DE19604275C2 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sich längs einer Krümmungslinie erstreckenden Segmenten von Bau­ teilen, auf welche Kräfte mit quer zur Krümmungslinie ver­ laufenden Kraftkomponenten, im folgenden als Querkraftkompo­ nenten bezeichnet, wirken.

Derartige Bauteile sind vielfach in der Luft- und Raumfahrt­ technik oder auch in der Fahrzeugtechnik erforderlich und werden bislang vorzugsweise aus Metall hergestellt.

Es sind zwar gekrümmte Bauteile aus einem Faserverbundwerk­ stoff bekannt. Bei diesen verlaufen jedoch die Fasern des Faserverbunds längs der Krümmungslinie, so daß diese sich nicht zur Aufnahme von Querkraftkomponenten eignen, da die Fasern von Faserverbundwerkstoffen einerseits Querkraftkompo­ nenten nicht aufnehmen können und andererseits diese Quer­ kraftkomponenten bei einer derartigen Struktur den Faserver­ bund leicht schädigende Schubkräfte darstellen, so daß bis­ lang bekannte Faserverbundwerkstoffe für derartige Bauteile nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung der gattungsgemäßen Bauteile zur Verfügung zu stellen, welches die Möglichkeit eröffnet, diese Bauteile in vorteilhafter Leichtbauweise herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt ein Verfahren zur Ver­ fügung, welches die Anwendung der Technik der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen auch bei derartigen, mit Querkraft­ komponenten beaufschlagten Segmenten von Bauteilen einsetzbar macht und die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe wirksam werden läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß eine Anpassung des von Querkraftkomponenten beauf­ schlagten Segments des Bauteils an diese Querkraftkomponenten in einfacher Weise dadurch möglich ist, daß der schräge Ver­ lauf der Faserstrangstücke relativ zur Krümmungslinie an die Kraftwirkung derart anpaßbar ist, daß sich die Querkraft­ komponente im wesentlichen in Form von Druck- und Zugkräften auf die Faserstränge auswirkt, wobei die Anpassung des Ver­ laufs der Faserstrangstücke schräg zur Krümmungslinie auch abhängig von den Druck- und Zugkräften ist, welche die einzelnen Faserstrangstücke aufzunehmen in der Lage sind.

Prinzipiell wäre es möglich, daß die in Richtung längs der Krümmungslinie aufeinanderfolgenden Faserstrangstücke stets in einer Richtung nebeneinanderliegen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die in Richtung längs der Krümmungslinie aufeinanderfolgenden Faserstrangstücke einer Faserlage so ausgelegt werden, daß eines der Faserstrangstücke die Krümmungslinie mit positivem Winkel und das nächst folgende die Krümmungslinie mit negativem Winkel schneidet. Dies hat den Vorteil, daß damit eine Verteilung der Querkräfte in Form von in zwei unterschiedlichen Richtungen wirkenden Druck- und Zugkräften möglich ist.

Dabei könnten die Faserstrangstücke prinzipiell als gebogene Stücke ausgebildet sein. Eine besonders einfache und vorteil­ hafte Lösung sieht jedoch vor, daß die Faserstrangstücke sich längs geraden Abschnitten einer Zickzacklinie erstrecken, deren Umkehrpunkte beiderseits der Krümmungslinie liegen, wobei die Zickzacklinie eine beliebige, auch unregelmäßige Zickzacklinie sein kann.

Besonders vorteilhaft hinsichtlich der geometrischen Aus­ bildung ist es, wenn die Krümmungslinie in einem mittigen, zwischen den Umkehrpunkten liegenden Bereich verläuft, so daß die Umkehrpunkte beiderseits der Krümmungslinie liegen und sich somit die Faserstrangstücke jeweils die Krümmungslinie schneidend durch das Segment des Bauteils erstrecken.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die Krümmungs­ linie ungefähr mittig zwischen den Umkehrpunkten verläuft.

Ergänzend oder alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren sieht eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung vor, daß die Bauteile aus einem Faserverbund hergestellt werden, daß der Faserverbund durch Auslegen von Fasern in mehreren aufeinanderfolgenden Faserlagen entsteht, daß min­ destens eine Faserlage des Faserverbundes Faserstrangstücke aufweist, welche schräg zu senkrecht auf der Krümmungslinie stehenden Querschnittsflächen verlaufen und daß die Faser­ lagen sich in Flächen erstrecken, welche parallel oder in einem spitzen Winkel schräg zu einer von der Krümmungslinie und den Querkraftkomponenten aufgespannten Ebene verlaufen.

Diese erfindungsgemäße Lösung umfaßt hinsichtlich einiger Ausführungsformen die eingangs beschriebene Lösung und damit auch die im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Vorteile.

