-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Faserverbund-Profilbauteilen aus einem Profilvorformlingstrang.
-
Die Verwendung von faserverstärkten Bauteilen (Faserverbundbauteile) ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
-
Faserverbund-Profilbauteile können z. B. als leichtgewichtige und dennoch stabile Verstärkungsprofile eingesetzt werden. Seit geraumer Zeit werden beispielsweise im Flugzeugbau Faserverbund-Profilbauteile zur Versteifung des Flugzeugrumpfes eingesetzt. Hierbei werden sowohl geradlinig sich erstreckende Profile als auch gekrümmte Profile benötigt. Gerade Profile können z. B. als ”Stringer” in Längsrichtung eines einfach gekrümmten Flugzeugschalenbereiches verwendet werden, wohingegen gekrümmte Profile z. B. als in einer Umfangsrichtung verlaufenende ”Spanten” für einen solchen Schalenbereich verwendet werden können. Zur Versteifung doppelt gekrümmter Schalenbereiche (z. B. Cockpit- und Hecksektion eines Flugzeuges) mit Stringern müssen diese ebenfalls eine Krümmung aufweisen.
-
Insbesondere zur Versteifung doppelt gekrümmter Schalenabschnitte sind Verstärkungsprofile wünschenswert, die möglichst gut an die jeweiligen geometrischen Verhältnisse angepasst sind, d. h. eine jeweilige lokale Krümmung und/oder eine lokale Torsion aufweisen.
-
Insbesondere im Flugzeugbau ist in der Regel davon auszugehen, dass der Krümmungsradius nicht konstant ist und somit selbst nebeneinander angeordnete Verstärkungsprofile nicht identisch sind. In der Folge werden die in der Praxis benötigten Faserverbund-Profilbauteile einzeln und mit individuellen Werkzeugsätzen angefertigt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand, insbesondere hinsichtlich der Werkzeugkosten und der Logistik, und führt darüber hinaus zu einer langwierigen Produktion mit entsprechend geringer Produktivität.
-
Zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils ist es bekannt, zunächst einen Profilvorformling (”Preform”) vorzufertigen, welcher ein entlang eines langgestreckten Formkerns angeordnetes Fasermaterial-Halbzeug (z. B. Gewebe, Gelege, Fasermatten etc.) umfasst, und diesen Profilvorformling sodann zum Profilbauteil weiterzuverarbeiten, beispielsweise durch Infiltration mit Matrixmaterial (z. B. Kunstharz) und anschließendem Aushärten (z. B. thermisch). Gegebenenfalls können auch mehrere Versteifungsprofile in einem Schritt zusammen mit der zu versteifenden Schale gefertigt werden.
-
Zur Herstellung von Profilbauteilen mit – über deren Länge betrachtet – verschiedenen Krümmungs- bzw. Torsionsverläufen sind die entsprechenden Profilvorformlinge einzeln und mit individuellen Werkzeugsätzen, und somit sehr aufwändig anzufertigen.
-
Aus der
WO 91/10547 A1 , der
DE 30 42 938 A1 und der
DE 10 2005 028 765 A1 ist jeweils ein Profilvorformling zur Herstellung eines Faserverbundprofilbauteils bekannt. Der Profilvorformling umfasst ein entlang eines langestreckten Formkerns angeordnetes Fasermaterialhalbzeug. Ferner ist der Profilvorformling entsprechend einer gewünschten Krümmung und/oder Torsion des herzustellenden Profilbauteils krümmbar bzw. tordierbar.
-
Aus der
DE 30 42 938 A1 ist es ferner bekannt, die Vorformlinge mit unterschiedlicher Krümmung zu formen.
-
Aus der
US 4 746 386 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Profilvorformlings bekannt, bei dem ein Profilvorformling kontinuierlich hergestellt und anschließend verformt wird.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils zu vereinfachen, insbesondere im Hinblick auf die Herstellung solcher Bauteile mit unterschiedlichen Krümmungen und/oder Torsionen.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Faserverbund-Profilbauteilen nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Ein Profilvorformling zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils, umfassend ein entlang eines langgestreckten Formkerns angeordnetes Fasermaterial-Halbzeug, ist entsprechend einer gewünschten Krümmung und/oder Torsion des herzustellenden Profilbauteils krümmbar bzw. tordierbar.
