WO2009027226A2 - Verfahren zur herstellung eines seilartigen federelementhalbzeugs, eines spiralförmigen federelements, ein werkzeug zur bearbeitung eines seilartigen federelementhalbzeugs, ein formgebungskörper zur umformung eines seilartigen federelementhalbzeugs und ein spiralförmiges federelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines seilartigen federelementhalbzeugs, eines spiralförmigen federelements, ein werkzeug zur bearbeitung eines seilartigen federelementhalbzeugs, ein formgebungskörper zur umformung eines seilartigen federelementhalbzeugs und ein spiralförmiges federelement Download PDF

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Definitions

  • Spring element semifinished product a shaping body for forming a rope-like spring element semifinished product and a spiral-shaped spring element
  • the invention relates to a method for producing a cable-like spring element semifinished product, a method for producing a spiral spring element, a tool for processing a cable-like spring element semifinished product, a shaping body for forming a cable-like spring element semifinished product, a spiral-shaped spring element semifinished product and a spiral-shaped spring element.
  • rope-like spring elements consist of fiber composites. Such coil springs are particularly suitable for absorbing torsional stresses.
  • cylindrical coil springs also flat coil springs or springs with rectangular cross-section are known.
  • the invention has for its object to provide measures in the context of the production of a spiral spring element and such a spring element, which is easy to produce, especially in the continuous process. Furthermore, different cross-sectional shapes to produce and the spring element can be used in many ways. This object is solved by the subject-matter of claims 1, 16, 19, 26, 30, 40 and 41. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • An idea of the invention is therefore, in a method for producing a cable-like spring element semifinished a spring core body and the spring core body surrounding reinforcing fiber sheath comprising at least one fiber filament provide. At least the reinforcing fiber sheath is impregnated with a liquid or pasty, curable matrix material and thereby a provisional mutual arrangement of the spring core body and the reinforcing fiber sheath and fixed and formed a predetermined cross-sectional shape of the spring element semifinished product.
  • the reinforcing fiber sheath is embedded in the matrix material.
  • This material is preferably corrosion resistant.
  • the matrix material used is preferably a resin, in particular an epoxy resin.
  • the cladding forms a reinforcing fiber structure.
  • the reinforcing fiber sheath may comprise at least one reinforcing fiber or at least one filament or a filament formed from a plurality of filaments.
  • the spring-core body in the production of the spring element semifinished product or of the method explained below for producing a spiral-shaped fiber composite spring element can only represent an auxiliary body which ensures that when impregnating with the matrix material or during subsequent winding of the "impregnated" Spring element semifinished product
  • the spring core body can consist of a solid material or of a fiber or a fiber bundle, wherein the spring core body preferably comprises a thermoplastic or elastomeric material or a fiber material, in particular glass fiber.
  • the materials and the one or more parts Structure of spring core body and sheath will be explained below, in particular in connection with the final fiber composite spring element to be produced.
  • the spring core body and reinforcing fiber sheath in the preliminary mutual arrangement are preferably in a loose cohesion to form spaces between the thread or thread bundle and the spring-core body.
  • the thread or threads lie closely to each other and to the spring core body while minimizing the gaps and air pockets.
  • the compression takes place with the aid of a tensile force, which can be used at the same time for conveying the spring element semifinished product in the advancing direction of the method.
  • rope is used in the following and instead of the term spring-core body and the term “inner soul”. Under a thread bundle is also a variety of threads, filaments or monofilaments to understand.
  • the spring core body used is sealed on its outer side against penetration of the liquid or pasty, curable matrix material.
  • the spring core body may be impermeable to the liquid or pasty curable matrix material.
  • the spring core body is rubbery or foam-like elastic and reversible compressible.
  • the spring-core is soaked body in step b) of claim 1.
  • an excess amount of the matrix material may preferably be supplied.
  • the spring element semifinished product can be conveyed with an excess amount of the matrix material through an impregnation basin filled with the liquid or pasty curable matrix material.
  • the transport of the spring element semifinished by the impregnation tank is in a non-tensioned state, so that there are sufficient spaces between the individual components of the spring element semifinished, through which the matrix material as large as possible with the surface of the thread, the threads and / or the reinforcing fiber sheath and optionally, the spring core body can come into contact.
  • a voltage regulator device downstream of and / or upstream of the bowl.
  • the spring element semifinished product is conveyed for impregnation through a delivery channel and the liquid or pasty, curable matrix material is injected into the delivery channel.
  • the matrix material is injected under pressure into the delivery channel so that it can enter the intermediate spaces.
  • the matrix material can be supplied via an injection molding machine and be injected, for example via a plurality of holes in the delivery channel.
  • the injection of the matrix material takes place in a region of the delivery channel in which the components of the spring element semifinished product are in the provisional mutual arrangement with the formation of intermediate spaces.
  • the spring element semifinished product is transported after impregnation through a conveyor channel.
  • spring core body and reinforcing fiber cladding are largely brought into their final position to each other in the delivery channel.
  • a suitably designed and described below tool with different processing zones can be used.
  • the final arrangement of the reinforcing fiber sheath results after complete curing of the matrix material.
  • the spring element semifinished product is compressed during the impregnation and / or after the impregnation and in this case elastically and reversibly deformed.
  • the spring element semifinished product is compressed by the action of pressure from the outside of the spring element semifinished product.
  • the compression preferably takes place in and / or by means of the delivery channel.
  • the spring core body is elastically and reversibly compressible and compressed during the compression of the spring core body and so by means of the spring core body directed against the inside of the reinforcing fiber sheath back pressure is generated.
  • any excess matrix material may be removed after soaking.
  • the removal of the excess matrix material can take place via the delivery channel or by means of the delivery channel. Removed excess liquid or pasty curable matrix material can be collected and reused for soaking.
  • the matrix material can be at least partially cured in a step c), so that the spring element semifinished product has a prepreg-like and largely dry, limp, rope-like state.
  • An advantage of the above-described method is that the excess matrix material can be collected and reused. Furthermore, the processing steps of impregnation and compression can be coordinated or combined, so that, for example, the resulting excess matrix material at the same time allows easier transport of the spring element through the conveyor channel.
  • the tool according to the invention for processing a cable-like spring element semifinished product comprises a conveyor channel through which the spring element semifinished product can be conveyed and which has a feed region, a compression region and a discharge region in the conveying direction, the conveying channel being in the conveying direction from an inlet of the Tapered tapered to the compression region, and wherein the cross-sectional area or the diameter of the inlet of the feed region is greater than or equal to the outer diameter of the conveyed into the conveyor channel semi-finished spring element, and wherein the cross-sectional area or the diameter of the compression region smaller than the forming desired cross-sectional area or the desired outer diameter to be formed of the spring element semifinished product is.
  • the tool or its delivery channel makes it possible to press the matrix material into the fiber structure, to strip off excess matrix material or to inject the matrix material in the delivery channel.
  • the semifinished product used can have an oval cross section, be conveyed through a round channel and subsequently harden with an oval cross section. This can result in particular because the spring core body decisively co-determines the later cross-sectional shape.
  • the delivery channel provides an elongate cavity with a cross-sectional area that changes at least in sections along the conveying direction.
  • This cross-sectional area extends substantially transversely, in particular perpendicular, to the conveying direction.
  • the reinforcing fiber cladding closely abuts the spring core body.
  • an injection region is provided between the feed region and the compression region, and in the region of the injection region at least one bore opens into the delivery channel, through which the liquid or pasty, curable matrix material can be fed to the spring element semifinished product. In this way, the excess matrix material pressed out in the compression region can be drained off via the supply region and / or the discharge region and returned to the impregnation.
  • the cross-sectional area or the diameter of the discharge region is substantially equal to or greater than the desired cross-sectional area to be formed or the desired outer diameter of the spring element semifinished product to be formed.
  • the tool is configured in a preferred embodiment such that the cross-sectional area of the feed region tapers in the conveying direction from a first diameter to a second diameter the second diameter is larger than the desired diameter of the spring element semifinished product to be formed and wherein a third diameter of the compression region is substantially equal to or smaller than the desired diameter of the spring element semifinished product.
  • the inventive method for producing a spiral spring element by means of a spring element semifinished product comprises the following steps: a) winding the impregnated and / or at least partially cured spring element semifinished about a shaping body having a surface which corresponds to the final geometric shape of the Spring element is tuned and / or these images; and b) complete curing of the liquid or pasty, curable
  • the shaping body can, viewed in cross-section, have a substantially circular, elliptical, rectangular or similar cross-sectional shape. Furthermore, the progress speed and / or the rotational speed of the shaping body can be matched to the desired shape.
  • a further shaping body is connected to the shaping body by means of a torsion-proof, preferably form-fitting, connection.
  • the connection of the shaping body can be done with or without interrupting the winding process.
  • the further forming body to be connected can be driven at the same speed and a suitable relative position with respect to the other shaping body, so that the two forming bodies to be connected can be moved toward one another during their preferably synchronous rotation until the twist-proof connection has taken place. In this way it is possible to produce an endless spring element by a winding method, wherein it does not have to be necessary to interrupt the winding process.
  • shaping bodies of different lengths can be provided, wherein a shaping body of desired length can easily be provided in a simple manner by joining a plurality of shaping bodies together.
  • the liquid or pasty, curable matrix material is cured by means of heat and / or by a photochemical reaction, in particular by means of UV radiation.
  • a band preferably a foil strip, of predetermined thickness can be wound onto the shaping element.
  • a band can be removed after the completion of the molding process, whereupon the spring element can be removed more easily from the shaping body.
  • the cured spiral spring element can be cut to a predetermined length.
  • the spring-core body is removed after complete curing of the liquid or pasty, hardenable matrix material from the spiral spring element.
  • the spring core body forms here an auxiliary body or support body, which is subsequently removed. This is particularly advantageous in the context of lightweight construction applications.
  • the shaping body according to the invention for forming a rope-like spring element semifinished product, in particular the rope-like spring element semifinished product, into a spiral-like spring element semifinished product has a surface which is matched to the geometric shape of the spring element semifinished product or forms that shape and at least one end has a connection for connection to a further shaping body.
  • connection is formed rotationally fixed.
  • connection is designed to form a positive connection with the further shaping body. More preferably, the terminal has a groove and / or a spring.
  • the surface has at least one groove for spiral-like shaping of the spring element semifinished product, wherein the rope-like spring element semifinished product can be wound around the shaping element in this groove.
  • a uniform shape can be achieved at an increased rate of progress.
  • the invention further relates to a spiral spring element, in particular a spiral fiber composite spring element, with a hollow, tubular fiber composite spring element body.
  • the hollow tubular fiber composite spring element body is preferably made by the above method and formed substantially by the reinforcing fiber sheath with the cured matrix material.
  • the term "fiber composite" is intended in the context of the present invention to mean that in addition to fibers, filaments, threads and / or bundles and the matrix material is present.
  • the fiber composite spring element body comprises at least one fiber or a filament of glass, Kevlar, coal or boron fiber.
  • the fiber composite spring element body comprises at least one thread or bundle of filaments formed of a plurality of fibers and / or filaments.
  • the thread and / or the thread bundle is wound in a predetermined winding.
  • the filament bundle may comprise a plurality of groups of filaments, each group being wound in opposite directions or rectilinear with respect to a longitudinal direction of the fiber composite spring element. Further, the threads of one group may be interwoven with the threads of another group.
  • a group forms a layer of the fiber composite spring element body, which is removed along the longitudinal direction substantially at a uniform distance from the longitudinal axis of the spring element. It can be arranged several layers that are rectified or opposite to each other.
  • the hollow, tubular fiber composite spring element body may be filled with a spring-core body.
  • the spring core body may be formed of a fiber or a fiber bundle.
  • the spring-core body may comprise a thermoplastic or elastomeric material or a fiber material, preferably glass fiber.
