DE102019210412A1 - Process for producing a bent part and bending machine for carrying out the process - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff umfasst die Schritte: Bereitstellen eines langgestreckten Werkstücks aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix aufweist, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern eingebettet sind; Erwärmen eines mit einer Biegung zu versehenden Abschnitts des Werkstücks auf eine erste Temperatur, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der erwärmte Abschnitt zwischen einem festeren vorderen Abschnitt und einem festeren hinteren Abschnitt erzeugt wird; Tordieren des erwärmten Abschnitts durch Verdrehen des hinteren Abschnitts relativ zum vorderen Abschnitt um einen Drehwinkel derart, dass die Verstärkungsfasern in dem erwärmten Abschnitt in eine verdrillte Konfiguration gebracht werden und ein tordierter Abschnitt entsteht; Erzeugen einer Biegung in dem tordierten Abschnitt durch Biegen wenigstens eines Teils der tordierten Abschnitts um eine Biegeform; Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf eine zweite Temperatur, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoelastischen oder festen Zustand übergeht. Beschrieben wird auch eine Biegemaschine zur Durchführung des Verfahrens.A method for producing a bent part from an elongated workpiece made of a fiber composite material comprises the steps of: providing an elongated workpiece made of a fiber composite material which has a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers extending in the longitudinal direction of the workpiece are embedded; Heating a portion of the workpiece to be flexed to a first temperature at which the thermoplastic matrix is in a thermoplastic state, the heated portion being created between a stronger front portion and a stronger rear portion; Twisting the heated section by twisting the rear section relative to the front section by an angle of rotation such that the reinforcing fibers in the heated section are brought into a twisted configuration and a twisted section is formed; Creating a bend in the twisted section by bending at least a portion of the twisted sections about a bend shape; Cooling of the twisted section provided with the bend to a second temperature at which the twisted section changes into a thermoelastic or solid state. A bending machine for performing the method is also described.
Description
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKFIELD OF APPLICATION AND STATE OF THE ART
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff, sowie auf eine Biegemaschine zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing a bent part from an elongated workpiece made of a fiber composite material, and to a bending machine for carrying out the method.
Faserverbundwerkstoffe gehören zur Werkstoffklasse der Verbundwerkstoffe. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Faser-Kunststoff-Verbund, der geeignete Verstärkungsfasern (z.B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern) und eine Kunststoffmatrix kombiniert, die die Verstärkungsfasern einhüllt und mittels adhäsiver oder kohäsiver Wechselwirkung eine Kraftübertragung zwischen den Verbundpartnern ermöglicht. Da die meisten Kunststoffe aufgrund kunststoff-spezifischer Materialeigenschaften nicht ohne Weiteres für konstruktive Applikationen geeignet sind, stellt die Verstärkung mit Verstärkungsfasern oft eine wirtschaftliche Variante zur Erzeugung von Konstruktionswerkstoffen dar. Aufgrund der Variabilität von Verstärkungsfasern und Matrixwerkstoffen lassen sich die Eigenschaften der Verbunde in einem weiten Rahmen gezielt einstellen, wodurch z.B. Anwendungen im Leichtbausektor für die Flugzeug- und Automotive-Industrie ermöglicht wurden.Fiber composite materials belong to the material class of composite materials. A fiber composite material is a fiber-plastic composite that combines suitable reinforcing fibers (e.g. glass fibers or carbon fibers) and a plastic matrix that envelops the reinforcing fibers and enables force to be transmitted between the composite partners by means of adhesive or cohesive interaction. Since most plastics are not readily suitable for structural applications due to their plastic-specific material properties, reinforcement with reinforcing fibers is often an economical option for the production of structural materials. Due to the variability of reinforcing fibers and matrix materials, the properties of the composites can be varied within a wide range set in a targeted manner, which enabled applications in the lightweight construction sector for the aircraft and automotive industries, for example.
Faserverbundwerkstoffe sind u.a. als für eine Weiterverarbeitung vorgesehene Halbzeuge in unterschiedlicher Form verfügbar, z.B. als Platten oder als langgestreckte Werkstücke in Form von Rohren oder Stäben.Fiber composite materials are available in various forms as semi-finished products intended for further processing, e.g. as plates or as elongated workpieces in the form of tubes or rods.
