WO2004022320A1 - Halbzeug und herstellungsverfahren für ein bauelement eines fahrzeugs - Google Patents

Halbzeug und herstellungsverfahren für ein bauelement eines fahrzeugs Download PDF

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WO2004022320A1
WO2004022320A1 PCT/EP2003/009887 EP0309887W WO2004022320A1 WO 2004022320 A1 WO2004022320 A1 WO 2004022320A1 EP 0309887 W EP0309887 W EP 0309887W WO 2004022320 A1 WO2004022320 A1 WO 2004022320A1
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WO
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fiber layer
semi
component
finished product
fiber
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Application number
PCT/EP2003/009887
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Drechsler
Andreas Gessler
Alexander Horoschenkoff
Jan Prockat
Original Assignee
Bombardier Transportation Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/005—Construction details of vehicle bodies with bodies characterised by use of plastics materials

Definitions

  • the present invention relates to a semifinished product for a non-substantially linearly extending component for the body of a vehicle, in particular a rail vehicle, with at least a first fiber layer. It further relates to a method for producing a structural element for the vehicle body of a vehicle, in particular a rail vehicle, in which in a first step a component-specific core is covered with at least one first fiber layer.
  • Such non-substantially linearly extending components are, for example, ring frames, which are often also referred to as ring girders. These are geometrically complex, heavy-duty structural components for car bodies, the manufacture of which in conventional fiber composite construction (FRP construction) is very complex and expensive.
  • FRP construction fiber composite construction
  • DE 44 25 829 C1 discloses a structural element serving as an energy absorber in sandwich form, consisting of two spaced-apart and parallel top layers, between which a plurality of core fibers extending essentially perpendicular to the planes of the two top layers are arranged.
  • DE 29 18 280 C2 describes an energy-absorbing seat with a seat frame, a seat part fastened to the seat frame and an energy-absorbing elongated part provided between the frame and the seat part, which is formed from a composite material made of load-bearing fibers which are connected by a resin.
  • DE 44 22 579 C2 discloses a composite component as a push-pull rod for rail vehicles with a sandwich composite construction.
  • DE 195 09 340 C2 discloses a structural element in the form of a bending beam designed as a hollow profile, in which partial areas consist of at least one metallic material and other partial areas consist of fiber composite material.
  • the present invention is based on the object of providing a semifinished product or a method of the type mentioned at the outset which does not, or at least to a lesser extent, entail the disadvantages mentioned above, and in particular an increase in the degree of automation and a minimization of the waste in the manufacture of such a component while increasing the performance and quality of the component.
  • the present invention solves this problem based on a semi-finished product according to the preamble of claim 1 by the features specified in the characterizing part of claim 1. It further solves this problem on the basis of a method according to the preamble of claim 18 by the features specified in the characterizing part of claim 18.
  • the present invention is based on the technical teaching that an increase in the performance and quality of the component to be produced from the semi-finished product is achieved if the first fiber layer has the shape of at least part of the component of the car body and comprises a component-specific tubular fiber structure.
  • the component-specific, tubular, braided fiber structure enables optimal local adaptation of the orientation and arrangement of the fibers to the geometry and the expected loads on the component. There is no waste or folds.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that production can take place fully automatically using a robot-supported braiding machine. On the one hand, this enables cost savings, on the other hand, the performance and quality of the braided component can be increased. Another advantage, as mentioned, is the minimization of waste.
  • the invention can be used with any non-substantially linearly extending components that can be constructed from one or more structural elements. Due to the high complexity of these components from a geometric point of view and load point of view, it can be used particularly advantageously in connection with the ring frames already mentioned.
  • the first fiber layer therefore preferably has the shape of at least part of an annular frame of the car body.
  • the first fiber layer preferably has a first section with a longitudinal extension in a first direction and a second section with a longitudinal extension in a second direction, the first direction being different from the second direction.
  • the advantages of the invention are particularly pronounced when there are strong differences in direction.
  • the first direction and the second direction therefore preferably form an angle which is between 60 ° and 150 °, preferably between 80 ° and 135 °.
  • the first section and the second section are preferably connected by a transition section with continuously changing fiber orientation.
  • the first fiber layer has a fiber orientation that varies over its length. This makes it possible to adapt the fiber orientation to the geometric conditions of the structural element and / or the loads on the component.
  • the fiber orientation of the first fiber layer is preferably selected to be specific to the requirement, in particular specific to the load. This is particularly advantageous in the transition section, which is usually exposed to higher or more complex stress situations.
  • any reinforcing fibers can be used for the semifinished product according to the invention.
  • the fiber structure preferably comprises glass fibers and / or carbon fibers and / or Kevlar fibers and / or boron fibers.
  • Other suitable reinforcing fibers, such as aramid fibers etc., can also be used.
  • the semi-finished product according to the invention can be formed in one layer. However, it is preferably constructed in multiple layers, since this allows the fibers to be oriented more appropriately, particularly in high and complexly loaded transition areas.
  • at least one second fiber layer connected to the first fiber layer is provided, which comprises a fiber structure braided in a component-specific manner.
  • at least one third fiber layer connected to the first fiber layer can be provided in the form of a multiaxial cover layer.
  • the connection between the Fa Basically, layers can be produced in any way. This way, these suitable means can be stitched together.
  • the fiber layers are preferably sewn together. The connection, in particular the sewing, serves to optimize the damage tolerance and the crash behavior.
  • a component-specific core is provided, onto which the first fiber layer is braided.
  • the core can also serve at least partially as a load-absorbing part of the component.
  • the component-specific core is at least partially removable, in particular meltable or removable, so that it only remains in the semifinished product, for example, until the structural element is finished.
  • the core can comprise at least one reinforcing element. If appropriate, this can also remain in the core only up to a certain production stage of the structural element and then be removed.
  • the component-specific core has distribution channels, in particular microchannels, for resin distribution.
  • distribution media such as suitable fleece layers or the like, can also be applied to the core.
  • the first fiber layer and possible further fiber layers of the semifinished product can also be equipped with such distribution channels, in particular microchannels, in order to facilitate the later uniform distribution of the resin.
  • the semi-finished product according to the invention can be designed as a dry semi-finished fiber, i. H. not be soaked with resin at first.
  • the fiber structure is preferably impregnated with a resin, that is to say pre-impregnated in other words, so that it represents a so-called prepreg.
  • the resin can be a thermosetting resin. These can in particular be vinyl ester resins (VE) or epoxy resins (EP) or corresponding resin systems. However, it can also be a thermoplastic resin. In particular, polystyrene (PS), polycarbonate (PC) or polypropylene (PP) can be used.
  • the respective resin can be mixed with fire protection agents, in particular ammonium polyphosate with synergist (APP).
  • the semi-finished product according to the invention already comprise at least one integrated force introduction element. If available, this can be integrated into the component-specific core. It can also be used in the wattle, i.e. for example, the first fiber layer or a further fiber layer can be integrated.
  • the force introduction element can be, for example, a connection element for a further semifinished product according to the invention, so that a larger structural element of the car body can easily be constructed from several such semifinished products.
  • the present invention further relates to a structural element for the vehicle body of a vehicle, in particular a rail vehicle, which comprises a semifinished product according to the invention.
  • a structural element for the vehicle body of a vehicle in particular a rail vehicle, which comprises a semifinished product according to the invention.
  • at least the first fiber layer is impregnated with a resin and the resin is cured to form a tubular structural shell made of fiber composite material.
  • the structural shell preferably has a wall thickness that varies over its length, so that a design that is suitable for the load and optimized for material consumption is ensured.