  • the invention further relates to a method for producing a spiral spring element, in particular a spiral Faserverbundtechnikstoff- spring element, wherein a method according to any one of claims 1 to 15, a rope-like spring element semifinished product is prepared and wherein by a method according to any one of claims 19 to 25, the rope-like spring element semifinished product is processed into a helical spring element semifinished product and by curing from the helical spring element semifinished the spiral spring element (or spiral fiber composite spring element) is produced.
  • a method for producing a spiral spring element in particular a spiral Faserverbundtechnikstoff- spring element
  • the invention relates to an apparatus for producing a spiral spring element, in particular a spiral Faserverbundtechnikstoff- spring element, comprising a hollow, tubular Faserverbundtechnikstoff- spring element body comprising a watering basin for impregnating a rope-like spring element semifinished product, a tool according to any one of claims 16 to 18, at least one shaping body for forming the cable-like spring element semifinished product into a spiral-shaped spring element semifinished product according to one of claims 20 to 25 and a curing device for hardening the spiral-shaped spring element semifinished product to form the spiral-shaped spring element, in particular a spiral fiber composite material spring element.
  • At least one tensioning device is provided for tensioning the cable-like spring element semifinished product. At least two tensioning devices are preferably used, wherein a first tensioning device is arranged upstream and a second tensioning device is arranged downstream of the drinking basin.
  • a collecting basin for collecting excess matrix material.
  • a recycle line that returns the excess matrix material from the catch basin to the potion can be provided.
  • a preferred embodiment of the aforementioned manufacturing method has a method for the serial production of cylindrical coil springs constant cross section of the subject.
  • an object of the invention is a semi-finished fiber product (hereinafter also referred to as "rope"), which is used for the technical realization of the above-mentioned method.
  • An advantage of the production method is that, taking advantage of the directional strength properties of fiber composites in particular, it is possible to create a machine element which is highly dynamic, highly stressable, and lightweight and resistant to a large number of corrosive media.
  • a preferred use of the spring element according to the invention is in the field of aerospace vehicles, such as aircraft, helicopters and space ferries, in the maritime field and in other fields, where components with high strength, long life, good corrosion resistance and at the same time with a low weight are desired.
  • Fig. 1 is a top view of a first embodiment of a rope-like
  • Fig. 2 to 5 a plurality of cross sections through different filament bundle arrangements
  • Fig. 6 shows a schematic cross section through a rope-like
  • FIG. 7 is a top view of a first embodiment of a
  • FIG. 8 is a top view of a second embodiment of a rope-like
  • FIG. 9 shows a view according to FIG. 1 a, 1 b of a third embodiment of the cable-like spring element semifinished product with a plurality of bundles of fibers surrounding the spring core body in the same direction;
  • FIG. 10 shows a top view of a fourth embodiment of the cable-like spring element semifinished product with a plurality of thread bundles with counter-rotating winding surrounding the spring core body and arranged in layers;
  • FIG. 11 is a schematic representation of a first variant of a method for producing a cable-like spring element semifinished product with subsequent forming of the rope-like spring element semifinished product into a spiral-shaped spring element;
  • FIG. 12 shows a sectional side view of a first embodiment of a tool for processing the rope-like spring element semifinished product
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a second variant of the method for producing a cable-like spring element semifinished product with subsequent deformation of the cable-like spring element semifinished product into a spiral-shaped spring element
  • Fig. 14 is a sectional side view of a second embodiment of a tool for processing the rope-like spring element semifinished product.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a rope-like spring element semifinished product 10 or "rope" with representation of the soul and the opposite winding type based on two filaments or threads 32 or two bundles of fibers or bundles 36th
  • the "rope core” 20 consists of a concentric bundle combined individual fibers or “ropes” to produce larger spring dimensions of a flexible, lightweight but pressure-resistant solid material, eg. As a thermoplastic foam or the like.
  • the "soul” serves as a shaped body of the "rope” and also mainly for the transmission of tensile forces in the spring manufacturing process.
  • the reinforcing fiber sheath 30 of the "core” 20 comprises at least one monofilament 32 or, based thereon, bundles of fibers 36.
  • Fig. 2 shows various filament bundle shapes.
  • the forms b and c are for the production of the "rope” 20 and below the spring element most favorable, since in the wrapping of the "soul” the smallest voids between the individual threads 32 or bundles of fibers 36 arise.
  • the core diameter is very large compared to the filament diameter of the filament bundles.
  • the core diameter in mm Area and the reinforcing fiber cladding of the "soul" is generally multi-layered, this requirement is generally met.
  • FIG. 6 illustrates the proportions of sheath layer to "rope diameter”.
  • Figures 7 to 10 show further embodiments of the rope-like spring element semifinished product 10 which extends in a longitudinal direction L and a spring-core body 20 and the spring core body 20 surrounding reinforcing fiber sheath 30 with at least one thread 32 or a bundle of threads 36 comprises ,
  • the spring core body 20 can only be used as an auxiliary body in the context of wrapping and can be removed again after production of the spring element semifinished product 10 or even at a later stage. Alternatively, the spring-core body 20 also remain, ie then forms a part of the final spring element.
  • the spring element semifinished product 10 is also referred to as “rope” and the spring-core body 20 as “inner soul”. Such a rope corresponds to the spring wire in conventional steel springs.
  • the wrapping of the inner soul in this way takes place in several layers.
  • the pitch of the filament screw line is generally 45 ° with respect to the longitudinal direction L, but may differ by several degrees to achieve certain properties during processing or on the final product.
  • the spring core body 20 may consist of a plurality of individual fibers combined into a concentric bundle or of a flexible, lightweight but pressure-resistant solid body, for example of thermoplastic foam or the like.
  • the spring core body 20 is used during the Spring manufacturing process for the transmission of tensile forces, as a shaping body for the spring element semifinished product 10 and, if it is not removed, for partial power transmission.
  • materials can be used, which have sufficient strength properties even with lateral stress. In the case of fiber materials, glass fiber material is particularly suitable here.
  • the use of thermoplastics or elastomers is useful.
  • the reinforcing fiber sheath 30 forming threads 32 or bundles of fibers 36, 37 are particularly suitable high-strength fiber material, such as glass, Kevlar, coal or Borturan. Since fiber materials are very sensitive to a load across the grain, it is advantageous to avoid or reduce this stress that the diameter of the spring core body 20 is very large compared to the diameter of the thread 32 or the thread bundle 36, 37. However, since the diameter of the thread 32 is in the micrometer range, the diameter of the spring core body 20 is in the millimeter range, this requirement is usually met in particular when the reinforcing fiber sheath 30 is multi-layered. The thickness of the wound and woven reinforcing fiber sheath 30 is small compared to the diameter of the spring core body 20.
  • Figures 7 and 8 each show a rope-like spring element semifinished product 10, in which the surrounding the spring core body 20 reinforcing fiber sheath 30 six threads 32 or bundles of fibers 36 with opposite, interwoven winding. The direction of impact is inclined at about 45 ° to the longitudinal direction L.
  • Fig. 8 in addition to the combination shown in Fig. 7, a single thread 32 or a bundle of filaments 37 with a different directional orientation, in this case parallel to the longitudinal direction L, woven into the reinforcing fiber sheath 30. In this way, certain mechanical properties of the spring element semifinished product 10 can be produced.
  • a consummate interwoven wrapping the filament bundles 36, 37 then without a gap firmly against each other and to the spring-core body 20 at.
  • the required number of Filament bundles 36, 37 varies depending on the type of bundle of filaments used and their structure and the desired rope diameter.
  • Fig. 9 shows the winding principle of a spring element semifinished product 10 with only rectified around the spring core body 20 wound threads 32 or bundles of fibers 36.
  • a thread 32 or a Filament bundle 37 wound in opposite direction of impact and partially interwoven with the other thread bundle 36.
  • the entire reinforcing fiber sheath 30 of the inner core 20 is constructed in multiple layers.
  • Such rectilinearly wound ropes 10 are mainly intended for use with spring elements with only one constant loading direction.
  • each layer 38 comprises a multiplicity of filament bundles 36, which are all substantially parallel to one another and rectified.
  • the winding direction of the individual layers 38 to each other, however, is in opposite directions.
  • individual threads also referred to as support threads, may be incorporated.
  • support threads For better processability and handling, it is advantageous to apply a very thin outermost counterwound layer 38.
  • the threads 32 or bundles of threads 36, 37 enable one another mechanical and frictional cohesion, which permits a displacement against each other, without causing a significant change in shape and structure of the spring element semifinished product 10.
  • the cable 10 is flexible, resilient to a certain extent and can be claimed to train.
  • a material should be used which has sufficient strength properties even with transverse stress.
  • glass fiber is particularly suitable here.
  • the use of certain thermoplastics or elastomers is suitable.
  • all high-strength fiber materials such as glass, Kevlar, carbon and drill fibers are suitable. Up to a rope diameter of about 4 mm, glass fiber is particularly suitable for the inner soul.
  • the flexible ropes 10 can be wound on rolls and drums, stored and made available for further processing.
  • FIGS. 11, 13 Two variants of a method for producing the rope-shaped spring element semifinished product 10 are described below (FIGS. 11, 13).
  • the above-described spring core body 20 is provided with the spring core body 20 surrounding reinforcing fiber sheath 30. Subsequently, at least the reinforcing fiber sheath 30 is impregnated with a liquid or pasty, hardenable matrix material 78, thereby defining a provisional mutual arrangement of the spring core body 20 and the reinforcing fiber sheath 30 and formed a predetermined cross-sectional shape of the spring element semifinished product 10.
  • the first method variant according to FIG. 11 is preferably suitable for ropes with a thinner diameter.
  • the second variant according to FIG. 13 is preferably suitable for ropes with thicker diameters.
  • a spring element of a cable pulley 10 for example with a construction shown in FIGS. 7 to 10, and a not yet final cohesion of the components of the reinforcing fiber sheath 30 and the spring core body 20
  • Deflection rollers 72 unwound and provided for further processing.
  • this is pulled over a tensioning device 74 with a cable tension regulator through a drinking basin 76.
  • the impregnation basin 76 is filled with a corrosion-resistant matrix material 78, preferably with liquid reaction resin, for example based on epoxy resin.
  • the cable tension regulator of the tensioning device 74 is set in such a way that there is almost no tension on the portion of the rope 10 located in the drinking basin 76.
  • the filament bundles 36, 37 of the reinforcing fiber sheath 30 form a loose cohesion in this state which allows the matrix material 78 to penetrate the rope 10 due to static pressure in the impregnation basin 76 and due to capillary effects and the individual filaments 32 envelop.
  • the impregnated rope 10 is pulled out of the impregnation tank 76 and a second tensioning device 75 with a second cable tension regulator in a nozzle-shaped tool 40.
  • the second voltage regulator is adjusted such that the cable 10 is taut in the area of the tool 40.
  • Fig. 12 shows this tool 40, which serves for processing the rope-like spring element semifinished product 10, in a cross section.
  • the tool 40 comprises a nozzle-like shaped base body 42 with a projecting flange with holes 43 for fixed fixing of the tool 40.
  • the base body 42 has a continuous along the conveying direction F internal cavity which provides a conveying channel 44.
  • the conveying channel 44 is subdivided in the conveying direction F into a feed region 45, a compression region 47 and a discharge region 48. Viewed along the conveying direction F, the cross-sectional area of the conveying channel 44 tapers conically in the region of the feed region 45 from an inlet opening to the compression region 47 and subsequently widens in a continuous curve up to the outlet opening in the discharge region 48.
  • the compression region 47 can also be formed only selectively here be. All transitions between the aforementioned areas are softly rounded.
  • the conveying channel 44 has a substantially circular cross-section.
  • a first diameter D e inlet diameter
  • D k compression diameter
  • a third diameter D 3 (outlet diameter) is larger than the second diameter D k . Further, the first diameter D e and the third diameter D 3 is greater than the desired diameter of the rope 10. The second diameter D k as the minimum On the other hand, the inside diameter of the nozzle is substantially equal to or smaller than the desired diameter of the rope 10.
  • the rope 10 When subjected to tension, the rope 10, especially if it is a rope with counter-interwoven winding, tends to contract, with the bundles of fibers 36, 37 of the reinforcing fiber wrap 30 abutting each other and snugly against the inner core 20.