Die
Der Fachartikel „Spritzgussbauteile lokal verstärken“ von
AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff-Werkstück bereitzustellen, mit dem Biegeteile mit verbesserten Eigenschaften im Bereich von Biegungen hergestellt werden können. Insbesondere sollen die Biegeteile in Bezug auf Formhaltigkeit und Steifigkeit verbessert werden. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Biegemaschine bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein zweidimensional oder dreidimensional gebogenes Biegeteil bereitzustellen, das aus einem langgestreckten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff-Werkstück mittels Biegen herstellbar ist und im Vergleich zu herkömmlichen Biegeteilen verbesserte Bauteileigenschaften aufweist, z.B. in Bezug auf Formhaltigkeit und Steifigkeit.It is an object of the invention to provide a method for producing a bent part from an elongated thermoplastic fiber composite workpiece with which bent parts with improved properties in the area of bends can be produced. In particular, the bent parts should be improved in terms of shape retention and rigidity. It is a further object to provide a bending machine suitable for carrying out the method. A further object is to provide a two-dimensional or three-dimensional bent part which can be produced from an elongated thermoplastic fiber composite material workpiece by means of bending and which, compared to conventional bent parts, has improved component properties, e.g. in terms of shape retention and rigidity.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Biegemaschine mit den Merkmalen von Anspruch 7 bereit. Weiterhin wird ein Biegeteil mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.To achieve this object, the invention provides a method with the features of
Bei dem Verfahren wird ein langgestrecktes Werkstück bereitgestellt, das aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Der Faserverbundwerkstoff weist eine aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Thermoplast-Matrix auf, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern eingebettet sind. Ein mit einer Biegung zu versehender Abschnitt des Werkstücks wird auf eine erste Temperatur erwärmt, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, so dass dieser Abschnitt plastisch verformbar ist. Der mit der Biegung zu versehende Abschnitt, im Folgenden auch als „Biegezone“ bezeichnet, wird zwischen einem mechanisch festeren vorderen Abschnitt und einem festeren hinteren Abschnitt erzeugt. Der Begriff „fest“ berücksichtigt hierbei, dass thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) vor dem Erwärmen und nach dem Abkühlen fest sind, was jedoch nicht gleichbedeutend mit steif ist. Viele Thermoplaste sind auch im festen Zustand flexibel und manche können auch im festen Zustand bearbeitet und in der Form verändert werden. Dies soll vorliegend nicht ausgeschlossen werden. Im thermoplastischen Zustand ist das thermoplastische Material dagegen weich und nicht mehr formstabil, kann also nach einer Verformung eventuell nicht in seine Ursprungsform zurückgebracht werden.In the method, an elongated workpiece is provided which consists of a fiber composite material. The fiber composite material has a thermoplastic matrix consisting of a thermoplastic material, in which reinforcing fibers running in the longitudinal direction of the workpiece are embedded. One with a bend too The portion of the workpiece providing the workpiece is heated to a first temperature at which the thermoplastic matrix is in a thermoplastic state, so that this portion can be plastically deformed. The section to be provided with the bend, hereinafter also referred to as the “bending zone”, is created between a mechanically stronger front section and a stronger rear section. The term “solid” takes into account the fact that thermoplastics (thermoplastics) are solid before they are heated and after they have cooled down, but this is not synonymous with stiff. Many thermoplastics are flexible even in the solid state and some can also be processed and changed in shape in the solid state. This should not be ruled out in the present case. In the thermoplastic state, on the other hand, the thermoplastic material is soft and no longer dimensionally stable, so it may not be able to be returned to its original shape after deformation.
Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des Tordierens des erwärmten Abschnitts durch relatives Verdrehen des hinteren Abschnitts und des vorderen Abschnitts um einen Drehwinkel derart, dass die Verstärkungsfasern in dem erwärmten Abschnitt in eine verdrillte Konfiguration gebracht werden und ein aus dem erwärmten Abschnitt ein erwärmter tordierter Abschnitt entsteht. Durch die Erzeugung einer Torsion im erwärmten Abschnitt wird also u.a. eine Verdrillung der Verstärkungsfasern im Bereich des erwärmten Abschnitts erzeugt. Die Relativverdrehung kann dadurch erreicht werden, dass der vordere Abschnitt festgehalten und nur der hintere Abschnitt um seine Längsachse gedreht wird. Eine umgekehrte Variante (Festhalten des hinteren Abschnitts bei Drehung des vorderen Abschnitts) ist auch möglich. Es ist auch möglich, beide Abschnitte gegensinnig zu drehen, um die Torsion zu erreichen.The method further comprises the step of twisting the heated section by relatively twisting the rear section and the front section by an angle of rotation such that the reinforcing fibers in the heated section are brought into a twisted configuration and a heated twisted section is produced from the heated section . By creating a torsion in the heated section, a twisting of the reinforcing fibers is created in the area of the heated section. The relative rotation can be achieved in that the front section is held firmly and only the rear section is rotated about its longitudinal axis. A reverse variant (holding the rear section while rotating the front section) is also possible. It is also possible to rotate both sections in opposite directions in order to achieve the torsion.
Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt der Erzeugung einer Biegung in dem erwärmten, tordierten Abschnitt durch Biegen wenigstens eines Teils des tordierten Abschnitts um eine Biegeform. Mithilfe der Biegeform kann die Gestalt der Biegung bzw. ihr Innenradius vorgegeben werden. Die Biegung liegt dann zwischen dem vorderen und dem hinteren Abschnitt, die jeweils ungebogen verbleiben und nach dem Biegevorgang einen Biegewinkel einschließen.The method further comprises the step of producing a bend in the heated, twisted section by bending at least part of the twisted section around a bending shape. With the help of the bending form, the shape of the bend or its inner radius can be specified. The bend then lies between the front and the rear section, which in each case remain unbent and include a bending angle after the bending process.
Der Schritt des Tordierens des erwärmten Abschnitts kann zeitlich vor dem Schritt der Erzeugung der Biegung liegen oder zeitlich teilweise mit diesem Schritt überlappen, also phasenweise gleichzeitig mit dem Biegen durchgeführt werden.The step of twisting the heated section can occur temporally before the step of producing the bend or partially overlap with this step, that is to say can be carried out in phases at the same time as the bending.
