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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem textilen Halbzeug.
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Bei der Fertigung von Werkstücken aus beispielsweise carbonfaserverstärkten Kunststoffen (kurz CFK genannt), erfolgt ein Preforming durch eine Formgebung sowie eine Stabilisierung der textilen Halbzeuge mittels spezieller Formen.
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Hierzu wird das (Faser-)Halbzeug in sogenannten Werkzeugschalen drapiert, die anschließend miteinander verspannt werden und somit zusammen das geschlossene Werkzeug ergeben. Anschließend erfolgt dann eine Binderaktivierung beispielsweise in Form eines Wärmeeintrags in das Werkzeug, damit die Faserstruktur des CF-Halbzeuges aushärtet. An den Werkzeugkanten wird dann üblicherweise das überstehende Material abgetrennt.
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Insbesondere für eine Automatisierung dieser auch als Preformfertigung genannten Fertigung ist es notwendig, Werkzeugschalen zum einen für ein kraftschlüssiges Verspannen und zum anderen für ein ungehindertes Beschneiden an den Werkzeugkanten sowie weiterhin für einen Wärmeeintrag über die Werkzeugschalen bereitzustellen.
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Ferner ist es erforderlich, dass das Verspannen sowie das Öffnen der Werkzeugschalen mit möglichst geringem Aufwand realisiert ist.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug sowie ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine einfache und insbesondere automatisierte Herstellung eines Werkstücks ermöglicht ist und insbesondere die vorstehend genannten Erfordernisse erfüllt sind.
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Die auf das Werkzeug gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Werkzeug zur Herstellung eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Werkzeug aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
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Das Werkzeug ist zur Herstellung eines Werkstückes aus einem textilen Halbzeug und speziell zur Herstellung der eingangs genannten CF-Halbzeuges ausgebildet.
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Das Werkzeug weist eine erste Teilform mit einem ersten Gehäuse und wenigstens eine zweite Teilform mit einem zweiten Gehäuse auf. Die Anzahl der Teilformen ist hierbei nicht auf zwei beschränkt, sodass insbesondere auch mehrteilige Teilformen oder mehrere Teilformen herangezogen werden können, um somit nahezu jede körperliche Struktur als Faserverbundkörper herzustellen. Bevorzugt jedoch nicht zwingend sind die erste Teilform und die wenigstens zweite Teilform komplementär/korrespondierend zueinander ausgebildet.
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Zwischen den beiden Teilformen, also zwischen der ersten Teilform und der wenigstens zweiten Teilform, ist eine Kavität ausgebildet. Die Kavität dient beispielsweise einer Aufnahme eines textilen Halbzeugs und/oder einer Infiltration mit einem Harz.
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Weiterhin ist eine Nadel vorgesehen. Das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse sind hierbei von der Nadel durchdrinbar. Ferner ist die erste Teilform mit beziehungsweise durch die Nadel mit der wenigstens zweiten Teilform verspannbar.
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Hierbei ist der Vorteil erreicht, dass ein Verspannen der ersten Teilform und der wenigstens zweiten Teilform ermöglicht ist und gleichzeitig ein Randbereich der Teilformen frei bleibt. Unter frei bleiben kann hierbei verstanden werden, dass an den Randbereichen insbesondere keine Verspannelemente zum Verspannen der beiden Teilformen angeordnet sind. Weiterhin hat sich das Verspannen mittels der Nadel im Hinblick auf ein aufwandsarmes Verspannen als vorteilhaft erwiesen. Es kann somit auf aufwändige Verspannung- und Verriegelungsmechanismen verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Werkzeug eine erste Teilform mit einem ersten Gehäuse sowie wenigstens eine zweite Teilform mit einem zweiten Gehäuse auf. Das erste Gehäuse und die erste Teilform sind einstückig, also monolithisch ausgebildet. Analog hierzu ist die wenigstens zweite Teilform und das zweite Gehäuse einstückig, also monolithisch ausgebildet.
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In einem ungespannten Zustand ist hierbei das textile Halbzeug zwischen der ersten Teilform und der wenigstens zweiten Teilform positionierbar. Weiterhin ist die erste Teilform mit der wenigstens zweiten Teilform in einer Verspannrichtung von dem ungespannten Zustand in einen verspannten Zustand verspannbar. Unter der Verspannrichtung kann hierbei eine Richtung verstanden werden, in der die erste Teilform auf die wenigstens zweite Teilform gepresst bzw. verspannt wird.
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Weiterhin weist das Werkzeug eine Spanneinrichtung mit einer in und entgegen der Verspannrichtung bewegbaren Nadel auf, wobei die Nadel in dem ersten Gehäuse angeordnet ist. Die Nadel weist weiterhin eine Nut auf.