  • excess matrix material 78 is pressed out of the cable 10 and usually adheres to the cable surface. This process is already done by the tensile stress on the transport of the rope 10 before the rope 10 enters the tool 40.
  • the cable 10 then passes through the conveying channel 44, the excess matrix material 78 still located on the cable surface being at least partially stripped off in the feed region 45.
  • the rope 10 is further compressed in the compression region 47, wherein the last excess matrix material 78 is pressed out of the rope 10.
  • the excess matrix material 78 may drain on the sloped inner surface of the delivery channel 44 and be collected in a sump 80. Via a return line 82, the collected excess matrix material 78 is returned to the impregnation basin 76 and can thus be reused.
  • any trapped air due to the initial loose cohesion of spring core body 20 and reinforcing fiber sheath 30 through the nozzle-like inner shape of the conveying channel 44 and by both the cable interior and the inlet opening of the feed area directed pressure component of the resin is eliminated.
  • the second variant of the method according to FIG. 13 will be explained below.
  • this variant is primarily used for processing ropes 10 of larger diameter, in which the impregnation in a drinking bowl is difficult.
  • the impregnation of the rope 10 is carried out in this process variant during transport of the rope 10 through the conveying channel 44 of the illustrated in Fig. 14 the second embodiment of the tool 40th
  • the tool 40 of the second embodiment differs from the first embodiment of the tool 40 according to FIG. 12 in that viewed in the conveying direction F between the feed region 45 and the compression region 47, an injection region 46 is provided.
  • This injection region 46 has along its length a constant cross-sectional area with a fourth diameter D 1 .
  • a cross-sectional shape tapering in the conveying direction F for the injection region 46 can also be selected.
  • the first diameter D e (inlet diameter), the second diameter D k (compression diameter) and the third diameter D 3 (outlet diameter) behave relative to one another as already described above in connection with FIG. 12.
  • the additional fourth diameter D 1 (injection diameter) is substantially the same size as the desired diameter of the rope 10 and preferably larger than the second diameter D k .
  • the tool 40 comprises a connection 50, a supply line 52, an annular channel 54 and a plurality of bores 56.
  • the matrix material 78 is provided by a screw-driven injection molding device 58 under a predetermined pressure and via the connection 50 of the supply line 52 fed. Via the supply line 52 of the matrix material 78 is passed into the annular channel 54 and finally introduced through the bores 56 in the conveying channel 44. This allows a quick and complete impregnation of the rope 10 and thus a fast passage speed of the rope 10 through the tool 40th
  • the compression area 45 adjoins to press the components of the spring element semifinished product 10 into a mutual position with a reinforcing fiber sheath 30 closely adjacent to the spring core body 20 and at the same time remove excess matrix material 78.
  • the derivation of the excess matrix material 78 takes place in the same way as in the first method variant, preferably via the feed region 45, but can also take place via the discharge region 48.
  • the cable 10 After passing through the tool 40, the cable 10 has its approximate cross-sectional shape provided later and can be further processed into a spring element with a spiral shape. The final cross-sectional shape receives the spring element after curing of the matrix material 78th
  • the cable is now wound on a rotating shaping body 100 in the form of a cylinder for forming the rope-like spring element semifinished product 10 in a spiral spring element semifinished product.
  • a rotating shaping body 100 in the form of a cylinder for forming the rope-like spring element semifinished product 10 in a spiral spring element semifinished product.
  • cylinder diameter, rotation and speed of progress are matched to the desired geometry of the desired spiral spring element semifinished product 10.
  • the forming body 100 has a surface 106 with a spiraling groove 107 of substantially semi-circular shape to allow for an accurate winding.
  • each shaping body 100, 102, 104 has a first end 108 and a second end 109, wherein at each of the two ends 108, 109 a connection 110 is provided for rotationally fixed connection to the respectively adjacent shaping body 100, 102, 104.
  • connection 110 is preferably designed in such a way that the adjacent shaping bodies 100, 102, 104 can be connected to one another in a form-fitting manner, for example with a tongue and groove connection, either during the continuous production process, ie with rotating forming bodies 100, 102, 104 or when the breakage is interrupted Winding processes.
  • a foil strip 116 is wound onto the surface 106 in a preferred embodiment prior to the winding of the spring element semifinished product 10. Later, the foil tape 116 may be pulled out from beneath the fiber composite spring member 200 wound on the forming body so that some play or clearance is created and the fiber composite spring member 200 can be more easily removed from the forming body 100.
  • the shaping body 100, 102, 104 may also be designed as a simple round cylinder.
  • a slight flattening of the substantially round cable cross-section occurs during the winding of the spring element semifinished product 10.
  • Such a flattening to an elliptical cross-sectional shape is dependent on the ratio of the diameter of the round cylinder to the diameter of the rope as well as the tensile load with which the rope during the winding process is claimed. Since the rope diameter is small compared to the diameter of the cylinder and the rope just has to be wound so tightly that it does not slide off the cylinder, the change in shape to the elliptical cross section and thus the cross-sectional area change is small.
  • the torsional strength of the slightly flattened cross section is thus only slightly changed.
  • other variants of the shaping body 100 are conceivable, and this can also be used as a lost form.
  • the continuously wound and now cured Faserverbundtechnikstoff- spring element 200 can be separated at the junction of two shaping bodies 100, 102, 104 by means of a separator 120, so that one or more shaping body 100, 102, 104 together with the (Faserverbundtechnikstoff-) spring element 200 located thereon can be removed from the production.
  • the spring element 200 After pulling out the foil strip 116, the spring element 200 receives a clearance to the surface 106 of the shaping body and can be unwound or stripped therefrom. Subsequently, the shaping body can be returned to the magazine 90. This enables a continuous manufacturing process.
  • a corresponding type of rope is to be selected.
  • tension-compression springs are ropes 10 with opposite, interwoven winding or counter stratified wound ropes 10 into consideration.
  • care must be taken that a very close-meshed interweaving takes place, since otherwise it can lead to unwinding of the correspondingly oriented bundles of fibers 36, 37 and to destruction of the spring element semifinished product 10 due to the pressure component from the normal stresses of the reinforcing fiber sheath 30.
  • spring element semifinished products 10 with one-sided load ropes 10 with rectified winding of the filament bundles 36, 37 are suitable. Particular attention is therefore directed to the winding direction of the filament bundles 36, 37 during the manufacture of the rope and the subsequent winding of the rope 10 around the forming body 100.
  • the methods described above are preferably carried out fully automatically, but are in principle also manually executable.
  • small series with spring element semifinished products 10 of large dimension with a lost positive shape for example a cylinder-like shaping body with semicircular groove made of hard foam plastic or molding sand can be used.
  • the lost form can be destroyed to remove the hardened spring. Due to the high hardness of the fiber materials, materials of hardened and polished steel alloys or correspondingly suitable ceramics are used for the tool 40, in particular the base body 42.
  • the rope 10 may also be provided as a "prepreg" and contains the resin required for curing in a rubbery, dry state.
  • treated ropes 10 may be stored on rolls for further processing
  • no elaborate impregnation equipment is required and the prefabricated ropes 10 can be formed into a spiral shape with the forming body 100 and subsequently cured in a heating chamber 118.
  • spiral-shaped or cylindrical (fiber-composite material) spring elements 200 or spiral springs are produced.
  • planar spring elements 200 or spring elements 200 it is also possible to form planar spring elements 200 or spring elements 200 with a rectangular cross section and slightly rounded corner radii.
  • the spring element semifinished products 10 formed by the method according to the invention have a density of greater than or equal to approximately 1.9 g / cm 3 .
  • the density can be less than 1 g / cm 3 , since in this case lightweight plastic foams can be used as the material for the spring core body 20 and these make up the majority of the spring volume.
  • the actual torsional load carrying reinforcing fiber sheath 30 occupies only a small part of the spring weight.
  • the weight of a spring made of fiber composite material is therefore at least 60% lower than that of a comparable steel spring.
  • the comparatively thin annular cross-section of the reinforcing fiber sheath 30 ideally accommodates the torsional stress of such fiber composite spring elements 200.
  • In the direction of the fiber flow only normal stresses occur, whereby the direction-oriented material properties can be ideally exploited.
  • the fiber composite spring elements 200 according to the invention have an increased service life.
  • fiber composite spring elements 200 of fiber reinforced plastic are resistant to a variety of corrosive media.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) bei demein Feder-Kernkörper (20) und eine den FederKernkörper (20) umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung (30), die wenigstens ein Faser-Filament (32) aufweist, bereitgestellt wird. Zumindest die VerstärkungsfaserUmhüllung (30) wird mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) getränkt und dadurch eine vorläufige gegenseitige Anordnung des Feder-Kernkörpers (20) und der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) festgelegt und eine vorbestimmte Querschnittsform des Federelementhalbzeugs (10) ausgebildet. Ein Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes (200) mittels eines Federelementhalbzeugs (10), umfasst die Schritte des Wickeln des getränkten und/oder zumindest teilweise ausgehärteten Federelementhalbzeugs (10) um einen Formgebungskörper (100) mit einer Oberfläche, die auf die endgültige geometrische Form des Federelementes (200) abgestimmt ist und/oder diese abbildet und das vollständige Aushärten (118) des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffs (78), wodurch das spiralförmiges Federelement (200) gebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkzeug (40) zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) und einen Formgebungskörper (100) zur Umformung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug. Schließlich betrifft die Erfindung ein spiralförmiges Federelement (200) mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff- Federelementkörper und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes (200).

Description

Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, eines spiralförmigen Federelements, ein Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen
Federelementhalbzeugs, ein Formgebungskörper zur Umformung eines seilartigen Federelementhalbzeugs und ein spiralförmiges Federelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, ein Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelements, ein Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, ein Formgebungskörper zur Umformung eines seilartigen Federelementhalbzeugs ein spiralförmiges Federelementhalbzeug und ein spiralförmiges Federelement.
Herkömmliche Federelemente aus Stahl erfordern bei hohen Beanspruchungen einen großen Querschnitt und haben daher ein großes Gewicht, sind dynamisch nur wenig wechselbeanspruchbar und korrosionsanfällig.
Ferner sind seilartige Federelemente bekannt, die aus Faserverbundwerkstoffen bestehen. Derartige Spiralfedern eignen sich insbesondere zur Aufnahme von Torsionsbeanspruchungen. Neben zylindrischen Spiralfedern sind auch ebene Spiralfedern oder Federn mit rechteckigem Querschnitt bekannt.
Allerdings gestaltet sich die Herstellung solcher Federelemente aus Faserverbundwerkstoffen als sehr schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen im Rahmen der Herstellung eines spiralförmigen Federelements und ein solches Federelement anzugeben, das einfach herstellbar ist, insbesondere im Endlosverfahren. Ferner sollen verschiedene Querschnittsformen herstellbar und das Federelement vielseitig einsetzbar sein. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 , 16, 19, 26, 30, 40 und 41 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Idee der Erfindung liegt demnach darin, bei einem Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs einen Feder-Kern körper und eine den Feder-Kern körper umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung, die wenigstens ein Faser-Filament aufweist, bereitzustellen. Zumindest die Verstärkungsfaser- Umhüllung wird mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff getränkt und dadurch eine vorläufige gegenseitige Anordnung des Feder- Kernkörpers und der Verstärkungsfaser-Umhüllung und festgelegt und eine vorbestimmte Querschnittsform des Federelementhalbzeugs ausgebildet.
Mit anderen Worten ist die Verstärkungsfaser-Umhüllung in dem Matrixwerkstoff eingebettet. Dieser Werkstoff ist vorzugsweise korrosionsbeständig. Als Matrixwerkstoff wird vorzugsweise ein Harz, insbesondere ein Epoxydharz verwendet. Die Umhüllung bildet eine Verstärkungsfaserstruktur. Vorzugsweise kann die Verstärkungsfaser-Umhüllung wenigstens eine Verstärkungsfaser bzw. wenigstens ein Filament oder einen aus mehreren Filamenten gebildeten Faden aufweisen.