  • the different wall thicknesses can be achieved through a different number of fiber layers. Additionally or alternatively, they can also be achieved by a different fiber orientation and fiber density in the longitudinal direction of the component. If, for example, braiding is carried out with a small axial feed, there is a higher fiber density in the longitudinal direction and thus a higher wall thickness.
  • the present invention further relates to a car body for a vehicle, in particular a rail vehicle, with a first surface component forming an outer wall of the car body or an inner wall of the car body, which is connected to a structural element according to the invention.
  • the first surface component preferably comprises at least a fourth fiber layer which is impregnated with the same resin as the first fiber layer. This enables a particularly good and reliable bond to be achieved between the structural element and the surface component.
  • the present invention further relates to a method for producing a structural element which does not extend substantially linearly for the body of a vehicle, in particular a rail vehicle, in which a component-specific core is covered with at least one first fiber layer in a first step.
  • the component-specific core is made available in a shape that corresponds to the shape of at least a part of the component, in particular an annular frame, of the car body, and the first fiber layer is formed by braiding fibers on the component-specific core.
  • a particularly high degree of automation with easily reproducible, high-quality results is achieved if the first fiber layer is generated automatically by a robot-supported braiding machine.
  • the first fiber layer is preferably braided onto the component-specific core with a fiber orientation that varies over its length in order to achieve the optimal adaptation to the geometry and the expected loads on the component described above.
  • At least a second fiber layer is braided onto the first fiber layer or at least a third fiber layer in the form of a multiaxial cover layer is applied in a second step.
  • the third fiber layer can optionally also be applied to one of the second fiber layers.
  • different wall thicknesses can be easily achieved.
  • at least two fiber layers are preferably connected to one another, in particular sewn together.
  • a force introduction element is integrated in at least one fiber layer. This can be done, for example, by braiding corresponding connection areas of the force introduction element.
  • the fibers of at least one fiber layer are impregnated with a resin which is cured in a third step to form a tubular structural shell.
  • the component-specific core is at least partially removed.
  • it can be melted out, for example.
  • the removal can take place before or after the impregnation with resin or the hardening of the resin. If the partial removal takes place, for example, before impregnation with resin, the resulting free space can be filled with resin, which can then act as an internal reinforcement or stiffening of the structural element in the hardened state.
  • the present invention further relates to a method for producing a car body for a vehicle, in particular a rail vehicle, in which a structural element for the car body is produced by a method according to the invention and is connected to a first surface component forming an outer wall of the car body or an inner wall of the car body.
  • a fourth fiber layer of the first surface component is preferably placed in a mold.
  • the semi-finished product according to the invention is then introduced into the mold and placed on the fourth fiber layer in a second production step, in particular being fixed to the fourth fiber layer.
  • the fixation can be done by gluing, stitching, sewing etc.
  • Components in the mold, in particular the fourth fiber layer and the semi-finished product are then impregnated with a resin in a third production step. This is finally cured in a fourth manufacturing step, on the one hand the structural element according to the invention is formed and on the other hand there is a particularly good connection between the structural element and the first surface component.
  • a fifth fiber layer of a second flat component part forming a wall of the car body is preferably placed on the semi-finished product.
  • This fifth fiber layer is also preferably fixed to the semi-finished product in the manner described above.
  • the fifth fiber layer then forms the corresponding inner wall or outer wall of the car body, so that the car body can be produced in a single workflow, without additional assembly steps being required to produce the inner wall or outer wall of the car body after the resin has hardened.
  • further semi-finished products for structural elements or structural elements of the car body are introduced between the fourth fiber layer and the fifth fiber layer.
  • These further semi-finished products can be support elements running in the longitudinal direction of the vehicle or transversely thereto, components for later attachment of equipment parts, window or door frames etc.
  • the structural elements can be connected to one another, so that a correspondingly rigid framework is possibly created.
  • Filling materials can of course also be inserted between the fourth and fifth fiber layers.
  • These can be filling panels, such as foam, rigid foam or honeycomb panels, which are used for thermal insulation, for sound insulation or vibration damping or for influencing shear behavior.
  • the resin can be introduced in any way. It is preferably introduced by the vacuum injection method.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a preferred embodiment of the semi-finished product according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of an arrangement for producing the semi-finished product according to the invention from Figure 1 according to a preferred embodiment of the method according to the invention;
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration of a structural element according to the invention produced from the semifinished product from FIG. 1;
  • Figure 4 is a schematic perspective partial sectional view of a preferred embodiment of the car body according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of the semifinished product 1, which is used to produce a structural element that does not extend essentially linearly for an annular frame of the car body of a rail vehicle.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an arrangement for producing this semi-finished product 1 according to a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 3 shows the structural element according to the invention.
  • the semifinished product 1 comprises a first fiber layer 2, which has the shape of part of the annular frame.
  • the first fiber layer 2 comprises a component-specific tubular fiber structure that is braided onto a component-specific shaped core 3.
  • the fiber orientation and the fiber arrangement is selected on the one hand depending on the geometry of the core 3 and thus of the structural element. It is also selected depending on the loads to be expected of the structural element. Accordingly, different fiber arrangements and fiber orientations result in different areas, as is indicated schematically in sections 2.1, 2.2 and 2.3. Due to the component specific braiding results in a wrinkle-free contact of the first fiber layer 2 with the core 3.
  • second fiber layers 4 are braided onto the first fiber layer 2. Comparable to the first fiber layer 2, these also each comprise a component-specific tubular fiber structure. Due to the multilayer design, the fibers can be aligned and arranged in a particularly good, load-oriented manner. The fiber layers 2 and 4 can be connected to one another at several points, for example sewn together, in order to optimize the damage behavior of the later structural element.
  • one or more third fiber layers in the form of so-called multiaxial cover layers can be applied and connected to the fiber layer (s) below.
  • the first fiber layer 2 has a first section 2.1, which extends in a first direction 5. It also has a second section 2.2, which extends in a second direction 6. The first direction 5 and the second direction 6 enclose an angle 7 of 90 °.
  • the first section 2.1 and the second section 2.2 are connected by a transition section 2.3, in which the fiber orientation changes continuously between the fiber orientation of the first section 2.1 and the fiber orientation of the second section 2.2.
  • socket-like force introduction elements 8.1 and 8.2 are fastened, which are also braided with the fiber layers 2 and 4, so that they are firmly integrated into the semifinished product 1. These force introduction elements 8.1 and 8.2 are used later for connection to further semi-finished products according to the invention, in order to continue the ring frame or to establish a connection with other vehicle elements.
  • the core 3 further comprises removable reinforcing elements 3.1, which ensure sufficient stability when handling the core 3 during braiding. After braiding, the reinforcing elements 3.1 can be removed. However, it goes without saying that in the case of variants with cores remaining in the structural element for reinforcing the structural element, these reinforcing elements can also remain in the core.
  • the core 3 is made in the present example from a pourable mass, which can be melted out after the subsequent impregnation of the semi-finished product 3 with resin and its curing in the manufacture of the structural element, so that the part in question is formed of the structural element, only the tubular structural shell formed from the resin-impregnated fiber layers 2 and 4 with the embedded force application elements 8.1 and 8.2 remains.
  • the core 3 further comprises - not shown in FIG. 1 - microchannels distributed over its surface, which ensure a good and even distribution of the resin when the semi-finished product 1 is subsequently impregnated with resin.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement for producing the semi-finished product 1 with an automatic braiding machine 9 and a conventional handling robot 10.
  • the core 3 is connected via the force introduction element 8.2.
