WO2020109558A1 - Verfahren zum herstellen einer feder-baugruppe, feder-baugruppe und feder einer feder-baugruppe - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer feder-baugruppe, feder-baugruppe und feder einer feder-baugruppe Download PDF

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fibers
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composite material
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Dieter Lechner
Marcel GROSS
Sebastian Bernard
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/366—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers made of fibre-reinforced plastics, i.e. characterised by their special construction from such materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2226/00—Manufacturing; Treatments
    • F16F2226/04—Assembly or fixing methods; methods to form or fashion parts

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a spring assembly, comprising a spring and at least one attachment, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a spring assembly and a spring, which at least in sections consists of a fiber composite material with a matrix and fibers is formed.
  • springs in particular helical springs or torsion bar springs, from fiber composite materials.
  • the connection of such springs made of fiber composite materials with attachments such. B. with spring washers or
  • connection methods such as. B. the gluing of the components, do not offer a permanent positive connection between the spring and the associated attachments. After the corresponding connection has become tired, there are often relative movements between the components, which can lead to damage to the contact surfaces. It is also known that
  • Dirt particles and / or liquids can penetrate into the gap between a spring and an associated attachment. This leads to an abrasive or corrosive removal of the components. Abrasive or corrosive phenomena, in particular in the case of components which are formed from fiber composite plastics or plastics, can lead to early failures of the components.
  • connection area between the spring and an attachment Prevents connection area between the spring and an attachment. Furthermore, the task is to specify a further developed spring assembly and a further developed spring.
  • the invention is based on the idea of specifying a method for producing a spring assembly which comprises a spring and at least one add-on part, the method comprising the following method steps: a) providing a spring, in particular a helical spring or a torsion bar spring, at least in sections from a
  • Fiber composite material is formed with a matrix and fibers, the spring in the region of the fiber composite material at least one
  • Has connecting portion for attaching an attachment b) at least sections of openings and / or
  • step a) the method according to the invention is initially based on provided springs which are formed from a fiber composite material.
  • the springs are selected from a group of helical springs, in particular helical compression springs, tension coil springs, conical springs, spring springs,
  • Bending springs particularly preferably spiral springs, twisted torsion springs, or torsion bar springs, in particular stabilizers and combinations thereof.
  • the fiber composite material can in particular be
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the fiber composite material can be formed from mineral or organic fibers and a resinous base material. Furthermore, it is possible that the fiber composite material is based on a mixed material with glass and carbon fiber layers.
  • the fiber composite material has several fiber layers.
  • a fiber layer can comprise several fibers woven together. Furthermore, it is possible for a fiber layer to comprise unidirectional fiber bundles or to consist of unidirectional fiber bundles.
  • a fiber layer can be
  • the matrix of the fiber composite material of the spring can be formed from thermoplastic and / or elastomer and / or duroplastic.
  • the matrix consists of epoxy resin.
  • the mineral or organic fibers are preferably formed in sections.
  • the fibers are particularly preferably carbon fibers and / or glass fibers.
  • the fibers can be short fibers and / or long fibers and / or continuous fibers.
  • the at least one add-on part of the spring assembly can be, for example, a spring plate or a spring pad or a bearing element.
  • the at least one add-on part is preferably formed from plastic and / or from a fiber composite and / or from metal.
  • the add-on part is formed from plastic, in particular from a thermoplastic and / or an elastomer and / or a thermoset.
  • openings and / or depressions are introduced at least in sections in the connecting section.
  • the connecting section is the section of the spring to which the at least one attachment part is attached.
  • a connection between the spring and the attachment is made in the connecting section of the spring.
  • the spring it is possible for the spring to have several connecting sections. Several attachments can be connected to the spring.
  • the at least one connecting section is preferably designed as a delimited contact surface, an attachment part to be connected being brought into contact or being in contact with this contact surface.
  • Breakthroughs are to be understood as sections of the connecting section which represent a complete removal of material.
  • Depression is such a section of a
  • Connection section which represents a partial material removal.
  • Both the fibers and the matrix of the fiber composite material have been removed in the openings and in the free spaces forming the depressions.
  • the shape of the openings can be variable.
  • the openings can have, for example, a circular shape, an elliptical shape, an elongated hole shape, a rectangular shape, a square shape or a polygonal shape. Furthermore, it is possible for the openings to have different shapes or structures. Furthermore, it is possible that the
  • Breakthroughs are designed as slots.
  • the individual openings can be arranged at the same or different distances from one another.
  • Circumferential lines of a spring provided are formed.
  • Breakthroughs can be holes, for example.
  • the depressions can be blind holes, for example.
  • the depressions can be designed as grooves. It is possible for the depressions to be formed on common circumferential lines of the spring section. The depressions can have different cross-sectional shapes. In particular, it is possible that the
  • Wells have a triangular cross-section. Also a
  • Fiber composite material in this area removed completely or in sections.
  • the fibers of the fiber composite material are destroyed or severed at least in sections.
  • the edge regions of the openings and / or depressions may have sections which comprise exposed fibers. In this area only the matrix is removed, whereas the fibers are exposed.
  • the exposed fibers are particularly preferably residual pieces of separated fibers to form the openings and / or depressions.
  • step c) the add-on part is attached to this connecting section, which comprises openings and / or depressions after step b)
  • the invention is based on the fact that openings and / or depressions are formed on a spring made of composite material in the sections provided for the connection to the add-on part. At least one add-on part can be attached to these openings and / or depressions by primary shaping from the liquid phase, so that the still liquid material of the add-on part flows into the openings and / or depressions.
  • the material of the attachment then hardens, so that a
  • the temperature of the liquid phase of the material of the attachment is the same.
  • the temperature of the liquid phase of the material of the attachment can be chosen such that the temperature of the matrix in the area of contact with the liquid phase does not rise above the glass transition temperature Tg of the matrix.
  • the temperature of the liquid phase of the material of the add-on part should preferably be selected such that the matrix material is not burned.
  • the connection between a spring and at least one add-on part that can be produced or produced on the basis of the method according to the invention is designed to be permanently form-fitting in such a way that relative movements between the
  • Components can be prevented. In addition, no dirt particles and / or liquids can get between the components, i.e. between the spring and the attachment in the connecting section.
  • a laser is preferably used in step b).
  • Breakthroughs and / or depressions are thus preferably carried out by means of a laser, in particular by means of an ultra-short pulse laser.
  • Laser pulses with a duration of ⁇ 20 ps are preferred
  • Lasers with a wavelength of up to 1,064 nm are preferably used.
  • a laser is based on using such a laser with an average power of up to 400 W (watts), in particular up to 100 W, particularly preferably with a power of 30-80 W.
  • Fiber composite material can be up to 1 MHz (megahertz).
  • the preferred use of a laser, in particular an ultrashort pulse laser, has the
  • the fiber composite material can be processed and / or removed in a location and depth selective manner.