Ferner kann der Feder-Kern körper bei der Herstellung des Federelementhalbzeugs bzw. des weiter unten noch erläuterten Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Faserverbundwerkstoff-Federelements nur einen Hilfskörper darstellen, der sicherstellt, dass beim Tränken mit dem Matrixwerkstoff bzw. beim späteren Wickeln des „getränkten" Federelementhalbzeugs dessen
Querschnittsform weitgehend beibehalten wird.
Der Feder-Kernkörper kann aus einem Vollmaterial oder aus einer Faser oder einem Faserbündel bestehen, wobei der Feder-Kernkörper vorzugsweise einen thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff oder einen Faserwerkstoff, insbesondere Glasfaser, umfasst. Die Werkstoffe und der ein- oder mehrteilige Aufbau von Feder-Kern körper und Umhüllung werden noch weiter unten insbesondere im Zusammenhang mit dem herzustellenden endgültigen Faserverbundwerkstoff-Federelements erläutert.
So befinden sich Feder-Kern körper und Verstärkungsfaser-Umhüllung in der vorläufigen gegenseitigen Anordnung vorzugsweise in einem lockeren Zusammenhalt unter Ausbildung von Zwischenräumen zwischen dem Faden oder Fadenbündel und dem Feder-Kern körper. In der endgültigen gegenseitigen Anordnung liegt der Faden bzw. liegen die Fäden unter Minimierung der Zwischenräume und Lufteinschlüsse eng aneinander und an dem Feder-Kernkörper an. Vorzugsweise erfolgt die Komprimierung unter Zuhilfenahme einer Zugkraft, die zugleich zur Beförderung des Federelementhalbzeugs in Fortschrittsrichtung des Verfahrens verwendet werden kann.
Anstelle des Begriffes Federelementhalbzeug wird im Folgenden auch der Begriff „Seil" und anstelle des Begriffes Feder-Kern körper auch der Begriff „innere Seele" verwendet. Unter einem Fadenbündel ist auch eine Vielzahl von Fäden, Filamenten oder Einzelfäden zu verstehen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist der verwendete Feder- Kernkörper an seiner Außenseite gegen ein Eindringen des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff abgedichtet. Ferner kann der Feder-Kernkörper für den flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff impermeabel sein. Vorzugsweise ist der Feder-Kern körper gummiartig oder schaumstoffartig elastisch und reversibel komprimierbar.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird im Schritt b) des Anspruchs 1 auch der Feder-Kern körper getränkt wird. Bevorzugt kann beim Tränken eine überschüssige Menge des Matrixwerkstoffes zugeführt werden. Zum Tränken kann das Federelementhalbzeug mit einer überschüssigen Menge des Matrixwerkstoffes durch ein mit dem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff gefülltes Tränkbecken befördert werden. Vorzugsweise erfolgt der Transport des Federelementhalbzeugs durch das Tränkbecken in einem nicht gespannten Zustand, so dass genügend Zwischenräume zwischen den einzelnen Bestandteilen des Federelementhalbzeug vorhanden sind, durch welche der Matrixwerkstoff möglichst großflächig mit der Oberfläche des Fadens, der Fäden und/oder der Verstärkungsfaser-Umhüllung sowie gegebenenfalls des Feder- Kernkörpers in Kontakt kommen kann. Um diesen nicht gespannten Transport durch das Tränkbecken zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn stromabwärts und/oder stromaufwärts des Beckens jeweils eine Spannungsreglervorrichtung vorhanden ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Verfahrensvariante wird das Federelementhalbzeug zum Tränken durch einen Förderkanal befördert und der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff wird in den Förderkanal injiziert.
Vorzugsweise wird der Matrixwerkstoff unter Druck in den Förderkanal injiziert, so dass er in die Zwischenräume gelangen kann. Um einen ausreichenden Druck für die Zuleitung des Matrixwerkstoffes zu erreichen, kann der Matrixwerkstoff über eine Spritzgussmaschine zugeführt werden und beispielsweise über mehrere Bohrung in den Förderkanal injiziert werden. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Injektion des Matrixwerkstoffes in einem Bereich des Förderkanals erfolgt, in welchem sich die Bestandteile des Federelementhalbzeugs sich in der vorläufigen gegenseitigen Anordnung unter Ausbildung von Zwischenräumen befinden.
Vorzugsweise wird das Federelementhalbzeug nach dem Tränken durch einen Förderkanal transportiert.
Vorteilhafterweise werden in dem Förderkanal Feder-Kern körper und Verstärkungsfaser-Umhüllung weitegehend in ihre endgültige Position zueinander gebracht. Für diesen Zweck kann ein entsprechend ausgestaltetes und weiter unten noch beschriebenes Werkzeug mit verschiedenen Bearbeitungszonen eingesetzt werden. Für den Fall, dass der Feder-Kern körper nicht entfernt wird, ergibt sich die endgültige Anordnung der Verstärkungsfaser-Umhüllung nach vollständigem Aushärten des Matrixwerkstoffes.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Federelementhalbzeug während des Tränkens und/oder nach dem Tränken komprimiert und hierbei elastisch und reversibel verformt. Mit anderen Worten wird das Federelementhalbzeug durch Druckeinwirkung von der Aussenseite des Federelementhalbzeugs her zusammengepresst. Das Komprimieren erfolgt vorzugsweise im und/oder mittels des Förderkanals.
Von Vorteil ist ferner, wenn der Feder-Kernkörper elastisch und reversibel komprimierbar ist und während des Komprimierens auch der Feder-Kernkörper zusammengedrückt wird und so mittels des Feder-Kern körpers ein gegen die Innenseite der Verstärkungsfaser-Umhüllung gerichteter Gegendruck erzeugt wird.
Vorzugsweise kann nach dem Tränken etwaiger überschüssiger Matrixwerkstoff entfernt werden. Das Entfernen des überschüssigen Matrixwerkstoffs kann über den Förderkanal oder mittels des Förderkanals erfolgen. Entfernter überschüssiger flüssiger oder pastöser, aushärtbarer Matrixwerkstoff kann gesammelt und zum Tränken wieder verwendet werden.
In bevorzugter Weiterbildung kann in einem Schritt c) der Matrixwerkstoff zumindest teilweise ausgehärtet werden, so dass das Federelementhalbzeug einen prepreg- artigen und weitgehend trockenen, biegeschlaffen, seilartigen Zustand besitzt.
Ein Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass der überschüssige Matrixwerkstoff gesammelt und wiederverwendet werden kann. Ferner können die Bearbeitungsschritte des Tränkens und des Komprimierens aufeinander abgestimmt werden bzw. zusammengefasst werden, so dass beispielsweise der anfallende überschüssige Matrixwerkstoff zugleich einen leichteren Transport des Federelementes durch den Förderkanal ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, insbesondere des oben erläuterten seilartigen Federelementhalbzeugs, umfasst einen Förderkanal, durch den das Federelementhalbzeug förderbar ist und der in Förderrichtung einen Zuführbereich, einen Kompressionsbereich und einen Abführbereich aufweist, wobei sich der Förderkanal in Förderrichtung von einem Eingang des Zuführbereichs zum Kompressionsbereich hin verjüngt, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Eingangs des Zuführbereichs größer oder gleich groß wie der Außen-Durchmesser des in den Förderkanal geförderten Federelementhalbzeugs ist, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Kompressionsbereiches kleiner als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der gewünschte zu formende Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs ist.
Das Werkzeug bzw. dessen Förderkanal ermöglicht es den Matrixwerkstoff in die Faserstruktur zu drücken, überschüssigen Matrixwerkstoff abzustreifen bzw. den Matrixwerkstoff in dem Förderkanal zu injizieren. Das verwendete Halbzeug kann einen ovalen Querschnitt besitzen, durch einen runden Kanal gefördert werden und nachfolgend mit einem ovalen Querschnitt aushärten. Dies kann sich insbesondere dadurch ergeben, weil der Feder-Kernköper die spätere Querschnittsform maßgeblich mitbestimmt.
So stellt der Förderkanal einen langgestreckten Hohlraum mit einer sich entlang der Förderrichtung zumindest abschnittsweise veränderlichen Querschnittsfläche bereit. Diese Querschnittsfläche verläuft im wesentlichen quer, insbesondere senkrecht, zur Förderrichtung. Nach Durchlaufen dieses Werkzeuges liegt die Verstärkungsfaser- Umhüllung eng an dem Feder-Kern körper an. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist zwischen Zuführbereich und Kompressionsbereich ein Injektionsbereich vorgesehen, und im Bereich des Injektionsbereiches mündet wenigstens eine Bohrung in den Förderkanal, durch die dem Federelementhalbzeug der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff zuführbar ist. Auf diese Weise kann der im Kompressionsbereich herausgedrückte überschüssige Matrixwerkstoff über den Zuführbereich und/oder den Abführbereich abgeleitet und zur Tränkung rückgeführt werden.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Abführbereichs im Wesentlichen gleich groß oder größer als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der zu formende gewünschte Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs.
Da in den meisten Fällen ein im Wesentlichen kreisförmiger oder ein im Wesentlichen ovaler Querschnitt für das seilartige Federelementhalbzeug gewählt wird, ist das Werkzeug in bevorzugter Ausgestaltung derart ausgestaltet, dass sich die Querschnittsfläche des Zuführbereichs in Förderrichtung von einem ersten Durchmesser zu einem zweiten Durchmesser verjüngt, wobei der zweite Durchmesser größer als der zu formende gewünschte Durchmesser des Federelementhalbzeug ist und wobei ein dritter Durchmesser des Kompressionsbereiches im wesentlichen gleich groß oder kleiner als der gewünschte Durchmesser des Federelementhalbzeug ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes mittels eines Federelementhalbzeugs, insbesondere mittels des oben erläuterten seilartigen Federelementhalbzeugs, umfasst folgende Schritte: a) Wickeln des getränkten und/oder zumindest teilweise ausgehärteten Federelementhalbzeugs um einen Formgebungskörper mit einer Oberfläche, die auf die endgültige geometrische Form des Federelementes abgestimmt ist und/oder diese abbildet; und b) vollständiges Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren
Matrixwerkstoffs.
Auf diese Weise wird ein spiralförmiges Federelement gebildet.
Mit diesem Verfahren soll insbesondere ein spiralförmiges Faserverbundwerkstoff- Federelement gebildet bzw. hergestellt werden.
Je nach gewünschter Querschnittsform des Federelementes kann der Formgebungskörper im Querschnitt betrachtet eine im wesentlichen kreisförmige, ellipsenförmige, rechteckförmige oder dergleichen Querschnittsform aufweisen. Ferner kann die Fortschrittgeschwindigkeit und/oder die Rotationsgeschwindigkeit des Formgebungskörpers auf die gewünschte Form abgestimmt sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird an den Formgebungskörper ein weiterer Formgebungskörper mittels einer verdrehsicheren, vorzugsweise formschlüssigen, Verbindung angeschlossen. Das Anschließen des Formgebungskörper kann mit oder ohne Unterbrechung des Wickelvorganges erfolgen. Beispielsweise kann der anzuschließende weitere Formgebungskörper mit der gleichen Geschwindigkeit und einer geeigneten Relativposition in Bezug auf den anderen Formgebungskörper angetrieben werden, so dass die beiden zu verbindenden Formgebungskörper während ihrer vorzugsweise synchronen Rotation aufeinander zu bewegt werden können, bis die verdrehsichere Verbindung erfolgt ist. Auf diese Weise ist es möglich ein endloses Federelement durch ein Wickelverfahren herzustellen, wobei es nicht erforderlich sein muss, den Wickelvorgang zu unterbrechen. Um je nach Anforderung unterschiedlich lange Federelemente herzustellen, können Formgebungskörper unterschiedlicher Längen vorgehalten werden, wobei ein Formgebungskörper gewünschter Länge auf einfache Weise durch Aneinanderfügen mehrerer Formgebungskörper schell bereitgestellt werden kann. In bevorzugter Ausgestaltung wird der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff mittels Wärme und/oder durch eine photochemische Reaktion, insbesondere mittels UV-Strahlung, ausgehärtet.
