DE102021003591A1

DE102021003591A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Profilbauteilen mittels eines Stützfachwerkes aus Faserverbundmaterial

Info

Publication number: DE102021003591A1
Application number: DE102021003591.7A
Authority: DE
Inventors: Niklas Minsch
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2022-07-07

Abstract

Ein Verfahren zum Fügen von Profilbauteilen (14, 16) mittels harzgetränkter Faserstränge ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Profilbauteile (14, 16) relativ zueinander fixiert werden, Umlenkelemente (20a, 20b) für den Faserstrang an beiden Profilbauteilen (14, 16) in der Umgebung der Fügestelle (13) derart angebracht werden, dass bei der anschließenden Bewicklung mittels eines Faserstrangs die Fasern entlang der Hauptkraftflüsse ausgerichtet sind, die Umlenkelemente (20a, 20b) mittels des harzgetränkten Faserstrangs zur Ausbildung eines Stützfachwerkes (22) umwickelt werden und das Harz zur Fertigstellung des Stützfachwerkes (22) ausgehärtet wird. Bei einem alternativen Verfahren wird ein die Fügestelle der Profilbauteile (14, 16) abbildendes Werkzeug auf gleiche Weise mit Umlenkelementen (20a, 20b) versehen und umwickelt, und anschließend ein gebildetes Stützfachwerk (22) entfernt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Profilbauteilen mittels harzgetränkter Faserstränge, ein damit erzeugtes Stützfachwerk, ein damit gefertigtes Profilbauteil sowie ein Werkzeug zur Bildung des Stützfachwerkes.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbindungsknoten für Leichtbauprofile aus Aluminium oder Kohlefaserwerkstoffen. Da Schweißen bei Aluminium nur schwer möglich ist und bei Kohlefaserwerkstoffen außer bei thermoplastischen Matrixsystemen gar nicht, kann nachteilig nur mit Verbindungselementen gearbeitet werden, die aufwändig durch Guss, Fräs- oder Presstechnik vorgefertigt werden müssen. Über Verschraubungen in die Profile bzw. durch umfassende Schellen für Kraftschluss lassen sich zwar stabile Verbindungen herstellen, aber diese bewirken nachteilig ein erhöhtes Gewicht der Gesamtkonstruktion und müssen langwierig im Vorfeld und/oder kostenintensiv durch 3D-Druck oder Fräsen gefertigt werden. Carbonverbindungen sind in der Regel als Schellen ausgeführt welche den Kraftfluss fixieren, wodurch die Festigkeit und Steifigkeit der Verbindung erheblich reduziert wird.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der US 2014/0093309 A1 bekannt, bei dem die beiden Bauteile an der Stoßstelle vom Faserstrang massiv umwickelt werden. Die auf diese Weise gebildete Verbindung ist aufgrund der vielen Wicklungen schwer und zugleich wenig geeignet, große Biege- oder Zugkräfte zwischen den Bauteilen aufzunehmen.
Aus der DE 10 2017 011 461 A1 und der WO 2015/040050 A1 sind Verfahren zur Herstellung von fachwerkartigen Bauteilen aus bewickelten Umlenkelementen bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen von Profilbauteilen, insbesondere aus Leichtmetallen oder Faserverbundwerkstoffen bereitzustellen, dass sehr leichte und zugleich hochfeste Verbindungen zwischen den gefügten Profilbauteilen ermöglicht. Es ist ferner Aufgabe, eine Verbindungskonstruktion zur Verbindung von zu fügenden Profilbauteilen und ein Werkzeug bereitzustellen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Aufgabe wird gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die zu fügenden Profilbauteile relativ zueinander fixiert werden, Umlenkelemente für den Faserstrang an beiden Profilbauteilen im Bereich der Fügestelle derart angebracht werden, dass bei der anschließenden Bewicklung mittels eines Faserstrangs die Fasern entlang der Hauptkraftflüsse ausgerichtet sind, die Umlenkelemente mittels des harzgetränkten Faserstrangs zur Ausbildung eines Stützfachwerkes umwickelt werden und Harz zur Fertigstellung des Stützfachwerkes ausgehärtet wird.