-
Der Profilvorformling kann somit zur Herstellung verschiedenartiger Profilbauteile verwendet werden. Daher werden keine individuellen Vorrichtungen bzw. Fertigungsschritte zur Bereitstellung verschiedenartiger Profilvorformlinge benötigt. Damit können insbesondere die Werkzeugkosten und der Logistikaufwand gesenkt werden und die Produktivität gesteigert werden. Bei Verwendung gleichartiger Profilvorformlinge zur Herstellung verschiedenartiger Profilbauteile ist vorteilhaft auch eine Verwechslungsgefahr betreffend die Auswahl eines jeweils geeigneten Profilvorformlings beseitigt.
-
Die konkrete Formgestaltung des herzustellenden Profilbauteils spielt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Profilvorformlings eine untergeordnete oder gar keine Rolle. Die konkrete Krümmung und/oder Torsion bzw. der konkrete Verlauf dieser Eigenschaften wird dem Profilbauteil erst im Rahmen der Weiterverarbeitung des Profilvorformlings verliehen.
-
Dazu wird der Profilvorformling beispielsweise erst in einem Aushärtewerkzeug in die jeweils gewünschte Form gebracht (durch Krümmung und/oder Torsion). Der Profilvorformling muss hierzu im vorgefertigten Stadium lediglich eine ausreichende Flexibilität hinsichtlich Krümmung bzw. Torsion aufweisen.
-
Im Hinblick auf eine Krümmbarkeit kann z. B. vorgesehen sein, dass ohne Schädigung eines (ursprünglich geraden) Profilvorformlings ein Krümmungsradius von weniger als dem 200-fachen, insbesondere weniger als dem 100-fachen der Profilhöhe erzielt werden kann (wobei die Profilhöhe orthogonal zur Längsrichtung des Profils und in der Krümmungsebene liegend gemessen sein soll). Für einen ursprünglich bereits gekrümmt gefertigten Vorformling kann ein entsprechendes Krümmbarkeitsausmaß vorgesehen sein.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Formkern aus einem flexiblen Werkstoff (z. B. Silikon, Schaumwerkstoff etc.) gefertigt ist.
-
Der Begriff ”Formkern” ist insofern sehr breit zu verstehen, als hierunter im Querschnitt des Profilvorformlings betrachtet sowohl vollständig als auch unvollständig von dem Fasermaterial-Halbzeug umgebene Strukturen fallen sollen. Auch kann der Formkern eine aus mehreren Teilen gebildete Struktur darstellen (wie es z. B. bei den unten noch beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist). Wesentlich ist im Rahmen der Erfindung die profilgebende Eigenschaft des Formkerns für das daran angeordnete Fasermaterial-Halbzeug.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der zur Herstellung des Profilvorformlings verwendete Formkern geradlinig verlaufend gefertigt wurde. Dies ist z. B. besonders vorteilhaft, wenn der Profilvorformling sowohl zur Herstellung von geraden Profilen als auch zur Herstellung von gekrümmten Profilen verwendet werden soll.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der zur Herstellung des Profilvorformlings verwendete Formkern mit einer Eigenkrümmung und/oder Eigentorsion gefertigt wurde. Dies ist z. B. dann besonders vorteilhaft, wenn mit dem Profilvorformling vorwiegend oder ausschließlich gekrümmte und/oder tordierte Profilbauteile hergestellt werden sollen, deren Krümmung bzw. Torsion um ”mittlere Werte” variiert. Diese mittleren Werte können dann vorteilhaft die Grundlage der geometrischen Gestaltung des Profilvorformlings bilden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Profilvorformling einen Fasermaterial-Halbzeugbereich aufweist, der sich im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen orthogonal zu einer Krümmungsebene des fertigen Bauteils erstreckt und Fasern in 0°-Orientierung enthält. Dieser Halbzeugbereich wird nachfolgend auch als ”Neutralfaserbereich” bezeichnet.
-
Der Begriff ”Krümmungsebene” soll diejenige (gedachte) Ebene bezeichnen, in welcher bzw. entlang welcher sich das gekrümmte Profilbauteil erstreckt.