Diesem Vorschlag liegen u.a. folgende Überlegungen und Erfahrungen der Erfinder zugrunde. Beim Biegen von Halbzeugen, zum Beispiel von metallischen Drähten oder Rohren, entstehen am Innenradius einer Biegung Druckspannungen, während am Außenradius Zugspannungen entstehen. In der Mitte des Halbzeugs befindet sich die spannungsfreie neutrale Faser. Beim Biegen von Faserverbundthermoplasten wird zunächst die Biegezone, also der zu erwärmende Abschnitt des langgestreckten Werkstücks, erwärmt und anschließend um eine Biegeform bzw. einen Dorn gebogen. Dabei ist das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs, also der thermoplastische Kunststoff, aufgrund der Erwärmung weitgehend oder vollständig biegeschlaff. Da die in Längsrichtung verlaufenden Verstärkungsfasern eine mehr oder weniger hohe Steifigkeit in Zugrichtung bzw. Druckrichtung aufweisen, wird bei einem reinen Biegevorgang (ohne zusätzliche Torsion) das weiche Matrixmaterial teilweise verdrängt und sämtliche Verstärkungsfasern versuchen, sich in der Nähe der neutralen Faser zu platzieren. Dadurch ergibt sich eine Auffächerung des eingelegten Verstärkungsfaser-Bündels im Bereich der Biegung. Nach diesem einfachen Biegen ohne zusätzliche Torsion ergibt sich in vielen Fällen ein falscher Querschnitt der Biegestelle und somit meist eine deutlich verminderte Steifigkeit des gefertigten Bauteils. Wird dagegen der Faserverbundwerkstoff vor und/oder während der Erzeugung der Biegung tordiert, wird mehr Material in den Bereich der Biegung eingebracht. Das tordierte zusätzliche Material kann nun im Bereich des Innenradius gestaucht und im Bereich des Außenradius gestreckt werden, ohne dass sich dadurch eine deutliche ungünstige Querschnittsveränderung ergibt. Somit können beispielsweise aus Faserverbund-Werkstücken in Form von Rundstäben Biegeteile erzeugt werden, die nach dem Umformprozess auch im Bereich der Biegungen einen wenigstens weitgehend runden Querschnitt aufweisen.This proposal is based on the following considerations and experiences of the inventors, among others. When bending semi-finished products, for example metallic wires or pipes, compressive stresses arise on the inner radius of a bend, while tensile stresses arise on the outer radius. The tension-free, neutral fiber is located in the middle of the semi-finished product. When bending fiber composite thermoplastics, the bending zone, i.e. the section of the elongated workpiece to be heated, is first heated and then bent around a bending mold or a mandrel. The matrix material of the fiber composite material, that is to say the thermoplastic plastic, is largely or completely limp due to the heating. Since the reinforcing fibers running in the longitudinal direction have a more or less high stiffness in the direction of tension or compression, the soft matrix material is partially displaced during a pure bending process (without additional torsion) and all reinforcing fibers try to position themselves near the neutral fiber. This results in the inserted reinforcing fiber bundle fanning out in the area of the bend. After this simple bending without additional torsion, the result in many cases is an incorrect cross-section of the bending point and thus usually a significantly reduced rigidity of the manufactured component. If, on the other hand, the fiber composite material is twisted before and / or during the creation of the bend, more material is introduced into the area of the bend. The twisted additional material can now be compressed in the area of the inner radius and stretched in the area of the outer radius without resulting in a clearly unfavorable change in cross section. Thus, for example, from fiber composite workpieces in the form of round bars, bending parts can be produced which, after the forming process, also have an at least largely round cross section in the area of the bends.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein mithilfe eines Pultrusionsverfahrens hergestelltes Werkstück verwendet, das einen runden Querschnitt und ausschließlich in Längsrichtung (d.h. unidirektional) verlaufende Verstärkungsfasern aufweist. Das Pultrusionsverfahren ermöglicht bekanntlich die fortlaufende Herstellung von langgestreckten Werkstücken mit gleichbleibendem Querschnitt auf wirtschaftliche Weise. Die als Halbzeuge für die Weiterverarbeitung nutzbaren Werkstücke können beispielsweise die Form von Rundstäben haben bzw. allgemeiner einen durchgehend runden Querschnitt auf nahezu beliebiger Länge haben. Die durch dieses besondere Strangziehverfahren hergestellten Endloswerkstücke weisen eine hohe Zugfestigkeit auf. Die vorzugsweise verwendeten Werkstücke haben ausschließlich in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern, also keine zusätzlichen Fasern, die im nennenswerten Winkel schräg zur Längsrichtung verlaufen und/oder die in Form von Matten oder Geflechten vorliegen. Durch Pultrudieren kann ein hoher Faservolumenanteil bei sehr geringem Luftporengehalt erreicht werden. Bei manchen Ausführungsformen liegt der Faservolumenanteil im Faserverbundwerkstoff im Bereich von 30 % bis 70 %, gegebenenfalls auch darüber oder darunter.According to a further development, a workpiece produced with the aid of a pultrusion process is used which has a round cross section and reinforcing fibers that run exclusively in the longitudinal direction (ie unidirectional). As is known, the pultrusion process enables the continuous production of elongated workpieces with a constant cross section in an economical manner. The workpieces that can be used as semi-finished products for further processing can, for example, have the shape of round bars or, more generally, have a continuously round cross-section of almost any length. The endless workpieces produced by this special extrusion process have a high tensile strength. The workpieces preferably used have reinforcing fibers that run exclusively in the longitudinal direction, that is to say no additional fibers that run at a significant angle at an angle to the longitudinal direction and / or that are in the form of mats or braids. Pultruding can achieve a high fiber volume with a very low air void content will. In some embodiments, the fiber volume fraction in the fiber composite is in the range from 30% to 70%, possibly also above or below.
Bei den Verstärkungsfasern kann es sich zum Beispiel um Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern oder Kombinationen von zwei oder mehr Fasertypen handeln. Vorzugsweise werden pultrudierte CFK-Rundstäbe verwendet, also Rundstäbe mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern.The reinforcing fibers can be, for example, glass fibers, carbon fibers or aramid fibers or combinations of two or more types of fibers. Pultruded CFRP round bars are preferably used, i.e. round bars with carbon fibers as reinforcing fibers.