  • the master molding process mentioned in step c) can in particular be an injection molding process or a casting process or an injection molding process.
  • These primary shaping processes have the advantage that a liquid material is initially present, which can be applied in the region of the connecting section, so that the openings and / or depressions with the liquid
  • Material can be filled and / or enclosed and then cured.
  • step c) a connecting element is produced by means of the master molding process, which connects the add-on part to the spring.
  • a connecting element is produced by means of the master molding process, which connects the add-on part to the spring.
  • it is not the add-on part itself that is produced in a primary molding process, but a connecting element.
  • one of those attached connecting element has the advantage that a permanent positive connection between the spring and the connecting element is produced.
  • a spring provided and machined according to step b) and a provided add-on part are connected to one another in step c) by forming a connecting element. Accordingly, in this context it is not the add-on part that is produced using the primary molding process, but the connection between the spring and the add-on part.
  • connection takes place on the basis of an injection molding process and / or casting process and / or injection molding process.
  • the add-on part prefferably be produced in step c) by means of the master molding process and simultaneously connected to the spring.
  • a spring assembly comprising a spring, in particular a helical spring or a torsion bar spring, and at least one add-on part, in particular a spring plate or a
  • Spring pad or a bearing element the spring assembly being produced by means of a method according to the invention.
  • a spring in particular a helical spring or torsion bar spring, for producing a spring assembly, the spring being formed at least in sections from a fiber composite material with a matrix and fibers.
  • the spring according to the invention is in particular designed such that it can be used in the method according to the invention for producing a spring assembly.
  • the spring has at least one connecting section for attaching an attachment, the connecting section having openings and / or
  • a depression is such a section of a wall of the spring which has a partial material removal or a partial material removal. The above applies to the shape of the openings and / or depressions.
  • the fibers of the fiber composite material can be formed from mineral or organic material.
  • the fibers are made of carbon and / or glass.
  • the matrix is formed in particular from a plastic material.
  • a plastic material In a particularly preferred embodiment of the invention, it is a thermoplastic and / or thermoset and / or elastomer.
  • a particularly preferred material for forming the matrix is epoxy resin.
  • the fiber composite material of the spring can therefore be any material.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the openings and / or depressions may have edge regions at least in sections, which comprise exposed fibers.
  • edge regions which comprise exposed fibers.
  • only the matrix is removed in the edge regions, so that the fibers are exposed at least in sections.
  • the matrix in the connecting section is removed in such a way that fibers of the
  • connection section are exposed.
  • the fibers are exposed in such a way that they are not destroyed.
  • the fibers are exposed in step b) without destruction.
  • only the matrix material of the fiber composite material is removed, so that the fibers are neither cut through nor damaged in any other way.
  • step c) the add-on part is attached to this connecting section, which comprises fibers exposed after step b), by means of an original molding process.
  • the invention is based on a spring
  • Composite material in the surfaces or boundary layer areas provided for the connection to the add-on part is removed by suitable means, so that the fibers are exposed undamaged.
  • At least one add-on part can be formed on the fibers exposed in this way, in particular on the fiber structure exposed in this way, by primary shaping from the liquid phase
  • the temperature of the liquid phase of the material of the attachment is the same.
  • the temperature of the liquid phase of the material of the attachment can be chosen such that the temperature of the matrix in the area of contact with the liquid phase does not rise above the glass transition temperature Tg of the matrix.
  • the temperature of the liquid phase of the material of the add-on part should preferably be selected such that the matrix material is not burned.
  • connection between a spring and at least one add-on part that can be produced on the basis of the method according to the invention is designed to be permanently form-fitting in such a way that relative movements between the components are prevented.
  • Liquids between the components i.e. between the spring and the attachment in the connecting section.
  • a laser is preferably used in step b). That in sections
  • the matrix is therefore preferably removed by means of a laser
  • Laser pulses with a duration of ⁇ 20 ps are preferred
  • Lasers with a wavelength of up to 1,064 nm are preferably used.
  • the use of a laser is based on using such a laser with an average power of up to 400 W (watts), in particular up to 100 W, particularly preferably with a power of 30-80 W.
  • the repetition rate of the laser beams to be applied to the matrix can be up to 1 MHz (megahertz).
  • the preferred use of a laser, in particular an ultrashort pulse laser has the advantage that the matrix material can be processed and / or removed in a location- and depth-selective manner.
  • the master molding process mentioned in step c) can in particular be an injection molding process or a casting process or an injection molding process.
  • These primary shaping processes have the advantage that a liquid material is initially present, which can be applied in the region of the connecting section, so that exposed fibers can be enclosed by the liquid material and then cured.
  • step c) a connecting element is produced by means of the master molding process, which connects the add-on part to the spring.
  • a connecting element is not the add-on part itself that is produced in a primary molding process, but a connecting element.
  • a connecting element attached in this way also has the advantage that a permanent positive connection is established between the spring and the connecting element.
  • step b) it is possible that a spring provided and machined according to step b) and a provided add-on part are connected to one another in step c) by forming a connecting element. Accordingly, the add-on part is not used in the primary molding process in this context
  • connection takes place on the basis of an injection molding process and / or casting process and / or injection molding process.
  • the matrix is preferably removed to such a depth that at least one fiber of a near-surface fiber layer is completely exposed with respect to the fiber cross section.
  • a near-surface fiber layer is defined below in such a way that it is the outermost fiber layer of the
  • Fiber composite material of the spring affects. When the matrix is removed, this fiber layer is the first exposed fiber layer.
  • a fiber layer can comprise several fibers woven together. Furthermore, it is possible for a fiber layer to comprise unidirectional fiber bundles or to consist of unidirectional fiber bundles.
  • a fiber layer can for example a mat or a fabric or a scrim or a mesh or a random fiber mat or a non-woven or a 3D fabric or a 2D fabric or a knitted fabric.
  • the matrix is removed or removed to such a depth that at least one fiber of a near-surface fiber layer, in particular a section of a near-surface fiber layer, is completely exposed from the matrix. This means that the fiber (s) are mostly round
  • the fiber cross section is / are substantially completely freed from the matrix material.
  • a spring assembly comprising a spring, in particular a coil spring or a torsion bar spring, and
  • At least one attachment in particular a spring plate or a
  • Spring pad or a bearing element the spring assembly being produced by means of a method according to the invention.
  • a spring in particular a helical spring or torsion bar spring, for producing a spring assembly, the spring being formed at least in sections from a fiber composite material with a matrix and fibers.
  • the spring according to the invention is in particular designed such that it can be used in the method according to the invention for producing a spring assembly.
  • the spring has at least one connecting section for attaching an attachment, the connecting section having fibers exposed by the matrix.
  • the fibers can be formed from mineral or organic material.
  • the fibers are made of carbon and / or glass.
  • the matrix is formed in particular from a plastic material.
  • a plastic material In a particularly preferred embodiment of the invention, it is a thermoplastic and / or thermoset and / or elastomer.