  • the robot arm 10.1 can be moved in any direction in a manner known per se, and it can also be moved in the directions of the double arrow 10.2.
  • the semifinished product 1 according to the invention is first produced.
  • the core 3 mounted on the free end of the robot arm 10.1 is braided with carbon fibers 11, so that the first fiber layer 2 described above is formed, as shown in FIG. 2.
  • the wrinkle-free component-specific arrangement and alignment of the carbon fibers 11 is achieved, inter alia, by a suitable choice of the alignment and the feed of the robot arm 10.1.
  • the second fiber layers 4 described above are then also braided from carbon fibers 11 onto the first fiber layer 2 and connected to the latter.
  • the tubular structural shell 12 - shown in FIG. 3 - is then formed from the semifinished product 1.
  • the fiber layers 2 and 4 are impregnated with an epoxy resin.
  • the resin is then cured.
  • the reinforcing elements 3.1 are removed and the core 3 is melted out, so that only the tubular structural shell 12 with the embedded force introduction elements 8.1 and 8.2 remains.
  • the core in other variants of the invention can also be removed before the fiber layers are impregnated.
  • This structural shell can then be connected to other structural shells produced in this way using the force introduction elements 8.1 and 8.2 in order to form the annular frame according to the invention.
  • the corresponding semifinished products can first be connected to one another in the dry state or in the resin-impregnated, not yet cured state, and only then does the impregnation or curing take place.
  • further fiber layers can also be applied at the connection points in order to ensure the connection.
  • the ring frame according to the invention can also consist of a single structural shell produced in this way.
  • FIGS. 1 and 3 would only represent a cut-off part of this ring frame.
  • FIG. 4 shows a schematic perspective partial sectional view of a preferred embodiment of the car body 13 according to the invention. This includes, among other things, a truss 14 which is composed of ring frames 15 and longitudinal struts 16.
  • the ring frames 15 are constructed from two structural elements in the form of structural shells 15.1 and 15.2. These structural shells 15.1 and 15.2 are produced from semi-finished products according to the invention, which in turn were produced in the manner described above in connection with FIGS. 1 to 3.
  • connection between the ring ribs 15 and the longitudinal struts 16 is initially made in the form of a plug connection via the force introduction elements 15.3, which are anchored in the fiber layers of the structural shells 15.1 and 15.2.
  • the longitudinal struts 16 are finished structural elements. It goes without saying, however, that other variants of the invention can initially also be a semi-finished fiber product, which only later becomes a fully functional structural element after impregnation with resin and curing of the resin.
  • a first surface component 17 forming the outer wall of the car body 13 rests on the truss 14, while a second surface component 18 forming the inner wall of the car body 13 rests on the inside of the car body 13.
  • the first surface component 17 comprises a plurality of fourth fiber layers made of carbon fibers
  • the second surface component comprises a plurality of fifth fiber layers made of carbon fibers.
  • filler plates 19 are inserted, which, in addition to their structural properties, serve, among other things, for thermal and acoustic insulation.
  • the semifinished products for the structural shells 15.1 and 15.2 are produced in the manner described above in connection with FIGS. 1 to 3, the cores remaining in the respective semifinished product. These semi-finished products are then joined together by plug connections in the connection areas 15.4 and the longitudinal struts 16 to form the framework 14.
  • the dry, i.e. H. fourth, non-resin-impregnated fiber layers of the first surface component 17 are placed in a shape corresponding to the outer wall of the car body 13.
  • the fourth fiber layers are already provided with the corresponding cutouts for the window openings 20 of the car body 13.
  • the framework 14 with the dry, i.e. H. Semi-finished products not impregnated with resin for the structural shells 15.1 and 15.2 and the longitudinal struts 16 are introduced into the mold and placed on the fourth fiber layers.
  • the truss 14 is glued to the fourth fiber layers at points for mutual fixation.
  • the filler plates 19 are inserted into the free spaces of the framework 14.
  • the fifth fiber layers of the second surface component 18 are introduced into the mold and placed on the framework 14 or the filler plates 19.
  • the fifth fiber layers are already provided with the corresponding cutouts for the window openings 20 of the car body 13.
  • the mold is then closed in a suitable manner and the components in the mold are impregnated with epoxy resin, which is mixed with fire retardant in the form of ammonium polyphosate with synergist (APP).
  • APP synergist
  • the resin is then cured, the structural shells 15.2 and 15.1 being formed.
  • the fibers or components of all resin-impregnated components are then connected to one another via a common resin matrix, which results in a particularly strong, highly resilient composite.
  • the ring frame in other variants of the invention can also consist of a single structure. relement can be built.
  • the respective ring frame from FIG. 4 can be produced from a single semi-finished product according to the invention.
  • thermosetting or thermoplastic synthetic resins are mixed with the fibers during manufacture.
  • vinyl ester resins, polyester resins or phenolic resins are suitable as thermosetting synthetic resins.
  • Suitable thermoplastic synthetic resins are based on polystyrene, polycarbonate and polypropylene as well as similar plastics.

Abstract

Halbzeug für ein sich nicht im wesentlichen linear erstreckendes Bauelement (15) für den Wagenkasten (13) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit wenigstens einer ersten Faserlage (2), wobei die erste Faserlage (2) die Form wenigstens eines Teils des Bauelements (15) des Wagenkastens aufweist und eine bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur umfasst. Verfahren zur Herstellung eines sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Strukturelements für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem in einem ersten Schritt ein bauteilspezifischer Kern (3) mit wenigstens einer ersten Faserlage (2) bedeckt wird, wobei der bauteilspezifische Kern (3) in einer Form zur Verfügung gestellt wird, die der Form wenigstens eines Teils eines Bauteils, insbesondere eines Ringspants (15), des Wagenkastens (13) entspricht, und die erste Faserlage (2) gebildet wird, indem Fasern (11) auf den bauteilspezifischen Kern (3) aufgeflochten werden.

Description

Halbzeug und Herstellungsverfahren für ein Bauelement eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug für ein sich nicht im wesentlichen linear erstreckendes Bauelemente für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit wenigstens einer ersten Faserlage. Sie betrifft weiterhin ein Verfah- ren zur Herstellung eines Strukturelements für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem in einem ersten Schritt ein bauteilspezifischer Kern mit wenigstens einer ersten Faserlage bedeckt wird.
Bei derartigen sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Bauelementen handelt es sich beispielsweise um Ringspanten, die häufig auch als Ringgirder bezeichnet werden. Dies sind geometrisch komplexe, hochbelastbare Strukturbauteiie für Wagenkästen, deren Herstellung in konventioneller Faserverbundbauweise (FVK-Bauweise) sehr aufwendig und teuer ist.