Es hat sich herausgestellt, dass es in den meisten Fällen günstig ist, wenn der erwärmte Abschnitt vollständig um einen vorgegebenen Verdrillungswinkel tordiert wird, bevor die Biegung erzeugt wird. Dadurch können Querschnittsveränderungen durch das Biegen besonders wirksam unterdrückt werden. Alternativ ist es auch möglich, ausschließlich während der Erzeugung der Biegung zu tordieren oder die Torsion teilweise bereits vor Beginn des Biegeprozesses und auch noch während des Biegeprozesses einzubringen.It has been found that in most cases it is advantageous if the heated section is completely twisted through a predetermined twist angle before the bend is produced. As a result, changes in cross section due to bending can be suppressed particularly effectively. Alternatively, it is also possible to twist exclusively during the creation of the bend or to introduce the torsion partially before the start of the bending process and also during the bending process.
Das Ausmaß der gegenseitigen Verdrehung zwischen vorderem und hinterem Abschnitt kann von Werkstücktyp zu Werkstücktyp variieren und an die Erfordernisse (z.B. Biegeradius, Länge des zu biegenden Abschnitts) angepasst werden. In vielen Fällen haben sich gute Ergebnisse dadurch erzielen lassen, dass der Drehwinkel so gewählt wird, dass die Verstärkungsfasern im tordierten Abschnitt einen Faserlagenwinkel im Bereich von 5° bis 85°, insbesondere von 10° bis 35° aufweisen.The extent of the mutual twisting between the front and rear sections can vary from workpiece type to workpiece type and can be adapted to the requirements (e.g. bending radius, length of the section to be bent). In many cases, good results have been achieved by choosing the angle of rotation such that the reinforcing fibers in the twisted section have a fiber layer angle in the range from 5 ° to 85 °, in particular from 10 ° to 35 °.
Der Faserlagenwinkel FLW ist im Rahmen dieser Anmeldung analog zum Scherwinkel bei der klassischen Betrachtung von mechanischen Torsionsbeanspruchungen definiert. Dabei sei Parameter L die Länge des erwärmten Abschnitts, der in einen tordierten Abschnitt überführt wird. Parameter DW sei der Drehwinkel bzw. Verdrillungswinkel, um den der vordere und der hintere Abschnitt relativ zueinander verdreht werden. Parameter R sei der radiale Abstand einer betrachteten Verstärkungsfaser von der neutralen Faser, also von der Mitte des Werkstückabschnitts. Für Verstärkungsfasern am Außenumfang des erwärmten Abschnitts entspricht demnach der Parameter R dem Radius (Halbmesser) des Werkstücks im Bereich des erwärmten Abschnitts. Für den Faserlagenwinkel gilt dann die Beziehung: FLW = (DW * R) / L. Anschaulich betrachtet wird der Faserlagenwinkel mit zunehmendem Drehwinkel bzw. Verdrillungswinkel und/oder zunehmendem radialen Abstand von der neutralen Faser größer, während er bei gegebenen Drehwinkel und radialem Abstand kleiner wird, je größer die betrachteten Länge L ist.In the context of this application, the fiber layer angle FLW is defined analogously to the shear angle in the classic consideration of mechanical torsional loads. Here, parameter L is the length of the heated section that is converted into a twisted section. Parameter DW is the angle of rotation or twist angle by which the front and rear sections are rotated relative to one another. Parameter R is the radial distance of a reinforcing fiber under consideration from the neutral fiber, i.e. from the center of the workpiece section. For reinforcement fibers on the outer circumference of the heated section, the parameter R corresponds to the radius (radius) of the workpiece in the area of the heated section. The following relationship then applies to the fiber layer angle: FLW = (DW * R) / L. Considered clearly, the fiber layer angle increases with increasing angle of rotation or twist angle and / or increasing radial distance from the neutral fiber, while it decreases with a given rotation angle and radial distance becomes, the larger the considered length L is.
Vorzugsweise wird der mit einer Biegung zu versehende Abschnitt des Werkstücks berührungslos erwärmt, so dass kein mechanischer Kontakt zwischen Elementen der Heizeinrichtung und dem zunächst kälteren und dann erwärmten Abschnitt besteht. Vorzugsweise wird mittels Heißluft aufgewärmt. Dadurch ergibt sich eine besonders schonende Aufheizung mit guter Durchwärmung des gesamten Werkstückquerschnitts so weit, dass auch die Kerntemperatur des Werkstücks (im Bereich der Längsmittelachse) ausreicht, um den Faserverbundwerkstoff thermoplastisch zu verformen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Erwärmung mittels Infrarotstrahlung oder Induktion oder Hochfrequenzerwärmung (dielektrische Erwärmung und induktive Erwärmung) vorgesehen sein.The section of the workpiece to be provided with a bend is preferably heated in a contactless manner, so that there is no mechanical contact between elements of the heating device and the initially colder and then heated section. Preferably, hot air is used to warm up. This results in particularly gentle heating with good warming of the entire cross-section of the workpiece to such an extent that the core temperature of the workpiece (in the area of the longitudinal center axis) is sufficient to thermoplastically deform the fiber composite material. As an alternative or in addition, heating by means of infrared radiation or induction or high-frequency heating (dielectric heating and inductive heating) can be provided.