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Zudem weist das zweite Gehäuse eine Arretiereinrichtung auf, mit der im verspannten Zustand die Nadel in dem zweiten Gehäuse arretiert ist. Im verspannten Zustand ist die Nadel weiterhin zum Verspannen der ersten Teilform mit der wenigstens zweiten Teilform mit einer Spannkraft, die in Verspannrichtung wirkt, beaufschlagt.
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Der Vorteil des Werkzeugs liegt darin, dass hiermit eine automatische Drapierung, d. h. Bestückung und Verspannung der beiden Teilformen ermöglicht ist und gleichzeitig auf aufwändige Verspannung- und Verriegelungsmechanismen verzichtet werden kann. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Werkzeug vorteilhaft im Hinblick auf einen Zuschnitt der Kanten des fertigen Werkstücks, da die Verspannung der beiden Teilformen nicht an den zuzuschneidenden Werkstückkanten erfolgt. Gleichzeitig wird mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug einer in Verbindung mit einer Automatisierung einhergehenden reduzierten Taktzeit bei dem zuvor erwähnten Zuschneiden der Werkstückkanten Rechnung getragen. Zugleich vereinfacht das Werkzeug die Automatisierung der Preformingfertigung.
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In einer Ausführungsform weist die Arretiereinrichtung zwei opponierend angeordnete Spannstifte auf. Unter opponierend kann hierbei verstanden werden, dass sich die beiden Spannstifte gegenüberliegen, also die Spitzen der Spannstifte zueinander orientiert sind. Weiterhin sind die Spannstifte quer zur Verspannrichtung ausgerichtet. Unter quer kann hierbei verstanden werden, dass die Spannstifte im Wesentlichen rechtwinklig zur Verspannrichtung ausgerichtet sind.
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Weiterhin ist ein Spalt zwischen den Spannstiften zur Aufnahme der Nadel ausgebildet, in dem die Nadel im verspannten Zustand angeordnet ist, wobei die Spannstifte, speziell die Spitzen der Spannstifte, mit der Nut der Nadel eine Rastverbindung zum Arretieren der Nadel im zweiten Gehäuse ausbilden. Hierzu ist die Nut im verspannten Zustand in dem Spalt vorzugsweise auf einer gleichen Höhe wie die Spannstifte angeordnet.
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In einer Ausführungsform sind die Spannstifte jeweils mit einem Federelement und mit einer Verspannschraube in der Arretiereinrichtung verspannt. Hierbei wirkt die Federkraft des Federelements eines jeweiligen Spannstifts in Richtung des Spaltes, also jeweils in Richtung des anderen Spannstifts. Bei dem Federelement handelt es sich beispielswiese um eine Helixfeder. Die Verspannschraube ist beispielsweise als eine Madenschraube ausgebildet.
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Beim Verfahren der Nadel von dem ersten Gehäuse in das zweite Gehäuse werden die Spannstifte zunächst aufgrund ihrer Kontur und der vorzugsweise angeschrägten Kontur der Nadel auseinander bewegt, bis die Spannstifte in der Nut einrasten und somit die Nadel zuverlässig arretieren. Am Ende des Fertigungsprozesses erfolgt ein Entspannen der beiden Teilformen durch eine Beaufschlagung mit einer entgegen der Verspannrichtung wirkenden und vorgegebenen Kraft. Durch diese Kraft wird die Rastverbindung zwischen der Nut und den Spannstiften gelöst und somit die beiden Teilformen freigegeben.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in der Arretiereinrichtung Anschlagflächen für die Spannstifte ausgebildet sind. Die Anschlagflächen dienen einer Begrenzung eines Eindringens der Spannstifte in den Spalt sowohl im ungespannten als auch im verspannten Zustand. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Spannstifte zwar so weit in den Spalt hineinragen, um im verspannten Zustand mit der Nut der Nadel eine kraftschlüssige Rastverbindung auszubilden, jedoch nicht so weit in den Spalt hineinragen, dass eine Aufnahme der Nadel in diesem nicht möglich wäre, da der Spalt durch die Spannstifte versperrt wäre.
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Vorzugsweise ist die Nut in einem oberen Bereich der Nadel angeordnet. Unter dem oberen Bereich können hierbei vorzugsweise die oberen 8 cm, speziell die oberen 5 cm und insbesondere die oberen 3 cm ausgehend von der Spitze der Nadel verstanden werden.
