WO2014102015A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von dreidimensionalen fasergelegen und bauteilvorformlingen aus fasern in zwei stufen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von dreidimensionalen fasergelegen und bauteilvorformlingen aus fasern in zwei stufen Download PDF

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Ingo Karb
Volker Witzel
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Compositence Gmbh
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    • B29K2105/0809—Fabrics

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for making three-dimensional layers and component preforms of fibers.
  • fibers are unwound from bobbins and deposited by various means on a core or generally workpiece carrier.
  • the contour of the core is similar to the component contour in dimension and shape.
  • the deposition usually occurs under low or high tension so that the fibers span over concave areas in the workpiece carrier, unless they are held by special measures in such concave areas.
  • Such a method is known for example from DE 10 2010 015 199 AI.
  • Measures for holding the fibers in a concave area are usually today, for example, material connection of the fibers to be deposited on the workpiece carrier or on already deposited fibers so that the fibers do not detach from the concave area at tensile stresses.
  • a pressing tool must be present, which presses the fibers into the concave zones and keeps them pressed until they adhere adequately by adhesion, for example gluing.
  • adhesion for example gluing.
  • Especially with small radii of curvature of concave zones this is no longer with universally shaped pressure tools such.
  • To create pressure rollers since their elasticity would be exceeded.
  • the process speed is also limited by the necessity of the formation of the material bond.
  • Another possibility is to provide several intersecting fibers, which ensure simultaneous application by their tensile stress a concern of Gele in the concave area.
  • cross-over of the fibers are necessary, wherein the fibers or fiber with convex course must be at least at some intersections on the fibers with a concave course or must.
  • the convex fiber can run with a greater distance to the surface of the workpiece carrier.
  • the fiber fabric can be sucked onto the workpiece carrier by negative pressure and held. In this method, the fibers must be guided in the vicinity of the surface of the workpiece carrier, to be sucked by a flow of air through the surface of the workpiece carrier in this into the surface and held thereon.
  • the primary shaping of loose fibers is to a body having at least one convex portion.
  • This body has a raw geometry or primary shape.
  • the body is an open overall convex profile (open profile body).
  • an open profile such as a U-shaped profile
  • normally a surface that is convex, viewed from one side is concave from the other side.
  • convex body it is considered that its upper side or outer side viewed from above or outside (e.g., visible side when placed on a workpiece carrier) is convex.
  • a body formed from a scrim this is said to be the outside of the side of the body that is not deposited on a workpiece carrier to form the body.
  • a "convex region” or “convex” is curved only in a positive (left) or negative (right) direction (depending on the view), or exclusively of positively or negatively curved sections and planes Trained sections.
  • a “concave region” is to be understood here and below to mean a region which is curved in a cross-sectional view exclusively in the direction opposite to the convex region, or which is formed exclusively from sections and planar sections curved in the opposite direction.
  • the secondary shaping of the primary mold into a secondary mold or finished geometry takes place which has at least one concave area, as viewed in the direction of deposition of the fibers or in or from the same above-mentioned first direction.
  • the first direction with respect to non-deformed areas of the body and / or used Umformvorraumen stationary.
  • a mainly convex preform (or a prestack) of continuous fibers is produced in a 3D-capable filing process for continuous fibers and possibly additives.
  • Mainly convex the body has at least one convex area (convex surface).
  • the preform is a fiber web consisting e.g. of rovings, fibers or filaments, e.g. the materials carbon, glass, basalt, aramid, which are referred to as reinforcing fibers, provided that in a further upstream or downstream process step by combining with a matrix material e.g. Plastic to be added to a composite material.
  • a roving is a thread that consists of a plurality of filaments of fiber material that could be called the actual fibers.
  • Such a roving may consist of some such as e.g. 8 or 10 filaments up to e.g. Consist of 50,000 filaments.
  • the term fiber preferably denotes a roving.
  • the geometry of the body thus formed first is referred to as a raw geometry or primary form, since it already resembles the target component, e.g. similar dimensions, a similar shape or a similar thermoforming ratio has.
  • a surface spanned by a cross section of the primary mold is larger than the corresponding surface spanned by the cross section of the target component.
  • the fibers that form the raw geometry have a similar or preferably the same fiber length as these, which are later required for the finished geometry.
  • the raw geometry is preferably purely convex with respect to the fibers to be deposited, so that all the fibers of the preform (Prestack) can be laid down quickly and clearly in the primary shaping process.
  • the derivation of the raw geometry (primary form) from the finished geometry (secondary form), ie calculating how the raw geometry has to look, in order to be able to form the desired finished geometry from it, is of great importance because it provides the necessary degrees of freedom of the fibers in the Transformation of the raw geometry into the finished geometry influenced.
  • Computer programs are preferably used for this purpose (eg CAD, FEM programs and mathematical optimization algorithms).
  • the preferred goal for selecting the shape of the raw geometry is that the raw geometry contains at least in sections, preferably completely, the identical fiber lengths as are required for the finished geometry.
  • Identical fiber lengths mean that the portion or region of a fiber forming a particular (convex) portion of the raw geometry to be formed is identical to the portion or region of the same fiber which forms the corresponding converted portion of the finished geometry. If this is true for all the fibers, then the area of the convex portion to be formed into the concave portion is also preferably equal to the area of the concave portion after the deformation. Thus, it is possible to obtain the finished geometry preform by mere bending the raw geometry preform and without distorting the fiber orientation.
  • the raw geometry must contain minimally shorter fiber lengths.
  • the regions or sections of the fibers that form the raw geometry have a length that is minimally shorter than the length of the sections or regions of the same fibers that form the finished geometry after the forming.
  • they are drawn from the edge. Since a corresponding reserve is preferably provided at the edge, a "constriction" of the body during forming can be avoided.
  • the primary body has at its edge a reserve region of fibers which, after the deformation, is preferably used up due to slipping ,
  • the Nachloisen or retightening of fibers carries the risk that fibers or fiber layers, which are in contact with the slipping fiber or fiber layer, are also pulled, which can lead to a slight distortion of the fiber orientations. It is therefore advantageous if the length differences of the fibers in raw and finished geometry are as small as possible.
  • the fibers are fixed or held or clamped in the edge region of the raw geometry prior to forming. The retention is carried out so that individual fibers can slip, but the remaining fibers are fixed.
  • the transformation of the convex preform relative to the contained fibers into the desired convex / concave shape of the target component occurs after the primary forming process or after a respective substep of the primary shaping process.
  • first the preform (primary form) or partial areas of the preform are fixed, which are not or only later transformed.
  • at least two regions are fixed, which lie opposite one another, wherein the region to be reshaped lies, as seen in a cross-sectional view, between the at least two mutually opposite fixed regions.
  • the fixation can be done by clamping the preform between solid or elastic moldings, by suction by vacuum or by material bond.
  • suction by vacuum or by material bond.
  • novel clamping of fibers through a pressurizable bellows or hose or through a sintered metal surface, which is supplied with vacuum.
  • the deformation itself takes place, for example, by inserting stamps into the preform.
  • the punches may be of solid form or made of elastic material or be filled with fluid media and expandable bellows. It may be necessary in this case a counter-mold, in which the area of the preform to be deformed is pressed by the punch.
  • a three-dimensional body can be made of a fiber fabric having at least one concave portion and in which the fibers of the fiber fabric are defined to each other and reproducibly disposed in the body.
  • the workpiece carrier for the raw geometry and the tool or tools for forming may be separate components.
  • the deformation can also be done on the workpiece carrier for Primärformüng. This is then supplemented with a tool shell or has a flexible area.
  • flexible range is meant in the following an area or a surface that is variable deformable.
  • the workpiece carrier, the lower part and / or the upper part of the postforming device can also have a variable geometry (flexible regions) in partial regions.
  • the variation can be effected by means of sliders made of solid or elastic material or by introducing or discharging a fluid medium into a deformable device, such as e.g. a bellows.
  • the scrim contains additives which bring about a cohesion of the fibers, this cohesion must be suspended or reduced in its effect for the phase of the transformation.
  • resins or binders which are thermally activated / reactivated this occurs by heating the preform.
  • films, membranes or reticulated materials can be inserted between the preform and the shaping tools, which are used to protect the fibers, to control the residual distortion or to avoid the adhesion of binder-coated fibers to the tool.
  • one or more concave zones are introduced directly onto the workpiece carrier when the fibers are laid.
  • the fibers are first fixed to the workpiece carrier and stretched over the concave zone.
  • a stamp presses the not further fixed fibers in the concave zone and remains in this position until the fibers are sufficiently fixed in the further course on the workpiece carrier. If necessary, the fibers are held in the concave zone by negative pressure or material occlusion, so that the stamp can be removed again.
  • the above-mentioned expandable body or bellows for clamping the preform by compressed air or pressurized liquid is, for example, one
  • such an expandable body is designed as a rectangular Dmckschlauch or bellows.
  • This can also be achieved by forming an initially round tube by means of an insert for clamping in the rectangular shape.
  • the minimum requirement for the clamping tube is at least that it has a surface in the form of the clamping surface (e.g., flat surface).
  • the hose described can also be formed by spanning an arbitrarily shaped pressure chamber with a membrane.
  • the fixation by vacuum is applied to pores of a sintered metal surface.
  • the negative pressure in the pores is usually generated by applying a vacuum or negative pressure in a chamber below the sintered metal surface, so that a uniformly large flow of air through all areas of the surface is achieved.
  • a pressure gradient which has the maximum negative pressure inside. Outside the sintered metal and the Fasergeleges prevails ambient pressure.
  • the fixing of thin objects such as paper, films or fabrics by vacuum is state of the art today.
  • the material to be fixed covers only a part of the permeable fixing surface, the air can flow in the uncovered areas and leads to a drop in the negative pressure in the fixing surface.
  • finely porous sintered metals fulfill these conditions. Due to the structure of the surface, which consists of pressed, spherical particles of metal, there are no undercuts in which filaments can hook. With very small particle sizes, the surface can be made largely smooth and the flow resistance was sufficiently high even at low thicknesses to achieve a homogenization of the flow through the fixation.
  • FIGS. 1 is a perspective view of an exemplary workpiece carrier and an exemplary depositing device for forming a clutch body with a primary form
  • FIG. 2 shows in (a) a perspective view of an exemplary workpiece carrier, and in (b), (c) and (d) various steps for forming the primary mold,
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of the primary mold according to the first
  • FIG. 5 shows a three-dimensional representation of the secondary form according to the first embodiment and the cross section of the primary form on which it is based
  • FIGS. 1 and 2 a) to d) the formation of a three-dimensional fiber laminate with a primary form is shown by way of example.
  • Fig. 1 shows a robot 1 to which a laying head 2 is attached. A workpiece carrier 10 is held on a holder 3 for the workpiece carrier 10.
  • Fig. 1 is shown schematically that the laying head 2 is designed for depositing a fiber bundle 4 on the workpiece carrier 10.
  • the arrangement is used to build a three-dimensional preform (body in primary form) for a component made of a fiber composite material.
  • the fiber composite material is for example a three-dimensional multiaxial clutch (3D-MAG).
  • the workpiece carrier 10 has a workpiece shaping region 11 and an edge fixing region 12 for this purpose.
  • the workpiece molding area 1 1 corresponds to the desired three-dimensional shape of the preform.
  • Edge fixing area 12 serves to fix the dry deposited fibers 13 in the edge region of the workpiece carrier 10, as will be explained in more detail below.
  • the fiber layer 13a of fibers (rovings) 13 which were deposited in this axial direction.
  • the same workpiece carrier 10 is shown, on which a second fiber layer 13b was deposited over the first fiber layer 13a.
  • the fibers of the second fiber layer 13b have an orientation of -45 ° relative to the orientation of the first fiber layer 13a.
  • FIG. 2d) shows how a third fiber layer 13c has been deposited over the second fiber layer 13b, this being deposited on only a part of the workpiece carrier 10.
  • the third layer 13c has an orientation of + 45 ° relative to the first layer 13a and thus of 90 ° relative to the second layer 13b.
  • the three layers 13a to 13c form a three-dimensional multiaxial clutch 3D-MAG13d.
  • the body or open profile body 14 in a primary form 15 of a scrim. Since the surface of the workpiece carrier 10 is purely convex and even, the threads under tension are deposited on the surface or on already deposited other threads so that no cavity is formed between the threads and the first workpiece carrier 10. This allows a defined and reproducible formation of the body 14 with the primary mold 15. Preferably, the fibers are held together by additives.
  • the body 14 is then removed from the first workpiece carrier 10.
  • the body 14 is formed in the primary mold 15 whose surface is exclusively convex.
  • the body can also be made by many other methods.
  • the fibers or rovings can also be produced by means of a frame in the manner of deep drawing.
  • concave areas may be present, which are spanned by the scrim.
  • FIGS. 3 a) to d) show the forming process of a body 14, shown in a cross-sectional view, with a primary mold 15 into a secondary mold (finished geometry) 20, which comprises a deformed region 22, which has at least one concave section viewed from above in FIG having.
  • FIG. 3 a a cross section of a body 14 with the primary mold 15 is shown in FIG. 3 a), which does not completely correspond to the cross section of the body 14 shown in FIG. 2 d). It is expressly pointed out that the further description also applies to a body or component 14 which, as shown in FIGS. 1 to 2d) has been described, applies.
  • the body 14 with the primary mold shown in FIG. 3 a) is converted into the secondary mold 20 in a post-forming device 25, as shown in FIGS. 3 b) to 3 d).
  • the postforming device 25 comprises a post-forming lower tool (also referred to as Nachformpositivform, workpiece carrier, workpiece holder or Nachformwerkmaschine) 26, on which the body 14 is placed or placed in the primary mold 15.
  • the Nachformunterwerkmaschine 26 has a similar shape as the first workpiece carrier 10. It preferably has the same maximum width and height in sections as the first workpiece carrier 10, so that the body 14 can come to rest on the post-forming lower tool 26 in a defined manner.