-
Fasern in ”0°-Orientierung” verlaufen in Längsrichtung des Profilvorformlings bzw. des daraus gebildeten Profilbauteils (Diese Richtung ist in den Ausführungsbeispielen mit ”x” bezeichnet).
-
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich am fertigen Bauteil einen radial innersten oder radial äußersten Bauteilrand bildet. Diese Bauteilränder bilden im Querschnittsprofil einen ”Profilkopf” bzw. ”Profilfuß”. Zwischen dem Profilkopf und dem Profilfuß können ein oder mehrere ”Profilstege” (zur Verbindung zwischen Profilkopf und Profilfuß) ausgebildet sein.
-
In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich zusätzlich Fasern in von 0° verschiedener Orientierung enthält. Beispielsweise können im Neutralfaserbereich zusätzlich Fasern in +/–30° und/oder +/–45°-Orientierung enthalten sein.
-
Der Neutralfaserbereich kann z. B. durch ein oder mehrere Fasermaterial-Halbzeugbänder (z. B. Gewebe, Gelege etc., nachfolgend auch kurz als ”Bänder” bezeichnet) gebildet sein.
-
Um beispielsweise einen Neutralfaserbereich mit Fasern in –30°, 0° und +30° auszubilden, kann ein entsprechendes triaxiales Band in Längsrichtung entlang des Formkerns verlegt werden.
-
Alternativ können hierfür mehrere Bänder (mit verschiedenen Faserorientierungen) übereinander entlang des Formkerns verlegt werden. Solche Bänder können vor oder nach deren Anordnung am Formkern aneinander fixiert werden. Die Fixierung (z. B. durch Verkleben, Vernähen etc.) einzelner Bänder zueinander kann im Neutralfaserbereich (z. B. Profilkopf) durchgängig erfolgen, in den anderen Bereichen (z. B. Profilsteg(e) und Profilfuß) jedoch zweckmäßigerweise nur bereichsweise bzw. nicht-vollständig (z. B. punktuell oder durch Zickzacknaht).
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass durchgehende Fasern in 0°-Orientierung nur in einem als Profilkopf vorgesehenen Neutralfaserbereich enthalten sind, wohingegen die durch einen Profilsteg und Profilfuß definierten Halbzeugbereiche nur diagonale und/oder in 90° orientierte Fasern enthalten.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich an den Neutralfaserbereich wenigstens ein Fasermaterial-Halbzeugbereich anschließt, der sich im Querschnitt betrachtet nicht-orthogonal, insbesondere im Wesentlichen in oder parallel zur Krümmungsebene des fertigen Bauteils erstreckt, nachfolgend auch als ”radiale(r) Stegbereich(e)” bezeichnet. Darüber hinaus können sich an den Neutralfaserbereich z. B. auch ein oder mehrere schräg zur Krümmungsebene erstreckende Stegbereiche anschließen.
-
Die Krümmbarkeit des Profilvorformlings setzt voraus, dass in einem Stegbereich keine langen bzw. durchgehenden Fasern in 0°-Orientierung enthalten sind. Bevorzugt enthält der Stegbereich Fasern größtenteils in einer Orientierung von mindestens 45° (Fasern in +/–45°-Orientierung können z. B. in einfacher Weise durch ein Fasergelegeband oder Geflecht bereitgestellt werden). Alternativ oder zusätzlich zu diagonalen Fasern können hier auch Fasern in 90°-Orientierung enthalten sein.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Neutralfaserbereich aus wenigstens zwei Bändern mit verschiedener Faserorientierung bzw. Faserorientierungsverteilung ausgebildet ist, wobei eines dieser Bänder durchgehende Fasern in 0°-Orientierung enthält und sich lediglich innerhalb des Neutralfaserbereiches erstreckt, wohingegen ein anderes dieser Bänder diagonale Fasern und/oder 90°-orientierte Fasern enthält und sich im Querschnitt betrachtet in einen oder mehrere Stegbereiche hinein erstreckt. In einer Weiterbildung erstrecken sich das oder die letzteren Bänder weiter in einen Bereich, der im Querschnitt betrachtet wieder im Wesentlichen orthogonal zur Krümmungsebene des fertigen Bauteils liegt (wie der Neutralfaserbereich).
