WO2022161681A1

WO2022161681A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem faserverstärkten kunststoff

Info

Publication number: WO2022161681A1
Application number: PCT/EP2021/085001
Authority: WO
Inventors: Ingolf Müller; Erik Grabowski; Andre Stieglitz
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-08-04
Also published as: CN116710263A; DE102021200772A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung (10) zumindest ein Fadenträger (11) mit einem auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial (12) mit zumindest einem Wickelmuster mit einer Fadenzugkraft (FZist) umwickelt wird, wobei die Ablage des Fasermateriales (12) auf dem Fadenträger (11) mit einer durch eine Regelungsvorrichtung (14) voreingestellten Fadenzugkraft (FZN) durchgeführt wird, wobei zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten (29) auf dem Fadenträger (11), in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Fadenzugkraft (FZN) zu einem Verlassen einer durch das Wickelmuster vorgegebenen Ablagebahn (28) kommt, die Fadenzugkraft (FZist) ortsabhängig und/oder bahnabhängig geregelt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 . Weiterhin betrifft die Erfindung eine rechnergestützte Wickelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.

Aus der DE 10 2016 012 594 A1 ist ein Verfahren und eine Wickelvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Mittels einer rechnergestützten Wickelvorrichtung wird zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren zumindest ein Fadenträger mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial mit zumindest einem Wickelmuster umwickelt. Die Ablage des Fasermateriales auf dem Fadenträger wird mit einer durch eine Regelungsvorrichtung voreingestellten und konstant gehaltenen Fadenzugkraft durchgeführt. Die Ablage des Fasermaterials erfolgt entlang geodätischer Linien als Ablagebahnen, worunter die kürzeste Verbindung zweier Punkte auf einer gekrümmten Fläche zu verstehen ist. Die Ablage des Fasermaterials entlang geodätischer Linien als Ablagebahnen ermöglicht es, dass das Fasermaterial ohne Zuhilfenahme von Hafteffekten abgelegt wird, ohne dass es zum Verrutschen des entlang der geodätischen Linie abgelegten Fasermaterials kommt.

Für bestimmte Bereiche des Bauteils kann es vorteilhaft sein, die Ablage des Fasermaterials abweichend von der geodätischen Linie vorzunehmen, um aufgrund der geometrischen/strukturellen Gegebenheiten des Bauteils gekrümmte Lastpfade darzustellen, den Lastabtrag von lokal mehrachsigen Spannungszuständen zu unterstützen, bestimmte Wendepunkte mit dem Ablageverlauf des Fasermaterials zu erreichen oder bestimmte Materialanhäufungspunkte im Laminat, welches sich durch die Ablage des Fasermateriales aufbaut, zu vermeiden.

Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ablage des Fasermaterials abweichend von geodätischen Linien in komplexen geometrischen Bereichen des Bauteils vorzunehmen, ohne dass es in diesen Bereichen zu einem Abrutschen des Fasermaterials von einer Ablagebahn zurück auf die geodätische Linie kommt.

Diese Aufgabe wird aus verfahrenstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Aus vorrichtungstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung der Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 10 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren vorgeschlagen, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung zumindest ein Fadenträger mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial mit zumindest einem Wickelmuster mit einer Fadenzugkraft umwickelt wird, wobei die Ablage des Fasermateriales auf dem Fadenträger mit einer durch eine Regelungsvorrichtung voreingestellten Fadenzugkraft durchgeführt wird. Erfindungsgemäß ist zur Vermeidung eines Abrutschens des abweichend von einer geodätischen Linie auf einer vorgegebenen Ablagebahn abgelegten Fasermaterials vorgesehen, dass zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten auf dem Fadenträger, in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Fadenzugkraft zu einem Verlassen einer durch das Wickelmuster vorgegebenen Ablagebahn kommt, die Fadenzugkraft ortsabhängig und/oder bahnabhängig geregelt wird. Es wird eine orts- und/oder bahnabhängige Anpassung der Fadenspannung vorgenommen, um die vorgegebene, von der geodätischen Linie abweichende Ablagebahn des Fasermaterials an spezifischen Ablageorten auf dem Fadenträger beizubehalten. Das Verfahren ermöglicht das von der geodätischen Linie abweichende Ablegen des Fasermaterials an spezifischen Ablageorten auf dem Fadenträger, um aufgrund von geometrischen und/oder strukturellen Gegebenheiten gekrümmte Lastpfade des herzustellenden Bauteils dazustellen. Weiterhin kann der Lastabtrag von lokal mehrachsigen Spannungszuständen im fertigen Bauteil unterstützt werden. Zudem lassen sich bestimmte Materialanhäufungspunkte im Laminat vermeiden. Insbesondere lassen sich hohe voreingestellte Fadenzugkräfte realisieren, um eine ausreichende Kompaktierung des Laminats, d.h. der auf dem Fadenträger ausgebildeten Wickelschichten aus Fasermaterial, zu erreichen. Hierzu wird die voreingestellte Fadenzugkraft nur im Bereich der spezifischen Ablageorte angepasst.