Diese erfinderische Ausbildung ermöglicht ein flexibles, schnelles und kostengünstiges Fügen von Profilbauteilen, das zudem eine hochfeste Verbindung gewährleistet, weil die Fasern in Richtung der Hauptkraftflüsse ausgerichtet sind. Dadurch lässt sich ein sehr niedriges Gewicht der Fügung gepaart mit hoher Haltekraft erreichen.
Dazu werden auf einer Vorrichtung als Lehre oder Schablone oder schon den endgültigen Profilbauteilen in Endlage selbst Umlenkelemente als Wickelhülsen fixiert, die annähernd oder ganz rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Diese Umlenkelemente dienen zusammen mit der Vorrichtung oder den Profilbauteilen in Endlage als Störkontur für die wickeltechnische Faserablage.
In Abhängigkeit der Größe der Verbindung werden mehr oder weniger Umlenkelemente verwendet. Die Fasern werden anschließend entlang der Hauptkraftflüsse mit einem Roboter appliziert. Dazu wird vorzugsweise ein Roboter mit einem vollintegrierten Roboterwerkzeug mit möglichst kleinem Bauraum, das in alle Raumrichtungen verdreht und bewegt werden kann, ohne dass das eingesetzte, flüssige Harzsysteme austritt.
Die Umlenkelemente werden insbesondere mittels Schrauben oder Nieten oder Verklebungen an den zu fügenden Profilbauteilen fest angebracht. Im einfachsten Fall sind selbstschneidende Schrauben vorgesehen, die direkt in die Profilbauteile eingeschraubt werden. Sofern die Profilbauteile aus Metall bestehen, können auch Gewinde vorgeschnitten worden sein, und die Umlenkelemente bzw. das damit verbundene Stützfachwerk mittels Maschinenschrauben fixiert werden. Bei der Verwendung von Profilbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen werden vorzugsweise gewindehülsenartige Einsätze vorgesehen, die in einem vorherigen Schritt mit dem Profilbauteil verbunden werden, insb. mittels Kleben, oder solche Einsätze werden bei der Herstellung des betreffenden Profilbauteils bei der Faseranordnung eingebettet, um eine Unterbrechung der Fasern zu vermeiden.
Durch den kleinen Bauraum des Werkzeuges kann über die bestehenden Hohlräume des Gesamtkonstrukts die Verbindungstechnik durch den Roboter, der in die Hohlräume im Rahmen des Wickelprozesses eingreift, realisiert werden. Durch die Flexibilität der Wickeltechnik lassen sich verschiedenste Winkel zwischen den Profilen kostengünstig, schnell und mit sehr geringem Gewicht realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Fügen von komplexen Verbindungsgeometrien, jegliche Profilbauteilkombinationen, Materialkombinationen, Größenkombinationen und Winkelkombinationen ermöglicht ein hochwertige Verbindungen von Profilbauteilen über Form- und Kraftschluss.
Die Aufgabe wird ferner gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung gemäß Anspruch 2 durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Stützfachwerkes für das Fügen von Profilbauteilen mittels harzgetränkter Faserstränge dadurch gelöst, dass die zu fügenden Profilbauteile mit ersten Elementaufnahmen zur späteren Aufnahme von Umlenkelementen bereitgestellt werden, ein Werkzeug mit der Außenkontur der Profilbauteile in der Umgebung der Fügestelle bereitgestellt wird, das mehrere zweite Elementaufnahmen zur entfernbaren Aufnahme der Umlenkelemente an den gleichen Stellen wie die ersten Elementaufnahmen in den zu fügenden Profilbauteilen aufweist, so dass bei der anschließenden Bewicklung mittels eines Faserstrangs die Fasern entlang der Hauptkraftflüsse der gefügten Profilbauteile ausgerichtet sind, die Umlenkelemente lösbar in den zweiten Elementaufnahmen des Werkzeugs befestigt werden, die Umlenkelemente mittels des Faserstranges zur Ausbildung eines Stützfachwerkes umwickelt werden. Vor der Entformung vom Werkzeug wird bei Raumtemperatur oder in einem Ofen das Harz ausgehärtet, wodurch das Stützfachwerk formfest wird. Nach Lösen der Umlenkelemente von den zweiten Elementaufnahmen vom Werkzeug entfernt wird. Das Stützfachwerk steht dann bereit für die Montage an den zu fügenden Profilbauteilen.