-
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Profilvorformlings wird wenigstens ein Fasermaterial-Band entlang eines langgestreckten, aus einem flexiblen Werkstoff gefertigten Formkerns angeordnet. Damit können Profilvorformlinge der vorstehend beschriebenen Art in einfacher Weise hergestellt werden.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Fasermaterial-Band enthaltend Fasern in 0°-Orientierung derart am Formkern angeordnet wird, dass die im Querschnitt betrachtete Erstreckung dieses Bandes im Wesentlichen orthogonal zu einer Krümmungsebene des fertigen Bauteils ist.
-
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Band am fertigen Bauteil im Bereich eines radial innersten oder radial äußersten Bauteilrandes (Profilfuß oder Profilkopf) angeordnet ist.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst eine Vorkonfektionierung eines mehrlagigen Fasermaterial-Bandes, welches entlang des Formkerns angeordnet wird, wobei das vorkonfektionierte Fasermaterial-Band mehrere Lagen von Fasermaterial-Bändern mit voneinander verschiedenen Faserorientierungen enthält.
-
Mit einem derart vorkonfektionierten mehrlagigen Band kann insbesondere der oben bereits erwähnte ”Neutralfaserbereich” (beispielsweise am Profilkopf oder am Profilfuß) gebildet werden. Bei entsprechender Ausbildung des vorkonfektionierten mehrlagigen Bandes können darüber hinaus auch noch andere Bereiche des Profilvorformlings ausgebildet werden.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens umfasst eine quasi-endlose Fertigung eines Profilvorformlingstranges, von welchem die Profilvorformlinge in jeweils gewünschter Länge abgetrennt werden. Damit ergibt sich vorteilhaft eine besonders universelle Nutzbarkeit der Profilvorformling-Herstellung, nämlich nicht nur hinsichtlich einer etwaigen Krümmung und/oder Torsion, sondern auch hinsichtlich der Länge des herzustellenden Profilbauteils.
-
Eine besonders vorteilhafte Verwendung von Profilvorformlingen der oben beschriebenen Art und/oder von Vorformlingen, die in der oben beschriebenen Art hergestellt wurden, besteht in der Herstellung einer Mehrzahl von Faserverbund-Profilbauteilen, welche voneinander verschiedene Krümmungen und/oder Torsionen aufweisen.
-
Insbesondere kann eine Verwendung zur Herstellung von Verstärkungsprofilen (oder z. B. auch: Streben, Stützen, Lenker etc.) vorgesehen sein, beispielsweise im Fahrzeug- oder Flugzeugbau.
-
Ein im Rahmen der Erfindung liegendes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- – Bereitstellung eines Profilvorformlings der oben beschriebenen Art und/oder entsprechend eines Verfahrens der oben beschriebenen Art hergestellt,
- – Verformung des Profilvorformlings durch Krümmen und/oder Tordieren entsprechend der für das fertige Bauteil gewünschten Krümmung bzw. Torsion,
- – Infiltration des Profilvorformlings (vor oder nach dessen Verformung) mit einem Matrixmaterial (einzeln oder zusammen mit der zu versteifenden Struktur), und
- – Aushärten des infiltrierten Profilvorformlings.
-
Zur Herstellung verschiedenartiger Faserverbund-Profilbauteile kann vorteilhaft eine gemeinsame Herstellung von Profilvorformlingen (bevorzugt eines konfektionierbaren Profilvorformlingstrangs) vorgesehen sein.
-
Denkbar ist, dass der vorgefertigte Profilvorformling bzw. Profilvorformlingstrang vor dessen Verformung bereits teilausgehärtet ist.