Grundsätzlich ist bekannt, sich im wesentlichen linear erstreckende Bauelemente für Fahrzeuge durch Laminieren aus flächigen Halbzeugen herzustellen. Dies ist jedoch mit einer hohen Verschnittrate, aufwendiger Handarbeit und ungünstigen Gestaltungsmöglichkeiten verbunden. Weiterhin ist bekannt, solche Bauelemente für Fahrzeuge durch Laminieren aus Geflechtschläuchen herzustellen. Auch hierbei ergeben sich Nachteile hinsichtlich einer aufwendigen Handarbeit und ungenügender Gestaltungsmöglichkeiten. Insbesondere in Bauteilabschnitten, in denen sich die Längserstreckungsrichtung des Bauteils stark ändert, wie dies bei den eingangs genannten Ringspanten in der Regel der Fall ist, gestaltet sich die Verwendung von solchen Geflechtschläuchen schwierig bzw. unmöglich, wenn ein faltenfreier Übergang erzielt werden soll. Bei den beiden vorgenannten Lösungen ist eine bela- stungsor ientierte Optimierung der Faserablagewinkel, sofern überhaupt, nur mit sehr hohem Aufwand möglich
Derartige Bauelemente werden im Bereich des Fahrzeugbaus für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. So offenbart die DE 44 25 829 C1 ein als Energieabsorber dienendes Strukturelement in Sandwich-Form, bestehend aus zwei im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Decklagen, zwischen denen eine Vielzahl von sich im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der beiden Decklagen erstreckenden Kernfasern angeordnet ist. Die DE 29 18 280 C2 beschreibt einen energieabsorbierenden Sitz mit einem Sitzrahmen, einem am Sitzrahmen befestigten Sitzteil und einem zwischen dem Rahmen und dem Sitzteil vorgesehenen energieabsorbierenden länglichen Teil, welcher aus einem Verbundmaterial aus lasttragenden Fasern gebildet ist, die durch ein Harz verbunden sind.
Die DE 44 22 579 C2 offenbart ein Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge mit einer Sandwich-Verbundkonstruktion.
Die DE 195 09 340 C2 offenbart ein Strukturelement in Form eines als Hohlprofil ausgebildeten Biegeträgers, bei dem Teilbereiche aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und andere Teilbereiche aus Faserverbundwerkstoff bestehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zu Grunde, ein Halbzeug bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße mit sich bringt und insbesondere eine Erhöhung des Automatisierungsgrades und einer Minimierung des Verschnitts bei der Herstellung eines derartigen Bauelements unter Erhöhung der Leistungsfä- higkeit und Qualität des Bauelements gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Halbzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Sie löst diese Aufgabe weiterhin ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 18 angegebenen Merkmale.
Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass man eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Qualität des aus dem Halbzeug herzustellenden Bauelements erzielt, wenn die erste Faserlage die Form wenigstens eines Teils des Bauelements des Wagenkastens aufweist und eine bauteilspezifisch rohrför mig geflochtene Faserstruktur umfasst. Die bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur ermöglicht dabei eine optimale lokale Anpassung der Ausrichtung und Anordnung der Fasern an die Geometrie und die zu erwartenden Belastungen des Bauelements. Verschnitt oder Faltenwurf treten nicht auf. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass die Fertigung mittels einer roboterunterstützten Flechtmaschine vollautomatisch erfolgen kann. Dadurch ist einerseits eine Kostenersparnis möglich, andererseits können Leistungsfähigkeit und Qualität des geflochtenen Bauelements gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil liegt wie erwähnt in der Minimierung des Verschnitts. Die automatisierte Fertigung führt zu einer hohen und konstanten Fertigungsqualität. Die Erfindung lässt sich mit beliebigen sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Bauelementen einsetzen, die aus einem oder mehreren Strukturelementen aufgebaut werden können. Aufgrund der unter geometrischen Gesichtspunkten und Belastungsgesichtspunkten hohen Komplexität dieser Bauteile lässt sie sich besonders vorteilhaft in Zusammenhang mit den bereits erwähnten Ringspanten einsetzen. Bevorzugt weist die erste Faserlage daher die Form wenigstens eines Teils eines Ringspants des Wagenkastens auf.
Entsprechend der Geometrie solcher Bauelemente weist die erste Faserlage vorzugsweise einen ersten Abschnitt mit einer Längserstreckung in einer ersten Richtung und einen zweiten Abschnitt mit einer Längserstreckung in einer zweiten Richtung auf, wobei die erste Richtung verschieden von der zweiten Richtung ist. Besonders bei starken Richtungsunterschieden kommen die Vorteile der Erfindung besonders stark zum Tragen. Bevorzugt schließen die erste Richtung und die zweite Richtung daher einen Winkel ein, der zwischen 60° und 150°, vorzugsweise zwischen 80° und 135°, liegt. Vorzugsweise sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch einen Übergangsabschnitt mit sich kontinuierlich än- dernder Faserausrichtung verbunden.
Bei bevorzugten Varianten der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Faserlage eine über ihre Länge variierende Faserausrichtung aufweist. Hierdurch ist eine Anpassung der Faserausrichtung an die geometrischen Gegebenheiten des Strukturelements und/oder die Belastungen des Bauelements möglich. Vorzugsweise ist die Faserausrichtung der ersten Fa- serlage anforderungsspezifisch, insbesondere belastungsspezifisch gewählt. Dies ist insbesondere in dem Übergangsabschnitt von Vorteil, der in der Regel höheren bzw. komplexeren Belastungssituationen ausgesetzt ist.
Für das erfindungsgemäße Halbzeug können grundsätzlich beliebige Verstärkungsfasern verwendet werden. Bevorzugt umfasst die Faserstruktur Glasfasern und/oder Kohlenstofffa- sern und/oder Kevlarfasem und/oder Borfasern. Ebenso können auch andere geeignete Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Aramidfasern etc. eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Halbzeug kann einlagig ausgebildet sein. Bevorzugt ist es jedoch mehrlagig ausgebildet, da hiermit, insbesondere in hoch und komplex belasteten Übergangsbereichen, eine belastungsgerechtere Ausrichtung der Fasern möglich ist. Vor zugs- weise ist daher wenigstens eine mit der ersten Faserlage verbundene zweite Faserlage vorgesehen, die eine bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur umfasst. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens eine mit der ersten Faserlage verbundene dritte Faserlage in Form einer multiaxialen Deckschicht vorgesehen sein. Die Verbindung zwischen den Fa- serlagen kann grundsätzlich in beliebiger Weise hergestellt werden. So können diese durchgeeignete Mittel zusammengeheftet werden. Vorzugsweise sind die Faserlagen miteinander vernäht. Die Verbindung, insbesondere das Vernähen, dient dabei zur Optimierung der Schadenstoleranz und des Crashverhaltens.
Bei besonders vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist ein bauteilspezifischer Kern vorgesehen, auf den die erste Faserlage aufgeflochten ist. Hiermit lässt sich eine besonders einfache Herstellung und Handhabung des Halbzeugs realisieren. Zudem kann der Kern auch zumindest teilweise als Last aufnehmender Teil des Bauelements dienen. Weiterhin kann jedoch vorgesehen sein, dass der bauteilspezifische Kern zumindest teilweise entfernbar, insbesondere ausschmelzbar oder demontierbar, ausgebildet ist, so- dass er beispielsweise nur bis zur Fertigstellung des Strukturelements im Halbzeug verbleibt. Zusätzlich oder alternativ kann der Kern zumindest ein Verstärkungselement umfassen. Dieses kann gegebenenfalls ebenfalls nur bis zu einem bestimmten Herstellungsstadium des Strukturelements in Kern verbleiben und dann entfernt werden.
Bei besonders vorteilhaften, weil einfach weiter zu verarbeitenden Varianten des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist vorgesehen, dass der bauteilspezifische Kern Verteilerkanäle, insbesondere Mikrokanäle, zur Harzverteilung aufweist. Hierzu können auf den Kern auch so genannte Verteilermedien, wie beispielsweise geeignete Vlieslagen oder dergleichen aufgebracht sein. Es versteht sich, dass im Übrigen auch die erste Faserlage und mögliche weite- re Faserlagen des Halbzeugs mit solchen Verteilerkanälen, insbesondere Mikrokanälen, ausgerüstet sein können, um die spätere gleichmäßige Verteilung des Harzes zu erleichtern.
