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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibe aus Kunststoff mit einer Faser und ein Verfahren zur Herstellung.
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Zahnräder werden in der Technik in vielen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise finden sie immer dann Verwendung, wenn von einem Motor Kraft auf eine Welle übertragen werden soll. Je nach Anwendungsgebiet sind die Zahnräder aus unterschiedlichen Materialien. Bei einer größeren Beanspruchung sind die Zahnräder in der Regel aus Metall, aus Eisenmetall oder Leichtmetall. Bei geringeren Belastungen werden auch Kunststoffzahnräder eingesetzt, insbesondere wenn eine geringere mechanische Beanspruchung erfolgt.
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Kunststoffzahnräder sind auf unterschiedliche Arten herstellbar. Sie sind leicht, günstig und in vielen Anwendungen ausreichend geeignet in Bezug auf Festigkeit und Lebensdauer. Bei höheren Beanspruchungen kommt das Material jedoch häufig schnell an seine Festigkeits- und Belastungsgrenze. Insbesondere die Festigkeit des Zahnfu-ßes von Zahnrädern aus Kunststoff sowie die erlaubten Flächenpressungen der Zahnflanken sind deutlich geringer im Vergleich zu Zahnrädern aus Stahl. Sie können daher nur für mittlere und geringe Belastungen eingesetzt werden.
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Metallzahnräder sind jedoch schwerer, teurer und aufwendiger zu fertigen. Allerdings sind sie für höhere Belastungen einsetzbar und halten auch höheren Temperaturen stand.
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Zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern sind unterschiedliche Fertigungsverfahren bekannt. Beispielsweise können Kunststoffzahnräder in traditioneller Spritzgusstechnik erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, Kunststoffzahnräder im 3D-Druckverfahren herzustellen.
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Im Stand der Technik besteht also ein Bedarf, leichte Zahnräder aus Kunststoff herzustellen, die eine höhere Festigkeit haben und größere Belastungen aushalten. Es stellt sich somit die Aufgabe, ein verbessertes Zahnrad aus Kunststoff vorzuschlagen.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Scheibe aus Kunststoff mit einer durchgehenden Faser, die in mehreren Lagen verlegt ist und die in wenigstens einem Teil der Lagen spiralförmig verlegt ist, wobei die Faser durchgehend derart verlegt ist, dass die Faser mehrere Lagen umfasst, und wobei die Faser in Kunststoffmaterial eingebettet ist.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Scheibe aus Kunststoff mit einer durchgehenden Faser.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des darin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt entsprechend der für das Verfahren in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Scheibe hat den Vorteil, dass die Faser in dem Kunststoff entsprechend den Anforderungen an die Krafteinleitung und Kraftverteilung verlegt werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Scheibe als Zahnrad ausgebildet ist. So können Stellen oder Bereiche der Scheibe bzw. eines Zahnrads, die in der geplanten Anwendung besonders beansprucht werden, beispielsweise mit einer höheren Faserdichte versehen sein oder die Faser mehrlagig verlegt sein, wobei die Verlegerichtung angepasst sein kann, um Stabilität in mehreren Richtungen herzustellen.
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Die durchgehende Faser kann bevorzugt entlang einer vorgegebenen Trajektorie verlegen sein. Die Trajektorie beschreibt dabei eine Form einer Haltestruktur, um die Scheibe oder das Zahnrad zu bilden. Dabei bildet die Haltestruktur im Wesentlichen die Form der Scheibe oder des Zahnrads nach. Unterschiedliche Haltestrukturen können hierzu gewählt werden. Die Haltestruktur ist jedoch so zu verstehen, dass nach Auffüllen der Haltestruktur mit Kunststoffmaterial eine Scheibe oder ein Zahnrad in seiner gewünschten Form entsteht. Die Haltestruktur kann deshalb unterschiedliche Ausprägungen annehmen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scheibe ist sie als Zahnrad ausgebildet und hat an ihrer Außenkontur wenigstens einen Zahn. Die Kontur des wenigstens einen Zahns an der Außenkontur wird von einem Abschnitt der Faser der Scheibe gebildet. Die Faser muss also derart verlegt werden, dass wenigstens ein Zahn eines Zahnrads nachgebildet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Faser zunächst in Form eines Zahnrads verlegt sein, beispielsweise mittels eines Verlegekopfs einer 3D-Druckvorrichtung, der entsprechend dazu eingerichtet ist. Hierbei kann die Form des Zahnrads auf unterschiedliche Weise beschrieben werden. Auch kann die Faser in entsprechenden Formen, Positionen und Windungen verlegt werden. Eine Optimierung des Verlegewegs kann vorgesehen sein, was insbesondere deshalb Sinn macht, weil die Faser durchgehend ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Scheibe oder das Zahnrad aus Kunststoff eine Faser, die durchgehend ist und in mehreren Lagen verlegt ist. Durchgehend ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Faser quasi unendlich lang ist, jedenfalls sehr lang. Die Faser ist jedenfalls so lang, dass sie sich über wenigstens zwei Lagen erstreckt. Die Scheibe aus Kunststoff ist damit mehrlagig und weist mehrere Schichten auf. Die Begriffe „Lagen“ und „Schichten“ werden hier synonym verwendet. In wenigstens einem Teil der Lagen oder Schichten ist die Faser spiralförmig verlegt, um den Rumpf oder den Grundkörper der Scheibe in der entsprechenden Lage abzubilden. Die Faser ist durchgehend verlegt, sodass sie mehrere Lagen umfasst und ohne Unterbrechung von einer Lage in weitere Lagen verlegt ist. Dabei ist die Faser in Kunststoff eingebettet, also von Kunststoff umhüllt. Eine derartige Scheibe vereint die Vorteile einer Kunststoffscheibe in Bezug auf Gewicht und Kosten mit den Vorteilen einer Metallscheibe in Bezug auf Festigkeit, Belastbarkeit und Langlebigkeit.