  • a particularly preferred material for forming the matrix is epoxy resin.
  • the fiber composite material of the spring can therefore be any material.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • At least one fiber of a near-surface fiber layer is preferably completely exposed with respect to the fiber cross section.
  • Fiber composite material is formed with a matrix (22) and fibers (25), the spring (10) in the area of the fiber composite material having at least one connecting section (20) for attaching an attachment (40);
  • Connection section (20) and at least in sections, in particular the fibers (25) are not destructive, exposing fibers (25) in
  • the matrix (22) is removed in sections by means of a laser, in particular by means of an ultrashort pulse laser.
  • the primary molding process is a spraying process or a casting process or an injection molding process.
  • step c) the add-on part (40) is produced by means of the master molding process and at the same time connected to the spring (10).
  • step c) a connecting element is produced by means of the master molding process, which connects the add-on part (40) to the spring (10).
  • step b) the matrix (22) is removed to such a depth that at least fibers (25) of a near-surface fiber layer (28) are completely exposed with respect to the fiber cross section.
  • Spring assembly (30) comprising a spring (10), in particular a helical spring or a torsion bar spring, and at least one add-on part (40), in particular a spring plate or a spring base or a bearing element, the spring assembly (30) using a method is produced according to one of the embodiments 1 to 6.
  • connecting section (20) for attaching an attachment (40), the connecting section (20) having fibers (25) exposed by the matrix (22).
  • the fibers (25) are formed from carbon and / or glass.
  • the matrix (22) is formed from a plastic material, in particular from thermoset and / or elastomer and / or thermoplastic.
  • Fig. La a perspective view of a portion of a
  • Fig. Lb a cross section through a spring in the connecting section
  • 3b a cross section through a spring in the connecting section.
  • Fig. La shows a partial perspective view of a spring 10 according to the invention.
  • This spring 10 is, for example, a
  • Torsion bar spring The spring 10 is formed from a fiber composite material.
  • the spring 10 is formed from carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic.
  • the spring 10 has a connecting section 20.
  • the connecting section 20 is used for later connection of an attachment to the spring 10th
  • the spring 10 prefferably has a plurality of connecting sections 20.
  • openings 50 are formed in the connecting section 20. In the present case, four openings 50 are shown.
  • the breakthroughs are complete material removals.
  • the openings have an elongated hole shape.
  • the openings 50 are evenly spaced from one another. Alternatively, it is possible for multiple breakthroughs
  • Fig. La is also shown that the openings 50 on a
  • FIG. 1b A further embodiment with respect to a spring 10 according to the invention is shown in FIG. 1b.
  • the surface 15 of a connecting section 20 can be seen in the cross section shown.
  • Wells 60 are made in surface 15.
  • the depressions 60 are designed as blind holes. In the example shown, these depressions 60 are evenly spaced from one another.
  • Edge regions 61 can also be formed in the depressions 60, which have fiber sections freed or exposed from the matrix.
  • Wells 60 can be the plastic material of the also indicated
  • a particularly positive connection between the attachment 40 and the spring 10 can be established.
  • An ultrashort pulse laser is used in particular to introduce the openings 50 and / or depressions 60 into the connecting section 20.
  • the fiber composite material can be removed in a location- and depth-selective manner. This is particularly advantageous when the recesses 60 are formed.
  • Connections 20 introduced and openings 50 and / or depressions 60 can be used in a further method step for connection to / the attachment.
  • the liquid material of the add-on part and / or of a connecting element is inserted into the
  • Indentations 60 introduced or flows through the openings 50.
  • the liquid material then hardens. Because of this, a positive connection is established.
  • FIG. 2 shows a spring assembly 30 according to the invention. This initially comprises a spring 10.
  • the spring 10 is made at least in sections
  • Fiber composite material in particular carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic.
  • openings 50 and / or depressions 60 were first made in a connecting section 20.
  • the attachment 40 was attached to the connecting section 20 by means of a master molding process.
  • the attachment 40 can be a spring plate, a spring pad or a bearing element.
  • FIG 3a shows a perspective view of a spring 10 according to the invention.
  • This spring 10 is a torsion bar spring.
  • the spring 10 is formed from a fiber composite material.
  • the spring 10 is formed from carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic.
  • the spring 10 has a connecting section 20 on the surface 15.
  • the connecting section 20 serves for the later connection of an add-on part with the spring 10. It is possible for several on the surface 15
  • Connection sections 20 are formed.
  • a possible connection section 20 is shown in more detail in FIG. 3b.
  • a plurality of fibers 25 are exposed from the matrix 22.
  • the example shown shows four fiber layers 26 with associated fibers 25 exposed by the matrix 22.
  • the fibers 25 are exposed non-destructively. In other words, the fiber layers 26 are intact. No fibers 25 are separated and / or perforated and / or removed in sections.
  • the near-surface fiber layer 28 is exposed.
  • the near-surface fiber layer 28 is the fiber layer 26 which, starting from the surface 15, forms the first fiber layer.
  • part of the fibers 25 lies at a 90 ° angle to the other part of the fibers 25.
  • the fibers can assume any angle to one another within a fiber layer 26. It is possible that the fibers are unidirectional or multidirectional.
  • the fibers 25 are unidirectional.
  • the fiber layers 26 are formed as a fabric.
  • a fiber layer 26 can have a one-, two- or three-dimensional architecture.
  • a one-dimensional layer can e.g. B. from unidirectional rovings or unidirectional multifilaments or
  • three-dimensional architecture include Tangled fiber mats, nonwovens, 2D fabrics, 3D fabrics, scrims, braids and knitted fabrics.
  • Exposing the fibers 25 of the fiber layers 26 uses an ultrashort pulse laser.
  • an ultrashort pulse laser With the help of such an ultrashort pulse laser, the material of the matrix 22, in particular the plastic material, can be removed in a location- and depth-selective manner.
  • the exposed fiber structure of the spring 10 can in another
  • Process step for connection to an attachment can be used.
  • the liquid material of the add-on part and / or a connecting element is applied to the exposed fibers 25 of the fiber layers 26 in a master molding process.
  • the liquid material encloses the initially exposed fibers 25 and then hardens. Because of this, a positive connection is established.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe (30), umfassend eine Feder (10) und mindestens ein Anbauteil (40). Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Feder (10), insbesondere einer Schraubenfeder oder einer Drehstabfeder, die zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist, wobei die Feder (10) im Bereich des Faserverbundwerkstoffes mindestens einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines Anbauteils (40) aufweist; b) zumindest abschnittsweises Einbringen von Durchbrüchen (50) und/oder Vertiefungen (60) in den Verbindungsabschnitt (20); c) Anbringen des Anbauteils (40) am Verbindungsabschnitt (20) mittels eines Urformverfahrens.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, Feder-Baugruppe und
Feder einer Feder-Baugruppe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, umfassend eine Feder und mindestens ein Anbauteil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Feder-Baugruppe sowie eine Feder, die zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist.