-
Prinzipiell sind für die Erfindung beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. Ein im Profilvorformling enthaltenes bzw. bei dessen Herstellung verwendetes Band kann ein so genanntes ”Prepreg” (vorimprägniertes Fasermaterial) darstellen. Derartige Prepregs sind in vielfältigen Ausführungen an sich bekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft verwendbare Prepregs können z. B. Endlosfasern (z. B. Kohlenstofffasern) enthalten, die in einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind. Derartige Prepregs sind zumeist bahnförmig auf Rollen gewickelt kommerziell erhältlich und können z. B. als unidirektionale oder multidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 einen Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit Doppel-T-Profil,
-
2 einen Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit LZ-Profil,
-
3 einen Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit Omega-Profil,
-
4 ein Drapieren von Fasermaterial-Halbzeugbändern entlang eines langgestreckten Formkerns zur Herstellung des Profilvorformlings von 3,
-
5 ein Vorkonfektionieren eines der beiden beim Drapieren von 4 verwendeten Bänder,
-
6 einen Querschnitt eines Profilvorformlings zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit Omega-Profil gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
-
7 eine Fertigung des Profilvorformlings von 6 unter Einsatz einer Faserflechttechnik,
-
8 ein geradlinig verlaufendes Profilbauteil,
-
9 ein gekrümmt verlaufendes Profilbauteil, und
-
10 ein stärker gekrümmt verlaufendes Profilbauteil.
-
1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Profilvorformlings 10 zur Herstellung eines geraden oder gekrümmten und/oder tordierten Faserverbund-Profilbauteils (hier: Doppel-T-Profil).
-
Der Vorformling 10 umfasst einen entlang einer Richtung × langgestreckten Formkern 12, der im dargestellten Beispiel aus zwei separat voneinander angeordneten Formkernteilen 12-1 und 12-2 (hier: Rechteckprofile) besteht. Die Formkernteile 12-1 und 12-2 sind jeweils aus einem flexiblen Werkstoff wie z. B. Silikon oder Schaumwerkstoff gefertigt.
-
Der Vorformling 10 umfasst ferner ein entlang des Formkerns 12 angeordnetes Fasermaterial-Halbzeug in Form von Halbzeug-Bändern 14, 16, 18, 20 und 22, die im Querschnitt betrachtet das Doppel-T-Profil ausbilden, welches durch den Formkern 12 stabilisiert wird.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten die Bänder 14 bis 22 Kohlenstofffasern in unterschiedlichen Orientierungen bzw. mit unterschiedlichen Orientierungsanteilen.
-
Verstärkungsfasern in Profillängsrichtung (x bzw. 0°-Orientierung) kommen nur in einem ”Kopf” des Profils vor (in 1 oben), welcher im dargestellten Beispiel durch die Bänder 14, 16 und teilweise 18 und 20 gebildet wird. Dieser Profilkopf erstreckt im Querschnitt von 1 betrachtet in Richtung y.
-
Die Fasern in 0°-Orientierung werden im dargestellten Beispiel nur durch das Band 14 realisiert, wohingegen die Bänder 16, 18, 20 und 22 nur diagonale Fasern und/oder Fasern in 90°-Orientierung enthalten (Die hier verwendeten Winkelangaben betreffend die Faserorientierung beziehen sich stets auf die in den Figuren mit x bezeichnete Längsrichtung des betreffenden Profilvorformlings).
-
Die Bänder 18 und 20 können z. B. jeweils von einem Gelege gebildet sein, welches zur Ausbildung von Fasern in +45° und –45° auf den Kern 12 drapiert wurde.
-
Wie es aus 1 ersichtlich ist, erstrecken sich Bereiche der Bänder 18 und 20 auch in einer ”Hochrichtung” z des Profils. Dieser sich in z-Richtung erstreckende Profilbereich bildet einen ”Steg”, an welchen sich im dargestellten Beispiel (eines Doppel-T-Profils) in 1 unten wieder ein sich in y-Richtung erstreckender Profilbereich bzw. ”Profilfuß” anschließt. Der Profilfuß wird durch das Band 22 (z. B. ein Fasergelege) sowie seitliche Ränder der Bänder 18 und 22 gebildet.
-
Der Profilvorformling 10 besitzt die vorteilhafte Besonderheit, dass dieser entsprechend einer gewünschten Krümmung und/oder Torsion des herzustellenden Profilbauteils krümmbar bzw. tordierbar ist. Somit kann der Vorformling 10 beispielsweise erst in einem Aushärtewerkzeug in die gewünschte Form (durch Krümmung und/oder Torsion) gebracht werden.
-
Es können also gleiche Zwischenprodukte (Profilvorformlinge) zur Produktion von verschiedenartigen Endprodukten (Bauteilen) verwendet werden, so dass hinsichtlich der einzusetzenden Zwischenprodukte vorteilhaft keine Verwechslungsgefahr besteht.
