WO2021008896A1 - Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens Download PDF

Info

Publication number
WO2021008896A1
WO2021008896A1 PCT/EP2020/068768 EP2020068768W WO2021008896A1 WO 2021008896 A1 WO2021008896 A1 WO 2021008896A1 EP 2020068768 W EP2020068768 W EP 2020068768W WO 2021008896 A1 WO2021008896 A1 WO 2021008896A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bending
section
workpiece
twisted
bend
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/068768
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julian Pandtle
Bernd SCHOSER
Original Assignee
Wafios Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wafios Aktiengesellschaft filed Critical Wafios Aktiengesellschaft
Priority to EP20737127.9A priority Critical patent/EP3999311A1/de
Publication of WO2021008896A1 publication Critical patent/WO2021008896A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/14—Twisting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/02—Bending or folding
    • B29C53/08—Bending or folding of tubes or other profiled members
    • B29C53/083—Bending or folding of tubes or other profiled members bending longitudinally, i.e. modifying the curvature of the tube axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/80—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C53/84—Heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
    • B29K2105/10—Cords, strands or rovings, e.g. oriented cords, strands or rovings
    • B29K2105/101—Oriented
    • B29K2105/105—Oriented uni directionally
    • B29K2105/106—Oriented uni directionally longitudinally

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bent part from an elongated workpiece made of a fiber composite material, and to a bending machine for carrying out the method.
  • Fiber composite materials belong to the material class of composite materials.
  • a fiber composite material is a fiber-plastic composite that combines suitable reinforcing fibers (e.g. glass fibers or carbon fibers) and a plastic matrix that envelops the reinforcing fibers and enables force to be transmitted between the composite partners by means of adhesive or cohesive interaction. Since most plastics are not readily suitable for structural applications due to their plastic-specific material properties, reinforcement with reinforcing fibers is often an economical option for the production of structural materials. Due to the variability of reinforcing fibers and matrix materials, the properties of the composites can be varied within a wide range set in a targeted manner, which enabled applications in the lightweight construction sector for the aircraft and automotive industries, for example.
  • Fiber composite materials are available in various forms as semi-finished products intended for further processing, e.g. as plates or as elongated workpieces in the form of tubes or rods.
  • DE 10 2018 003 235 A1 describes a method and a device for producing a hollow structural component formed from a fiber-reinforced plastic for a vehicle.
  • a tube formed from the fiber composite plastic, from which the hollow structural component is produced is held at points spaced apart from one another along the tube by means of respective robots, while the tube is heated in at least one partial area by means of a heating device.
  • the robots each have several robotic arms that are articulated and movable relative to one another.
  • the pipe is bent into a two-dimensional or three-dimensional course at least in the heated sub-area by the pipe, which is held by the robot during the bending, being bent around a bending head in the sub-area by at least one of the robots.
  • the illustration shows a prototype of a car sun visor frame made of glass fiber reinforced polyamide of type PA6 with several curved sections
  • the steel wire of the series component was replaced by a glass fiber strand.
  • the process should have a high application potential if the inserts can be produced economically.
  • the bent parts should be improved in terms of shape retention and rigidity.
  • a bending machine suitable for carrying out the method is provided.
  • a further object is to provide a two-dimensional or three-dimensional bent part which can be produced from an elongated thermoplastic fiber composite material workpiece by means of bending and which, compared to conventional bent parts, has improved component properties, e.g. in terms of shape retention and rigidity.
  • the invention provides a method with the features of claim 1 and a bending machine with the features of claim 7. Furthermore, a bent part having the features of claim 10 is provided.
  • an elongated workpiece which consists of a fiber composite material.
  • the fiber composite material has a thermoplastic matrix consisting of a thermoplastic material, in which in the longitudinal direction of the Reinforcing fibers running through the workpiece are embedded.
  • a section of the workpiece to be provided with a bend is heated to a first temperature at which the thermoplastic matrix is in a thermoplastic state, so that this section is plastically deformable.
  • the section to be provided with the bend hereinafter also referred to as the “bending zone”, is created between a mechanically stronger front section and a stronger rear section.
  • the term “solid” takes into account the fact that thermoplastics (thermoplastics) are solid before they are heated and after they have cooled down, but this is not synonymous with stiff.
  • thermoplastics are flexible even in the solid state and some can also be processed and changed in shape in the solid state. This should not be ruled out in the present case.
  • the thermoplastic state on the other hand, the thermoplastic material is soft and no longer dimensionally stable, so it may not be able to be returned to its original shape after deformation.
  • the method further comprises the step of twisting the heated section by relatively twisting the rear section and the front section by an angle of rotation such that the reinforcing fibers in the heated section are brought into a twisted configuration and a heated twisted section is produced from the heated section .
  • a twisting of the reinforcing fibers is created in the area of the heated section.
  • the relative rotation can be achieved in that the front section is held firmly and only the rear section is rotated about its longitudinal axis.
  • a reverse variant holding the rear section while rotating the front section
  • the method further comprises the step of producing a bend in the heated, twisted section by bending at least part of the twisted section around a bending shape.
  • the shape of the bend or its inner radius can be specified.
  • the bend then lies between the front and the rear section, which in each case remain unbent and include a bending angle after the bending process.
  • the step of twisting the heated section can occur temporally before the step of producing the bend or partially overlap with this step, that is to say can be carried out in phases at the same time as the bending.
  • the soft matrix material is partially displaced during a pure bending process (without additional torsion) and all reinforcing fibers try to position themselves near the neutral fiber. This results in the inserted reinforcing fiber bundle fanning out in the area of the bend. After this simple bending without additional torsion, the result in many cases is an incorrect cross-section of the bending point and thus usually a significantly reduced rigidity of the manufactured component. If, on the other hand, the fiber composite material is twisted before and / or during the creation of the bend, more material is introduced into the area of the bend.
  • the twisted additional material can now be compressed in the area of the inner radius and stretched in the area of the outer radius without resulting in a clearly unfavorable change in cross section.
  • bending parts can be produced which, after the forming process, also have an at least largely round cross section in the area of the bends.
  • a workpiece produced with the aid of a pultrusion process which has a round cross section and reinforcing fibers that run exclusively in the longitudinal direction (ie unidirectional).
  • the pultrusion process enables the continuous production of elongated workpieces with a constant cross section in an economical manner.
  • the workpieces that can be used as semi-finished products for further processing can, for example, have the shape of round bars or, more generally, have a continuously round cross-section of almost any length.
  • the endless workpieces produced by this special extrusion process have a high tensile strength.
  • the workpieces preferably used have reinforcing fibers that run exclusively in the longitudinal direction, that is to say no additional fibers that run at a significant angle at an angle to the longitudinal direction and / or that are in the form of mats or braids.
  • Pultruding can achieve a high fiber volume with a very low air void content.
  • the fiber volume fraction in the fiber composite is in the range from 30% to 70%, possibly also above or below.
  • the reinforcing fibers can be, for example, glass fibers, carbon fibers or aramid fibers or combinations of two or more types of fibers.
  • Pultruded CFRP round bars are preferably used, i.e. round bars with carbon fibers as reinforcing fibers.
  • the extent of the mutual twisting between the front and rear sections can vary from workpiece type to workpiece type and can be adapted to the requirements (e.g. bending radius, length of the section to be bent). In many cases, good results have been achieved by choosing the angle of rotation such that the reinforcing fibers in the twisted section have a fiber layer angle in the range from 5 ° to 85 °, in particular from 10 ° to 35 °.
  • the fiber layer angle FLW is defined analogously to the shear angle in the classic consideration of mechanical torsional loads.
  • parameter L is the length of the heated section that is converted into a twisted section.
  • Parameter DW is the angle of rotation or twist angle by which the front and rear sections are rotated relative to one another.
  • Parameter R is the radial distance of a reinforcing fiber under consideration from the neutral fiber, i.e. from the center of the workpiece section.
  • the parameter R corresponds to the radius (radius) of the workpiece in the area of the heated section.
  • FLW (DW * R) / L.
  • the section of the workpiece to be provided with a bend is preferably heated in a contactless manner, so that there is no mechanical contact between elements of the heating device and the initially colder and then heated section.
  • hot air is used to warm up. This results in a particularly gentle Heating with thorough warming of the entire cross-section of the workpiece to such an extent that the core temperature of the workpiece (in the area of the longitudinal center axis) is sufficient to deform the fiber composite material thermoplastically.
  • heating by means of infrared radiation or induction or high-frequency heating (dielectric heating and inductive heating) can be provided.
  • the process can be carried out completely manually if required, for example in the case of small series or individual parts. However, a partially or fully automated implementation using a bending machine is usually provided.
  • the method is carried out automatically with the aid of a bending machine which has a bending head with a bending mold and with a bending arm that can be rotated about the bending mold, which has a clamping device for clamping a front section of the workpiece against a circumferential section of the bending mold and is rotatable about a bending axis .
  • a step (a) the workpiece is brought into a starting position in the bending machine.
  • a gripper device with a single-axis or multi-axis movable gripper is brought into engagement with the front section of the workpiece.
  • a counterholder device rotatable about an axis of rotation is brought into engagement with a rear section of the workpiece, a section to be provided with a bend being located between the front section and the rear section.
  • Steps (b) and (c) can be carried out simultaneously or offset in time in any order.
  • the section to be provided with the bend is then heated by means of a heating device of the bending machine. Because the front section and the rear section are held in position by means of the bending machine, the heated section cannot or hardly deform by itself at first, even if the thermoplastic material changes to a thermoplastic state.
  • a step (e) the front section is then brought into an engagement area of the bending head by a coordinated movement of the gripper of the gripper device and the counter-holder device.
  • the clamping device will clamp the front section against a circumferential section of the bending mold.
  • a bend is produced between the front section and the rear section in a bending operation by rotating the bending arm about the bending axis.
  • the counterholder device is rotated before and / or during the rotation of the bending arm about the bending axis in order to introduce a torsional moment about an axis of rotation running parallel to the longitudinal direction of the rear section in such a way that the twisted portion is produced in the area between the counter-holder device and the bending form, in which the reinforcing fibers are present in a twisted configuration.
  • steps (a) to (d) it is also possible to carry out steps (a) to (d) as described above and then to introduce the torsion before the workpiece is introduced into the bending mold.
  • the heated section can be held in place by means of the gripper device in step (e '), while the counter-holder device is rotated about an axis of rotation parallel to the longitudinal direction of the rear section in order to introduce a torsional moment such that the twisted one in the area between the counter-holder device and the gripper device Section is generated in which the reinforcing fibers are in a twisted configuration.
  • the front section can be brought into an engagement area of the bending head and clamped there by means of the clamping device.