Es ist bekannt, Federn, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern, aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Die Verbindung derartiger Federn aus Faserverbundwerkstoffen mit Anbauteilen, wie z. B. mit Federtellern oder
Federunterlagen, stellt sich jedoch als problematisch dar. Derartige Anbauteile sind oftmals aus Kunststoff, Faserverbundwerkstoffen oder Elastomeren gebildet.
Bislang bekannte Verbindungsmethoden, wie z. B. das Verkleben der Bauteile, bieten keine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und den zugehörigen Anbauteilen. Nach Ermüdung der entsprechenden Verbindung treten oftmals Relativbewegungen zwischen den Bauteilen auf, die zu Beschädigungen an den Berührungsflächen führen können. Außerdem ist es bekannt, dass
Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten in den Spalt zwischen einer Feder und einem zugehörigen Anbauteil eindringen können. Dies führt zu einem abrasiven oder korrosiven Abtrag an den Bauteilen. Insbesondere bei Bauteilen, die aus Faserverbundkunststoffen oder Kunststoffen gebildet sind, können abrasive oder korrosive Phänomene zu Frühausfällen der Bauteile führen.
Aus dem Vorgenannten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, insbesondere ein Verfahren zum Verbinden einer Feder-Baugruppe, anzugeben, die zu einer dauerhaften formschlüssigen Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem
Anbauteil führt. Aufgrund der erfindungsgemäß hergestellten Feder-Baugruppe sollen Relativbewegungen zwischen den Bauteilen verhindert werden.
Des Weiteren soll aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Feder-Baugruppe eine derartige Verbindung zur Verfügung gestellt werden, die das Eindringen von Schmutzpartikeln und/oder Flüssigkeiten in den
Verbindungsbereich zwischen der Feder und einem Anbauteil verhindert. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine weiterentwickelte Feder-Baugruppe sowie eine weiterentwickelte Feder anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren zum
Herstellen einer Feder-Baugruppe durch den Gegenstand des Anspruches 1, im Hinblick auf die Feder-Baugruppe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 6 und im Hinblick auf die Feder durch den Gegenstand des Patentanspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen einer Feder-Baugruppe sowie der erfindungsgemäßen Feder sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, die eine Feder und mindestens ein Anbauteil umfasst, anzugeben, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen einer Feder, insbesondere einer Schraubenfeder oder einer Drehstabfeder, die zumindest abschnittsweise aus einem
Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist, wobei die Feder im Bereich des Faserverbundwerkstoffes mindestens einen
Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines Anbauteils aufweist; b) zumindest abschnittsweises Einbringen von Durchbrüchen und/oder
Vertiefungen in den Verbindungsabschnitt; c) Anbringen des Anbauteils am Verbindungsabschnitt mittels eines
Urformverfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht zunächst im Schritt a) von bereitgestellten Federn aus, die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
Die Federn sind ausgewählt aus einer Gruppe von Schraubenfedern, insbesondere Schraubendruckfedern, Schraubenzugfedern, Kegelfedern, Sprungfedern,
Biegefedern, besonders bevorzugt Spiralfedern, gewundenen Torsionsfedern, oder Drehstabfedern, insbesondere Stabilisatoren und Kombinationen hiervon. Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich insbesondere um
kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln. Des Weiteren kann es sich bei dem Faserverbundwerkstoff um glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) handeln.
Generell kann der Faserverbundwerkstoff aus mineralischen oder organischen Fasern und einem harzartigen Grundstoff gebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass der Faserverbundwerkstoff auf einem Mischwerkstoff mit Glas- und Carbonfaserlagen beruht.
Es ist möglich, dass der Faserverbundwerkstoff mehrere Faserlagen aufweist.
Eine Faserlage kann mehrere miteinander verwobene Fasern umfassen. Des Weiteren ist es möglich, dass eine Faserlage unidirektionale Faserbündel umfasst oder aus unidirektionalen Faserbündeln besteht. Eine Faserlage kann
beispielsweise eine Matte oder ein Gewebe oder ein Gelege oder ein Geflecht oder eine Wirrfasermatte oder ein Vlies oder ein 3D-Gewebe oder ein 2D-Gewebe oder ein Gestrick sein.
Die Matrix des Faserverbundwerkstoffs der Feder kann aus Thermoplast und/oder Elastomer und/oder Duroplast gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix aus Epoxidharz.
Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes aus dem die Feder zumindest
abschnittsweise gebildet ist, sind vorzugsweise mineralische oder organische Fasern. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um Carbonfasern und/oder Glasfasern.
Die Fasern können Kurzfasern und/oder Langfasern und/oder Endlosfasern sein.
Das mindestens eine Anbauteil der Feder-Baugruppe kann beispielsweise ein Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement sein.
Das mindestens eine Anbauteil ist vorzugsweise aus Kunststoff und/oder aus einem Faserverbund und/oder aus Metall gebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anbauteil aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast und/oder einem Elastomer und/oder einem Duroplast, gebildet. Im Schritt b) erfolgt das zumindest abschnittsweise Einbringen von Durchbrüchen und/oder Vertiefungen im Verbindungsabschnitt.
Bei dem Verbindungsabschnitt handelt es sich um den Abschnitt der Feder, an dem das mindestens eine Anbauteil angebracht wird. Mit anderen Worten wird im Verbindungsabschnitt der Feder eine Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil hergestellt.
Es ist möglich, dass die Feder mehrere Verbindungsabschnitte aufweist. Es können mehrere Anbauteile mit der Feder verbunden werden oder sein.
Der mindestens eine Verbindungsabschnitt ist vorzugsweise als eine abgegrenzte Kontaktfläche ausgebildet, wobei ein zu verbindendes Anbauteil mit dieser Kontaktfläche in Kontakt gebracht wird oder in Kontakt steht.
Als Durchbrüche sind derartige Abschnitte des Verbindungsabschnittes zu verstehen, die eine vollständige Materialentfernung darstellen. Bei einer
Vertiefung handelt es sich um einen derartigen Abschnitt eines
Verbindungsabschnittes, der eine Teil-Materialentfernung darstellt.
In den Durchbrüchen und in den die Vertiefungen bildenden Freiräumen sind sowohl die Fasern auch als die Matrix des Faserverbundwerkstoffes entfernt.
Die Form der Durchbrüche kann variabel sein. Die Durchbrüche können beispielsweise eine kreisrunde Form, eine elliptische Form, eine Langlochform, eine rechteckige Form, eine quadratische Form oder eine polygonale Form aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Durchbrüche unterschiedliche Formen bzw. Strukturen aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass die
Durchbrüche als Schlitze ausgebildet sind. Die einzelnen Durchbrüche können in gleichen oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein.
Insbesondere ist es möglich, dass die Durchbrüche auf gemeinsamen
Umfangslinien einer bereitgestellten Feder ausgebildet sind. Bei den
Durchbrüchen kann es sich beispielsweise um Bohrungen handeln.