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Die hier verwendeten Fasern können aus Kunststoffen oder aus natürlichen Stoffen hergestellt sein. Kunstfasern aus Kunststoff sind beispielsweise Carbonfasern, die sich als besonders geeignet erwiesen haben, Glasfasern, Aramidfasern oder ähnliche Kunstfasern. Hier können gängige Materialien verwendet werden. Auch ist es möglich, dass Fasern aus Metall oder aus Legierungen sind. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von natürlichen Fasern, wie etwa Hanf oder andere Naturmaterialien. Je nach Anwendungsfall kann die geeignete Faser gewählt werden.
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Der vorzugsweise verwendete Kunststoff zur Herstellung der Scheibe oder des Zahnrads ist ein Thermoplast. Bevorzugt wird der Thermoplast in einem 3D-Druckverfahren aufgedruckt bzw. aufgespritzt. Auch Spritzgussverfahren sind denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scheibe ist die Faser über alle Lagen der Scheibe durchgehend verlegt. Durchgehend verlegt bedeutet, dass die Faser bevorzugt vom Anfang der Verlegearbeiten bis zum Ende der letzten Lage der Scheibe durchgehend, also ohne Unterbrechung, ist. Auf diese Weise kann eine besonders feste, aber dennoch leichte Struktur für die Scheibe gebildet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einer Randlage der Scheibe oder des Zahnrads, bevorzugt in der oberen Randlage der Scheibe, im Herstellungsprozess eine weitere Lage für einen Wellenabschnitt vorgesehen. Die Faser wird dabei derart durchgehend verlegt, dass sie von der Scheibe in eine Welle bzw. einen Wellenabschnitt übergeht und in der Welle lagenweise durchgehend verlegt ist. Auf diese Weise ist es möglich, ein Bauteil herzustellen, bei dem eine Scheibe und eine Welle einstückig miteinander verbunden sind. Scheibe und angeformte Welle sind somit einstückig und weisen eine hohe Stabilität auf.
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Derartige Kombinationen oder Bauteile entsprechen im Prinzip einem Lasteinleitelement, wie es für Hohlwellen aus Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff verwendet wird, damit von einem Antrieb erzeugte Kraft auf eine Welle übertragen werden kann. Die Verbindung von Lasteinleitelement zur Hohlwelle kann durch Presspassung erfolgen, da die Welle aufgrund der Faserstruktur stabil ist und somit eine hohe Festigkeit mit einer sehr hohen Belastungsgrenze aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Faser in jeder Lage in einem ersten Abschnitt derart verlegt, dass die Form wenigstens eines Zahns gebildet wird. Hierbei kann beispielsweise die Außenkontur des Zahns gebildet sein. In einem zweiten Abschnitt wird die Faser in dem Zahnrad derart verlegt, dass wenigstens ein Teil des Rumpfes des Zahnrads bzw. des Körpers oder der Nabe des Zahnrads gebildet wird. Die Faser verläuft dabei durchgehend von einem Abschnitt zum anderen. Vorzugsweise wird hierbei in dem ersten Abschnitt nicht nur die Außenkontur des Zahns durch die Faser gebildet. Bevorzugt ist die Faser so verlegt, dass eine Haltestruktur entsteht, die den Zahn des Zahnrads abbildet. Spätestens dann, wenn das Kunststoffmaterial aufgebracht ist und die Faser wenigstens teilweise umhüllt ist, wird die Form des Zahns gebildet. Bevorzugt werden dabei auch Hohlräume zwischen Faserteilen oder Fasersegmenten gefüllt.