Hierzu kann vor dem Erreichen eines solchen spezifischen Ablageortes die voreingestellte Fadenzugkraft auf eine vorgebbare Maximalzugkraft erhöht und unmittelbar nach dem Passieren des spezifischen Ablageortes für das Zurücklegen einer Ablagestrecke auf eine vorgebbare Minimalzugkraft abgesenkt werden, bevor die Fadenzugkraft wieder auf die voreingestellte Fadenzugkraft erhöht wird. Die voreingestellte Fadenzugkraft liegt vorzugsweise zwischen 30 N und 120 N. Die hiervon abweichende vorgebbare Maximalzugkraft bzw. Minimalzugkraft kann den Wert der voreingestellten Fadenzugkraft um einen Wert im Bereich zwischen 10 N und 30 N überschreiten bzw. unterschreiten.

Insbesondere kann die zurückgelegte Ablagestrecke, mit der das Fasermaterial mit Minimalzugkraft abgelegt wird, in Abhängigkeit von den Hafteigenschaften des Fasermaterials bestimmt werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Adhäsionskraft des Fasermaterials an der Oberfläche des Fadenträgers respektive bereits darunter befindlichen Lagen an Fasermaterial ausreicht, um die Fadenzugkraft auf die voreingestellte Fadenzugkraft zu erhöhen, ohne dass es zum Abrutschen auf die geodätische Linie kommt.

Dabei wird die Länge der Ablagestrecke derart gewählt, dass eine Ausrichtung des Fasermaterials an der geodätischen Linie im Bereich des spezifischen Ablageortes unterbunden wird.

Bevorzugt kann die jeweilige Änderung der Fadenzugkraft einem rampenförmigen Verlauf folgen. Dies hat den Vorteil, dass die Änderung der voreingestellten Fadenzugkraft auf eine vorgebbare Maximalzugkraft einem positiven Rampenverlauf wie einer Anfahrrampe folgt. Entsprechend wird die vorgebbare Maximalzugkraft auf die vorgebbare Minimalzugkraft mit einem negativen Rampenverlauf wie einer Abbremsrampe abgesenkt bzw. erfolgt ausgehend von der vorgebbaren Minimalzugkraft eine Erhöhung auf die voreingestellte Fadenzugkraft gleichfalls einer Anfahrrampe folgend. Der positive bzw. negative rampenförmige Verlauf der Änderungen der Fadenzugkraft verhindert, dass es zu einer Überlastung kommt, die zu Beschädigungen am abzulegenden Fasermaterial oder dem ungewollten Ablösen von bereits abgelegtem Fasermaterial kommt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die voreingestellte Fadenzugkraft in Abhängigkeit von während des Wickelvorgangs ausgebildeten unterschiedlichen Wickelmus- tern variiert werden. Davon abhängig können die vorgebbare Maximalzugkraft auf die vorgebbare Minimalzugkraft variieren.

Insbesondere können als spezifische Ablageorte geometrische Eigenheiten des Fadenträgers und/oder sich auf dem Fadenträger während des Wicke Ivorgangs ausbildende geometrische Eigenheiten berücksichtigt werden, die durch Richtungswechsel innerhalb des Wickelmusters und/oder durch Um lenkungen aufgrund der Geometrie des Fadenträgers und/oder durch Überlappungsbereiche mehrerer Richtungen von Wicklungen bei der Ablage des Fasermaterials hervorgerufen werden bzw. entstehen.

Weiterhin kann die voreingestellte Fadenzugkraft in Abhängigkeit von einem lokalen Ablagewinkel und/oder einer während des Wickel prozesses erreichten Laminatstärke geregelt werden. Damit kann beispielsweise dem Umstand Rechnung getragen werden, dass mit zunehmender Laminatstärke die voreingestellte Fadenzugkraft abgesenkt werden muss, um Einschnürungen zu vermeiden.

Vorzugsweise kann als Fasermaterial TowPreg, ein vorimprägniertes faden- oder strangförmiges Halbzeug aus einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoff, verwendet werden. Da der duroplastische Kunststoff im zumindest nur teilweise ausgehärteten Zustand des TowPregs in einem gelartigen Zustand vorliegt, besitzt das Fasermaterial eine hohe Hafteigenschaft. Die eingangs gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.

Gemäß dem Anspruch 10 wird eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren vorgeschlagen, wobei die rechnergesteuerte Wickelvorrichtung zur Umwicklung eines Fadenträgers mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial nach zumindest einem vorgebbaren Wickelmuster mit einer Fadenzugkraft eingerichtet ist, wobei die Wickelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Ablage des Fasermateriales auf dem Fadenträger mit einer durch eine Regelungsvorrichtung voreingestellten Fadenzugkraft durchzuführen, wobei die Wickelvorrichtung dazu eingerichtet ist, zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten auf dem Fadenträger, in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Fadenzugkraft zu einem Verlassen einer durch das Wickelmuster vorgegebenen Ablagebahn kommt, die Fadenzugkraft ortsabhängig und/oder bahnabhängig zu regeln. Hinsichtlich der Vorteile darf auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen werden.

Hierbei kann die Regelungsvorrichtung eine Speichereinheit, in welcher Wickelmuster hinterlegbar sind, und eine Recheneinheit zur Ansteuerung der Wickelvorrichtung aufweisen. Hierdurch wird die Darstellung von einem oder mehreren Wickelmustern zur Herstellung des Bauteils ermöglicht.