Bei den Vertiefungen kann es sich beispielsweise um Sacklöcher handeln.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Vertiefungen als Nuten ausgebildet sind. Es ist möglich, dass die Vertiefungen auf gemeinsamen Umfangslinien des Federabschnittes ausgebildet sind. Die Vertiefungen können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass die
Vertiefungen einen dreiecksförmigen Querschnitt aufweisen. Auch ein
rechteckiger oder quadratischer Querschnitt ist möglich.
Beim Einbringen der Durchbrüche und/oder Vertiefungen wird der
Faserverbundwerkstoff in diesem Bereich vollständig oder abschnittsweise entfernt. Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes werden dabei zumindest abschnittsweise zerstört oder durchtrennt.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Randbereiche der Durchbrüche und/oder Vertiefungen derartige Abschnitte aufweisen, die freigelegte Fasern umfassen. In diesem Bereich ist lediglich die Matrix entfernt, wohingegen die Fasern freigelegt sind. Bei den freigelegten Fasern handelt es sich insbesondere vorzugsweise um Reststücke von abgetrennten Fasern zur Bildung der Durchbrüche und/oder Vertiefungen.
An diesem Verbindungsabschnitt, der nach dem Schritt b) Durchbrüche und/oder Vertiefungen umfasst, wird im Schritt c) das Anbauteil mittels eines
Urformverfahrens angebracht.
Mit anderen Worten beruht die Erfindung darauf, dass an einer Feder aus Verbundwerkstoff in den für die Verbindung mit dem Anbauteil vorgesehenen Abschnitten Durchbrüche und/oder Vertiefungen ausgebildet werden. In diese Durchbrüche und/oder Vertiefungen kann mindestens ein Anbauteil durch Urformen aus der flüssigen Phase angebracht werden, so dass der noch flüssige Werkstoff des Anbauteils in die Durchbrüche und/oder Vertiefungen fließt.
Anschließend härtet der Werkstoff des Anbauteils aus, so dass eine
formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil entsteht.
Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist
vorzugsweise geringer als die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix. Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils kann derart gewählt sein, dass die Temperatur der Matrix im Berührungsbereich zur flüssigen Phase nicht über die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix steigt. Die
Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist vorzugsweise derart zu wählen, dass keine Verbrennungen des Matrixmaterials erfolgen. Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare oder hergestellte Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem Anbauteil ist derart dauerhaft formschlüssig ausgelegt, dass Relativbewegungen zwischen den
Bauteilen verhindert werden. Außerdem können keine Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten zwischen die Bauteile, d.h. zwischen die Feder und an das Anbauteil im Verbindungsabschnitt, gelangen.
Im Schritt b) wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Das Einbringen von
Durchbrüchen und/oder Vertiefungen erfolgt somit vorzugsweise mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers.
Vorzugsweise werden dabei Laserimpulse mit einer Dauer von < 20 ps
(Picosekunden), insbesondere < 10 ps, auf den Faserverbundwerkstoff
aufgebracht. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge bis zu 1.064 nm (Nanometer) verwendet.
Des Weiteren beruht die Verwendung eines Lasers darauf, einen derartigen Laser mit einer mittleren Leistung von bis zu 400 W (Watt), insbesondere bis 100 W, besonders bevorzugt mit einer Leistung von 30 - 80 W, zu verwenden.
Die Wiederholungsrate der aufzubringenden Laserstrahlen auf den
Faserverbundwerkstoff kann bis zu 1 MHz (Megahertz) betragen. Die bevorzugte Verwendung eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers, hat den
Vorteil, dass der Faserverbundwerkstoff orts- und tiefenselektiv bearbeitet und/oder entfernt werden kann.
Bei dem in Schritt c) genannten Urformverfahren kann es sich insbesondere um ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren handeln. Diese Urformverfahren haben den Vorteil, dass zunächst ein flüssiger Werkstoff vorliegt, der in den Bereich des Verbindungsabschnittes aufgebracht werden kann, so dass die Durchbrüche und/oder Vertiefungen mit dem flüssigen
Werkstoff gefüllt und/oder umschlossen und anschließend ausgehärtet werden können.
Des Weiteren ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das Anbauteil mit der Feder verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel wird demnach nicht das Anbauteil selbst in einem Urformverfahren hergestellt, sondern ein Verbindungselement. Auch ein derartig angebrachtes Verbindungselement weist den Vorteil auf, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem Verbindungselement hergestellt wird.
Es ist insbesondere möglich, dass eine bereitgestellte und gemäß Schritt b) bearbeitete Feder sowie ein bereitgestelltes Anbauteil in einem Schritt c) mittels Bildung eines Verbindungselements miteinander verbunden werden. Demnach wird in diesem Zusammenhang nicht das Anbauteil im Urformverfahren hergestellt, sondern die Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil.
Die Verbindung erfolgt in diesem Fall aufgrund eines Spritzverfahrens und/oder Gießverfahrens und/oder Spritzgussverfahrens.
Insbesondere ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens das Anbauteil hergestellt und gleichzeitig mit der Feder verbunden wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder-Baugruppe, umfassend eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder eine Drehstabfeder, und mindestens ein Anbauteil, insbesondere einen Federteller oder eine
Federunterlage oder ein Lagerelement, wobei die Feder-Baugruppe mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Bezüglich der Materialien aus denen die Feder und/oder das Anbauteil gebildet sind, gilt vorher Genanntes.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Feder-Baugruppe gehen die gleichen Vorteile oder ähnliche Vorteile einher, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt sind.
Ein weiterer, insbesondere nebengeordneter, Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder Drehstabfeder, zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, wobei die Feder zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist.
Die erfindungsgemäße Feder ist insbesondere derart ausgebildet, dass diese beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe verwendet werden kann.
Die Feder weist mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines Anbauteils auf, wobei der Verbindungsabschnitt Durchbrüche und/oder
Vertiefungen aufweist. Als Durchbruch ist insbesondere ein derartiger Abschnitt einer Wandung der Feder zu verstehen, die einen vollständigen Materialabtrag bzw. Materialentfernung aufweist.
Bei einer Vertiefung handelt es sich um einen derartigen Abschnitt einer Wandung der Feder, die einen Teil-Materialabtrag bzw. eine Teil-Materialentfernung aufweist. Bezüglich der Form der Durchbrüche und/oder Vertiefungen gilt vorher Genanntes.
Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes können aus mineralischem oder organischem Material gebildet sein. Insbesondere sind die Fasern aus Carbon und/oder Glas gebildet.
Die Matrix ist insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Thermoplast und/oder Duroplast und/oder Elastomer. Ein besonders bevorzugtes Material zur Ausbildung der Matrix ist Epoxidharz.