Ferner kann vor dem Wickeln des Federelementhalbzeugs um den Formgebungskörper ein Band, vorzugsweise ein Folienband, vorbestimmter Dicke auf den Formgebungskörper gewickelt werden. Ein derartiges Band kann nach beendetem Formgebungsprozess entfernt werden, woraufhin das Federelement leichter von dem Formgebungskörper abgenommen werden kann.
Weiterhin kann das ausgehärtete spiralförmigen Federelementes auf eine vorbestimmte Länge abgelängt werden.
Bei einer bevorzugten Variante wird der Feder-Kern körpers nach dem vollständigen Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffs aus dem spiralförmigen Federelementes entfernt. Mit anderen Worten bildet der Feder- Kernkörper hier einen Hilfskörper oder Stützkörper, der nachträglich entfernt wird. Dies ist insbesondere im Rahmen von Leichtbauanwendungen vorteilhaft.
Der erfindungsgemäße Formgebungskörper zur Umformung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, insbesondere des oben erläuterten seilartigen Federelementhalbzeugs, in ein spiralartiges Federelementhalbzeug weist eine auf die geometrische Form des Federelementhalbzeugs abgestimmte oder diese Form abbildende Oberfläche und an wenigstens einem Ende einen Anschluss zur Verbindung mit einem weiteren Formgebungsköper auf.
Das spiralartige Federelementhalbzeug kann nach dieser Umformung noch in biegeschlaffer Form vorliegen und dann nach Aushärten des Matrixwerkstoffes die gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise die Elastizität und Festigkeit, erreichen. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Anschluss verdrehfest ausgebildet. Vorteilhafterweise ist der Anschluss zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung mit dem weiteren Formgebungskörper ausgebildet. Weiter bevorzugt weist der Anschluss eine Nut und/oder eine Feder auf.
Vorteilhafterweise weist die Oberfläche wenigstens eine Rille zur spiralartigen Formgebung des Federelementhalbzeugs auf, wobei das seilartige Federelementhalbzeug in dieser Rille um den Formgebungskörper wickelbar ist. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Formgebung bei erhöhter Fortschrittsgeschwindigkeit erreichen werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein spiralförmiges Federelement, insbesondere ein spiralförmiges Faserverbundwerkstoff-Federelement, mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper.
Der hohle, rohrartige Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper ist vorzugsweise mittels oben genanntem Verfahren hergestellt und im Wesentlichen durch die Verstärkungsfaser-Umhüllung mit dem ausgehärteten Matrixwerkstoff gebildet. Der Begriff „Faserverbund" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass neben Fasern, Filamenten, Fäden und/oder Bündeln auch der Matrixwerkstoff vorhanden ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Faserverbundwerkstoff- Federelementkörper wenigstens eine Faser oder ein Filament aus Glas-, Kevlar-, Kohle- oder Borfaser. Vorzugsweise umfasst der Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper wenigstes einen Faden oder ein Fadenbündel, gebildet aus mehreren Fasern und/oder Filamenten.
Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung einer der vorgenannten Begriffe erwähnt wird, gilt dies ebenfalls für die anderen vorgenannten Begriffe. Der Einfachheit halber wird im Folgenden von einem Faden als Einzel-Faser oder Einzel- Filament und von einem Fadenbündel als eine Vielzahl von Fasern und/oder Filamenten gesprochen.
Vorzugsweise ist der Faden und/oder das Fadenbündel in einer vorbestimmten Wickelung gewickelt. Weiter bevorzugt kann das Fadenbündel mehrere Gruppen von Fäden umfassen, wobei jede Gruppe gegenläufig oder gleichgerichtet bezüglich einer Längsrichtung des Faserverbundwerkstoff-Federelement gewickelt ist. Ferner können die Fäden einer Gruppe mit den Fäden einer anderen Gruppe verwoben sein.
In bevorzugter Ausgestaltung bildet eine Gruppe eine Schicht des Faserverbundwerkstoff-Federelementkörpers, die entlang der Längsrichtung im Wesentlichen im einheitlichen Abstand von der Längsachse des Federelementes entfernt ist. Es können mehrere Schichten angeordnet werden, die gleichgerichtet oder gegenläufig zueinander verlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der hohle, rohrartige Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper mit einem Feder-Kern körper ausgefüllt sein. Diesbezüglich kann der Feder-Kern körper aus einer Faser oder einem Faserbündel gebildet sein. Der Feder-Kern körper kann einen thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff oder einen Faserwerkstoff, vorzugsweise Glasfaser, aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes, insbesondere eines spiralförmigen Faserverbundwerkstoff- Federelementes, wobei mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ein seilartiges Federelementhalbzeug hergestellt wird und wobei mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25 das seilartige Federelementhalbzeug zu einem spiralförmigen Federelementhalbzeug verarbeitet wird und durch Aushärten aus dem spiralförmigen Federelementhalbzeug das spiralförmiges Federelement (bzw. spiralförmigen Faserverbundwerkstoff-Federelement) hergestellt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmiges Federelementes, insbesondere eines spiralförmigen Faserverbundwerkstoff- Federelementes, mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff- Federelementkörper, umfassend ein Tränkbecken zum Tränken eines seilartigen Federelementhalbzeugs, ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wenigstens einen Formgebungskörper zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeugs in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 25 und eine Aushärtungseinrichtung zum Aushärten des spiralförmigen Federelementhalbzeugs zur Bildung des spiralförmigen Federelementes, insbesondere eines spiralförmigen Faserverbundwerkstoff- Federelementes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Spannvorrichtung zum Spannen des seilartigen Federelementhalbzeugs vorgesehen. Bevorzugt werden wenigstens zwei Spannvorrichtungen eingesetzt, wobei eine erste Spannvorrichtung stromaufwärts und eine zweite Spannvorrichtung stromabwärts des Tränkbeckens angeordnet wird.
Vorteilhafterweise ist ein Auffangbecken zum Sammeln von überschüssigem Matrixwerkstoff vorgesehen. Ferner kann eine Rückführleitung, die den überschüssigen Matrixwerkstoff von dem Auffangbecken zu dem Tränkbecken zurückführt, bereitgestellt werden. Um ein Ablängen des seilartigen, des spiralförmigen Federelementhalbzeugs oder des spiralförmiges
(Faserverbundwerkstoff-)Feder-elements zu ermöglichen, kann eine
Trennvorichtung vorgesehen werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des vorgenannten Herstellverfahrens hat ein Verfahren zur serienmäßigen Herstellung von zylindrischen Spiralfedern konstanten Querschnitts zum Gegenstand. Darüber hinaus ist ein Gegenstand der Erfindung ein Faserhalbzeug (im nachfolgenden auch als „Seil" bezeichnet), welches zur technischen Realisation des o. g. Verfahrens verwendbar ist.
Ein Vorteil des Herstellverfahrens ist, dass unter Ausnutzung insbesondere der richtungsohentierten Festigkeitseigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ein dynamisch hoch wechselbeanspruchbares, leichtes und gegen eine Vielzahl korrosiver Medien beständiges Maschinenelement geschaffen werden kann.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Federelementes liegt auf dem Gebiet von Luft- und Raumfahrzeugen, wie Flugzeugen, Hubschraubern und Raumfähren, auf dem maritimen Bereich sowie auf anderen Gebieten, in denen Bauteile mit hoher Festigkeit, langer Lebensdauer, guter Korrosionsbeständigkeit und zugleich mit einem geringen Gewicht gewünscht sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht von oben auf eine erste Ausführungsform eines seilartigen
Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kern körper und zwei den Feder-Kern körper umgebende Fadenbündeln;
Fig. 2 bis 5 mehrere Querschnitte durch verschiedene Fadenbündelanordnungen;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch ein seilartiges
Federelementhalbzeug mit Feder-Kern körper und Verstärkungsfaser- Umhüllung;
Fig. 7 eine Ansicht von oben auf eine erste Ausführungsform eines
Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kern körper und mehreren den Feder-Kern körper umgebende Fadenbündeln mit gegenläufiger, verwobener Wicklung; Fig. 8 eine Ansicht von oben auf eine zweite Ausführungsform eines seilartigen
Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kern körper und mehreren den Feder-Kern körper umgebende Fadenbündeln mit gegenläufiger, verwobener Wicklung;
Fig. 9 eine Ansicht gemäß Fig. 1 a, 1 b auf eine dritte Ausführungsform des seilartigen Federelementhalbzeugs mit mehreren den Feder-Kernkörper umgebende Fadenbündeln gleichgerichteter Wicklung;
Fig. 10 eine Ansicht von oben auf eine vierte Ausführungsform des seilartigen Federelementhalbzeugs mit mehreren den Feder-Kernkörper umgebenden in Schichten angeordneten Fadenbündeln mit gegenläufiger Wicklung;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit anschließender Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges in ein spiralförmiges Federelement;
Fig. 12 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Werkzeuges zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit anschließender Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges in ein spiralförmiges Federelement; und
Fig. 14 eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Werkzeuges zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs. Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines seilartigen Federelementhalbzeuges 10 bzw. „Seiles" mit Darstellung der Seele und der gegenläufigen Wickelart anhand von zwei Filamenten bzw. Fäden 32 oder zwei Fadenbündeln bzw. Bündeln 36.
Die „Seilseele" 20 besteht aus zu einem konzentrischen Bündel zusammengefassten Einzelfasern bzw. bei „Seilen" zur Herstellung größerer Federabmessungen aus einem flexiblen, leichten aber druckfesten Vollmaterial, z. B. einem thermoplastischen Schaumstoff oder dergleichen. Die „Seele" dient als Formkörper des „Seils" und auch hauptsächlich zur Übertragung von Zugkräften im Federherstellungsprozess. Die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 der „Seele" 20 umfasst wenigstens einen Einzelfaden bzw. ein Einzelfilament 32 oder auf Basis davon Bündel bzw. Fadenbündel 36.
Fig. 2 zeigt verschiedene Fadenbündelformen. Die Formen b und c sind zur Herstellung des „Seils" 20 und nachfolgend des Federelementes am günstigsten, da bei der Umwicklung der „Seele" die geringsten Hohlräume zwischen den einzelnen Fäden 32 oder Fadenbündeln 36 entstehen.
Da Faserwerkstoffe sehr empfindlich gegen Belastung quer zum Faserverlauf sind, ist es zur Vermeidung oder Verringerung dieser Beanspruchung vorteilhaft, dass der „Seelendurchmesser" sehr groß gegenüber dem Filamentdurchmesser der Fadenbündel ist. Da der Filamentdurchmesser jedoch im μm-Bereich liegt, der Seelendurchmesser hingegen im mm-Bereich und die Verstärkungsfaser-Umhüllung der „Seele" im allgemeinen mehrschichtig erfolgt, ist diese Forderung generell erfüllt.
Die Dicke der gewickelten bzw. gewickelten und verwobenen Verstärkungsfaser- Umhüllung 30 ist klein im Vergleich zum „Seildurchmesser". Fig. 6 veranschaulicht die Proportionen von Umhüllungsschicht zum „Seildurchmesser". Die Figuren 7 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen des seilartigen Federelementhalbzeuges 10, das sich in einer Längsrichtung L erstreckt und einen Feder-Kern körper 20 und eine den Feder-Kern körper 20 umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mit wenigstens einem Faden 32 oder einem Fadenbündel 36 umfasst. Wie weiter unten noch erläutert wird kann der Feder- Kernköper 20 nur als Hilfskörper im Rahmen der Umwicklung eingesetzt und nach Herstellung des Federelementhalbzeugs 10 oder auch erst in einem späteren Stadium wieder entfernt werden. Alternativ kann der Feder-Kern körper 20 auch verbleiben, d.h. bildet dann ein Bestandteil des endgültigen Federelementes.
Im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird das Federelementhalbzeug 10 auch als „Seil" und der Feder-Kern körper 20 auch als „innere Seele" bezeichnet. Ein derartiges Seil entspricht dem Federdraht bei herkömmlichen Stahlfedern.
