WO2016030134A2 - Verfahren zum herstellen einer fügestelle an einem bauteil aus einem faserverbundwerkstoff - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer fügestelle an einem bauteil aus einem faserverbundwerkstoff Download PDF

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    • B29C53/62—Winding and joining, e.g. winding spirally helically using internal forming surfaces, e.g. mandrels rotatable about the winding axis

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a joint on a component made of a fiber composite material for connection to a further, in particular metallic, component.
  • the invention further relates to a component made of a fiber composite material with an integrated connecting piece having joints.
  • the invention is concerned with the connection of metallic functional elements on shafts made of a fiber composite material.
  • connection of machine and / or functional elements with a component made of a fiber composite material represents a not insignificant technical problem because of the material differences of the connection partners. Also, the fiber structure in the fiber composite material should not be changed, broken or damaged as possible for the preparation of the compound. This results in weak points in the finished component, so that this may possibly no longer withstand the required for the particular application scenario thermal or mechanical loads.
  • Shafts with tethered metallic functional elements in the form of drive shafts in the automotive sector as well as in classical mechanical and plant engineering represent a frequent form of machine elements that are required for the transmission of forces and moments.
  • the introduction of forces and moments in a drive shaft in this case is a particular difficulty, in particular in the connection of a metallic functional element with a shaft made of a fiber composite material.
  • the advantages are that different materials can be interconnected, the load is transmitted over a large area and the joining or connection partners are not weakened. Especially with continuous fiber reinforced components, a continuous fiber structure is maintained.
  • the disadvantage is the great effort in the preparation of joining partners and in quality assurance.
  • a disadvantage of gluing is the difficult non-destructive quality assurance of the connection. Furthermore, depending on the production technique of the component made of fiber composite material, the surface must be machined to meet the required tolerances and to ensure the centering of the components to each other. Temperature and humidity additionally have an undesirably large influence on the achievable connection strength.
  • a disadvantage of an internal metal part is the fact that only at the beginning of the shaft or at the shaft end can be positioned. In the case of external metal parts, the positioning of the components relative to one another is not restricted. Furthermore, in the press connection from the outside as in the gluing depending on Manufacturing process, the component made of fiber composite material machined by machining. In addition, the component made of fiber composite material is compressed, whereby depending on the present fiber orientation, the matrix is pressure-loaded. The more the matrix is loaded, the more viscoelastic and time-dependent material behavior plays a role. A compression of a fiber composite shaft from the outside is therefore unfavorable from a mechanical point of view.
  • Another positive connection technology is the pin connection, which does not have all of the above-mentioned disadvantages of the bolt connection.
  • this type of connection no fibers are severed, since the positive connection between the fiber composite material and usually metallic pins is already made during the manufacture of the component made of fiber composite material. As a result, a combination of material and form fit is achieved. Compared to a pure bond, this can increase the damage tolerance, prevent spontaneous failure and increase the bond strength.
  • a rectangular metal part provided with pins is braided with fibers and then infiltrated.
  • the metal part serves to reinforce a bolt connection, which is preferably suitable for tensile and compressive load.
  • a cylindrical metal part provided with pins is braided with fibers.
  • the metal part in this case has an internal thread for connection to a peripheral system.
  • the connection made in this way is particularly suitable for tensile load.
  • the metallic component is internal.
  • a direct connection of metallic components which enclose the component made of fiber composite material is not provided.
  • thermoplastic force introduction element is wrapped with fibers.
  • the force introduction element in this case has grooves on the surface in which the fibers are deposited. In this way, a form-fitting is produced integrated into the process.
  • connection element is surrounded both by the teaching of DE 20 2006 001 878 U1 and according to the teaching of DE 10 2009 036 509 A1 by the component made of fiber composite material and positioned at the beginning of the shaft or at the shaft end.
  • the intended force introduction elements are complicated to manufacture due to their complex geometry.
  • a metallic element is likewise laminated into a shaft made of fiber composite material.
  • the positioning can be done freely.
  • the fiber composite shaft includes a foam core.
  • the connection of a metallic functional element, such as a gear, on the integrated metallic element by means of a frictional connection.
  • the exact connection between integrated element and shaft made of fiber composite material is not apparent.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved way to connect a particular metallic component with a component of a fiber composite material.
  • a possibility for establishing a connection between a metallic functional or machine element with a shaft made of a fiber composite material is to be specified.
  • the necessary manufacturing steps should be able to be integrated in particular in the already realized manufacturing processes for components made of a fiber composite material.
  • a connecting piece comprising at least one form-fitting and / or frictional element, in particular connecting the first section and the second section with the interposition of the connecting piece to form a core tool, applying fiber material to the core tool with prior, simultaneous or subsequent impregnation with a resin, Where- is enclosed with the connector, and wherein the or each form and / or adhesion element of the connector remains at least partially free of fiber material, curing of the resin to form the fiber composite material and
  • a positive and cohesive connection of the connecting piece with the fiber composite material of the component is first created.
  • This allows a fiber-oriented force and torque introduction into the fiber composite material.
  • the intermediate piece is inserted between two sections of the core tool, the introduction of forces and moments on the connector can in principle be carried out at any axial position of the component, and in particular at each axial position of a shaft made of fiber composite material.
  • the integrated connector represents with the partially free form and / or traction elements a flexible interface between the component made of a fiber composite material and conventional and in particular metallic functional or machine elements for force and moment transfer. For example, via the form and / or adhesion elements of Connecting a gear to be mounted on the component made of fiber composite material.
  • the process steps required for the integration of the connector can be easily integrated into the known manufacturing processes for a component made of fiber composite material.
  • the described process sequence is suitable for a winding method, and in particular for a wet winding method.
  • the fiber material for example in the form of rovings, ie as a bundle, a strand or a multifilament yarn of parallel fibers, unrolled from a spool and then on the rotating core Tool stored.
  • the roving tray is usually done solely by the thread kinematic and without special laying heads.
  • the wrapping of the connector can be optimized by suitable shaping, as will be explained in more detail below.
  • the fiber material is passed before winding by a soaking device and soaked there with resin or impregnated.
  • the integration of the connector into the component can also be done easily via other known manufacturing processes.
  • this can be a "fiber placement process", ie the deposition of fiber material with specially guided laying heads.
  • the fiber material can also just be laid.
  • the core tool itself can be cylindrical. But it can also have a complex geometry or shape; it can be flat or have flat partial areas.
  • the core tool is divided into a first portion and a second portion to position the joint forming connector between the two core tool halves.
  • the core tool halves can be plugged, pressed, screwed or otherwise held together in the axial direction during the application of the fiber material.
  • the sections of the core tool are demolded.
  • the connector remains as an integral part. The removability of the core tool cuts allows reuse of the core tool and does not unnecessarily increase the weight of the component later.
  • several connecting pieces can also be placed on a core tool by the described method.
  • the core tool may be formed in several parts or cut to length. It can also be placed several connectors side by side. Optionally, a corresponding portion of the core tool remain in the finished component. Depending on the requirements of the positioning accuracy, the corresponding section can also be a Material can be made, which can be easily removed from the mold. It is also possible to work with partially destructible core tools. Also, the core tool can be complex and multi-part designed to be removed in this way.
  • a component is understood to be, firstly, the product produced directly by the above-described method, that is to say a component made of a fiber composite material with an integrated connecting piece, wherein at least one positive and / or non-positive element of the connecting piece remains as a joint.
  • this product is also referred to as a machine element and / or adapter element connected to the joint.
  • a connecting piece is provided and integrated, which comprises as a form and / or adhesion element at least one in the thickness direction of the component extending driver element.
  • a functional or machine element, or alternatively an adapter element can later be mechanically joined or connected to the connecting piece and thus to the component made of fiber composite material by way of the driver element.
  • a splined connection and a press fit or a feather key or a combination thereof may be provided.
  • a splined connection in particular grooves of the functional or machine element or the adapter element slide over the free ends of the or each driver element, wherein the desired mechanical connection is then realized by a form and adhesion.
  • the at least one or each driver element remote from the component has a substantially polygonal cross-section and close to the component has a substantially round cross-section.