Bei dem Faserverbundwerkstoff der Feder kann es sich demnach um
glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) und/oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Durchbrüche und/oder Vertiefungen zumindest abschnittsweise Randbereiche aufweisen, die freigelegte Fasern umfassen. Mit anderen Worten ist in den Randbereichen lediglich die Matrix entfernt, so dass die Fasern zumindest abschnittsweise freigelegt sind.
Die Matrix im Verbindungsabschnitt wird derart entfernt, dass Fasern des
Verbindungsabschnittes freigelegt werden. Insbesondere werden die Fasern derart freigelegt, dass diese nicht zerstört werden. Mit anderen Worten erfolgt im Schritt b) ein zerstörungsfreies Freilegen der Fasern. Mit wiederum anderen Worten wird lediglich das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes entfernt, so dass die Fasern weder durchtrennt noch auf andere Art und Weise beschädigt werden.
An diesem Verbindungsabschnitt, der nach dem Schritt b) freigelegte Fasern umfasst, wird im Schritt c) das Anbauteil mittels eines Urformverfahrens angebracht. Mit anderen Worten beruht die Erfindung darauf, dass an einer Feder aus
Verbundwerkstoff in den für die Verbindung mit dem Anbauteil vorgesehenen Oberflächen bzw. Randschichtenbereichen das Matrixmaterial mit geeigneten Mitteln beseitigt wird, so dass die Fasern unbeschädigt freigelegt werden. An den derart freigelegten Fasern, insbesondere an der derart freigelegten Faserstruktur, kann mindestens ein Anbauteil durch Urformen aus der flüssigen Phase
angebracht werden, so dass der noch flüssige Werkstoff des Anbauteils die freigelegten Fasern umschließt. Anschließend härtet der Werkstoff des Anbauteils aus, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem
Anbauteil entsteht.
Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist
vorzugsweise geringer als die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix. Die Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils kann derart gewählt sein, dass die Temperatur der Matrix im Berührungsbereich zur flüssigen Phase nicht über die Glasübergangstemperatur Tg der Matrix steigt. Die
Temperatur der flüssigen Phase des Werkstoffs des Anbauteils ist vorzugsweise derart zu wählen, dass keine Verbrennungen des Matrixmaterials erfolgen.
Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem Anbauteil ist derart dauerhaft formschlüssig ausgelegt, dass Relativbewegungen zwischen den Bauteilen verhindert werden. Außerdem können keine Schmutzpartikel und/oder
Flüssigkeiten zwischen die Bauteile, d.h. zwischen die Feder und an das Anbauteil im Verbindungsabschnitt, gelangen.
Im Schritt b) wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Das abschnittsweise
Entfernen der Matrix erfolgt somit vorzugsweise mittels eines Lasers,
insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers.
Vorzugsweise werden dabei Laserimpulse mit einer Dauer von < 20 ps
(Picosekunden), insbesondere < 10 ps, auf die Matrix aufgebracht. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge bis zu 1.064 nm (Nanometer) verwendet.
Des Weiteren beruht die Verwendung eines Lasers darauf, einen derartigen Laser mit einer mittleren Leistung von bis zu 400 W (Watt), insbesondere bis 100 W, besonders bevorzugt mit einer Leistung von 30 - 80 W, zu verwenden. Die Wiederholungsrate der aufzubringenden Laserstrahlen auf die Matrix kann bis zu 1 MHz (Megahertz) betragen. Die bevorzugte Verwendung eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers, hat den Vorteil, dass das Matrixmaterial orts- und tiefenselektiv bearbeitet und/oder entfernt werden kann.
Bei dem in Schritt c) genannten Urformverfahren kann es sich insbesondere um ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren handeln. Diese Urformverfahren haben den Vorteil, dass zunächst ein flüssiger Werkstoff vorliegt, der in den Bereich des Verbindungsabschnittes aufgebracht werden kann, so dass freigelegte Fasern von dem flüssigen Werkstoff umschlossen und anschließend ausgehärtet werden können.
Des Weiteren ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das Anbauteil mit der Feder verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel wird demnach nicht das Anbauteil selbst in einem Urformverfahren hergestellt, sondern ein Verbindungselement. Auch ein derartig angebrachtes Verbindungselement weist den Vorteil auf, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und dem Verbindungselement hergestellt wird.
Es ist insbesondere möglich, dass eine bereitgestellte und gemäß Schritt b) bearbeitete Feder sowie ein bereitgestelltes Anbauteil in einem Schritt c) mittels Bildung eines Verbindungselements miteinander verbunden werden. Demnach wird in diesem Zusammenhang nicht das Anbauteil im Urformverfahren
hergestellt, sondern die Verbindung zwischen der Feder und dem Anbauteil. Die Verbindung erfolgt in diesem Fall aufgrund eines Spritzverfahrens und/oder Gießverfahrens und/oder Spritzgussverfahrens.
Vorzugsweise wird im Schritt b) die Matrix bis zu einer derartigen Tiefe entfernt, dass mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt ist. Eine oberflächennahe Faserlage wird im Folgenden derart definiert, dass diese die äußerste Faserlage des
Faserverbundwerkstoffes der Feder betrifft. Bei einem Entfernen der Matrix ist diese Faserlage die erste freigelegte Faserlage.
Eine Faserlage kann mehrere miteinander verwobene Fasern umfassen. Des Weiteren ist es möglich, dass eine Faserlage unidirektionale Faserbündel umfasst oder aus unidirektionalen Faserbündeln besteht. Eine Faserlage kann beispielsweise eine Matte oder ein Gewebe oder ein Gelege oder ein Geflecht oder eine Wirrfasermatte oder ein Vlies oder ein 3D-Gewebe oder ein 2D-Gewebe oder ein Gestrick sein.
Die Matrix wird bis zu einer derartigen Tiefe abgetragen bzw. entfernt, dass mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage, insbesondere ein Abschnitt einer oberflächennahen Faserlage, vollständig von der Matrix freigelegt ist. Dies bedeutet, dass die Faser(n) hinsichtlich des meist runden
Faserquerschnitts im Wesentlichen vollständig vom Matrixmaterial befreit ist/sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass mehrere übereinander angeordnete Faserlagen zumindest abschnittsweise von dem
Material der Matrix freigelegt sind. Dies ermöglicht eine verbesserte
formschlüssige Verbindung zwischen einer Feder und mindestens einem
Anbauteil.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder-Baugruppe, umfassend eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder eine Drehstabfeder, und
mindestens ein Anbauteil, insbesondere einen Federteller oder eine
Federunterlage oder ein Lagerelement, wobei die Feder-Baugruppe mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Bezüglich der Materialien aus denen die Feder und/oder das Anbauteil gebildet sind, gilt vorher Genanntes.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Feder-Baugruppe gehen die gleichen Vorteile oder ähnliche Vorteile einher, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt sind.
Ein weiterer, insbesondere nebengeordneter, Aspekt der Erfindung betrifft eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder oder Drehstabfeder, zum Herstellen einer Feder-Baugruppe, wobei die Feder zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist.
