DE102020123508A1

DE102020123508A1 - Hilfsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils

Info

Publication number: DE102020123508A1
Application number: DE102020123508.9A
Authority: DE
Inventors: Oleg Konrad; Thomas Hogger; Sebastian Krull; Christoph Jagoda
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung (1) für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, aufweisend eine Haltevorrichtung (2) zum Halten eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils (3) und eine Positioniervorrichtung (4) zum Positionieren der Haltevorrichtung (2) in einem Arbeitsraum (A). Die Haltevorrichtung (2) weist einen ersten Haltezapfen (5) mit einer ersten Zapfenlängsachse (6) und mit einem von der Haltevorrichtung (2) wegweisenden ersten Zapfenende (7) zum Eindringen in den flüssigen Matrixwerkstoff auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung (1)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, aufweisend eine Haltevorrichtung zum Halten eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils und eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Haltevorrichtung in einem Arbeitsraum. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels einer gattungsgemäßen Hilfsvorrichtung.
Die Faserdirektablage ist ein bekannter sowie zunehmend verbreiteter Fertigungsprozess für die Herstellung gewichtsoptimierter Bauteile mit hoher physikalischer Belastbarkeit, sogenannter „Hochleistungsbauteile in Leichtbauweise“. In Fachkreisen wird die Faserdirektablage auch als „Direct Fiber Placement“ bezeichnet. Insbesondere in der Automobilbranche aber auch in der Luft- und Raumfahrtbranche gewinnen die Faserdirektablage aufweisende Verfahren für die Verarbeitung von Composites stetig an Bedeutung.
Composites weisen eine Anordnung von Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Karbonfasern, sowie eine die Verstärkungsfasern umgebende Kunststoffmatrix auf und werden üblicherweise in Form von Rovings oder Tapes weiterverarbeitet. Ein besonderer Vorteil der Verarbeitung von Composites gegenüber herkömmlichen, insbesondere auf Textiltechniken basierenden, Fertigungsverfahren ist eine Reduzierung des erforderlichen Material- sowie Arbeitsaufwands. Ferner sind mittels Faserdirektablage Bauteile mit einer besonders lastoptimierten Orientierung von Einzelfasern herstellbar.
Mittels Faserdirektablage hergestellte Bauteile haben gegenüber herkömmlichen Bauteilen aus konventionellen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium, eine Vielzahl von Vorteilen, wie beispielsweise ein erheblich reduziertes Gewicht mit teilweise sogar höherer Stabilität bei etwa gleichen Abmessungen. Überdies lassen sich mittels Faserdirektablage Bauteile gezielt sowie lastrichtungsorientiert an Stellen lokal verstärken, an welchen im Einsatz eine mechanische Belastung besonders hoch ist. Ferner weisen mittels Faserdirektablage hergestellte Bauteile eine deutlich geringere Anfälligkeit für Temperaturschwankungen auf als beispielsweise Metallbauteile, welche eine verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnung sowie deutlich stärker wärmeabhängige physikalische Eigenschaften aufweisen. Ein auf Temperaturschwankungen beruhender Verschleiß ist bei mittels Faserdirektablage hergestellten Bauteilen somit deutlich reduziert.