Um den Feder-Kernkörper 20 werden zur Erzeugung des Seils oder Federelementhalbzeugs 10 vorzugsweise schraubenförmig, je nach Verwendungszweck des endgültig fertiggestellten Federelementes, entweder mit gleichgerichteter oder entgegengesetzter Schlagrichtung die einzelnen Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 gewunden oder gewunden und ineinander verwebt.
Vorzugsweise erfolgt die auf diese Weise vorgenommene Umhüllung der inneren Seele in mehreren Schichten. Die Steigung der Fadenbündelschraubenlinie liegt im allgemeinen bei 45° bezüglich der Längsrichtung L, kann jedoch zu Erzielung bestimmter Eigenschaften während der Verarbeitung bzw. am Endprodukt um mehrere Grad differieren.
Der Feder-Kernkörper 20 (innere Seele) kann aus mehreren zu einem konzentrischen Bündel zusammengefassten Einzelfasern oder aus einem flexiblen, leichten aber druckfesten Vollkörper, z.B. aus thermoplastischen Schaumstoff oder dergleichen bestehen. Der Feder-Kern körper 20 dient während des Federherstellungsprozesses zur Übertragung von Zugkräften, als Formgebungskörper für das Federelementhalbzeug 10 und, falls er nicht entfernt wird, zur teilweisen Kraftübertragung. Als Werkstoff für den Feder-Kern körper 20 können Materialien verwendet werden, die über hinreichende Festigkeitseigenschaften auch bei Querbeanspruchung verfügen. Bei Faserwerkstoffen eignet sich hier insbesondere Glasfasermaterial. Bei größeren Durchmessern des Feder-Kern körpers 20 ist die Verwendung von Thermoplasten oder Elastomeren sinnvoll. Für die die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bildenden Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 eignen sich insbesondere hochfeste Faserwerkstoff, wie Glas-, Kevlar-, Kohle- oder Borfasern. Da Faserwerkstoffe sehr empfindlich gegen eine Belastung quer zum Faserverlauf sind, ist es zur Vermeidung oder Verringerung dieser Beanspruchung vorteilhaft, dass der Durchmesser des Feder-Kern körpers 20 sehr groß gegenüber dem Durchmesser des Fadens 32 oder des Fadenbündels 36, 37 ist. Da der Durchmesser des Fadens 32 jedoch in Mikrometerbereich liegt, der Durchmesser des Feder-Kernkörpers 20 hingegen im Millimeterbereich liegt, wird diese Forderung in der Regel insbesondere dann erfüllt, wenn die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mehrschichtig erfolgt. Die Dicke der gewickelten bzw. gewickelten und verwobenen Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 ist klein im Vergleich zum Durchmesser des Feder-Kern körpers 20.
Die Figuren 7 und 8 zeigen jeweils ein seilartiges Federelementhalbzeug 10, bei dem die den Feder-Kern körper 20 umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 sechs Fäden 32 oder Fadenbündel 36 mit gegenläufiger, verwobener Wicklung umfasst. Die Schlagrichtung ist etwa 45° zur Längsrichtung L geneigt. Bei Fig. 8 ist zusätzlich zu der in Fig. 7 gezeigten Zusammenstellung ein einzelner Faden 32 oder ein Fadenbündel 37 mit einer anderen Richtungsorientierung, im vorliegenden Fall parallel zur Längsrichtung L, in die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 eingewoben. Auf diese Weise lassen sich bestimmte mechanische Eigenschaften des Federelementhalbzeuges 10 erzeugen. Bei einer vollendeten verwobenen Umwicklung liegen die Fadenbündel 36, 37 dann ohne Zwischenraum fest aneinander und an dem Feder-Kern körper 20 an. Die hierfür erforderliche Anzahl von Fadenbündeln 36, 37 variiert in Abhängigkeit von der verwendeten Fadenbündelart und dessen Aufbau sowie dem gewünschten Seildurchmesser.
Fig. 9 zeigt das Wickelprinzip eines Federelementhalbzeugs 10 mit nur gleichgerichtet um den Feder-Kern körper 20 gewickelten Fäden 32 oder Fadenbündeln 36. Zur Erzielung eines hinreichenden Zusammenhalts und der Handhabbarkeit eines derartigen Seils während des anschließenden Umformungsprozesses zur spiralförmigen Formgebung ist ein Faden 32 oder ein Fadenbündel 37 in gegenläufiger Schlagrichtung gewickelt und teilweise mit den anderen Fadenbündel 36 verwoben. Die gesamte Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 der inneren Seele 20 ist in mehreren Schichten aufgebaut. Derart gleichgerichtet gewickelte Seile 10 sind hauptsächlich zum Einsatz bei Federelementen mit nur einer konstanten Belastungsrichtung bestimmt.
Fig. 10 zeigt ein Federelementhalbzeug 10 mit gegenläufig geschichteter Wicklung in mehreren Schichten 38. Jede Schicht 38 umfasst eine Vielzahl von Fadenbündeln 36, die alle im Wesentlichen parallel nebeneinander und gleichgerichtet sind. Die Wicklungsrichtung der einzelnen Schichten 38 zueinander ist jedoch gegenläufig. Wiederum können in einer jeweiligen Schicht 38 einzelne Fäden, auch als Stützfäden bezeichnet, eingearbeitet sein. Zur besseren Verarbeitbarkeit und Handhabung ist es von Vorteil, eine sehr dünne äußerste gegenläufig verwobene Schicht 38 anzubringen.
Generell ermöglichen die Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 untereinander einen mechanisch form- und reibschlüssigen Zusammenhalt, der ein Verschieben gegeneinander zulässt, ohne eine nennenswerte Form- und Strukturänderung des Federelementhalbzeugs 10 zu bewirken. Dadurch ist das Seil 10 flexibel, in einem gewissen Umfang elastisch und auf Zug beanspruchbar. Für die innere Seele 20 sollte ein Werkstoff eingesetzt werden, der über hinreichende Festigkeitseigenschaften auch bei Querbeanspruchung verfügt. Bei Faserwerkstoffen kommt hier insbesondere Glasfaser in Betracht. Bei größeren Seildurchmessern ist die Verwendung von bestimmten Thermoplasten oder Elastomeren geeignet. Für die die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bildenden Fadenbündel 36, 37 sind alle hochfesten Faserwerkstoffe wie Glas-, Kevlar-, Kohle- und Bohrfaser geeignet. Bis zu einem Seildurchmesser von etwa 4 mm ist Glasfaser für die innere Seele besonders geeignet. Die flexiblen Seile 10 können auf Rollen und Trommeln gewickelt, gelagert und zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend werden zwei Varianten eines Verfahrens zur Herstellung des seilfömigen Federelementhalbzeugs 10 beschrieben (Fig. 11 , 13). Bei diesem Herstellungsverfahren wird der oben erläuterte Feder-Kern körper 20 mit der den Feder-Kern körper 20 umgebenden Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bereitgestellt. Anschließend wird zumindest die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff 78 getränkt und dadurch eine vorläufige gegenseitige Anordnung des Feder-Kern körpers 20 und der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 festgelegt und eine vorbestimmte Querschnittsform des Federelementhalbzeugs 10 ausgebildet.
Die erste Verfahrensvariante gemäß Fig. 11 ist vorzugsweise für Seile mit dünnerem Durchmesser geeignet. Die zweite Variante gemäß Fig. 13 ist vorzugsweise für Seile mit dickeren Durchmessern geeignet.
Bei der ersten Verfahrensvariante gemäß Fig. 11 wird von einer Seilrolle 70 ein Federelementhalbzeug 10, beispielsweise mit einem in den Figuren 7 bis 10 gezeigten Aufbau, und einem noch nicht endgültigen Zusammenhalt der Bestandteile der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 und des Feder-Kern körpers 20 über Umlenkrollen 72 abgewickelt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. Zur Förderung des Federelementhalbzeuges oder Seils 10 wird dieses über eine Spannvorrichtung 74 mit einem Seilspannungsregler durch ein Tränkbecken 76 gezogen. Das Tränkbecken 76 ist mit einem korrosionsbeständigen Matrixwerkstoff 78 gefüllt, vorzugsweise mit flüssigem Reaktionsharz beispielsweise auf Basis von Epoxydharz. Der Seilspannungsregler der Spannvorrichtung 74 ist derart eingestellt, dass nahezu keine Spannung auf dem in Tränkbecken 76 befindlichen Abschnitt des Seils 10 liegt. Die Fadenbündel 36, 37 der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bilden in diesem Zustand einen lockeren Zusammenhalt, der es ermöglicht, dass der Matrixwerkstoff 78 aufgrund des statischen Druckes in dem Tränkbecken 76 und aufgrund kapillarer Effekte in das Seil 10 eindringen und die einzelnen Fäden bzw. Filamente 32 umhüllen kann. Über weitere Umlenkrollen 72 wird das getränkte Seil 10 aus dem Tränkbecken 76 und über eine zweite Spannvorrichtung 75 mit einem zweiten Seilspannungsregler in ein düsenförmiges Werkzeug 40 gezogen. Hierbei ist der zweite Spannungsregler derart eingestellt, dass das Seil 10 im Bereich des Werkzeuges 40 straff gespannt wird.
Fig. 12 zeigt dieses Werkzeug 40, welches zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs 10 dient, in einem Querschnitt. Das Werkzeug 40 umfasst einen düsenartig geformten Basiskörper 42 mit einem abragenden Flansch mit Bohrungen 43 zur ortsfesten Festlegung des Werkzeugs 40. Der Basiskörper 42 hat einen entlang der Förderrichtung F durchgehenden inneren Hohlraum, der einen Förderkanal 44 bereitstellt.
Der Förderkanal 44 ist in der Förderrichtung F in einen Zuführbereich 45, einen Kompressionsbereich 47 und einen Abführbereich 48 unterteilt. Entlang der Förderrichtung F betrachtet verjüngt sich die Querschnittsfläche des Förderkanals 44 im Bereich des Zuführbereichs 45 ausgehend von einer Einlassöffnung konisch bis zum Kompressionsbereich 47 und erweitert sich anschließend in einer stetigen Kurve bis zur Auslassöffnung im Abführbereich 48. Der Kompressionsbereich 47 kann hierbei auch nur punktuell ausgebildet sein. Alle Übergänge zwischen den vorgenannten Bereichen sind weich abgerundet. Vorzugsweise, wie in Fig. 12 zu erkennen, weist der Förderkanal 44 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Hierbei ist ein erster Durchmesser De (Einlassdurchmesser) größer als ein zweiter Durchmesser Dk (Kompressionsdurchmesser). Ferner ist ein dritter Durchmesser D3 (Auslassdurchmesser) größer als der zweite Durchmesser Dk. Ferner ist der erste Durchmesser De und der dritte Durchmesser D3 größer als der gewünschte Durchmesser des Seils 10. Der zweite Durchmesser Dk als der minimale Düseninnendurchmesser ist hingegen im Wesentlichen gleich groß oder kleiner als der gewünschte Durchmesser des Seils 10.
Auf Zug beansprucht, hat das Seil 10, insbesondere wenn es sich um ein Seil mit gegenläufig verwobener Wicklung handelt, das Bestreben zu kontrahieren, wobei sich die Fadenbündel 36, 37 der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 aneinander und eng an die innere Seele 20 legen. Hierbei wird überschüssiger Matrixwerkstoff 78 aus dem Seil 10 herausgepresst und bleibt in der Regel an der Seiloberfläche haften. Dieser Vorgang geschieht also bereits durch die Zugbeanspruchung zum Transport des Seils 10 bevor das Seil 10 in das Werkzeug 40 einläuft. Anschließend durchläuft das Seil 10 den Förderkanal 44, wobei der noch auf der Seiloberfläche befindliche überschüssige Matrixwerkstoff 78 wenigstens teilweise in dem Zuführbereich 45 abgestreift wird.