Das Verfahren kann bei Bedarf, beispielsweise bei Kleinserien oder Einzelteilen, vollständig manuell durchgeführt werden. Eine teilautomatisierte oder vollautomatisierte Durchführung mithilfe einer Biegemaschine ist jedoch in der Regel vorgesehen.The process can be carried out completely manually if required, for example in the case of small series or individual parts. However, a partially or fully automated implementation using a bending machine is usually provided.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren automatisiert mithilfe einer Biegemaschine durchgeführt, die einen Biegekopf mit einer Biegeform und mit einem um die Biegeform drehbaren Biegearm aufweist, der eine Spanneinrichtung zum Spannen eines vorderen Abschnitts des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform aufweist und um eine Biegeachse drehbar ist. Dabei wird in einem Schritt (a) das Werkstück in eine Ausgangsposition in der Biegemaschine gebracht. In einem Schritt (b) wird eine Greifereinrichtung mit einem einachsig oder mehrachsig beweglichen Greifer in Eingriff mit dem vorderen Abschnitt des Werkstücks gebracht. In einem Schritt (c) wird eine um eine Drehachse drehbare Gegenhaltereinrichtung in Eingriff mit einem hinteren Abschnitt des Werkstücks gebracht, wobei zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt ein mit einer Biegung zu versehender Abschnitt liegt. Die Schritte (b) und (c) können zeitgleich oder zeitlich versetzt in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. In einem Schritt (d) wird dann der mit der Biegung zu versehende Abschnitt mittels einer Heizeinrichtung der Biegemaschine erwärmt. Dadurch, dass der vordere Abschnitt und der hintere Abschnitt durch Einrichtungen der Biegemaschine in Position gehalten werden, kann sich auch der erwärmte Abschnitt zunächst nicht bzw. kaum von selbst verformen, auch wenn das Thermoplast-Material in einen thermoplastischen Zustand übergeht.In preferred embodiments, the method is carried out automatically with the aid of a bending machine which has a bending head with a bending mold and with a bending arm that can be rotated about the bending mold, which has a clamping device for clamping a front section of the workpiece against a circumferential section of the bending mold and is rotatable about a bending axis . In a step (a), the workpiece is brought into a starting position in the bending machine. In a step (b) a gripper device with a single-axis or multi-axis movable gripper is brought into engagement with the front section of the workpiece. In a step (c) a counterholder device rotatable about an axis of rotation is brought into engagement with a rear section of the workpiece, a section to be provided with a bend being located between the front section and the rear section. Steps (b) and (c) can be carried out simultaneously or offset in time in any order. In a step (d), the section to be provided with the bend is then heated by means of a heating device of the bending machine. Because the front section and the rear section are held in position by means of the bending machine, the heated section cannot or hardly deform by itself at first, even if the thermoplastic material changes to a thermoplastic state.
Bei einer Ausführungsform wird dann in einem Schritt (e) der vordere Abschnitt durch koordiniertes Verfahren des Greifers der Greifereinrichtung und der Gegenhaltereinrichtung in einen Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht. Dort wird in einem Schritt (f) die Spanneinrichtung den vorderen Abschnitt gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform spannen. Danach wird in einem Schritt (g) in einer Biegeoperation durch Drehen des Biegearms um die Biegeachse eine Biegung zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt erzeugt. Gemäß einem Schritt (h) wird die Gegenhaltereinrichtung vor und/oder während der Drehung des Biegearms um die Biegeachse zum Einleiten eines Torsionsmoments um eine parallel zur Längsrichtung des hinteren Abschnitts verlaufende Drehachse derart gedreht, dass in dem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Biegeform der tordierte Abschnitt erzeugt wird, in welchem die Verstärkungsfasern in einer verdrillten Konfiguration vorliegen.In one embodiment, in a step (e), the front section is then brought into an engagement area of the bending head by a coordinated movement of the gripper of the gripper device and the counter-holder device. There, in a step (f), the clamping device will clamp the front section against a circumferential section of the bending mold. Then in a step (g) in a bending operation by rotating the bending arm about the bending axis produces a bend between the front section and the rear section. According to a step (h), the counterholder device is rotated before and / or during the rotation of the bending arm about the bending axis to introduce a torsional moment about an axis of rotation running parallel to the longitudinal direction of the rear section in such a way that the twisted in the area between the counterholder device and the bending form Section is generated in which the reinforcing fibers are in a twisted configuration.
Es ist auch möglich, die Schritte (a) bis (d) wie oben beschrieben durchzuführen und dann die Torsion einzubringen, bevor das Werkstück in die Biegeform eingebracht wird. Dazu kann in einem Schritt (e') der erwärmte Abschnitt mittels der Greifereinrichtung festgehalten werden, während die Gegenhaltereinrichtung zum Einleiten eines Torsionsmoments um eine parallel zur Längsrichtung des hinteren Abschnitts verlaufende Drehachse derart gedreht, dass in dem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Greifereinrichtung der tordierte Abschnitt erzeugt wird, in welchem die Verstärkungsfasern in einer verdrillten Konfiguration vorliegen. Danach kann dann durch koordiniertes Verfahren des Greifers der Greifereinrichtung und der Gegenhaltereinrichtung der vordere Abschnitt in einen Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht und dort mittels der Spanneinrichtung eingespannt werden. Die Erzeugung der Biegung erfolgt danach durch Drehen des Biegekopfs.It is also possible to carry out steps (a) to (d) as described above and then to introduce the torsion before the workpiece is introduced into the bending mold. For this purpose, the heated section can be held in place by means of the gripper device in step (e '), while the counter-holder device is rotated around an axis of rotation parallel to the longitudinal direction of the rear section in order to introduce a torsional moment such that the twisted one in the area between the counter-holder device and the gripper device Section is generated in which the reinforcing fibers are in a twisted configuration. Thereafter, by means of a coordinated movement of the gripper of the gripper device and the counter-holder device, the front section can be brought into an engagement area of the bending head and clamped there by means of the clamping device. The bend is then created by turning the bending head.