Insbesondere kann die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Geometrie des zu umwickelnden Fadenträgers und dem zumindest einen zur Anwendung kommenden Wickelmuster die spezifischen Ablageorte zu bestimmen, um die Fadenzugkraft ortsabhängig anzupassen.

Bevorzugt kann die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, vor dem Erreichen eines solchen spezifischen Ablageortes die voreingestellte Fadenzugkraft auf eine vorgebbare Maximalzugkraft zu erhöhen und unmittelbar nach dem Passieren des spezifischen Ablageortes für das Zurücklegen einer Ablagestrecke auf eine vorgebbare Minimalzugkraft abzusenken, um dann die Fadenzugkraft wieder auf die voreingestellte Fadenzugkraft zu erhöhen.

Zur Regelung der Fadenzugkraft kann zumindest eine Einrichtung zur Einstellung und Aufrechterhaltung der jeweiligen Fadenzugkraft vorgesehen sein. Die Einrichtung kann dabei von der Regelungsvorrichtung angesteuert werden. Die Regelungsvorrichtung kann eine Eingabe-Ausgabeeinheit aufweisen, welche die Vorgabe der voreinzustellenden Fadenzugkraft ermöglicht. Des Weiteren können durch die Eingabe-Ausgabeeinheit Wickelmuster ausgewählt sowie die Minimalzugkraft und die Maximalzugkraft vorgegeben werden.

Hierfür kann die zumindest eine Einrichtung zumindest einen elektronisch geregelten Antriebsmotor umfassen, welcher die Spule antreibt. Der Antriebsmotor kann bevorzugt als Synchronmotor ausgeführt sein. Synchronmotoren eignen sich vorteilhaft für Anwendungen, bei denen eine belastungsunabhängige, stabile Drehzahl gefordert ist, wie dies bei der Aufrechterhaltung der Fadenzugkraft der Fall ist. Zudem ermöglicht ein Synchronmotor eine kompakte und effiziente Ausgestaltung der Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Fadenzugkraft, was sich im Gesamtgewicht der zumindest einen Einrichtung widerspiegelt. Jede Spule kann individuell von einem elektronisch geregelten Synchronmotor angetrieben werden.

Weiterhin kann die zumindest eine Einrichtung zumindest eine Sensoreinheit zur kontinuierlichen Detektion der Fadenzugkraft aufweisen. Die zumindest eine Sensoreinheit arbeitet bevorzugt berührungslos, um den Einfluss auf die zu detektie- rende Fadenzugkraft zu minimieren.

Insbesondere kann das Bauteil als ein Mehrpunktlenker für ein Fahrwerk eines Kraftoder Nutzfahrzeugs ausgeführt sein.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung o- der unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend erläutert wird, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1a - 1e schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausgeführten faserverstärkten Bauteilen;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein als Vierpunktlenker ausgeführtes Bauteil;

Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren;

Fig. 4 schematisch in Teilansicht eine Kante eines Fadenträgers, die einen spezifischen Ablageort ausbildet;

Fig. 5 schematisch den Fadenträger gemäß Fig. 4 mit darauf über einen Fadenablageweg abgelegtem Fasermaterial; und

Fig. 6 exemplarisch ein Diagramm des Verlaufs von Fadenzugkraft über den Fadenablageweg gemäß Fig. 5.

In den Fig. 1a bis 1e sind schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausgeführten faserverstärkten Bauteilen 1 dargestellt. So zeigt Fig. 1a ein als Zweipunktlenker ausgeführtes Bauteil 1 eines Fahrwerks eines Personen- oder Nutzkraftfahrzeugs. Das Bauteil 1 umfasst einen Körper 2, der zumindest zwei Lasteinleitungsbereiche 4 aufweist, die durch eine Verbindungsstruktur 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstruktur 3 des Körpers 2 kann insbesondere als Hohlprofil ausgeführt sein. Der Körper 2 bestimmt im Wesentlichen die Grundform des Bauteils 1. In den Fig. 1 b und 1 c sind beispielhaft zwei Varianten eines als Dreipunktlenkers ausgeführten Bauteils 1 dargestellt. In den Fig. 1d und 1e ist beispielhaft ein als Vierpunktlenker bzw. ein als Fünfpunktlenker ausgeführtes Bauteil 1 dargestellt. Als Mehrpunktlenker ausgeführte Bauteile 1 können kinematische Punkte in einem Fahrwerk und/oder in einer Radaufhängung verbinden und Bewegungen und/oder Kräfte übertragen. Hierbei kann die Verbindung des Mehrpunktlenkers mit weiteren Bestandteilen des Fahrwerks mittels Gelenken realisiert sein, die in den Lasteinleitungsbereichen 4 angeordnet sind. Diese Bauteile 1 weisen aufgrund der Symmetrie ihrer Gestalt sowie der Anordnung der Lasteinleitungsbereiche 4 einen eindeutigen, im Wesentlichen konstanten Lastfluss auf, der sich auf wenige dominante Lastrichtungen beschränkt. Die Fertigung solcher Bauteile 1 als faserverstärkte Bauteilen mittels eines dreidimensionalen Wickelverfahrens ermöglicht es, Funktionsbauteile von geringster Masse mit gleichzeitig hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerten herzustellen.