Das erfindungsgemäße Halbzeug kann als trockenes Faserhalbzeug ausgebildet sein, d. h. zunächst nicht mit einem Harz getränkt sein. Vorzugsweise ist die Faserstruktur mit einem Harz getränkt, also mit anderen Worten vorimprägniert, sodass sie ein so genanntes Pre- preg darstellt. Dabei kann das Harz ein duroplastisches Harz sein. Hierbei kann es sich insbesondere um Vinylester-Harze (VE) oder Epoxid-Harze (EP) bzw. entsprechende Harzsysteme handeln. Ebenfalls kann sich aber auch um ein thermoplastisches Harz handeln. Hierbei können insbesondere Polystyrol (PS), Polycarbonate (PC) oder Polypropylen (PP) Anwendung finden. Weiterhin kann das jeweilige Harz mit Brandschutzmittel, insbesondere Ammoniumpolyphosate mit Synergist (APP), versetzt sein.
Besonders vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Halbzeugs umfassen bereits wenigstens ein integriertes Krafteinleitungselement. Dieses kann, sofern vorhanden, in den bauteilspezifischen Kern eingebunden sein. Ebenso kann es in das Flechtwerk, also bei- spielsweise die erste Faserlage, oder einer weiteren Faserlage integriert sein. Bei dem Krafteinleitungselement kann es sich beispielsweise um ein Anschlusselement für ein weiteres erfindungsgemäßes Halbzeug handeln, sodass ein größeres Strukturelement des Wagenkastens einfach aus mehreren solchen Halbzeugen aufgebaut werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Strukturelement für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, das ein erfindungsgemäßes Halbzeug umfasst. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass zur Bildung einer r ohrför migen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoff wenigstens die erste Faserlage mit einem Harz getränkt ist und das Harz ausgehärtet ist. Bevorzugt weist die Strukturschale eine über ihre Länge variierende Wandstärke auf, sodass eine belastungsgerechte, materialverbrauchsoptimierte Gestaltung gewährleistet ist. Die unterschiedlichen Wandstärken können durch eine unterschiedliche Anzahl an Faserlagen erzielt werden. Zusätzlich oder alternativ können sie aber auch durch eine unterschiedliche Faserausrichtung und Faserdichte in Längsrichtung des Bauteils erzielt werden. Wird beispielsweise mit einem geringen axialen Vorschub ge- flochten, ergibt sich in Längsrichtung eine höhere Faserdichte und damit eine höhere Wandstärke.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Wagenkasten für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem eine Außenwand des Wagenkastens oder eine Innenwand des Wagenkastens bildenden ersten Flächenbauteil, das mit einem erfindungsge- mäßen Strukturelement verbunden ist. Vorzugsweise umfasst das erste Flächenbauteil wenigstens eine vierte Faserlage, die mit demselben Harz wie die erste Faserlage getränkt ist. Hierdurch ist ein besonders guter und zuverlässiger Verbund zwischen dem Strukturelement und dem Flächenbauteil erzielbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft wie erwähnt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Strukturelements für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem in einem ersten Schritt ein bauteilspezifischer Kern mit wenigstens einer ersten Faserlage bedeckt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der bauteilspezifische Kern in einer Form zur Verfügung gestellt wird, die der Form wenigstens eines Teils des Bauteils, insbesondere eines Ringspants, des Wagenkastens entspricht, und die erste Faserlage gebildet wird, indem Fasern auf den bauteilspezifischen Kern aufgeflochten werden. Hiermit lassen sich der oben dargestellten Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbzeugs in derselben Weise realisieren, sodass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen erwiesen wird.
Ein besonders hoher Automatisierungsgrad mit gut reproduzierbaren, qualitativ hochwerti- gen Ergebnissen ergibt sich, wenn die erste Faserlage automatisch durch eine roboterunterstützte Flechtmaschine erzeugt wird.
Vorzugsweise wird die erste Faserlage mit über ihre Länge variierender Faserausrichtung auf den bauteilspezifischen Kern aufgeflochten wird, um die oben beschriebenen optimale Anpassung an die Geometrie und die zu erwartenden Belastungen des Bauteils zu erzielen.
Zur Erzeugung von mehrlagigen Bauteilen bzw. Strukturelementen wird bevorzugt in einem zweiten Schritt auf die erste Faserlage wenigstens eine zweite Faserlage aufgeflochten oder wenigstens eine dritte Faserlage in Form einer multiaxialen Deckschicht aufgebracht. Die dritte Faserlage kann gegebenenfalls auch auf eine der zweiten Faserlagen aufgebracht werden. Je nach Anzahl der Lagen lassen sich damit in einfacher Weise unterschiedliche Wandstärken erzielen. Vorzugsweise werden dabei, wie bereits oben beschrieben, wenigstens zwei Faserlagen miteinander verbunden, insbesondere miteinander vernäht.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass in wenigstens eine Faserlage ein Krafteinleitungselement integriert wird. Dies kann beispielsweise geschehen, indem entsprechende Anschlussbereiche des Krafteinleitungselements umflochten werden.
Zur Herstellung des Strukturelements ist bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass die Fasern wenigstens einer Faserlage mit einem Harz getränkt werden, das zur Bildung einer rohrför- migen Strukturschale in einem dritten Schritt ausgehärtet wird.
Bei bestimmten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der bauteilspezifische Kern zumindest teilweise entfernt wird. Hierzu kann er beispielsweise ausgeschmolzen werden. Das Entfernen kann vor oder nach dem Tränken mit Harz bzw. dem Aushärten des Harzes erfolgen. Erfolgt das teilweise Entfernen beispielsweise vor dem Tränken mit Harz, so kann der hierdurch entstehende Freiraum mit Harz ausgefüllt werden, welches dann im ausgehärteten Zustand als innere Verstärkung bzw. Versteifung des Strukturelements wirken kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Wagenkastens für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, bei dem ein Strukturelement für den Wagenkasten mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und mit einem eine Außenwand des Wagenkastens oder eine Innenwand des Wagenkastens bildenden ersten Flächenbauteil verbunden wird.
Vorzugsweise wird dabei in einem ersten Herstellungsschritt wenigstens eine vierte Faserla- ge des ersten Flächenbauteils in eine Form eingelegt wird. Anschließend wird in einem zweiten Herstellungsschritt das erfindungsgemäße Halbzeug in die Form eingebracht und auf die vierte Faserlage aufgelegt, wobei es insbesondere an der vierten Faserlage fixiert wird. Die Fixierung kann durch Kleben, Heften, Vernähen etc. erfolgen. Anschließend werden in einem dritten Herstellungsschritt in der Form befindliche Bauteile, insbesondere die vierte Faserlage und das Halbzeug, mit einem Harz getränkt. Dieses wird schließlich in einem vierten Herstellungsschritt ausgehärtet, wobei zum einen das erfindungsgemäße Strukturelement ausgebildet wird und sich zum anderen eine besonders gute Verbindung zwischen dem Strukturelement und dem ersten Flächenbauteil ergibt.