Sie kommt im Prinzip der eingangs beschriebenen Lösung dann näher, wenn die aufeinanderfolgenden Faserstrangstücke einen Winkel miteinander einschließen, welcher kleiner als 180° ist, wobei auch noch diese Definition der vorstehend beschriebenen Variante der erfindungsgemäßen Lösung die Möglichkeit eröffnet, einzelne Faserstrangstücke tangential zur Krümmungslinie verlaufen zu lassen, um besondere, bei­ spielsweise beiderseits einer Krümmung wirkende Querkräfte aufzunehmen.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht dabei vor, daß die Faserstrangstücke dieser Faserlage zumindest in Teilbereichen derselben von einem auf einer Seite der Krümmungslinie liegenden Umkehrpunkt zu einem anderen auf derselben Seite der Krümmungslinie liegenden Umkehrpunkt verlaufen.

Um das Bauteil möglichst kompakt zu halten und insbesondere die Höhe der einzelnen Faserlagen möglichst gering zu halten, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Faserstrangstücke so ausgelegt werden, daß sie innerhalb jeder einzelnen Faser­ lage des fertigen Bauteils überlappungsfrei verlaufen. Da durch werden unnötige Erhöhungen der einzelnen Faserlage, die bei einer Überlappung der einzelnen Faserstrangstücke ent­ stehen würden, vermieden.

Um insbesondere eine innige Verbindung der einzelnen Faser­ lagen miteinander zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, die aufeinandergelegten Faserlagen miteinander durch einen quer zur Fläche der Faserlagen wirkenden Pressvorgang ver­ preßt werden, dadurch kommen die einzelnen Faserlagen in innigen Kontakt miteinander, was nicht nur der Kompaktheit des Bauteils sondern auch dessen Stabilität förderlich ist.

Im Rahmen der bislang beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung wurde davon ausgegangen, daß jede Faserlage aus aufeinander­ folgenden Faserstrangstücken aufgebaut wird.

Die Tragfähigkeit und Steifigkeit des Bauteils läßt sich jedoch dadurch erhöhen, daß jede Faserlage aus Gruppen von Faserstrangstücken aufgebaut wird und jede Gruppe mehrere nebeneinander verlaufende Faserstrangstücke umfaßt. Vorzugs­ weise sind diese Gruppen so aufgebaut, daß jede Gruppe die­ selbe Zahl von nebeneinanderverlaufenden Faserstrangstücken umfaßt.

Im einfachsten Fall verlaufen die Faserstrangstücke einer Gruppe parallel zueinander.

Die Faserstrangstücke einer jeden Gruppe können entweder gleichzeitig miteinander in derselben Richtung ausgelegt sein oder es besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Faser­ strangstücke der Gruppe durch Auslegen einer Faser mit in Längsrichtung der Krümmungslinie gesehen unterschiedlichen Richtungen auszulegen.

Prinzipiell ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren jedes Faserstrangstück als einzelnes Faserstrangstück auszulegen. Im Hinblick auf ein möglichst ökonomisches Ver­ fahren ist jedoch vorteilhafterweise vorgesehen, daß die einzelnen Faserstrangstücke Abschnitte einer zusammenhängend ausgelegten Faser sind.

Vorzugsweise ist diese Faser so ausgelegt, daß die einzelnen Faserstrangstücke zwischen zwei Umlenkpunkten der zusammen­ hängend ausgelegten Faser verlaufen, wobei die Faser in den Umlenkpunkten jeweils in eine andere Richtung unter Bildung des nächstfolgenden Faserstrangstücks umgelenkt wird.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren, insbesondere dann, wenn Zweiergruppen von Faserstrangstücken ausgelegt werden sollen, sieht vor, daß die die nebeneinanderverlaufenden Faserstrangstücke einer Zweiergruppe umfassenden Fasern im Bereich derselben Umlenkpunkte umgelenkt werden. Dies hat den Vorteil, daß die Zahl der Umlenkpunkte reduziert werden kann und trotzdem eine möglichst große Zahl von Faserstrangstücken in einer Faserlage ausgelegt werden kann.

Besonders einfach läßt sich dies dann realisieren, wenn eine der die zwei nebeneinanderverlaufenden Faserstrangstücke bildenden Fasern den Umlenkpunkt mit einer offenen Schleife und die andere Faser den Umlenkpunkt mit einer geschlossenen Schleife umschlingt.

Jeder Umlenkpunkt könnte prinzipiell ein geometrischer Punkt sein, welcher den Ort der Umlenkung der Faser festlegt.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Faser im Bereich jedes Umlenkpunkts um ein Umlenkelement gelegt wird, und somit durch das Umlenkelement die Faser selbst und insbeson­ dere die von dieser gebildeten Faserstrangstücke, definiert ausgerichtet werden.