Gemäß Fig. 2 umfasst ein als Vierpunktlenker ausgeführtes Bauteil 1 für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs einen Körper 2, dessen Grundform durch ein Kernele- ment respektive einen Fadenträger 12 vorgegeben ist, zumindest ein fadenförmiges Fasermaterial 12 sowie vier Buchsen 6 die in den jeweiligen auszubildenden Lasteinleitungsbereichen 4 angeordnet sind. Das auf dem Fadenträger 11 abgelegte fadenförmige Fasermaterial 12 ist exemplarisch und stark vereinfacht dargestellt. Insbesondere bildet das fadenförmige Fasermaterial 12 im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des als Vierpunktlenker ausgeführten Bauteils 1 aus. Der Körper 2 besteht aus einem Torsionselement 5 sowie vier mit dem Torsionselement 5 einteilig verbundenen Trägerarme 7. An einem jeweiligen distalen Ende des jeweiligen Trägerarms 7 ist die jeweilige Buchse 6 zur Aufnahme eines jeweiligen - hier nicht dargestellten - Lagerelements, insbesondere Molekulargelenks angeordnet. Der Vierpunktlenker 1 wird beispielsweise in einer Sattelzugmaschine als Fahrwerksanbindung eingesetzt und übernimmt dabei die Aufgaben eines Dreiecklenkers sowie des Stabilisators. Mithin ist der Vierpunktlenker 1 für die Querführung und maßgeblich für die Längsführung der Achse verantwortlich. Ferner wird über den Vierpunktlenker 1 auch die Wankstabilisierung dargestellt. Dadurch, dass der Fadenträger 11 und die jeweilige Buchse 6 zumindest teilweise mit dem fadenförmigen Fasermaterial 12 umwickelt sind, sind die jeweilige Buchse 6 und das fadenförmige Fasermaterial 12 zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden.

Der Fadenträger 11 ist nicht lastführend und dient nur der Formgebung für das fadenförmige bzw. strangförmige Fasermaterial 12. Das Fasermaterial 12 besteht aus einer Vielzahl von Endlosfasern und ist mit einem Harz vorimprägniert. Demgegenüber ist der Fadenträger 11 aus einem Schaummaterial ausgebildet. Ferner ist die jeweilige Buchse 6 aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Der Fadenträger 11 , das Fasermaterial 12 und die Buchsen 6 weisen eine Quasi-Integralbauweise mit intrinsischer Fügung auf.

Insbesondere kann genau ein Fasermaterial 12 mehrmals um den Fadenträger 11 und die jeweilige Buchse 6 gewickelt sein. Das Fasermaterial 12 ist dabei an dem jeweiligen Trägerarm 7 im Wesentlichen parallel zu einer jeweiligen Längsachse 8 des jeweiligen Trägerarms 7 geführt, um Biegespannungen aufzunehmen. Ferner ist das Fasermaterial 12 an dem Torsionselement 5 in einem Winkel von ca. 40° bis ca. 60°, vorzugsweise 45°, zu einer Längsachse 9 des Vierpunktlenkers 1 geführt, um Schubspannungen aus einer Torsion aufzunehmen.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung 10 zur Fertigung von solchen faserverstärkten Bauteilen 1 nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren beschrieben, wobei mittels der zumindest einen rechnergesteuerten Wickelvorrichtung 10 zumindest ein Fadenträger 11 mit einem auf zumindest einer Spule 18 bereitgestellten fadenförmigen oder strangförmigen Fasermaterial 12, das als TowPreg-Halb- zeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster umwickelt wird. In Abhängigkeit von der Ausführung des herzustellenden Bauteils 1 können mehrere Wickelmuster beim Umwickeln des Fadenträgers 11 verwendet werden. Jedes Wickelmuster beeinflusst wenigstens eine mechanische Eigenschaft des Bauelements 1 . Die me- chanischen Eigenschaften des Bauelements 1 können mittels der Abfolge, der Wiederholung, der Durchmischung und/oder der Materialwahl der einzelnen Wickelmuster gezielt, d. h. präzise, eingestellt werden.

In Fig. 3 ist schematisch die Wickelvorrichtung 10 zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren dargestellt. Die rechnergestützte Wickelvorrichtung 10 ist zur Umwicklung zumindest eines Fadenträgers 11 mit einem auf zumindest einer Spule 18 bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial 12 eingerichtet. Der Fadenträger 1 1 bildet ein Kernelement des Bauteils 1 , welches im Wesentlichen die prinzipielle Kontur des im dreidimensionalen Wickelverfahren herzustellenden Bauteils 1 vorgibt, ohne jedoch eine tragende Funktion auszuüben. Die schematische Darstellung in Fig. 3 zeigt den Fadenträger 11 mit daran bereits angeordneten Gelenkelementen in den Lasteinleitungsbereichen 4. Das Ablegen des Fasermaterials 12 erfolgt in der Form von einem Wickelmuster oder mehreren unterschiedlichen Wickelmustern, wobei jedem Wickelmuster eine bestimmte Aufgabe zugeordnet ist, um eine oder mehrere mechanische Eigenschaften des Bauteils 1 zu beeinflussen.