Die erfindungsgemäße Feder ist insbesondere derart ausgebildet, dass diese beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe verwendet werden kann. Die Feder weist mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines Anbauteils auf, wobei der Verbindungsabschnitt von der Matrix freigelegte Fasern aufweist.
Die Fasern können aus mineralischem oder organischem Material gebildet sein. Insbesondere sind die Fasern aus Carbon und/oder Glas gebildet.
Die Matrix ist insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Thermoplast und/oder Duroplast und/oder Elastomer. Ein besonders bevorzugtes Material zur Ausbildung der Matrix ist Epoxidharz.
Bei dem Faserverbundwerkstoff der Feder kann es sich demnach um
glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) und/oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln.
Vorzugsweise ist mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt. Bezüglich der Definition der oberflächennahen Faserlage wird auf vorherige Erläuterungen verwiesen.
Insbesondere ist es möglich, dass mehrere übereinander angeordnete Faserlagen im Verbindungsabschnitt zumindest abschnittsweise vollständig von der Matrix freigelegt sind.
Die Erfindung umfasst nachfolgende weitere Ausführungsformen:
1. Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe (30), umfassend eine Feder (10) und mindestens ein Anbauteil (40),
w o b e i
die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Feder (10), insbesondere einer Schraubenfeder oder einer Drehstabfeder, die zumindest abschnittsweise aus einem
Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix (22) und Fasern (25) gebildet ist, wobei die Feder (10) im Bereich des Faserverbundwerkstoffes mindestens einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines Anbauteils (40) aufweist;
b) zumindest abschnittsweises Entfernen der Matrix (22) im
Verbindungsabschnitt (20) und zumindest abschnittsweises, insbesondere die Fasern (25) nicht zerstörendes, Freilegen von Fasern (25) im
Verbindungsabschnitt (20);
c) Anbringen des Anbauteils (40) am Verbindungsabschnitt (20) mittels eines Urformverfahrens. Verfahren nach Ausführungsform 1,
w o b e i
das abschnittsweise Entfernen der Matrix (22) mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers, erfolgt. Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2,
w o b e i
das Urformverfahren ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren ist. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ausführungsformen, w o b e i
im Schritt c) mittels des Urformverfahrens das Anbauteil (40) hergestellt und gleichzeitig mit der Feder (10) verbunden wird. Verfahren nach einem der Ausführungsformen 1 bis 3,
w o b e i
im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das Anbauteil (40) mit der Feder (10) verbindet. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ausführungsformen, w o b e i
im Schritt b) die Matrix (22) bis zu einer derartigen Tiefe entfernt wird, dass mindestens Fasern (25) einer oberflächennahen Faserlage (28) bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt sind. Feder-Baugruppe (30), umfassend eine Feder (10), insbesondere eine Schraubenfeder oder eine Drehstabfeder, und mindestens ein Anbauteil (40), insbesondere einen Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement, wobei die Feder-Baugruppe (30) mittels eines Verfahrens nach einem der Ausführungsformen 1 bis 6 hergestellt ist. 8. Feder (10), insbesondere Schraubenfeder oder Drehstabfeder, zum Herstellen einer Feder-Baugruppe (30), wobei die Feder (10) zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix (22) und Fasern (25) gebildet ist,
w o b e i
einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines Anbauteils (40), wobei der Verbindungsabschnitt (20) von der Matrix (22) freigelegte Fasern (25) aufweist.
9. Feder (10) nach Ausführungsform 8,
w o b e i
die Fasern (25) aus Carbon und/oder Glas gebildet sind.
10. Feder (10) nach Ausführungsform 8 oder 9,
w o b e i
die Matrix (22) aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus Duroplast und/oder Elastomer und/oder Thermoplast, gebildet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. la : eine perspektivische Ansicht eines Teilabschnittes einer
erfindungsgemäßen Feder;
Fig. lb: einen Querschnitt durch eine Feder im Verbindungsabschnitt; und
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht einer Feder-Baugruppe;
Fig. 3a : eine erfindungsgemäße Feder;
Fig. 3b: einen Querschnitt durch eine Feder im Verbindungsabschnitt.
Im Folgenden werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben
Bezugsziffern verwendet. Fig. la zeigt eine perspektivische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Feder 10. Bei dieser Feder 10 handelt es sich beispielsweise um eine
Drehstabfeder. Die Feder 10 ist aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet.
Insbesondere ist die Feder 10 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet.
Die Feder 10 weist einen Verbindungsabschnitt 20 auf. Der Verbindungs abschnitt 20 dient zur späteren Verbindung eines Anbauteils mit der Feder 10.
Es ist möglich, dass die Feder 10 mehrere Verbindungsabschnitte 20 aufweist.
Im gezeigten Beispiel sind im Verbindungsabschnitt 20 Durchbrüche 50 ausgebildet. Im vorliegenden Fall sind vier Durchbrüche 50 dargestellt. Die Durchbrüche sind vollständige Materialentfernungen. Die Durchbrüche weisen eine Langlochform auf. Die Durchbrüche 50 sind gleichmäßig zueinander beabstandet. Alternativ ist es möglich, dass mehrere Durchbrüche
unterschiedliche Formen und/oder Größen und/oder Abstände zueinander aufweisen.
Des Weiteren ist es möglich, dass in Randbereichen 51 der Durchbrüche 50 von der Matrix freigelegte Fasern ausgebildet sind. Dies dient zur Herstellung einer besonders festen Verbindung zwischen der Feder 10 und einem Anbauteil.
In Fig. la ist außerdem dargestellt, dass die Durchbrüche 50 auf einer
gemeinsamen Umfangslinie bzw. in einer gemeinsamen Ebene ausgebildet sind.
In Fig. lb ist eine weitere Ausführungsform hinsichtlich einer erfindungsgemäßen Feder 10 dargestellt. Im dargestellten Querschnitt ist die Oberfläche 15 eines Verbindungsabschnittes 20 zu erkennen. In die Oberfläche 15 sind Vertiefungen 60 eingebracht. Die Vertiefungen 60 sind als Sacklöcher ausgebildet. Im dargestellten Beispiel weisen diese Vertiefungen 60 einen gleichmäßigen Abstand zueinander auf.
Auch in den Vertiefungen 60 können Randbereiche 61 ausgebildet sein, die von der Matrix befreite bzw. freigelegte Faserabschnitte aufweisen. In die
Vertiefungen 60 kann das Kunststoffmaterial des ebenfalls angedeuteten
Anbauteils 40 im Rahmen des gewählten Urformverfahrens einfließen. Dabei kann eine besonders formschlüssige Verbindung zwischen dem Anbauteil 40 und der Feder 10 hergestellt werden. Zum Einbringen der Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 in den Verbindungsabschnitt 20 wird insbesondere ein Ultrakurzpulslaser verwendet.