Sodann wird das Seil 10 in dem Kompressionsbereich 47 weiter zusammengedrückt, wobei auch der letzte überschüssige Matrixwerkstoff 78 aus dem Seil 10 gepresst wird. Der überschüssige Matrixwerkstoff 78 kann auf der geneigten Innenoberfläche des Förderkanals 44 abfließen und in einem Auffangbecken 80 gesammelt werden. Über eine Rückführleitung 82 wird der gesammelte überschüssige Matrixwerkstoff 78 dem Tränkbecken 76 rückgeführt und kann so wieder verwendet werden. Als weiterer Effekt werden etwaige Lufteinschlüsse aufgrund des anfänglichen lockeren Zusammenhalts von Feder-Kern körper 20 und Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 durch die düsenartige Innenform des Förderkanals 44 und durch die sowohl zum Seilinneren als auch zur Einlassöffnung des Zuführbereiches gerichtete Druckkomponente des Harzes beseitigt.
Nachfolgend wird die zweite Verfahrensvariante gemäß Fig. 13 erläutert. Wie bereits erwähnt, dient diese Variante vorrangig zur Bearbeitung von Seilen 10 größeren Durchmessers, bei denen die Tränkung in einem Tränkbecken schwierig ist. Die Tränkung des Seils 10 erfolgt bei dieser Verfahrensvariante beim Transport des Seils 10 durch den Förderkanal 44 der in Fig. 14 dargestellten zweiten Ausführungsform des Werkzeugs 40. Vom Grundprinzip her erfolgt die Tränkung hier durch Injizieren des Matrixwerkstoffs 78 in den Förderkanal 44. Um dies bewerkstelligen zu können, unterscheidet sich das Werkzeug 40 der zweiten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform des Werkzeugs 40 gemäß Fig. 12 darin, dass in Förderrichtung F betrachtet zwischen dem Zuführbereich 45 und dem Kompressionsbereich 47 ein Injektionsbereich 46 vorgesehen ist. Dieser Injektionsbereich 46 weist entlang seiner Länge eine konstante Querschnittsfläche mit einem vierten Durchmesser D1 auf. Alternativ kann auch eine sich in Förderrichtung F verjüngende Querschnittsform für den Injektionsbereich 46 gewählt werden. Der erste Durchmesser De (Einlassdurchmesser), der zweite Durchmesser Dk (Kompressionsdurchmesser) und der dritte Durchmesser D3 (Auslassdurchmesser) verhalten sich relativ zueinander wie bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 12 beschrieben. Der zusätzliche vierte Durchmesser D1 (Injektionsdurchmesser) ist im Wesentlichen gleich groß wie der gewünschte Durchmesser des Seils 10 und bevorzugt größer als der zweite Durchmesser Dk.
Um den Matrixwerkstoff 78 bereitstellen zu können, umfasst das Werkzeug 40 einen Anschluss 50, eine Zuleitung 52, einen Ringkanal 54 und mehrere Bohrungen 56. Der Matrixwerkstoff 78 wird durch eine schneckengetriebene Spritzgussvorrichtung 58 unter einem vorbestimmten Druck bereitgestellt und über den Anschluss 50 der Zuleitung 52 zugeführt. Über die Zuleitung 52 wird der Matrixwerkstoff 78 in den Ringkanal 54 geleitet und schließlich über die Bohrungen 56 in den Förderkanal 44 eingebracht. Dies ermöglicht eine schnell durchführbare und vollständige Durchtränkung des Seils 10 und somit eine schnelle Durchlaufgeschwindigkeit des Seils 10 durch das Werkzeug 40.
Stromabwärts des Injektionsbereiches 46 schließt der Kompressionsbereich 45 an, um die Bestandteile des Federelementhalbzeuges 10 in eine gegenseitige Position mit einer eng an dem Feder-Kernkörper 20 anliegenden Verstärkungsfaser- Umhüllung 30 zu drücken und zugleich überschüssigen Matrixwerkstoff 78 zu entfernen. Die Ableitung des überschüssigen Matrixwerkstoff 78 erfolgt gleichermaßen wie bei der ersten Verfahrensvariante vorzugsweise über den Zuführbereich 45, kann aber auch über den Abführbereich 48 erfolgen. Nach Durchlaufen des Werkzeuges 40 hat das Seil 10 seine ungefähre später vorgesehene Querschnittsform und kann zu einem Federelement mit spiralartiger Form weiterverarbeitet werden. Die endgültige Querschnittsform erhält das Federelement nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes 78.
Eine solche Weiterverarbeitung wird nachfolgend beschrieben, kann sich an beide vorbeschriebenen Verfahrensvarianten anschließen und ist deshalb sowohl in Fig. 11 als auch in Fig. 13 schematisch dargestellt. Nach Durchlaufen des Werkzeugs 40 wird das Seil nun auf einen rotierenden Formgebungskörper 100 in Form eines Zylinders zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges 10 in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug gewickelt. Bei diesem Wickelvorgang sind Zylinderdurchmesser, Rotations- und Fortschrittsgeschwindigkeit auf die gewünschte Geometrie des gewünschten spiralförmigen Federelementhalbzeugs 10 abgestimmt. Vorzugsweise weist der Formgebungskörper 100 eine Oberfläche 106 mit einer spiralförmig verlaufenden Rille 107 mit im Wesentlichen halbkreisförmigem auf, um eine exakte Wicklung zu ermöglichen.
Um einen kontinuierlichen Fertigungsprozess zu erreichen, können mehrere Formgebungskörper 100, 102, 104 mit identisch ausgebildeter Oberfläche 106 und gleicher oder unterschiedlicher Länge aneinander gefügt werden. Zu diesem Zweck weist jeder Formgebungskörper 100, 102, 104 ein erstes Ende 108 und ein zweites Ende 109 auf, wobei an den beiden Enden 108, 109 jeweils ein Anschluss 110 zu verdrehfesten Verbindung mit dem jeweils benachbarten Formgebungskörper 100, 102, 104 vorgesehen ist. Der Anschluss 110 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die benachbarten Formgebungskörper 100, 102, 104 formschlüssig beispielsweise mit einer Nut-Feder-Verbindung miteinander verbunden können, entweder während dem fortlaufenden Fertigungsprozess, d.h. bei rotierenden Formgebungskörpern 100, 102, 104 oder bei einer Unterbrechung des Wickel prozesses. Um nach abgeschlossener Wicklung das geformte und ausgehärtete (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 leicht von dem Formgebungskörper 100 abnehmen zu können, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung vor der Aufwicklung des Federelementhalbzeugs 10 ein Folienband 116 auf die Oberfläche 106 aufgewickelt. Später kann das Folienband 116 unter dem auf dem Formgebungskörper aufgewickelten Faserverbundwerkstoff-Federelement 200 herausgezogen werden, so dass ein gewisses Spiel oder Zwischenraum entsteht und das Faserverbundwerkstoff-Federelement 200 leichter von dem Formgebungskörper 100 abgenommen werden kann.
Alternativ zu einer rillenartig ausgebildeten Oberfläche 106 kann der Formgebungskörper 100, 102, 104 auch als einfacher Rundzylinder ausgebildet sein. In diesem Fall kommt es während der Wicklung des Federelementhalbzeugs 10 zu einer leichten Abplattung des im Wesentlichen runden Seilquerschnitts. Eine solche Abplattung zu einer elliptischen Querschnittsform ist abhängig vom Verhältnis des Durchmessers des Rundzylinders zu dem Durchmesser des Seils sowie von der Zuglast mit der das Seil während des Wickelvorganges beansprucht wird. Da der Seildurchmesser klein gegenüber dem Durchmesser des Zylinders ist und das Seil nur gerade so stramm gewickelt werden muss, dass es nicht vom Zylinder abgleitet, ist die Formänderung zum elliptischen Querschnitt und damit die Querschnittsflächenänderung gering. Wie mit den aus der technischen Mechanik bekannten Bredt'schen Formeln nachgewiesen werden kann, wird somit auch die Torsionsfestigkeit des leicht abgeplatteten Querschnitts nur geringfügig verändert. Darüber hinaus sind weitere Varianten des Formgebungskörpers 100 denkbar, wobei dieser auch als verlorene Form eingesetzt werden kann.
Durch die Aufwicklung bekommt das Federelementhalbzeug eine spiralartige Form. Um das endgültige (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 zu erzeugen wird es anschließend in eine Aushärtungseinrichtung bzw. Wärmekammer 118 gefahren, in der der Matrixwerkstoff 78, vorzugsweise ein Reaktionsharz, aushärtet und dass Federelement 200 eine beständige Form erhält. Zur Aushärtung kann anstelle der Wärmekammer 118, insbesondere je nach verwendetem Harztypus, auch eine UV- Lichtkammer oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Das fortlaufend gewickelte und nun ausgehärtete Faserverbundwerkstoff- Federelement 200, jetzt auch als Spiralfeder zu bezeichnen, kann an der Stoßstelle zweier Formgebungskörper 100, 102, 104 mittels einer Trennvorrichtung 120 getrennt werden, so dass ein oder mehrere Formgebungskörper 100, 102, 104 zusammen mit dem darauf befindlichen (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 aus der Fertigung entnommen werden kann. Nach Herausziehen des Folienbandes 116 erhält das Federelement 200 ein Spiel zur Oberfläche 106 des Formgebungskörpers und kann von diesem abgewickelt bzw. abgestreift werden. Anschließend kann der Formgebungskörper dem Magazin 90 rückgeführt werden. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Fertigungsprozess ermöglicht.
Je nach Verwendungszweck des spiralförmigen Faserverbundwerkstoff- Federelementes 200 ist eine entsprechende Seilart auszuwählen. Für Zug-Druck- Federn kommen Seile 10 mit gegenläufiger, verwobener Wicklung bzw. gegenläufig geschichtet gewickelte Seile 10 in Betracht. Insbesondere ist darauf zu achten, dass eine sehr engmaschige Verwebung erfolgt, da es sonst durch die Druckkomponente aus den Normalspannungen der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 zum einen Auswickeln der entsprechend orientierten Fadenbündel 36, 37 und zu einer Zerstörung des Federelementhalbzeuges 10 führen kann. Für Federelementhalbzeuge 10 mit einseitig wirkender Belastung sind Seile 10 mit gleichgerichteter Wicklung der Fadenbündel 36, 37 geeignet. Besondere Aufmerksamkeit ist daher auf die Wickelrichtung der Fadenbündel 36, 37 während der Seilherstellung und der anschließenden Wicklung des Seils 10 um den Formgebungskörper 100 zu richten.
Die oben beschriebenen Verfahren werden vorzugsweise vollautomatisch durchgeführt, sind prinzipiell aber auch manuell ausführbar. Ferner können insbesondere Kleinserien mit Federelementhalbzeugen 10 großer Abmessung mit einer verlorenen Positivform, z.B. einem zylinderartigen Formgebungskörper mit halbkreisförmiger Rille aus Hartschaumkunststoff oder Formsand verwendet werden. Die verlorene Form kann zerstört werden, um die ausgehärtete Feder entnehmen zu können. Aufgrund der großen Härte der Faserwerkstoffe werden für das Werkzeug 40, insbesondere den Basiskörper 42, Werkstoffe aus gehärteten und polierten Stahllegierungen oder entsprechend geeigneten Keramiken eingesetzt.
Des weiteren kann bei der Verwendung entsprechender Harztypen für den Matrixwerkstoff 78 das Seil 10 auch als „Prepreg" bereitgestellt werden und enthält das zur Aushärtung erforderliche Harz in einem gummielastischen, trockenen Zustand. Entsprechend behandelte Seile 10 können auf Rollen gelagert zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Somit sind keine aufwendigen Anlagen zur Tränkung erforderlich und die vorgefertigten Seile 10 können mit dem Formgebungskörper 100 in eine spiralförmige Form gebracht werden und anschließend in einer Wärmekammer 118 ausgehärtet werden.