Die Wickelvorrichtung 10 ist hier und vorzugsweise als zumindest ein sechs Rotationsachsen aufweisender Roboterarm 13 ausgeführt. Zur Ansteuerung des zumindest einen Roboterarmes 13 ist eine Regelungsvorrichtung 14 vorgesehen, die durch eine Signalleitung oder ein Bussystem 15 mit dem Roboterarm 13 drahtlos oder drahtgebunden kommuniziert. Auf einer angetriebenen Drehachse 16 eines Drehgestells 17 ist der Fadenträger 11 angeordnet, auf den der zumindest eine Faserstrang 12 mit zumindest einem durch die Regelungsvorrichtung 14 vorgebbaren Wickelmuster aufgewickelt wird. Der Antrieb der Drehachse 16 kann ebenfalls von der Regelungsvorrichtung 14 über das Bussystem 15 angesteuert werden. Die Drehachse 16 des Drehgestells 17 bildet eine siebte Rotationsachse der Vorrichtung 10. Das im Wesentlichen fadenförmige Fasermaterial 12 wird auf der zumindest einen Spule 18 bereitgestellt. Die Spule 18 ist am Kopf des Roboterarms 13, welcher eine Faserführungsvorrichtung 25 ausbildet, angeordnet und wird von dieser mitgeführt. Die Spule 18 kann auch räumlich beabstandet zu dem Roboterarm 13 angeordnet sein. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin zumindest eine Einrichtung 19 zur Aufrechterhaltung einer voreingestellten Fadenzugkraft FZN. Zur Eingabe bzw. Auswahl der voreingestellten Fadenzugkraft FZN ist eine Eingabe-Ausgabeeinheit 26 vorgesehen, die mit der Regelungsvorrichtung 14 kommuniziert. Des Weiteren können durch die Eingabe-Ausgabeeinheit verschiedene Wickelmuster ausgewählt und/oder eingestellt sowie eine Minimalzugkraft Fzmin und eine Maximalzugkraft Fzmax vorgegeben werden.

Die jeweilige Einrichtung 19 umfasst einen, insbesondere als elektronisch geregelten Synchronmotor ausgeführten, Antriebsmotor 20, eine Recheneinheit 21 sowie zumindest eine Sensoreinheit 22 zur Detektion einer tatsächlichen Fadenzugkraft Fast. Die Spule 18 ist drehfest auf einer Achse 23 angeordnet, die von dem Antriebsmotor 20 angetrieben wird. Das von der Spule 18 abgezogene faden- oder strangförmige Fasermaterial 12 wird durch ein an der Faserführungsvorrichtung 25 angeordnetes, einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweisendes Führungselement 24 geführt und von der der Faserführungsvorrichtung 25 auf dem Fadenträger 11 abgelegt bzw. um diesen gewickelt.

Zur Überwachung der Fadenzugkraft Fast kann zumindest eine Sensoreinheit 22 entlang des freien Weges des zumindest einen Fasermaterials 12 zwischen dem Abspulpunkt auf der Spule 18 und dem Ablagepunkt auf dem Fadenträger 11 angeordnet sein.

Die Recheneinheit 21 ist zur Auswertung der Signale der zumindest einen Sensoreinheit 22 sowie zur Ansteuerung des zumindest einen Antriebsmotors 20 in Abhängigkeit von der detektierten Fadenzugkraft Fzist eingerichtet. Die Ansteuerung des zumindest einen Synchronmotors 20 durch die Recheneinheit 21 ermöglicht die Aufrechterhaltung der voreingestellten Fadenzugkraft FZN. Dies ist einerseits notwendig, um eine durch die Bewegung des Roboterarmes 13 hervorgerufene Längung oder Verkürzung des auf dem Fadenträger 11 abzulegenden Fasermaterials 12 zu vermeiden. Hierfür kann die Regelungsvorrichtung 14 des Roboterarmes 13 mit der Recheneinheit 21 durch das Bussystem 15 verbunden sein, um das Bewegungsprofil des sechs Rotationsachsen aufweisenden Roboterarms 13 zur Darstellung des eingestellten Wickelprofils an die Recheneinheit 21 zu übertragen. Damit kann die Präzision, mit der die voreingestellte Fadenzugkraft FZN durch die Ansteuerung des Synchronmotors 20 aufrechterhalten wird, erhöht werden. Die von dem Synchronmotor 20 angetriebene Spule 18 lässt sich derart betreiben, dass wechselweise ein Abspulen sowie ein Zurückspulen des Fasermaterials 12 durch eine Drehrichtungsänderung möglich ist. Die Regelungsvorrichtung 14 kann auch dazu eingerichtet sein, zusätzlich die Aufgabe der Recheneinheit 21 zu übernehmen, so dass die Recheneinheit 21 entfallen könnte.