  • the driver element in the component-near area on a rounded outer contour In the remote component area, for example, rectangular wedges remain as joints.
  • the component he circular or rounded outer contour in a lower region of the driver element represents the joining surface to the fiber composite material in the later process.
  • the rounded or circular contour then embedded in the fiber composite material constitutes a fiber-like interface which prevents notch stresses on sharp edges.
  • the upper, for example, rectangular part of the driver element is used for positive and / or non-positive connection of the connecting piece with other components in the form of machine or functional elements, in particular of metal.
  • a rectangular shape of the or each driver element allows an axial displacement and thus a simple assembly of the other components or component components.
  • the connection between the connecting piece and the other components takes place in particular and preferably in accordance with a splined connection.
  • a connecting piece can be provided and integrated, whose at least one or each driver element consistently shows a substantially polygonal cross-section, in each case a disc with a relation to the driver element of smaller thickness with matching polygonal socket the or each driver element is pushed so that in each case a remote component free end of the driver remains.
  • This differential design is less expensive from a manufacturing perspective than the production of the driver elements in a single manufacturing step, such as by machining.
  • the connector can be made integral with the or each form and / or adhesion element. Also, the form and / or frictional elements and the connector can be made in differential construction and mounted together before use between the sections of the core tool.
  • a peelable conical protective cap is placed on the or each positive and / or non-positive element before the application of the fiber material, which is pulled off again after the application of the fiber material or after curing.
  • These Protective caps which are made of plastic, for example, serve as a production aid and are removed after the application of the fiber material.
  • the conical shape of the protective caps makes it possible to slide the fibers or the fiber material between the individual form and / or adhesion elements on the connecting piece and around the respective form and / or adhesion elements. The fibers or the fiber material are damaged as little as possible.
  • the protective caps also prevent unwanted contamination of the molded and / or frictional elements by resin, which would reduce the positioning accuracy of a connection to the joint created by the form and / or frictional elements.
  • the connecting piece with fiber material or with the formed fiber composite material is completely enclosed.
  • the fibers or the fiber material surround the lower and in particular rounded part of the form and / or adhesion elements.
  • a corresponding winding method is characterized by a flexible and requirement-appropriate choice of the winding angle, since the fibers or the fiber material can be stored both between the form and / or adhesion elements as well as centrally over the form and / or interlocking elements, protected by the protective caps ,
  • the sections of the core tool are each provided as a cylinder or as a hollow cylinder.
  • a hollow shaft is produced as a component made of fiber composite material, which includes along its axial direction integrated in the fiber composite material connecting piece with mechanical joints.
  • the connecting piece is in this case preferably designed as a connecting ring.
  • About the integrated in a shaft connecting ring can then be made with a functional or machine element or adapter element, a mechanical connection in the manner of a shaft-hub connection.
  • an adapter element is used, which comprises means for axial fixing and / or centering.
  • the adapter element is then axially fixed and / or centered on the connecting piece via these means.
  • the adapter element can be pushed, for example, in the axial direction via the driver elements, which are in particular rectangular at their free end.
  • dowel pins which are pushed in the radial direction through the adapter element, the adapter element relative to the component or the shaft of fiber composite material can be axially fixed.
  • the adapter element can be fixed axially via a retaining ring relative to the form and / or adhesion elements.
  • the determination in the circumferential direction and the centering of the parts to each other is advantageously positive and / or non-positive by the positive and / or frictional elements or driver elements or in other words by conditioning on the corresponding contact surfaces.
  • dowel pins can be made a determination in the circumferential direction.
  • the adapter element is preferably made like the connecting piece of a metallic material. Both parts can be manufactured using conventional manufacturing methods of mechanical engineering.
  • the adapter element has, for example, on the inside grooves, the flank- or externentrentriert a positive connection with the form and / or adhesion elements or
  • the adapter element On the outside of the adapter element, various compounds known from metal technology, in particular shaft-hub connections, can be realized. In this case, for example, a press fit, a splined connection and a feather key connection are preferably configured.
  • a suitable type of connection can be selected and integrated into the adapter element.
  • the adapter element is given as an adapter ring, which is placed on a connecting ring of a component made of fiber composite material.
  • standardized connection techniques can be used, which are widely used by machine component manufacturers and in standardized construction be offered. Costly special connections can be omitted.
  • the object mentioned above is also achieved by a component made of a fiber composite material with an integrated by the method described above connecting piece with at least a partially free form and / or adhesion element as a joint.
  • the component comprises an adapter element, which is connected by means of the or each form and / or adhesion element with the connector. More preferably, a machine element is included, which is connected to the adapter element.
  • the component of the fiber composite material is formed as a shaft with an annular connecting piece.
  • FIG. 1 is an exploded view of a core tool with two sections and a connecting piece arranged therebetween
  • FIG. 2 shows a core tool with two sections and a connecting piece arranged therebetween in a composite form
  • FIG. 3 shows the core tool according to FIG. 2 with protective caps arranged on the connecting piece
  • FIG. 4 shows the core tool according to FIG. 3 with applied fiber material
  • FIG. FIG. 5 shows the component made from a fiber composite material after removal of the parts of the core tool according to FIG. 4,
  • FIG. 4 shows the core tool according to FIG. 3 with applied fiber material
  • FIG. 5 shows the component made from a fiber composite material after removal of the parts of the core tool according to FIG. 4,
  • FIG. 5 shows the component made from a fiber composite material after removal of the parts of the core tool according to FIG. 4, FIG.
  • FIG. 6 shows the component made of a fiber composite material according to FIG.
  • FIG. 7 shows the component made of a fiber composite material according to FIG.
  • Fig. 8 shows an alternative adapter element.
  • a core tool 4 for producing a wave-shaped component made of a fiber composite material is composed of a first portion 1 and a second portion 2 with the interposition of a connecting piece 3.
  • the two sections 1, 2 are each formed as a hollow cylinder.
  • the later joints for connection to a functional or machine element or to an adapter element having connector 3 is inserted between the two sections 1 and 2.
  • the sections 1, 2 are screwed together by means of internal connection forms 6 and a threaded rod 10.
  • the connection forms 6 are inserted into the respective sections 1, 2 and serve for improved transmission of a torsional moment between the sections 1, 2 of the core tool 4.
  • the fiber material is applied to the core tool 4 by means of a winding method.
  • the core tool 4 is set in rotation.
  • the connecting piece 3 comprises in the circumferential direction uniformly distributed three form and / or adhesion elements 12, which have a rectangular cross-section throughout.
  • the form and / or adhesion elements 12 are made integral with the connecting element 3.
  • the form and / or adhesion elements 12 are formed as rectangular driver elements 14 and thus each represent typical joints 15 for connection to a further, in particular metallic see, component dar.
  • the connector 3 is made of a metallic material.
  • the form and / or adhesion elements 12 or driver elements 14 are each slid discs 1 6 with matching polygon socket to stop.
  • the remaining free ends of the driver elements 14 are each provided with a protective cap 17.
  • At the bottom or component-near end of the driver elements 12 thus results in a round outer contour or a round cross-section.
  • At the free or component remote end of the driver 12 results in a joint 15 with a rectangular cross-section.
  • FIG. 2 From Fig. 2 is a composite core tool 4 similar to FIG. 1 can be seen.
  • the core tool 4 in FIG. 2 has a connection piece 3 which has a total of 4 form and / or adhesion elements 12 distributed over its circumference.
  • a disk 1 6 On each of these form and / or force-locking elements 12, a disk 1 6 is pushed in each case. The result is a round cross-section in the vicinity of the component 22.
  • the rectangular cross-section of the positive and / or non-positive element 12 remains.
  • FIG. 3 the core tool 4 is shown in FIG. 2, wherein now the free ends 20 of the individual form and / or adhesion elements 12 each have a conical cap 17 is placed.
  • the core tool 4 is wrapped with fiber material, for example according to the wet winding method with rotation of the core tool 4.
  • the core tool 4 already carries the later component 24, which is given as a hollow shaft of a fiber composite material 25.