Mit dem oben beschriebenen Wickelverfahren werden vorzugsweise spiralförmige bzw. zylindrische (Faserverbundwerkstoff-)Federelemente 200 bzw. Spiralfedern hergestellt. Alternativ können aber auch ebene Federelemente 200 oder Federelemente 200 mit rechteckigem Querschnitt und leicht gerundeten Eckradien geformt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geformten Federelementhalbzeuge 10 haben eine Dichte von größer gleich ca. 1 ,9 g/cm3. Bei Federelementhalbzeugen 10 größerer Abmessung kann die Dichte bis unter 1 g/cm3 betragen, da in diesem Fall als Werkstoff für den Feder-Kernkörper 20 leichte Kunststoffschäume zum Einsatz kommen können und diese den Großteil des Federvolumens ausmachen. Die die eigentliche Torsionsbelastung tragende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 nimmt nur einen geringen Teil des Federgewichts ein. Das Gewicht einer Feder aus Faserverbundwerkstoff ist demnach wenigstens 60 % geringer als das einer vergleichbaren Stahlfeder. Bei der Wicklung des Federelementhalbzeugs 10 um den die Federform bildenden Federformkörper 100 bleibt die Orientierung der Fadenbündel 36, 37 im Seil erhalten. Im Idealfall ist die Steigung der schraubenförmigen Wicklung der Fadenbündel 36, 37 um etwa 45° zur Längsrichtung L des Feder-Kern körpers 20 geneigt. Der vergleichsweise dünne ringförmige Querschnitt der Verstärkungsfaser- Umhüllung 30 nimmt die bei solchen Faserverbundwerkstoff-Federelementen 200 maßgebliche Torsionsbeanspruchung ideal auf. In Richtung des Faserverlaufs treten nur Normalspannungen auf, wodurch die richtungsorientierten Werkstoffeigenschaften ideal ausgenutzt werden können. Hier kommt der im Vergleich zum Werkstoff Stahl größere E-Modul des Faserwerkstoffs zum Tragen. Die nahezu vernachlässigbaren Querkräfte nimmt der Feder-Kern körper 20 auf. Infolge der hohen dynamischen Wechselfestigkeit von Verbundwerkstoffen im Vergleich zu herkömmlichen Stahl weisen die erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff-Federelemente 200 eine erhöhte Lebensdauer auf. Zudem sind Faserverbundwerkstoff-Federelemente 200 aus faserverstärktem Kunststoff gegen eine Vielzahl korrosiver Medien beständig.
Bezugszeichenliste
Federelementhalbzeug
Feder-Kern körper
Verstärkungsfaser-Umhüllung Faden Fadenbündel Fadenbündel Schicht
Werkzeug Basiskörper Bohrung Förderkanal Zuführbereich Injektionsbereich Kompressionsbereich Abführbereich
Anschluss Zuleitung Ringkanal Bohrung Spritzgussvorrichtung
Rolle Umlenkrolle Spannvorrichtung Spannvorrichtung Tränkbecken 78 Matrixwerkstoff
80 Auffangbecken
82 Rückführleitung
90 Magazin
100 Formgebungskörper
102 Formgebungskörper
104 Formgebungskörper
106 Oberfläche
107 Rille
108 erstes Ende
109 zweites Ende
1 10 Verbindung 1 16 Folienband 1 18 Wärmekammer 120 Trennvorrichtung
200 Faserverbundwerkstoff-Federelement
L Längsrichtung F Förderrichtung
De erster Durchmesser
Dk zweiter Durchmesser
D3 dritter Durchmesser
D1 vierter Durchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10), mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Feder-Kern körpers (20) und eine den Feder- Kernkörper (20) umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung (30), die wenigstens ein Faser-Filament (32) aufweist; b) Tränken von zumindest der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78), und dadurch
- Festlegen einer vorläufigen gegenseitigen Anordnung des Feder- Kernkörpers (20) und der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) und
- Ausbildung einer vorbestimmten Querschnittsform des Federelementhalbzeugs (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Feder- Kernkörper (20) an seiner Außenseite gegen ein Eindringen des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) abgedichtet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder- Kernkörper (20) für den flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) impermeabel ist.
4. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kern körper (20) gummiartig oder schaumstoffartig elastisch und reversibel komprimierbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) auch der Feder-Kern körper (20) getränkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Tränken eine überschüssige Menge des Matrixwerkstoffes (78) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelementhalbzeug (10) zum Tränken mit einer überschüssigen Menge des Matrixwerkstoffes (78) durch ein mit dem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) gefülltes Tränkbecken (76) befördert wird.
8. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelementhalbzeug (10) zum Tränken durch einen Förderkanal (44) befördert und der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) in den Förderkanal (44) injiziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelementhalbzeug (10) nach dem Tränken durch einen Förderkanal (44) transportiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelementhalbzeug (10) während des Tränkens; und/oder nach dem Tränken komprimiert und hierbei elastisch und reversibel verformt wird.
11. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kern körpers (20) elastisch und reversibel komprimierbar ist und während des Komprimierens auch der Feder- Kernkörper (20) zusammengedrückt wird und so mittels des Feder- Kernkörpers (20) ein gegen die Innenseite der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) gerichteter Gegendruck erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Tränken etwaiger überschüssiger Matrixwerkstoff (78) entfernt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des überschüssigen Matrixwerkstoffs (78) über den Förderkanal (44) oder mittels des Förderkanals (44) erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass entfernter überschüssiger flüssigen oder pastöser, aushärtbarer Matrixwerkstoffs (78) gesammelt (78; 80) und zum Tränken wieder verwendet (78; 82) wird.
15. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt c) der Matrixwerkstoff (78) zumindest teilweise ausgehärtet wird, so dass das Federelementhalbzeug (10) einen prepreg-artigen und weitgehend trockenen, biegeschlaffen, seilartigen Zustand besitzt.
16. Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) mit einem Förderkanal (44), durch den das Federelementhalbzeug (10) förderbar ist und der in Förderrichtung (F) einen Zuführbereich (45), einen Kompressionsbereich (47) und einen Abführbereich (48) aufweist, wobei sich der Förderkanal (44) in Förderrichtung (F) von einem Eingang des Zuführbereichs (45) zum Kompressionsbereich (47) hin verjüngt, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (De) des Eingangs des Zuführbereichs (45) größer oder gleich groß wie der Außen-Durchmesser des in den Förderkanal (44) geförderten Federelementhalbzeugs (10) ist, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (Dκ) des Kompressionsbereiches (47) kleiner als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der gewünschte zu formende Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs (10) ist.
17. Werkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zuführbereich (45) und Kompressionsbereich (47) ein Injektionsbereich (46) vorgesehen ist, und im Bereich des Injektionsbereiches (46) wenigstens eine Bohrung (56) in den Förderkanal (44) mündet, durch die dem Federelementhalbzeug (10) der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) zuführbar ist.
18. Werkzeug nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (DA) des Abführbereichs (48) im Wesentlichen gleich groß oder größer als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der zu formende gewünschte Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs (10) ist.
19. Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes (200) mittels eines Federelementhalbzeugs (10), mit folgenden Schritten: a) Wickeln des getränkten und/oder zumindest teilweise ausgehärteten Federelementhalbzeugs (10) um einen Formgebungskörper (100) mit einer Oberfläche, die auf die endgültige geometrische Form des Federelementes (200) abgestimmt ist und/oder diese abbildet; und b) vollständiges Aushärten (118) des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffs (78), wodurch ein spiralförmiges Federelement (200) gebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den Formgebungskörper (100) ein weiterer Formgebungskörper (102, 104) mittels einer verdrehsicheren, vorzugsweise formschlüssigen, Verbindung (110) angeschlossen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Formgebungskörper (102, 104) mit oder ohne Unterbrechung des Wickelvorganges angeschlossen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) mittels Wärme (118) und/oder durch eine photochemische Reaktion, insbesondere mittels UV-Strahlung, ausgehärtet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) ein Band, vorzugsweise ein Folienband (116), vorbestimmter Dicke auf den Formgebungskörper (100, 102, 104) gewickelt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete spiralförmigen Federelementes (200) auf eine vorbestimmte Länge abgelängt (120) wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kern körpers (20) nach dem vollständigen Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffs (78) aus dem spiralförmigen Federelementes (200) entfernt wird.
26. Formgebungskörper (100) zur Umformung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug, wobei der Formgebungskörper (100) eine auf die geometrische Form des spiralförmigen Federelementhalbzeugs (200) abgestimmte oder diese Form abbildende Oberfläche (106) aufweist und an wenigstens einem Ende (108, 109) einen Anschluss zur Verbindung (110) mit einem weiteren Formgebungsköper (102, 104) aufweist.
27. Formgebungskörper (100) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung (110) mit dem weiteren Formgebungskörper (102, 104) ausgebildet ist.
28. Formgebungskörper (100) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss eine Nut und/oder Feder aufweist.
29. Formgebungskörper (100) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (106) wenigstens eine Rille (107) zur spiralartigen Formgebung des Federelementhalbzeugs (200) aufweist, und das seilartige Federelementhalbzeug (10) in dieser Rille (107) um den Formgebungskörper (100) wickelbar ist.
30. Spiralförmiges Federelement (200) mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper (30).
31. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper (30) wenigstens eine Faser oder ein Filament aus Glas-, Kevlar-, Kohle- oder Borfaser umfasst.
32. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper (30) wenigstes einen Faden (32) oder ein Fadenbündel (36, 37), gebildet aus mehreren Fasern und/oder Filamenten, umfasst.
33. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden (32) oder das Fadenbündel (36, 37) in einer vorbestimmten Wickelung gewickelt ist.
34. Spiralförmiges Federelement (200) nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenbündel (36, 37) mehrere Gruppen von Fäden (32) umfasst, wobei jede Gruppe gegenläufig oder gleichgerichtet bezüglich einer Längsrichtung (L) des Faserverbundwerkstoff-Federelement (200) gewickelt ist.
35. Spiralförmiges Federelement (200) nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (32) einer Gruppe mit den Fäden (32) einer anderen Gruppe verwoben sind.
36. Spiralförmiges Federelement (200) nach einem der Ansprüche 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe eine Schicht (38) des Faserverbundwerkstoff-Federelementkörpers (30) bildet, die entlang der Längsrichtung (L) im Wesentlichen im einheitlichen Abstand von der Längsachse des Federelementes (200) entfernt ist.
37. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle, rohrartige Faserverbundwerkstoff- Federelementkörper (30) mit einem Feder-Kern körper (20) ausgefüllt ist.
38. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kern körper (20) aus einer Faser oder einem Faserbündel gebildet ist.
39. Spiralförmiges Federelement (200) nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kern körper (20) einen thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff oder einen Faserwerkstoff, vorzugsweise Glasfaser, aufweist.
40. Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes (200), wobei mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ein seilartiges Federelementhalbzeug (10) hergestellt wird und wobei mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25 das seilartige Federelementhalbzeug (10) zu einem spiralförmigen Federelementhalbzeug (10) verarbeitet wird und durch Aushärten aus dem spiralförmige Federelementhalbzeug (10) das spiralförmige Federelementes (200) hergestellt wird.
41. Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmiges Federelementes (200) mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper (30), umfassend ein Tränkbecken (76) zum Tränken eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10), ein Werkzeug (40) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wenigstens einen Formgebungskörper (100) zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeugs (10) in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug (10) nach einem der Ansprüche 20 bis 25 und eine Aushärtungseinrichtung (118) zum Aushärten des spiralförmigen Federelementhalbzeugs zur Bildung des spiralförmigen Federelementes (200).
42. Vorrichtung nach Anspruch 41 , gekennzeichnet durch wenigstens eine Spannvorrichtung (74, 75) zum Spannen des seilartigen Federelementhalbzeugs (10).
43. Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet durch ein Auffangbecken (80) zum Sammeln von überschüssigem Matrixwerkstoff (78).
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (82), die den überschüssigen Matrixwerkstoff (78) von dem Auffangbecken (80) zu dem Tränkbecken (76) rückführt.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, gekennzeichnet durch eine Trennvorrichtung (120) zum Ablängen des seilartigen, des spiralförmigen Federelementhalbzeugs (10) oder des spiralförmiges Federelements (200).
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