  • the bend is then created by turning the bending head.
  • the bending machine can be equipped with a cooling device for active cooling of the twisted section. This can work with compressed air, for example. If more time is available, passive cooling is also possible, that is, automatic cooling of the curved and twisted section to the second temperature at which the curved and twisted section is sufficiently firm and dimensionally stable. Then the bent part can be removed from the bending mold.
  • a gripper device with a single-axis or multi-axis movable gripper in addition to the bending head is usually advantageous, particularly when a workpiece is to be provided with more than one bend in the same bending plane or in different bending planes. This additional possibility of manipulation is therefore preferably provided.
  • an alternative procedure is also possible in which work is carried out without an additional gripper device.
  • the gripper of a gripper device is brought into engagement with the front section of the workpiece
  • the front section is brought into engagement directly with the bending head and there by means of the clamping device by clamping the front section held in position.
  • the counter holder device is moved accordingly so that the section to be heated is already close to the bending head.
  • step (e) can then be omitted since the front section is already clamped on the bending head.
  • the invention also relates to a bending machine for producing a bent part from an elongated workpiece made of a fiber composite material.
  • the bending machine comprises a control device and a bending head, which has a bending form and a bending arm which can be rotated about the bending form and which has a clamping device for clamping a front section of the workpiece against a peripheral section of the bending form, the bending arm being rotated around a bending drive controlled by the control device Bending axis is rotatable.
  • the bending machine further comprises a counterholder device controllable by the control device, which is configured to be brought into engagement with a rear section of the workpiece in order to stabilize an alignment of the rear section during a bending operation.
  • the counterholder device can be rotated about an axis of rotation by means of a rotary drive controlled by the control device in order to rotate the workpiece about its longitudinal axis or longitudinal direction.
  • a heating device is provided which is designed to heat a section of the workpiece to be provided with a bend to a first temperature at which the thermoplastic matrix is in a thermoplastic state, the section to be heated between the front section and the rear section lies.
  • the control device is configured or configurable to rotate the counterholder device before and / or during a rotation of the bending arm about its bending axis about the axis of rotation such that a twisted section can be generated in an area between the counterholder device and the bending form.
  • the heating device is preferably a non-contact heating device that can work with hot air or infrared radiation or induction, for example.
  • a gripper device with a gripper movable in one or more axes is also provided, which can optionally be moved into an area between the bending head and the counter-holder device and can be moved parallel to the axis of rotation of the counter-holder device.
  • the gripper device can be equipped, for example, with guides running orthogonally to one another in order to be able to move the gripper in two or three dimensions.
  • a robot unit can also be used as a gripper device.
  • a cooling device assigned to the bending head is preferably provided for cooling the twisted section provided with the bend to the second temperature, at which the twisted section changes to a thermoplastic or solid state.
  • the cooling device can work with compressed air, for example.
  • the invention also relates to a bent part made of an elongated workpiece made of a fiber composite material which has a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers extending in the longitudinal direction of the workpiece are embedded.
  • the single or multiple bent bent part has at least one section with a bend which is formed between an adjacent front section and an adjacent rear section, the reinforcing fibers in the front section and rear section running essentially in the longitudinal direction of the sections and in the area of the Be in a twisted configuration.
  • bent parts made in accordance with the claimed invention.
  • a bent part can be used alone or in combination with other bent parts as reinforcement for an injection-molded part, in that the at least one bent part is overmolded with a suitable plastic after its production.
  • Bending parts can also be cast in concrete in the construction industry as a replacement for or in addition to steel reinforcement bars and serve as reinforcement or reinforcement of concrete structures.
  • 1 shows a schematic side view of the bending machine 100 according to an embodiment
  • 2A to 2D show different phases of a forming operation for the production of a fiber composite material bent part with a twisted section
  • 3A and 3B show different phases of a forming operation in another embodiment
  • FIGS. 4A and 4B schematically show two exemplary embodiments for bent parts which can be produced with the aid of the method or the bending machine;
  • FIG. 5 shows a schematic illustration to illustrate the fiber layer angle of reinforcing fibers in a twisted section.
  • a computer-numerically controlled bending machine 100 which is set up for bending elongated workpieces made from a fiber composite material.
  • 1 shows a schematic side view of the bending machine 100 according to one embodiment.
  • the bending machine is suitable and provided for providing an elongated workpiece 110 made of a fiber composite material with one or more bends.
  • the workpiece 110 is a round rod made of a fiber composite material produced using a pultrusion process, in which carbon fibers 115 running parallel to the longitudinal center axis 112 of the workpiece are embedded in a matrix 111 made of a thermoplastic material (see enlarged detail I).
  • the volume fraction of the fibers is between 30% and 40% in the example, but can also be higher or lower in other examples.
  • the reinforcing fibers run unidirectionally, so there are no reinforcing fibers and no fiber braids in the workpiece that are clearly inclined to the longitudinal center axis.
  • the diameter of the round rod can, for example, be in the range from 1 mm to 40 mm, in particular in the range from 2 mm to 10 mm.
  • a bent part with one or more bends is to be formed from the workpiece, which is to be used later as an insert in order to reinforce an injection-molded component in critical areas.
  • the finished bent part is later coated with an injection molding compound in an injection molding process.
  • the workpiece 110 is in the form of a rod-shaped semi-finished product with a finite length (for example between 1 m and 2 m) and can be inserted into the bending machine manually, semi-automatically or fully automatically by an operator.
  • a longer workpiece supply (coil) is used and the sections to be bent are gradually withdrawn from the workpiece supply.
  • the bending machine 100 has a right-angled machine coordinate system MK marked with lowercase letters x, y and z, with a vertical z-axis and horizontal x- and y-axes.
  • the x-axis runs parallel to the workpiece axis 112 of the still unbent workpiece.
  • the machine axes and their drives are controlled via a central control unit of the bending machine.
  • the bending machine 100 comprises a bending head 120 with a bending form 122 and a bending arm 124 which can be rotated about the bending form and which has a clamping device 130 which is intended to clamp a front section of the workpiece, which will be explained later, against a peripheral section of the bending form.
  • the bending arm 124 and the bending form 122 are each rotatable about a common vertical bending axis 125.
  • the machine axis belonging to the bending arm is referred to here as the Y-axis and is driven by a bending drive in the form of an electric servo motor.
  • the clamping jaw of the clamping device is actuated via the P-axis.
  • the bending head as a whole can be moved vertically (parallel to the z-direction of the machine coordinate system) using the Z-axis.
  • a counterholder device 150 of the bending machine is arranged at a distance from the bending head.
  • the counterholder device 150 can be moved as a whole by means of a machine axis (C axis) parallel to the x axis of the machine coordinate system and can be rotated about the direction of movement, which in the example is horizontal, by means of an A axis of the bending machine.
  • the counterholder device comprises a tubular body 152 which, in its end area facing the bending head, has a pliers-like clamping device 155 with radially adjustable clamping jaws, which are intended to be brought into engagement with the rear section 118 of the workpiece and to clamp it in such a way that it cannot slip without damaging the workpiece.
  • the workpiece 110 is cut to a specific length as a pre-assembled workpiece, some of which is located inside the tube 112 and can be supported there.
  • the workpiece is withdrawn from a longer workpiece supply (coil).
  • a feed device for this purpose provided with which the workpiece can be advanced in the x-direction of the machine coordinate system over the C-axis.
  • a clamping device is provided for clamping the workpiece.
  • the workpiece can be fed and rotated using a roller feeder instead of a pincer feeder.
  • a special feature of the bending machine 100 is that, in addition to the bending head and the counterholder device, a gripper device 140 is also provided, which can be controlled by the control of the bending machine via additional machine axes and is provided with the aid of a gripper 145 attached to it in certain phases of workpiece processing to grip the front section 117 of the workpiece and hold it in a predefined position.
  • the gripper unit can, for example, be configured as a robot unit or it can be constructed with the aid of orthogonal slides.
  • the gripper 145 can be moved parallel to the x-axis of the machine coordinate system (that is, in the longitudinal direction of the workpiece) and perpendicular to it (e.g. parallel to the z-direction of the machine coordinate system).
  • a possibility of movement in the y-direction is also provided.
  • the bending machine further comprises a heating device 160 which is configured to heat a portion 119 of the workpiece to be bent, which lies between the front portion 117 and the rear portion 118, to a first temperature before the start of a bending operation the matrix material of the fiber composite material becomes thermoplastic, so that the workpiece in the heated section can be bent non-destructively with a permanent change in shape.
  • the heating device 160 comprises a hot air blower 162 which generates hot air which is then passed via a hose or a pipe in the direction of an outlet nozzle 165 which can be moved in the immediate vicinity of the section to be heated.
  • the outlet nozzle 165 comprises a concave-cylindrical channel on the side facing the workpiece, so that the outlet nozzle can partially encompass the workpiece in the area to be heated in order to achieve contactless heating of the section from several sides. This ensures a sufficiently uniform heating of the section 119 to be heated up to the core area at the longitudinal center axis 112 in relatively short times, without the temperature in the area of the outer surface rising so far that the thermoplastic material changes to the flowable state.
  • the heating device can be numerically controlled via its own machine axis or moved manually by an operator into the heating position shown and removed from it.
  • Cooling device 170 is also provided in order to achieve rapid active cooling of the twisted and heated section. The cooling device works with compressed air, which can be directed through a nozzle 172, which is adjustable in its spatial position, onto the heated twisted section that is still in contact with the bending form.
  • FIGS. 2A to 2D A possible procedure for the production of a bent part from such a fiber composite material with longitudinally extending reinforcing fibers is explained below with reference to FIGS. 2A to 2D.
  • 2A shows a situation in which the workpiece 110 has been brought into a starting position in the bending machine 100 by an operator or by machine.
  • the displaceable gripper device 140 grips the front section 117, which lies at the free end of the workpiece.
  • the clamping device 155 of the counterholder device 150 grips the rear section 118.
  • the front and rear sections are still coaxial and all reinforcing fibers 115 run unidirectionally parallel to the longitudinal center axis in the workpiece.
  • the section 119 to be bent is then heated with the aid of the heating device 160 to such an extent that the thermoplastic material in the section to be bent is plastically deformable.
  • the core temperature can be in the middle range, e.g. in the range from 250 ° C to 300 ° C. This situation is shown in Figure 2A.
  • the heating device 160 is then moved back.
  • the workpiece with the now pliable, heated section 119 is held in the coaxial configuration at the front section 117 by the gripper device and at the rear section 118 by the counterholder device.