  • the form and / or adhesion elements 12 are completely wrapped at its base 22 with a round cross section with fiber material 25.
  • About the cone-shaped caps 1 7 ensures that when wrapping the form and / or adhesion elements 12 completely wrapped and Also, the areas between the form and / or adhesion elements 12 are uniformly occupied with fiber material 24.
  • the two sections 1, 2 of the core tool 4 are removed from the mold. From Fig. 5, the resulting component 24 in the form of a hollow shaft made of a fiber composite material 25 can be seen. In this case, the connecting piece 3 is integrated into the fiber composite material 25. As joints 15, the free ends 20 of the form and / or adhesion elements 12 protrude.
  • FIG. 6 shows a component 24 corresponding to FIG. 5, wherein an adapter element 30 is axially slid over the rectangular joints 15 by realizing a mechanical connection in the manner of a splined connection. This results in a positive and a force fit between the adapter element 30 and the connector s. The introduction of force and torque takes place via the positive and / or non-positive elements, and in this case, in particular, via their rounded component close to the base.
  • the adapter element 30 shown in Figure 6 is designed to a shaft-hub connection in the manner of a splined connection. Via dowel pins 31 introduced into the visible bores, which penetrate into the radial bores on the form and / or force-locking elements 20 (visible, for example, in FIG.
  • the adapter element 30 is fixed relative to the component 24 in the axial direction and in the circumferential direction.
  • About contact surfaces 32 in grooves of the adapter member 30 is centered on the component.
  • the contact surfaces 32 in this case interact with the contact surfaces of the form and / or adhesion elements 20 according to FIG. 5.
  • FIG. 7 shows the component corresponding to FIG. 6, the adapter element 30 being joined as a machine element 34 to form a splined shaft connection.
  • an alternative adapter element 35 is shown, which is designed to a feather key connection with a machine or functional element.
  • the illustrated connecting pieces 3, adapter elements 30, 35 and machine elements 34 are made of metal.
  • the illustrated component 24 made of a fiber composite material 25 is produced as a hollow shaft.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle (15) an einem Bauteil (24) aus einem Faserverbundwerkstoff (25) zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil (z.B. 30, 34, 35) angegeben. Dabei sind die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen wenigstens eines ersten Teilstücks (1) eines Kernwerkzeugs (4) und wenigstens eines zweiten Teilstücks (2) eines Kernwerkzeugs (4), Bereitstellen eines wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement (12) umfassenden, insbesondere metallischen, Verbindungsstücks (3), Verbinden des ersten Teilstücks (1) und des zweiten Teilstücks (2) unter Zwischenlage des Verbindungsstücks (3) zu einem Kernwerkzeug (4), Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug (4) unter vorheriger, gleichzeitiger oder nachfolgender Tränkung mit einem Harz, wobei das Verbindungsstück (3) mit umschlossen wird, und wobei das oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselement (12) des Verbindungsstücks (3) zumindest abschnittsweise frei von Fasermaterial bleibt, Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs (25) und Entformen des ersten Teilstücks (1) des Kernwerkzeugs (4) und des zweiten Teilstücks (2) des Kernwerkzeugs (4), wobei das im Faserverbundwerkstoff (25) des gebildeten Bauteils (24) eingebundene Verbindungsstück (3) mit dem wenigstens einen abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement (12) als Fügestelle (15) verbleibt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil. Die Erfindung betrifft weiter ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem Fügestellen aufweisenden integrierten Verbindungsstück. Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit der Anbindung metallischer Funktionselemente auf Wellen aus einem Faserverbundwerkstoff.
Das Verbinden von Maschinen- und/oder Funktionselementen mit einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff stellt wegen der stofflichen Unterschiede der Verbindungspartner ein nicht unerhebliches technisches Problem dar. Auch sollte zur Herstellung der Verbindung die Faserstruktur im Faserverbundwerkstoff möglichst nicht verändert, durchbrochen oder beschädigt werden. Es resultieren Schwachstellen im fertigen Bauteil, so dass dieses den für das jeweilige Einsatzszenario geforderten thermischen oder mechanischen Belastungen gegebenenfalls nicht mehr standhalten kann.
Wellen mit angebundenen metallischen Funktionselementen stellen in Form von Antriebswellen sowohl im Automobilbereich wie auch im klassischen Maschinen- und Anlagenbau eine häufige Form von Maschinenelementen dar, die zur Übertragung von Kräften und Momenten benötigt werden. Die Einleitung von Kräften und Momenten in eine Antriebswelle stellt hierbei insbesondere bei der Verbindung eines metallischen Funktionselements mit einer Welle aus einem Faserverbundwerkstoff eine besondere Schwierigkeit dar.
Im Allgemeinen wird zwischen drei Wirkprinzipien zur Kraftübertragung unterschieden, nämlich dem Formschluss, dem Stoffschluss und dem Kraftschluss. Aus dem Bereich des Metallbaus sind verschiedene stoffschlüssige Anbindungs- techniken für metallische Komponenten auf zylindrischen Wellen in Form von Verkleben bekannt, die auch im Bereich der Faserverbundwerkstoffe Anwendung finden. Gemäß Niemann, G., et al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 liegt der Vorteil einer Verklebung unter anderem in der isolierenden Wirkung der Klebschicht gegenüber dem Eindringen von Medien in den Fügespalt, wodurch Passungsrost und Kontaktkorrosion verhindert werden können. Gemäß Schürmann, H. :„Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden"; 2. bearbeitete und erweiterte Auflage, Heidelberg: Springer Verlag, 2007 ist die Verklebung besonders für dünnwandige flächige Bauteile aus Faserverbundstoff geeignet. Die Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden können, die Belastung großflächig übertragen wird und die Füge- bzw. Verbindungspartner nicht geschwächt werden. Insbesondere bei endlosfaserverstärkten Bauteilen bleibt eine durchgängige Faserstruktur erhalten. Nachteilig ist jedoch der große Aufwand bei der Vorbereitung der Fügepartner sowie bei der Qualitätssicherung.
Für metallische Wellen kommen nach Niemann, G., et.al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 zwei Ausführungsformen von stoffschlüssigen Verbindungen zum Einsatz. Zum einen ist dies der geklebte Schiebesitz, bei dem nur geringe Lasten übertragen werden können. Aufgrund des Spaltes zwischen den zu verklebenden Bauteilen ist die Zentriergenauigkeit bei dieser Ausführungsform gering. Zum anderen ist dies der Schrumpfklebesitz, bei dem die zu verbindenden Teile mit Übermaß zueinander gefügt werden. Durch die Verpressung werden Stoffschluss und Kraftschluss miteinander kombiniert, wodurch hohe Lasten übertragen werden können. Weiterhin wird dadurch die Zentrierung der Bauteile zueinander gewährleistet. Die Herstellung einer solchen Verbindung ist allerdings mit einem größeren Fertigungsaufwand verbunden. Neben der Verklebung bietet auch das Schweißen eine Möglichkeit, Bauteile stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Diese Möglichkeit ist allerdings auf Faserverbundwerkstoffe mit einem thermoplastischen Harzsystem beschränkt. Aus der DE 10 2004 048 472 B4 ist bekannt, eine metallische Hülse auf eine im Wickelverfahren hergestellte Welle aus Faserverbundwerkstoff aufzukleben. Die Anbindung eines Zahnrads zu dieser Hülse erfolgt anschließend mittels standardmäßigen Metall-Metall-Verbindungtechniken. Die Ausführungsform der Verklebung ist nicht näher spezifiziert.
Nachteilig bei Verklebungen ist die schwierige zerstörungsfreie Qualitätssicherung der Verbindung. Weiterhin muss in Abhängigkeit der Fertigungstechnik beim Bauteil aus Faserverbundwerkstoff die Oberfläche spanend bearbeitet werden, um die geforderten Toleranzen einzuhalten und um die Zentrierung der Bauteile zueinander sicherzustellen. Temperatur und Feuchtigkeit haben zusätzlich einen unerwünscht großen Einfluss auf die erzielbare Verbindungsfestigkeit.