Während der Faserdirektablage werden Anfangs- und Endbereiche nicht ausgehärteter Composites mittels einer, insbesondere hydraulisch betätigbaren, Greifvorrichtung gegriffen und an einer Bestimmungsstelle, insbesondere mit einer definierten Orientierung, abgelegt. Dies hat den Nachteil, dass die Greifvorrichtung für die Durchführung dieser Verfahrensschritte möglichst genau auf eine Dicke des Composites angepasst sein muss, um das Composite vollumfänglich zu umfassen. Bei einer nicht genau passenden Greifvorrichtung kann der noch zähflüssige, eine Temperatur von ungefähr zwischen 250 °C und 300 °C aufweisende Matrixwerkstoff seitlich aus der Greifvorrichtung heraustreten und zu einer Verschmutzung oder gar einer Beschädigung des herzustellenden Bauteils führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils und einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise ein sicheres Aufnehmen sowie Ablegen nicht ausgehärteter Composites unterschiedlicher Abmessungen gewährleisten und/oder beim Aufnehmen des Composits ein Austreten von zähflüssigem Matrixwerkstoff vermeiden.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils gelöst. Die Hilfsvorrichtung weist eine Haltevorrichtung zum Halten eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils und eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Haltevorrichtung in einem Arbeitsraum auf. Erfindungsgemäß weist die Haltevorrichtung einen ersten Haltezapfen mit einer ersten Zapfenlängsachse und mit einem von der Haltevorrichtung wegweisenden ersten Zapfenende zum Eindringen in den flüssigen Matrixwerkstoff auf.
Unter einer Hilfsvorrichtung wird im Rahmen der Erfindung eine Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist, einen Beitrag zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils zu leisten. Die erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung ist zum Halten sowie Positionieren des Faserprofils zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Hilfsvorrichtung weitere Vorrichtungen aufweist, mittels welcher weitere Prozesse zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils durchführbar sind. Hierzu zählen beispielsweise eine Wickelvorrichtung, eine Pultrusionsvorrichtung, eine Ablängvorrichtung oder dergleichen.
Die Positioniervorrichtung ist zum Positionieren der Haltevorrichtung im Arbeitsraum ausgebildet. Vorzugsweise ist die Positioniervorrichtung ausgebildet, die Haltevorrichtung in den Arbeitsraum hineinzubewegen und aus dem Arbeitsraum herauszubewegen. Unter einem Arbeitsraum wird ein Raum verstanden, in welchem das faserverstärkte Bauteil hergestellt wird. Die Positioniervorrichtung ist vorzugsweise gemäß einem Roboterarm, insbesondere mit vier oder mehr Freiheitsgraden, ausgebildet. Die Positioniervorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, die Haltevorrichtung innerhalb des Arbeitsraums in eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen und Lagen zu bewegen sowie in den jeweiligen Positionen und Lagen zu halten.
Die Haltevorrichtung ist zum Halten des mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils ausgebildet. Unter einem Halten wird im Rahmen der Erfindung ein derartiges Kontaktieren verstanden, dass mittels der Haltevorrichtung derartige Zugkräfte auf das Faserprofil übertragbar sind, dass das Faserprofil mit der Haltevorrichtung mitbewegt wird. Unter flüssigem Matrixwerkstoff wird im Rahmen der Erfindung beispielsweise fließfähiger, zähflüssiger oder teilweise erstarrter bzw. noch nicht vollständig verfestigter Matrixwerkstoff verstanden. Ein solcher Matrixwerkstoff ist vorzugsweise durch Abkühlen verfestigbar.
Zum Halten des Faserprofils weist die Haltevorrichtung den ersten Haltezapfen auf. Der erste Haltezapfen ist vorzugsweise nadelförmig, stiftförmig, stabförmig, zylindrisch, konisch oder dergleichen ausgebildet. Ein Querschnitt des ersten Haltezapfens kann erfindungsgemäß rund, oval, rechteckig, insbesondere quadratisch, sichelförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Der erste Haltezapfen kann erfindungsgemäß an der Haltevorrichtung fixiert ausgebildet sein. Alternativ kann der erste Haltezapfen relativ zur Haltevorrichtung beweglich ausgebildet sein. Hierbei ist es bevorzugt, dass der erste Haltezapfen zur translatorischen Bewegung relativ zur Haltevorrichtung ausgebildet ist. Somit ist der erste Haltezapfen beispielsweise bei fixierter Positioniervorrichtung durch eine Relativbewegung zur Positioniervorrichtung in den Matrixwerkstoff einschiebbar bzw. herausziehbar. Vorzugsweise weist der erste Haltezapfen ein Metall auf oder ist aus einem Metall gebildet. Als Metall ist ein Metall mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, bevorzugt. Das erste Zapfenende des ersten Haltezapfens weist vorzugsweise eine Abschrägung, Spitze oder dergleichen auf, um ein Eindringen des ersten Haltezapfens in den flüssigen, vorzugsweise zähflüssigen, Matrixwerkstoff zu verbessern.