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In einer Ausführungsform ist in dem ersten Gehäuse ein mit der Nadel verbundenes Federpaket angeordnet. Das Federpaket weist hierbei ein Federelement, beispielsweise eine Helixfeder auf. Das Federpaket dient dazu, die Nadel entgegen der Verspannrichtung mit einer Federkraft zu beaufschlagen. Diese Federkraft entspricht der Spannkraft, sodass das die Federkraftbeauschlagung durch das Federpaket dafür sorgt, dass die beiden Teilformen im verspannten Zustand verspannt werden.
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Weiterhin dient die Federkraft des Federpakets dazu, dass die Nadel und speziell die Nadelspitze im ungespannten Zustand im ersten Gehäuse verbleibt und nicht in eine Fläche der ersten Teilform hineinragt, auf der das textile Halbzeug positioniert wird/werden soll.
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In einer zweckdienlichen Ausführungsform ist in dem ersten Gehäuse ein Fixierelement zur Fixierung des Federpakets angeordnet.
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Das Fixierelement weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung zwei gegeneinander gekonterte Muttern auf, die mit einem Gewinde der Nadel eine Schraubverbindung ausbilden. D.h. die beiden Muttern sind gegeneinander gekontert auf das Gewinde der Nadel geschraubt. Ergänzend kann hierbei auch eine Unterlegscheibe vorgesehen sein, die von den beiden Muttern positioniert wird. Die Unterlegscheibe wiederum positioniert und fixiert dann das Federpaket, sodass dieses in Position gehalten wird. Unter in Position halten kann hierbei verstanden werden, dass sich das Federpaket im verspannten Zustand nicht in Verspannrichtung verschiebt. Bei fehlender Unterlegscheibe wird das Federpaket von den beiden Muttern positioniert und fixiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Gehäuse an dem der ersten Teilform gegenüberliegenden Ende eine Verschlussschraube mit einer Durchgangsbohrung für die Nadel auf. Die Verschlussschraube verschließt das erste Gehäuse und sichert somit die Nadel, das Federpaket und weitere Anbauteile innerhalb des ersten Gehäuses.
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In einer Ausführungsform weist das zweite Gehäuse eine Bohrung auf, die zur Aufnahme und Führung der Nadel im verspannten Zustand dient. Die Spannstifte ragen hierbei im verspannten Zustand in die Bohrung hinein und arretieren die Nadel durch Verrasten mit der Nut.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform tritt die Nadel in dem verspannten Zustand durch das zwischen der ersten Teilform und der wenigstens zweiten Teilform verspannte textile Halbzeug hindurch. Dieser Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, die beiden Teilformen nicht an den jeweiligen Kanten miteinander zu verspannen, um ein Beranden, also ein Abschneiden von beispielsweise überstehenden Werkstückteilen, entlang der Werkstückkanten zu gewährleisten, ohne die Verspannung zu lösen. Im gespannten Zustand weist das Werkzeug somit keine störenden Anbauteile entlang der Beschneidungskante auf.
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Um ein optimales Verspannen der beiden Teilformen zu gewährleisten, sind gemäß einer Ausführungsform die beiden Teilformen im verspannten Zustand formschlüssig miteinander verspannt. Weiterhin erweist sich ein formschlüssiges Verspannen der beiden Teilformen im Hinblick auf eine Qualität des herzustellenden Werkstücks als vorteilhaft.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Figur näher erläutert. Diese zeigt in teilweise stark vereinfachter Darstellung:
- 1 einen Längsschnitt durch ein Werkzeug.
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Das Werkzeug 20 weist hierbei eine erste Teilform 1 sowie eine zweite Teilform 2 auf. Die erste Teilform 1 weist ein erstes Gehäuse 1a und die zweite Teilform 2 weist ein zweites Gehäuse 2a auf. Das erste Gehäuse 1a und die erste Teilform 1 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 1 einstückig, also monolithische ausgebildet. Analog hierzu sind auch die zweite Teilform 2 und das zweite Gehäuse 2a einstückig, also monolithisch ausgebildet. Alternativ hierzu können die Gehäuse 1a, 2a und die Teilformen 1, 2 jeweils als getrennte Komponenten ausgebildet sein. Hierbei sind dann die Gehäuse 1a, 2a an den Teilformen 1,2 befestigt.
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Weiterhin weist das Werkzeug 20 eine Spanneinrichtung (17) mit einer Nadel 3 auf, wobei die Nadel 3 in dem ersten Gehäuse 1a angeordnet ist und speziell in diesem einsitzt. Die Nadel 3 weist weiterhin eine Nut 3a auf. Das erste Gehäuse 1a weist ferner ein Federpaket 4 auf, dass mit der Nadel 3 verbunden ist. Mit dem Federpaket 4 ist die Nadel 3 in eine Verspannrichtung V federkraftbeaufschlagt. Hierzu weist das Federpaket 4 ein nicht dargestelltes Federelement, beispielsweise eine Helixfeder auf. Zudem ist die Nadel 3 in und entgegen der Verspannrichtung V bewegbar.