  • the underforming die 26 differs from the workpiece support 10 in that it has a surface having a concave portion 28.
  • FIGS. 3b) to 3c) always show the same cross-sectional plane.
  • the cross-sectional plane is with respect to the non-reshaped areas and / or of Nachformunterwerkmaschines 26 preferably stationary. That is, the portions of the post-forming lower tool 26 cut through the cross-sectional plane and the un-deformed portions of the body are preferably identical.
  • the body 14 or the convex region 16 (or the region of the body which is to be reshaped, which has exclusively flat and negatively curved sections in a cross-sectional view shown in FIG. 3 a) of the body which does not touch the surface of the post-forming lower tool 26, that is, the convex portion 16 of the body 14 forming the cavity 32 is then reshaped by a post-forming upper die (also referred to as a post-negative die, workpiece carrier, workpiece holder, or post-forming tool) 34, which is also part of the post-forming device 25 the inner surface 30 of the body 14 abuts the concave surface 28 of the Nachformunterwerkmaschinemaschines 26.
  • the deformation takes place substantially exclusively by bending the body 14.
  • a fiber (or a fiber region) forming the convex portion 16 of the primary mold 15 in this embodiment has the same length as a fiber (or a fiber portion) forming the concave portion 22 of the body.
  • the convex portion 16 to be reshaped has exclusively convex and planar portions, and the reshaped concave portion has only concave and flat portions.
  • a reshaped portion which is concave and convex or concave and convex may be obtained from the purely convex portion to be reshaped has planar areas. Also in this case, the deformation is done exclusively by bending. It is further apparent from the cross section shown in Fig.
  • the stamp 34 preferably has a shape complementary to the concave surface or the concave surface area 28 of the post-forming lower tool 26 (preferably reduced by the layer thickness of the body 14).
  • the stamp 34 has, at least on the side / sides facing the after-forming lower tool 26, substantially the contour of the hollow space 32 bounded by the after-forming lower tool 26.
  • the concave portion 28 of the Nachformunterwerkmaschines 26 has in this embodiment, the same area as a corresponding convex portion of the surface of the first workpiece carrier 10, and a corresponding convex portion 16 of the body 14 on.
  • the size of the surface of the first workpiece carrier 10 is at least in part the size of the corresponding surface of the Nachformunterwerkmaschines 26.
  • the size of the surface areas by which both workpiece carriers differ from each other and are used to form the primary and secondary molds the same size ,
  • the post-forming lower tool and the post-forming upper tool are in this embodiment in each case preferably designed as a solid molded part.
  • the secondary shape or finished geometry 20 is formed. That is, a convex portion 16 of the body 14 is formed into a concave portion 22 (see Fig. 3d)).
  • the body 14 is clamped before forming by means of a fixing device 50, which is also part of the postforming device 25 here.
  • a holding or clamping or fixing region 52 of the body 14 is clamped in between the fixing device 50 and the Nachformunterwerkmaschine 26.
  • the fixing device 50 is made in this embodiment, for example, solid molded parts.
  • the fixing region 52 is preferably not formed during the deformation of the body 14 and therefore also referred to as non-reshaping region 52.
  • the body 14 is preferably retained on both or all sides of the cavity 32 or the region 16 to be formed. This ensures that the body 14 can not slip on the Nachformunterwerkmaschine 26 during the forming process.
  • the end edges 55 of the open profile body 14 can be reshaped by additional shaping tools 60, for example for the further formation of concave areas.
  • the thus formed body 14 with the secondary mold 20 corresponds to the finished molded preform geometry preform, which can then be further processed.
  • FIG. 4 shows a side plan view (or cross-sectional view) of the secondary mold 20 (solid line) and the corresponding primary mold 15 (dashed line) according to the first embodiment.
  • Fig. 5 shows a corresponding three-dimensional view.
  • the size of the surface of the body 14 in the primary mold 15 is equal to the size of the surface of the body 14 in the secondary mold 20.
  • Fig. 6 shows cross-sectional views of a second embodiment of the present invention.
  • the same components are designated for simplicity in this and the other embodiments with the same reference numerals and will not be described again.
  • the workpiece carrier 10 is formed integrally with the postforming device 25 or the postforming tool or postforming tool 26. That is, only one integral workpiece carrier 38 is provided from which both the primary mold 15 and the secondary mold 20 are formed.
  • the integral workpiece carrier 38 has a flexible (or variable) region 40 in this embodiment.
  • the outer contour of the workpiece carrier 38 can assume on the one hand the outer contour of the workpiece carrier 10 according to the first embodiment and on the other hand the outer contour of the Nachformunterwerkmaschines 26 according to the first embodiment.
  • the workpiece carrier 38 for forming the convex primary mold 15 first has a convex shape or surface on which the fibers are deposited. The fibers are thus deposited on the integral workpiece carrier 38, in which the flexible region 40 has a convex shape, so that a body 16 is formed in a primary mold 15 with a convex surface 16 according to the first embodiment.
  • the primary mold 15 may be formed by means of a separate workpiece carrier 10 as in the first embodiment. In this case, the primary shape 15 will be followed placed on the integral workpiece carrier 38 according to the second embodiment or placed.
  • the body 14 is clamped by at least one clipper or fixture 50 in a locating area 52 that is not formed into a concave area (see FIG. 5b)).
  • the flexible region 40 of the workpiece carrier 38 is reshaped so that it has a concave surface 46.
  • a cavity 32 is formed between the body 14 and the workpiece carrier 38 or the concave surface 46 of the workpiece carrier 38.
  • a post-forming upper tool 34 is attached to the workpiece carrier 38 for forming the body 14 in the secondary mold 20. Furthermore, the lower edges of the body 14 are bent as in the first embodiment.
  • the flexible region 40 need not undergo stretching or compression during its forming, since the original surface content and the target surface area are substantially the same.
  • the fixing device 50 is formed in the form of a clamping bellows.
  • the clamping bellows here is an expandable body in the form of a longitudinally extending hose 54.
  • the hose 54 is inserted into a longitudinally extending profile 56 having a U-shaped cross-section perpendicular to the longitudinal direction z.
  • the profile 56 is open in the direction of the integral workpiece carrier 38.
  • the profile 56 is stationary with respect to the workpiece carrier 38.
  • the tube (body) By filling the tube 54 with a fluid (eg gas, water or air), the tube (body) is expanded. Since the tube is surrounded on three sides by the half-opened profile 56, it can only expand in the direction of the workpiece carrier 38 (see FIG. 5b)). As a result of the expansion, the body 14, which extends on the surface of the workpiece carrier 38, is clamped between the expanding tube 54 and the workpiece carrier 38. As described above, the use of such a hose can ensure that each individual fiber is held in place with substantially the same force.
  • the U-shaped profile 56 has two walls extending in parallel. Preferably, the shape of each wall is adapted to how the hose should spread.
  • a wall 58 of the profile 56 facing away from the convex portion of the body 14 has a chamfer, so that the tube 54 in the region of the edge 58 extends better into the corner which forms during the deformation of the end edges 55 can (see Fig. 6d)).
  • the tube 54 is connected to a device for filling or emptying (not shown).
  • the flexible portion 40 of the integral workpiece carrier 38 is preferably formed by an expandable body in the form of a bellows.
  • the bellows is connected to a device 61 (see Fig. 6b)) for filling and emptying the bellows.
  • the device 60 is preferably formed by a pump, a tank and corresponding valves.
  • the bellows is designed so that, at least when it is filled, it assumes a defined shape. When emptied, its shape is essentially determined by the surface to which it is applied.
  • the integral workpiece carrier 38 is formed, for example, by providing a base workpiece carrier whose shape corresponds to the shape of the second workpiece carrier 26 according to the first embodiment with such a flexible portion 40.
  • the flexible portion 40 is applied to the concave surface portion 28 of the base workpiece carrier.
  • the flexible region 40 is further configured such that, after being filled with fluid, it supplements the base workpiece carrier or its shape such that the base workpiece carrier and the filled flexible region 40 together form the shape or outer contour of the first workpiece carrier 10.
  • Figs. 7a) to c) show cross-sectional views of a third embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional layers always show the same cross-sectional plane of non-reshaping regions of the body and / or the same plane cross-sectional plane of the postforming tool.
  • the body 14 is already formed with the primary mold 15, placed on a Nachformunterwerkmaschine 26 and with a retaining device 50 of two Clamping jaws according to the first embodiment held or fixed.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that the post-forming upper tool 34 of the post-forming device 25 in this embodiment does not consist of a punch as shown in the first embodiment but of an upper tool 62 having a flexible (variably deformable) portion 63, is formed.
  • the upper tool 62 is formed of a base body 64 and the flexible portion 63 in the form of a bellows.
  • the base body 64 is formed such that at least a portion of its inner contour corresponds substantially to the outer contour of the convex portion 16 of the primary form 15 to be formed.
  • the flexible region 63 is applied to the above-mentioned region of the inner contour of the base body 64.
  • the bellows can be filled and emptied by a filling device 66, similar to the flexible region 40 of the integral workpiece carrier 38 according to the second embodiment.
  • the filling device 66 is preferably formed by a pump and a tank.
  • the post-forming upper tool 62 can be placed on the post-forming lower tool 26 or the clamping jaws 50 and enclose the body 14 in the primary mold 15 without deforming it.
  • the flexible portion 63 is filled with fluid so that it expands and transforms the body 14 or its convex portion 16 to be formed.
  • the deformation takes place here when filling the fluid-filled bellows uniformly in the direction of the concave portion 28 of the surface of Nachformunterwerkmaschines 26 until the convex portion 16 of the body 14 is completely formed in the concave contour 28 of Nachformunterwerkmaschines 26 corresponding concave secondary mold 20 ( see Fig. 7c).
  • FIGS. 8a) to d) show cross-sectional views of forming steps of a further body 140 in a primary mold 150 into a secondary mold 200 according to a fourth embodiment.
  • the cross-sectional layers always show the same cross-sectional plane of non-reshaping regions of the body and / or the same plane cross-sectional plane of the postforming tool.
  • the primary mold 150 and the secondary mold 200 are formed by a single integral workpiece carrier 138, which simultaneously forms the post-forming lower tool of the post-mold apparatus 250.
  • the workpiece carrier 138 has two concave surface areas (areas with exclusively concave or exclusively concave and flat areas) 128.
  • the under tension on the workpiece carrier 138th deposited fibers span these concave regions 128 when forming the body 140 in the primary mold 150.
  • the regions that span the concave regions 128 are referred to as over-span regions or regions 141 and are substantially planar in this embodiment (planar regions).
  • the thus formed body 140 with the primary mold 150 therefore, as in the first to third embodiments, at least in sections, no concave areas.
  • the body 140 in the primary mold 150 is fixed on the workpiece carrier 138 by a fixing device.
  • a fixing device In particular, portions of the body 140 that are not to be reshaped are fixed in particular near or around the area to be reshaped. Further, it is preferred if, for example, first areas are fixed in the center of the body 140 or component area and then edge areas are fixed. Therefore, in the present embodiment, the body 140 in the primary mold 150 is first fixed by a central fixing device 500. Subsequently, the end edges 555 of the body 14 are fixed by two further lateral edge fixing devices (also referred to as fixing devices) 501. In other words, areas of the body 14 which adjoin the over-tension areas 141 are preferably fixed before forming.
  • the over-tightening regions 141 (regions to be formed) of the body 140 are reshaped by means of an after-shaping upper tool 340 so that they assume the shape of the concave regions 128.
  • the body 140 then has the secondary mold 200.
  • the Nachformoberwerkmaschine 340 is here formed by two punches, which have a complementary to the concave portions 128 of the workpiece carrier 138 shape. That is, by retracting the punches 340, the planar over-tightening portions 141 of the body 140 are pressed so as to take the shape of the concave portions 128 of the workpiece carrier 138.
  • regions 220 formed on the concave region 128 are formed with at least one concave section.
  • the concave portion 220 extending between the same edges is formed out of the plane overhang portions 141 between two edges of the workpiece carrier 138, the concave portion 220 (deformed portion) is forcibly larger in area than the corresponding planar portion 141 on.
  • the fibers forming the scrim 14 are preferably non-stretchable here, fibers are drawn from an outermost edge region 142 of the body 140 to increase the surface area.
  • the fixation by the edge fixing devices 501 is therefore preferably only so strong that a slipping of the fibers is made possible.
  • the edge region 142 or the length of the fibers in the edge region is dimensioned during the formation of the body 140 such that the edge desired for the secondary mold can be achieved without constrictions of the secondary mold 220.
  • the area of the planar area must be "stretched” or “stretched". Since plastic stretching of the fibers mentioned is not possible, fibers which extend in the direction of enlargement or elongation must be retightened. For fibers that are perpendicular to it, only the distance to the respective adjacent fiber can be increased, i.e. the fiber density will be reduced. For fibers that run obliquely, the respective component results proportionally.
  • the edge fixing devices 501 are preferably designed as a clamping bellows as described above. With such a clamping bellows, it is possible to allow a slippage of the fibers that need to be tightened and at the same time to ensure that adjacent fibers that can not be tightened do not slip.
  • the forming process may take place after depositing a single layer for forming the body 140 in the primary mold 150.
  • one layer of fibers (preferably unidirectionally) is deposited, fixed and subsequently shaped into the secondary form.
  • the fixing device 500, 501 and the forming dies 340 are removed and a further single layer of fibers is applied, which is then reshaped after fixing.
  • Figures 9a) to d) show further secondary forms 20 formed by one of the above-mentioned devices from their respective primary molds 14.
  • Fig. 9a shows a body 14 which substantially corresponds to that of the first to third embodiments.
  • the surface of the concave portion 22 of the secondary mold 20 substantially corresponds to the surface of the concave portion 16 of the primary mold 20. form 15.
  • the surface of the concave secondary mold 20 is larger than that of the convex primary mold 15, since an angled (V-shaped) edge region 68 must be widened when forming the body 14 into the secondary mold 20 to wrinkle in a central area 70 to prevent.