Vorzugsweise wird in dem zweiten Herstellungsschritt nach dem Auflegen des Struktur ele- ments auf die vierte Faserlage wenigstens eine fünfte Faserlage eines eine Wand des Wagenkastens bildenden zweiten Flächenbauteiis auf das Halbzeug aufgelegt. Auch diese fünfte Faserlage wird bevorzugt in der oben beschriebenen Weise an dem Halbzeug fixiert wird. Die fünfte Faserlage bildet dann die entsprechende Innenwand bzw. Außenwand des Wagenkastens, sodass der Wagenkasten in einem einzigen Arbeitsablauf hergestellt wer- den kann, ohne dass nach dem Aushärten des Harzes weitere Montageschritte zur Herstellung der Innenwand bzw. Außenwand des Wagenkastens erforderlich wären.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem zweiten Herstellungsschritt weitere Halbzeuge für Strukturelemente oder Strukturelemente des Wagenkastens zwischen die vierte Faserlage und die fünfte Fasernlage eingebracht werden. Bei diesen weiteren Halbzeugen kann es sich um in Längsrichtung des Fahrzeugs oder quer dazu verlaufende Tragelemente, Bauteile zur späteren Befestigung von Ausrüstungsteilen, Fenster- oder Türrahmen etc. handeln. Die Strukturelemente können dabei miteinander verbunden werden, sodass gegebenenfalls ein entsprechend starres Fachwerk entsteht. Ebenso können natürlich Füllmaterialien zwischen die vierte und fünfte Faserlage eingelegt werden, dabei kann es sich um Füll- platten, wie Schaumstoff-, Hartschaum- oder Wabeplatten handeln, die zur Wärmeisolierung, zur Schalldämmung oder Schwingungsdämpfung oder zur Beeinflussung des Scherverhaltens dienen. Das Harz kann auf beliebige Weise eingebracht werden. Bevorzugt wird es nach dem Vakuuminjektionsverfahren eingebracht.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen
Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs aus Figur 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines aus dem Halbzeug aus Figur 1 hergestellten erfindungsgemäßen Strukturelements;
Figur 4 eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wagenkastens.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf die Figuren 1 bis 3 eine bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs 1 sowie seine Herstellung und Weiterverarbeitung zu einem erfindungsgemäßen Strukturelement erläutert. Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Halbzeugs 1 , das zur Herstellung eines sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Strukturelements für einen Ringspant des Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs dient. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung dieses Halbzeugs 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Strukturelement.
Das Halbzeug 1 umfasst eine erste Faserlage 2, welche die Form eines Teils des Ringspants aufweist. Die erste Faserlage 2 umfasst eine bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur, die auf einen bauteilspezifisch geformten Kern 3 aufgeflochten ist. Die Faserausrichtung und die Faseranordnung ist dabei zum einen in Abhängigkeit von der Geometrie des Kerns 3 und damit des Strukturelements gewählt. Sie ist weiterhin in Abhängigkeit von den zu erwartenden Belastungen des Strukturelements gewählt. Demgemäß ergeben sich in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Faseranordnungen und Faserausrichtungen, wie dies schematisch in den Abschnitten 2.1 , 2.2 und 2.3 angedeutet ist. Durch die bauteil- spezifische Flechtung ergibt sich dabei eine faltenfreie Anlage der ersten Faserlage 2 an dem Kern 3.
Auf die erste Faserlage 2 sind mehrere zweite Faserlagen 4 aufgeflochten. Diese umfassen vergleichbar der ersten Faserlage 2 ebenfalls jeweils eine bauteilspezifisch rohrförmig ge- flochtene Fasernstruktur. Durch die mehrlagige Ausführung kann dabei eine besonders gute, belastungsgerechte Ausrichtung und Anordnung der Fasern erfolgen. Die Faserlagen 2 und 4 können dabei an mehreren Stellen miteinander verbunden sein, beispielsweise miteinander vernäht sein, um das Schadensverhalten des späteren Strukturelements zu optimieren.
Es versteht sich hierbei, dass zusätzlich zu den oder an Stelle der zweiten Faserlagen eine oder mehrere dritte Faserlagen in Form von so genannten multiaxialen Decklagen aufgebracht und mit der bzw. den darunter liegenden Faserlagen verbunden sein kann.
Die erste Faserlage 2 weist einen ersten Abschnitt 2.1 auf, der sich in einer ersten Richtung 5 erstreckt. Sie weist weiterhin einen zweiten Abschnitt 2.2 auf, der sich in einer zweiten Richtung 6 erstreckt. Die erste Richtung 5 und die zweite Richtung 6 schließen einen Winkel 7 von 90° ein. Der erste Abschnitt 2.1 und der zweite Abschnitt 2.2 sind durch einen Übergangsabschnitt 2.3 verbunden, in dem sich die Faserausrichtung kontinuierlich zwischen der Faserausrichtung des ersten Abschnitts 2.1 und der Faserausrichtung des zweiten Abschnitts 2.2 ändert.
An dem Kern 3 sind steckbuchsenartige Krafteinleitungselemente 8.1 und 8.2 befestigt, die ebenfalls mit den Faserlagen 2 und 4 umflochten sind, sodass sie fest in das Halbzeug 1 integriert sind. Diese Krafteinleitungselemente 8.1 und 8.2 dienen später zur Verbindung mit weiteren erfindungsgemäßen Halbzeugen, um den Ringspant fortzusetzen oder eine Verbindung mit anderen Fahrzeugelementen herzustellen.
Der Kern 3 umfasst weiterhin entfernbare Verstärkungselemente 3.1 , die beim Handhaben des Kerns 3 beim Flechten eine ausreichende Stabilität sicherstellen. Nach dem Flechten können die Verstärkungselemente 3.1 entfernt werden. Es versteht sich jedoch, dass diese Verstärkungselemente bei Varianten mit in dem Strukturelement verbleibenden Kernen zur Verstärkung der Strukturelements auch im Kern verbleiben können.
Der Kern 3 ist im vorliegenden Beispiel aus einer gießbaren Masse hergestellt, die nach dem späteren Tränken des Halbzeugs 3 mit Harz und dessen Aushärtung bei der Herstellung des Strukturelements ausgeschmolzen werden kann, sodass zur Bildung des betreffenden Teils des Strukturelements nur noch die aus den harzgetränkten Faserlagen 2 und 4 gebildete rohrförmige Strukturschale mit den eingebetteten Krafteinleitungselementen 8.1 und 8.2 verbleibt. Der Kern 3 umfasst weiterhin - in Figur 1 nicht dargestellte - über seine Oberfläche verteilte Mikrokanäle, die beim späteren Tränken des Halbzeugs 1 mit Harz eine gute und gleichmäßige Verteilung des Harzes sicherstellen.
Figur 2 zeigt wie erwähnt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung des Halbzeugs 1 mit einer automatischen Flechtmaschine 9 und einem herkömmlichen Handhabungsroboter 10. Am freien Ende des Roboterarms 10.1 ist der Kern 3 über das Krafteinleitungselement 8.2 angeschlossen. Der Roboterarm 10.1 ist in an sich bekannter Weise in beliebige Richtungen beweglich, zudem kann er in den Richtungen des Doppelpfeils 10.2 verfahren werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verstärkungselements wird zunächst das erfindungsgemäße Halbzeug 1 hergestellt. Hierzu wird in einem ersten Schritt der am freien Ende des Roboterarms 10.1 montierte Kern 3 mit Kohlenstofffasem 11 umflochten, sodass die oben beschriebene ersten Faserlage 2 entsteht, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Dabei wird die faltenfreie bauteilspezifische Anordnung und Ausrichtung der Kohlenstofffasern 11 unter anderem durch geeignete Wahl der Ausrichtung und des Vorschubs des Roboterarms 10.1 erzielt.
In einem zweiten Schritt werden dann ebenfalls aus Kohlenstofffasern 11 die - in Figur 2 nicht dargestellten - oben beschriebenen zweiten Faserlagen 4 auf die erste Faserlage 2 aufgeflochten und mit dieser verbunden.