  • the gripper device or its gripper 145 and the counter-holder device 150 now move in a coordinated, synchronized manner parallel to the x-direction via the control unit, so that the relatively cooler and solid, i.e. not thermoplastically deformable, front section 117 comes into the engagement area of the clamping device 130 and is clamped by it is in that the clamping device clamps the front portion against a peripheral portion of the contoured bending form (see. Fig. 2B).
  • the counter holder device 150 is rotated by a predeterminable angle of rotation by means of the A axis. Since the counterholder device holds the rear section 118 in a non-positive manner, it is rotated along with it, so that a torsional moment is exerted on the workpiece. This is transferred from the relatively firm rear section 118 to the relatively more flexible and plastically deformable heated section 119, which is located between the firmly clamped front section 117 and the rear section 118 which is rotated relative thereto and is still coaxial.
  • the angle of rotation of the counterholder device is usually selected so that in the area of the twisted section maximum fiber layer angles in the range from approx. 5 ° to approx. 85 ° result (cf. FIG. 5 for the definition of the fiber layer angle).
  • the process parameters are chosen so that the twisted section largely retains its cross-sectional dimensions, both in terms of shape and diameter.
  • the counterholder device executes a controlled compensating movement in the longitudinal direction of the workpiece (by means of the C-axis) during the twisting, so that the distance between the bending form and the counterholder device becomes somewhat shorter during twisting, by a cross-section reduction in the twisted Section counteract.
  • the complete torsion is introduced before the actual bending operation begins.
  • Fig. 2D the complete torsion is introduced before the actual bending operation begins.
  • the bending arm 124 with the clamping device 130 carried by it is rotated around the bending axis 125.
  • the bending shape follows this rotation.
  • the heated and twisted section is drawn around the bending mold and thereby bent, the concavely contoured outer contour of the bending mold 122 stabilizing the inside contour of the resulting bend and specifying its bending radius.
  • the desired bending angle is present between the straight front section 117 and the straight rear section 118, which in the example is approximately 90 °.
  • the cooling device 170 is fed and cold compressed air is blown onto the bent, still relatively warm twisted section until it has cooled down enough that the thermoplastic matrix changes back to a solid state, in which the bent section can be removed from the bending form without deformation. For this purpose, the tensioning device is then relieved.
  • FIGS. 3A, 3B which manages without a gripper device.
  • 3A shows the same situation in different perspectives in the left and right partial figures. The same applies to FIG. 3B, which shows a later situation in two perspectives.
  • the front section 117 is already in front the heating of the section 119 to be bent is brought into the area of engagement of the bending head 120 between the bending mold 122 and the clamping device 130 on the bending arm and clamped on the bending mold by means of the clamping device 130.
  • the heating device 160 is then advanced and heats the section 119 to be bent in the immediate vicinity of the bending head.
  • the counterholder device 150 is rotated by the desired angle of rotation with respect to the bending head, so that the twisting of the reinforcing fibers in the heated section results in the manner described and a twisted section 119 is created.
  • the bending arm with the clamping device 130 is rotated about the bending axis 125 so that the heated section is drawn around the bending mold 122 and is given the desired shape of the bend. It is then cooled as described.
  • the bending part can be machined so that only a single bend is created. It is also possible to apply two or more bends in a common bending plane or in different bending planes. By rotating the counter-holder device before the section to be bent is heated, different bending planes can be implemented.
  • the front section does not have to run continuously in a straight line, but can already have one or more bends.
  • the bending angle (angle between the longitudinal axis of the first section and the second section after the bend has been created) can be between 1 ° and 360 °, for example. Large bending angles of significantly more than 180 ° can be achieved, for example, by using a bending form with a helical circumferential groove (helical tool).
  • the extent of the rotation between the front and rear section when generating the twisted section depends on the one hand on the intended length of the section to be bent, usually in such a way that the longer the angle of rotation of the counterholder device relative to the gripper device or the bending head is greater the section to be twisted. The same applies to the bending radius. The larger the bending radius of the bend to be produced, the larger the angle of rotation will generally also be in order to achieve a sufficiently twisted state in the heated or twisted section.
  • FIGS. 4A and 4B schematically show two exemplary embodiments for bent parts that can be produced with the aid of the method or the bending machine. They are each made from pultruded CFRP rods and can be used, for example, as fiber composite inserts for the local reinforcement of injection molded parts.
  • Each of the bent parts BT 1, BT2 is made from an elongated workpiece 110 made of a fiber composite material which has a thermoplastic matrix 111 into which unidirectional reinforcing fibers 115 are made Carbon are embedded.
  • Each of the bending parts has two opposing sections 119, each with a bend which is formed between an adjacent front section 117 and an oppositely adjacent rear section 118.
  • the bending radii can be, for example, between 3 mm and 10 mm, possibly also above or below.
  • the bending angle for BT1 (FIG. 4A) is 180 °, and for the larger bends in BT2 (FIG. 4B) it is greater, for example at around 330 °.
  • the reinforcing fibers 115 run essentially in the longitudinal direction of the sections. In the area of the bends, however, there is a twisted configuration of the reinforcing fibers.
  • FIG. 5 shows a twisted section 119 of length L in a workpiece 110 with a radius (radius) R to illustrate a twist and the fiber layer angle generated thereby.
  • the starting workpiece was produced in the pultrusion process and had reinforcing fibers running unidirectionally in the longitudinal direction before the deformation .
  • the twisted section 119 lies between a front section 117 and a rear section 118. During the torsion operation, the sections 117 and 118 have been rotated relative to one another by an angle of rotation DW (also called a twist angle).
  • the reinforcement fiber 115 shown with a solid line runs on the outer circumference of the twisted section at a radial distance R from the neutral fiber NF, which runs in the center of the workpiece 110.
  • the reinforcement fiber 115 ran parallel to the neutral fiber NF before the torsion.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Ein wird ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück (110) aus einem Faserverbundwerkstoff beschrieben, das die Schritte umfasst: Bereitstellen eines langgestreckten Werkstücks (110) aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix (111) aufweist, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern (115) eingebettet sind; Erwärmen eines mit einer Biegung zu versehenden Abschnitts (119) des Werkstücks (110) auf eine erste Temperatur, bei der die Thermoplast-Matrix (111) in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der erwärmte Abschnitt (119) zwischen einem festeren vorderen Abschnitt (117) und einem festeren hinteren Abschnitt (118) erzeugt wird; Tordieren des erwärmten Abschnitts (119) durch Verdrehen des hinteren Abschnitts (118) relativ zum vorderen Abschnitt (117) um einen Drehwinkel derart, dass die Verstärkungsfasern (115) in dem erwärmten Abschnitt (119) in eine verdrillte Konfiguration gebracht werden und ein tordierter Abschnitt entsteht; Erzeugen einer Biegung in dem tordierten Abschnitt durch Biegen wenigstens eines Teils der tordierten Abschnitts um eine Biegeform (122); Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf eine zweite Temperatur, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoelastischen oder festen Zustand übergeht. Beschrieben wird auch eine Biegemaschine (100) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils und Biegemaschine zur Durchführung des
Verfahrens
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff, sowie auf eine Biegemaschine zur Durchführung des Verfahrens.
Faserverbundwerkstoffe gehören zur Werkstoffklasse der Verbundwerkstoffe. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Faser-Kunststoff-Verbund, der geeignete Verstärkungsfasern (z.B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern) und eine Kunststoffmatrix kombiniert, die die Verstärkungsfasern einhüllt und mittels adhäsiver oder kohäsiver Wechselwirkung eine Kraftübertragung zwischen den Verbundpartnern ermöglicht. Da die meisten Kunststoffe aufgrund kunststoff-spezifischer Materialeigenschaften nicht ohne Weiteres für konstruktive Applikationen geeignet sind, stellt die Verstärkung mit Verstärkungsfasern oft eine wirtschaftliche Variante zur Erzeugung von Konstruktionswerkstoffen dar. Aufgrund der Variabilität von Verstärkungsfasern und Matrixwerkstoffen lassen sich die Eigenschaften der Verbünde in einem weiten Rahmen gezielt einstellen, wodurch z.B. Anwendungen im Leichtbausektor für die Flugzeug- und Automotive-Industrie ermöglicht wurden.
Faserverbundwerkstoffe sind u.a. als für eine Weiterverarbeitung vorgesehene Halbzeuge in unterschiedlicher Form verfügbar, z.B. als Platten oder als langgestreckte Werkstücke in Form von Rohren oder Stäben.