Mit Hilfe eines derartigen Ultrakurzpulslasers kann der Faserverbundwerkstoff orts- und tiefenselektiv entfernt werden. Dies ist insbesondere bei der Ausbildung der Vertiefungen 60 besonders vorteilhaft. Die im Schritt d) in den
Verbindungsabschnitt 20 eingebrachten Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 können in einem weiteren Verfahrensschritt zur Verbindung mit einem/dem Anbauteil verwendet werden. Hierzu wird in einem Urformverfahren der flüssige Werkstoff des Anbauteils und/oder eines Verbindungselements in die
Vertiefungen 60 eingebracht oder fließt durch die Durchbrüche 50. Anschließend härtet der flüssige Werkstoff aus. Aufgrund dessen wird eine formschlüssige Verbindung hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Feder-Baugruppe 30. Diese umfasst zunächst eine Feder 10. Die Feder 10 ist zumindest abschnittsweise aus
Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt.
An einem Federende 18 wurden zunächst in einem Verbindungsabschnitt 20 Durchbrüche 50 und/oder Vertiefungen 60 eingebracht.
Mittels eines Urformverfahrens wurde das Anbauteil 40 am Verbindungs abschnitt 20 angebracht. Bei dem Anbauteil 40 kann es sich um einen Federteller, eine Federunterlage oder um ein Lagerelement handeln.
Fig. 3a zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Feder 10. Bei dieser Feder 10 handelt es sich um eine Drehstabfeder. Die Feder 10 ist aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet. Insbesondere ist die Feder 10 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet.
Die Feder 10 weist auf der Oberfläche 15 einen Verbindungsabschnitt 20 auf. Der Verbindungsabschnitt 20 dient zur späteren Verbindung eines Anbauteils mit der Feder 10. Es ist möglich, dass auf der Oberfläche 15 mehrere
Verbindungsabschnitte 20 ausgebildet sind.
Ein möglicher Verbindungsabschnitt 20 ist in Fig. 3b detaillierter dargestellt. Im Verbindungsabschnitt 20 sind mehrere Fasern 25 von der Matrix 22 freigelegt. Im dargestellten Beispiel sind vier Faserlagen 26 mit zugehörigen Fasern 25 von der Matrix 22 freigelegt. Die Fasern 25 sind dabei zerstörungsfrei freigelegt. Mit anderen Worten sind die Faserlagen 26 intakt. Es sind keine Fasern 25 getrennt und/oder durchbrochen und/oder abschnittsweise entfernt. Insbesondere ist die oberflächennahe Faserlage 28 freigelegt. Bei der oberflächennahen Faserlage 28 handelt es sich um die Faserlage 26, die ausgehend von der Oberfläche 15 die erste Faserlage bildet.
Im in Fig. 3b dargestellten Beispiel liegt ein Teil der Fasern 25 im 90°-Winkel zu dem anderen Teil der Fasern 25. Die ist jedoch nur beispielhaft. Die Fasern können prinzipiell innerhalb einer Faserlage 26 jeden Winkel zueinander einnehmen. Es ist möglich, dass die Fasern unidirektional oder multidirektional liegen.
Im in Fig. 3a angedeuteten Beispiel liegen die Fasern 25 unidirektional.
In Fig. 3b sind die Faserlagen 26 als Gewebe ausgebildet. Die ist jedoch nur beispielhaft. Grundsätzlich kann eine Faserlage 26 eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Architektur aufweisen. Eine eindimensionale Lage kann z. B. aus unidirektionalen Rovings oder unidirektionalen Multifilamenten oder
unidirektionalen Geweben gebildet sein. Beispiele für eine zwei- bzw.
dreidimensionale Architektur sind u.a. Wirrfasermatten, Vliese, 2D-Gewebe, 3D- Gewebe, Gelege, Geflechte und Gestricke.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum
Freilegen der Fasern 25 der Faserlagen 26 ein Ultrakurzpulslaser verwendet. Mit Hilfe eines derartigen Ultrakurzpulslasers kann das Material der Matrix 22, insbesondere das Kunststoffmaterial, orts- und tiefenselektiv entfernt werden.
Die freigelegte Faserstruktur der Feder 10 kann in einem weiteren
Verfahrensschritt zur Verbindung mit einem Anbauteil verwendet werden. Hierzu wird in einem Urformverfahren der flüssige Werkstoff des Anbauteils und/oder eines Verbindungselements auf die freigelegten Fasern 25 der Faserlagen 26 aufgebracht. Der flüssige Werkstoff umschließt die zunächst freigelegten Fasern 25 und härtet anschließend aus. Aufgrund dessen wird eine formschlüssige Verbindung hergestellt. Bezugszeichenliste
10 Feder
15 Oberfläche
18 Federende
20 Verbindungsabschnitt 22 Matrix
25 Faser
26 Faserlage
28 oberflächennahe Faserlage 30 Feder-Baugruppe
40 Anbauteil
50 Durchbruch
51 Randbereich
60 Vertiefung
61 Randbereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Feder-Baugruppe (30), umfassend eine Feder (10) und mindestens ein Anbauteil (40),
geken nzeich net d u rch
die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Feder (10), insbesondere einer Schraubenfeder oder einer Drehstabfeder, die zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist, wobei die Feder (10) im Bereich des Faserverbundwerkstoffs mindestens einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines Anbauteils (40) aufweist;
b) zumindest abschnittsweises Einbringen von Durchbrüchen (50)
und/oder Vertiefungen (60) in den Verbindungsabschnitt (20);
c) Anbringen des Anbauteils (40) am Verbindungsabschnitt (20) mittels eines Urformverfahrens.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dad u rch geken nzeich net, dass
das Einbringen von Durchbrüchen (50) und/oder Vertiefungen (60) mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch geken nzeich net, dass
das Urformverfahren ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren ist.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
im Schritt c) mittels des Urformverfahrens das Anbauteil (40) hergestellt und gleichzeitig mit der Feder (10) verbunden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dad u rch geken nzeich net, dass
im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das Anbauteil (40) mit der Feder (10) verbindet.
6. Feder-Baugruppe (30), umfassend eine Feder (10), insbesondere eine Schraubenfeder oder eine Drehstabfeder, und mindestens ein Anbauteil (40), insbesondere einen Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement, wobei die Feder-Baugruppe (30) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.
7. Feder (10), insbesondere Schraubenfeder oder Drehstabfeder, zum
Herstellen einer Feder-Baugruppe (30), wobei die Feder (10) zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und Fasern gebildet ist,
geken nzeich net d u rch
mindestens einen, im Bereich des Faserverbundwerkstoffs ausgebildeten, Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines Anbauteils (40), wobei der Verbindungsabschnitt (40) Durchbrüche (50) und/oder Vertiefungen (60) aufweist.
8. Feder (10) nach Anspruch 7,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Fasern aus Carbon und/oder Glas gebildet sind.
9. Feder (10) nach Anspruch 7 oder 8,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Matrix aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus Duroplast und/oder Elastomer und/oder Thermoplast, gebildet ist.
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