Insbesondere schafft das Vorsehen der Umlenkelemente die Mög­ lichkeit, die Faser mit Spannung in Faserlängsrichtung um die Umlenkelemente zu legen und somit auch die Faserstrangstücke mit Spannung in Faserlängsrichtung auszulegen.

Die Umlenkelemente lassen sich konstruktiv besonders vorteil­ haft so ausbilden, daß sie einen sich über eine Basisfläche für eine unterste Faserlage erhebenden Körper bilden. Im einfachsten Fall ist dabei jedes Umlenkelement zapfen­ förmig ausgebildet.

Hinsichtlich der sich insgesamt ergebenden Struktur des Bau­ teils wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Fasern aller Faserlagen eine das Segment des Bauteils voll flächig ausfüllende Struktur bilden. Dies entsteht insbe­ sondere dann, wenn die Fasern Faserbündel aus Einzelfasern sind und ein Querschnitt der Faserbündel innerhalb des Bau­ teils oval geformt werden kann, insbesondere durch Verpressen der einzelnen Fasern in Richtung quer zu den Flächen der Faserlagen.

Alternativ dazu ist vorgesehen, daß die Fasern aller Faser­ lagen eine das Segment des Bauteils gitterartig ausfüllende Struktur bilden. Dies ist in vielen Fällen ausreichend, ins­ besondere erlaubt eine gitterartige Struktur noch das Vor­ sehen eines Füllstoffes, welcher dem Bauteil weitere vorteil­ hafte Eigenschaften verleihen kann.

Im Zusammenhang mit den bisher erläuterten Ausführungsbei­ spielen wurden keine detaillierten Angaben zur Relativlage der Faserstrangstücke und unterschiedlichen Faserlagen gemacht.

So ist es, insbesondere um eine möglichst gleichmäßige Struk­ tur des Bauteils zu erhalten, vorteilhaft, wenn die Faser­ strangstücke übereinander angeordneter Faserlagen in Richtung längs der Krümmungslinie gegeneinander versetzt angeordnet sind und somit in der Gesamtheit der Faserlagen die Faser­ strangstücke möglichst gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Eine bevorzugte Lösung sieht dabei vor, die einander ent­ sprechenden Faserstrangstücke zweier aufeinanderfolgender Faserlagen gegeneinander um dieselbe Distanz versetzt ange­ ordnet sind. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Anordnung der Faserstrangstücke in den entsprechenden Faser­ lagen im wesentlichen identisch ist, so daß damit eine im wesentlich homogene Verteilung der Faserstrangstücke, ins­ besondere bei einer Distanz, welche einen Bruchteil - vor­ zugsweise einen ganzzahligen Bruchteil - des Abstandes zweier gleich zur Krümmungslinie verlaufender Fasern be­ trägt, entsteht.

Grundsätzlich wäre es möglich, die Fasern aus Einzelfila­ menten aufzubauen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Fasern aus Einzelfilamenten hergestellte Faserbündel oder auch Rovinge sind.

Zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Fasern bei der Herstellung des Segments des Bauteils mit einem aushärtbaren oder zur Erstarrung bringbaren Material benetzt werden.

Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß zunächst die Fasern ausgelegt und dann mit einem aushärtbaren oder zur Erstarrung bringbaren Material benetzt werden.

Als aushärtbare Materialien sind beispielsweise Harze oder andere Kunststoffmatrixmaterialien einsetzbar, als zur Erstarrung bringbare Materialien beispielsweise Schmelzen, Gläser oder Metalle.

Alternativ dazu ist vorgesehen, daß jede Faser als eine mit dem aushärtbaren oder zur Erstarrung bringbaren Material benetzte Faser ausgelegt wird.

Hinsichtlich des Auslegens wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise mög­ lich, die Faserstrangstücke manuell auszulegen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Faserstrangstücke durch einen Manipulator, vorzugsweise einen rechnergesteuerten Manipulator ausgelegt werden, wobei dem Manipulator die Lage der einzelnen Faserstrangstücke in den einzelnen Faserlagen vorgebbar sind.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Faserstrangstücke durch eilte Bewegung des Manipulators ausgelegt werden, welche die Faserstrangstücke von einem Umkehrpunkt zum anderen Umkehrpunkt verlaufend auslegt.

Dabei ist es möglich, daß der Manipulator die Faserstrang­ stücke einzeln auslegt.

Dies erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß der Manipulator die einzelnen Faserstrangstücke von einer zusammenhängenden Faser abschneidet.

Beispielsweise läßt sich dies beim Auslegen der Faserstrang­ stücke längs einer Zickzacklinie dadurch realisieren, daß der Manipulator jeweils nach Auslegen eines Faserstrangstücks und vor einem Umkehrpunkt die Faser abschneidet und nach dem Umkehrpunkt wieder mit dem Auslegen des nächsten Faserstrang­ stückes beginnt.