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In dem zweiten Abschnitt, in dem die Faser so verlegt ist, dass der Rumpf oder Körper des Zahnrads gebildet wird, ist die Faser vorzugsweise spiralförmig verlegt. Sie kann dabei beispielsweise in einer Lage an der Innenkontur beginnen und dann spiralförmig bis an den äußeren Rand des Rumpfes verlegt sein, bevor die Faser dann in dem ersten Abschnitt die Form und Kontur wenigstens eines oder mehrerer Zähne bildet. Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform kann eine Innenkontur umfassen, die beispielsweise eine Struktur mit Speichen aufweist, wie sie in Fahrradreifen oder Autofelgen vorkommt. Denkbar ist auch eine Struktur mit Hohlräumen, wie etwa ein typisches 3D-Druck-Infill-Muster (Zick-Zack-Form o.ä.), um durch die Hohlräume Material und Gewicht zu sparen. Die Fasern sind in allen Fällen mit Kunststoff umhüllt und dadurch in ihrer Position fixiert.
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Zur Bildung der Form eines Zahnes, eines Teils der Zähne oder aller Zähne für das Zahnrad ist die Faser in Form einer Haltestruktur verlegt. Hierbei sind unterschiedliche Verlegearten und Verlegeformen möglich, je nach Anwendungsgebiet und Einsatzbereich des Zahnrads. Soll beispielsweise die Zahnfußfestigkeit oder die Flankentragfähigkeit der einzelnen Zähne des Zahnrads sehr stark erhöht werden, kann dies bei der Art der Verlegung und der Form der Haltestruktur Berücksichtigung finden. Ebenso kann die Verlegedichte der Faser in einer Lage in Abhängigkeit des Einsatzbereichs für das Zahnrad variiert werden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Scheibe aus Kunststoff mit einer durchgehenden Faser wird die Faser zunächst in einer ersten Lage entlang einer ersten vorgegebenen Rumpf-Trajektorie derart verlegt, dass der Rumpf der Scheibe in dieser Lage gebildet wird. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Überleiten von der ersten Lage in eine weitere Lage, die in der Regel oberhalb der ersten Lage angeordnet ist. Das Verlegen der Faser in der weiteren Lage erfolgt dann entlang einer weiteren vorgegebenen Rumpf-Trajektorie derart, dass der Rumpf der Scheibe in dieser Lage gebildet wird. Dabei können die erste Rumpf-Trajektorie und die zweite Rumpf-Trajektorie voneinander abweichen. Es ist auch möglich, dass beide Trajektorien gleich sind. Möglich ist auch, dass die Trajektorien in unterschiedlichen Richtungen von einem Verlegekopf einer entsprechenden Vorrichtung abgefahren werden und die Faser also in unterschiedlichen Richtungen verlegt ist. Ein weiterer Schritt des Verfahrens sieht das Aufdrucken oder Aufspritzen eines Kunststoffmaterials auf die verlegte Faser vor. Vorzugsweise erfolgt ein Aufspritzen mittels eines Druckverfahrens, insbesondere eines 3D-Druckverfahrens. Der Verfahrensschritt des Aufbringens des Kunststoffmaterials kann entweder parallel zum Verlegen der Faser in einer Lage erfolgen oder am Ende, sobald der Schritt des Verlegens in einer Lage ausgeführt ist. Das Kunststoffmaterial wird also erst dann aufgebracht, wenn eine gesamte Lage verlegt worden ist. Möglich ist es jedoch auch, dass die Faser über mehrere Lagen, beispielsweise zwei oder drei Lagen, verlegt wird und erst am Ende nach Verlegen der drei Lagen das Kunststoffmaterial aufgebracht wird. In welcher Form das Aufbringen des Kunststoffmaterials und/oder Verlegen der Faser erfolgt, kann von unterschiedlichen Prozessparametern oder der eingesetzten Vorrichtung abhängen. Auch kann durch unterschiedliche Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte die Struktur und/oder die Eigenschaften der herzustellenden Scheibe beeinflusst werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Fasern über mehrere Lagen gelegt werden und nur punktuell durch einen 3D-Druckpunkt fixiert werden, sodass das Fasergebilde am Ende umspritzt werden kann. Auch ist eine Umspritzung eines losen Fasergebildes denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Faser in einem ersten Abschnitt entlang einer Außenkontur des Zahnrads verlegt und in einem zweiten Abschnitt entlang einer Innenkontur. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt müssen nicht direkt aneinander anschließen. Es können auch weitere Abschnitte dazwischen sein, in denen beispielsweise Rumpf, Nabe oder Körper des Zahnrads in der jeweiligen Ebene bzw. Lage verlegt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bildet das oben genannte Verfahren die Grundlage zur Herstellung eines Zahnrads aus Kunststoff mit einer durchgehenden Faser. Das Verfahren umfasst hierbei weitere Schritte. Einer der Schritte betrifft das Verlegen der Faser in einer ersten oder in einer weiteren Lage entlang einer vorgegebenen Zahn-Trajektorie derart, dass die Form wenigstens eines Zahns des Zahnrads in dieser Lage gebildet wird. Das Bilden der Form des Zahns des Zahnrads ist so zu verstehen, dass entweder nur die Außenkontur oder die Außenkontur und eine weitere Struktur, beispielsweise eine Haltestruktur, verlegt werden, sodass nach Auffüllen und Umhüllen der Faser eine flächige durchgängige Form des Zahns in der jeweiligen Lage gebildet wird.