Die DE 10 2018 003 235 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines aus einem Faserverbundkunststoff gebildeten Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug. Bei dem Verfahren wird ein aus dem Faserverbundkunststoff gebildetes Rohr, aus welchem das Hohlstrukturbauteil hergestellt wird, an entlang des Rohrs voneinander beabstandeten Stellen mittels jeweiliger Roboter gehalten, während das Rohr in wenigstens einem Teilbereich mittels einer Heizeinrichtung erwärmt wird. Die Roboter haben jeweils mehrere gelenkig miteinander verbundene und relativ zueinander bewegbare Roboterarme. Das Rohr wird zumindest in dem erwärmten Teilbereich in einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen Verlauf gebogen, indem das Rohr, welches während des Biegens mittels der Roboter gehalten wird, mittels zumindest eines der Roboter in dem Teilbereich um einen Biegekopf umgebogen wird. Der Fachartikel „Spritzgussbauteile lokal verstärken“ von T. Koch und H. Schürmann in: Kunststoffe, Ausgabe 1/2006, Seiten 55 bis 58 berichtet über neue Verfahren, die es ermöglichen, durch Verwendung von Endlosfasern eine lokale Verstärkung von Spritzgussbauteilen nur an den höchstbeanspruchten Stellen zu erreichen. Dabei werden leistungsfähige Endlosfaserverstärkung mit preisgünstigen Spritzgießverfahren kombiniert. Bei dem Konzept der lokalen Verstärkung wird ein Bauteil nur an den höchstbeanspruchten Orten durch sträng-, band- oder netzförmige Faserverbund-Einleger verstärkt. Diese Faserverbund- Einleger bestehen aus den klassischen Verstärkungsfasern (Glas- oder Kohlenstofffasern und dem Thermoplasten der Umspritzung. Hierdurch werden Steifigkeiten und Festigkeiten in hochbeanspruchten Bauteilbereichen gezielt gesteigert. Bildlich dargestellt ist ein Prototyp eines mehrere gekrümmte Abschnitte aufweisenden Pkw-Sonnenblendenrahmens aus glasfaserverstärktem Polyamid vom Typ PA6. Dabei wurde der Stahldraht des Serienbauteils durch einen Glasfaserstrang substituiert. Das Verfahren soll ein hohes Anwendungspotential haben, wenn es gelingt, die Einlegeteile wirtschaftlich herzustellen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff-Werkstück bereitzustellen, mit dem Biegeteile mit verbesserten Eigenschaften im Bereich von Biegungen hergestellt werden können. Insbesondere sollen die Biegeteile in Bezug auf Formhaltigkeit und Steifigkeit verbessert werden. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Biegemaschine bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein zweidimensional oder dreidimensional gebogenes Biegeteil bereitzustellen, das aus einem langgestreckten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff-Werkstück mittels Biegen herstellbar ist und im Vergleich zu herkömmlichen Biegeteilen verbesserte Bauteileigenschaften aufweist, z.B. in Bezug auf Formhaltigkeit und Steifigkeit.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Biegemaschine mit den Merkmalen von Anspruch 7 bereit. Weiterhin wird ein Biegeteil mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Verfahren wird ein langgestrecktes Werkstück bereitgestellt, das aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Der Faserverbundwerkstoff weist eine aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Thermoplast-Matrix auf, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern eingebettet sind. Ein mit einer Biegung zu versehender Abschnitt des Werkstücks wird auf eine erste Temperatur erwärmt, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, so dass dieser Abschnitt plastisch verformbar ist. Der mit der Biegung zu versehende Abschnitt, im Folgenden auch als „Biegezone“ bezeichnet, wird zwischen einem mechanisch festeren vorderen Abschnitt und einem festeren hinteren Abschnitt erzeugt. Der Begriff „fest“ berücksichtigt hierbei, dass thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) vor dem Erwärmen und nach dem Abkühlen fest sind, was jedoch nicht gleichbedeutend mit steif ist. Viele Thermoplaste sind auch im festen Zustand flexibel und manche können auch im festen Zustand bearbeitet und in der Form verändert werden. Dies soll vorliegend nicht ausgeschlossen werden. Im thermoplastischen Zustand ist das thermoplastische Material dagegen weich und nicht mehr formstabil, kann also nach einer Verformung eventuell nicht in seine Ursprungsform zurückgebracht werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des Tordierens des erwärmten Abschnitts durch relatives Verdrehen des hinteren Abschnitts und des vorderen Abschnitts um einen Drehwinkel derart, dass die Verstärkungsfasern in dem erwärmten Abschnitt in eine verdrillte Konfiguration gebracht werden und ein aus dem erwärmten Abschnitt ein erwärmter tordierter Abschnitt entsteht. Durch die Erzeugung einer Torsion im erwärmten Abschnitt wird also u.a. eine Verdrillung der Verstärkungsfasern im Bereich des erwärmten Abschnitts erzeugt. Die Relativverdrehung kann dadurch erreicht werden, dass der vordere Abschnitt festgehalten und nur der hintere Abschnitt um seine Längsachse gedreht wird. Eine umgekehrte Variante (Festhalten des hinteren Abschnitts bei Drehung des vorderen Abschnitts) ist auch möglich. Es ist auch möglich, beide Abschnitte gegensinnig zu drehen, um die Torsion zu erreichen.
Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt der Erzeugung einer Biegung in dem erwärmten, tordierten Abschnitt durch Biegen wenigstens eines Teils des tordierten Abschnitts um eine Biegeform. Mithilfe der Biegeform kann die Gestalt der Biegung bzw. ihr Innenradius vorgegeben werden. Die Biegung liegt dann zwischen dem vorderen und dem hinteren Abschnitt, die jeweils ungebogen verbleiben und nach dem Biegevorgang einen Biegewinkel einschließen.
Der Schritt des Tordierens des erwärmten Abschnitts kann zeitlich vor dem Schritt der Erzeugung der Biegung liegen oder zeitlich teilweise mit diesem Schritt überlappen, also phasenweise gleichzeitig mit dem Biegen durchgeführt werden.
Diesem Vorschlag liegen u.a. folgende Überlegungen und Erfahrungen der Erfinder zugrunde. Beim Biegen von Halbzeugen, zum Beispiel von metallischen Drähten oder Rohren, entstehen am Innenradius einer Biegung Druckspannungen, während am Außenradius Zugspannungen entstehen. In der Mitte des Halbzeugs befindet sich die spannungsfreie neutrale Faser. Beim Biegen von Faserverbundthermoplasten wird zunächst die Biegezone, also der zu erwärmende Abschnitt des langgestreckten Werkstücks, erwärmt und anschließend um eine Biegeform bzw. einen Dorn gebogen. Dabei ist das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs, also der thermoplastische Kunststoff, aufgrund der Erwärmung weitgehend oder vollständig biegeschlaff. Da die in Längsrichtung verlaufenden Verstärkungsfasern eine mehr oder weniger hohe Steifigkeit in Zugrichtung bzw. Druckrichtung aufweisen, wird bei einem reinen Biegevorgang (ohne zusätzliche Torsion) das weiche Matrixmaterial teilweise verdrängt und sämtliche Verstärkungsfasern versuchen, sich in der Nähe der neutralen Faser zu platzieren. Dadurch ergibt sich eine Auffächerung des eingelegten Verstärkungsfaser-Bündels im Bereich der Biegung. Nach diesem einfachen Biegen ohne zusätzliche Torsion ergibt sich in vielen Fällen ein falscher Querschnitt der Biegestelle und somit meist eine deutlich verminderte Steifigkeit des gefertigten Bauteils. Wird dagegen der Faserverbundwerkstoff vor und/oder während der Erzeugung der Biegung tordiert, wird mehr Material in den Bereich der Biegung eingebracht. Das tordierte zusätzliche Material kann nun im Bereich des Innenradius gestaucht und im Bereich des Außenradius gestreckt werden, ohne dass sich dadurch eine deutliche ungünstige Querschnittsveränderung ergibt. Somit können beispielsweise aus Faserverbund-Werkstücken in Form von Rundstäben Biegeteile erzeugt werden, die nach dem Umformprozess auch im Bereich der Biegungen einen wenigstens weitgehend runden Querschnitt aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein mithilfe eines Pultrusionsverfahrens hergestelltes Werkstück verwendet, das einen runden Querschnitt und ausschließlich in Längsrichtung (d.h. unidirektional) verlaufende Verstärkungsfasern aufweist. Das Pultrusionsverfahren ermöglicht bekanntlich die fortlaufende Herstellung von langgestreckten Werkstücken mit gleichbleibendem Querschnitt auf wirtschaftliche Weise. Die als Halbzeuge für die Weiterverarbeitung nutzbaren Werkstücke können beispielsweise die Form von Rundstäben haben bzw. allgemeiner einen durchgehend runden Querschnitt auf nahezu beliebiger Länge haben. Die durch dieses besondere Strangziehverfahren hergestellten Endloswerkstücke weisen eine hohe Zugfestigkeit auf. Die vorzugsweise verwendeten Werkstücke haben ausschließlich in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern, also keine zusätzlichen Fasern, die im nennenswerten Winkel schräg zur Längsrichtung verlaufen und/oder die in Form von Matten oder Geflechten vorliegen. Durch Pultrudieren kann ein hoher Faservolumenanteil bei sehr geringem Luftporengehalt erreicht werden. Bei manchen Ausführungsformen liegt der Faservolumenanteil im Faserverbundwerkstoff im Bereich von 30 % bis 70 %, gegebenenfalls auch darüber oder darunter. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich zum Beispiel um Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern oder Kombinationen von zwei oder mehr Fasertypen handeln. Vorzugsweise werden pultrudierte CFK-Rundstäbe verwendet, also Rundstäbe mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern.
Es hat sich herausgestellt, dass es in den meisten Fällen günstig ist, wenn der erwärmte Abschnitt vollständig um einen vorgegebenen Verdrillungswinkel tordiert wird, bevor die Biegung erzeugt wird. Dadurch können Querschnittsveränderungen durch das Biegen besonders wirksam unterdrückt werden. Alternativ ist es auch möglich, ausschließlich während der Erzeugung der Biegung zu tordieren oder die Torsion teilweise bereits vor Beginn des Biegeprozesses und auch noch während des Biegeprozesses einzubringen.
Das Ausmaß der gegenseitigen Verdrehung zwischen vorderem und hinterem Abschnitt kann von Werkstücktyp zu Werkstücktyp variieren und an die Erfordernisse (z.B. Biegeradius, Länge des zu biegenden Abschnitts) angepasst werden. In vielen Fällen haben sich gute Ergebnisse dadurch erzielen lassen, dass der Drehwinkel so gewählt wird, dass die Verstärkungsfasern im tordierten Abschnitt einen Faserlagenwinkel im Bereich von 5° bis 85°, insbesondere von 10° bis 35° aufweisen.
Der Faserlagenwinkel FLW ist im Rahmen dieser Anmeldung analog zum Scherwinkel bei der klassischen Betrachtung von mechanischen Torsionsbeanspruchungen definiert. Dabei sei Parameter L die Länge des erwärmten Abschnitts, der in einen tordierten Abschnitt überführt wird. Parameter DW sei der Drehwinkel bzw. Verdrillungswinkel, um den der vordere und der hintere Abschnitt relativ zueinander verdreht werden. Parameter R sei der radiale Abstand einer betrachteten Verstärkungsfaser von der neutralen Faser, also von der Mitte des Werkstückabschnitts. Für Verstärkungsfasern am Außenumfang des erwärmten Abschnitts entspricht demnach der Parameter R dem Radius (Halbmesser) des Werkstücks im Bereich des erwärmten Abschnitts. Für den Faserlagenwinkel gilt dann die Beziehung: FLW = (DW * R) / L. Anschaulich betrachtet wird der Faserlagenwinkel mit zunehmendem Drehwinkel bzw. Verdrillungswinkel und/oder zunehmendem radialen Abstand von der neutralen Faser größer, während er bei gegebenen Drehwinkel und radialem Abstand kleiner wird, je größer die betrachteten Länge L ist.
Vorzugsweise wird der mit einer Biegung zu versehende Abschnitt des Werkstücks berührungslos erwärmt, so dass kein mechanischer Kontakt zwischen Elementen der Heizeinrichtung und dem zunächst kälteren und dann erwärmten Abschnitt besteht. Vorzugsweise wird mittels Heißluft aufgewärmt. Dadurch ergibt sich eine besonders schonende Aufheizung mit guter Durchwärmung des gesamten Werkstückquerschnitts so weit, dass auch die Kerntemperatur des Werkstücks (im Bereich der Längsmittelachse) ausreicht, um den Faserverbundwerkstoff thermoplastisch zu verformen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Erwärmung mittels Infrarotstrahlung oder Induktion oder Hochfrequenzerwärmung (dielektrische Erwärmung und induktive Erwärmung) vorgesehen sein.