  • Such expansion is made possible by retightening fibers from one or more edge regions of the body 14. As mentioned above, this is provided for example when depositing the fibers to form the body 14 in the primary mold 15, a corresponding reserve.
  • the fibers can also be kept ready during forming into the secondary mold 22, for example by means of fiber supply rolls, and can only be separated after the forming process. Alternatively, already during or after the deposition of each group of bevels a transformation takes place.
  • the retaining device 50 is allowed to hold the fibers in this embodiment only so tight that slipping individual fibers is made possible.
  • the fibers in the fiber web of the body 14 shift during forming into the secondary mold 20 within the body.
  • the lower edge 72 of the body 14 has a greater length in the primary mold 15 than the lower edge 74 in the secondary mold 20. Since the fibers are not upsetting or stretchable in their longitudinal direction, it is preferred in this embodiment that none of the fibers be laid parallel to the lower edge 72 of the body 14 in the primary mold 15.
  • the fibers running perpendicularly or obliquely to the lower edge preferably move together, so that wrinkling is prevented.
  • the fibers crossing the edge 72 at 30-90 ° slip together so that their distance from one another is reduced. The local fiber amount and thus the wall thickness of the component to be formed therefore increases.
  • the fibers or fiber bundle are first fixed at one end to the workpiece carrier 10 and stretched over a formed on the surface of the workpiece carrier 26 concave zone 76.
  • stamp 76 which fits precisely into the concave zone 76 presses the fibers spanning the concave zone 76 into the concave zone 76 so that the fibers come to lie on the surface of the concave zone.
  • the additionally required for covering or resting on the concave zone fiber length is still drawn from the depositing tool (for example, fiber roll).
  • the stamp remains in this position until the fibers are sufficiently fixed to the workpiece carrier 26, for example by means of a material bond.
  • the other end of the fibers can be fixed.
  • the fibers in the concave zone 76 can be held by negative pressure or direct material connection so that the punch 78 can be removed immediately.
  • the punch 78 may also be formed of a flexible deformable material.
  • a bellows or an elastic material as described above may be used, which exactly matches the concave zone.
  • the threads are placed on the workpiece carrier 26 even in special forms in all areas of the concave zone 78.
  • Fig. 1 la) to d) show variants of the fixing device 50 in the form of a clamping bellows.
  • a pressure hose 54 preferably has a rectangular cross section and a U-shaped profile 56 is beveled on one side such that the pressure hose extends more in one direction when expanding on one side extends parallel to the bottom of the U-shaped profile 56.
  • FIG. 1 b shows a clamping bellows made of a tube 54 of arbitrary cross-section, which is pulled by an insert 59 in the rectangular shape of the profile 56.
  • Fig. 11c shows a clamping bellows, which is formed from a membrane 84, which results from the overstretching of a molded part 86 with an edge attachment 88.
  • Fig. 1 ld shows a clamping bellows according to the second embodiment described above, in which an additional cover 90 for protecting the tube 54 is formed before entrainment with the slipping under the clamping fibers.
  • the workpiece carrier with a flexible area can only be used as a post-mold workpiece carrier or, alternatively, can be used as a workpiece carrier and post-forming lower tool.
  • the clamping bellows can be used in various embodiments also on both sides of the area to be formed for holding the body on a workpiece carrier. That is, it can also be provided several clamping bellows.
  • the clamping bellows can have a wide variety of shapes as long as it is suitable for clamping the fibers of the body.
  • a plurality of concave areas can be formed simultaneously or sequentially, even at different positions of the primary shape.
  • the secondary form can thus be formed in several stages, or it can be formed several stages of the secondary form.
  • the body on the workpiece carrier may also be fixed by negative pressure.
  • the workpiece carrier may be wholly or partly formed from a finely porous sintered metal surface whose pores, that is, passages, are supplied with negative pressure from a side of the sintered metal surface facing away from the body. It can thereby be achieved that each individual thread can be held by vacuum on the surface of the workpiece carrier.
  • the body 14 with the primary mold can also be formed by laying loose fibers in a concave workpiece carrier.
  • the Nachformoberwerkmaschine and the Nachformunterwerkmaschine can also be arranged above the head. That is, the function of the Nachformunterwerkmaschine described above can also be realized by a Nachformoberwerkmaschine. If the overforming tool needs to hold the body so that it does not Ben falls, a suitable holding device may be provided (for example, vacuum supply).
  • the body can be formed in the primary form with reserve areas at the edge.
  • the fibers that are retightened are then retraced from this edge without affecting the secondary shape thereof. That is, the reserve areas are dimensioned so that after the forming in any case, the desired secondary shape can be realized and at the edge of the secondary form no fibers "missing.”
  • the primary form can be formed, wherein the fibers with which the primary shape is formed, remain until the end of the forming process in the secondary form with the body in the primary form, that is, fibers that are unwound from rolls and used to form the primary shape, are not separated after completing the body with the primary form of this The body is reshaped and the fibers can slip, and the fibers are separated (cut off) after the body has been reshaped.
  • the formation of a body 10 in the primary shape with a concave area as described above with reference to FIG. 10 can also be used in other applications. This can therefore be claimed alone.
  • the density of the fibers in the at least one convex portion (16) prior to deformation may be selected such that the density of the fibers in a region (14) that does not deform substantially matches the density of the fibers in the at least one concave region (22) after deformation corresponds.
  • a lower fiber density than in the rest of the body can be provided.
  • the fibers may be pushed together so that the body has substantially the same fiber density everywhere after being deformed.
  • the overvoltage regions 141 described in the fourth embodiment may also be at least partially concave or concave Have areas.
  • a method of making three-dimensional fibrous webs and component preforms from fibers comprising the steps of: forming at least one generally convex portion (16) of a body (14) of a scrim of fibers to at least one reshaped portion (22); which at least partially has a concave shape when viewed from the same viewing direction, the surface area of the deformed area (22) corresponding to the area of the at least one convex area (16) and / or at least the portion of a fiber (13) surrounding the convex area (16 ) of the body (14), which is the same portion of the fiber (13) that forms the deformed region (16) of the body (14).
  • the first aspect may be further characterized in that the deformed region (22), viewed in the same cross-sectional view of the body (14), is disposed between two non-deformed regions (52) of the body (14).
  • a third aspect there is provided a method of reshaping a portion (16) of a fiber web body (14) to be reshaped, wherein the portion (16) to be reshaped is in a sectional view of the body (14) as shown, for example, in FIG the opposite end regions of the region (16) to be formed merges into regions (fixing regions 52) of the body (14) which are not to be deformed, and the deformation is such that at least one region or section of the region to be reshaped during deformation in the cross-sectional view (16 4), wherein the size of the fiber pieces or surface of the area to be reshaped is the same before and after the deformation.
  • a method for deforming a region (16) to be reshaped of a flat, three-dimensional filament gusset body (14) having an outer side A (see FIG. 4) and an inner side (30) is provided, which region (16) to be formed prior to its deformation seen from the outside (in Fig.
  • the shape of the pre-deformation concave inner side of the region to be reshaped may correspond to the shape of the post-deformation concave outer side of the reshaped region.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen und Bauteilvorformlingen aus einem Fasergelege, mit folgenden Schritten: Umformen eines umzuformenden Bereichs (16) eines aus einem Fadengelege ausgebildeten im Wesentlichen konvexen Körpers (14) in einen konkaven Bereich (18).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen und
Bauteilvorformlingen aus Fasern in zwei Stufen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von dreidimensionalen Gelegen und Bauteilvorformlingen aus Fasern.
Bei der Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen und Prestacks direkt aus Endlosfasern werden heute Fasern von Spulen abgewickelt und mit verschiedensten Mitteln auf einen Kern oder allgemein Werkstückträger abgelegt. Die Kontur des Kerns ähnelt der Bauteilkontur in Dimension und Gestalt. Das Ablegen passiert in der Regel unter geringer oder hoher Zugspannung so, dass die Fasern konkave Bereiche im Werkstückträger überspannen, sofern sie nicht durch besondere Maßnahmen in solchen konkaven Bereichen gehalten werden.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 199 AI bekannt.
Maßnahmen zum Halten der Fasern in einem konkaven Bereich sind heute in der Regel beispielsweise Stoffschluss der abzulegenden Fasern am Werkstückträger oder an bereits abgelegten Fasern so, dass sich die Fasern bei Zugspannungen nicht aus dem konkaven Bereich lösen. Dies bedeutet, dass ein Andrückwerkzeug vorhanden sein muss, welches die Fasern in die konkaven Zonen drückt und bis zum ausreichenden Anhaften durch Stoffschluss, beispielsweise Kleben, angedrückt hält. Insbesondere bei kleinen Krümmungsradien konkaver Zonen ist dies nicht mehr mit universell geformten Andrückwerkzeugen wie z.B. Anpressrollen zu schaffen, da deren Elastizität überschritten würde. Die Prozessgeschwindigkeit wird zudem durch die Notwendigkeit der Entstehung des Stoffschlusses begrenzt.
Eine weitere Möglichkeit ist, mehrere sich kreuzende Fasern vorzusehen, welche bei gleichzeitigem Auftrag durch ihre Zugspannung ein Anliegen des Geleges im konkaven Bereich gewährleisten. Dies bedingt, dass mindestens eine dieser Fasern einen rein konvexen Verlauf entlang des WST annimmt, um mittels ihrer durch Zugspannung entstehenden Radialspannung andere Fasern mit konkavem Verlauf an die Oberfläche des Werkstückträgers anzudrücken. Hierzu sind Überkreuzungen der Fasern notwendig, wobei die Fasern bzw. Faser mit konvexem Verlauf zumindest bei einigen Kreuzungen auf den Fasern mit konkavem Verlauf liegen müssen bzw. muss. Dies bedingt, dass die konvex verlaufende Faser mit größerem Abstand zur Oberfläche des Werkstückträgers verlaufen kann. i Alternativ kann das Fasergelege auf den Werkstückträger durch Unterdruck angesaugt und festgehalten werden. Bei diesem Verfahren müssen die Fasern in die Nähe der Oberfläche des Werkstückträgers geführt werden, um von einem Luftstrom durch die Oberfläche des Werkstückträgers in diesen hinein an die Oberfläche angesaugt und daran festgehalten zu werden.
Alle genannten Maßnahmen können zu Einbußen in der Produktivität oder der Gestaltungsfreiheit des Bauteiles führen oder unterliegen in ihrer Anwendung Restriktionen. In der Regel sind daher Formen mit rein konvexer Gestalt schneller und mit höherer Prozesssicherheit herstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Herstellung von beliebigen dreidimensionalen Fasergelegen bzw. Vorformlingen oder Prestacks mit konvexen und konkaven Bereichen ohne die genannten Nachteile zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Ansprüchen 1 und 6 und eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 13. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren arbeitet in zwei Stufen. In der ersten Stufe erfolgt die Primärformgebung von losen Fasern zu einem Körper mit mindestens einem konvexen Bereich. Dieser Körper weist eine einer Rohgeometrie bzw. Primärform auf. Bevorzugt ist der Körper ein offenes insgesamt konvexes Profil (offener Profilkörper). Bei einem offenen Profil, wie beispielsweise einem U- förmigen Profil, ist normalerweise eine Oberfläche, die von der einen Seite betrachtet konvex ist, von er anderen Seite betrachtet konkav. Im Folgenden wird daher, wenn von einem konvexen Körper gesprochen wird, davon ausgegangen, dass dessen Oberseite bzw. Außenseite von oben oder außen betrachtet (z.B. sichtbare Seite beim Aufsetzen auf einen Werkstückträger) konvex ist. Bei einem Körper, der aus einem Fadengelege ausgebildet wird, ist dies soll dies die Außenseite die Seite des Körpers sein, die nicht auf einem Werkstückträger zum Ausbilden des Körpers abgelegt wird.
In einer Querschnittsansicht ist ein solcher„konvexer Bereich" oder„konvex" ausschließlich in einer positiven (links) oder negativen (rechts) Richtung (je nach Betrachtungsweise) gekrümmt, oder der ausschließlich aus positiv oder negativ gekrümmten Abschnitten und ebenen Abschnitten ausgebildet. Als„konkaver Bereich" soll hier und im Folgenden ein Bereich verstanden werden, der in einer Querschnittsansicht ausschließlich in der zu dem konvexen Bereich entgegengesetzten Richtung gekrümmt ist, oder der ausschließlich aus in entgegengesetzter Richtung gekrümmten Abschnitten und ebenen Abschnitten ausgebildet ist.
In der zweiten Stufe erfolgt die Sekundärformung der Primärform in eine Sekundärform bzw. Fertiggeometrie, die wenigstens einen, gesehen in der Ablegerichtung der Fasern bzw. in oder aus derselben oben genannten ersten Richtung betrachtet, konkaven Bereich aufweist. Hierbei ist die erste Richtung bezüglich nicht umgeformter Bereiche des Körpers und/oder verwendeter Umformvorrichtungen ortsfest.
Detaillierter bedeutet dies: in der Primärformgebung wird in einem 3D fähigen Ablageprozess für Endlosfasern und ggf. Zusatzstoffen ein hauptsächlich konvexer Vorformling (oder ein Prestack) aus Endlosfasern hergestellt. Hauptsächlich konvex bedeutet, der Körper weist mindestens einen konvexen Bereich (konvexe Oberfläche) auf. Der Vorformling ist ein Fasergelege bestehend z.B. aus Rovings, Fasern oder Filamenten, z.B. der Materialien Kohlenstoff, Glas, Basalt, Aramid, die als Verstärkungsfasern bezeichnet werden, sofern Sie in einem weiteren vorgelagerten oder nachgeschalteten Prozessschritt durch die Verbindung mit einem Matrixmaterial z.B. Kunststoff zu einem Verbundwerkstoff ergänzt werden. Ein Roving ist ein Faden, der aus einer Mehrzahl von Filamenten aus dem Faserwerkstoff besteht, die man als die eigentlichen Fasern bezeichnen könnte. Ein solcher Roving kann aus einigen wie z.B. 8 oder 10 Filamenten bis zu z.B. 50000 Filamenten bestehen. In dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff Faser bevorzugt einen Roving.