Die Darstellung in Fig. 4 zeigt schematisch in Teilansicht eine Kante 30 des Fadenträgers 11 , die einen spezifischen Ablageort 29 ausbildet. Für bestimmte Bereiche des Bauteils 1 kann es vorteilhaft sein, die Ablage des Fasermaterials 12 abweichend von einer geodätischen Linie 27 auf einer Ablagebahn 28 vorzunehmen, um aufgrund der geometrischen/strukturellen Gegebenheiten eines jeweiligen spezifischen Ablageortes 29 des Bauteils 1 gekrümmte Lastpfade darzustellen, um den Lastabtrag von lokal mehrachsigen Spannungszuständen zu unterstützen, um bestimmte Wendepunkte mit dem Ablageverlauf des Fasermaterials 12 zu erreichen oder um bestimmte Materialanhäufungspunkte im Laminat, welches sich durch die Ablage des sträng- oder fadenförmigen Fasermateriales 12 schichtweise aufbaut, zu vermeiden. Einen spezifischer Ablageort 29 auf dem Fadenträger 11 bildet im vorliegend dargestellten Fall beispielsweise die gekrümmte Kante 30 an der Außenkontur des Fadenträgers 11. Ein weiterer spezifischer Ablageort 29 kann die zu umwickelnde Buchse 6 im Lasteinleitungsbereich 4 des Bauteils 1 sein. Seitliche Einschnürungen am Torsionselement 5, wie aus der Darstellung in Fig. 2 ersichtlich, bilden weitere spezifische Ablageorte 29.

An der Kante 30 kann es zu einer Umlenkung des Fasermaterials 12 um beispielsweise 90° kommen. An einem solchen spezifischen Ablageort 29 auf dem Fadenträger 12 kann es aufgrund der örtlichen Geometrie, der die Umlenkung bewirkenden Kante 30, bei voreingestellter Fadenzugkraft FZN ZU einem Verlassen der durch das Wickelmuster vorgegeben Ablagebahn 28 kommen, wobei das Fasermaterial 12 auf die geodätische Bahn 27 zurückrutschen bzw. abrutschen kann. Mit dem Bezugszeichen S ist der Fadenablageweg bezeichnet, d.h. die Wegstrecke entlang der Ablagebahn 28. Der Fadenablageweg S gibt auch die Wickel- bzw. Ablagerichtung des Fasermaterials 12 wieder.

Als spezifische Ablageorte 29 werden geometrische Eigenheiten des Fadenträgers 11 und/oder sich auf dem Fadenträger 11 während des Wickelvorgangs ausbildende geometrische Eigenheiten berücksichtigt, die durch Richtungswechsel innerhalb des Wickelmusters und/oder durch Umlenkungen aufgrund der Geometrie des Fadenträgers 11 und/oder durch Überlappungsbereiche mehrerer Richtungen von Wcklungen bei der Ablage des Fasermaterials 12 hervorgerufen werden bzw. entstehen.

Erfindungsgemäß ist zur Vermeidung des Abrutschens des abweichend von einer geodätischen Linie 27 auf der vorgegebenen Ablagebahn 28 abgelegten Fasermaterials 12 vorgesehen, dass zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten 29 auf dem Fadenträger 12, in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Fadenzugkraft FZN ZU einem Verlassen der durch das Wickelmuster vorgegeben Ablagebahn 28 kommt, die Fadenzugkraft Fast ortsabhängig und/oder bahnabhängig geregelt wird. Es wird eine ortsabhängige und/oder bahnabhängige Anpassung der Fadenzugkraft Fast vorgenommen, um die vorgegebene, von der geodätischen Linie 27 abweichende Ablagebahn 28 des Fasermaterials 12 an spezifischen Ablageorten 29 auf dem Fadenträger 12 beizubehalten, d.h. um ein Abrutschen auf die geodätische Linie 27 zu verhindern.

In Fig. 5 ist schematisch der Fadenträger 11 gemäß Fig. 4 mit darauf über einen Fadenablageweg S abgelegtem Fasermaterial 12 dargestellt. Die Fig. 6 stellt exemplarisch ein Diagramm des Verlaufs von Fadenzugkraft Fast über den Fadenablageweg S gemäß Fig. 5 dar. Anhand der Darstellungen in den Fig. 5 und 6 wird die ortsabhängige und/oder bahnabhängige Regelung der Fadenzugkraft Fzist beispielhaft für das Umlenken um die Kante 30 als einem spezifischen Ablageort 29 erläutert.

Zunächst erfolgt die Ablage des Fasermaterials 12 mit der voreingestellten Fadenzugkraft FZN, welche durch das Zusammenwirken von Regelungsvorrichtung 14 und Recheneinheit 21 aufrechterhalten wird. Mit dem Erreichen eines Punktes S1 vor der Kante 30 wird die Fadenzugkraft von der voreingestellten Fadenzugkraft FZN auf den Wert Fzmax erhöht. Der Anstieg der Fadenzugkraft Fast folgt dabei einem im Wesentlichen rampenförmigen Verlauf. Die Lage vor bzw. der Abstand des Punktes S1 zu dem spezifischen Ablageort 29 ist abhängig von der Regelungsgeschwindigkeit der Regelungsvorrichtung 14, mit welcher die Fadenzugkraft Fast von FZN auf Fzmax durch die Einrichtung 19 erhöht werden kann, ohne das Fasermaterial 12 zu überlasten. Im Punkt S2 erreicht die Fadenzugkraft Fzist den Wert der vorgegebenen maximalen Fadenzugkraft Fzmax. Der Punkt S2 stellt, in Ablagerichtung des Fasermaterials 12 gesehen, den unmittelbaren Anfang 31 des spezifischen Ablageortes 29, hier der Kante 30, dar. Die maximalen Fadenzugkraft Fzmax wird für den Fadenablageweg S zwischen dem Punkt S2 und einem nachfolgend Punkt S3 aufrechterhalten. Der Punkt S3 markiert, in Ablagerichtung des Fasermaterials 12 gesehen, das Ende 32 des spezifischen Ablageortes 29, hier der Kante 30.