Das Verfahren kann bei Bedarf, beispielsweise bei Kleinserien oder Einzelteilen, vollständig manuell durchgeführt werden. Eine teilautomatisierte oder vollautomatisierte Durchführung mithilfe einer Biegemaschine ist jedoch in der Regel vorgesehen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren automatisiert mithilfe einer Biegemaschine durchgeführt, die einen Biegekopf mit einer Biegeform und mit einem um die Biegeform drehbaren Biegearm aufweist, der eine Spanneinrichtung zum Spannen eines vorderen Abschnitts des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform aufweist und um eine Biegeachse drehbar ist. Dabei wird in einem Schritt (a) das Werkstück in eine Ausgangsposition in der Biegemaschine gebracht. In einem Schritt (b) wird eine Greifereinrichtung mit einem einachsig oder mehrachsig beweglichen Greifer in Eingriff mit dem vorderen Abschnitt des Werkstücks gebracht. In einem Schritt (c) wird eine um eine Drehachse drehbare Gegenhaltereinrichtung in Eingriff mit einem hinteren Abschnitt des Werkstücks gebracht, wobei zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt ein mit einer Biegung zu versehender Abschnitt liegt. Die Schritte (b) und (c) können zeitgleich oder zeitlich versetzt in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. In einem Schritt (d) wird dann der mit der Biegung zu versehende Abschnitt mittels einer Heizeinrichtung der Biegemaschine erwärmt. Dadurch, dass der vordere Abschnitt und der hintere Abschnitt durch Einrichtungen der Biegemaschine in Position gehalten werden, kann sich auch der erwärmte Abschnitt zunächst nicht bzw. kaum von selbst verformen, auch wenn das Thermoplast-Material in einen thermoplastischen Zustand übergeht.
Bei einer Ausführungsform wird dann in einem Schritt (e) der vordere Abschnitt durch koordiniertes Verfahren des Greifers der Greifereinrichtung und der Gegenhaltereinrichtung in einen Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht. Dort wird in einem Schritt (f) die Spanneinrichtung den vorderen Abschnitt gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform spannen. Danach wird in einem Schritt (g) in einer Biegeoperation durch Drehen des Biegearms um die Biegeachse eine Biegung zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt erzeugt. Gemäß einem Schritt (h) wird die Gegenhaltereinrichtung vor und/oder während der Drehung des Biegearms um die Biegeachse zum Einleiten eines Torsionsmoments um eine parallel zur Längsrichtung des hinteren Abschnitts verlaufende Drehachse derart gedreht, dass in dem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Biegeform der tordierte Abschnitt erzeugt wird, in welchem die Verstärkungsfasern in einer verdrillten Konfiguration vorliegen.
Es ist auch möglich, die Schritte (a) bis (d) wie oben beschrieben durchzuführen und dann die Torsion einzubringen, bevor das Werkstück in die Biegeform eingebracht wird. Dazu kann in einem Schritt (e‘) der erwärmte Abschnitt mittels der Greifereinrichtung festgehalten werden, während die Gegenhaltereinrichtung zum Einleiten eines Torsionsmoments um eine parallel zur Längsrichtung des hinteren Abschnitts verlaufende Drehachse derart gedreht, dass in dem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Greifereinrichtung der tordierte Abschnitt erzeugt wird, in welchem die Verstärkungsfasern in einer verdrillten Konfiguration vorliegen. Danach kann dann durch koordiniertes Verfahren des Greifers der Greifereinrichtung und der Gegenhaltereinrichtung der vordere Abschnitt in einen Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht und dort mittels der Spanneinrichtung eingespannt werden. Die Erzeugung der Biegung erfolgt danach durch Drehen des Biegekopfs.
Vorzugsweise schließt sich nach Fertigstellung der Biegung ein Schritt des aktiven Abkühlens des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf eine zweite Temperatur an, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoplastischen oder festen Zustand übergeht. Hierzu kann die Biegemaschine mit einer Kühleinrichtung zum aktiven Abkühlen des tordierten Abschnitts ausgestattet sein. Diese kann z.B. mit Druckluft arbeiten. Steht mehr Zeit zur Verfügung, ist auch eine passive Abkühlung möglich, also eine selbsttätige Abkühlung des gebogenen und tordierten Abschnitts auf die zweite Temperatur, in der der gebogene und tordierte Abschnitt hinreichend fest und formstabil ist. Dann kann das Biegeteil aus der Biegeform entnommen werden.
Der Einsatz einer Greifereinrichtung mit einem einachsig oder mehrachsig beweglichen Greifer zusätzlich zum Biegekopf ist in der Regel vorteilhaft, insbesondere dann, wenn ein Werkstück mit mehr als einer Biegung in der gleichen Biegeebene oder in unterschiedlichen Biegeebenen zu versehen ist. Diese zusätzliche Manipulationsmöglichkeit ist daher vorzugsweise vorgesehen. Es ist jedoch auch eine alternative Vorgehensweise möglich, bei der ohne zusätzliche Greifereinrichtung gearbeitet wird. Anstelle des oben genannten Schritts (b), bei dem der Greifer einer Greifereinrichtung in Eingriff mit dem vorderen Abschnitt des Werkstücks gebracht wird, wird bei dieser Verfahrensvariante der vordere Abschnitt unmittelbar mit dem Biegekopf in Eingriff gebracht und dort mittels der Spanneinrichtung durch Einspannen des vorderen Abschnitts in Position gehalten. Die Gegenhaltereinrichtung wird entsprechend so verfahren, dass sich der zu erwärmende Abschnitt bereits nahe am Biegekopf befindet. In dieser Position wird der mit Biegung zu versehende Abschnitt mittels der Heizeinrichtung erwärmt. Der oben genannte Schritt (e) kann dann entfallen, da der vordere Abschnitt bereits am Biegekopf eingeklemmt ist. Die nachfolgenden Schritte können dann den oben genannten Schritten (g) und (h) entsprechen.
Die Erfindung betrifft auch eine Biegemaschine zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Biegemaschine umfasst eine Steuereinrichtung und einen Biegekopf, der eine Biegeform und einen um die Biegeform drehbaren Biegearm aufweist, welcher eine Spanneinrichtung zum Spannen eines vorderen Abschnitts des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform aufweist, wobei der Biegearm mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse drehbar ist. Weiterhin umfasst die Biegemaschine eine durch die Steuereirichtung steuerbare Gegenhaltereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, in Eingriff mit einem hinteren Abschnitt des Werkstücks gebracht zu werden, um eine Ausrichtung des hinteren Abschnitts während einer Biegeoperation zu stabilisieren. Die die Gegenhaltereinrichtung ist mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Drehantriebs um eine Drehachse drehbar, um das Werkstück um seine Längsachse bzw. Längsrichtung zu drehen. Zusätzlich ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, einen mit einer Biegung zu versehenden Abschnitt des Werkstücks auf eine erste Temperatur zu erwärmen, bei der die Thermoplast- Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der zu erwärmende Abschnitt zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt liegt. Die Steuereinrichtung ist dafür konfiguriert oder konfigurierbar, die Gegenhaltereinrichtung vor und/oder während einer Drehung des Biegearms um seine Biegeachse um die Drehachse derart zu drehen, dass in einem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung und der Biegeform ein tordierter Abschnitt erzeugt werden kann.
Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine berührungslos arbeitende Heizeinrichtung, die z.B. mit Heißluft oder Infrarotstrahlung oder Induktion arbeiten kann.
Vorzugsweise ist zusätzlich eine Greifereinrichtung mit einem in einer oder mehreren Achsen beweglichen Greifer vorgesehen, der wahlweise in einen Bereich zwischen dem Biegekopf und der Gegenhaltereinrichtung einfahrbar und parallel zur Drehachse der Gegenhaltereinrichtung verfahrbar ist. Die Greifereinrichtung kann z.B. mit orthogonal zueinander verlaufenden Führungen ausgestattet sein, um den Greifer in zwei oder drei Dimensionen verfahren zu können. Gegebenenfalls kann auch eine Robotereinheit als Greifereinrichtung verwendet werden. Um die Abkühlung des tordierten und erwärmten Abschnitts zu beschleunigen, ist vorzugsweise eine dem Biegekopf zugeordnete Kühleinrichtung zum Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts auf die zweite Temperatur vorgesehen, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoplastischen oder festen Zustand übergeht. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise mit Druckluft arbeiten.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Biegeteil aus einem langgestreckten Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix aufweist, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern eingebettet sind. Das einfach oder mehrfach gebogene Biegeteil weist wenigstens einen Abschnitt mit einer Biegung auf, die zwischen einen angrenzenden vorderen Abschnitt und einem gegenüber angrenzenden hinteren Abschnitt ausgebildet ist, wobei die Verstärkungsfasern im vorderen Abschnitt und hinteren Abschnitt im Wesentlichen in Längsrichtung der Abschnitte verlaufen und im Bereich der Biegung in einer verdrillten Konfiguration vorliegen. Durch die Verdrillung kann erreicht werden, dass die Verstärkungsfasern im Bereich des tordierten Abschnitts helixförmig verlaufen, während sich an beiden Enden Abschnitte (vorderer und hinterer Abschnitt) anschließen, in denen die Verstärkungsfasern weiterhin im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des jeweiligen Abschnitts verlaufen. Der tordierte Abschnitt kann ähnlich wie der vordere und hintere Abschnitt einen weitgehend runden Querschnitt mit im Wesentlichen gleicher Querschnittsfläche haben.
Es gibt vielfältige Verwendungsmöglichkeiten für Biegeteile, die gemäß der beanspruchten Erfindung hergestellt wurden. Beispielsweise kann ein Biegeteil allein oder in Kombination mit weiteren Biegeteilen als Verstärkung für ein Spritzgussteil genutzt werden, indem das mindestens eine Biegeteil nach seiner Herstellung mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt wird. Biegeteile können auch in der Bauindustrie als Ersatz von oder zusätzlich zu Bewehrungsstäben aus Stahl in Beton eingegossen werden und als Verstärkung bzw. Bewehrung von Betonstrukturen dienen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht der Biegemaschine 100 gemäß einer Ausführungsform; Fig. 2A bis 2D zeigen verschiedene Phasen einer Umformoperation zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Biegeteils mit tordiertem Abschnitt;
Fig. 3A und 3B zeigen verschiedene Phasen einer Umformoperation bei einer anderen Ausführungsform;
Fig. 4A und 4B zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele für Biegeteile, die mithilfe des Verfahrens bzw. der Biegemaschine herstellbar sind;
Fig. 5 zeigt eine schematische Illustration zur Veranschaulichung des Faserlagenwinkels von Verstärkungsfasern in einem tordierten Abschnitt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer computernumerisch gesteuerten Biegemaschine 100 erläutert, die für das Biegen von langgestreckten Werkstücken aus einem Faserverbundwerkstoff eingerichtet ist. Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht der Biegemaschine 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Biegemaschine ist dafür geeignet und vorgesehen, ein langgestrecktes Werkstück 110 aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer oder mehreren Biegungen zu versehen.