Die Geometrie des so zuerst ausgebildeten Körpers wird als Rohgeometrie bzw. Primärform bezeichnet, da sie bereits Ähnlichkeit mit dem Zielbauteil aufweist, indem sie z.B. ähnliche Abmessungen, eine ähnliche Gestalt oder auch ein ähnliches Tiefziehverhältnis hat. Bevorzugt ist eine von durch einen Querschnitt der Primärform aufgespannte Fläche größer als die entsprechende vom Querschnitt des Zielbauteils aufgespannte Fläche.
Die Fasern, die die Rohgeometrie ausbilden, weisen eine ähnliche bzw. bevorzugt gleiche Faserlänge auf wie diese, die später für die Fertiggeometrie benötigt werden. Die Rohgeometrie ist im Bezug auf die abzulegenden Fasern bevorzugt rein konvex, so dass alle Fasern des Vor- formlings (Prestack) im Primärformungsprozess zügig und definiert abgelegt werden können. Der Ableitung der Rohgeometrie (Primärform) aus der Fertiggeometrie (Sekundärform), das heißt dem Berechnen, wie die Rohgeometrie auszusehen hat, um aus ihr die gewünschte Fertiggeometrie ausbilden zu können, kommt eine große Bedeutung zu, da sie die notwendigen Freiheitsgrade der Fasern bei der Umformung der Rohgeometrie in die Fertiggeometrie beein- flusst. Hierfür werden bevorzugt Computerprogramme verwendet (z.B. CAD, FEM Programme sowie mathematische Optimierungsalgorithmen).
Bevorzugtes Ziel für das Auswählen der Form der Rohgeometrie ist es, dass die Rohgeometrie wenigstens abschnittsweise, bevorzugt vollständig die identischen Faserlängen beinhaltet, wie sie für die Fertiggeometrie benötigt werden. Identische Faserlängen bedeutet dabei, dass der Abschnitt oder Bereich einer Faser, der einen bestimmten umzuformenden (konvexen) Bereich der Rohgeometrie ausbildet, identisch mit dem Abschnitt oder Bereich derselben Faser ist, der den entsprechenden umgeformten Bereich der Fertiggeometrie ausbildet. Trifft dies für alle Fasern zu, ist auch die Fläche des konvexen Bereichs, der in den konkaven Bereich umgeformt werden soll, bevorzugt gleich der Fläche, des konkaven Bereichs nach der Umformung. Somit ist es möglich durch reine Biegung des Rohgeometrie-Vorformlings und ohne Verzerrung der Faserorientierung den Fertiggeometrie- Vorformling zu erhalten.
Kann dieses Ziel nicht vollständig erreicht werden, muss die Rohgeometrie beispielsweise minimal kürzere Faserlängen beinhalten. Mit anderen Worten, die Bereiche oder Abschnitte der Fasern, die die Rohgeometrie ausbilden weisen eine Länge auf, die minimal kürzer ist als die Länge der Abschnitte oder Bereiche derselben Fasern, die nach der Umformung die Fertiggeometrie ausbilden. In diesem Fall werden bei der Umformung zur Fertiggeometrie zu Fasern, die eigentlich gedehnt werden müssten (Dehnung der oben genannten Fasern ist aber nur sehr begrenzt möglich) vom Rand nachgezogen. Da am Rand bevorzugt eine entsprechende Reserve vorgehalten wird, kann ein„einschnüren" des Körpers beim Umformen vermieden werden. Mit anderen Worten, der Primärkörper weist an seinem Rand einen Reservebereich von Fasern auf, der nach der Umformung bevorzugt, aufgrund des Nachrutschens, aufgebraucht ist.
Das Nachrutschen bzw. Nachziehen von Fasern birgt allerdings die Gefahr, dass Fasern bzw. Faserlagen, welche mit der nachrutschenden Faser bzw. Faserlage in Kontakt stehen, ebenfalls mitgezogen werden, was zu einem leichten Verzug der Faserorientierungen führen kann. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn die Längendifferenzen der Fasern in Roh- und Fertiggeometrie kleinstmöglich sind. Um ein Mitziehen der Fasern zu vermeiden bzw. zu verringern werden die Fasern im Randbereich der Rohgeometrie vor dem Umformen fixiert bzw. festgehalten oder geklemmt. Das Festhalten erfolgt dabei so, dass einzelne Fasern nachrutschen können, aber die übrigen Fasern fixiert sind.
Die Umformung des im Bezug auf die enthaltenen Fasern konvexen Vorformlings in die gewünschte konvex/konkave Form des Zielbauteils passiert nach dem Primärformungsprozess bzw. nach jeweils einem Teilschritt des Primärformgebungsprozesses. Dabei werden zunächst der Vorformling (Primärform) bzw. Teilbereiche des Vorformlings fixiert, welche nicht oder erst in späteren Stadium umgeformt werden. Bevorzugt werden mindestens zwei Bereiche fixiert, die einander gegenüber liegen, wobei der umzuformenden Bereich in einer Querschnittsansicht gesehen zwischen den mindestens zwei sich gegenüberliegenden fixierten Bereichen liegt.
Die Fixierung kann durch Einklemmen des Vorformlings zwischen festen oder elastischen Formteilen, durch Ansaugen mittels Vakuum oder durch Stoffschluss erfolgen. Besonders zu erwähnen ist die neuartige Klemmung von Fasern durch einen mit Druck beaufschlagbaren Balg bzw. Schlauch oder durch eine Sintermetalloberfläche, die mit Vakuum versorgt ist.
Die Umformung selbst erfolgt beispielsweise durch das Einfahren von Stempeln in den Vorformling. Die Stempel können fester Gestalt sein oder auch aus elastischem Material oder als mit fluiden Medien füllbarer und ausdehnbarer Balg ausgeführt sein. Es kann dabei eine Gegenform notwendig sein, in die der zu verformende Bereich des Vorformlings durch den Stempel eingepresst wird.
Mit dem vorliegenden Verfahren kann daher ein dreidimensionaler Körper aus einem Fasergelege hergestellt werden, der mindestens einen konkaven Bereich aufweist und bei dem die Fasern des Fasergeleges zueinander definiert und reproduzierbar in dem Körper angeordnet sind.
Deutlich wird der Vorteil dieses Vorgehens insbesondere im Vergleich zu konventionellen Formgebungsverfahren, bei denen aus ebenen Faserhalbzeugen dreidimensionale Schalen erzeugt werden. Hier sind je nach Tiefe der herzustellenden Form erhebliche Faserlängenunterschiede zwischen der Projektion der Bauteilform auf die Halbzeugebene und der dreidimensionalen Form vorhanden. Beim sogenannten Drapieren (Tiefziehen) des ebenen textilen Halb- zeuges in die Bauteilform entsteht deutlicher Verzug der Orientierungen. Zum Teil ist dieser Prozess nicht faltenfrei möglich und schränkt somit die Gestaltungsfreiheit von Bauteilen bei vertretbarem Aufwand stark ein.
Der Werkstückträger für die Rohgeometrie und das Werkzeug bzw. die Werkzeuge für die Umformung (Nachformwerkzeug bzw. Nachformvorrichtung) können getrennte Bauteile sein. Die Umformung kann aber auch auf dem Werkstückträger zur Primärformüng erfolgen. Dieser wird dann mit einem Werkzeugoberteil ergänzt oder weist einen flexiblen Bereich auf. Mit „flexiblen" Bereich ist im Folgenden ein Bereich oder eine Oberfläche gemeint, die variable verformbar ist.
Der Werkstückträger, das Unterteil und/oder das Oberteil der Nachform Vorrichtung können auch in Teilbereichen eine variierbare Geometrie (flexible Bereiche) aufweisen. Die Variation kann dabei durch Schieber aus festem oder elastischen Material erfolgen oder durch Einbringen bzw. Auslassen eines fluiden Mediums in eine verformbare Vorrichtung, wie z.B. einen Balg.
Sollte das Gelege neben Fasern Zusatzstoffe enthalten, die einen Zusammenhalt der Fasern bewirken, so muss dieser Zusammenhalt für die Phase der Umformung aufgehoben oder in seiner Wirkung vermindert werden. Bei Harzen oder Bindern, welche thermisch aktiviert/reaktiviert werden, passiert das durch Erwärmung des Vorformlings.
Als weitere Variante können bei der Sekundärformung Folien, Membranen oder netzartige Ma- terialen zwischen dem Vorformling und den formgebenden Werkzeugen eingelegt werden, die dem Schutz der Fasern, der Steuerung des Restverzuges bzw. zur Vermeiden des Anhaftens von Binderbeschichteten Fasern am Werkzeug eingesetzt werden.
In einer Variante des Primärformgebungsprozesses werden eine oder mehrere konkave Zonen direkt beim Legen der Fasern auf den Werkstückträger eingebracht. Dazu werden die Fasern zunächst am Werkstückträger fixiert und über die konkave Zone hinweg gespannt. Ein Stempel drückt die noch nicht weiter fixierten Fasern in die konkave Zone ein und verbleibt so lange in dieser Position, bis die Fasern im weiteren Verlauf ausreichend am Werkstückträger fixiert sind. Sofern notwendig werden die Fasern in der konkaven Zone durch Unterdruck oder Stoff- schluss gehalten, so dass der Stempel wieder entfernt werden kann. Der oben genannte durch Druckluft oder mit unter Druck stehender Flüssigkeit befüllbare ausdehnbare Körper bzw. Balg zum Einklemmen des Vorformlings ist beispielsweise ein
Schlauch. Durch die Verwendung eines solchen ausdehnbaren Körpers können in einem weiten Toleranzbereich der Dicke des zu klemmenden Materials immer gleiche Klemmkräfte aufgebracht werden, die in der Hauptsache vom Fülldruck und der Kontaktfläche des ausdehnbaren Köpers mit dem zu klemmenden Material abhängen. Die bei Fasergelegen üblichen Dickentoleranzen können bei Verwendung von festen oder elastischen Klemmeinheiten zu einer lokalen Variation der Klemmkräfte und damit zu der Gefahr von unregelmäßigen Haltekräften und Spannungen im Gelege führen. Von Vorteil ist insbesondere eine Schlauchform oder Körperform, welche schon bei geringer Steigerung des Fülldruckes den nahezu vollständigen Kontakt zu dem zu klemmenden Material herstellen kann. Zum einen kann dann die Klemmkraft linear mit dem Fülldruck variiert werden, da die Kontaktfläche weitgehend gleich bleibt. Weiterhin von Vorteil ist, dass nicht wesentliche Anteile des zur Verfügung stehenden maximalen Fülldruckes für die Herstellung des Kontaktes zu dem zu klemmenden Material benötigt werden. Somit steht ein großer Druckbereich bis zum Maximaldruck zur Steigerung der Klemmkraft zur Verfügung.
Bevorzugt wird ein solcher ausdehnbarer Körper als rechteckiger Dmckschlauch oder Balg ausgeführt. Dieser kann auch durch Formung eines zunächst runden Schlauches mittels eines Einsatzes zum Aufspannen in die rechteckige Form erreicht werden. Minimale Anforderung an den Klemmschlauch ist zumindest, dass er eine Fläche in Form der Klemmfläche (z.B. ebene Fläche) aufweist. Der beschriebene Schlauch kann auch durch das Überspannen eines beliebig geformten Druckraumes mit einer Membran gebildet werden.
Als eine weitere Alternative zur Fixierung von Fasern wird die Fixierung mittels Vakuum bzw. Unterdruck, der in Poren einer Sintermetalloberfläche angelegt wird, angegeben. Der Unterdruck in den Poren wird üblicherweise erzeugt, indem in einer Kammer unterhalb der Sintermetalloberfläche ein Vakuum bzw. Unterdruck angelegt wird, so dass ein gleichmäßig großer Luftstrom durch alle Bereiche der Oberfläche zustande kommt. Innerhalb des Sintermetalls existiert dann ein Druckgradient, der innen den maximalen Unterdruck aufweist. Außerhalb des Sintermetalls und des Fasergeleges herrscht Umgebungsdruck. Das Fixieren von dünnen Gegenständen wie Papier, Folien oder Stoffen durch Vakuum ist heute Stand der Technik. Zur Aufrechterhaltung des zum Fixieren nötigen Unterdruckes ist jedoch wichtig, dass nur geringe Luftmengen neben dem anzusaugenden Material in das System strömen können. Wenn das zu fixierende Material jedoch nur einen Teil der durchströmbaren Fixierfläche abdeckt, kann die Luft in den nichtabgedeckten Bereichen einströmen und führt zu einem Abfall des Unterdruckes in der Fixierfläche.
Zur Fixierung von Fasergelegen, wie sie oben in dem oben angegebenen Verfahren bei der Primärformgebung und insbesondere bei der Sekundärformgebung erforderlich ist, ist dies von besonderer Bedeutung, da die Fixierflächen streifenweise bzw. fadenweise belegt werden und somit vor vollständiger Bedeckung der Fixierfläche mit herkömmlichen Vakuumsaugtischen keine ausreichende Fixierung erlangt werden kann. Auch bei unterschiedlicher Anzahl von Faserlagen kommt es zu teilweise stark unterschiedlichen Durchströmungen und damit zu lokal unterschiedlicher starker Fixierung. Um nun eine gleichmäßige Durchströmung aller Bereiche mit nur geringer Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad zu erhalten, muss die Durchströmung in einer Art gedrosselt werden, dass der lokale Durchströmungswiderstand geringere Abhängigkeit von der Bedeckung der Fixerfläche hat. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von porösen Materialien, wie z.B. Geweben oder Vlies-Materialien, erfolgen.