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Ein weiterer Schritt umfasst das Verlegen der Faser in der ersten oder der weiteren Lage derart, dass die Faser zwischen der Rumpf-Trajektorie und der Zahn-Trajektorie verläuft. Es erfolgt also ein Übergang von der einen Trajektorie zur anderen. Möglich ist auch, dass ein Übergang der Rumpf-Trajektorie in einer ersten Lage zu einer Rumpf-Trajektorie in einer zweiten Lage erfolgt. Ebenfalls ist es möglich, dass ein Übergang von einer Zahn-Trajektorie der ersten Lage zu einer Zahn-Trajektorie der zweiten Lage erfolgt. Weiterhin ist es möglich, dass ein Übergang von einer Rumpf-Trajektorie einer Lage zu einer Zahn-Trajektorie der anderen Lage gebildet wird.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Verlegen der Faser von einer Randlage, bevorzugt der oberen Randlage, der Scheibe oder des Zahnrads zu einem Wellenabschnitt entlang einer Wellen-Trajektorie. Das Verlegen erfolgt derart, dass die Faser in einer weiteren Lage, also oberhalb der Randlage der Scheibe oder des Zahnrads, die Form einer angeformten Welle bildet. Auf diese Weise ist es möglich, wenn in einem weiteren Schritt die Faser dann in weiteren Lagen die Form einer angeformten Welle nachbildet, dass eine Welle gebildet wird. So entsteht insgesamt ein Bauteil, bei dem am Ende einer Welle eine Scheibe oder ein Zahnrad einstückig angeformt sind.
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Durch ein derartiges Bauteil wird ein weiteres Problem im Stand der Technik gelöst, das beispielsweise bei Carbonwellen oder kunststoffverstärkten Kunststoffwellen auftritt. Bei Carbonwellen etwa, die mit einer Verbindung zu anderen Teilen durch eine beispielsweise Passverzahnung ausgeführt sind, müssen immer aufwendig Hybridbauteile an den Schnittstellen eingesetzt werden. Diese sind jedoch sehr anfällig durch Sprünge der Materialeigenschaften an den Übergängen. Derartige Schwachstellen werden durch das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte neue Bauteil ausgeräumt.
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Selbstverständlich ist es möglich, auch an dem anderen Ende der Welle dann die Faser von der Wellen-Trajektorie in eine Zahn-Trajektorie oder Rumpf-Trajektorie übergehen zu lassen, sodass auch am weiteren Ende der Welle eine Scheibe oder ein Zahnrad angeformt werden kann. Auf diese Weise kann eine Welle entstehen, die an beiden Enden eine Scheibe und/oder ein Zahnrad einstückig angeformt hat.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1a, 1b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2a, 2b eine schematische Darstellung eines mehrlagigen Zahnrads;
- 3a, 3b eine schematische Darstellung eines mehrlagigen Zahnrads;
- 4a, 4b eine mögliche Trajektorie für den Verlauf einer verlegten Faser;
- 5 mögliche Verlegearten einer Faser zur Bildung eines Zahns eines Zahnrads;
- 6 eine schematische Darstellung eines Lasteinleitelements mit einer Welle; und
- 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einem Aspekt der Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Herstellen einer Scheibe oder eines Zahnrads aus Kunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer durchgehenden Faser 12, die von einem Verlegekopf 14 auf einer Trägerplatte 16 abgelegt wird. Die Vorrichtung umfasst auch einen Druckkopf 18 zum Aufbringen von Kunststoffmaterial 20 auf die bereits verlegte Faser 12. Sowohl Verlegekopf 14 wie auch Druckkopf 18 sind in wenigstens einer Ebene, bevorzugt parallel zur Trägerplatte 16, verfahrbar. Der Verlegekopf 14 ist dazu ausgerichtet, die durchgehende, lange Faser 12 entlang einer vorgegebenen Trajektorie zu verlegen, wobei die erste Lage der Faser 12 auf der Trägerplatte 16 abgelegt wird. Die Trajektorie gibt die Form einer Haltestruktur des herzustellenden Bauteils, insbesondere die Form der Scheibe oder des Zahnrads, vor. Optional kann der Verlegekopf auch in seiner Höhe, also in einer dritten Dimension, bewegt werden.
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Der Druckkopf 18 ist zum Aufbringen von Kunststoffmaterial geeignet. Er kann als Druckkopf eines 3D-Druckers ausgebildet sein oder als Düse einer Spritzgussvorrichtung. Jedenfalls muss der Druckkopf 18 geeignet sein, Kunststoffmaterial auf die Faser aufzubringen. Eine Beschränkung auf reines Drucken ist nicht gegeben. Der Druckkopf 18 ist bevorzugt dazu ausgebildet, um der Trajektorie des Verlegekopfes 14 zu folgen. Jedenfalls ist der Druckkopf 18 derart beweglich und ausgebildet, dass die verlegte Faser 12 mit Kunststoffmaterial umhüllt werden kann. Das verwendete Kunststoffmaterial ist bevorzugt ein Thermoplast.