Bei dem Werkstück 110 handelt es sich im Beispielsfall um einen mithilfe eines Pultrusionsverfahrens hergestellten Rundstab aus einem Faserverbundwerkstoff, bei dem parallel zur Längsmittelachse 112 des Werkstücks verlaufende Kohlenstofffasern 115 in eine Matrix 111 aus einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind (siehe vergrößertes Detail I). Der Volumenanteil der Fasern beträgt im Beispielsfall zwischen 30 % und 40 %, kann bei anderen Beispielen aber auch darüber oder darunter liegen. Die Verstärkungsfasern verlaufen unidirektional, es gibt also im Werkstück keine deutlich schräg zur Längsmittelachse verlaufende Verstärkungsfasern und keine Fasergeflechte. Der Durchmesser des Rundstabs kann z.B. im Bereich von 1 mm bis 40 mm liegen, insbesondere im Bereich von 2 mm bis 10 mm.
Aus dem Werkstück soll ein Biegeteil mit einer oder mehreren Biegungen geformt werden, welches später als Einlegeteil benutzt werden soll, um ein Spritzgussbauteil in kritischen Bereichen zu verstärken. Dazu wird das fertige Biegeteil später im Spritzgussverfahren mit einer Spritzgussmasse ummantelt. Das Werkstück 110 liegt im Beispielsfall als stabförmiges Halbzeug mit endlicher Länge (beispielsweise zwischen 1 m und 2 m) vor und kann von einem Bediener manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch in die Biegemaschine eingelegt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird von einem längeren Werkstückvorrat (coil) gearbeitet und die zu biegenden Abschnitte werden nach und nach von dem Werkstückvorrat abgezogen.
Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Biegemaschine 100 ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes, rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z- Achse und horizontalen x- und y-Achsen. Im dargestellten Beispiel verläuft die x-Achse parallel zur Werkstückachse 112 des noch ungebogenen Werkstücks. Von diesen Koordinatenachsen sind die später noch erläuterten, geregelt angetriebenen Maschinenachsen zu unterscheiden, die jeweils mit Großbuchstaben (zum Beispiel C, A, Z etc.) bezeichnet werden. Die Maschinenachsen bzw. deren Antriebe werden über eine zentrale Steuereinheit der Biegemaschine angesteuert.
Die Biegemaschine 100 umfasst einen Biegekopf 120 mit einer Biegeform 122 sowie einen um die Biegeform drehbaren Biegearm 124, der eine Spanneinrichtung 130 aufweist, die dafür vorgesehen ist, einen später noch erläuterten vorderen Abschnitt des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform zu spannen. Der Biegearm 124 und die Biegeform 122 sind jeweils um eine gemeinsame vertikale Biegeachse 125 drehbar. Die zum Biegearm gehörende Maschinenachse wird hier als Y-Achse bezeichnet und von einem Biegeantrieb in Form eines elektrischen Servomotors angetrieben. Die Betätigung des Klemmbackens der Spanneinrichtung erfolgt über die P-Achse. Der Biegekopf als Ganzes kann vertikal (parallel zur z-Richtung des Maschinenkoordinatensystems) mithilfe der Z-Achse verfahren werden.
Mit Abstand vom Biegekopf ist eine Gegenhaltereinrichtung 150 der Biegemaschine angeordnet. Die Gegenhaltereinrichtung 150 ist als Ganzes mittels einer Maschinenachse (C- Achse) parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems verfahrbar und um die im Beispielsfall horizontal verlaufende Verfahrrichtung mittels einer A-Achse der Biegemaschine drehbar. Die Gegenhaltereinrichtung umfasst einen rohrartigen Körper 152, der in seinem dem Biegekopf zugewandten Endbereich eine zangenartige Spanneinrichtung 155 mit radial zustellbaren Spannbacken aufweist, die dafür vorgesehen sind, in Eingriff mit dem hinteren Abschnitt 118 des Werkstücks gebracht zu werden und diesen ohne Werkstückbeschädigung verrutschgesichert einzuklemmen. Im Beispielsfall ist das Werkstück 110 als vorkonfektioniertes Werkstück auf eine bestimmte Länge abgelängt, die teilweise im Inneren des Rohrs 112 liegt und dort abgestützt werden kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird das Werkstück von einem längeren Werkstückvorrat (coil) abgezogen. Dazu ist dann eine Zufuhreinrichtung vorgesehen, mit der das Werkstück in x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems über die C-Achse vorgezogen werden kann. Auch in diesem Fall ist eine Spanneinrichtung zum Einklemmen des Werkstücks vorgesehen.
Alternativ können Vorschub und Rotation des Werkstücks über einen Rolleneinzug anstelle eines Zangeneinzugs realisiert sein.
Eine Besonderheit der Biegemaschine 100 besteht darin, dass zusätzlich zum Biegekopf und zur Gegenhaltereinrichtung noch eine Greifereinrichtung 140 vorgesehen ist, die über weitere Maschinenachsen von der Steuerung der Biegemaschine angesteuert werden kann und dazu vorgesehen ist, mithilfe eines daran angebrachten Greifers 145 in gewissen Phasen der Werkstückverarbeitung den vorderen Abschnitt 117 des Werkstücks zu greifen und in einer vordefinierbaren Position zu halten. Die Greifereinheit kann beispielsweise als Robotereinheit konfiguriert sein oder mithilfe von orthogonalen Schlitten aufgebaut sein. Der Greifer 145 ist im Beispielsfall parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems (also in Längsrichtung des Werkstücks) als auch senkrecht dazu (z.B. parallel zur z-Richtung des Maschinenkoordinatensystems) verfahrbar. Auch eine Verfahrmöglichkeit in y-Richtung (senkrecht zur Zeichnungsebene) ist vorgesehen.
Die Biegemaschine weist weiterhin eine Heizeinrichtung 160 auf, die dafür konfiguriert ist, einen mit einer Biegung zu versehenden Abschnitt 119 des Werkstücks, welcher zwischen dem vorderen Abschnitt 117 und dem hinteren Abschnitt 118 liegt, vor Beginn einer Biegeoperation auf eine erste Temperatur aufzuheizen, in der das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs thermoplastisch wird, so dass das Werkstück im erwärmten Abschnitt unter bleibender Formänderung zerstörungsfrei gebogen werden kann. Die Heizeinrichtung 160 umfasst ein Heißluftgebläse 162, welches Heißluft generiert, die dann über einen Schlauch oder ein Rohr in Richtung einer Austrittsdüse 165 geleitet wird, die in unmittelbarer Nähe des zu erwärmenden Abschnitts verfahren werden kann. Die Austrittsdüse 165 umfasst auf der werkstückzugewandten Seite eine konkav-zylindrische Rinne, so dass die Austrittsdüse das Werkstück im zu erwärmenden Bereich teilweise umgreifen kann, um eine berührungslose Aufwärmung des Abschnitts von mehreren Seiten zu erreichen. Dadurch ist eine ausreichend gleichmäßige Erwärmung des zu erwärmenden Abschnitts 119 bis in den Kernbereich bei der Längsmittelachse 112 in relativ kurzen Zeiten gewährleistet, ohne dass im Bereich der Außenfläche die Temperatur so weit steigt, dass das Thermoplastmaterial in den fließfähigen Zustand übergeht. Die Heizeinrichtung kann je nach Ausbauform über eine eigene Maschinenachse numerisch gesteuert oder auch manuell von einem Bediener in die dargestellte Heizposition verfahren und aus dieser entfernt werden. Weiterhin ist Kühleinrichtung 170 vorhanden, um eine schnelle aktive Abkühlung des tordierten und erwärmten Abschnitts zu erzielen. Die Kühleinrichtung arbeitet mit Druckluft, die durch eine in ihrer Raumlage verstellbare Düse 172 auf den an der Biegeform noch anliegenden erwärmten tordierten Abschnitt gerichtet werden kann.
Anhand der Fig. 2A bis 2D wird nachfolgend eine mögliche Vorgehensweise bei der Herstellung eines Biegeteils aus einem solchen Faserverbundwerkstoff mit längs verlaufenden Verstärkungsfasern erläutert. Fig. 2A zeigt eine Situation, in der das Werkstück 110 durch einen Bediener oder maschinell in eine Ausgangsposition in der Biegemaschine 100 gebracht wurde. Die verfahrbare Greifereinrichtung 140 ergreift mittels des Greifers 145 den vorderen Abschnitt 117, der am freien Ende des Werkstücks liegt. Zeitgleich oder zeitlich versetzt dazu ergreift die Spanneinrichtung 155 der Gegenhaltereinrichtung 150 den hinteren Abschnitt 118. In dieser Phase liegen der vordere und der hintere Abschnitt noch koaxial und alle Verstärkungsfasern 115 verlaufen durchgängig achsparallel zur Längsmittelachse unidirektional im Werkstück.
Dann wird der mit Biegung zu versehende Abschnitt 119 mithilfe der Heizeinrichtung 160 so weit erwärmt, dass das Thermoplast-Material im zu verbiegenden Abschnitt plastisch verformbar wird. Hierbei kann die Kerntemperatur im Mittelbereich z.B. im Bereich von 250°C bis 300°C liegen. Diese Situation ist in Fig. 2A gezeigt.
Anschließend wird die Heizeinrichtung 160 zurückgefahren. Das Werkstück mit dem nun biegeschlaffen erwärmten Abschnitt 119 wird vorne am vorderen Abschnitt 117 durch die Greifereinrichtung und am hinteren Abschnitt 118 durch die Gegenhaltereinrichtung in der koaxialen Konfiguration gehalten.
Nun fahren die Greifereinrichtung bzw. deren Greifer 145 und die Gegenhaltereinrichtung 150 über die Steuereinheit koordiniert synchron parallel zur x-Richtung, so dass der relativ kühlere und feste, also nicht thermoplastisch verformbare vordere Abschnitt 117 in den Eingriffsbereich der Spanneinrichtung 130 gelangt und von dieser eingespannt wird, indem die Spanneinrichtung den vorderen Abschnitt gegen einen Umfangsabschnitt der konturierten Biegeform spannt (vgl. Fig. 2B).