Eine erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung hat gegenüber herkömmlichen Hilfsvorrichtungen für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein zuverlässiges Halten sowie Ablegen des mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils auf einer Ablageposition zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils verbessert ist. Hierfür ist der erste Haltezapfen der Haltevorrichtung in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegbar. Dabei haftet der Matrixwerkstoff derart am ersten Haltezapfen, dass das Faserprofil mittels der Hilfsvorrichtung ziehbar ist. Ein Herauspressen des flüssigen Matrixwerkstoffs aus dem Faserprofil ist somit vermeidbar, da keine Druckkräfte auf das Faserprofil übertragen werden müssen. Zudem ist die erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung für eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Faserprofile verwendbar und erfordert keine umständlichen Größenanpassungen wie bei herkömmlichen Greifvorrichtungen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Hilfsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Haltevorrichtung einen zweiten Haltezapfen mit einer zweiten Zapfenlängsachse und mit einem von der Haltevorrichtung wegweisenden zweiten Zapfenende zum Eindringen in den flüssigen Matrixwerkstoff aufweist. Zum Halten des Faserprofils weist die Haltevorrichtung zusätzlich zum ersten Haltezapfen den zweiten Haltezapfen auf. Erfindungsgemäß können noch weitere Haltezapfen vorgesehen sein, welche beispielsweise wie der erste Haltezapfen oder der zweite Haltezapfen ausgebildet sind. Hierbei ist es bevorzugt, dass der erste Haltezapfen, der zweite Haltezapfen und mindestens ein weiterer Haltezapfen auf einer gemeinsamen zweidimensionalen Ebene angeordnet sind. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Haltezapfen auf mehreren Ebenen angeordnet sind. Die Ebenen sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Der zweite Haltezapfen ist vorzugsweise nadelförmig, stiftförmig, stabförmig, zylindrisch, konisch oder dergleichen ausgebildet. Ein Querschnitt des zweiten Haltezapfens kann erfindungsgemäß rund, oval, rechteckig, insbesondere quadratisch, sichelförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Der zweite Haltezapfen kann erfindungsgemäß an der Haltevorrichtung fixiert ausgebildet sein. Alternativ kann der zweite Haltezapfen relativ zur Haltevorrichtung beweglich ausgebildet sein. Hierbei ist es bevorzugt, dass der zweite Haltezapfen zur translatorischen Bewegung relativ zur Haltevorrichtung ausgebildet ist. Somit ist der zweite Haltezapfen beispielsweise bei fixierter Positioniervorrichtung durch eine Relativbewegung zur Positioniervorrichtung in den Matrixwerkstoff einschiebbar bzw. herausziehbar. Vorzugsweise weist der zweite Haltezapfen ein Metall auf oder ist aus einem Metall gebildet. Als Metall ist ein Metall mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, bevorzugt. Das zweite Zapfenende des zweiten Haltezapfens weist vorzugsweise eine Abschrägung, Spitze oder dergleichen auf, um ein Eindringen des zweiten Haltezapfens in den flüssigen, vorzugsweise zähflüssigen, Matrixwerkstoff zu verbessern. Vorzugsweise ist der zweite Haltezapfen gemäß dem ersten Haltezapfen ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die zweite Zapfenlängsachse parallel zur ersten Zapfenlängsachse verläuft. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein zuverlässiges Halten sowie Ablegen auf des mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils auf einer Ablageposition zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils verbessert ist.