umformelementen (300) form- und/oder kraftschlüssig entlanggeführt wird; und - einer Fügeeinheit (150), die eingerichtet ist, das in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformte Organoblech (14) in oder auf den zweiten profilierten Fügepartner (12) unter Aufbringung einer Anpresskraft zu fügen, um das Hybrid-Profilbauteil (10) herzustellen.
Anlage (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung derart eingerichtet ist, dass vor dem Umformen das Organoblech (14) auf eine erste Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches (14) und dass vor dem Fügen das Organoblech (14) auf eine zweite Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Organobleches (14) temperiert wird.
Anlage (100) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung derart eingerichtet ist, eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur und der zweiten Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur kleiner als 30K, vorzugsweise kleiner als 20K, einzustellen.
Anlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeeinheit (150) mindestens ein Anpresselement (400) hat, welches derart angeordnet und eingerichtet ist, dass das in die gewünschte profilierte Querschnittsform umgeformte Organoblech (14) mit dem mindestens einem Anpresselement (400) an einer dem zweiten profilierten Fügepartner (12) abgewandten Seite des Organobleches (14) kontaktiert wird, um eine in Richtung des zweiten profilierten Fügepartners (12) wirkende Anpresskraft zum Fügen aufzubringen.
Anlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinheit (130) eingerichtet ist, das erwärmte Organoblech (14) zunächst in eine Vorform mittels zumindest einem Teil der Umformelemente (300) umzuformen, indem zumindest ein Randabschnitt des erwärmten Organobleches (14) einer Mehrzahl von Walzpaaren (330) als Umformelemente (300) derart hindurchgeführt wird, dass das erwärmte Organoblech (14) kontinuierlich von einer Ausgangsform in die gewünschte Vorform gebracht wird.
Anlage (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgenden Walzpaaren (330) eines Randabschnittes die Förderebenen der Walzpaare (330) voneinander verschieden ist.
Anlage (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinheit (130) eingerichtet ist, das erwärmte Organoblech (14) zum Umformen in die gewünschte Querschnittsform in oder auf eine Fügeoberfläche (13) des zweiten profilierten Fügepartners (12) zu drapieren, indem zumindest ein Teil der Umformelemente (300) das erwärmte Organoblech (14) an die Fügeoberfläche (13) drücken.