Alternativ zum Auslegen der einzelnen getrennten Faserstrang­ stücke sieht eine andere vorteilhafte Lösung vor, daß der Manipulator die Faserstrangstücke in Form einer zusammen­ hängenden Faser auslegt.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die zusammenhängende Faser von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt verläuft.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Segments eines gekrümmten Bauteils und die Lage einer Krümmungslinie desselben;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines konkreten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Verstärkungsrings für eine Felge;

Fig. 3 einen zu einer Seite einer Drehachse liegen­ den Querschnitt durch die Felge in Fig. 2 mit eingelegtem Verstärkungsring;

Fig. 4 eine ausschnittsweise Darstellung sämtlicher übereinanderliegender Faserlagen zur Her­ stellung des in Fig. 2 und 3 dargestellten Verstärkungsrings;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens bei der Herstellung einer Faserlage;

Fig. 6 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung von im Quer­ schnitt deformierten Fasern und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Segments eines Bauteils ähnlich Fig. 1 und ein Aus­ legen einer Faserlage gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil, als Ganzes mit 10 bezeichnet, erstreckt sich längs einer Krümmungslinie 12, welche bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall in der Zeichenebene verläuft. Die Krümmungslinie 12 kann jedoch prinzipiell beliebig im Raum verlaufen.

Das Bauteil weist dabei eine erste Berandung 14 und eine zweite Berandung 16 auf, die beide ebenfalls in derselben Fläche wie die Krümmungslinie 12 verlaufen, wobei die Krümmungslinie 12 zwischen den beiden Berandungen 14 und 16 liegt. Der Verlauf der Krümmungslinie 12 zwischen den beiden Berandungen ist dabei vorzugsweise definiert durch die Mittelpunkte aller gedachten geometrischen Kugeln, in dargestelltem ebenen Fall durch Kreise 18 repräsentiert, die einerseits die erste Berandung 14 und andererseits die zweite Berandung 16 berühren und zwischen diesen liegen.

Auch die geometrischen Kreise 18 liegen dabei in derselben Fläche, in welcher die Krümmungslinie 12 und die Berandungen 14 und 16 liegen, die prinzipiell eine sich im Raum aus­ dehnende Fläche sein kann, im Fall der Fig. 1 jedoch mit der Zeichenebene zusammenfällt. Das in Fig. 1 dargestellte Seg­ ment eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 ist dabei Querkraft­ komponenten 20 unterworfen, welche quer zur Krümmungslinie 12 gerichtet sind und ebenfalls in der Fläche liegen, in welcher sich die Krümmungslinie 12 und die Berandungen 14 und 16 erstrecken.

Ausgehend von dieser allgemeinsten Definition eines gekrümm­ ten Bauteils 10, dargestellt in Fig. 1 als ein in einer Ebene gekrümmtes Bauteil, ist ein Beispiel eines derartigen ge­ krümmten Bauteils 10 ein Verstärkungsring 110 einer Auto­ mobilfelge 112, der in Fig. 2 dargestellt ist. Wie in Fig. 3 im Schnitt dargestellt, umfaßt die Automobilfelge 112 eine Nabe 114, welche sich rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 116 um diese herum erstreckt und einen Außenkörper 118 mit einem Felgenhorn 119 aufweist, in welches zur Versteifung desselben der Verstärkungsring 110 eingelegt ist.

Eine derartige Automobilfelge 112 wird beim täglichen Einsatz nicht nur durch in radialer Richtung zur Drehachse 116 gerichtete, im wesentlichen homogene Fliehkräfte beauf­ schlagt, sondern gegebenenfalls, beispielsweise bei Über­ fahren von Bodenunebenheiten, durch Querkräfte 120, die Punktlasten darstellen.

Wird daher der Verstärkungsring 110 als Faserverbundring mit azimutal zur Drehachse 116 oder in Form einer tangentialen Umfangswicklung verlaufenden Fasern gewickelt, so kann durch die auftretenden Querkräfte 120 ein Schubversagen und somit ein Bruch desselben eintreten, da die Fasern bei faserver­ stärkten Bauteilen gegenüber Schubkräften keinerlei stabili­ sierende Wirkung ausüben und darüber hinaus bei Auftreten derartiger Schubkräfte die Gefahr eines Bruchs der Fasern besteht.

Ein Segment eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 - bei­ spielsweise des Verstärkungsrings 110 - dargestellt in Fig. 4, ist daher aus einem Faserverbund hergestellt, wobei in diesem Faserverbund Faserstrangstücke 22 und 24 sich jeweils in Längsrichtungen 26 und 28 erstrecken, die ihrerseits quer zur Krümmungslinie 12 verlaufen. Dabei bilden die Faser­ strangstücke 22 und 24 insgesamt eine Gitterstruktur, die zur Aufnahme von Querkraftkomponenten 20 geeignet ist und diese Querkraftkomponenten 20 in Teilkräfte aufspaltet, die durch die sich in den Richtungen 26 und 28 erstreckenden Faser­ strangstücke 22 und 24 aufgenommen werden können.