Bei dieser Ausbildung wird ein Stützfachwerk vorgefertigt, was noch einfacher als bei der ersten Ausbildung erfolgen kann, da ein robotergeführtes Faserappliziergerät sich einfacher um ein relativ kleines Werkzeug mit den angebrachten Umlenkelementen zur Ausführung des Wickelvorgangs herumbewegen kann als wenn der Wickelvorgang in situ erfolgt, bei dem möglicherweise komplex geformete Profilbauteile oder damit verbundene weitere Bauteile bei der Bewegung des Faserappliziergerätes mit berücksichtigt werden müssen, um Kollisionen zu vermeiden. Das so hergestellte Stützfachwerk wird in einem zweiten Schritt an der entsprechenden Fügestelle der Profilbauteile platziert und die Umlenkelemente werden in den ersten Elementaufnahmen in den Profilbauteilen fixiert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mindestens eines der zu fügenden Profilbauteile bestehend aus Leichtmetall, insbesondere einer Aluminium- oder Titanlegierung, verwendet. Die Erfindung eignet sich vor allem für das Fügen von Profilbauteilen aus leichten Metallwerkstoffen, bei denen hochfeste Verbindungen nur schwer herzustellen sind, weil insb. ein Schweißen von Aluminiumlegierungen aufwändig und schwierig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird mindestens eines der zu fügenden Profilbauteile bestehend aus einem Kohle-, Aramid- oder Glasfaserverbundwerkstoff verwendet. Es kann natürlich auch ein Bauteil aus einem Leichtmetall mit einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff gefügt werden. Besonders schwierig ist das Fügen von Bauteilen aus Faserverbundstoffen, weil bei diesen ein Schweißen nicht möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden Umlenkelemente verwendet, die als Hülsen ausgebildet sind und lösbar, vorzugsweise mittels Maschinenschrauben, mit dem Bauteil bzw. dem Werkzeug verbindbar sind.
Die Erfindung umfasst ferner ein Stützfachwerk zum Fügen von Profilbauteilen mittels harzgetränkter Faserstränge, das eine Anzahl umwickelter Umlenkelemente aufweist und das hergestellt ist nach dem oben beschriebenen Verfahren.
Die Erfindung umfasst ferner ein Konstrukt bestehend aus mindestens zwei gefügten Profilbauteilen, das nach einem der vorher beschriebenen Verfahren von Anspruch 1 oder 2 gefertigt ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Werkzeug zur Verwendung bei dem oben beschriebenen Verfahren, das die Außenkontur der zu fügenden Profilbauteile in der Umgebung der Fügestelle sowie zweite Elementaufnahmen zur lösbaren Fixierung von Umlenkelementen aufweist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: eine perspektivische Darstellung eines Werkzeuges,
2: eine perspektivische Darstellung eines Werkzeuges mit Umlenkelementen,
3: eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugs mit fertigem Stützfachwerk,
4: eine perspektivische Darstellung eines Stützfachwerkes,
5: eine erste Ausführungsform des Umlenkelementes,
6: eine zweite Ausführungsform des Umlenkelementes.

In den 1 und 2 ist perspektivisch ein L-förmiges Werkzeugstützelement 10 dargestellt, das verschiedene Fixierbohrungen 12 aufweisen kann, um dieses an einem nicht gezeigten Montagetisch o.ä. zu fixieren. An dem Werkzeugstützelement 10 werden bei einer Ausbildung der Erfindung zwei an einer Fügestelle 13 zu fügende Profilbauteile 14, 16 in ihrer zu fügenden Anordnung über nicht dargestellte Fixiermittel angebracht.