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass die erste Zapfenlängsachse schräg zur zweiten Zapfenlängsachse angeordnet ist. Vorzugsweise erstrecken sich die erste Zapfenlängsachse und die zweite Zapfenlängsachse auf einer gemeinsamen Ebene. Somit weisen die erste Zapfenlängsachse und die zweite Zapfenlängsachse vorzugsweise einen gemeinsamen Schnittpunkt auf. Alternativ können die erste Zapfenlängsachse und die zweite Zapfenlängsachse windschief zueinander angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung auf diese Weise verbesserbar ist. Auf diese Weise lassen sich Abkühlzeiten und somit Prozesszeiten bei der Herstellung eines faserverstärkten Bauteils weiter reduzieren.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass die Hilfsvorrichtung eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des ersten Haltezapfens aufweist. Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung zum Kühlen eines etwaigen zweiten Haltezapfens und/oder etwaiger weiterer Haltezapfen ausgebildet. Die Kühlvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise an der Positioniervorrichtung angeordnet. Weiter bevorzugt weist die Kühlvorrichtung eine erste Kühlfluidleitung zum Heranführen von kühlem Kühlfluid und eine mit der ersten Kühlfluidleitung fluidkommunizierend gekoppelte zweite Kühlfluidleitung zum Abführen des erwärmten Kühlfluids auf. Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf zum Zirkulieren des Kühlfluids sowie zum Kühlen des Kühlfluids auf. Unter einem Kühlfluid wird im Rahmen der Erfindung ein Kühlmittel oder Kältemittel verstanden. Das Kühlfluid kann erfindungsgemäß flüssig oder gasförmig sein. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Abkühlen und somit Verfestigen des flüssigen Matrixwerkstoffs an der Haltevorrichtung verbessert ist. Demnach ist das Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung auf diese Weise verbesserbar.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass der erste Haltezapfen eine Kavität zum Durchleiten eines Kühlfluids aufweist. Vorzugsweise die die Kavität gemäß einem Vorlauf zum Heranführen von kühlem Kühlfluid und einem mit dem Vorlauf fluidkommunizierend gekoppelten Rücklauf zum Abführen des erwärmten Kühlfluids ausgebildet. Vorzugsweise weisen ein etwaiger zweiter Haltezapfen und/oder etwaige weitere Haltezapfen ebenfalls eine solche Kavität auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Abkühlen und somit Verfestigen des flüssigen Matrixwerkstoffs an der Haltevorrichtung verbessert ist. Demnach ist das Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung auf diese Weise verbesserbar.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass der erste Haltezapfen eine Hinterschneidung und/oder einen Gewindezug aufweist. Die Hinterschneidung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein durch die Hinterschneidung bewirkter Widerstand beim Hineinbewegen des ersten Haltezapfens in den Matrixwerkstoff geringer ist als ein durch die Hinterschneidung bewirkter Widerstand beim Herausbewegen des ersten Haltezapfens aus dem Matrixwerkstoff. Der Gewindezug erstreckt sich vorzugsweise um die erste Zapfenlängsachse. Vorzugsweise weist der erste Haltezapfen mehrere Gewindezüge auf. Vorzugsweise weisen ein etwaiger zweiter Haltezapfen und/oder etwaige weitere Haltezapfen ebenfalls einen solchen Formschlussabschnitt auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung verbessert ist.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass die Haltevorrichtung ausgebildet ist, den ersten Haltezapfen um die erste Zapfenlängsachse zu rotieren. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Haltevorrichtung ausgebildet ist, einen etwaigen zweiten Haltezapfen um die zweite Zapfenlängsachse und/oder etwaige weitere Haltezapfen um die jeweilige Zapfenlängsachse zu rotieren. Vorzugsweise weist die Hilfsvorrichtung hierfür einen Antrieb auf. Der Antrieb ist vorzugsweise an der Haltevorrichtung oder an der Positioniervorrichtung angeordnet.