Vorzugsweise schließt sich nach Fertigstellung der Biegung ein Schritt des aktiven Abkühlens des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf eine zweite Temperatur an, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoplastischen oder festen Zustand übergeht. Hierzu kann die Biegemaschine mit einer Kühleinrichtung zum aktiven Abkühlen des tordierten Abschnitts ausgestattet sein. Diese kann z.B. mit Druckluft arbeiten. Steht mehr Zeit zur Verfügung, ist auch eine passive Abkühlung möglich, also eine selbsttätige Abkühlung des gebogenen und tordierten Abschnitts auf die zweite Temperatur, in der der gebogene und tordierte Abschnitt hinreichend fest und formstabil ist. Dann kann das Biegeteil aus der Biegeform entnommen werden.Preferably, after completion of the bend, there follows a step of actively cooling the twisted section provided with the bend to a second temperature at which the twisted section changes into a thermoplastic or solid state. For this purpose, the bending machine can be equipped with a cooling device for active cooling of the twisted section. This can work with compressed air, for example. If more time is available, passive cooling is also possible, that is, automatic cooling of the curved and twisted section to the second temperature at which the curved and twisted section is sufficiently firm and dimensionally stable. Then the bent part can be removed from the bending mold.
Der Einsatz einer Greifereinrichtung mit einem einachsig oder mehrachsig beweglichen Greifer zusätzlich zum Biegekopf ist in der Regel vorteilhaft, insbesondere dann, wenn ein Werkstück mit mehr als einer Biegung in der gleichen Biegeebene oder in unterschiedlichen Biegeebenen zu versehen ist. Diese zusätzliche Manipulationsmöglichkeit ist daher vorzugsweise vorgesehen. Es ist jedoch auch eine alternative Vorgehensweise möglich, bei der ohne zusätzliche Greifereinrichtung gearbeitet wird. Anstelle des oben genannten Schritts (b), bei dem der Greifer einer Greifereinrichtung in Eingriff mit dem vorderen Abschnitt des Werkstücks gebracht wird, wird bei dieser Verfahrensvariante der vordere Abschnitt unmittelbar mit dem Biegekopf in Eingriff gebracht und dort mittels der Spanneinrichtung durch Einspannen des vorderen Abschnitts in Position gehalten. Die Gegenhaltereinrichtung wird entsprechend so verfahren, dass sich der zu erwärmende Abschnitt bereits nahe am Biegekopf befindet. In dieser Position wird der mit Biegung zu versehende Abschnitt mittels der Heizeinrichtung erwärmt. Der oben genannte Schritt (e) kann dann entfallen, da der vordere Abschnitt bereits am Biegekopf eingeklemmt ist. Die nachfolgenden Schritte können dann den oben genannten Schritten (g) und (h) entsprechen.The use of a gripper device with a single-axis or multi-axis movable gripper in addition to the bending head is usually advantageous, particularly when a workpiece is to be provided with more than one bend in the same bending plane or in different bending planes. This additional possibility of manipulation is therefore preferably provided. However, an alternative procedure is also possible in which work is carried out without an additional gripper device. Instead of step (b) mentioned above, in which the gripper of a gripper device is brought into engagement with the front section of the workpiece, in this method variant the front section is brought into engagement directly with the bending head and there by means of the clamping device by clamping the front section held in position. The counter holder device is moved accordingly so that the section to be heated is already close to the bending head. In this position, the section to be provided with bend is heated by means of the heating device. The above-mentioned step (e) can then be omitted since the front section is already clamped on the bending head. The following steps can then correspond to steps (g) and (h) mentioned above.
Die Erfindung betrifft auch eine Biegemaschine zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Biegemaschine umfasst eine Steuereinrichtung und einen Biegekopf, der eine Biegeform und einen um die Biegeform drehbaren Biegearm aufweist, welcher eine Spanneinrichtung zum Spannen eines vorderen Abschnitts des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform aufweist, wobei der Biegearm mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse drehbar ist. Weiterhin umfasst die Biegemaschine eine durch die Steuereirichtung steuerbare Gegenhaltereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, in Eingriff mit einem hinteren Abschnitt des Werkstücks gebracht zu werden, um eine Ausrichtung des hinteren Abschnitts während einer Biegeoperation zu stabilisieren. Die die Gegenhaltereinrichtung ist mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Drehantriebs um eine Drehachse drehbar, um das Werkstück um seine Längsachse bzw. Längsrichtung zu drehen. Zusätzlich ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, einen mit einer Biegung zu versehenden Abschnitt des Werkstücks auf eine erste Temperatur zu erwärmen, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der zu erwärmende Abschnitt zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt liegt. Die Steuereinrichtung ist dafür konfiguriert oder konfigurierbar, die Gegenhaltereinrichtung vor und/oder während einer Drehung des Biegearms um seine Biegeachse um die Drehachse derart zu drehen, dass in einem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Biegeform ein tordierter Abschnitt erzeugt werden kann.The invention also relates to a bending machine for producing a bent part from an elongated workpiece made of a fiber composite material. The bending machine comprises a control device and a bending head, which has a bending form and a bending arm which can be rotated about the bending form and which has a clamping device for clamping a front section of the workpiece against a peripheral section of the bending form, the bending arm being rotated around a bending drive controlled by the control device Bending axis is rotatable. The bending machine further comprises a counterholder device controllable by the control device, which is configured to be brought into engagement with a rear section of the workpiece in order to stabilize an alignment of the rear section during a bending operation. The counterholder device can be rotated about an axis of rotation by means of a rotary drive controlled by the control device in order to rotate the workpiece about its longitudinal axis or longitudinal direction. In addition, a heating device is provided which is designed to heat a section of the workpiece to be provided with a bend to a first temperature at which the thermoplastic matrix is in a thermoplastic state, the section to be heated between the front section and the rear section lies. The control device is configured or configurable to rotate the counterholder device before and / or during a rotation of the bending arm about its bending axis about the axis of rotation such that a twisted section can be generated in an area between the counterholder device and the bending form.
Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine berührungslos arbeitende Heizeinrichtung, die z.B. mit Heißluft oder Infrarotstrahlung oder Induktion arbeiten kann.The heating device is preferably a non-contact heating device that can work with hot air or infrared radiation or induction, for example.
Vorzugsweise ist zusätzlich eine Greifereinrichtung mit einem in einer oder mehreren Achsen beweglichen Greifer vorgesehen, der wahlweise in einen Bereich zwischen dem Biegekopf und der Gegenhaltereinrichtung einfahrbar und parallel zur Drehachse der Gegenhaltereinrichtung verfahrbar ist. Die Greifereinrichtung kann z.B. mit orthogonal zueinander verlaufenden Führungen ausgestattet sein, um den Greifer in zwei oder drei Dimensionen verfahren zu können. Gegebenenfalls kann auch eine Robotereinheit als Greifereinrichtung verwendet werden.Preferably, there is also a gripper device with one in one or more Axes movable gripper is provided, which can optionally be moved into an area between the bending head and the counter-holder device and can be moved parallel to the axis of rotation of the counter-holder device. The gripper device can be equipped, for example, with guides running orthogonally to one another in order to be able to move the gripper in two or three dimensions. If necessary, a robot unit can also be used as a gripper device.
Um die Abkühlung des tordierten und erwärmten Abschnitts zu beschleunigen, ist vorzugsweise eine dem Biegekopf zugeordnete Kühleinrichtung zum Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf die zweite Temperatur vorgesehen, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoplastischen oder festen Zustand übergeht. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise mit Druckluft arbeiten.In order to accelerate the cooling of the twisted and heated section, a cooling device assigned to the bending head is preferably provided for cooling the twisted section provided with the bend to the second temperature, at which the twisted section changes to a thermoplastic or solid state. The cooling device can work with compressed air, for example.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Biegeteil aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix aufweist, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern eingebettet sind. Das einfach oder mehrfach gebogene Biegeteil weist wenigstens einen Abschnitt mit einer Biegung auf, die zwischen einen angrenzenden vorderen Abschnitt und einem gegenüber angrenzenden hinteren Abschnitt ausgebildet ist, wobei die Verstärkungsfasern im vorderen Abschnitt und hinteren Abschnitt im Wesentlichen in Längsrichtung der Abschnitte verlaufen und im Bereich der Biegung in einer verdrillten Konfiguration vorliegen. Durch die Verdrillung kann erreicht werden, dass die Verstärkungsfasern im Bereich des tordierten Abschnitts helixförmig verlaufen, während sich an beiden Enden Abschnitte (vorderer und hinterer Abschnitt) anschließen, in denen die Verstärkungsfasern weiterhin im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des jeweiligen Abschnitts verlaufen. Der tordierte Abschnitt kann ähnlich wie der vordere und hintere Abschnitt einen weitgehend runden Querschnitt mit im Wesentlichen gleicher Querschnittsfläche haben.The invention also relates to a bent part made of an elongated workpiece made of a fiber composite material which has a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers extending in the longitudinal direction of the workpiece are embedded. The single or multiple bent bent part has at least one section with a bend which is formed between an adjacent front section and an adjacent rear section, the reinforcing fibers in the front section and rear section running essentially in the longitudinal direction of the sections and in the area of the Be in a twisted configuration. By twisting it can be achieved that the reinforcing fibers run helically in the area of the twisted section, while sections (front and rear section) adjoin at both ends in which the reinforcing fibers continue to run essentially parallel to the longitudinal direction of the respective section. The twisted section, like the front and rear sections, can have a largely round cross-section with essentially the same cross-sectional area.
Es gibt vielfältige Verwendungsmöglichkeiten für Biegeteile, die gemäß der beanspruchten Erfindung hergestellt wurden. Beispielsweise kann ein Biegeteil allein oder in Kombination mit weiteren Biegeteilen als Verstärkung für ein Spritzgussteil genutzt werden, indem das mindestens eine Biegeteil nach seiner Herstellung mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt wird. Biegeteile können auch in der Bauindustrie als Ersatz von oder zusätzlich zu Bewehrungsstäben aus Stahl in Beton eingegossen werden und als Verstärkung bzw. Bewehrung von Betonstrukturen dienen.There are many uses for bent parts made in accordance with the claimed invention. For example, a bent part can be used alone or in combination with other bent parts as reinforcement for an injection-molded part, in that the at least one bent part is overmolded with a suitable plastic after its production. Bending parts can also be cast in concrete in the construction industry as a replacement for or in addition to steel reinforcement bars and serve as reinforcement or reinforcement of concrete structures.
FigurenlisteFigure list
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht derBiegemaschine 100 gemäß einer Ausführungsform; -
2A bis2D zeigen verschiedene Phasen einer Umformoperation zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Biegeteils mit tordiertem Abschnitt; -
3A und3B zeigen verschiedene Phasen einer Umformoperation bei einer anderen Ausführungsform; -
4A und4B zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele für Biegeteile, die mithilfe des Verfahrens bzw. der Biegemaschine herstellbar sind; -
5 zeigt eine schematische Illustration zur Veranschaulichung des Faserlagenwinkels von Verstärkungsfasern in einem tordierten Abschnitt.