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1a verdeutlicht, dass der Verlegekopf 14 bereits in Richtung des Pfeils 15 bewegt wurde und so die Faser 12 auf der Trägerplatte 16 abgelegt hat. Der Druckkopf 18 fährt die Trajektorie, also den Bewegungsweg, des Verlegekopfes 14 nach und bringt Kunststoffmaterial 20 auf die Faser auf. Auch er bewegt sich in Richtung des Pfeils 15 in 1.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zusätzlich oder alternativ zur Bewegung von Verlegekopf 14 und/oder Druckkopf 18 die Trägerplatte 16 bewegt werden kann.
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1b zeigt den Vorgang der Herstellung eines mehrschichtigen Elements, wie beispielsweise einer Scheibe oder eines Zahnrads, mittels der Vorrichtung 10 zu einem im Vergleich zu 1a späteren Zeitpunkt. Gemäß 1b sind schon mehrere Schichten oder Lagen 22 verlegt und die Faser 12 mit Kunststoffmaterial 20 umhüllt. Bevorzugt folgt der Druckkopf 18 dabei dem Verlegekopf 14. Im Vergleich zu 1a sind Verlegekopf und Druckkopf auch in vertikaler Richtung bewegt worden und haben nun eine andere vertikale Position.
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2a zeigt eine schematische Darstellung eines Zahnrads 24 mit mehreren Zähnen 26 einer Außenkontur 28. Exemplarisch sind drei Lagen 22a bis 22c des Zahnrads 24 in 2b gezeigt, wobei die Lagen nebeneinander dargestellt sind. Gezeigt ist in den 2a und 2b die Faser 12, die bevorzugt eine Carbonfaser ist und exemplarisch entlang der Außenkontur 28 und einer Innenkontur 30 verlegt ist.
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In 2b ist zu erkennen, dass die Faser 12 ab der mit dem Pfeil 32a markierten Stelle zunächst in einem ersten Abschnitt 34 entlang der Außenkontur 28 verlegt wird. Somit wird die äußere Form der Zähne 26 durch die Faser 12 gebildet. Sobald die Faser wieder an dem mit dem Pfeil 32a gezeigten Punkt angelangt, wird sie in einem zweiten Abschnitt 36 entlang der Innenkontur 30 verlegt, bis sie wieder an den Punkt des Übergangs gelangt. An dieser Stelle kann ein Übergang von der ersten Lage 22a zur zweiten Lage 22b erfolgen. Auch hier kann dann zunächst ein erster Abschnitt 34 der Faser 12 entlang der Außenkontur verlegt werden. Allerdings erfolgt der Übergang von der Außenkontur 28 zur Innenkontur 30 an einem anderen Ort, mit Pfeil 32b gekennzeichnet.
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Nach Verlegen der Faser 12 in der Lage 22b erfolgt ein erneuter Übergang zur Lage 22c. Die Faser wird hier in gleicher Weise verlegt, nämlich ein erster Abschnitt 34 entlang der Außenkontur 28 und nach Übergang ein zweiter Abschnitt 36 der Faser entlang der Innenkontur 30. Auch hier ist der Übergang durch den Pfeil 32c gekennzeichnet, wobei die jeweiligen Übergänge der einzelnen Lagen an unterschiedlichen Positionen erfolgen, um die Stabilität der Zahnräder zu erhöhen.
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In den 2a und 2b wird exemplarisch jeweils nur die Faser entlang der Außenkontur 28 und der Innenkontur 30 gezeigt. Selbstverständlich kann die Faser auch entlang weiterer Strecken und Abschnitte verlegt sein. Beispielsweise können sich an die Innenkontur 30 zunächst, also bevor ein Übergang zur Außenkontur 28 erfolgt, mehrere konzentrische oder spiralförmige Verlegepfade ergeben.
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Da die Faser jedoch durchgehend, also einstückig, ist, muss jeweils ein Übergang von der Außenkontur 28 zur Innenkontur 30 und umgekehrt erfolgen. Darüber hinaus kann ein Übergang von einer Lage zur nächsten Lage vorgenommen werden. Durch eine örtliche Verschiebung der Übergänge wird dafür gesorgt, dass es nicht an einer Stelle zu Materialverdickungen kommt und beispielsweise eine Unwucht des Zahnrads entsteht.