-
Die Verformbarkeit ist im dargestellten Beispiel dadurch gewährleistet, dass geeignete textile Halbzeuge (Bänder 14 bis 22) mit geeignetem Verstärkungsfaserorientierungen zum Einsatz kommen und der Formkern aus einem flexiblen Werkstoff gefertigt ist. Da im dargestellten Beispiel Fasern in 0°-Orientierung (Band 14) nur im Profilkopf, nicht jedoch im Profilsteg und Profilfuß vorkommen, kann der dargestellte Profilvorformling 10 problemlos in z-Richtung gekrümmt werden bzw. so, dass die x-z-Ebene eine ”Krümmungsebene” bildet.
-
Allgemein ist zu bedenken, dass eine jeweils gewünschte Verformbarkeit entsprechende Voraussetzungen sowohl an den Formkern als auch das daran angeordnete Fasermaterial stellt. Selbst bei Verwendung eines flexiblen Formkerns (oder z. B. eines durch eine ”gliederkettenartige” Ausbildung insgesamt verformbaren Formkerns) wäre zur Erzielung einer Krümmbarkeit ein Fasermaterial mit über die Länge des Formkerns durchgehenden Fasern ausschließlich in 0°-Orientierung ungeeignet.
-
Der hier verwendete Begriff der ”Krümmungsebene” sei anhand der 8 bis 10 nochmals verdeutlicht: 8 zeigt ein geradlinig verlaufendes Profilbauteil 100. Die 9 und 10 zeigen ein in verschiedenem Ausmaß in z-Richtung gekrümmtes Profilbauteil 100' bzw. 100''. Das gekrümmte Bauteil erstreckt in bzw. entlang einer Krümmungsebene, die durch die Richtungen x und z aufgespannt wird. Jedes der Bauteile 100, 100' und 100'' könnte z. B. durch eine Weiterverarbeitung des Vorformlings 10 hergestellt werden. Gegebenenfalls (für die Bauteile 100' und 100'') müsste der Vorformling 10 entsprechend gekrümmt werden, bevor dieser vollständig ausgehärtet wird.
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
-
2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Profilvorformlings 10a, umfassend einen Formkern aus Formkernteilen 12a-1 und 12a-2 und daran angeordnete Fasermaterial-Bänder 14a, 18a, 20a und 22a.
-
Im Unterschied zu dem Beispiel gemäß 1 besitzt der Profilvorformling 10a ein so genanntes LZ-Profil.
-
Wie bei dem Beispiel gemäß 1 besitzt der Profilvorformling 10a lediglich einen Fasermaterial-Halbzeugbereich, der sich im Querschnitt betrachtet orthogonal zu einer Krümmungsebene (x-z-Ebene) des fertigen Bauteils erstreckt und Fasern in 0°-Oritentierung enthält (”Neutralfaserbereich”). Auch bei dem Vorformling 10a bildet dieser Neutralfaserbereich den Profilkopf. Es versteht sich, dass der Neutralfaserbereich abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht zwingend einen radial innersten oder radial äußersten Rand eines gekrümmten Bauteils ausbilden muss. Für die resultierende Bauteilstabilität ist dies jedoch in den meisten Anwendungsfällen bevorzugt.
-
Fasern mit 0°-Orientierung enthält lediglich das Band 14a, wohingegen die Bänder 18a, 20a und 22a nur diagonale Fasern und in 90° orientierte Fasern enthalten.
-
3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Profilvorformlings 10b, der zur Herstellung eines Faserverbund-Profilbauteils mit so genanntem Omega-Profil vorgesehen ist.
-
Wie bei den oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Beispielen besitzt das Profil wieder nur einen Neutralfaserbereich mit Fasern in 0°-Orientierung, realisiert durch ein Band 14b. Der Neutralfaserbereich bildet den Kopf des Profils, welches abweichend von den obigen Beispielen 2 jeweils schräg zur z-Richtung zu einem Profilfuß verlaufende Profilstegbereiche besitzt. Beide Stegbereiche werden durch das Fasermaterial von Halbzeugbändern 18b und 20b gebildet, welche sich außerdem in den Profilkopf sowie den Profilfuß erstrecken und keine Verstärkungsfasern in 0°-Orientierung enthalten. Über den gesamten Profilfuß erstreckt sich außerdem ein als untere Decklage dienendes Band 22b.