Zwischen dem Punkt S3 und Punkt S4 wird die Fadenzugkraft Fzist auf die minimale Fadenzugkraft Fzmin abgesenkt. Das Absenken der Fadenzugkraft Fast folgt dabei ebenfalls einem im Wesentlichen rampenförmigen Verlauf. Der rampenförmige Verlauf beim Absenken der Fadenzugkraft Fast weist eine höhere Steigung auf als bei der vorangehenden Erhöhung der Fadenzugkraft Fzist.

Zwischen dem Punkt S4 und einem Punkt S5 wird das Fasermaterial 12 über eine vorgebbare Ablagestrecke 33 hinweg nur mit der minimale Fadenzugkraft Fzmin abgelegt. Insbesondere kann die zurückgelegte Ablagestrecke, mit der das Fasermaterial 12 mit Minimalzugkraft Fzmin abgelegt wird, in Abhängigkeit von den Hafteigenschaften des Fasermaterials 12 bestimmt werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Adhäsionskraft des Fasermaterials 12 an der Oberfläche des Fadenträgers 11 respektive bereits darunter befindlichen Lagen an Fasermaterial 12, dem Laminat, ausreicht, um anschließend die Fadenzugkraft Fzist auf die voreingestellte Fadenzugkraft FZN erhöhen zu können, ohne dass es zum Abrutschen des Fasermaterials 12 auf die geodätische Linie 27 kommt. Die Länge der Ablagestrecke 33 ist somit derart gewählt, dass eine Ausrichtung des Fasermaterials 12 an der geodätischen Linie 27 im Bereich des spezifischen Ablageortes 29 unterbunden wird. Am Ende der Ablagestrecke 33, das durch den Punkt S5 bestimmt ist, wird die Fadenzugkraft Fzist auf die voreingestellte Fadenzugkraft FZN erhöht. Auch hier folgt das Erhöhen der Fadenzugkraft Fzist einem rampenförmigen Verlauf, bis im Punkt S6 die voreingestellte Fadenzugkraft FZN erreicht wurde.

Die Regelungsvorrichtung 14 weist eine Speichereinheit 34, in welcher Wickelmuster hinterlegbar sind, und eine Recheneinheit 35 zur Ansteuerung der Wickelvorrichtung 10 auf. Die Regelungsvorrichtung 14 kann dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Geometrie des zu umwickelnden Fadenträgers 1 1 und dem zumindest einen zur Anwendung kommenden Wickelmuster die spezifischen Ablageorte 29 zu bestimmen, um die Fadenzugkraft Fzist ortsabhängig und/oder bahnabhängig anzupassen.

In der Speichereinheit 34 können mehrere rampenförmige Verläufe, insbesondere editierbar, hinterlegt sein. Dadurch kann eine Anpassung an unterschiedliche, zum Einsatz kommende Fasermaterialien 12 und/oder voreingestellte Fadenzugkräfte FZN vorgenommen werden.

Die Regelungsvorrichtung 14 kann dazu eingerichtet sein, dass die Fadenzugkraft Fzist in Abhängigkeit von einem lokalen Ablagewinkel und/oder einer während des Wickelprozesses erreichten Laminatstärke, d.h. Schichtdicke bereits abgelegten Fasermaterials 12, geregelt wird. Weiterhin kann die voreingestellte Fadenzugkraft FZN in Abhängigkeit von einem lokalen Ablagewinkel und/oder einer während des Wickelprozesses erreichten Laminatstärke geregelt werden. Damit kann beispielsweise dem Umstand Rechnung getragen werden, dass mit zunehmender Laminatstärke die voreingestellte Fadenzugkraft FZN abgesenkt werden muss, um Einschnürungen zu vermeiden. Bezuqszeichen