In einer zweiten Ausbildung der Erfindung wird ein Werkzeug 18 an dem Werkzeugstützelement 10 angebracht, das die gleiche Außenkontur aufweist wie die Profilbauteile 14, 16. Insoweit ist der einzige optische Unterschied zwischen der Fixierung eines Werkzeuges 18 und der Fixierung von zwei Profilbauteilen 14, 16, dass diese nicht an den Stellen 21 enden wie ein Werkzeug, das nur die Umgebung der Fügestelle der beiden Profilbauteile 14, 16 abbildet, sondern sich weiter erstrecken. Für die Erläuterung der Erfindung können die 1 und 2 jedoch gleichermaßen die beiden Profilbauteile 14, 16 als auch ein Werkzeug 18 darstellen.
Bei der ersten Ausbildung sind in den zwei zu fügenden Profilbauteilen 14, 16 eine Anzahl erster Elementaufnahmen 19 zur Aufnahme und Fixierung von Umlenkelementen 20a, 20b ausgebildet. In einfachster Ausbildung, vor allem wenn die Profilbauteile 14, 16 aus Leichtmetall bestehen, sind die Elementaufnahmen 19 lediglich Gewindebohrungen zur Aufnahme nicht gezeigter Maschinenschrauben. Alternativ können die Umlenkelemente 20a, 20b auch auf andere Weise unlösbar mit den Profilbauteilen 14, 16 verbunden werden, beispielsweise mittels Nieten oder Kleben. In 2 sind die Elementaufnahmen 19 als an den Profilbauteilen 14, 16 angeschraubt dargestellt. In der zweiten Ausbildung würde alles gleich aussehen, nur würde es sich um das L-förmige Werkzeug 18 handeln, an dem die Umlenkelemente 20a, 20b lösbar angeschraubt sind. In den 5 und 6 sind zwei Ausbildungen für Umlenkelemente 20a, 20b dargestellt. Da das Werkzeug 18 aus einem Metall (nicht zwingend Leichtmetall) besteht, wären auch in diesem Fall die zweiten Elementaufnahmen 19 Gewindebohrungen. Sofern mindestens eines der Profilbauteile 14, 16 aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, sind die Elementaufnahmen 19 zur Ausbildung einer besonders festen Verbindung als metallische Gewindehülsen ausgebildet, die beim Herstellungsprozess des Profilbauteils vor dem Aushärten eingesetzt oder umwickelt wurden. Alternativ ist es auch möglich, die Gewindehülsen in Bohrungen des Faserverbund-Profilbauteils einzusetzen bzw. einzukleben. In beiden Ausbildungen sind die Elementaufnahmen 19 derart angeordnet, dass die diese später umwickelnden Fasern in Richtung der Hauptkraftlinien ausgerichtet sind, um die hohe Zugfestigkeit der Fasern optimal ausnutzen zu können.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die Elementaufnahmen 19 mittels einer robotergeführten Wickelmaschine mit einem harzgetränkten Faserstrang nach einem vorgegebenen Schema automatisiert umwickelt, vorzugsweise mit einer Vorrichtung, wie in der DE 10 2021 001 342 beschrieben. Im Ergebnis des Wickelprozesses ist dann ein Stützfachwerk 22 entstanden, das vorzugsweise durch Wärmezufuhr ausgehärtet wird. Sofern es sich auf den zu fügenden Profilbauteilen befindet, ist der Fügeprozess beendet. Sofern sich das gebildete Stützfachwerk 22 auf dem L-förmigen Werkzeug 18 befindet, sind die nicht gezeigten Maschinenschrauben zu lösen, welche die Umlenkelemente 20a, 20b am Werkzeug 18 fixieren. Anschließend wird das Stützfachwerk 22 vom Werkzeug 18 entfernt, was in 4 gezeigt ist, und kann dazu verwendet werden, in einem separaten Montagevorgang zwei Profilbauteile 14, 16 zu fügen, in dem diese in die richtige Position zueinander gebracht werden, das Stützfachwerk 22 aufgesetzt und mittels Maschinenschrauben über die Umlenkelemente 20a, 20b an den Profilbauteilen 14, 16 befestigt wird.