Ein derartiger, in Fig. 4 dargestellter Faserverbund, ist aus mehreren aufeinanderliegenden Faserlagen aufgebaut, wobei die Herstellung einer einzigen Faserlage 30 in Fig. 5 dargestellt ist.

Das fertige Bauteil 10 ist in Fig. 5 grau unterlegt darge­ stellt, so daß die erste Berandung 14 und die zweite Beran­ dung 16 aufgrund der Tatsache, daß es sich um ein kreisrundes Bauteil handelt, Kreisbögen darstellen, während die Krüm­ mungslinie 12 einen, und zwar mittig, zwischen den Beran­ dungen 14 und 16 dargestellten Kreisbogen bildet, die alle in einer durch die Zeichenebene der Fig. 5 gebildeten Fläche liegen.

Außerhalb der Berandungen 14 und 16 des fertigen Bauteils 10 sind zur Herstellung desselben auf einem äußeren Kreisbogen 32 äußere Umlenkstifte 34 angeordnet und auf einem inneren Kreisbogen 36 innere Umlenkstifte 38.

In Fig. 6 sind die äußeren Umlenkstifte 34 gestrichelt darge­ stellt, während die inneren Umlenkstifte 38 voll ausgezogen gezeichnet sind.

Alle Umlenkstifte 34 und 38 erheben sich über einer Basis­ fläche 40, welche eine Auflagefläche für die in diesem Fall unterste Faserlage 30 darstellt und im vorliegenden Fall eine ebene Fläche ist, jedoch prinzipiell eine im Raum gekrümmte Fläche sein kann (Fig. 6).

Die Basisfläche 40 ist dabei eine Oberfläche eines Trägers 42, an welchem vorzugsweise auch die Umlenkstifte 34 und 38 gehalten sind.

Die unterste Faserlage 30 wird beispielsweise gebildet durch eine durchgezogen gezeichnete erste Faser 50, welche mit dem Faserstrangstück 22₁ quer zur Krümmungslinie 12 verläuft und mit dieser einen positiven Winkel α₁ einschließt. An das Faserstrangstück 22₁ schließt sich eine geschlossene Schleife 52 an, mit welcher die Faser 50 im Anschluß an das Faser­ strangstück 22₁ den äußeren Umlenkstift 34a umschlingt und sich dann als im Anschluß daran in Form des Faserstrangstücks 24₁ wieder zwischen der ersten Berandung 14 und der zweiten Berandung 16 erstreckt, wobei das zweite Faserstrangstück 24₁ mit der Krümmungslinie 12 einen negativen Winkel β₁ ein­ schließt. Im einfachsten Fall sind die Winkel α₁ und β₁ gleich groß. Die Winkel α₁ und β₁ können jedoch prinzipiell auch unterschiedlich sein.

Die Wahl der Winkel α₁ und β₁ erfolgt je nach Größe und Rich­ tung der erwarteten Querkraftkomponenten 20.

Im Anschluß an das Faserstrangstück 24₁ bildet die Faser 50 einen C-förmigen Bogen 54, mit welchem diese den inneren Umlenkstift 38a C-förmig, d. h. in Form einer nicht ge­ schlossenen Schleife, umschlingt, um sich dann wiederum unter Bildung des Faserstrangstücks 22₁ zwischen der zweiten Beran­ dung 16 und der ersten Berandung 14 durch das später ent­ stehende Bauteil 10 zu erstrecken, wobei sich an dieses Faserstrangstück 22 wiederum eine geschlossene Schleife 52 anschließt, mit welcher der äußere Umlenkstift 34a um­ schlungen wird.

Insgesamt bildet die Faser 50 somit in einer Richtung 56 längs der Krümmungslinie 12 aufeinanderfolgend angeordnete Faserstrangstücke 22₁ und 24₁, wobei die Faserstrangstücke 22₁ stets den positiven Winkel α₁ mit der Krümmungslinie 12 ein­ schließen und die Faserstrangstücke 24₁ den negativen Winkel β₁ und somit insgesamt die Faserstrangstücke 22₁ und 24₁ gerade Abschnitte einer Zickzacklinie darstellen.