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1 shows a schematic side view of the bendingmachine 100 according to one embodiment; -
2A to2D show different phases of a forming operation for the production of a fiber composite material bending part with a twisted section; -
3A and3B show various phases of a forming operation in another embodiment; -
4A and4B show schematically two exemplary embodiments for bent parts that can be produced with the aid of the method or the bending machine; -
5 shows a schematic illustration to illustrate the fiber layer angle of reinforcing fibers in a twisted section.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer computernumerisch gesteuerten Biegemaschine
Bei dem Werkstück
Aus dem Werkstück soll ein Biegeteil mit einer oder mehreren Biegungen geformt werden, welches später als Einlegeteil benutzt werden soll, um ein Spritzgussbauteil in kritischen Bereichen zu verstärken. Dazu wird das fertige Biegeteil später im Spritzgussverfahren mit einer Spritzgussmasse ummantelt.A bent part with one or more bends is to be formed from the workpiece, which is to be used later as an insert in order to reinforce an injection-molded component in critical areas. For this purpose, the finished bent part is later coated with an injection molding compound in an injection molding process.
Das Werkstück
Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Biegemaschine
Die Biegemaschine
Mit Abstand vom Biegekopf ist eine Gegenhaltereinrichtung
Alternativ können Vorschub und Rotation des Werkstücks über einen Rolleneinzug anstelle eines Zangeneinzugs realisiert sein.Alternatively, the workpiece can be fed and rotated using a roller feeder instead of a pincer feeder.
Eine Besonderheit der Biegemaschine
Die Biegemaschine weist weiterhin eine Heizeinrichtung
Weiterhin ist Kühleinrichtung
Anhand der
Dann wird der mit Biegung zu versehende Abschnitt
Anschließend wird die Heizeinrichtung
Nun fahren die Greifereinrichtung bzw. deren Greifer
Danach wird, wie in
Abhängig vom Ausmaß der Verdrillung kann vorgesehen sein, dass die Gegenhaltereinrichtung während des Verdrehens eine gesteuerte Ausgleichsbewegung in Längsrichtung des Werkstücks (mittels der C-Achse) ausführt, so dass der Abstand zwischen Biegeform und Gegenhaltereinrichtung beim Tordieren etwas kürzer wird, um einer Querschnittsverringerung im tordierten Abschnitt entgegenzuwirken.Depending on the extent of the twist, it can be provided that the counterholder device executes a controlled compensating movement in the longitudinal direction of the workpiece (by means of the C-axis) during the twisting, so that the distance between the bending form and the counterholder device becomes somewhat shorter during twisting, by a cross-section reduction in the twisted Section counteract.
Bei dieser Variante wird die vollständige Torsion eingebracht, bevor die eigentliche Biegeoperation beginnt. Diese ist in
Sobald die Biegung mit der gewünschten Geometrie erzeugt ist, wird die Kühleinrichtung
Anhand der
Das Biegeteil kann so bearbeitet werden, dass nur eine einzige Biegung erzeugt wird. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Biegungen in einer gemeinsamen Biegeebene oder in unterschiedlichen Biegeebenen anzubringen. Durch Drehung der Gegenhaltereinrichtung vor Beginn der Erwärmung des zu biegenden Abschnitts sind unterschiedliche Biegeebenen realisierbar. Der vordere Abschnitt muss also nicht durchgängig geradlinig verlaufen, sondern er kann bereits eine oder mehrere Biegungen aufweisen.The bending part can be machined so that only a single bend is created. It is also possible to apply two or more bends in a common bending plane or in different bending planes. By rotating the counter-holder device before the section to be bent is heated, different bending planes can be implemented. The front section does not have to run continuously in a straight line, but can already have one or more bends.
Die Biegewinkel (Winkel zwischen Längsachse des ersten Abschnitts und zweiten Abschnitts nach Erzeugung der Biegung) kann beispielsweise zwischen 1° und 360° liegen. Große Biegewinkel von deutlich mehr als 180° können z.B. durch Verwendung einer Biegeform mit wendelförmig verlaufender Umfangsnut (Wendelwerkzeug) realisiert werden. Das Ausmaß der Verdrehung zwischen vorderem und hinterem Abschnitt bei der Erzeugung des tordierten Abschnitts hängt zum einen von der beabsichtigten Länge des zu biegenden Abschnitts ab, üblicherweise in der Weise, dass der Drehwinkel der Gegenhaltereinrichtung gegenüber der Greifereinrichtung oder dem Biegekopf größer ist, je länger der zu tordierende Abschnitt ist. Entsprechendes gilt auch für den Biegeradius. Je größer der Biegeradius der zu erzeugenden Biegung ist, desto größer wird in der Regel auch der Drehwinkel sein, um einen ausreichend verdrillten Zustand im erwärmten bzw. tordierten Abschnitt zu erzielen.The bending angle (angle between the longitudinal axis of the first section and the second section after the bend has been created) can be between 1 ° and 360 °, for example. Large bending angles of significantly more than 180 ° can be achieved, for example, by using a bending form with a helical circumferential groove (helical tool). The extent of the rotation between the front and rear section when generating the twisted section depends on the one hand on the intended length of the section to be bent, usually in such a way that the longer the angle of rotation of the counterholder device relative to the gripper device or the bending head is greater the section to be twisted. The same applies to the bending radius. The larger the bending radius of the bend to be produced, the larger the angle of rotation will generally also be in order to achieve a sufficiently twisted state in the heated or twisted section.
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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issue 1/2006, pages 55 to 58 [0005]
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