Danach wird, wie in Fig. 2C schematisch gezeigt, die Gegenhaltereinrichtung 150 mittels der A- Achse um einen vorgebbaren Drehwinkel gedreht. Da die Gegenhaltereinrichtung den hinteren Abschnitt 118 kraftschlüssig festhält, wird dieser mitgedreht, so dass auf das Werkstück ein Torsionsmoment ausgeübt wird. Dieses wird vom relativ festen hinteren Abschnitt 118 zum relativ dazu nachgiebigeren und plastisch verformbaren erwärmten Abschnitt 119 übertragen, der sich zwischen dem fest eingespannten vorderen Abschnitt 117 und dem relativ dazu gedrehten und immer noch koaxialen hinteren Abschnitt 118 befindet. Dadurch entsteht unmittelbar vor der Biegeform 122 ein erwärmter tordierter Abschnitt 119, in welchem die Verstärkungsfasern in einer verdrillten Konfiguration vorliegen und jeweils helixförmig umeinander herum verlaufen. Der Drehwinkel der Gegenhaltereinrichtung wird dabei meist so gewählt, dass sich im Bereich des tordierten Abschnitts maximale Faserlagenwinkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 85° ergeben (vgl. Fig. 5 zur Definition des Faserlagenwinkels). Die Prozessparameter werden so gewählt, dass der tordierte Abschnitt seine Querschnittsdimensionen sowohl hinsichtlich Form als auch hinsichtlich Durchmesser weitgehend behält.
Abhängig vom Ausmaß der Verdrillung kann vorgesehen sein, dass die Gegenhaltereinrichtung während des Verdrehens eine gesteuerte Ausgleichsbewegung in Längsrichtung des Werkstücks (mittels der C-Achse) ausführt, so dass der Abstand zwischen Biegeform und Gegenhaltereinrichtung beim Tordieren etwas kürzer wird, um einer Querschnittsverringerung im tordierten Abschnitt entgegenzuwirken.
Bei dieser Variante wird die vollständige Torsion eingebracht, bevor die eigentliche Biegeoperation beginnt. Diese ist in Fig. 2D gezeigt. Zur Einleitung der Biegeoperation wird der Biegearm 124 mit der davon getragenen Spanneinrichtung 130 um die Biegeachse 125 herumgedreht. Die Biegeform macht diese Drehung mit. Durch die allmähliche Drehung wird der erwärmte und tordierte Abschnitt um die Biegeform herumgezogen und dadurch gebogen, wobei die konkav konturierte Außenkontur der Biegeform 122 die Innenkontur der entstehenden Biegung stabilisiert und deren Biegeradius vorgibt. Nach Abschluss der Biegeoperation liegt zwischen dem geradlinigen vorderen Abschnitt 117 und dem geradlinigen hinteren Abschnitt 118 der gewünschte Biegewinkel vor, der im Beispielsfall ca. 90° beträgt.
Sobald die Biegung mit der gewünschten Geometrie erzeugt ist, wird die Kühleinrichtung 170 zugestellt und es wird kalte Druckluft auf den gebogenen, noch relativ warmen tordierten Abschnitt geblasen, bis dieser so weit abgekühlt ist, dass die Thermoplast-Matrix wieder in einen festen Zustand übergeht, in der der gebogene Abschnitt ohne Verformung aus der Biegeform entnommen werden kann. Dazu wird dann die Spanneinrichtung entlastet.
Anhand der Fig. 3A, 3B wird eine Variante erläutert, die ohne Greifereinrichtung auskommt. Fig. 3A zeigt in der linken und in der rechten Teilfigur die gleiche Situation in unterschiedlichen Perspektiven. Dasselbe gilt für Fig. 3B, die eine spätere Situation in zwei Perspektiven darstellt. Bei dieser Verfahrensvariante wird, wie in Fig. 3A gezeigt, der vordere Abschnitt 117 bereits vor dem Erwärmen des zu biegenden Abschnitts 119 in den Eingriffsbereich des Biegekopfs 120 zwischen die Biegeform 122 und die Spanneinrichtung 130 am Biegearm gebracht und mittels der Spanneinrichtung 130 an der Biegeform eingespannt. Dann wird die Heizeinrichtung 160 zugestellt und erwärmt den zu verbiegenden Abschnitt 119 in unmittelbarer Nähe des Biegekopfs. Dann wird die Gegenhaltereinrichtung 150 gegenüber dem Biegekopf um den gewünschten Drehwinkel verdreht, so dass sich im erwärmten Abschnitt die Verdrillung der Verstärkungsfasern in der beschriebenen Weise ergibt und ein tordierte Abschnitt 119 entsteht. Anschließend wird, wie in Fig. 3B dargestellt, der Biegearm mit der Spanneinrichtung 130 um die Biegeachse 125 gedreht, so dass der erwärmte Abschnitt um die Biegeform 122 herumgezogen wird und die gewünschte Gestalt der Biegung erhält. Anschließend wird wie beschrieben abgekühlt.
Das Biegeteil kann so bearbeitet werden, dass nur eine einzige Biegung erzeugt wird. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Biegungen in einer gemeinsamen Biegeebene oder in unterschiedlichen Biegeebenen anzubringen. Durch Drehung der Gegenhaltereinrichtung vor Beginn der Erwärmung des zu biegenden Abschnitts sind unterschiedliche Biegeebenen realisierbar. Der vordere Abschnitt muss also nicht durchgängig geradlinig verlaufen, sondern er kann bereits eine oder mehrere Biegungen aufweisen.
Die Biegewinkel (Winkel zwischen Längsachse des ersten Abschnitts und zweiten Abschnitts nach Erzeugung der Biegung) kann beispielsweise zwischen 1 ° und 360° liegen. Große Biegewinkel von deutlich mehr als 180° können z.B. durch Verwendung einer Biegeform mit wendelförmig verlaufender Umfangsnut (Wendelwerkzeug) realisiert werden. Das Ausmaß der Verdrehung zwischen vorderem und hinterem Abschnitt bei der Erzeugung des tordierten Abschnitts hängt zum einen von der beabsichtigten Länge des zu biegenden Abschnitts ab, üblicherweise in der Weise, dass der Drehwinkel der Gegenhaltereinrichtung gegenüber der Greifereinrichtung oder dem Biegekopf größer ist, je länger der zu tordierende Abschnitt ist. Entsprechendes gilt auch für den Biegeradius. Je größer der Biegeradius der zu erzeugenden Biegung ist, desto größer wird in der Regel auch der Drehwinkel sein, um einen ausreichend verdrillten Zustand im erwärmten bzw. tordierten Abschnitt zu erzielen.
Die Fig. 4A und 4B zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele für Biegeteile, die mithilfe des Verfahrens bzw. der Biegemaschine herstellbar sind. Sie sind jeweils aus pultrudierten CFK-Rundstäben hergestellt und können z.B. als Faserverbund-Einlegeteile zur lokalen Verstärkung von Spritzgussteilen genutzt werden. Jedes der Biegeteile BT 1 , BT2 ist aus einem langgestreckten Werkstück 110 aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, der eine Thermoplast-Matrix 111 aufweist, in die unidirektional verlaufende Verstärkungsfasern 115 aus Kohlenstoff eingebettet sind. Jedes der Biegeteile hat zwei gegenüberliegende Abschnitte 119 mit jeweils einer Biegung, die zwischen einem angrenzenden vorderen Abschnitt 117 und einem gegenüber angrenzenden hinteren Abschnitt 118 ausgebildet ist. Die Biegeradien können z.B. zwischen 3 mm und 10 mm liegen, ggf. auch darüber oder darunter. Der Biegewinkel liegt bei BT1 (Fig. 4A) bei 180°, bei den größeren Biegungen in BT2 (Fig. 4B) darüber, z.B. bei etwa 330°. In den vorderen Abschnitten 117 und hinteren Abschnitten 118 verlaufen die Verstärkungsfasern 115 im Wesentlichen in Längsrichtung der Abschnitte. Im Bereich der Biegungen liegt dagegen eine verdrillten Konfiguration der Verstärkungsfasern vor.
Fig. 5 zeigt zur Illustration einer Verdrillung und der dadurch erzeugten Faserlagenwinkel einen tordierten Abschnitt 119 der Länge L in einem Werkstück 110 mit Radius (Halbmesser) R. Das Ausgangs-Werkstück wurde im Pultrusionsverfahren hergestellt und wies vor der Verformung unidirektional in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern auf. Der tordierte Abschnitt 119 liegt zwischen einem vorderen Abschnitt 117 und einem hinteren Abschnitt 118. Die Abschnitte 117 und 118 sind während der Torsionsoperation relativ zueinander um einen Drehwinkel DW (auch Verdrillungswinkel genannt) verdreht worden. Die mit durchgezogener Linie dargestellte Verstärkungsfaser 115 verläuft am Außenumfang des tordierten Abschnitts in einem radialen Abstand R zur neutralen Faser NF, die in der Mitte des Werkstücks 110 verläuft. Die Verstärkungsfaser 115 verlief vor der Torsion parallel zur neutralen Faser NF. Nach Einbringen der Torsion liegt zwischen der ursprünglichen Verlaufsrichtung und der aktuellen Verlaufsrichtung der Faserlagenwinkel FLW, der im Rahmen dieser Anmeldung analog zum Scherwinkel bei der klassischen Betrachtung von mechanischen Torsionsbeanspruchungen definiert ist. Es gilt: FLW = (DW * R) / L.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils (BT1 , BT2) aus einem langgestreckten Werkstück (110) aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines langgestreckten Werkstücks (110) aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix (111) aufweist, in die in Längsrichtung des Werkstücks verlaufende Verstärkungsfasern (115) eingebettet sind;
Erwärmen eines mit einer Biegung zu versehenden Abschnitts (119) des Werkstücks auf eine erste Temperatur, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der erwärmte Abschnitt zwischen einem festeren vorderen Abschnitt (117) und einem festeren hinteren Abschnitt (118) erzeugt wird;
Tordieren des erwärmten Abschnitts (119) durch Verdrehen des hinteren Abschnitts relativ zum vorderen Abschnitt um einen Drehwinkel derart, dass die Verstärkungsfasern (115) in dem erwärmten Abschnitt in eine verdrillte Konfiguration gebracht werden und ein tordierter Abschnitt (119) entsteht;
Erzeugen einer Biegung in dem tordierten Abschnitt durch Biegen wenigstens eines Teils der tordierten Abschnitts (119) um eine Biegeform (122);
Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts (119) auf eine zweite Temperatur, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoelastischen oder festen Zustand übergeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels Pultrusion hergestelltes Werkstück (110) verwendet wird, das einen runden Querschnitt und ausschließlich in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern (115) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erwärmte Abschnitt (119) vollständig tordiert wird, bevor die Biegung erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel so gewählt wird, dass die Verstärkungsfasern (115) im tordierten Abschnitt (119) einen Faserlagenwinkel im Bereich von 5° bis 85°, insbesondere im Bereich von 10° bis 35° aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einer Biegung zu versehende Abschnitt (119) des Werkstücks (110) berührungslos erwärmt wird, insbesondere mittels Heißluft.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren automatisiert mittels einer Biegemaschine (100) durchgeführt wird, die einen Biegekopf (120) mit einer Biegeform (122) und mit einem um die Biegeform drehbaren Biegearm (124) aufweist, der eine Spanneinrichtung (130) zum Spannen eines vorderen Abschnitts (117) des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform aufweist und um eine Biegeachse (125) drehbar ist, wobei
(a) das Werkstück in eine Ausgangsposition in der Biegemaschine gebracht wird;
(b) eine Greifeinrichtung (140) mit einem einachsig oder mehrachsig beweglichen Greifer (145) in Eingriff mit dem vorderen Abschnitt (117) des Werkstücks gebracht wird;
(c) eine um eine Drehachse drehbare Gegenhaltereinrichtung (150) in Eingriff mit dem hinteren Abschnitt (118) des Werkstücks gebracht wird;
(d) der mit der Biegung zu versehende Abschnitt (119) mittels einer Heizeinrichtung (160) der Biegemaschine erwärmt wird;
(e) der vordere Abschnitt (117) durch koordiniertes Verfahren der Greifeinrichtung (140) und der Gegenhaltereinrichtung (150) in einen Eingriffsbereich des Biegekopfs (120) gebracht wird;
(f) die Spanneinrichtung (130) den vorderen Abschnitt (117) gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform (122) spannt,
(g) in einer Biegeoperation durch Drehen des Biegearms (124) um die Biegeachse (125) eine Biegung zwischen dem vorderen Abschnitt (118) und dem hinteren Abschnitt (115) erzeugt wird; und
(h) die Gegenhaltereinrichtung (150) vor und/oder während der Drehung des Biegearms (124) um die Biegeachse (125) zum Einleiten eines Torsionsmoments um eine parallel zur Längsrichtung des hinteren Abschnitts (118) verlaufende Drehachse derart gedreht wird, dass in dem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung (150) und der Biegeform (122) der tordierte Abschnitt (119) erzeugt wird.