Auch die aus dem Metallbau bekannte kraftschlüssige Verbindungstechnik einer Pressverbindung wird im Bereich der Faserverbundwerkstoffe angewendet. Ein Vorteil der Pressverbindung stelle nach Niemann, G., et al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 unter anderem die Zentrierung der Bauteile zueinander dar. Gerade bei umlaufender Biegebelastung besteht jedoch die Gefahr des Mikrogleitens und der Reibkorrosion. Im Bereich der Faserverbundwerkstoffe gilt die Pressverbindung durch die flächige Lasteinleitung als faserverbundgerechte Verbindungstechnik, bei der im Normalfall die metallische Komponente das Innere der zu verbindenden Bauteile ist. Neben der Resttragfähigkeit nach Überlast ist der positive Einfluss der Druckbelastung durch die Verpressung auf die Schubbelastbarkeit des Faserverbundwerkstoffs vorteilhaft. Weitere Vorteile stellen die einfache Montage sowie die Möglichkeit dar, mittels der Einpresskraft auf die Qualität der Verbindung schließen zu können. Aus der DE 38 28 018 C2 ist es bekannt, ein gerändeltes Metallteil in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff zu pressen.
Nachteilig bei einem innenliegenden Metallteil ist die Tatsache, dass nur am Wellenanfang bzw. am Wellenende positioniert werden kann. Bei außenliegenden Metallteilen wird die Positionierung der Bauteile zueinander nicht eingeschränkt. Weiterhin muss bei der Pressverbindung von außen wie bei der Verklebung je nach Fertigungsverfahren die Komponente aus Faserverbundwerkstoff spanend nachbearbeitet werden. Zudem wird das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff komprimiert, wodurch je nach vorliegender Faserorientierung die Matrix druckbelastet wird. Je mehr die Matrix belastet ist, desto mehr spielt viskoelastisches und zeitabhängiges Materialverhalten eine Rolle. Eine Verpressung einer Faserverbundwelle von außen ist daher aus mechanischer Sicht ungünstig zu bewerten.
Eine weitere bekannte Verbindungstechnik, die für Faserverbundwerkstoffe aus dem Metallbau übernommen wurde, ist die Bolzenverbindung. Diese ist gemäß Schürmann, H. :„Konstruieren mit Faser-Kunststoff- Verbunden"; 2. bearbeitete und erweiterte Auflage, Heidelberg: Springer Verlag, 2007 besonders für flächige, dickwandige Bauteile geeignet. In der gebräuchlichsten Ausführungsform werden Löcher nachträglich in die Struktur eingebracht, wobei durch einen zylindrischen Bolzen ein Formschluss zwischen den beiden zu verbindenden Teilen erzeugt wird. Die leicht überprüfbare Verbindungsgüte, die Lösbarkeit der Verbindung, die kostengünstigen Verbindungselemente sowie die Fügbarkeit von Fügepartnern aus unterschiedlichen Werkstoffen sind Vorteile der Bolzenverbindung. Nachteilig sind der hohe Fertigungsaufwand, der nachgeschaltete spanende Bearbeitungsschritt und das zusätzliche Gewicht durch die Verbindungselemente. Außerdem wird durch das Bohren der tragende Querschnitt reduziert und die lasttragenden Fasern unerwünscht durchtrennt.
In Helms, O.:„Konstruktion und technologische Umsetzung von hochbeanspruchten Lasteinleitungssystemen für neuartige Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise"; Dissertation, TU Dresden, 2006 ist eine Möglichkeit beschrieben, das Durchtrennen der Fasern zu umgehen und dennoch eine formschlüssige
Bolzenverbindung herzustellen. Hierbei wird ein thermoplastisches Harzsystem erwärmt und mit Hilfe eines Dorns ein Loch geformt. Die übertragbaren Kräfte können auf diese Art und Weise im Vergleich zu gebohrten Löchern erhöht werden. In Seidlitz, H. :„Verbindungstechnik für belastungsgerechte Hochleistungsbauteile in Mischbauweise"; Konferenzbeitrag, 9. Wissenschaftstage an der Hochschule Lausitz wird die Tragfähigkeit dieser Verbindungstechnik untersucht. Es wird nachgewiesen, dass durch das Formen der Löcher die Kerbzug- und die Lochleibungsfestigkeit sowie die Tragfähigkeit bei Scherversuchen im Vergleich zu gebohrten Löchern gesteigert werden kann. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die Beschränkung auf ebene Bauteile mit einer thermoplastischen Matrix.
Eine weitere formschlüssige Verbindungstechnik ist die Pinverbindung, die nicht alle der oben genannten Nachteile der Bolzenverbindung aufweist. Bei dieser Art der Verbindung werden keine Fasern durchtrennt, da der Formschluss zwischen Faserverbundwerkstoff und meist metallischen Pins bereits während der Herstellung des Bauteils aus Faserverbundwerkstoff hergestellt wird. Hierdurch wird eine Kombination aus Stoff- und Formschluss erreicht. Im Vergleich zu einer reinen Verklebung kann hierdurch die Schadenstoleranz erhöht, spontanem Versagen vorgebeugt und die Verbindungsfestigkeit erhöht werden.
Gemäß Kruse, T. : "Requirements for Sizing Methods of Damage Tolerant Struc- tural Joints Taking into Account the Needs of a Rivetless Assembly in the Aero- nautic Industry"; NAFEMS-Literatur zu„FEM Idealisation of Joints" werden zwei trockene Faserhalbzeuge mit vertikalen Pins verstärkt. Diese kostenintensive Verbindungstechnik kommt jedoch nur für zwei nicht ausgehärtete Bauteile in Frage. Eine ähnliche Verbindungstechnik ist in Nogueira, A.:„Properties and failure me- chanismus of a 3D-reinforced joint"; JEC Magazine No. 69, November 201 1 beschrieben. Bei dieser wird die Verklebung zweier Prepregbauteile durch ein Blech verstärkt. Dieses Blech ist mit Stacheln in Dickenrichtung versehen, die die beiden Fügepartner durchdringen. Auch dieses Fügeverfahren ist auf zwei Fügepartner aus Faserverbundwerkstoff beschränkt. In Ucsnik, S., et al. :„Experimental investi- gation of a novel hybrid metal-compsite joining technology"; Composites: Part A, 41 , 2010, Seite 369-374 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein metallisches Bauteil mit einem Bauteil aus Faserverbundwerkstoff verbunden werden kann. Das metallische Bauteil wird hierbei nach dem„Cold Metal Transfer"-Verfahren mit Pins versehen. Das Faserverbundhalbzeug wird auf dieses metallische Bauteil drapiert und anschließend infiltriert und ausgehärtet. Die Herstellung der metallischen Fügepartner ist in diesem Fall sehr aufwändig. Auch durch das in Smith, F. : „COMELD- An Innovation in composite to metal joining"; Composites Processing 2004, CPA, Bromsgrove, UK, 23rd April 2004 beschriebene Fertigungsverfahren, bei dem die Metalloberfläche durch eine Laserbehandlung kontrolliert wird, kann dieser Fertigungsaufwand nicht merklich reduziert werden.
Nachteiligerweise beziehen sich die vorgenannten Angaben zum Stand der Technik lediglich auf Pinverbindungen für ebene Fügepartner. Die Übertragbarkeit auf zylindrische Fügepartner ist nicht sichergestellt.
In der US 2001 /0129639 A1 wird ein mit Pins versehenes rechteckiges Metallteil mit Fasern umflochten und anschließend infiltriert. Das Metallteil dient hierbei zur Verstärkung einer Bolzenverbindung, die bevorzugt für Zug- und Druckbelastung geeignet ist.
In der WO 2009/003207 A1 wird ein zylindrisches, mit Pins versehenes Metallteil mit Fasern umflochten. Das Metallteil weist hierbei ein Innengewinde zur Anbin- dung an ein peripheres System auf. Die auf diese Art und Weise gefertigte Verbindung ist besonders für Zugbelastung geeignet.
Sowohl in der US 201 1 /0129639 A1 als auch in der WO 2009/003207 A1 ist das metallische Bauteil innenliegend. Eine direkte Anbindung von metallischen Komponenten, die das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff umschließen, ist nicht vorgesehen.