Als Auflage für Carbonfasern sind nur glattflächige Materialien ohne Mikrorauhigkeit mit Hinterschnitten sinnvoll, da sich sonst die feinen Filamente einhaken können und eine Behinderung beim Wiederabheben verursachen.
Überraschend wurde herausgefunden, dass feinstporige Sintermetalle diese Bedingungen erfüllen. Durch die Struktur der Oberfläche, welche aus gepressten, kugelförmigen Partikeln aus Metall besteht, entstehen keine Hinterschnitte, in die Filamente einhaken können. Mit sehr geringen Partikelgrößen kann die Oberfläche weitgehend glatt gestaltet werden und der Durchflusswider stand ist schon bei geringen Materialstärken ausreichen hoch, um eine Vergleichmäßigung der Durchströmung der Fixierfläche zu erreichen.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Lehren ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Werkstückträgers und einer beispielhaften Ablegevorrichtung zum Ausbilden eines Gelegekörpers mit einer Primärform,
Fig. 2 in (a) eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Werkstückträgers, und in (b), (c) und (d) verschiedene Schritte zum Ausbilden der Primärform,
Fig. 3a) bis 3d) verschiedene Schritte zum Ausbilden einer Sekundärform aus der Primärform nach einem Verfahren und mit einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht der Primärform gemäß der ersten
Ausführungsform und der aus dieser Primärform ausgebildeten Sekundärform,
Fig. 5 eine dreidimensionale Darstellung der Sekundärform gemäß der ersten Ausführungsform und des Querschnittes der ihr zugrunde liegenden Primärform,
Fig. 6a) bis d) verschiedene Schritte zum Ausbilden einer Sekundärform aus einer Primärform nach einem Verfahren und mit einer Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,
Fig. 7a) bis c) verschiedene Schritte zum Ausbilden einer Sekundärform aus der Primärform nach einem Verfahren und mit einer Vorrichtung gemäß der dritten Ausfuhrungsform,
Fig. 8a) bis d) verschiedene Schritte zum Ausbilden einer Sekundärform aus der Primärform nach einem Verfahren und mit einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform,
Fig. 9a) bis d) verschiedene Ausführungsformen von Primärformen und den daraus formbaren Sekundärformen,
Fig. 10a) bis d) verschiedene Schritte zum Ausbilden einer Primärform nach einer weiteren
Ausführungsform, und
Fig. I Ia) bis d) verschiede Varianten einer Klemmvorrichtung.
In den Figuren 1 und 2 a) bis d) ist beispielhaft das Ausbilden eines dreidimensionalen Fasergeleges mit einer Primärform dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Roboter 1, an dem ein Legekopf 2 befestigt ist. Ein Werkstückträger 10 ist auf einer Halterung 3 für den Werkstückträger 10 gehalten. In Fig. 1 ist schematisch gezeigt, dass der Legekopf 2 zum Ablegen einer Faserschar 4 auf den Werkstückträger 10 ausgebildet ist. In Fig. 1 sind lediglich vier Fasern in der Faser- schar 4 gezeigt. Die Faserschar 4 kann eine Mehrzahl n von Fasern aufweisen, mit n = 2,3.. Bevorzugt ist n = 8 oder n =16 oder n = 32.
Die Anordnung dient zum Aufbau eines dreidimensionalen Vorformlings (Körper in Primärform) für ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Der Faserverbundwerkstoff ist beispielsweise ein dreidimensionales multiaxiales Gelege (3D-MAG).
Wie in Fig. 2a) gezeigt ist, weist der Werkstückträger 10 dafür einen Werkstückformbereich 1 1 und einen Randfixierbereich 12 auf. Der Werkstückformbereich 1 1 entspricht der gewünschten dreidimensionalen Gestalt des Vorformlings. Randfixierbereich 12 dient zum Fixieren der trocken abgelegten Fasern 13 im Randbereich des Werkstückträgers 10, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird.
In Fig. 2b) ist der Werkstückträger 10 mit einer ersten Faserlage 13a, die auf dem Werkstückträger 10 in einer ersten Orientierung (= axialen Ausrichtung) abgelegt worden ist, gezeigt. Wie in Fig. 2b) angedeutet ist, besteht die Faserlage 13a aus Fasern (Rovings) 13, die in dieser axialen Richtung abgelegt wurden. In Fig. 2c) ist derselbe Werkstückträger 10 gezeigt, auf dem eine zweite Faserlage 13b über der ersten Faserlage 13a abgelegt wurde. Die Fasern der zweiten Faserlage 13b haben eine Orientierung von -45° relativ zur Orientierung der ersten Faserlage 13a. In Fig. 2d) ist gezeigt, wie eine dritte Faserlage 13c über der zweiten Faserlage 13b abgelegt ist, wobei diese nur auf einem Teil des Werkstückträgers 10 abgelegt wurde. Die dritte Lage 13c hat eine Orientierung von +45° relativ zur ersten Lage 13a und somit von 90° relativ zur zweiten Lage 13b. Die drei Lagen 13a bis 13c bilden ein dreidimensionales multiaxiales Gelege 3D-MAG13d.
Somit entsteht aus den auf dem ersten Werkstückträger 10 abgelegten Fasern bzw. Rovings ein Körper bzw. offener Profilkörper 14 in einer Primärform 15 aus einem Fadengelege. Da die Oberfläche des Werkstückträgers 10 rein konvex und eben ist, werden die unter Zuspannung stehenden Fäden auf der Oberfläche oder auf schon abgelegten anderen Fäden so abgelegt, dass zwischen den Fäden und dem ersten Werkstückträger 10 kein Hohlraum ausgebildet wird. Dies ermöglicht eine definierte und reproduzierbare Ausbildung des Körpers 14 mit der Primärform 15. Bevorzugt werden die Fasern durch Zusatzstoffe zusammengehalten. Der Körper 14 wird anschließend von dem ersten Werkstückträger 10 entfernt. Somit wird der Körper 14 in der Primärform 15, deren Oberfläche ausschließlich konvex ist, ausgebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass der Körper auch durch viele andere Verfahren hergestellt werden kann. Beispielsweise können die Fasern bzw. Rovings auch mittels eines Rahmens nach Art des Tiefziehens hergestellt werden. Des Weiteren können in dem Werkstückträger 10 auch konkave Bereiche vorhanden sein, die von dem Gelege überspannt werden.
Figuren 3a) bis d) zeigen das Umformverfahren eines in einer Querschnittsansicht gezeigten Körpers 14 mit einer Primärform 15 in eine bzw. zu einer Sekundärform (Fertiggeometrie) 20, die einen umgeformten Bereich 22, der mindestens einen in Fig. 3 von oben betrachtet konkaven Abschnitt aufweist.
Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung ist in Figur 3a) ein Querschnitt eines Körpers 14 mit der Primärform 15 gezeigt, der nicht vollständig dem Querschnitt des in der Figur 2d) gezeigten Körpers 14 entspricht. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die weitere Beschreibung auch für ein Körper bzw. Bauteil 14, der wie in Figs. 1 bis 2d) beschrieben gefertigt wurde, gilt. Ein Werkstückträger 10 für den Körper 14 in der Primärform, wie er in Fig. 3a gezeigt ist, weist insbesondere eine Außenkontur auf, die der Innenkontur des Körpers 14 in Fig, 3 a entspricht.
Der in Fig. 3a) gezeigte Körper 14 mit der Primärform wird, wie in Figuren 3b) bis 3d) gezeigt, in einer Nachformvorrichtung 25 in die Sekundärform 20 umgeformt. In dieser Ausführungsform weist die Nachformvorrichtung 25 ein Nachformunterwerkzeug (auch als Nachformpositivform, Werkstückträger, Werkstückhalter oder Nachformwerkzeug bezeichnet) 26 auf, auf das der Körper 14 in der Primärform 15 aufgesetzt bzw. aufgelegt wird. Das Nachformunterwerkzeug 26 weist eine ähnliche Form wie der erste Werkstückträger 10 auf. Bevorzugt weist es abschnittsweise dieselbe maximale Breite und Höhe wie der erste Werkstückträger 10 auf, so dass der Körper 14 definiert auf dem Nachformunterwerkzeug 26 zum Liegen kommen kann.
Das Nachformunterwerkzeug 26 unterscheidet sich von dem Werkstückträger 10 dadurch, dass es eine Oberfläche aufweist, die einen konkaven Bereich 28 aufweist.
Die in den Fig. 3b) bis 3c) gezeigten Querschnittsansichten zeigen immer dieselbe Querschnittsebene. Die Querschnittsebene ist bezüglich der nicht umgeformten Bereiche und/oder des Nachformunterwerkzeugs 26 bevorzugt ortsfest. D.h., die durch die Querschnittsebene geschnittenen Bereiche des Nachformunterwerkzeugs 26 und der nicht umgeformten Bereiche des Körpers sind bevorzugt identisch.
Nach dem Auflegen bzw. Aufschieben bzw. Aufsetzen des Körpers 14 auf das Nachformunterwerkzeug 26 wird, wie es in Fig. 2c) gezeigt ist, zwischen der konkaven Oberfläche 28 des Nachformunterwerkzeugs 26 und einer Innenoberfläche 30, das heißt der dem Nachformunterwerkzeug 26 zugewandten konkaven Oberfläche (bzw. Oberfläche die ausschließlich ebene und in einer in der in Fig. 3b gezeigten Querschnittsansicht positiv gekrümmte Abschnitte aufweist) des Körpers 14, von selbst ein Hohlraum 32 ausgebildet.
Der Körper 14 bzw. der umzuformende konvexe Bereich 16 (bzw. der umzuformende Bereich des Körpers, der ausschließlich ebene und in einer in der in Fig. 3a gezeigten Querschnittsansicht negativ gekrümmte Abschnitte aufweist) des Körpers, der nicht die Oberfläche des Nachformunterwerkzeugs 26 berührt, d.h., der konvexe Bereich 16 des Körper 14, der den Hohlraum 32 ausbildet, wird anschließend durch einen Stempel bzw. Nachformoberwerkzeug (auch als Nachformnegativform, Werkstückträger, Werkstückhalter oder Nachformwerkzeug bezeichnet) 34, das ebenfalls Teil der Nachformvorrichtung 25 ist, so umgeformt, dass die Innenoberfläche 30 des Körpers 14 an der konkaven Oberfläche 28 des Nachformunterwerkzeugs 26 anliegt. Die Umformung erfolgt im Wesentlichen ausschließlich durch Biegen des Körpers 14. D.h., der Körper 14 wird in dieser Ausfuhrungsform beim Umformen im Wesentlichen nicht getaucht oder gestreckt. Eine Faser (oder ein Faserbereich), die (der) den konvexen Bereich 16 der Primärform 15 ausbildet, weist in dieser Ausführungsform dieselbe Länge auf, wie eine Faser (oder ein Faserbereich), die (der) den konkaven Bereich 22 des Körpers ausbildet. Der umzuformende konvexe Bereich 16 ist weist ausschließlich konvexe und ebene Bereiche und der umgeformte konkave Bereich weist ausschließlich konkave und ebene Bereiche auf.. Alternativ kann aus dem umzuformenden rein konvexen Bereich auch ein umgeformter Bereich erhalten werden, der konkave und konvexe oder konkave und konvexe und ebene Bereiche aufweist. Auch in diesem Fall erfolgt die Umformung ausschließlich durch Biegen. Aus dem in Fig. 3 gezeigten Querschnitt ist weiter ersichtlich, dass die Länge der Kontur der Schnittfläche des umzuformenden Bereichs 16 zwischen den nicht umzuformenden Bereichen 52 des Körpers 14 gleich der Länge der Kontur der Schnittfläche des umgeformten Bereichs 22 zwischen den nicht umzuformenden Bereichen 52 ist. Bei„dickeren" Körpern ist dies bei einer Linie, die im Querschnitt gesehen die Außen- oder Innenoberfläche begrenzt, oder eine Mittellinie, die sich durch den umzuformenden Bereich 16 zwischen den nicht umzuformenden Bereichen erstrecht ebenso der Fall.
Der Stempel 34 weist bevorzugt eine zu der konkaven Oberfläche bzw. dem konkaven Ober- flächenbereich 28 des Nachformunterwerkzeugs 26 komplementäre Form (bevorzugt verkleinert um die Schichtdicke des Körpers 14) auf. D.h., der Stempel 34 weist, zumindest auf der dem Nachformunterwerkzeug 26 zugewandten Seite/Seiten im Wesentlichen die durch das Nachformunterwerkzeug 26 begrenzte Kontur des Hohlraums 32 auf.
Der konkave Bereich 28 des Nachformunterwerkzeugs 26 weist in dieser Ausführungsform den gleichen Flächeninhalt wie ein entsprechender konvexer Bereich der Oberfläche des ersten Werkstückträgers 10, bzw. ein entsprechender konvexer Bereich 16 des Körpers 14 auf. Bevorzugt entspricht die Größe der Oberfläche des ersten Werkstückträgers 10 wenigstens in Teilen der Größe der entsprechenden Oberfläche des Nachformunterwerkzeugs 26. Insbesondere ist die Größe der Flächenbereiche, durch die sich beide Werkstückträger voneinander unterscheiden und die zum Formen der Primär- und Sekundärform verwendet werden, gleich groß.
Das Nachformunterwerkzeug und das Nachformoberwerkzeug sind in dieser Ausführungsform jeweils bevorzugt als festes Formteil ausgebildet.
Durch den Umformvorgang wird die Sekundärform bzw. Fertiggeometrie 20 ausgebildet. Das heißt, ein konvexer Bereich 16 des Körpers 14 ist in einen konkaven Bereich 22 umgeformt (siehe Fig. 3d)).