7. Biegemaschine (100) zur Herstellung eines Biegeteils (BT1 , BT2) aus einem langgestreckten Werkstück (110) aus einem Faserverbundwerkstoff mit:
einer Steuereinrichtung;
einem Biegekopf (120), der eine Biegeform (122) und einen um die Biegeform drehbaren Biegearm (124) aufweist, der eine Spanneinrichtung (130) zum Spannen eines vorderen Abschnitts (115) des Werkstücks gegen einen Umfangsabschnitt der Biegeform (122) aufweist, wobei der Biegearm mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse (125) drehbar ist,
einer Gegenhaltereinrichtung (150), die dafür konfiguriert ist, in Eingriff mit einem hinteren Abschnitt (118) des Werkstücks gebracht zu werden, um eine Ausrichtung des hinteren Abschnitts während einer Biegeoperation zu stabilisieren, wobei die Gegenhaltereinrichtung (150) mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Drehantriebs um eine Drehachse drehbar ist, die parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks verläuft;
einer Heizeinrichtung (160), die dafür eingerichtet ist, einen mit einer Biegung zu versehenden Abschnitt (119) des Werkstücks auf eine erste Temperatur zu erwärmen, bei der die Thermoplast-Matrix in einem thermoplastischen Zustand vorliegt, wobei der zu erwärmende Abschnitt zwischen dem vorderen Abschnitt (117) und dem hinteren Abschnitt (118) liegt; und
die Steuereinrichtung dafür konfiguriert oder konfigurierbar ist, die Gegenhaltereinrichtung (150) vor und/oder während einer Drehung des Biegearms (124) um die Biegeachse (125) um die Drehachse derart zu drehen, dass in einem Bereich zwischen der Gegenhaltereinrichtung (150) und der Biegeform (122) ein tordierter Abschnitt (119) erzeugbar ist.
8. Biegemaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Greifeinrichtung (140) mit einem Greifer (145), der in einen Bereich zwischen dem Biegekopf (120) und der Gegenhaltereinrichtung (150) einfahrbar und parallel zur Drehachse der Gegenhaltereinrichtung (150) verfahrbar ist.
9. Biegemaschine nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine dem Biegekopf (150) zugeordnete Kühleinrichtung (170) zum Abkühlen des mit der Biegung versehenen tordierten Abschnitts (119) auf eine zweite Temperatur, in der der tordierte Abschnitt in einen thermoelastischen oder festen Zustand übergeht.
10. Biegeteil (BT1 , BT2) aus einem langgestreckten Werkstück (110) aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Thermoplast-Matrix (111) aufweist, in die Verstärkungsfasern (115) eingebettet sind,
wobei das Biegeteil wenigstens einen Abschnitt (119) mit einer Biegung aufweist, die zwischen einen angrenzenden vorderen Abschnitt (117) und einem gegenüber angrenzenden hinteren Abschnitt (118) ausgebildet ist,
wobei die Verstärkungsfasern (115) im vorderen Abschnitt (117) und hinteren Abschnitt (118) im Wesentlichen in Längsrichtung der Abschnitte verlaufen und im Bereich der Biegung in einer verdrillten Konfiguration vorliegen.
PCT/EP2020/068768 2019-07-15 2020-07-03 Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens WO2021008896A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20737127.9A EP3999311A1 (de) 2019-07-15 2020-07-03 Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019210412.6A DE102019210412A1 (de) 2019-07-15 2019-07-15 Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils und Biegemaschine zur Durchführung des Verfahrens
DE102019210412.6 2019-07-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021008896A1 true WO2021008896A1 (de) 2021-01-21

Family

ID=71523133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/068768 WO2021008896A1 (de) 2019-07-15 2020-07-03 Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3999311A1 (de)
DE (1) DE102019210412A1 (de)
WO (1) WO2021008896A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3130809A1 (fr) 2021-12-22 2023-06-23 Arkema France Composition (méth)acrylique pour composite, son procédé de préparation et son utilisation
CN116373271A (zh) * 2023-06-05 2023-07-04 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种增强复材卡箍随动成型装置及成型方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113218106A (zh) * 2021-04-28 2021-08-06 哈尔滨工程大学 基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5234333A (en) * 1990-03-23 1993-08-10 Phillips Petroleum Company Apparatus for making and postforming reinforced plastic rods
JP2010188406A (ja) * 2009-02-20 2010-09-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd パイプ曲げ加工装置及び方法
DE102018003235A1 (de) 2018-04-20 2018-09-27 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines FVK-Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
DE102017120143A1 (de) * 2017-09-01 2019-03-07 Groz-Beckert Kg Biegeverfahren und Biegevorrichtung zum Biegen eines Verbundwerkstoffstabes

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0402309B1 (de) * 1989-06-05 1993-12-08 Sulzer Innotec Ag Profilstange aus kompaktem Verbundwerkstoff und Herstellungsverfahren
US5326524A (en) * 1990-03-23 1994-07-05 Phillips Petroleum Company Method of making plastic rods

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5234333A (en) * 1990-03-23 1993-08-10 Phillips Petroleum Company Apparatus for making and postforming reinforced plastic rods
JP2010188406A (ja) * 2009-02-20 2010-09-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd パイプ曲げ加工装置及び方法
DE102017120143A1 (de) * 2017-09-01 2019-03-07 Groz-Beckert Kg Biegeverfahren und Biegevorrichtung zum Biegen eines Verbundwerkstoffstabes
DE102018003235A1 (de) 2018-04-20 2018-09-27 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines FVK-Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
T. KOCHH. SCHÜRMANN: "Spritzgussbauteile lokal verstärken", KUNSTSTOFFE, January 2006 (2006-01-01), pages 55 - 58, XP055100891

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3130809A1 (fr) 2021-12-22 2023-06-23 Arkema France Composition (méth)acrylique pour composite, son procédé de préparation et son utilisation
WO2023118344A1 (en) 2021-12-22 2023-06-29 Arkema France (meth)acrylic composition for composite, its method of preparation and use
CN116373271A (zh) * 2023-06-05 2023-07-04 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种增强复材卡箍随动成型装置及成型方法
CN116373271B (zh) * 2023-06-05 2023-10-03 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种增强复材卡箍随动成型装置及成型方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019210412A1 (de) 2021-01-21
EP3999311A1 (de) 2022-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021008896A1 (de) Verfahren zur herstellung eines biegeteils und biegemaschine zur durchführung des verfahrens
DE102011100546B4 (de) Flechtpultrusionsverfahren und -anlage
EP3676075B1 (de) Biegeverfahren und biegevorrichtung zum biegen eines verbundwerkstoffstabes
DE102010049563B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder
DE102011011577A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisator
DE10250826B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms
DE102009008329A1 (de) Preform-Vorrichtung zum Preformen eines Textilhalbzeugs
DE102012005973A1 (de) Biegeverfahren und Biege- sowie Fertigungsanlage für thermoplastische Faserverbundrohre
DE10360471B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen einer Verstärkung auf ein Kunststoffrohr durch ein Wickelschweißverfahren
DE102009017361B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Drapieren von Fasergewirken für gekrümmte Profilstrukturteile aus Faserverbundmaterial
EP2266720A2 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Freiformbiegen von Profilen
DE102012018804A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff
DE102011108219A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils
DE102018003235A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines FVK-Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
AT512563B1 (de) Faserwerkstoffrohling sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserwerkstoffverbundbauteils
EP1568473B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines mit Endlosfasern verstärkten Polymer-Formteils
DE102009053967A1 (de) Strangziehwerkzeug und Verfahren zum Herstellen von Bauteilen
DE102012101726B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Faserwerkstoffrohlings
EP3347193B1 (de) Verfahren zum herstellen eines fmv-hybridbauteils und fmv-hybridbauteil
DE10251581A1 (de) Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge aus textilen Halbzeugen
DE102016001238B4 (de) Anordnung und Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
WO2016041663A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dreidimensionalen faserverbundwerkstoffbauteils
DE102013100861B4 (de) Berührungsloses Preformen
DE102012021738A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus einem Faserhalbzeug
DE102017111230A1 (de) Formkörper und Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20737127

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020737127

Country of ref document: EP

Effective date: 20220215