Eine weitere Art der formschlüssigen Verbindung durch nicht-zylindrische Erhöhungen auf einem der Fügepartner ist in der DE 20 2006 001 878 U1 beschrieben. Dort wird ein thermoplastisches Krafteinleitungselement mit Fasern eingewickelt. Das Krafteinleitungselement weist hierbei Nuten auf der Oberfläche auf, in denen die Fasern abgelegt werden. Auf diese Weise wird prozessintegriert ein Form- schluss gefertigt.
In der DE 10 2009 036 509 A1 wird die prozessintegrierte Fertigung einer Schlaufenverbindung beschrieben. Das Krafteinleitungselement ist hierbei am Wellenanfang bzw. am Wellenende angebracht. Die Fasern werden bei der Fertigung im Nasswickel verfahren um auf dem Krafteinleitungselement angebrachte Erhöhungen gelegt.
Das Anbindungselement ist sowohl nach Lehre der DE 20 2006 001 878 U1 als auch nach Lehre der DE 10 2009 036 509 A1 vom Bauteil aus Faserverbundwerkstoff umgeben und am Wellenanfang bzw. am Wellenende positioniert. Die vorgesehenen Krafteinleitungselemente sind aufgrund ihrer komplexen Geometrie nur aufwändig zu fertigen.
Aus der DE 102 60 1 15 B4 ist es weiter bekannt, ein metallisches Bauteil in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff einzulaminieren. Das metallische Bauteil ist mit Nuten auf der Oberfläche versehen, in denen die Fasern zum Liegen kommen, und mit diesem einen Form- und Stoffschluss bilden. Das anzubindende metallische Funktionselement wird anschließend mit diesem integrierten metallischen Bauteil verbunden. Dies erfolgt über eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung. Das eingewickelte metallische Bauteil ist frei auf der Welle aus Faserverbundwerkstoff positionierbar. Eine detaillierte Beschreibung der Anbindungstech- nik zwischen integriertem und äußerem metallischen Bauteil erfolgt nicht. Die Fertigung des metallischen Elements ist aufwändig.
Gemäß der DE 10 2007 057 194 A1 wird ebenfalls ein metallisches Element in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff einlaminiert. Die Positionierung kann hierbei frei erfolgen. Die Welle aus Faserverbundwerkstoff beinhaltet einen Schaumkern. Die Anbindung eines metallischen Funktionselements, wie beispielsweise eines Zahnrades, auf dem integrierten metallischen Element erfolgt mittels eines Kraftschlusses. Die genaue Anbindung zwischen integriertem Element und Welle aus Faserverbundwerkstoff ist nicht ersichtlich.
Gemeinsam wird in Helms, O. :„Konstruktion und technologische Umsetzung von hochbeanspruchten Lasteinleitungssystemen für neuartige Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise"; Dissertation, TU Dresden, 2006, in der DE 10 2007 051 517 A1 und in der DE 10 2005 020 907 A1 ein Vorgehen beschrieben, Funktionselemente, wie beispielsweise Zahnräder, auf Hohlwellen aus einem Faserver- bundwerkstoff formschlüssig zu befestigen. Die Hohlwelle weist hierbei eine profilierte Außenkontur auf. Die Kontur der Kontaktfläche des Funktionselements korrespondiert mit dieser Kontur. Die Hohlwelle wird geflochten und anschließend in einem Formwerkzeug mit Hilfe eines Schlauchblasverfahrens mit dem Funktionselement verbunden. In diesem Formwerkzeug werden die zu verbindenden Komponenten zueinander positioniert. Zusätzlich zum Formschluss entsteht auf diese Art und Weise ein Stoffschluss. Die axiale Festlegung der Komponenten ist nicht näher betrachtet. Bei der direkten Anbindung von Zahnrädern auf der Welle weisen diese keine standardmäßige Innenkontur auf, was einen großen Fertigungsaufwand zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit zum Verbinden eines insbesondere metallischen Bauteils mit einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff anzugeben. Insbesondere soll eine Möglichkeit zur Schaffung einer Verbindung zwischen einem metallischen Funktions- oder Maschinenelement mit einer Welle aus einem Faserverbundwerkstoff angegeben werden. Die notwendigen Fertigungsschritte sollen sich insbesondere in die technisch bereits realisierten Herstellungsprozesse für Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff integrieren lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an dem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil mit den Schritten:
Bereitstellen wenigstens eines ersten Teilstücks eines Kernwerkzeugs und wenigstens eines zweiten Teilstücks eines Kernwerkzeugs,
Bereitstellen eines wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement umfassenden, insbesondere metallischen, Verbindungsstücks, Verbinden des ersten Teilstücks und des zweiten Teilstücks unter Zwischenlage des Verbindungsstücks zu einem Kernwerkzeug, Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug unter vorheriger, gleichzeitiger oder nachfolgender Tränkung mit einem Harz, wo- bei das Verbindungsstück mit umschlossen wird, und wobei das oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselement des Verbindungsstücks zumindest abschnittsweise frei von Fasermaterial bleibt, Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs und
Entformen des ersten Teilstücks des Kernwerkzeugs und des zweiten Teilstücks des Kernwerkzeugs, wobei das im Faserverbundwerkstoff des gebildeten Bauteils eingebundene Verbindungsstück mit dem wenigstens einen abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement als Fügestelle verbleibt.
Mit diesem Verfahren wird zunächst eine form- und stoffschlüssige Verbindung des Verbindungsstücks mit dem Faserverbundwerkstoff des Bauteils geschaffen. Dies ermöglicht eine fasergerechte Kraft- und Momenteneinleitung in den Faserverbundwerkstoff. Dadurch, dass das Zwischenstück zwischen zwei Teilstücke des Kernwerkzeugs eingefügt wird, kann die Einleitung von Kräften und Momenten über das Verbindungsstück prinzipiell an jeder axialen Position des Bauteils, und insbesondere an jeder axialen Position einer Welle aus Faserverbundwerkstoff erfolgen. Das eingebundene Verbindungsstück stellt mit den abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselementen eine flexible Schnittstelle zwischen dem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff und herkömmlichen und insbesondere metallischen Funktions- oder Maschinenelementen zur Kraft- und Momentübertragung dar. Beispielsweise kann über die Form- und/oder Kraftschlusselemente des Verbindungsstücks ein Zahnrad auf das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff montiert werden.
Die zur Einbindung des Verbindungsstücks erforderlichen Prozessschritte können problemlos in die bekannten Herstellungsprozesse für ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff integriert werden. Insbesondere ist der beschriebene Prozessablauf für ein Wickelverfahren, und insbesondere für ein Nasswickelverfahren geeignet. Bei einem Wickelverfahren wird das Fasermaterial beispielsweise in Form von Rovings, also als ein Bündel, ein Strang oder ein Multifilamentgarn aus parallelen Fasern, von einer Spule abgerollt und anschließend auf dem rotierenden Kern- Werkzeug abgelegt. Dabei erfolgt die Roving-Ablage üblicherweise allein durch die Fadenkinematik und ohne spezielle Legeköpfe. Die Umwicklung des Verbindungsstücks kann durch geeignete Formgebung, wie dies nachfolgend noch näher erläutert werden wird, optimiert werden. Beim Nasswickel verfahren wird das Fasermaterial vor dem Aufwickeln durch eine Tränkungsvorrichtung geführt und dort mit Harz getränkt oder imprägniert. Die Integration des Verbindungsstücks in das Bauteil kann jedoch auch über andere bekannte Herstellungsprozesse problemlos erfolgen. Beispielsweise kann das ein„Fiber Placemenf'-Verfahren, also die Ablage von Fasermaterial mit speziell geführten Legeköpfen, sein. Insbesondere kann das Fasermaterial auch eben aufgelegt werden. Das Kernwerkzeug selbst kann zylindrisch sein. Es kann aber auch eine komplexe Geometrie bzw. Form aufweisen; es kann flächig sein oder flächige Teilbereiche aufweisen.