Wie es aus Fig. 3c) ersichtlich ist, wird der Körper 14 vor dem Umformen mittels einer Festhalte- bzw. Fixiervorrichtung 50, die hier ebenfalls Teil der Nachformvorrichtung 25 ist, festgeklemmt. Ein Festhalte- bzw. Klemm- bzw. Fixierbereich 52 des Körpers 14 wird dabei in zwischen der Fixiervorrichtung 50 und dem Nachformunterwerkzeug 26 festgeklemmt. Die Fixiervorrichtung 50 ist in dieser Ausführungsform beispielsweise aus festen Formteilen hergestellt. Der Fixierbereich 52 wird beim Umformen des Körpers 14 bevorzugt nicht umgeformt und daher auch als nicht-umzuformender Bereich 52 bezeichnet. Bevorzugt wird der Körper 14 auf beiden bzw. allen Seiten des Hohlraums 32 bzw. des umzuformenden Bereichs 16 festgehalten. Dadurch wird sichergestellt, dass der Körper 14 bei dem Umformvorgang nicht auf dem Nachformunterwerkzeug 26 verrutschen kann. Des Weiteren können, wie aus Fig. 2d) ersichtlich ist, die Endkanten 55 des offenen Profilkörpers 14 durch zusätzliche Umformwerkzeuge 60 beispielsweise zum weiteren Ausbilden von konkaven Bereichen umgeformt werden.
Der so ausgebildete Körper 14 mit der Sekundärform 20 entspricht dem fertig ausgeformten Fertiggeometrie- Vorformling, welcher anschließend weiterverarbeitet werden kann.
Fig. 4 zeigt eine seitliche Draufsicht (oder Querschnittsansicht) auf die Sekundärform 20 (durchgehende Linie) und die entsprechende Primärform 15 (gestrichelte Linie) gemäß der ersten Ausführungsform. Fig. 5 zeigt eine entsprechende dreidimensionale Ansicht. Wie aus den Figuren gut ersichtlich ist, ist die Größe der Oberfläche des Körpers 14 in der Primärform 15 gleich der Größe der Oberfläche des Körpers 14 in der Sekundärform 20.
Fig. 6 zeigt Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieselben Bauteile werden zur Vereinfachung in dieser und den weiteren Ausführungsformen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben. Wie aus Fig. 6a) ersichtlich ist, ist in dieser Ausführungsform der Werkstückträger 10 integral mit der Nachformvorrichtung 25 bzw. dem Nachformwerkzeug oder Nachformunterwerkzeug 26 ausgebildet. D.h., es ist nur ein integraler Werkstückträger 38 vorgesehen, aus bzw. auf dem sowohl die Primärform 15 als auch die Sekundärform 20 geformt werden. Der integrale Werkstückträger 38 weist in dieser Ausführungsform einen flexiblen (bzw. variablen) Bereich 40 auf. Mittels des flexiblen Bereichs 40 kann die Außenkontur des Werkstückträgers 38 zum einen die Außenkontur des Werkstückträgers 10 gemäß der ersten Ausführungsform und zum anderen die Außenkontur des Nachformunterwerkzeugs 26 gemäß der ersten Ausführungsform annehmen. Wie weiter in Fig. 6a) dargestellt ist, weist der Werkstückträger 38 zum Ausbilden der konvexen Primärform 15 zuerst eine konvexe Form bzw. Oberfläche auf, auf der die Fasern abgelegt werden. Die Fasern werden also auf dem integralen Werkstückträger 38, bei dem der flexible Bereich 40 eine konvexe Form aufweist, abgelegt, so dass ein Körper 16 in einer Primärform 15 mit einer konvexen Oberfläche 16 entsprechend der ersten Ausführungsform ausgebildet wird.
Alternativ kann die Primärform 15 wie in der ersten Ausführungsform mittels eines separaten Werkstückträgers 10 ausgebildet werden. In diesem Fall wird die Primärform 15 anschließend auf den integralen Werkstückträger 38 gemäß der zweiten Ausführungsform aufgelegt bzw. aufgesetzt.
In einem nächsten Schritt wird der Körper 14 wie auch in der ersten Ausführungsform durch mindestens eine Festhaltevorrichtung bzw. Klemmvorrichtung oder Fixiervorrichtung 50 in einem Fixierbereich 52 festgehalten bzw. geklemmt, der nicht in einen konkaven Bereich umgeformt wird (siehe Fig. 5b)).
Anschließend wird der flexible Bereich 40 des Werkstückträgers 38 so umgeformt, dass er eine konkave Oberfläche 46 aufweist. Dadurch entsteht, wie auch bei der ersten Ausführungsform, ein Hohlraum 32 zwischen dem Körper 14 und dem Werkstückträger 38 bzw. der konkaven Oberfläche 46 des Werkstückträgers 38. Zuletzt wird ein Nachformoberwerkzeug 34, wie es aus der ersten Ausführungsform bekannt ist, an den Werkstückträger 38 zum Umformen des Körpers 14 in die Sekundärform 20 angelegt. Des Weiteren werden die unteren Kanten des Körpers 14 wie in der ersten Ausführungsform umgebogen. Der flexible Bereich 40 muss bei seiner Umformung keine Dehnung oder Stauchung erfahren, da der Ursprungsflächeninhalt und der Zielflächeninhalt im Wesentlichen gleich sind.
In der zweiten Ausführungsform ist die Fixiervorrichtung 50 in Form eines Klemmbalgs ausgebildet. Der Klemmbalg ist hier einen ausdehnbaren Körper in Form eines sich in der Längsrichtung z erstreckenden Schlauches 54. Der Schlauch 54 ist in ein sich in Längsrichtung z erstreckendes Profil 56, das einen U-förmigen Querschnitt senkrecht zu der Längsrichtung z aufweist, eingesetzt. Das Profil 56 ist in Richtung zu dem integralen Werkstückträger 38 hin geöffnet. Das Profil 56 ist ortsfest bezüglich des Werkstückträgers 38.
Durch Befüllen des Schlauchs 54 mit einem Fluid (z.B. Gas, Wasser oder Luft) wird der Schlauch(-körper) ausgedehnt. Da der Schlauch von drei Seiten von dem halb geöffneten Profil 56 umgeben ist, kann er sich nur in Richtung zu dem Werkstückträger 38 hin ausdehnen (siehe Fig. 5b)). Durch die Ausdehnung wird der Körper 14, der sich auf der Oberfläche des Werkstückträgers 38 erstreckt, zwischen dem sich ausdehnenden bzw. ausgedehnten Schlauch 54 und dem Werkstückträger 38 eingeklemmt. Wie oben beschrieben, kann durch die Verwendung eines solchen Schlauches sichergestellt werden, dass jede einzelne Faser mit im Wesentlichen der gleichen Kraft festgehalten wird. Das U- förmige Profil 56 weist definitionsgemäß zwei sich parallel erstreckende Wände auf. Bevorzugt ist die Form jeder Wand daran angepasst, wie der Schlauch sich ausbreiten soll. In der vorliegenden Ausführungsform weist eine dem umzuformenden konvexen Bereich des Körpers 14 abgewandte Wand 58 des Profils 56 eine Abschrägung auf, so dass der Schlauch 54 sich in dem Bereich der Kante 58 besser bis in die Ecke, die beim Umformen der Endkanten 55 entsteht, ausdehnen kann (siehe Fig. 6d)).
Der Schlauch 54 ist mit einer Vorrichtung zum Befüllen bzw. Entleeren verbunden (nicht gezeigt).
Der flexible Bereich 40 des integralen Werkstückträgers 38 wird bevorzugt durch einen ausdehnbaren Körper in Form eines Balgs ausgebildet. Der Balg ist mit einer Vorrichtung 61 (siehe Fig. 6b)) zum Befüllen und Entleeren des Balgs verbunden. Die Vorrichtung 60 ist bevorzugt durch eine Pumpe, einen Tank und entsprechende Ventile ausgebildet. Der Balg ist so ausgebildet, dass er, zumindest wenn er befüllt ist, eine definierte Form annimmt. Wenn er entleert wird, bestimmt sich seine Form im Wesentlichen durch die Oberfläche, auf die er aufgebracht ist.
Der integrale Werkstückträger 38 wird beispielsweise ausgebildet indem ein Basis- Werkstückträger, dessen Form der Form des zweiten Werkstückträgers 26 gemäß der ersten Ausführungsform entspricht, mit einem solchen flexiblen Bereich 40 versehen wird. Der flexible Bereich 40 wird auf dem konkaven Oberflächenbereich 28 des Basis- Werkstückträgers aufgebracht. Der flexible Bereich 40 ist weiter so ausgebildet, dass er nach dem Befüllen mit Fluid den Basis- Werkstückträger bzw. dessen Form so ergänzt, dass der Basis-Werkstückträger und der befüllte flexible Bereich 40 zusammen die Form bzw. Außenkontur des ersten Werkstückträgers 10 ausbilden.
Fig. 7a) bis c) zeigen Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Querschnittsanschichten zeigen immer dieselbe Querschnittsebene von nicht umzuformenden Bereichen des Körpers und/oder dieselbe Ebene Querschnittsebene des Nachformwerkzeugs.
In dieser Ausführungsform ist der Körper 14 mit der Primärform 15 bereits ausgebildet, auf ein Nachformunterwerkzeug 26 aufgesetzt und mit einer Festhaltevorrichtung 50 aus zwei Klemmbacken gemäß der ersten Ausführungsform festgehalten bzw. befestigt. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass das Nachformoberwerkzeug 34 der Nachformvorrichtung 25 in dieser Ausführungsform nicht aus einem Stempel, wie er in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, sondern aus einem Oberwerkzeug 62, das einen flexiblen (variabel verformbarer) Bereich 63 aufweist, ausgebildet ist. Das Oberwerkzeug 62 ist aus einem Basiskörper 64 und dem flexiblen Bereich 63 in Form eines Balgs ausgebildet. Der Basiskörper 64 ist so ausgebildet, dass mindestens ein Bereich seiner Innenkontür im Wesentlichen der Außenkontur des umzuformenden konvexen Bereichs 16 der Primärform 15 entspricht. Der flexible Bereich 63 ist auf den oben genannten Bereich der Innenkontur des Basiskörpers 64 aufgebracht. Der Balg kann ähnlich wie der flexible Bereich 40 des integralen Werkstückträgers 38 gemäß der zweiten Ausführungsform durch eine Befüllvorrichtung 66 befüllt und entleert werden. Die Befüllvorrichtung 66 ist bevorzugt durch eine Pumpe und einen Tank ausgebildet.
Wenn der flexible Bereich 63 entleert ist, kann das Nachformoberwerkzeug 62 gemäß dieser Ausführungsform auf das Nachformunterwerkzeug 26 bzw. die Klemmbacken 50 aufgesetzt werden und den Körper 14 in der Primärform 15 umschließen, ohne diesen zu verformen.
Anschließend wird, wie in Fig. 7b) gezeigt, der flexible Bereich 63 mit Fluid befüllt, so dass er sich ausdehnt und den Körper 14 bzw. dessen umzuformenden konvexen Bereich 16 umformt. Die Umformung erfolgt hier beim Befüllen des mit Fluid gefüllten Balgs gleichmäßig in Richtung auf den konkaven Bereich 28 der Oberfläche des Nachformunterwerkzeugs 26, bis der konvexe Bereich 16 des Körpers 14 vollständig in die der konkaven Kontur 28 des Nachformunterwerkzeugs 26 entsprechende konkave Sekundärform 20 umgeformt ist (siehe Fig. 7c).
Fig. 8a) bis d) zeigen Querschnittansichten von Umformschritten eines weiteren Körpers 140 in einer Primärform 150 in eine Sekundärform 200 gemäß einer vierten Ausführungsform. Die Querschnittsanschichten zeigen immer dieselbe Querschnittsebene von nicht umzuformenden Bereichen des Körpers und/oder dieselbe Ebene Querschnittsebene des Nachformwerkzeugs. Auch in dieser Ausführungsform werden die Primärform 150 und die Sekundärform 200 durch einen einzigen integralen Werkstückträger 138, der gleichzeitig das Nachformunterwerkzeug der Nachform Vorrichtung 250 ausbildet, ausgebildet. Der Werkstückträger 138 weist zwei konkave Oberflächenbereiche (Bereiche mit ausschließlich konkaven oder ausschließlich konkaven und ebenen Bereichen) 128 auf. Die unter Zugspannung auf dem Werkstückträger 138 abgelegten Fasern überspannen beim Ausbilden des Körpers 140 in der Primärform 150 diese konkaven Bereiche 128. Die Bereiche, die die konkaven Bereiche 128 überspannen, werden als Überspannbereiche bzw. umzuformende Bereiche 141 bezeichnet und sind in dieser Ausführungsform im Wesentlichen eben (ebene Bereiche). Der so ausgebildete Körper 140 mit der Primärform 150 weist daher, wie auch in der ersten bis dritten Ausführungsform, zumindest abschnittsweise keine konkaven Bereiche auf.
In einem nächsten Schritt wird der Körper 140 in der Primärform 150 durch eine Fixiervorrichtung auf dem Werkstückträger 138 fixiert. Insbesondere werden nicht umzuformende Bereiche des Körpers 140 insbesondere nahe dem umzuformenden Bereich bzw. um diesen herum fixiert. Weiter ist es bevorzugt, wenn beispielsweise zuerst Bereiche im Zentrum des Körpers 140 bzw. Bauteilbereichs fixiert werden und anschließend Randbereiche fixiert werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Körper 140 in der Primärform 150 daher zuerst durch eine zentrale Fixiervorrichtung 500 fixiert. Anschließend werden die Endkanten 555 des Körpers 14 durch zwei weitere seitliche Randfixiervorrichtungen (auch als Fixiervorrichtungen bezeichnet) 501 fixiert. Mit anderen Worten: Bereiche des Körpers 14, die an die Überspannbereiche 141 angrenzen, werden bevorzugt vor dem Umformen fixiert.