Eine Rotierbarkeit eines Haltezapfens um die Zapfenlängsachse ist erfindungsgemäß insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren Gewindezügen am Haltezapfen vorgesehen, sodass durch eine entsprechende Rotationsrichtung ein Hineinbewegen des Haltezapfens in den Matrixwerkstoff bzw. Herausbewegen des Haltezapfens aus dem Matrixwerkstoff bewirkbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung sowie Lösen des Faserprofils von der Haltevorrichtung verbessert ist.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass der erste Haltezapfen eine Schneidvorrichtung zum Schneiden des Matrixwerkstoffs aufweist. Die Schneidvorrichtung weist vorzugsweise eine Schneidkante auf. Die Schneidkante ist vorzugsweise schräg zur ersten Zapfenlängsachse angeordnet. Vorzugsweise weisen ein etwaiger zweiter Haltezapfen und/oder etwaige weitere Haltezapfen ebenfalls eine solche Schneidvorrichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Eindringen des ersten Haltezapfens in den flüssigen Matrixwerkstoff des Faserprofils verbessert ist.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung bevorzugt, dass die Hilfsvorrichtung eine Vibrationsvorrichtung zum Versetzen des ersten Haltezapfens in Vibration aufweist. Vorzugsweise ist die Vibrationsvorrichtung zum Versetzen eines etwaigen zweiten Haltezapfens und/oder etwaiger weiterer Haltezapfen in Vibrationen ausgebildet. Die Vibrationsvorrichtung ist vorzugsweise an der Haltevorrichtung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Halten des Faserprofils an der Haltevorrichtung sowie Lösen des Faserprofils von der Haltevorrichtung verbessert ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils,
- Bewegen der Haltevorrichtung zum Faserprofil mittels der Positioniervorrichtung,
- Bewegen des ersten Haltezapfens der Haltevorrichtung in den flüssigen Matrixwerkstoff mittels der Haltevorrichtung und/oder der Positioniervorrichtung,
- Lokales Kühlen des Matrixwerkstoffs zumindest im Bereich des ersten Haltezapfens,
- Bewegen des Faserprofils mittels der Hilfsvorrichtung an eine Ablageposition des Faserprofils zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils, und
- Herausbewegen des ersten Haltezapfens aus dem Matrixwerkstoff.

Zunächst wird das mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzte Faserprofil bereitgestellt. Unter einem mit Matrixwerkstoff benetzten Faserprofil wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass zwischen Fasern des Faserprofils Matrixwerkstoff angeordnet ist. Vorzugsweise sind zwischen den Fasern des Faserprofils vorhandene Zwischenräume vollständig mit dem Matrixwerkstoff ausgefüllt. Das mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzte Faserprofil wird vorzugsweise direkt nach dessen Erzeugung bereitgestellt. Weiter bevorzugt erfolgt die Bereitstellung derart, dass das Faserprofil eine freie Stirnseite aufweist. Die freie Stirnseite ragt vorzugsweise aus einer Vorrichtung zur Herstellung des mit Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils heraus.
Anschließend wird die Haltevorrichtung der Hilfsvorrichtung mittels der Positioniervorrichtung der Hilfsvorrichtung an das Faserprofil heranbewegt. Das Heranbewegen erfolgt vorzugsweise derart, dass das erste Zapfenende der freien Stirnseite des Faserprofis gegenüberliegt. Der erste Haltezapfen der Haltevorrichtung wird mittels der Haltevorrichtung und/oder der Positioniervorrichtung in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegt. Vorzugsweise werden ein etwaiger zweiter Haltezapfen und/oder etwaige weitere Haltezapfen ebenfalls mittels der Haltevorrichtung und/oder der Positioniervorrichtung in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegt. Über den ersten Haltezapfen wird der Matrixwerkstoff lokal derart gekühlt, dass sich dieser zumindest derart verfestigt, dass das Faserprofil mittels der Hilfsvorrichtung ziehbar ist. Mittels der Hilfsvorrichtung wird das Faserprofil an die Ablageposition zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils bewegt. Während dieses Vorgangs erfolgt vorzugsweise, wenn nicht bereits vorher erfolgt, ein Ablängen des Faserprofils auf eine vordefinierte Profillänge mittels einer Ablängvorrichtung. Schließlich werden der erste Haltezapfen und etwaige zweite oder weitere Haltezapfen aus dem Matrixwerkstoff herausbewegt.