Gemäß dem angegebenen Verfahren ist das Kernwerkzeug in ein erstes Teilstück und in ein zweites Teilstück geteilt, um das die Fügestelle ausbildende Verbindungsstück zwischen den beiden Kernwerkzeughälften zu positionieren. Dazu können die Kernwerkzeughälften während der Aufbringung des Fasermaterials gesteckt, verpresst, verschraubt oder sonst wie in axialer Richtung beieinander gehalten werden. Nach Abschluss der Auftragungsschrittes und Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs werden die Teilstücke des Kernwerkzeugs entformt. Im Bauteil verbleibt das Verbindungsstück als fester Bestandteil. Die Entfernbarkeit der Teilstücke des Kernwerkzeugs ermöglicht die Wiederverwendung des Kernwerkzeugs und erhöht nicht unnötig das spätere Bauteilgewicht. Grundsätzlich können durch das beschriebene Verfahren auch mehrere Verbindungsstücke auf einem Kernwerkzeug platziert werden. Auf diese Weise können in einem Fertigungsschritt gleichzeitig mehrere Bauteile mit jeweils einem Verbindungselement hergestellt werden, wodurch die Produktivität des Verfahrens verbessert wird. Nach Aushärten kann hierzu das hergestellte Produkt in einzelne Bauteile unterteilt werden. Dazu kann vorteilhaft das Kernwerkzeug mehrteilig oder ablängbar ausgebildet sein. Es können auch mehrere Verbindungsstücke nebeneinander platziert werden. Gegebenenfalls kann auch ein entsprechendes Teilstück des Kernwerkzeugs im fertigen Bauteil verbleiben. Je nach Anforderung an die Positioniergenauigkeit kann das entsprechende Teilstück auch aus einem Material hergestellt werden, welches leicht entformt werden kann. Es ist auch möglich, mit teilweise zerstörbaren Kernwerkzeugen zu arbeiten. Auch kann das Kernwerkzeug komplex und mehrteilig ausgebildet sein, um auf diese Weise entfernt werden zu können.
Unter einem Bauteil wird vorliegend zunächst das unmittelbar mit dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellte Produkt verstanden, also ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit eingebundenem Verbindungsstück, wobei wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement des Verbindungsstücks als eine Fügestelle verbleibt. Im weiteren Verlauf wird als Bauteil aber auch dieses Produkt mit einem der Fügestelle angebundenen Maschinenelement und/oder Adapterelement bezeichnet.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden, welches als Form- und/oder Kraftschlusselement wenigstens ein sich in Dickenrichtung des Bauteils erstreckendes Mitnehmerelement umfasst. Über das Mitnehmerelement kann später ein Funktions- oder Maschinenelement, oder alternativ ein Adapterelement, mechanisch unter Herstellung eines Formund/oder Kraftschlusses mit dem Verbindungsstück und damit mit dem Bauteil aus Faserverbundwerkstoff gefügt bzw. verbunden werden. Dabei kann neben einer Keilwellenverbindung auch ein Presssitz oder eine Passfederverbindung oder eine Kombination hiervon vorgesehen sein. Bei einer Keilwellenverbindung gleiten insbesondere Nuten des Funktions- oder Maschinenelements oder des Adapterelements über die freien Enden des oder jeden Mitnehmerelements, wobei die gewünschte mechanische Verbindung dann durch einen Form- und Kraftschluss realisiert ist.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden wird, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement bauteilfern einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt und bauteilnah einen im Wesentlichen runden Querschnitt zeigt. Somit weist das Mitnehmerelement im bauteilnahen Bereich eine abgerundete Außenkontur auf. Im bauteilfernen Bereich bleiben beispielsweise rechteckige Keile als Fügestellen bestehen. Die bauteilna- he kreisförmige oder abgerundete Außenkontur in einem unteren Bereich des Mitnehmerelements stellt im späteren Prozess die Fügefläche zum Faserverbundwerkstoff dar. Die dann in das Faserverbundmaterial eingebettete abgerundete oder kreisförmige Kontur stellt eine fasergerechte Grenzfläche dar, die Kerbspannungen an scharfen Kanten verhindert. Der obere, beispielsweise rechteckige Teil des Mitnehmerelements dient zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung des Verbindungsstücks mit weiteren Bauteilen in Form von Maschinen- oder Funktionselementen, insbesondere aus Metall. Eine rechteckige Form des oder jeden Mitnehmerelements ermöglicht dabei eine axiale Verschiebung und damit eine einfache Montage der weiteren Bauteile oder Bauteilkomponenten. Die Verbindung zwischen dem Verbindungsstück und den weiteren Komponenten erfolgt insbesondere und bevorzugt in Anlehnung an eine Keilwellenverbindung.
Alternativ kann auch ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden werden, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement durchgängig einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt zeigt, wobei jeweils eine Scheibe mit einer gegenüber dem Mitnehmerelement geringeren Dicke mit passendem Innenmehrkant dem oder jedem Mitnehmerelement so aufgeschoben wird, dass jeweils ein bauteilfernes freies Endstück des Mitnehmerelements verbleibt. Diese Differentialbauweise ist aus Fertigungssicht kostengünstiger als die Herstellung der Mitnehmerelemente in einem einzigen Fertigungsschritt, wie beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung.
Auch das Verbindungsstück kann mit dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement integral gefertigt werden. Auch können die Form- und/oder Kraftschlusselemente und das Verbindungsstück in Differentialbauweise hergestellt und vor dem Einsatz zwischen die Teilstücke des Kernwerkzeugs miteinander montiert werden.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement vor dem Aufbringen des Fasermaterials eine abziehbare konische Schutzkappe aufgesetzt, die jeweils nach dem Aufbringen des Fasermaterials oder nach dem Aushärten wieder abgezogen wird. Diese Schutzkappen, die beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sind, dienen als Fertigungshilfsmittel und werden nach dem Aufbringen des Fasermaterials wieder entfernt. Durch die konische Form der Schutzkappen wird ein Abgleiten der Fasern bzw. des Fasermaterials zwischen den einzelnen Form- und/oder Kraftschlusselementen am Verbindungsstück und um die jeweiligen Form- und/oder Kraftschlusselemente herum ermöglicht. Dabei werden die Fasern bzw. das Fasermaterial möglichst wenig geschädigt. Durch die Schutzkappen wird auch eine unerwünschte Verschmutzung der Form- und/oder Kraftschlusselemente durch Harz verhindert, wodurch die Positioniergenauigkeit einer Anbindung an der durch die Form- und/oder Kraftschlusselemente geschaffenen Fügestelle verringert wäre.
Nach dem Aufbringen des Fasermaterials ist das Verbindungsstück mit Fasermaterial bzw. mit dem gebildeten Faserverbundwerkstoff vollständig umschlossen. Die Fasern bzw. das Fasermaterial umschließen den unteren und insbesondere abgerundeten Teil der Form- und/oder Kraftschlusselemente. Ein entsprechendes Wickelverfahren zeichnet sich dabei durch eine flexible und anforderungsgerechte Wahl des Wickelwinkels aus, da die Fasern bzw. das Fasermaterial sowohl zwischen den Form- und/oder Kraftschlusselementen als auch mittig über den Formund/oder Formschlusselementen, geschützt durch die Schutzkappen, abgelegt werden können.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung werden die Teilstücke des Kernwerkzeugs jeweils als Zylinder oder als Hohlzylinder bereitgestellt. Hierdurch wird als Bauteil aus Faserverbundwerkstoff eine Hohlwelle gefertigt, die entlang ihrer axialen Richtung ein in den Faserverbundwerkstoff integriertes Verbindungsstück mit mechanischen Fügestellen umfasst. Das Verbindungsstück ist hierbei bevorzugt als ein Verbindungsring ausgebildet. Über den in einer Welle eingebundenen Verbindungsring kann dann mit einem Funktions- oder Maschinenelement oder Adapterelement eine mechanische Verbindung nach Art einer Welle-Nabe-Verbindung hergestellt werden.