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In dem in den 2a und 2b gezeigten Beispiel ist der Abstand zweier benachbarter Zähne 26 so groß, dass die Verbindung der Zahnflanken mit der Nabe bzw. dem Rumpf des Zahnrads ohne Probleme in jeder Lage bzw. in jeder Ebene oder Schicht möglich ist. Die Schnittstelle zwischen Außenkontur 28 (Zahnkontur) und Innenkontur 30 (Nabenkontur) wird in jeder Lage (Ebene) um einen vorgegebenen Winkel versetzt. Im Anschluss an das Verlegen der Faser 12 erfolgt das Umhüllen der Faser mit Kunststoffmaterial 20. Dies kann beispielsweise lagenweise erfolgen. Möglich ist auch, dass im Nachgang die von der Faser 12 als Kontur oder Umrandung gebildeten Hohlräume mit Kunststoff gefüllt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es auch denkbar, mehrere Konturlagen zu verlegen und erst im Anschluss Kunststoffmaterial einzufüllen oder die Faser 12 damit zu umhüllen. Denkbar ist auch, dass in jeder Lage oder jeder Schicht die Verlegerichtung eine andere ist.
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Die 3a und 3b zeigen ein Zahnrad 24 mit mehreren Lagen 22, bei dem der Abstand der Zähne 26 zu klein ist, um eine gute Verbindung zur Nabe bzw. zum Rumpf des Zahnrads 24 zu realisieren. In 3b ist deutlich zu sehen, dass in jeder der Lagen 22a, 22b, 22c nur ein Teil der Zähne 26 durch die Faser 12 gebildet wird. Auch hier wird ein erster Abschnitt 34 der Faser 12 entlang der Außenkontur 28 verlegt, und nach einem Umlauf erfolgt an der mit Pfeil 32a bezeichneten Stelle ein Übergang zu einem zweiten Abschnitt 36 der Faser 12, in dem die Innenkontur 30 des Zahnrads 24 geformt wird.
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In 3b ist zu erkennen, dass die Faser 12 von einem Startpunkt 38 entgegen dem Uhrzeigersinn entlang der Außenkontur 28 verlegt wird. An dem mit Pfeil 32a markierten Punkt erfolgt dann ein Übergang zur Innenkontur 30 und nach einem weiteren Umlauf an der gleichen Stelle erneut ein Übergang zur Außenkontur 28. Die Faser 12 folgt dann einem Verbindungspfad 40 in die nächste Lage 22b. Auch hier erfolgt das Verlegen der Faser 12 in gleicher oder ähnlicher Weise, wobei beispielsweise die Verlegerichtung geändert werden könnte. Nach dem Verlegen der Faser in der Lage 22b erfolgt ein Übergang entlang des Verbindungspfads 42 in die nächste Lage 22c. Zu erkennen ist hier, dass die Übergänge an den mit den Pfeilen 32a, 32b, 32c bezeichneten Stellen um einen vorgegebenen Winkel verschoben sind, wie in 3a deutlich zu erkennen.
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Die 3a und 3b zeigen, dass die Zähne 26 der einzelnen Lagen gegeneinander verschoben sind. In anderen Worten bedeutet dies, dass nicht in jeder Lage der Zahn eine Faser 12 enthält. Durch ein Umspritzen oder Umhüllen der Faser 12 mit Kunststoffmaterial wird dennoch ein stabiles Zahnrad 24 gebildet. In dem hier exemplarisch gezeigten Beispiel hat ein Zahn 26 also nur in jeder dritten Ebene eine Faser 12. Durch diese Art der Verlegung erhöht sich jedoch die Zahnfußfestigkeit, da im Fußbereich der Zähne 26 ein höherer Faseranteil im Material vorhanden ist.
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Bei der hier gezeigten Verlegeart kann das Kunststoffmaterial beispielsweise erst dann aufgebracht werden, wenn die Faser 12 in drei Lagen verlegt ist. Denkbar ist es jedoch auch, das Kunststoffmaterial nach dem Durchgang jeder Lage oder schon während des Verlegens aufzubringen. Auch denkbar ist es, dass die Faser zunächst in der Ebene gelegt wird, dann mit einem separaten Druckkopf diese Lage inkl. den Zähnen ohne Faseranteil mit Kunststoff gedruckt werden und erst dann der Wechsel zu einer neuen Lage erfolgt.
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Die 4a und 4b zeigen einen Ausschnitt aus einem Zahnrad 24, bei dem die Faser 12 im Rumpf 44 des Zahnrads 24 spiralförmig verlegt ist. Die Verlegung der Faser 12 beginnt an einem Startpunkt 46 spiralförmig im Rumpf 44 von innen nach außen und folgt dabei einer vorgegebenen Rumpf-Trajektorie 48, entlang derer die Faser 12 verlegt wird. An dem mit Pfeil 32 markierten Übergang wird die Faser von der Rumpf-Trajektorie 48 entlang einer Zahn-Trajektorie 50 verlegt, wobei hierdurch eine Haltestruktur für den Zahn 26 gebildet wird. Mittels der durch die Zahn-Trajektorie 50 gebildeten Haltestruktur und optional der zusätzlichen Außenkontur 28 kann die Form eines Zahns 26 modelliert werden. Nach Umspritzen der Faser 12 ergibt sich ein Zahn 26.