Dabei liegen die Umlenkstifte 34a und 38a, welche die erste Faser 50 jeweils umlenken, in der Richtung 56 längs der Krüm­ mungslinie aufeinanderfolgend in vorgegebenen Abständen, wobei die Abstände zwischen einem äußeren Umlenkstift 34a und dem von der Faser nächst folgend umschlungenen inneren Umlenk­ stift 38a den Winkel β₁ definieren und die Abstände zwischen einem inneren Umlenkstift 38a und dem nächst folgenden, von der Faser 50 umschlungenen äußeren Umlenkstift 34a den Winkel α₁ definieren.

Im in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Um­ lenkstifte 34a und 38a, welche jeweils die Faser 50 umlenken, in konstanten Winkelabständen bezogen auf einen Mittelpunkt der Kreisbögen 32 und 36 angeordnet, wobei die Winkelabstände allerdings auch variieren können, um variierende Winkel α₁ und β₁ bezüglich der Krümmungslinie 12 zu erhalten.

Prinzipiell ist es ausreichend, die Faserlage 30 durch eine Faser zu bilden. Um jedoch eine möglichst dichte Struktur des Bauteils zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß in der Faserlage 30 eine zweite Faser 60 verläuft, welche vorzugs­ weise im Abstand neben der ersten Faser 50 verläuft, und ebenfalls Faserstrangstücke 22₂ und 24₂ aufweist, wobei die Faserstrangstücke 22₂ der zweiten Faser 60 ebenfalls mit der Krümmungslinie 12 den positiven Winkel α₂ einschließen und die Faserstrangstücke 24₂ der zweiten Faser 60 mit der Krüm­ mungslinie 12 den negativen Winkel β₂. Die Winkel α₂ und β₂ zwischen der Krümmungslinie 12 und den Faserstrangstücken 22₂ und 24₂ der zweiten Faser 60 können jedoch prinzipiell völlig unterschiedlich von dem Winkel α und β der ersten Faser 50 sein.

Um zu erreichen, daß die zweite Faser 60 zwischen den Beran­ dungen 14 und 16 des Bauteils 10 kreuzungsfrei neben der ersten Faser 50 verläuft, umschlingt bevorzugterweise die zweite Faser 60 denselben äußeren Umlenkstift 34a wie die erste Faser 50, allerdings mit einer C-förmigen Schleife 64, während die zweite Faser 60 den inneren Umlenkstift 38a mit einer geschlossenen Schleife 62 umschlingt, so daß jeder der äußeren Umlenkstifte 34a und der inneren Umlenkstifte 38a von jeder der Fasern 50 und 60 umschlungen ist, wobei stets die eine Faser 50 oder 60 den Umlenkstift 34a bzw. 38a mit einer geschlossenen Schleife 52 bzw. 62 und die andere Faser 60 oder 50 den Umlenkstift 34a bzw. 38a mit einer nicht ge­ schlossenen C-förmigen Schleife 64 bzw. 54 umschlingt.

Um zu vermeiden, daß Kreuzungspunkte 58 der geschlossenen Schleifen 52 und Kreuzungspunkte 68 der geschlossenen Schleifen 62 der ersten Faser 50 bzw. der zweiten Faser 60 innerhalb des später entstehenden Bauteils 10 liegen, sind die Umlenkstifte 34 und 36 in einem derartigen Abstand von den Berandungen 14 und 16 angeordnet, daß die sich ausbilden­ den Kreuzungspunkte 58 und 68 außerhalb dieser Berandungen 14 und 16 liegen.

Auf die in Fig. 5 und 6 dargestellte Faserlage 30 folgt nun eine nächste Faserlage, bei welcher allerdings die erste Faser 50 und die zweite Faser 60 nicht um dieselben Umlenk­ stifte 34a und 38a gelegt wird, sondern um gegenüber diesen mit Winkelversatz angeordnete Umlenkstifte 34b und 38b. Damit sind die Faserstrangstücke 22 und 24 der nächstfolgenden Faserlage in Richtung 56 im Abstand gegenüber den Faser­ strangstücken 22 und 24 der in Fig. 5 und 6 dargestellten Faserlage 30 angeordnet, so daß sich bei Vergrößerung der Zahl übereinanderliegenden Faserlagen und Erhöhung der Zahl der Umlenkstifte 34 und 38 bei Verkleinerung des Winkelver­ satzes zwischen diesen die in Fig. 4 dargestellte Gitter­ struktur durch Übereinanderlegen mehrere Faserlagen aufbauen läßt.

Die Fasern 50 und 60 jeder Faserlage können Einzelfilamente sein. Vorzugsweise werden jedoch Faserbündel aus einer Viel­ zahl von Einzelfilamenten verwendet, wobei die Einzelfila­ mente mit einer aushärtbaren Masse, im einfachsten Fall einer Harzmasse, benetzt sind, welche nach ihrem Aushärten einer­ seits die Faserbündel oder Einzelfasern oder Rovinge selbst versteift, andererseits aber auch sämtliche übereinanderlie­ genden Faserstrangstücke miteinander verbindet, so daß die in Fig. 4 dargestellte Struktur eine in sich steife Einheit bildet.