Bei dem beschriebenen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein zuverlässiges Halten sowie Ablegen des mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils auf einer Ablageposition zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils verbessert ist. Ein Herauspressen des flüssigen Matrixwerkstoffs aus dem Faserprofil wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden, da aufgrund der Verwendung der erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung keine Druckkräfte auf das Faserprofil übertragen werden. Zudem hat die Verwendung der erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung den Vorteil, dass Faserprofile mit einer Vielzahl unterschiedlicher Dimensionen verarbeitbar sind, ohne dass ein Wechsel der Hilfsvorrichtung, wie bei herkömmlichen Greifvorrichtungen, erforderlich ist.
Es ist bevorzugt, dass die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils derart wiederholt ausgeführt werden, dass das faserverstärkte Bauteil schichtweise hergestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass das faserverstärkte Bauteil miteinfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise herstellbar ist.
Es ist bevorzugt, dass ein mit flüssigem Matrixwerkstoff benetztes Faserprofil bereitgestellt wird, welches unidirektional angeordnete Verstärkungsfasern aufweist. Bei einem derartigen Faserprofil sind die Fasern allesamt in nur eine Richtung orientiert. Ein derartiges Faserprofil ist miteinfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise mittels Faserdirektablage zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils verwendbar. Mechanische Eigenschaften des faserverstärkten Bauteils sind somit besonders präzise beeinflussbar.
Es ist bevorzugt, dass das mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzte Faserprofil an einem Wickelauge einer Wickelvorrichtung bereitgestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Faserprofil mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise mittels der Hilfsvorrichtung aus der Wickelvorrichtung herausziehbar ist.
Es ist bevorzugt, dass der erste Haltezapfen der Haltevorrichtung parallel zu den Verstärkungsfasern des Faserprofils in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegt wird. Alternativ kann der erste Haltezapfen auch schräg zu den Verstärkungsfasern in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Anordnen der Haltevorrichtung am Faserprofil mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise verbessert ist.
Eine erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einer Seitenansicht ein erster Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Hilfsvorrichtung gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 in einer Seitenansicht ein zweiter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 in einer Seitenansicht ein dritter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 in einer Seitenansicht ein vierter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 in einer Seitenansicht ein fünfter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 in einer Seitenansicht ein sechster Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 in einer Seitenansicht eine Haltevorrichtung gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung,
8 in einer Seitenansicht eine Haltevorrichtung gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung, und
9 in einer Seitenansicht eine Haltevorrichtung gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erster Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum ersten Zeitpunkt ragt ein Abschnitt eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils 3 aus einem Wickelauge 17 einer Wickelvorrichtung heraus. Eine Haltevorrichtung 2 einer Hilfsvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich des Wickelauges 17 angeordnet und an einer Positioniervorrichtung 4 der Hilfsvorrichtung 1 gehalten. Mittels der Positioniervorrichtung 4 sind eine Position sowie eine Lage der Haltevorrichtung 2 innerhalb eines Arbeitsraums A veränderbar.