-
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Profilvorformlinge können vielerlei drapierbare textile Halbzeuge zum Einsatz kommen, die z. B. in Form wenigstens eines Bandes (z. B. von einer Vorratsrolle abgezogen) in x-Richtung (Längsrichtung des Formkerns) auf den Formkern drapiert werden. Je nach konkret verlangtem Profil können bei diesem Drapieren seitliche Bandbereiche an seitlichen Kanten oder Radien des Formkerns entsprechend umgeschlagen werden (vgl. z. B. die in 1 und 2 dargestellten Bänder 18, 20 bzw. 18a, 20a und die in 3 dargestellten Bänder 18b und 20b).
-
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 4 und 5, am Beispiel des Omega-Profils von 3, vorteilhafte Besonderheiten eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemäßen Profilvorformlingen erläutert.
-
4 veranschaulicht eine vorteilhafte Herstellungsmethode, bei welcher wenigstens ein Fasermaterial-Band (hier: zwei Fasermaterial-Bänder 30b und 22b) entlang des langgestreckten, aus einem flexiblen Werkstoff gefertigten Formkerns 12b drapiert werden.
-
Eine hinsichtlich der Produktivität vorteilhafte Besonderheit besteht in einer Vorkonfektionierung des Bandes 30b, welches mehrlagig ausgebildet ist aus mehreren Lagen von Fasermaterial-Bändern 18b, 14b und 20b mit voneinander verschiedenen Faserorientierungen.
-
Beim Anordnen des mehrlagigen Bandes 30b werden somit vorteilhaft gleichzeitig die in 3 ersichtlichen Bänder 18b, 14b und 20b auf den Formkern 12b gebracht. Gleichzeitig wird von der Unterseite her als untere Decklage das Band 22b auf den Formkern aufgebracht und entlang einer in 4 gestrichelt eingezeichneten Linie 40b mit dem vorkonfektionierten Band 30b verbunden, dies jedoch nur punktuell (z. B. durch lokale Aktivierung eines Binders oder Vernähen mittels Zickzackstich), um in diesem Fußbereich des Profils bei einer etwaigen Krümmung des Vorformlings eine gewisse Faserverschiebung zuzulassen. Eine weitere Fixierungslinie ist symmetrisch zur Linie 40b vorgesehen (in 4 jedoch verdeckt).
-
Falls die bei dem Herstellungsverfahren gemäß 4 verwendeten Bänder 30b und 22b bereits vorimprägniert sind, so genügt zur Weiterverarbeitung und somit Schaffung des entsprechenden Faserverbund-Profilbauteils die Klebrigkeit des unausgehärteten Matrixmaterials oder ein Aushärten des Matrixmaterials. Eine gewünschte Krümmung und/oder Torsion bzw. ein konkreter Verlauf dieser Eigenschaften über die in x-Richtung betrachtete Länge kann vor dem Aushärten eingestellt werden. Falls die verwendeten Bänder 30b, 22b noch kein Matrixmaterial enthalten, muss dem Aushärteschritt noch ein Infiltrationsschritt vorangehen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gewünschte Verformung des Profilvorformlings, dessen Infiltration und Aushärtung in einem Arbeitsschritt (in einem Werkzeug) erfolgt. Für die Infiltration und Aushärtung kann der Fachmann auf an sich bekannte Werkzeuge und Verfahren zurückgreifen (z. B. Vakuumpressen, Vakuum-Infusion, Prepreg-Technologie etc.).
-
Bevorzugt bildet der bei der Erfindung verwendete Formkern des Profilvorformlings einen ”verlorenen Kern” bzw. wird im Rahmen der Weiterverarbeitung aufgelost (z. B. chemisch und/oder thermisch) bzw. sofern möglich herausgezogen (z. B. bei einem Silikonkern).