Bauteil

Körper

Verbindungsstruktur

Lasteinleitungsbereich

Torsionselement

Buchse

Trägerarm

Längsachse

Wickelvorrichtung

Fadenträger

Fasermaterial

Roboterarm

Steuerungsvorrichtung

Bussystem

Drehachse

Drehgestell

Spule

Wickelvorrichtung

Synchronmotor

Recheneinheit

Sensoreinheit

Achse

Führungselement

Führungsvorrichtung

Eingabe-Ausgabeeinheit geodätische Linie Ablagebahn

Spezifischer Ablageort

Kante von 11

Anfang von 29 32 Ende von 29

33 Ablagestrecke

34 Speichereinheit

35 Recheneinheit

Fzist Fadenzugkraft

FZN voreingestellte Fadenzugkraft

Fzmax maximale Fadenzugkraft

Fzmin minimale Fadenzugkraft

S Fadenablageweg

S1 bis S6 Punkt entlang des Fadenablageweges

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1 ) aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung (10) zumindest ein Fadenträger (11 ) mit einem auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial (12) mit zumindest einem Wickelmuster mit einer Fadenzugkraft (Fast) umwickelt wird, wobei die Ablage des Fasermateriales (12) auf dem Fadenträger (11 ) mit einer durch eine Regelungsvorrichtung (14) voreingestellten Fadenzugkraft (FZN) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten (29) auf dem Fadenträger (11 ), in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Fadenzugkraft (FZN) ZU einem Verlassen einer durch das W- ckelmuster vorgegebenen Ablagebahn (28) kommt, die Fadenzugkraft (Fast) ortsabhängig und/oder bahnabhängig geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erreichen eines solchen spezifischen Ablageortes (29) die voreingestellte Fadenzugkraft (FzN)auf eine vorgebbare Maximalzugkraft (Fzmax) erhöht und unmittelbar nach dem Passieren des spezifischen Ablageortes (29) für das Zurücklegen einer Ablagestrecke (33) auf eine vorgebbare Minimalzugkraft (Fzmin) abgesenkt wird, bevor die Fadenzugkraft (Fast) wieder auf die voreingestellte Fadenzugkraft (FZN) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgelegte Ablagestrecke (33), mit der das Fasermaterial (12) mit Minimalzugkraft (Fzmin) abgelegt wird, in Abhängigkeit von den Hafteigenschaften des Fasermaterials (12) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ablagestrecke (33) derart gewählt ist, dass eine Ausrichtung des Fasermaterials (12) an der geodätischen Linie (29) im Bereich des spezifischen Ablageortes (29) unterbunden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Änderung der Fadenzugkraft (Fast) einem rampenförmigen Verlauf folgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die voreingestellte Fadenzugkraft (FZN) in Abhängigkeit von während des Wickelvorgangs ausgebildeten unterschiedlichen Wickelmustem variiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als spezifische Ablageorte (29) geometrische Eigenheiten des Fadenträgers (11 ) und/oder sich auf dem Fadenträger (11 ) während des Wickelvorgangs ausbildende geometrische Eigenheiten berücksichtigt werden, die durch Richtungswechsel innerhalb des Wickelmusters und/oder durch Umlenkungen aufgrund der Geometrie des Fadenträgers (11 ) und/oder durch Überlappungsbereiche mehrerer Richtungen von Wicklungen bei der Ablage des Fasermaterials (12) hervorgerufen werden bzw. entstehen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadenzugkraft(Fzist) in Abhängigkeit von einem lokalen Ablagewinkel und/oder einer während des Wickelprozesses erreichten Laminatstärke geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial (12) TowPreg verwendet wird.

10. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) zur Herstellung eines Bauteils (1 ) aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickel verfahren, wobei die rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) zur Umwicklung eines Fadenträgers (11 ) mit einem auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten faden- oder strangförmigen Fasermaterial (12) nach zumindest einem vorgebbaren Wickelmuster mit einer Fadenzugkraft (Fast) eingerichtet ist, wobei die Wickelvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Ablage des Fasermateriales (12) auf dem Fadenträger (11 ) mit einer durch eine Regelungsvorrichtung (14) voreingestellten Fadenzugkraft (FZN) durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, zur Berücksichtigung von spezifischen Ablageorten (29) auf dem Fadenträger (12), in denen es aufgrund der örtlichen Geometrie bei voreingestellter Faden- Zugkraft (FZN) ZU einem Verlassen einer durch das Wickelmuster vorgegebenen Ablagebahn (28) kommt, die Fadenzugkraft(Fzist) ortsabhängig und/oder bahnabhängig zu regeln.

11. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung (14) eine Speichereinheit (34), in welcher Wickelmuster hinterlegbar sind, und eine Recheneinheit (35) zur Ansteuerung der Wickelvorrichtung (10) aufweist.

12. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Geometrie des zu umwickelnden Fadenträgers (12) und dem zumindest einen zur Anwendung kommenden Wickelmuster die spezifischen Ablageorte (29) zu bestimmen, um die Fadenzugkraft(FzN) ortsabhängig anzupassen.

13. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, vor dem Erreichen eines solchen spezifischen Ablageortes (29) die voreingestellte Fadenzugkraft (FZN) auf eine vorgebbare Maximalzugkraft (Fzmax) zu erhöhen und unmittelbar nach dem Passieren des spezifischen Ablageortes (29) für das Zurücklegen einer Ablagestrecke (33) auf eine vorgebbare Minimalzugkraft (Fzmin) abzusenken, um dann die Fadenzugkraft (Fast) wieder auf die voreingestellte Fadenzugkraft (FZN) ZU erhöhen.

14. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einrichtung (19) zur Einstellung und Aufrechterhaltung der jeweilig eingestellten Fadenzugkraft (FZN, Fzmax, Fzmin) vorgesehen ist.

15. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung (19) zumindest einen elektronisch geregelten Antriebsmotor (20) umfasst, welcher die zumindest eine Spule (18) antreibt.

16. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung (19) zumindest eine Sensoreinheit (22) zur kontinuierlichen Detektion der Fadenzugkraft (Fzist) aufweist.

17. Rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) als ein Mehrpunktlenker für ein Fahrwerk eines Kraft- oder Nutzfahrzeugs ausgeführt ist.

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