Die Haltevorrichtung 2 weist einen ersten Haltezapfen 5 mit einer ersten Zapfenlängsachse 6 und einem der Positioniervorrichtung 4 abgewandten ersten Zapfenende 7 sowie einen zweiten Haltezapfen 8 mit einer zweiten Zapfenlängsachse 9 und einem der Positioniervorrichtung 4 abgewandten zweiten Zapfenende 10 auf. Das erste Zapfenende 7 und zweite Zapfenende 10 weisen jeweils eine Hinterschneidung 13 auf, um einen Halt im Matrixmaterial des Faserprofils 3 zu verbessern. Mittels der Hilfsvorrichtung 1 soll das mit Matrixwerkstoff benetzte Faserprofil 3 zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils in eine Ablageposition P auf einem Ablageobjekt 0 gebracht werden.
In 2 ist ein zweiter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum zweiten Zeitpunkt sind der erste Haltezapfen 5 und der zweite Haltezapfen 8 mittels der Positioniervorrichtung 4 in den Matrixwerkstoff des Faserprofils 3 eingeschoben. Dies führt zu einer lokalen Erstarrung des Matrixwerkstoffs im Bereich des ersten Haltezapfens 5 und des zweiten Haltezapfens 8.
In 3 ist ein dritter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum dritten Zeitpunkt ist ein das Faserprofil 3 mittels der Hilfsvorrichtung 1 etwas aus dem Wickelauge 17 herausgezogen. Eine Ablängvorrichtung 18 ist an das Faserprofil 3 zum Abtrennen des an der Haltevorrichtung 2 gehaltenen Abschnitts des Faserprofils 3 vom restlichen Faserprofil 3 heranbewegt.
In 4 ist ein vierter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum vierten Zeitpunkt ist der an der Haltevorrichtung 2 gehaltene Abschnitt des Faserprofils 3 vom aus dem Wickelauge 17 herausragenden Abschnitt des Faserprofils 3 abgetrennt.
In 5 ist ein fünfter Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum fünften Zeitpunkt ist der an der Haltevorrichtung 2 gehaltene Abschnitt des Faserprofils 3 mittels der Hilfsvorrichtung 1 in der Ablageposition P auf dem Ablageobjekt O abgelegt.
In 6 ist ein sechster Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Zum sechsten Zeitpunkt sind der erste Haltezapfen 5 und der zweite Haltezapfen 8 mittels der Positioniervorrichtung 4 aus dem Faserprofil 3 herausgezogen. Das Faserprofil 3 ist weiterhin in der Ablageposition P angeordnet. Die einzelnen Verfahrensschritte können nun solange wiederholt werden, bis das faserverstärkte Bauteil fertiggestellt ist.
7 zeigt eine Haltevorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung 1 schematisch in einer Seitenansicht. Die Haltevorrichtung 2 weist einen ersten Haltezapfen 5 mit einem Gewindezug auf. In diesem Beispiel ist der Gewindezug als Bohrerschneide ausgebildet, um ein Eindringen in den Matrixwerkstoff sowie ein Lösen vom Matrixwerkstoff zu verbessern. Die erste Haltevorrichtung 2 ist hierfür ausgebildet, den ersten Haltezapfen 5 um dessen erste Zapfenlängsachse 6 mit unterschiedlichen Drehrichtungen zu rotieren.
In 8 ist eine Haltevorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung 1 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Die Haltevorrichtung 2 weist einen ersten Haltezapfen 5 mit einem eine Schneidvorrichtung 15 aufweisenden ersten Zapfenende 7 auf. Ferner weist die Haltevorrichtung eine Kühlvorrichtung 11 mit einer sich durch den ersten Haltezapfen 5 erstreckenden Kavität 12 zum Kühlen des Matrixwerkstoffs sowie eine Vibrationsvorrichtung 16 zum verbesserten Eindringen des ersten Haltezapfens 5 in den Matrixwerkstoff sowie zum verbesserten Lösen des ersten Haltezapfens 5 aus dem Matrixwerkstoff auf.