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Zur Justierung und Fixierung des Federpakets 4 ist in dem ersten Gehäuse 1a ein Fixiereinrichtung 15 angeordnet, welches im Ausführungsbeispiel eine Mutter 6.1 sowie eine Kontermutter 6.2 und eine von den beiden Muttern 6.1, 6.2 gehaltene Unterlegscheibe 5 aufweist. Sowohl die Mutter 6.1, die Kontermutter 6.2 als auch die Unterlegscheibe 5 sind somit Teil der Fixiereinrichtung 15. Die beiden Muttern 6.1, 6.2 bilden mit einem nicht dargestellten Gewinde der Nadel 3 eine Schraubenverbindung aus.
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Weiterhin weist das erste Gehäuse 1a eine Verschlussschraube 7 auf, die ihrerseits eine Durchgangsbohrung 7 für die Nadel 3 aufweist.
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Das zweite Gehäuse 2a weist weiterhin eine Arretiereinrichtung 16 auf, die ihrerseits zwei opponierend angeordnete Spannstifte 9.1, 9.2 aufweist. Die Spannstifte 9.1, 9.2 sind zudem quer zur Verspannrichtung V ausgerichtet. Zwischen den Spannstiften 9.1, 9.2 ist ein Spalt 8 ausgebildet, der zur Aufnahme der Nadel 3 dient. Wenn die Nadel 3 in dem Spalt 8 aufgenommen ist (verspannter Zustand der beiden Teilformen 1, 2) bilden die Spannstifte 9.1, 9.2 mit der Nut 3a der Nadel 3 eine Rastverbindung aus zum Arretieren und somit zum Verspannen der beiden Teilformen 1, 2 miteinander.
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Die Spannstifte 9.1, 9.2 sind jeweils mit einem Federelement 11.1, 11.2 und mit jeweils einer Verspannschraube 10.1, 10.2 im zweiten Gehäuseziffer 2a verspannt. Die Verspannschrauben 10.1, 10.2 sind im Ausführungsbeispiel als Madenschrauben ausgebildet, jedoch ist die Ausgestaltung der Verspannschrauben 10.1, 10.2 nicht auf eine Madenschraube beschränkt. Vielmehr können jegliche Arten von bekannten Schrauben für die Ausgestaltung der Verspannschrauben 10.1, 10.2 herangezogen werden.
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Das zweite Gehäuse 2a weist weiterhin eine Bohrung 12 auf, welche zur Aufnahme und Führung der Nadel 3 im verspannten Zustand dient. Die beiden Spannstifte 9.1, 9.2 ragen zum Arretieren, also zum Ausbilden der Rastverbindung mit der Nut 3a, im verspannten Zustand in die Bohrung hinein. Vorzugsweise befindet sich somit im verspannten Zustand die Nadel 3 derart innerhalb der Bohrung 12, dass die Nut 3a auf einer Höhe der beiden Spannstifte 9.1, 9.2 angeordnet ist.
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Im verspannten Zustand tritt die Nadel 3 weiterhin durch ein zwischen der ersten Teilform 1 und der zweiten Teilform 2 verspanntes textiles Halbzeug 13 hindurch. Durch die Ausbildung der Rastverbindung mittels der Nut 3a und den Spannstiften 9.1, 9.2 ist eine zuverlässige und einfache Verspannung der beiden Teilformen 1, 2 gewährleistet. Zudem sind hierdurch die Ränder 14 der beiden Teilformen 1, 2 beispielsweise zu einem Beschneiden des textilen Halbzeugs 13 frei zugänglich.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr könne auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Teilform
- 1a
- erstes Gehäuse
- 2
- zweite Teilform
- 2a
- zweites Gehäuse
- 3
- Nadel
- 3a
- Nut
- 4
- Federpaket
- 5
- Unterlegscheibe
- 6.1
- Mutter
- 6.2
- Kontermutter
- 7
- Verschlussschraube
- 7a
- Durchgangsbohrung
- 8
- Spalt
- 9.1
- Spannstift
- 9.2
- Spannstift
- 10.1
- Verspannschraube
- 10.2
- Verspannschraube
- 11.1
- Federelement
- 11.2
- Federelement
- 12
- Bohrung
- 13
- textiles Halbzeug
- 14
- Ränder
- 15
- Fixiereinrichtung
- 16
- Arretiereinrichtung
- 17
- Spanneinrichtung
- V
- Verspannrichtung