In den in Fig. 8c) und d) dargestellten weiteren Schritten werden die Überspannbereiche 141 (umzuformende Bereiche) des Körpers 140 mittels eines Nachformoberwerkzeugs 340 so umgeformt, dass sie die Form der konkaven Bereiche 128 annehmen. Der Körper 140 weist anschließend die Sekundärform 200 auf. Das Nachformoberwerkzeug 340 ist hier durch zwei Stempel ausgebildet, die eine zu den konkaven Bereichen 128 des Werkstückträgers 138 komplementäre Form aufweisen. Das heißt, durch das Einfahren der Stempel 340 werden die ebenen Überspannbereiche 141 des Körpers 140 so eingedrückt, dass sie die Form der konkaven Bereiche 128 des Werkstückträgers 138 annehmen. Durch die Umformung werden in an dem konkaven Bereich 128 umgeformte Bereiche 220 mit mindestens einem konkaven Abschnitt ausgebildet. Da in dieser Ausführungsform aus den ebenen Überspannbereichen 141 zwischen zwei Kanten des Werkstückträgers 138 der insgesamt konkave Bereich 220, der sich zwischen denselben Kanten erstreckt, ausgebildet wird, weist der konkave Bereich 220 (umgeformter Bereich) zwangsweise einen größeren Flächeninhalt als der entsprechende ebene Bereich 141 auf. Da die das Gelege bzw. den Körper 14 ausbildenden Fasern hier bevorzugt nicht dehnbar sind, werden zum Vergrößern des Flächeninhalts Fasern aus einem äußersten Randbereich 142 des Körpers 140 nachgezogen. Die Fixierung durch die Randfixiervorrichtungen 501 ist daher bevorzugt nur so stark, dass ein Nachrutschen der Fasern ermöglicht wird. Der Randbereich 142 bzw. die Länge der Fasern im Randbereich ist beim Ausbilden des Körpers 140 so bemessen, dass der für die Sekundärform gewünschte Rand ohne Einschnürungen der Sekundärform 220 erreicht werden kann.
Mit anderen Worten: um das Umformen des ebenen (umzuformenden) Bereichs in den konkaven (umgeformten) Bereich zu ermöglichen muss die Fläche des ebenen Bereichs„gestreckt" oder„gedehnt" werden. Da eine plastische Dehnung von den genannten Fasern nicht möglich ist, müssen Fasern, die in der Richtung der Vergrößerung bzw. Dehnung verlaufen, nachgezogen werden. Bei Fasern, die senkrecht dazu verlaufen, kann nur der Abstand zu der jeweils benachbarten Faser erhöht werden, d.h., die Faserdichte wird verringert werden. Bei Fasern die schräg verlaufen ergibt sich die jeweilige Komponente anteilig.
Die Randfixiervorrichtungen 501 sind bevorzugt als ein Klemmbalg, wie er oben beschrieben wurde, ausgebildet. Mit einem solchen Klemmbalg ist es möglich ein Rutschen der Fasern, die nachgezogen werden müssen, zu ermöglichen und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass benachbarte Fasern, die nicht nachgezogen werden dürfen nicht verrutschen.
Alternativ kann in der in Fig. 8a) bis d) gezeigten Ausführungsform der Umformprozess jeweils nach dem Ablegen einer Einzellage zum Ausbilden des Körpers 140 in der Primärform 150 erfolgen. D.h., es wird jeweils eine Lage Fasern (bevorzugt unidirektional) abgelegt, fixiert und anschließend in die Sekundärform umgeformt. Nach dem Umformen werden die Fixiervorrichtung 500, 501 und die Umformstempel 340 entfernt und eine weitere Einzellage von Fasern aufgebracht, die anschließend nach dem Fixieren wieder umgeformt wird.
Somit wird ermöglicht, die Umformung in die Sekundärform nach jeder Einzellage durchzuführen.
Fig. 9a) bis d) zeigen weitere Sekundärformen 20, die durch eine der oben genannten Vorrichtungen aus ihren entsprechenden Primärformen 14 ausgebildet wurden.
Fig. 9a) zeigt einen Körper 14, der im Wesentlichen dem der ersten bis dritten Ausführungsform entspricht. Bei diesen Körpern 14 entspricht die Oberfläche des konkaven Bereichs 22 der Sekundärform 20 im Wesentlichen der Oberfläche des konkaven Bereichs 16 der Primär- form 15. Dasselbe gilt für den in Fig. 9c) gezeigten Körper. Bei diesem werden beim Umformvorgang Fasern zusammengestaucht bzw. zusammengeschoben.
Bei der in Fig. 8b) gezeigten Ausführungsform ist die Oberfläche der konkaven Sekundärform 20 größer als die der konvexen Primärform 15, da ein abgewinkelter (V-förmiger) Randbereich 68 beim Umformen des Körpers 14 in die Sekundärform 20 aufgeweitet werden muss, um eine Faltenbildung in einem zentralen Bereich 70 zu verhindern. Eine solche Aufweitung wird ermöglicht, indem Fasern aus einem oder mehreren Randbereichen des Körpers 14 nachgezogen werden. Wie eingangs erwähnt, wird hierfür beispielsweise beim Ablegen der Fasern zum Ausbilden des Körpers 14 in der Primärform 15 eine entsprechende Reserve vorgesehen. Alternativ können die Fasern auch beim Umformen in die Sekundärform 22 beispielsweise durch Faservorratsrollen vorgehalten werden und erst nach dem Umformprozess abgetrennt werden. Alternativ kann schon beim oder nach dem Ablegen jeder Fasenschar eine Umformung erfolgen. Die Festhaltevorrichtung 50 darf die Fasern in dieser Ausführungsform nur so fest halten, dass ein Nachrutschen einzelner Fasern ermöglicht wird.
Auch bei den in Fig. 9d) gezeigten Ausführungsformen ist es erforderlich, dass die Fasern in dem Fasergelege des Körpers 14 sich beim Umformen in die Sekundärform 20 innerhalb des Körpers verschieben. Die untere Kante 72 des Körpers 14 weist in der Primärform 15 eine größere Länge als die untere Kante 74 in der Sekundärform 20 auf. Da die Fasern in ihrer Längsrichtung nicht stauch- oder dehnbar sind, ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass keine der Fasern parallel zu der unteren Kante 72 des Körpers 14 in der Primärform 15 gelegt wird. Beim Umformen dieser Primärform 15 in die Sekundärform 20 schieben sich die senkrecht oder schräg zu der unteren Kante verlaufenden Fasern bevorzugt zusammen, so dass Faltenbildung verhindert wird. Die unter 30-90° die Kante 72 kreuzenden Fasern rutschen dabei zusammen, so dass sich deren Abstand zueinander verringert. Die die lokale Fasermenge und damit die Wanddicke des zu bildenden Bauteils erhöht sich daher.
Fig. 10a) bis d) zeigen eine weitere Variante des Formgebungsprozesses für die Primärform 15 des Körpers 14. In dieser Variante werden bereits beim Ausbilden des Körpers 14 ein oder mehrere konkave Zonen beim Legen einer einzelnen Faser oder Faserschar auf den Werkstückträger 10 ausgebildet. Dazu werden in dieser Ausführungsform die Fasern bzw. Faserschar zunächst an einem Ende am Werkstückträger 10 fixiert und über eine auf der Oberfläche des Werkstückträgers 26 ausgebildete konkave Zone 76 gespannt. Ein abzüglich der Faserdicke bevorzugt genau in die konkavem Zonen 76 passender Stempel 78 drückt die die konkave Zone 76 überspannenden Fasern in die konkave Zone 76 so ein, dass die Fasern auf der Oberfläche der konkaven Zone zum liegen kommen. Die zum Abdecken bzw. Aufliegen auf der konkaven Zone zusätzlich benötigte Faserlänge wird dabei noch aus dem Ablegewerkzeug (beispielsweise Faserrolle) nachgezogen. Der Stempel verbleibt so lange in dieser Position, bis die Fasern ausreichend am Werkstückträger 26, beispielsweise mittels eines Stoffschluss, fixiert sind. Frühestens nach dem Einfahren des Stempels kann auch das andere Ende der Fasern fixiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Fasern in der konkaven Zone 76 durch Unterdruck oder direkten Stoffschluss so gehalten werden, dass der Stempel 78 sofort wieder entfernt werden kann. Mit diesem Verfahren wird ein Körper 14 in der Primärform ausgebildet, der bereits einen konkaven Bereich 80 aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Stempel 78 auch aus einem flexiblen verformbaren Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Balg oder ein elastisches Material, wie es oben beschrieben wurde, verwendet werden, welcher bzw. welches sich genau der konkaven Zone anpasst. Somit werden die Fäden auch bei speziellen Formen in allen Bereichen der konkaven Zone 78 auf den Werkstückträger 26 aufgelegt.
Fig. 1 la) bis d) zeigen Varianten der Fixiervorrichtung 50 in Form eines Klemmbalgs.
Fig. I Ia) zeigt den Klemmbalg gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, bei der ein Druckschlauch 54 bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt aufweist und ein U- förmiges Profil 56 einseitig so abgeschrägt ist, dass der Druckschlauch sich beim Ausdehnen auf einer Seite mehr in eine Richtung parallel zu dem Boden des U-förmigen Profils 56 ausdehnt.
Fig. I Ib) zeigt einen Klemmbalg aus einem Schlauch 54 beliebigen Querschnitts, der durch einen Einsatz 59 in die rechteckige Form des Profils 56 gezogen wird.
Fig. 11c) zeigt einen Klemmbalg, der aus einer Membran 84 ausgebildet ist, welche durch das Überspannen eines Formteils 86 mit einer Randbefestigung 88 entsteht. Fig. 1 ld) zeigt einen Klemmbalg gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, bei dem eine zusätzliche Abdeckung 90 zum Schutz des Schlauchs 54 vor Mitziehen mit den unter der Klemmung rutschenden Fasern ausgebildet ist.
Selbstverständlich können die oben angegebenen Ausführungsformen bzw. einzelnen Merkmale der Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Insbesondere können alle beschriebenen Formen von Klemmvorrichtungen, Nachformvorrichtungen und Werkstückträgern miteinander kombiniert werden.
Beispielsweise kann der Werkstückträger mit flexiblem Bereich nur als Nachformwerkstückträger eingesetzt werden oder alternativ als Werkstückträger und Nachformunterwerkzeug eingesetzt werden. Der Klemmbalg kann in verschiedenen Ausführungsformen auch beidseitig des umzuformenden Bereichs zum Festhalten des Körpers auf einem Werkstückträger eingesetzt werden. Das heißt, es können auch mehrere Klemmbälge vorgesehen werden. Der Klemmbalg kann unterschiedlichste Formen aufweisen, solange er dazu geeignet ist, die Fasern des Körpers zu klemmen. Des Weiteren können auch mehrere konkave Bereiche gleichzeitig oder nacheinander, auch an verschiedenen Positionen der Primärform ausgebildet werden. Die Sekundärform kann also in mehreren Stufen ausgebildet werden, bzw. es können mehrere Stufen der Sekundärform ausgebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der Klemmvorrichtung in Form eines Klemmbalgs oder eines Klemmprofils kann der Körper am Werkstückträger, wie oben beschrieben, auch durch Unterdruck fixiert werden. Insbesondere kann der Werkstückträger ganz oder teilweise aus einer feinstporigen Sintermetalloberfläche ausgebildet sein, deren Poren, das heißt Durchlässe, von einer dem Körper abgewandten Seite der Sintermetalloberfläche mit Unterdruck versorgt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass jeder einzelne Faden durch Unterdruck an der Oberfläche des Werkstückträgers festgehalten werden kann.
Der Körper 14 mit der Primärform kann auch durch loses Ablegen von Fasern in einem konkaven Werkstückträger ausgebildet werden. Das Nachformoberwerkzeug und das Nachformunterwerkzeug können auch jeweils über Kopf angeordnet sein. D.h., die Funktion des oben beschriebenen Nachformunterwerkzeugs kann auch durch ein Nachformoberwerkzeug realisiert werden. Falls das Nachformoberwerkzeug den Körper halten muss, damit er nicht von demsel- ben abfällt, kann eine geeignete Haltevorrichtung vorgesehen sein (beispielsweise Unterdruckversorgung).
Bei einer reinen Biegung des Körpers in die Sekundärform (Umformen ohne Nachrutschen) dient das Festhalten bzw. Fixieren des Körpers an dem Nachformunterwerkzeug insbesondere dazu, dass die Biegung der Fasern nicht bewirken kann, dass an den Biegebereichen angrenzende Faserbereiche aufgrund der Biegesteifigkeit der Fasern von dem Nachformunterwerkzeug abgehoben werden. In einem solchen Fall wäre die Sekundärform nicht mehr eindeutig definiert.
Im Falle des Umformens mit Nachrutschen von Fasern kann der Körper in der Primärform mit Reservebereichen am Rand ausgebildet werden. Die Fasern die nachgezogen werden, werden dann aus diesem Rand nachgezogen, ohne dass die Sekundärform davon beeinträchtigt wird. D.h., die Reservebereiche sind so dimensioniert, dass nach dem Umformen in jedem Fall die gewünschte Sekundärform realisiert werden kann und am Rand der Sekundärform keine Fasern „fehlen". Alternativ kann die Primärform ausgebildet werden, wobei die Fasern, mit denen die Primärform ausgebildet wird, noch bis zum Ende des Umformvorgangs in die Sekundärform mit dem Körper in der Primärform verbunden bleiben. D.h., Fasern, die von Rollen abgewickelt und zum Ausbilden der Primärform verwendet werden, werden nach dem Fertigstellen des Körpers mit der Primärform nicht von diesem getrennt. Anschließend wird der Körper umgeformt und die Fasern können nachrutschen. Eine Trennung der Fasern (Abschneiden) erfolgt nach dem Umformen des Körpers.
Das Festhalten von einzelnen Fadenelementen, Rovings oder Filamenten auf einer mit Unterdruck versorgten Sintermetalloberfläche kann auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden. Dies kann auch allein für sich beansprucht werden.
Das Festhalten von Fadenelementen, Rovings oder Filamenten durch einen Klemmbalg kann auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden. Dies kann daher auch allein für sich beansprucht werden.