Bevorzugt wird dem eingebundenen Verbindungsstück des Bauteils unter Herstellung einer Verbindung mit dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement ein Adapterelement aufgebracht. Zweckmäßigerweise wird dabei ein Adapterelement verwendet, welches Mittel zur axialen Festlegung und/oder Zentrierung um- fasst. Das Adapterelement wird dann über diese Mittel an dem Verbindungsstück axial festgelegt und/oder zentriert. Das Adapterelement kann beispielsweise in axialer Richtung über die Mitnehmerelemente, die an ihrem freien Ende insbesondere rechteckig ausgebildet sind, geschoben werden. Durch Passstifte, die in radialer Richtung durch das Adapterelement geschoben werden, kann das Adapterelement gegenüber dem Bauteil bzw. der Welle aus Faserverbundwerkstoff axial festgelegt werden. Auch kann das Adapterelement über einen Sicherungsring gegenüber den Form- und/oder Kraftschlusselementen axial festgelegt werden. Die Festlegung in Umfangsrichtung und die Zentrierung der Teile zueinander erfolgt vorteilhafterweise form- und/oder kraftschlüssig durch die Form- und/oder Kraftschlusselemente bzw. Mitnehmerelemente oder mit anderen Worten durch Anlage an deren entsprechenden Kontaktflächen. Auch durch die vorgenannten Passstifte kann eine Festlegung in Umfangsrichtung erfolgen.
Das Adapterelement ist bevorzugt wie das Verbindungsstück aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Beide Teile können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren des Maschinenbaus hergestellt werden. Das Adapterelement besitzt beispielsweise auf der Innenseite Nuten, die flanken- oder außenzentriert eine formschlüssige Verbindung mit den Form- und/oder Kraftschlusselementen bzw.
Mitnehmerelementen bilden.
Auf der Außenseite des Adapterelements können verschiedene aus der Metalltechnik bekannte Verbindungen, insbesondere Welle-Nabe-Verbindungen, realisiert sein. Bevorzugt sind hierbei beispielsweise ein Presssitz, eine Keilwellenverbindung und eine Passfederverbindung ausgestaltet. Je nach Belastungsart und Höhe der zu übertragenden Last kann eine geeignete Verbindungsart gewählt und in das Adapterelement integriert werden. Bevorzugt ist auch das Adapterelement als ein Adapterring gegeben, der einem Verbindungsring eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoff aufgesetzt ist. Durch die Verwendung eines Adapterelements können standardisierte Anbindungstechniken eingesetzt werden, die von Maschi- nenkomponentenherstellern in großen Stückzahlen und in standardisierten Bau- formen angeboten werden. Auf kostspielige Sonderverbindungen kann verzichtet werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem nach dem vorbeschriebenen Verfahren eingebundenen Verbindungsstück mit wenigstens einem abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement als Fügestelle gelöst.
Die für das Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle und für dessen vorteilhafte Weiterbildungen genannten Vorteile lassen sich dabei sinngemäß auf das Bauteil übertragen.
Bevorzugt umfasst das Bauteil ein Adapterelement, das mittels des oder jeden Form- und/oder Kraftschlusselements mit dem Verbindungsstück verbunden ist. Weiter bevorzugt ist ein Maschinenelement umfasst, das mit dem Adapterelement verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff als eine Welle mit einem ringförmigen Verbindungsstück ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung ein Kernwerkzeug mit zwei Teilstücken und einem dazwischen angeordneten Verbindungsstück,
Fig. 2 ein Kernwerkzeug mit zwei Teilstücken und einem dazwischen angeordneten Verbindungsstück in zusammengesetzter Form,
Fig. 3 das Kernwerkzeug nach Fig. 2 mit am Verbindungsstück angeordneten Schutzkappen,
Fig. 4 das Kernwerkzeug nach Fig. 3 mit aufgebrachtem Fasermaterial, Fig. 5 das sich nach Entformen der Teilstücke des Kernwerkzeugs entsprechend Fig. 4 ergebende Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff,
Fig. 6 das Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach Fig
aufmontierten Adapterelement,
Fig. 7 das Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach Fig
dem Adapterelement aufmontierten Zahnrad, und
Fig. 8 ein alternatives Adapterelement.
Aus Fig. 1 wird ersichtlich, wie aus einem ersten Teilstück 1 und aus einem zweiten Teilstück 2 unter Zwischenlage eines Verbindungsstücks 3 ein Kernwerkzeug 4 zur Herstellung eines wellenförmigen Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff zusammengesetzt wird. Die beiden Teilstücke 1 , 2 sind jeweils als Hohlzylinder ausgebildet. Das später Fügestellen zur Anbindung an ein Funktions- oder Maschinenelement oder an ein Adapterelement aufweisende Verbindungsstück 3 wird zwischen die beiden Teilstücke 1 und 2 eingesetzt. Unter Einspannung des Zwischenstücks 3 werden die Teilstücke 1 , 2 mittels innerer Anschlussformen 6 und einer Gewindestange 10 miteinander verschraubt. Die Anschlussformen 6 werden in die jeweiligen Teilstücke 1 , 2 eingesetzt und dienen der verbesserten Übertragung eines Torsionsmoments zwischen den Teilstücken 1 , 2 des Kernwerkzeugs 4. Vorliegend wird das Fasermaterial mittels eines Wickelverfahrens auf das Kernwerkzeug 4 aufgebracht. Dazu wird das Kernwerkzeug 4 in Rotation versetzt.
Das Verbindungsstück 3 umfasst in Umfangsrichtung gleichverteilt drei Formund/oder Kraftschlusselemente 12, die durchgängig einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 sind integral mit dem Verbindungselement 3 gefertigt. Die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 sind als rechteckige Mitnehmerelemente 14 ausgeformt und stellen somit jeweils typische Fügestellen 15 zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metalli- sehen, Bauteil dar. Das Verbindungsstück 3 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.
Vor dem Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug 4 werden den Form- und/oder Kraftschlusselementen 12 bzw. Mitnehmerelementen 14 jeweils Scheiben 1 6 mit passendem Innenmehrkant auf Anschlag aufgeschoben. Die freibleibenden Enden der Mitnehmerelemente 14 werden jeweils mit einer Schutzkappe 17 versehen. Am Grund oder bauteilnahen Ende der Mitnehmerelemente 12 ergibt sich somit eine runde Außenkontur bzw. ein runder Querschnitt. Am freien oder bauteilfernen Ende der Mitnehmerelemente 12 ergibt sich eine Fügestelle 15 mit rechteckigem Querschnitt.
Aus Fig. 2 ist ein zusammengesetztes Kernwerkzeug 4 ähnlich Fig. 1 ersichtlich. Im Unterschied zu dem Kernwerkzeug 4 nach Fig. 1 weist das Kernwerkzeug 4 in Fig. 2 ein Verbindungsstück 3 auf, welches über seinen Umfang verteilt insgesamt 4 Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 aufweist. Auf jedes dieser Formund/oder Kraftschlusselemente 12 ist jeweils eine Scheibe 1 6 aufgeschoben. Es resultiert ein runder Querschnitt in Bauteilnähe 22. Am freien bauteilfernen Ende 20 verbleibt der rechteckige Querschnitt des Form- und/oder Kraftschlusselements 12.
In Fig. 3 ist das Kernwerkzeug 4 nach Fig. 2 dargestellt, wobei nun den freien Enden 20 der einzelnen Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 jeweils eine konische Schutzkappe 17 aufgesetzt ist.
Anschließend wird das Kernwerkzeug 4 mit Fasermaterial, beispielsweise gemäß dem Nasswickelverfahren unter Rotation des Kernwerkzeugs 4, umwickelt. In diesem Fertigungszustand, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, trägt das Kernwerkzeug 4 bereits das spätere Bauteil 24, welches als eine Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff 25 gegeben ist. Dabei sind die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 an ihrer Basis 22 mit rundem Querschnitt vollständig mit Fasermaterial 25 umwickelt. Über die konusförmigen Schutzkappen 1 7 wird erreicht, dass beim Umwickeln die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 vollständig umwickelt und auch die Bereiche zwischen den Form- und/oder Kraftschlusselementen 12 gleichmäßig mit Fasermaterial 24 belegt sind.