Es versteht sich, dass hierbei lokal unterschiedliche Wanddicken der späteren Strukturschale erzielt werden können, indem lokal durch geeignete Wahl der Faserausrichtung und der Faserdichte und/oder durch eine größere Anzahl von zweiten Faserlagen eine größere Anzahl von Fasern appliziert wird.
In einem dritten Schritt wird dann aus dem Halbzeug 1 die - in Figur 3 dargestellte - rohrförmige Strukturschale 12 ausgebildet. Hierzu werden die Faserlagen 2 und 4 mit einem Epoxidharz getränkt. Das Harz wird anschließend ausgehärtet. Schließlich werden die Verstärkungselemente 3.1 entfernt und der Kern 3 ausgeschmolzen, sodass nur noch die rohr- förmige Strukturschale 12 mit den eingebetteten Krafteinleitungselementen 8.1 und 8.2 verbleibt. Hierbei versteht es sich, dass der Kern bei anderen Varianten der Erfindung auch schon vor dem Tränken der Faserlagen entfernt werden kann. Diese Strukturschale kann dann unter Verwendung der Krafteinleitungselemente 8.1 und 8.2 mit anderen derart hergestellten Strukturschalen verbunden werden, um den erfindungsgemäßen Ringspant zu bilden. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung die entsprechenden Halbzeuge zunächst im trockenen Zustand oder im harzgetränk- ten, noch nicht ausgehärteten Zustand miteinander verbunden werden können und erst dann das Tränken bzw. Aushärten erfolgt. Hierbei können weiterhin an den Verbindungsstellen weitere Faserlagen aufgebracht werden, um die Verbindung sicherzustellen.
Schließlich versteht es sich, dass der erfindungsgemäße Ringspant auch aus einer einzigen derart hergestellten Strukturschale bestehen kann. Die Figuren 1 und 3 würden in diesem Fall lediglich einen abgeschnittenen Teil dieses Ringspants darstellen.
Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wagenkastens 13. Dieser umfasst unter anderem ein Fachwerk 14, welches aus Ringspanten 15 und Längsverstrebungen 16 zusammengesetzt ist.
Die Ringspanten 15 sind aus zwei Strukturelementen in Form von Strukturschalen 15.1 und 15.2 aufgebaut. Diese Strukturschalen 15.1 und 15.2 sind aus erfindungsgemäßen Halbzeugen hergestellt, deren Herstellung wiederum in der oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Weise erfolgte.
Die Verbindung zwischen den Ringspanten 15 und den Längsverstrebungen 16 erfolgt zu- nächst in Form einer Steckverbindung über die Krafteinleitungselemente 15.3, die in den Faserlagen der Strukturschalen 15.1 und 15.2 verankert sind. Bei den Längsverstrebungen 16 handelt es sich im vorliegenden Fall um fertige Strukturelemente. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei anderen Varianten der Erfindung zunächst auch um ein Faserhalbzeug handeln kann, welches erst später nach dem Tränken mit Harz und Aushärten des Harzes zu einem voll funktionsfähigen Strukturelement wird.
Auf der Außenseite des Wagenkastens 13 liegt auf dem Fachwerk 14 ein die Außenwand des Wagenkastens 13 bildendes erstes Flächenbauteil 17 auf, während auf der Innenseite des Wagenkasten 13 ein die Innenwand des Wagenkastens 13 bildendes zweites Flächenbauteil 18 aufliegt. Das erste Flächenbauteil 17 umfasst mehrere vierte Faserlagen aus Kohlenstofffasern, während das zweite Flächenbauteil mehrere fünfte Faserlagen aus Kohlenstofffasern umfasst. In die Zwischenräume zwischen dem ersten Flächenbauteil 17 und dem zweiten Flächenbauteil 18 sind Füllplatten 19 eingelegt, die neben ihren strukturellen Eigenschaften unter anderem zur Wärme- und Schalldämmung dienen. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figur 4 die erfindungsgemäße Herstellung des Wagenkastens 13 beschrieben.
Zunächst werden der oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Weise die Halbzeuge für die Strukturschalen 15.1 und 15.2 hergestellt, wobei die Kerne in dem jeweiligen Halbzeug verbleiben. Diese Halbzeuge werden dann über Steckverbindungen in den Anschlussbereichen 15.4 sowie die Längsverstrebungen 16 zu dem Fachwerk mit 14 zusammengefügt.
In einem ersten Herstellungsschritt werden dann die trockenen, d. h. nicht harzgetränkten vierten Faserlagen des ersten Flächenbauteils 17 in eine der Außenwand des Wagenka- stens 13 entsprechende Form eingelegt. Die vierten Faserlagen sind dabei bereits mit den entsprechenden Ausschnitten für die Fensteröffnungen 20 des Wagenkastens 13 versehen.
In einem zweiten Herstellungsschritt wird das Fachwerk 14 mit den trockenen, d. h. nicht harzgetränkten Halbzeugen für die Strukturschalen 15.1 und 15.2 und den Längsverstrebungen 16 in die Form eingebracht und auf die vierten Faserlagen aufgelegt. Dabei wird das Fachwerk 14 zur gegenseitigen Fixierung punktuell mit den vierten Faserlagen verklebt. Weiterhin werden in dem zweiten Herstellungsschritt die Füllplatten 19 in die Freiräume des Fachwerks 14 eingelegt. Schließlich werden die fünften Faserlagen des zweiten Flächenbauteils 18 in die Form eingebracht und auf das Fachwerk 14 bzw. die Füllplatten 19 aufgelegt. Auch hierbei erfolgt zur gegenseitigen Fixierung eine punktuelle Verklebung. Weiterhin sind auch die fünften Faserlagen bereits mit den entsprechenden Ausschnitten für die Fensteröffnungen 20 des Wagenkastens 13 versehen.
In einem dritten Herstellungsschritt wird die Form dann in geeigneter Weise geschlossen und die in der Form befindlichen Bauteile mit Epoxidharz getränkt, das mit Brandschutzmittel in Form von Ammoniumpolyphosate mit Synergist (APP) versetzt ist. Hierbei wird ein her- kömmliches Vakuuminjektionsverfahren angewendet.
In einem vierten Herstellungsschritt wird das Harz dann ausgehärtet, wobei sich die Strukturschalen 15.2 und 15.1 ausbilden. Die Fasern bzw. Komponenten sämtlicher harzgetränkter Bauteile sind dann über eine gemeinsame Harzmatrix miteinander verbunden, wodurch sich ein besonders fester, hoch belastbarer Verbund ergibt.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen mit aus mehreren
Strukturelementen zusammengesetzten Ringspanten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Ringspant bei anderen Varianten der Erfindung auch aus einem einzigen Struktu- relement aufgebaut sein kann. So kann der jeweilige Ringspant aus Figur 4 beispielsweise aus einem einzigen erfindungsgemäßen Halbzeug hergestellt werden.
Weiterhin wurden lediglich Beispiele mit Kohlenstofffasern beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der anderen Varianten der Erfindung auch andere Fasern bzw. Kombinationen von Fasern aus unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt werden können. Als Fasern für die Faserlagen eignen sich weiterhin beispielsweise Glasfasern, Kevlarfasern, Bor- oder Synthesefasern.
Weiterhin wurden lediglich Varianten beschrieben, bei denen die trockenen Faserlagen zunächst in bestimmter Weise angeordnet und dann mit Harz getränkt wurden. Es versteht sich jedoch, dass die Faserlagen bei anderen Varianten der Erfindung bereits bei ihrer Anordnung mit Harz getränkt sein können, welches dann später ausgehärtet wird. Weiterhin können auch andere, z. B. warmhärtende oder thermoplastische Kunstharze bei der Herstellung mit den Fasern vermischt werden. Als warmhärtende Kunstharze sind beispielsweise Vinylesterharze, Polyesterharze oder Phenolharze geeignet. Basis für geeignete thermo- plastische Kunstharze sind Polystyrol, Polycarbonat und Polypropylen sowie ähnliche Kunststoffe.