Das Ausbilden eines Körpers 10 in der Primärform mit einem konkaven Bereich, wie es mit Bezug auf Fig. 10 oben beschrieben wurde, kann auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden. Dies kann daher auch allein für sich beansprucht werden. Die Dichte der Fasern in dem mindestens einen konvexen Bereich (16) vor der Verformung kann so gewählt werden, dass die Dichte der Fasern in einem Bereich (14), der nicht verformt wird, im Wesentlichen der Dichte der Fasern in dem mindestens einen konkaven Bereich (22) nach dem Verformen entspricht.
Alternativ oder zusätzlich kann beim Ablegen der Fasern in dem konvexen Bereich eine geringere Faserdichte als in dem übrigen Körper vorgesehen werden. Beim Verformen des konvexen Bereichs in den konkaven Bereich können die Fasern zusammengeschoben werden, so dass der Körper nach dem Verformen überall im Wesentlichen die gleiche Faserdichte aufweist.
Die gemäß der vierten Ausführungsform als„eben" beschriebenen Überspannbereiche 141 können in Abhängigkeit von der Ablegereihenfolge in einzelnen Richtungen, , der Faserrichtung und der geometrischen Ausgestaltung der Außenkontur der konkaven Außenkontur des Werkstückträgers, insbesondere deren Randbereich, auch eine mindestens teilweise konkave Form bzw. konkave Bereiche aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen kann außerdem durch Merkmale der folgenden Aspekte charakterisiert werden:
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen und Bauteilvorformlingen aus Fasern, mit folgenden Schritten angegeben: Umformen mindestens eines insgesamt konvexen Bereichs (16) eines Körpers (14) aus einem Gelege von Fasern zu mindestens einem umgeformten Bereich (22), der aus derselben Blickrichtung betrachtet mindestens teilweise eine konkave Form aufweist, wobei der Flächeninhalt des umgeformten Bereichs (22) dem Flächeninhalt des mindestens einen konvexen Bereichs (16) entspricht und/oder mindestens der Abschnitt einer Faser (13), der den konvexen Bereich (16) des Körpers (14) ausbildet, derselbe Abschnitt der Faser (13) ist, der den umgeformten Bereich (16) des Körpers (14) ausbildet.
Der erste Aspekt kann dadurch weiter charakterisiert werden, dass der umgeformte Bereich (22), betrachtet in der derselben Querschnittsansicht des Körpers (14), zwischen zwei nicht umgeformten Bereichen (52) des Körpers (14) angeordnet ist. Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Umformen eines umzuformenden Bereichs (16) eines Fasergelegekörpers (14) angegeben, bei dem der umzuformende Bereich (16) in einer Schnittansicht des Körpers (14), wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, an sich gegenüberliegenden Endbereichen des umzuformenden Bereichs (16) in in dem Umformprozess nicht zu verformende Bereiche (Fixierbereiche 52) des Körpers (14) übergeht und die Verformung derart ist, dass sich beim Umformen in der Querschnittsansicht zumindest ein Bereich oder Abschnitt des umzuformenden Bereichs (16) auf eine in der Querschnittsansicht zwischen den gegenüberliegenden Endbereichen verlaufende Gerade S (siehe Fig. 4) zu bewegt, wobei die Größe der Faserstücke bzw. Oberfläche des umzuformenden Bereichs vor und nach der Verformung gleich ist.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Verformen eines umzuformenden Bereichs (16) eines flächigen, dreidimensionalen Fadengelegekörpers (14) mit einer Außenseite A (siehe Fig. 4) und einer Innenseite (30) angegeben, welcher umzuformende Bereich (16) vor seiner Verformung von der Außenseite (in Fig. 3 von oben) des Fadengelegekörpers gesehen eine insgesamt konvexe Gestalt hat, bei welchem Verfahren zumindest ein Teil des umzuformenden Bereichs bei dessen Verformung in Richtung von der Außenseite zur Innenseite relativ zu dem Fadengelegekörper bewegt wird, wobei die Größe der Oberfläche des umzuformenden Bereichs und die Abschnitte der den umzuformenden Bereich bildenden Fäden vor und nach der Verformung gleich sind, und wobei der umzuformende Bereich über einen ihn zumindest teilweise umschließenden Randbereich in den übrigen Fadengelegekörpers übergeht und der Randbereich sowie die ihn bildenden Fadensegmente sich bei der Verformung nicht ändern.
Gemäß einem fünften Aspekt kann die Gestalt der vor der Verformung konkaven Innenseite des umzuformenden Bereichs der Gestalt der nach der Verformung konkaven Außenseite des umgeformten Bereichs entsprechen.
Es wird ausdrücklich erklärt, dass alle Merkmale, die in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbart sind, dazu gedacht sind, getrennt und unabhängig voneinander zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung und ebenso zum Zwecke des Beschränkens der beanspruchten Erfindung, unabhängig von der Zusammenstellung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen, offenbart zu werden. Es wird ausdrücklich erklärt, dass alle Wertbereiche oder Angaben von Gruppen von Gesamtheiten jeden möglichen Zwischenwert und jede Zwischengesamtheit zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung und ebenso zum Zwecke des Beschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Faseigelegen und Bauteilvorformlin- gen aus Fasern, mit folgenden Schritten:
Umformen eines umzuformenden Bereichs (16) eines Körpers (14) aus einem Gelege von Fasern, wobei der umzuformende Bereich (16) vor dem Umformen in einer Querschnittsansicht des Körpers (14) ausschließlich in einer ersten Richtung gekrümmt ist oder ausschließlich in einer ersten Richtung gekrümmte Abschnitte und ebene Abschnitte aufweist, zu einem umgeformten Bereich (22), der in derselben Querschnittsansicht mindestens einen Abschnitt aufweist, der in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung gekrümmt ist, wobei
der Körper (14) einen nicht-umzuformenden Bereich (52) aufweist,
die Querschnittsansicht eine Querschnittsebene darstellt,- die den nicht-umzuformenden Bereich (52) und den umzüformenden Bereich (16) vor dem Umformen schneidet, bezüglich des - nicht-umzuformenden Bereichs (52) ortsfest ist, und den nicht-umzuformenden Bereich (52) und den umgeformten Bereich (16) nach dem Umformen schneidet, und
a) der Flächeninhalt des umgeformten Bereichs (22) dem Flächeninhalt des umzuformenden Bereichs (16) entspricht, und/oder
b) mindestens der Abschnitt einer Faser (13), der den umzuformenden Bereich (16) des Körpers (14) ausbildet, derselbe Abschnitt der Faser (13) ist, der den umgeformten Bereich (22) des Körpers (14) ausbildet, und/oder
c) irr derselben- QuersehnittsansichVeine L-änge-einer-er-sten- Linie-, die den Verlauf des umzuformenden Bereichs (16) zeigt, gleich einer Länge einer zweiten Linie, die den Verlauf des umgeformten Bereichs (22) zeigt, ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten:
Fixieren des Körpers (14) auf der Oberfläche einer Nachformvorrichtung (25), die zum Umformen des umzuformenden Bereichs (16) in den umgeformten Bereich (22) geeignet ist, in dem nicht-umzuformenden Bereich (52) des Körpers (14), wobei
das Fixieren vor dem Umformen erfolgt, und
das Fixieren in einem Bereich erfolgt, der nicht umgeformt wird.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
26
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Umformen mittels der Nachformvorrichtung (25) durchgeführt wird, und
die Querschnittsansicht eine Querschnittsebene darstellt, die die Nachformvorrichtung (25) und den umzuformenden Bereich (16) vor der Umformung schneidet, bezüglich der Nachformvorrichtung (25) ortsfest ist und die Nachformvorrichtung (25) und den umgeformten Bereich (22) schneidet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
die einzelnen Fasern innerhalb des Körpers (14) beim Umformen im Wesentlichen nicht zueinander verschoben, gestaucht und/oder gedehnt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem .
ein weiterer umzuformender konvexer oder konvexer und ebener Bereich (16) so durch Biegen und Nachziehen von Fasern, in einen weiteren umgeformten mindestens teilweise konkaven Bereich .(68) umgeformt wird, dass der Flächeninhalt des Weiteren umgeformten mindestens teilweise konkaven Bereichs (68) größer als der Flächeninhalt des weiteren umzuformenden ebenen oder konvexen Bereichs (16). ist.
6. Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen und Bauteil vorformlin- gen aus Fasern, mit folgenden Schritten:
Fixieren mindestens eines Fixierbereichs (52; 142) eines insgesamt konvexen Körpers (14; 140) aus einem Fasergelege auf der Oberfläche einer Nachformvorrichtung (25; 250),
Umformen eines umzuformenden Bereichs (1-6; 141) des Körpers (14) zu einem umgeformten Bereich (20; 220) mit mindestens einem konkaven Abschnitt durch die Nachformvorrichtung (25; 250), wobei
der Flächeninhalt des umgeformten Bereichs (20; 220) größer als der Flächeninhalt des umzuformenden Bereichs (16; 141) ist und/oder mindestens der Abschnitt einer Faser (13), der den umgeformten Bereich (20; 220) des Körpers (14) ausbildet, eine Länge aufweist, die größer der Länge des Abschnitts derselben Faser ist, der den umzuformenden Bereich (16; 141) des Körpers (14) ausbildet und/oder der Verlauf einer Oberfläche des umzuformenden Bereichs (16) in einer Querschnittsansicht durch eine erste Linie und der Verlauf derselben Oberfläche des umgeformten Bereichs (20; 220) in der Querschnittsansicht durch eine zweite Linie dargestellt wird und die erste Linie kürzer als die zweite Linie ist,
das Fixieren vor dem Umformen erfolgt, und
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP das Fixieren in einem Bereich (52; 142) des Körpers (14; 140) erfolgt, der nicht umgeformt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem
beim Umformen einzelne Fasern (13) des Fasergeleges, die durch den umgeformten Bereich (20; 220) verlaufen, in ihrer Längsrichtung zum Vermeiden oder Verringern von Faltenbildung verschoben werden oder aus einem Randbereich des Körpers (14; 140) nachrutschen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem
das Fixieren durch eine mit Fluid befüllbare und dadurch ausdehnbare Vorrichtung (54) und/oder eine Sintermetälloherfläche, deren Poren mit Unterdruck versorgt werden, erfolgt, so dass einzelne Fasern (13) nachgezogen werden können.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem
der Fixierbereich (52) des Körpers (14) auf einem äußeren Randbereich (142) des Körpers (14) oder zwischen dem äußerem Randbereich (142) und dem umzuformenden Bereich (16; 141) liegt.
-
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit dem weiteren Schritt
Ausbilden des Körpers (14; 140) vor dem Umformen durch Ablegen von Fasern auf einer Oberfläche eines Werkstückträgers (10; 38; 138).
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem
der Werkstückträger (10) in der Oberfläche, auf der die Fasern abgelegt werden, eine konkave Zone (76) aufweist,
die Fasern die konkave Zone (76) beim Ablegen der Fasern auf der Oberfläche des Werkstückträgers (10) in einem Ablegezyklus überspannen, wobei
die Fasern während dem Ablegen in dem Ablegezyklus durch einen an die konkave Zone (76) angepassten Stempel (78) auf die Oberfläche der konkaven Zone (76) gedrückt werden und mit der Oberfläche der konkaven Zone (76) verbunden werden, der Stempel (78) anschließend wieder entfernt wird und somit ein insgesamt konvexer Körper (14) mit einem konkaven Bereich (80) ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP das Umformen durch einen flexiblen Bereich (63) erfolgt, der zwischen einer zu dem umzuformenden Bereich (16) des Körpers (14) komplementären Form und einer zu dem umgeformten Bereich (22) komplementären Form verformt werden kann.
13. Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Fasergelegen und Bauteilvorform- lingen aus Fasern, mit
einem Werkstückträger (10), der geeignet ist zum Ablegen von Fasern zum Ausbilden eines insgesamt in Ablegerichtung betrachtet konvexen Körpers (14) mit mindestens einem umzuformenden konvexen oder konvexen und ebenen Bereich (16),
einer NachformvorrichtUng-(25), die zum Umformen des mindestens des umzuformenden Bereichs (16) in einen umgeformten Bereich (22) mit mindestens einem konkaven Abschnitt geeignet ist, wobei
der Flächeninhalt einer Oberfläche des Werkstückträgers (10) zum Ausbilden des umzuformenden Bereichs (16) im Wesentlichen dem Flächeninhalt einer Oberfläche der Nachformvorrichtung (25) zum Ausbilden des umgeformten Bereichs (22) entspricht und/oder die Länge einer auf die Oberfläche des Werkstückträgers zum Ausbilden des umzuformenden Bereichs (16) projizierten Geraden gleich der Länge einer auf die Oberfläche der Nachformvorrichtung zum Ausbilden des mindestens umgeformten Bereichs (22) projizierten Geraden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Werkstückträger (10) und ein Nachformunterwerkzeug (26) der Nachformvorrichtung (25) integral durch einen integralen Werkstückträger (38), der einen flexiblen Bereich (40) aufweist, ausgebildet sind, wobei der flexible Bereich (40) so wohl eine konvexe als auch- eine konkave Oberfläche ausbilden -kann. -
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, weiter aufweisend
eine Fixiervorrichtung (50) die angepasst ist den Körper (14) während dem Umformen in mindestens einem Fixierbereich (52) festzuhalten, wobei der Fixierbereich (52) nicht umgeformt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der
die Fixiervorrichtung (50) als ein mit Fluid befüllbarer Balg (54) und/oder eine Sintermetalloberfläche, deren Poren mit Unterdruck versorgt werden, ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP die Nachformvorrichtung (25) ein Nachformoberwerkzeug (34; 340) aufweist, das einen flexiblen Balg aufweist, der eine zu dem umzuformenden Bereich (16) komplementäre Form und eine zu dem umgeformten Bereich (22) komplementäre Form annehmen kann.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
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