Nach Aushärten des Harzes werden die beiden Teilstücke 1 , 2 des Kernwerkzeugs 4 entformt. Aus Fig. 5 wird das resultierende Bauteil 24 in Form einer Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff 25 ersichtlich. Dabei ist das Verbindungsstück 3 in das Faserverbundmaterial 25 integriert. Als Fügestellen 15 ragen die freien Enden 20 der Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 hervor.
In Figur 6 ist ein Bauteil 24 entsprechend Figur 5 dargestellt, wobei unter Realisation einer mechanischen Verbindung nach Art einer Keilwellenverbindung den rechteckigen Fügestellen 15 ein Adapterelement 30 axial aufgeschoben ist. Es resultiert ein Form- und Kraftschluss zwischen dem Adapterelement 30 und dem Verbindungsstück s. Die Kraft- und Momenteneinleitung geschieht dabei über die Form- und / oder Kraftschlusselemente, und hierbei insbesondere über deren abgerundeten bauteilnahen Grund. Das in Figur 6 dargestellte Adapterelement 30 ist zu einer Welle-Nabe- Verbindung nach Art einer Keilwellenverbindung ausgelegt. Über in die sichtbaren Bohrungen eingeführte Passstifte 31 , die in die radialen Bohrungen an den Form- und/oder Kraftschlusselementen 20 (sichtbar z.B. in Figur 5) eindringen, wird das Adapterelement 30 gegenüber dem Bauteil 24 in axialer Richtung und in Umfangsrichtung festgelegt. Über Kontaktflächen 32 in Nuten des Adapterelements 30 erfolgt dessen Zentrierung am Bauteil. Die Kontaktflächen 32 wirken hierbei mit den Kontaktflächen der Form- und/oder Kraftschlusselemente 20 entsprechend Figur 5 zusammen.
Aus Figur 7 wird das Bauteil entsprechend Figur 6 ersichtlich, wobei dem Adapterelement 30 unter Ausbildung einer Keilwellenverbindung als ein Maschinenelement 34 ein Zahnrad gefügt ist.
In Figur 8 ist ein alternatives Adapterelement 35 dargestellt, welches zu einer Passfederverbindung mit einem Maschinen- oder Funktionselement ausgestaltet ist. Bevorzugt sind die dargestellten Verbindungsstücke 3, Adapterelemente 30, 35 und Maschinenelemente 34 aus Metall hergestellt. Das gezeigte Bauteil 24 aus einem Faserverbundwerkstoff 25 ist als eine Hohlwelle hergestellt.
Bezugszeichenliste
1 erstes Teilstück
2 zweites Teilstück
3 Verbindungsstück
4 Kernwerkzeug
6 innere Anschlussform
8 äußere Anschlussform
10 Gewindestange
12 Form- und/oder Kraftschlusselement
14 rechteckiges Mitnehmerelement
15 Fügestelle
1 6 Scheibe
17 Schutzkappe
20 freies Ende, eckig
22 bauteilnah, rund
24 Bauteil
25 Faserverbundwerkstoff
30 Adapterelement
31 Passstift
32 Kontaktfläche
34 Maschinenelement (Zahnrad)
35 Adapterelement

Claims

Ansprüche Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle (15) an einem Bauteil (24) aus einem Faserverbundwerkstoff (25) zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil (z.B. 30, 34, 35) mit den Schritten:
Bereitstellen wenigstens eines ersten Teilstücks (1 ) eines Kernwerkzeugs (4) und wenigstens eines zweiten Teilstücks (2) eines Kernwerkzeugs (4),
Bereitstellen eines wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement (12) umfassenden, insbesondere metallischen, Verbindungsstücks (3),
Verbinden des ersten Teilstücks (1 ) und des zweiten Teilstücks (2) unter Zwischenlage des Verbindungsstücks (3) zu einem Kernwerkzeug (4),
Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug (4) unter vorheriger, gleichzeitiger oder nachfolgender Tränkung mit einem Harz, wobei das Verbindungsstück (3) mit umschlossen wird, und wobei das oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselement (12) des Verbindungsstücks (3) zumindest abschnittsweise frei von Fasermaterial bleibt,
Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs (25) und
Entformen des ersten Teilstücks (1 ) des Kernwerkzeugs (4) und des zweiten Teilstücks (2) des Kernwerkzeugs (4), wobei das im Faserverbundwerkstoff (25) des gebildeten Bauteils (24) eingebundene Verbindungsstück (3) mit dem wenigstens einen abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement (12) als Fügestelle (15) verbleibt. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei ein Verbindungsstück (3) bereitgestellt und eingebunden wird, welches als Form- und/oder Kraftschlusselement (12) wenigstens ein sich in Dickenrichtung des Bauteils (24) erstreckendes Mitnehmerelement (14) um- fasst.
Verfahren nach Anspruch 2,
wobei ein Verbindungsstück (3) bereitgestellt und eingebunden wird, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement (14) bauteilfern (20) einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt und bauteilnah (22) einen im Wesentlichen runden Querschnitt zeigt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
wobei ein Verbindungsstück (3) bereitgestellt und eingebunden wird, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement (14) durchgängig einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt zeigt, und wobei jeweils eine Scheibe (1 6) mit einer gegenüber dem Mitnehmerelement (14) geringeren Dicke mit passendem Innenmehrkant dem oder jedem
Mitnehmerelement (14) so aufgeschoben wird, dass jeweils ein bauteilfernes (20) freies Endstück des Mitnehmerelements (14) verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein mit dem oder jedem Form- und / oder Kraftschlusselement (12) integral gefertigtes Verbindungsstück (3) bereitgestellt und eingebunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei dem oder jedem Form- und / oder Kraftschlusselement (12) vor dem Aufbringen des Fasermaterials eine abziehbare konische Schutzkappe (17) aufgesetzt wird, und wobei die oder jede Schutzkappe (17) nach dem Aufbringen des Fasermaterials oder Aushärten abgezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Teilstücke (1 , 2) des Kernwerkzeugs (4) jeweils als Zylinder oder als Hohlzylinder bereitgestellt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei als Verbindungsstück (3) ein Verbindungsring bereitgestellt und eingebunden wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei dem eingebundenen Verbindungsstück (3) des Bauteils (24) unter Herstellung einer Verbindung mit dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement (12) ein Adapterelement (30, 35) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei ein Mittel (31 , 32 zur axialen Festlegung und/oder Zentrierung umfassendes Adapterelement (30, 35) aufgebracht wird, und wobei das Adapterelement (30, 35) über diese Mittel (31 , 32) an dem Verbindungsstück (3) axial festgelegt und/oder zentriert wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
wobei das oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselement (12) als
Mitnehmerelement (14) gegeben ist, und wobei das Adapterelement (30, 35) mit dem oder jedem Mitnehmerelement (14) mittels eines Presssitzes, mittels einer Keilwellenverbindung oder mittels einer Passfederverbindung verbunden wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 ,
wobei mit dem Adapterelement (30, 35) ein Maschinenelement (34) verbunden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Maschinenelement (34) mit dem Adapterelement (30, 35) mittels eines Presssitzes, mittels einer Keilwellenverbindung oder mittels einer Passfederverbindung verbunden wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Kernwerkzeug (4), insbesondere mittels eines Nasswickelverfahrens, mit Fasermaterial umwickelt wird.
15. Bauteil (24) aus einem Faserverbundwerkstoff (25) mit einem nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingebundenen Verbindungsstück (3) mit wenigstens einem abschnittsweise freien Formund/oder Kraftschlusselement (12) als Fügestelle (15).
1 6. Bauteil (24) nach Anspruch 15 mit einem Adapterelement (30, 35), das mittels des oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselements (12) mit dem Verbindungsstück (3) verbunden ist.
17. Bauteil (24) nach Anspruch 1 6 mit einem Maschinenelement (34), das mit dem Adapterelement (30, 33) verbunden ist.
18. Bauteil (24) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, das als eine Welle mit ringförmigem Verbindungsstück (3) ausgebildet ist.
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