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4b zeigt einen Ausschnitt des Zahnrads 24 in einer weiteren Ebene bzw. Lage, wobei die Faser 12 entlang der Zahn-Trajektorie 50 verlegt wurde. Der Übergang von einer Lage in die andere ist hier nicht dargestellt. In dieser zweiten Lage erfolgt jedoch zunächst ein Verlegen der Faser 12 entlang der Zahn-Trajektorie und dann ein Übergang zur Rumpf-Trajektorie 48, wobei hier vorzugsweise die Faser 12 spiralförmig im Rumpf 44 von außen nach innen verlegt wird. Die Faser 12 endet in dieser Lage an einem Endpunkt 52, der auch gleichzeitig den Übergang zur nächsten Lage bilden kann. An dem Übergang vom Endpunkt 52 der einen Lage zum Startpunkt 38 der weiteren Lage kann sich ein Verlegen gemäß 4a anschließen.
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In 5 ist exemplarisch gezeigt, dass in den einzelnen Zähnen 26 des Zahnrads 24 die Faser 12 auf unterschiedliche Arten verlegt werden kann, um Haltestrukturen oder Grundstrukturen für den Zahn 26 zu bilden. Entscheidend hierbei ist lediglich, dass die Faser durchgehend und einstückig ist und deshalb durchgehend verlegt wird.
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Alternativ und zusätzlich kann in dem Bereich einer Hohlkammer 64 der Zähne 26 auch eine faserverstärkte Gitterstruktur 54 aus Fasermaterial eingelegt werden, um die Zähne 26 des Zahnrads weiter zu versteifen. Derartige Gitterstrukturen 54 können beispielsweise zur Verstärkung bestimmter Stellen des Zahnrads oder der Zähne 26 vorgenommen werden.
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Mit den hier in den Figuren und in den allgemeinen Ausführungen beschriebenen Zahnrädern 24 werden die Vorteile von Kunststoffzahnrädern mit denen von Metallzahnrädern miteinander vereinigt. Auf der einen Seite sind die erfindungsgemäßen Zahnräder aus Kunststoff leicht und günstig in der Herstellung. Die bei Kunststoffzahnrädern häufig mangelhafte Festigkeit und Lebensdauer wird durch die Verwendung der Faser, beispielsweise einer Carbonfaser, die mit dem Kunststoffmaterial umhüllt wird, verbessert. Speziell die Zahnfußfestigkeit von Zahnrädern sowie die Flächenpressungen der Zahnflanken der Zahnräder werden deutlich erhöht und gleichen somit denen von Zahnrädern aus Metall oder Stahl. Aufgrund der deutlich höheren Belastungsgrenzen dieser Hybridzahnräder aus Kunststoff und durchgehender Faser lassen sie sich in vielen Anwendungen einsetzen, die bisher Kunststoffzahnrädern verschlossen waren. Die Vorteile der Materialsubstitution von Stahl zu Kunststoff werden weiter ausgeschöpft. Weitere Vorteile sind Gewichtseinsparung, Massenträgheitsreduktion und Eigenschmierung sowie bei hohen Stückzahlen die Reduktion der Kosten. Auch andere Bauteile, die aus Kunststoff hergestellt werden können, haben somit die Möglichkeit, mit der durchgehenden Faser, also quasi einer Endlosfaser, verstärkt zu werden und können somit ähnlichen Belastungen standhalten wie die oben beschriebenen Verzahnungsbauteile und Zahnräder.
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Die Anforderung an hohe Belastungen erfolgt auch und insbesondere bei Lasteinleitelementen 56, wie in 6 gezeigt. Die Lasteinleitelemente 56 werden verwendet, um eine Verbindung zu angrenzenden Wellen, insbesondere Kohlefaserwellen, herzustellen. Meist erfolgt eine Verbindung von angrenzenden Bauteilen zu Kohlefaserwellen durch eine gefügte mechanische Passverbindung und/oder eine Passverzahnung. Bisher müssen solche Verbindungen immer aufwendig mit Hybridbauteilen an den Schnittstellen ausgeführt werden. Diese Hybridbauteile sind jedoch sehr anfällig durch Sprünge der Materialeigenschaften an den Übergängen.
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6 zeigt ein Lasteinleitelement 56, das am Ende einer Welle 58 eingebracht wird. Das Lasteinleitelement 56 umfasst eine mehrlagige Scheibe 60, die in jeder ihrer Lagen eine durchgehende Faser 12 aufweist und an deren einen Randlage ein Übergang zu einem Wellenabschnitt 62 erfolgt. Der Wellenabschnitt 62 ist wie die Scheibe 60 aus der durchgehenden Faser 12 gebildet, die von Kunststoffmaterial umhüllt und in diesem eingebettet ist. Auch der Wellenabschnitt 62 ist in mehreren Lagen gebildet, wobei bevorzugt der Faserverlauf der durchgehenden Faser mit optimaler Kraftrichtung und ohne Unterbrechung erfolgt. Auf diese Weise kann auch der Übergang zwischen Scheibe 60 und Wellenabschnitt 62 optimiert erfolgen und ohne Unterbrechung und dabei ohne ungünstige Materialsprünge aufzuweisen.