Claims

Patentansprüche
1. Halbzeug für ein sich nicht im wesentlichen linear erstreckendes Bauelement (15) für den Wagenkasten (13) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit wenigstens einer ersten Faserlage (2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fa- serlage (2) die Form wenigstens eines Teils des Bauelements (15) des Wagenkastens aufweist und eine bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur umfasst.
2. Halbzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage die Form wenigstens eines Teils eines Ringspants (15) des Wagenkastens (13) aufweist.
3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage (2) einen ersten Abschnitt (2.1) mit einer Längserstreckung in einer ersten Richtung (5) und einen zweiten Abschnitt (2.2) mit einer Längserstreckung in einer zweiten Richtung (6) aufweist, wobei die erste Richtung (5) verschieden von der zweiten Richtung (6) ist.
4. Halbzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (5) und die zweite Richtung (6) einen Winkel (7) einschließen, der zwischen 60° und 150°, vorzugsweise zwischen 80° und 135°, liegt.
5. Halbzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (2.1 ) und der zweite Abschnitt (2.2) durch einen Übergangsabschnitt (2.3) mit sich kontinuierlich ändernder Faserausrichtung verbunden sind
6. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage (2) eine über ihre Länge variierende Faserausrichtung aufweist, wobei die Faserausrichtung der ersten Faserlage (2) insbesondere belastungsspezifisch gewählt ist.
7. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kevlarfasern und/oder Borfasern umfasst.
8. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mit der ersten Faserlage (2) verbundene, insbesondere ver- nähte, zweite Faserlage (4) vorgesehen ist, die eine bauteilspezifisch rohrförmig geflochtene Faserstruktur umfasst, und/oder wenigstens eine mit der ersten Faserlage (2) verbundene, insbesondere vernähte, dritte Faserlage in Form einer multiaxialen Deckschicht vorgesehen ist
9. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bauteilspezifischer Kern (3) vorgesehen ist, auf den die erste Faserlage (2) aufgeflochten ist.
10. Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bauteilspezifische Kern (3)
- zumindest teilweise entfernbar, insbesondere ausschmelzbar, ausgebildet ist und/oder
zumindest ein, insbesondere entfernbares, Verstärkungselement (3.1 ) umfasst
11. Halbzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bauteilspezifische Kern (3) Verteilerkanäle, insbesondere Mikrokanäle, oder ein Verteilermedium zur Harzverteilung aufweist.
12. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur mit einem Harz getränkt ist, wobei das Harz
ein duroplastisches Harz ist, insbesondere VE oder EP, oder
ein thermoplastisches Harz ist, insbesondere PS, PC oder PP, und/oder
- mit Brandschutzmittel, insbesondere Ammoniumpolyphosate mit Synergist (APP), versetzt ist.
13. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein integriertes Krafteinleitungselement (8.1 , 8.2; 15.3) umfasst.
14. Strukturelement für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schie- nenfahrzeugs, umfassend ein Halbzeug (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer rohrför migen Strukturschale (12) aus Faserverbundwerkstoff wenigstens die erste Faserlage (2) mit einem Harz getränkt ist und das Harz ausgehärtet ist.
15. Strukturelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschale (12) eine über ihre Länge variierende Wandstärke aufweist.
16. Wagenkasten für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem eine Außenwand des Wagenkastens oder eine Innenwand des Wagenkastens bildenden ersten Flächenbauteil (17), das mit einem Strukturelement (12) nach Anspruch 13 oder 14 verbunden ist.
17. Wagenkasten nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Flächen- bauteil (17) wenigstens eine vierte Faserlage umfasst, die mit demselben Harz wie die erste Faserlage (2) getränkt ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines sich nicht im wesentlichen linear erstreckenden Strukturelements für den Wagenkasten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem in einem ersten Schritt ein bauteilspezifischer Kern (3) mit wenigstens einer ersten Faserlage (2) bedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
der bauteilspezifische Kern (3) in einer Form zur Verfügung gestellt wird, die der Form wenigstens eines Teils eines Bauteils, insbesondere eines Ringspants (15), des Wagenkastens (13) entspricht, und
die erste Faserlage (2) gebildet wird, indem Fasern (11 ) auf den bau teilspezifi- sehen Kern (3) aufgeflochten werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage (2) automatisch durch eine roboterunterstützte Flechtmaschine (9, 10) erzeugt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage (2) mit über ihre Länge variierender Faserausrichtung auf den bauteilspezifi- sehen Kern (3) aufgeflochten wird, wobei die Faserausrichtung der ersten Faserlage insbesondere belastungsspezifisch gewählt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt auf die erste Faserlage (2) wenigstens eine zweite Faserlage (4) aufgeflochten wird oder
wenigstens eine dritte Faserlage in Form einer multiaxialen Deckschicht aufgebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Fa- serlagen (2, 4) miteinander verbunden werden, insbesondere miteinander vernäht werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine Faserlage (2, 4) ein Krafteinleitungselement (8.1 , 8.2; 15.3) integriert wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1 1 ) wenigstens einer Faserlage (2, 4) mit einem Harz getränkt werden, das zur Bildung einer rohrförmigen Strukturschale (12) in einem dritten Schritt ausgehärtet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der bauteilspezifische Kern (3) zumindest teilweise entfernt wird, insbesondere ausgeschmolzen wird.
26. Verfahren zur Herstellung eines Wagenkastens für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, bei dem ein Strukturelement (12) für den Wagenkasten (13) unter Verwendung eines Halbzeugs mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25 hergestellt wird und mit einem eine Außenwand des Wagenkastens (13) oder eine
Innenwand des Wagenkastens (13) bildenden ersten Flächenbauteil (17) verbunden wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Herstellungsschritt wenigstens eine vierte Faserlage des ersten Flächenbauteils (17) in eine Form eingelegt wird,
in einem zweiten Herstellungsschritt das Halbzeug in die Form eingebracht und auf die vierte Faserlage aufgelegt wird, wobei es insbesondere an der vierten Faserlage fixiert wird, in einem dritten Herstellungsschritt in der Form befindliche Bauteile, insbesondere die vierte Faserlage und das Halbzeug, mit einem Harz getränkt werden und
in einem vierten Herstellungsschritt das Harz ausgehärtet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in den zweiten Herstel- lungsschritt nach dem Auflegen des Halbzeugs auf die vierte Faserlage wenigstens eine fünfte Faserlage eines eine Wand des Wagenkastens (13) bildenden zweiten Flächenbauteils (18) auf das Halbzeug aufgelegt wird, wobei die fünfte Faserlage insbesondere an dem Halbzeug fixiert wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Her- Stellungsschritt weitere Halbzeuge für Strukturelemente des Wagenkastens oder
Strukturelemente (16) des Wagenkastens zwischen die vierte Faserlage und die fünfte Fasernlage eingebracht werden, wobei die Halbzeuge und/oder Strukturelemente (16) insbesondere miteinander verbunden werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz nach einem Vakuuminjektionsverfahren eingebracht wird.
PCT/EP2003/009887 2002-09-05 2003-09-05 Halbzeug und herstellungsverfahren für ein bauelement eines fahrzeugs WO2004022320A1 (de)

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