Wie oben erwähnt, ist in 5 eine erste Form eines Umlenkelementes 20a und in 6 eine zweite Form eines Umlenkelementes 20b dargestellt. Das Umlenkelement 20a ist hülsen- bzw. felgenartig ausgebildet und weist eine zentrale Bohrung für eine Maschinenschraube zur Fixierung an einem Profilbauteil 14, 16 oder einem Werkzeug 18 auf. Die zweite Form eines Umlenkelementes 20b weist in der gezeigten Ausführung zwei Bohrungen für zwei Maschinenschrauben auf.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0093309 A1 [0003]
DE 102017011461 A1 [0004]
WO 2015/040050 A1 [0004]
DE 102021001342 [0026]

Claims

Verfahren zum Fügen von Profilbauteilen (14, 16) mittels harzgetränkter Faserstränge, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Profilbauteile (14, 16) relativ zueinander fixiert werden, Umlenkelemente (20a, 20b) für den Faserstrang an beiden Profilbauteilen (14, 16) in der Umgebung der Fügestelle (13) derart angebracht werden, dass bei der anschließenden Bewicklung mittels eines Faserstrangs die Fasern entlang der Hauptkraftflüsse ausgerichtet sind, die Umlenkelemente (20a, 20b) mittels des harzgetränkten Faserstrangs zur Ausbildung eines Stützfachwerkes (22) umwickelt werden und das Harz zur Fertigstellung des Stützfachwerkes (22) ausgehärtet wird.
Verfahren zur Erzeugung eines Stützfachwerkes für das Fügen von Profilbauteilen (14, 16) mittels harzgetränkter Faserstränge, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Profilbauteile (14, 16) mit ersten Elementaufnahmen (19) zur späteren Aufnahme von Umlenkelementen (20a, 20b) bereitgestellt werden, ein Werkzeug (18) mit der Außenkontur der Profilbauteile (14, 16) in der Umgebung der Fügestelle (13) bereitgestellt wird, das zweite Elementaufnahmen (19) zur entfernbaren Aufnahme der Umlenkelemente (20a, 20b) an den gleichen Stellen wie die ersten Elementaufnahmen (19) in den zu fügenden Profilbauteilen (14, 16) aufweist, so dass bei der anschließenden Bewicklung mittels eines Faserstrangs die Fasern entlang der Hauptkraftflüsse der gefügten Profilbauteile (14, 16) ausgerichtet sind, die Umlenkelemente (20a, 20b) lösbar in den zweiten Elementaufnahmen (19) des Werkzeugs (18) befestigt werden, die Umlenkelemente (20a, 20b) mittels des Faserstranges zur Ausbildung eines Stützfachwerk (22) umwickelt werden, nach Aushärtung des Harzes das derart gebildete Stützfachwerkes (22) nach Lösen der Umlenkelemente (20a, 20b) von den zweiten Elementaufnahmen (19) vom Werkzeug (18) entfernt wird und bereitsteht für die Montage an den zu fügenden Profilbauteilen (14, 16).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Stützfachwerk (22) an der Fügestelle (13) der Profilbauteile (14, 16) platziert wird und die Umlenkelemente (20a, 20b) in den ersten Elementaufnahmen (19) in den Profilbauteilen (14, 16) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zu fügenden Profilbauteile (14, 16) bestehend aus Leichtmetall verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zu fügenden Profilbauteile (14, 16) bestehend aus einem Kohle-, Aramid- oder Glasfaserverbundwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkelemente (20a) verwendet werden, die als Hülsen (20a) ausgebildet sind und über Maschinenschrauben mit dem Bauteil bzw. dem Werkzeug verbindbar sind.
Stützfachwerk zum Fügen von Profilbauteilen mittels harzgetränkter Faserstränge, das eine Anzahl umwickelter Umlenkelemente (20a, 20b) aufweist, das hergestellt ist nach dem Verfahren von Anspruch 2.
Konstrukt, umfassend mindestens zwei gefügte Profilbauteile (14, 16), das hergestellt ist nach dem Verfahren von Anspruch 1 oder 2.
Werkzeug (18) zur Verwendung bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2, das die Außenkontur der zu fügenden Profilbauteile (14, 16) in der Umgebung der Fügestelle (13) sowie zweite Elementaufnahmen (19) zur lösbaren Fixierung von Umlenkelementen (20a, 20b) aufweist.