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Die Herstellung der mehrlagigen Scheibe 60 erfolgt bevorzugt analog zu den oben in den 2 bis 4 beschriebenen Verlegearten.
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Neben dem hier beschriebenen Lasteinleitelement 56 mit Scheibe 60 und angeformtem Wellenabschnitt 62 ist es selbstverständlich auch möglich, einen Wellenabschnitt 62 oder eine Welle und ein Zahnrad 24 einstückig anzuformen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, ein einstückiges Element zu bilden, das aus einer Welle und an ihrem jeweiligen Ende einstückig angeformten Zahnrädern besteht. Dabei erfolgt der Aufbau eines derartigen Elements so, dass zunächst ein mehrlagiges Zahnrad gebildet wird und dann ein Übergang zu einem Wellenabschnitt erfolgt. Am Ende des Wellenabschnitts erfolgt dann wiederum ein Übergang zu einem Zahnrad. Hierbei kann während des Herstellungsprozesses eine zusätzliche Trägerplatte eingesetzt werden, um die erste Lage des zweiten Zahnrads zu stützen.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Kunststoffstützstruktur analog zu bestehenden 3D-Druckverfahren gedruckt und verwendet werden.
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Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, Lasteinleitelemente oder Krafteinleitelemente zu bilden, die einen Flansch mit Löchern aufweisen. Die Löcher können direkt durch geeignetes Verlegen der Faser in den Bereichen erzeugt werden, wobei hier die durch die Struktur und Verlegeart der Faser gebildeten Hohlräume dann nicht mit Kunststoff ausgefüllt werden. In diesen Bereichen wird lediglich die Faser 12 von Kunststoff umhüllt. Diese Löcher oder Hohlräume können dann zur Verbindung von Elementen mittels Schrauben verwendet werden. Bevorzugt sind die Fasern so verlegt, dass ein günstiger Kraftfluss von Anschrauben bzw. Lagerungen zu den Zähnen bzw. zu der Krafteinleitung erfolgt.
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7 zeigt die schematische Abfolge eines Verfahrens zum Herstellen einer Scheibe aus Kunststoff mit einer durchgehenden Faser, das mehrere Schritte aufweist. In einem Schritt S10 erfolgt zunächst das Verlegen der Faser in einer ersten Lage entlang einer ersten vorgegebenen Rumpf-Trajektorie derart, dass der Rumpf der Scheibe in dieser Lage gebildet wird. Ein Schritt S12 umfasst das Überleiten der Faser von der ersten Lage in eine weitere Lage. Gemäß einem Schritt S14 erfolgt das Verlegen der Faser in der weiteren Lage entlang einer weiteren vorgegebenen Rumpf-Trajektorie derart, dass der Rumpf der Scheibe in dieser Lage gebildet wird. Die Rumpf-Trajektorie der ersten Lage und die der weiteren Lage können voneinander abweichen. Auch kann die Verlegerichtung unterschiedlich sein. Ein Schritt S16 umfasst das Aufbringen eines Kunststoffmaterials auf die verlegte Faser.
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Die hier dargestellten Schritte müssen nicht in der vorgegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Beispielsweise kann Schritt S16 auch mehrfach in dem Verfahren vorkommen. Ebenso ist es möglich, dass der Schritt S16 bereits nach Schritt S10 oder S12 ausgeführt wird. Möglich ist auch eine Schrittabfolge S10, S16, S12, S16, S14, S16.
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Das Verfahren kann um weitere Schritte erweitert werden, insbesondere wenn statt einer Scheibe ein Zahnrad oder eine Scheibe mit angeformter Welle oder eine Welle mit angeformten Zahnrädern gebildet werden soll.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Faser
- 14
- Verlegekopf
- 15
- Pfeil
- 16
- Trägerplatte
- 18
- Druckkopf
- 20
- Kunststoffmaterial
- 22
- Lage
- 24
- Zahnrad
- 26
- Zahn
- 28
- Außenkontur
- 30
- Innenkontur
- 32
- Pfeil
- 34
- erster Abschnitt
- 36
- zweiter Abschnitt
- 38
- Startpunkt
- 40
- Verbindungspfad
- 42
- Verbindungspfad
- 44
- Rumpf
- 46
- Startpunkt
- 48
- Rumpf-Trajektorie
- 50
- Zahn-Trajektorie
- 52
- Endpunkt
- 54
- Gitterstruktur
- 56
- Lasteinleitelement
- 58
- Welle
- 60
- Scheibe
- 62
- Wellenabschnitt
- 64
- Hohlkammer