9 zeigt eine Haltevorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung 1 schematisch in einer Seitenansicht. Die Haltevorrichtung 2 weist einen ersten Haltezapfen 5 und einen zweiten Haltezapfen 8 auf. Die erste Zapfenlängsachse 6 und zweite Zapfenlängsachse 9 sind derart schräg zueinander angeordnet, dass das erste Zapfendende 7 dem zweiten Zapfenende 10 zugewandt ist. Auf diese Weise ist ein Halt der Haltevorrichtung 2 am mit Matrixwerkstoff benetzten Faserprofil 3 verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Hilfsvorrichtung
2: Haltevorrichtung
3: Faserprofil
4: Positioniervorrichtung
5: erster Haltezapfen
6: erste Zapfenlängsachse
7: erstes Zapfenende
8: zweiter Haltezapfen
9: zweite Zapfenlängsachse
10: zweites Zapfenende
11: Kühlvorrichtung
12: Kavität
13: Hinterschneidung
14: Gewindezug
15: Schneidvorrichtung
16: Vibrationsvorrichtung
17: Wickelauge
18: Ablängvorrichtung
A: Arbeitsraum
O: Ablageobjekt
P: Ablageposition

Claims

Hilfsvorrichtung (1) für die Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, aufweisend eine Haltevorrichtung (2) zum Halten eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils (3) und eine Positioniervorrichtung (4) zum Positionieren der Haltevorrichtung (2) in einem Arbeitsraum (A), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) einen ersten Haltezapfen (5) mit einer ersten Zapfenlängsachse (6) und mit einem von der Haltevorrichtung (2) wegweisenden ersten Zapfenende (7) zum Eindringen in den flüssigen Matrixwerkstoff aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) einen zweiten Haltezapfen (8) mit einer zweiten Zapfenlängsachse (9) und mit einem von der Haltevorrichtung (2) wegweisenden zweiten Zapfenende (10) zum Eindringen in den flüssigen Matrixwerkstoff aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zapfenlängsachse (6) schräg zur zweiten Zapfenlängsachse (9) angeordnet ist.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvorrichtung (1) eine Kühlvorrichtung (11) zum Kühlen des ersten Haltezapfens (5) aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Haltezapfen (5) eine Kavität (12) zum Durchleiten eines Kühlfluids aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Haltezapfen (5) eine Hinterschneidung (13) und/oder einen Gewindezug (14) aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) ausgebildet ist, den ersten Haltezapfen (5) um die erste Zapfenlängsachse (6) zu rotieren.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Haltezapfen (5) eine Schneidvorrichtung (15) zum Schneiden des Matrixwerkstoffs aufweist.
Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvorrichtung (1) eine Vibrationsvorrichtung (16) zum Versetzen des ersten Haltezapfens (5) in Vibration.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels einer Hilfsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: - Bereitstellen eines mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzten Faserprofils (3), - Bewegen der Haltevorrichtung (2) zum Faserprofil (3) mittels der Positioniervorrichtung (4), - Bewegen des ersten Haltezapfens (5) der Haltevorrichtung (2) in den flüssigen Matrixwerkstoff mittels der Haltevorrichtung (2) und/oder der Positioniervorrichtung (4), - Lokales Kühlen des Matrixwerkstoffs zumindest im Bereich des ersten Haltezapfens (5), - Bewegen des Faserprofils (3) mittels der Hilfsvorrichtung (1) an eine Ablageposition (P) des Faserprofils (3) zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils, und - Herausbewegen des ersten Haltezapfens (5) aus dem Matrixwerkstoff.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils derart wiederholt ausgeführt werden, dass das faserverstärkte Bauteil schichtweise hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit flüssigem Matrixwerkstoff benetztes Faserprofil (3) bereitgestellt wird, welches unidirektional angeordnete Verstärkungsfasern aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mit flüssigem Matrixwerkstoff benetzte Faserprofil (3) an einem Wickelauge (17) einer Wickelvorrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Haltezapfen (5) der Haltevorrichtung (2) parallel zu den Verstärkungsfasern des Faserprofils (3) in den flüssigen Matrixwerkstoff hineinbewegt wird.