-
5 veranschaulicht die Vorkonfektionierung des bei der Herstellung verwendeten mehrlagigen Bandes 30b aus den drei Einzellagen, realisiert durch die Bänder 18b, 14b und 20b. Wie in der Figur dargestellt werden die einzelnen Bänder von einer jeweiligen Vorratsrolle abgezogen (vgl. Pfeil in 5), durch eine Führungseinrichtung 42b gezogen und als das mehrlagige Band 30b auf eine Vorratsrolle aufgewickelt. Zwischen der Führungseinrichtung 42b und der Aufwicklung des Bandes 30b ist eine (nicht dargestellte) Fixiereinrichtung vorgesehen, welche die drei aneinander geführten Bänder 18b, 14 und 20b entlang der gestrichelten Linien 44b-1 und 44b-2 aneinander fixiert. Diese Fixierung der drei Lagen zueinander erfolgt durchgängig (z. B. durch Vernähen oder Aktivierung von Binderlagen etc.).
-
Unabhängig von der Art und Weise, wie das Fasermaterial-Halbzeug bei der Herstellung des Profilvorformlings auf den Formkern gelangt, und unabhängig von der konkreten Gestalt des Profils, kann bei der Herstellung des Profilvorformlings vorteilhaft ein quasi-endloser Profilvorformlingstrang gebildet werden, von welchem die Profilvorformlinge in jeweils benötigter Länger abgetrennt werden.
-
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 6 und 7 ein weiteres Beispiel eines Profilvorformlings sowie ein modifiziertes Herstellungsverfahren hierfür erläutert.
-
6 zeigt ähnlich der 3 einen Profilvorformling 10c mit einem in x-Richtung langgestreckten Profilformkern 12c, entlang dessen ein in x-Richtung verlaufendes und Fasern in 0°-Orientierung enthaltendes Band 14c angeordnet ist.
-
Abweichend von den oben mit Bezug auf die 1, 2 und 3 beschriebenen Beispielen umfasst der Profilvorformling 10c jedoch keine weiteren Fasermaterial-Halbzeugbänder, sondern um den Formkern 12c herum geschlossen verlaufende Fasermateriallagen 50c und 52c, welche als Wickellagen oder Flechtlagen ausgebildet sind. Die Lagen 50c und 52c wurden jeweils ausgehend von einem oder mehreren Endlosfasersträngen (”Rovings”) auf den Formkern 12c gewickelt oder geflochten, und enthalten somit keine Fasern in 0°-Orientierung.
-
In 6 gestrichelt eingezeichnet sind optionale Fasermaterial-Halbzeugbänder, wie sie z. B. nachträglich im Bereich des Profilfußes angeordnet werden könnten.
-
7 zeigt ein mögliches Verfahren zur Herstellung des in 6 dargestellten Profilvorformlings 10c.
-
Einer schematisch dargestellten Flechtstation 54c (alternativ: Wickelstation) wird der quasi-endlos vorgefertigte Formkern 12c zugeführt (vgl. Pfeil 56c). Sodann wird der Kern 12c mit einer ersten Flechtlage 50c umgeben, beispielsweise mit Fasern in +/–45°-Orientierung. Auf die Flechtlage 50c wird das textile Halbzeugband 14c an einer den späteren Profilkopf bildenden Stelle aufgebracht und zusammen mit der darunter liegenden Flechtlage 50c und dem innen liegenden Kern 12c mit der zweiten Flechtlage 52c umgeben, beispielsweise mit Fasern in –/+45°-Orientierung.
-
Am Ausgang der Flechtstation 54c wird dann der quasi-endlos gefertigte Profilvorformling 10c abgezogen und durch eine (nicht dargestellte) Trennstation zugeschnitten.
-
Die oben bereits erwähnten 8 bis 10 zeigen jeweils langgestreckte Profilbauteile 100, 100' und 100'', welche trotz unterschiedlicher Krümmungen vorteilhaft ausgehend von ein und demselben Profilvorformling herstellbar sind. Wesentlich hierfür ist die ausreichende Verformbarkeit des Profilvorformlings. Die oben explizit beschriebenen Ausführungen solcher Profilvorformlinge bieten zwar jeweils besondere Vorteile, sind jedoch selbstverständlich nur beispielhaft zu betrachten. Die mit der Erfindung herstellbaren Profilbauteile können prinzipiell beliebige Profile aufweisen. Abweichend von den explizit beschriebenen Beispielen können z. B. auch Profile mit abgerundeten Profilbereichen realisiert werden.