Nach Aushärten der aushärtbaren Masse werden die Berandungen 14 und 16 durch Abtrennen der außerhalb derselben liegenden Teile der Fasern 50 und 60, insbesondere der Schleifen 52 und 54 bzw. 62 und 64 hergestellt.

Insbesondere beim Einsatz von Faserbündeln als Fasern 50 und 60 jeder Faserlage 30 wird nach Herstellung der Gesamtheit sämtlicher Faserlagen und vor Aushärten der aushärtbaren Masse die Gesamtheit aller Faserstrangstücke 22 und 24 mit­ einander durch eine vorzugsweise senkrecht zur Basisfläche 40 gerichtete Preßkraft 70 verpreßt, wobei in diesem Fall, wie in Fig. 7 dargestellt, die Fasern 50 und 60 keinen runden Querschnitt, sondern einen flachgedrückten Querschnitt auf­ weisen, sich allerdings dadurch in der Richtung 56 ver­ breitern, so daß bei ausreichend enger Lage der Faserstrang­ stücke 22 und 24 in aufeinanderfolgenden Faserlagen die in Fig. 4 dargestellte die Gitterstruktur gemäß Fig. 4 zu einer insgesamt vollflächigen Struktur verpreßt werden kann.

Um bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein allgemein in Fig. 8 dargestelltes Bauteil 10′ zu schaffen, welches in der Lage ist, besondere Querkräfte 20′, beispiels­ weise beiderseits einer Krümmung 72 wirksame Querkraftkompo­ nenten 20′, aufzunehmen, ist bei diesem vorgesehen, daß in der Richtung 56 längs der Krümmungslinie 12 aufeinander­ folgende Faserstrangstücke 22 und 24 stets quer zu senkrecht zur Krümmungslinie 12 stehenden Querschnittsebenen Q ver­ laufen und die aufeinanderfolgenden Faserstrangstücke 22 und 24 einen Winkel γ miteinander einschließen, welcher kleiner als 180° ist.

Weiterhin besteht bei dieser Variante die Möglichkeit, ein­ zelne Faserstrangstücke, beispielsweise das Faserstrangstück 22′t, tangential zur Krümmungslinie 12 verlaufen zu lassen, um im Bereich der Krümmung 72 die Möglichkeit zu schaffen, auch in tangentialer Richtung auftretende Längskräfte, bei­ spielsweise ausgelöst durch die beiderseits der Krümmung 72 einwirkenden Querkraftkomponenten 20′, aufzunehmen.

Claims (33)

1. Verfahren zur Herstellung eines sich längs einer Krüm­ mungslinie erstreckenden Segmentes eines Bauteils, auf welches Kräfte mit quer zur Krümmungslinie verlaufenden Querkraftkomponenten wirken, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10) aus einem Faserverbund dadurch hergestellt wird, daß mit einem aushärtbaren oder zur Erstarrung bringbaren Material versehene Fasern (50, 60) durch Aushärten oder zur Erstarrung bringen dieses Materials relativ zueinander fixiert werden, daß der Faserverbund durch Auslegen von Fasern (50, 60) in mehreren aufeinanderliegenden Faserlagen (30) entsteht, daß in dem Segment mindestens eine Faserlage (30) in Richtung (56) längs der Krümmungslinie (12) aufeinanderfolgend angeordnete Faserstrangstücke (22, 24) aufweist, welche sich schräg zur Krümmungslinie (12) erstrecken, und daß die Faserlagen (30) sich in Flächen erstrecken, welche parallel oder in einem spitzen Winkel schräg zu einer von der Krümmungslinie (12) und der jeweils wirksamen Querkraftkomponente (20) aufgespannten Ebene verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung (56) längs der Krümmungslinie (12) auf­ einanderfolgenden Faserstrangstücke (22, 24) einer Faserlage (30) so ausgelegt werden, daß eines der Faser­ strangstücke (22, 24) die Krümmungslinie (12) mit posi­ tivem Winkel (α) und das nächstfolgende die Krümmungs­ linie (12) mit negativem Winkel (β) schneidet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faserstrangstücke (22, 24) sich längs geraden Abschnitten einer Zickzacklinie erstrecken, deren Umkehrpunkte (34, 38) beiderseits der Krümmungs­ linie (12) liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungslinie (12) in einem mittigen zwischen den Umkehrpunkten (34, 38) liegenden Bereich verläuft.

5. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauteile (10) aus einem Faserverbund herge­ stellt werden, daß der Faserverbund durch Auslegen von Fasern (50, 60) in mehreren aufeinanderfolgenden Faser­ lagen (30′) entsteht, daß in dem Segment mindestens eine Faserlage (30′) des Faserverbundes Faserstrangstücke (22′, 24′) aufweist, welche schräg zu senkrecht auf der Krümmungslinie (12) stehenden Querschnittsflächen (Q) verlaufen, und daß die Faserlagen (30′) sich in Flächen erstrecken, welche parallel oder in einem spitzen Winkel schräg zu einer von der Krümmungslinie (12) und den Quer­ kraftkomponenten (20′) aufgespannten Ebene verlaufen.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Faserstrangstücke (22′, 24′) einen Winkel (γ) miteinander einschließen, welcher kleiner als 180° ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faserstrangstücke (22′, 24′) dieser Faser­ lage (30) zumindest in Teilbereichen derselben (22′t) von einem auf einer Seite der Krümmungslinie (12) lie­ genden Umkehrpunkt zu einem anderen auf derselben Seite der Krümmungslinie (12) liegenden Umkehrpunkt verlaufen.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Faserstrangstücke (22, 24) innerhalb jeder einzelnen Faserlage (30) des fertigen Bauteils (10) überlappungs­ frei verlaufen.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergelegten Faserlagen (30) miteinander durch einen quer zur Fläche der Faserlagen (30) wirkenden Preßvorgang verpreßt werden.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faserlage (30) aus Gruppen von Faserstrangstücken (22, 24) aufgebaut wird, und jede Gruppe mehrere nebeneinander verlaufende Faserstrangstücke (22, 24) umfaßt.

11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Faserstrang­ stücke (22, 24) Abschnitte einer zusammenhängend ausge­ legten Faser (50, 60) sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Faserstrangstücke (22, 24) zwischen zwei Umlenkpunkten (34, 38) der zusammenhängend ausgelegten Faser (50, 60) verlaufen.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die die nebeneinander verlaufenden Faserstrang­ stücke (22, 24) einer Zweiergruppe umfassenden Fasern (50, 60) im Bereich derselben Umlenkpunkte (34, 38) umgelenkt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine der die zwei nebeneinander verlaufenden Faser­ strangstücke (22, 24) bildenden Fasern (50, 60) den Umlenkpunkt (38, 34) mit einer offenen Schleife (54, 64) und die andere Faser (60, 50) den Umlenkpunkt (34, 38) mit einer geschlossenen Schleife (52, 62) umschlingt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (50, 60) im Bereich jedes Umlenkpunkts um ein Umlenkelement (34, 38) gelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (50, 60) mit Spannung in Faserlängsrichtung um die Umlenkelemente (34, 38) gelegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Umlenkelement (34, 38) einen sich über eine Basisfläche (40) für eine unterste Faser­ lage (30) erhebenden Körper bildet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (34, 38) zapfenähnlich ausgebildet ist.

19. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (50, 60) aller Faserlagen (30) eine das Segment des Bauteils (10) voll­ flächig ausfüllende Struktur bilden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (50, 60) aller Faserlagen (30) eine das Segment des Bauteils gitterartig aus­ füllende Struktur bilden.

21. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstrangstücke (22, 24) übereinander angeordneter Faserlagen (30) in Rich­ tung (56) längs der Krümmungslinie (12) gegeneinander versetzt angeordnet sind.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die einander entsprechenden Faserstrangstücke (22, 24) zweier aufeinanderfolgender Faserlagen (30) gegeneinan­ der um dieselbe Distanz versetzt angeordnet sind.

23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (50, 60) Einzel­ filamente sind.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern (50, 60) aus Einzelfilamen­ ten hergestellte Faserbündel sind.

25. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fasern (50, 60) bei der Herstellung des Segments des Bauteils (10) mit einem aushärtenden Material benetzt werden.

26. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Faser (50, 60) als eine mit dem aushärtenden Material benetzte Faser ausgelegt wird.

27. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Faserstrangstücke (22, 24) durch einen Manipulator ausgelegt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstrangstücke (22, 24) durch eine Bewegung des Manipulators ausgelegt werden, welche die Faserstrang­ stücke (22, 24) von einem Umkehrpunkt (34, 38) zum anderen Umkehrpunkt (34, 38) verlaufend auslegt.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faserstrangstücke (22, 24) einzeln ausge­ legt werden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator die einzelnen Faserstrangstücke (22, 24) von einer zusammenhängenden Faser (50, 60) abschneidet.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator jeweils nach Auslegen eines Faserstrang­ stückes (22, 24) und vor einem Umkehrpunkt die Faser abschneidet und nach dem Umlenkpunkt wieder mit dem Aus­ legen des nächsten Faserstrangstückes (22, 24) beginnt.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator die Faserstrang­ stücke (22, 24) in Form einer zusammenhängenden Faser (50, 60) ausgelegt.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende Faser (50, 60) von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt verläuft.