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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Profilbauteils und ein faserverstärktes Profilbauteil.
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Faserverstärkte Bauteile kommen typischerweise in Anwendungen zum Einsatz, welche eine hohe Steifigkeit und ein möglichst geringes Gewicht erfordern. Dies trifft beispielsweise für Ausleger oder Tragarme von Handhabungseinrichtungen zu.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 003 442 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit folgenden Schritten bekannt: Bereitstellen eines Wickelkerns, welcher ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende entlang einer Längsrichtung des Wickelkerns dem zweiten Ende gegenüber liegt; Bereitstellen eines ersten Anbindungselements an dem ersten Ende, und Bereitstellen eines zweiten Anbindungselements an dem zweiten Ende; Umwickeln des Wickelkerns, des ersten Anbindungselements und des zweiten Anbindungselements entlang einer ersten Längsumfangsrichtung des Wickelkerns mit einem Hauptfasermaterial, wobei das Hauptfasermaterial zumindest abschnittsweise an dem Wickelkern und/oder wenigstens einem der Anbindungselemente geführt wird.
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Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 013 599 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit folgenden Schritten bekannt: Ablegen eines Strukturfasermaterials entlang eines vorbestimmten Wickelpfads um eine Mehrzahl von Wickelhilfselementen; ablegen zumindest eines Kontrollfasermaterials, das eingerichtet ist zur Überwachung und/oder Steuerung des Faserverbundbauteils, wenigstens bereichsweise an dem Strukturfasermaterial; Aushärten eines das Strukturfasermaterial umgebenden Matrixmaterials, und Erhalt des Faserverbundbauteils.
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Weiterhin ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 012 594 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, mit einer Faseraufbereitungseinrichtung zum Imprägnieren, Spannen und Umlenken eines Fasermaterials, einer Faserführungseinrichtung zum Führen und Ablegen des durch die Faseraufbereitungseinrichtung aufbereiteten Fasermaterials, und mit einem Faserablegewerkzeug, auf dem das Fasermaterial durch die Faserführungseinrichtung ablegbar ist, wobei die Faserführungseinrichtung ein mittels einer Verlagerungseinrichtung verlagerbares, rohrförmiges Führungsmittel aufweist, in dessen Inneren das Fasermaterial entlang einer Längsachse des Führungsmittels führbar ist.
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Abschließend ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 011 461 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur bekannt, wobei ein Faserstrang mittels einer Faserführungseinrichtung geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung eine Halteplatte mit einer Mehrzahl von Stützelementen und einer Mehrzahl von Umlenkelementen aufweist, wobei die Stützelemente an der Halteplatte angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente an der Halteplatte, an den Stützelementen und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang um die Umlenkelemente entlang eines Wickelpfades abgelegt wird, wobei der Faserstrang um jedes der Umlenkelemente mindestens einmal vollständig umschlauft wird.
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Problematisch am bisher bekannten Stand der Technik ist, dass insbesondere Profile mit einem entsprechenden Profildesign nicht einfach, kostengünstig und direkt herstellbar sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Profilbauteils und ein faserverstärktes Profilbauteil zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Profilbauteils, insbesondere mit einer geradlinigen Erstreckung, mit folgenden Schritten geschaffen wird: a) Bereitstellen einer Montageplatte, eines Fasermaterials sowie mindestens zweier Umlenkelemente, b) Montieren der mindestens zwei Umlenkelemente auf der Montageplatte in der Art, dass die Umlenkelemente eine Kontur des faserverstärkten Profilbauteils vorgeben, c) Ablegen, insbesondere Wickeln, des Fasermaterials um oder an die auf der Montageplatte montierten mindestens zwei Umlenkelemente in der Art, dass das Fasermaterial entlang einer Geometrie des faserverstärkten Profilbauteils und entlang sich unter bestimmungsgemäßer Belastung des faserverstärkten Profilbauteils ergebender Lastpfade, insbesondere Versteifungspfade, abgelegt, insbesondere ausgebildet, wird, d) Konsolidieren des faserverstärkten Profilbauteils, vorzugsweise bei Raumtemperatur und weiterhin vorzugsweise drucklos, e) Erhalt des faserverstärkten Profilbauteils. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Art und Weise ein Profilbauteil bereitzustellen, welches individuell auf die für das Profilbauteil vorgesehene Anwendung abgestimmt ist und dabei insbesondere gezielt für die sich unter bestimmungsgemäßer Belastung ergebender Lastpfade ausgelegt ist.
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In einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Ablegen gemäß Verfahrensschritt c) und bei dem Überschreiten eines Schwellenwerts für eine Ablege-Distanz des Fasermaterials zwischen den mindestens zwei Umlenkelementen ein zusätzliches Umlenkelement eingebunden wird, sodass eine erhöhte Faserspannung aufrechterhalten werden kann und damit ein homogener, kompakter Verbund an Fasermaterial erzeugt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einer Montageplatte mehrere Profilbauteile gewickelt bzw. abgelegt werden können und nach einem Konsolidieren einzeln erhalten werden können, wenn die dazwischen vorhandene Verbindung aus Fasermaterial getrennt werden. Hierdurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, verschiedene Profilbauteile einfach, kostengünstig und sofort verfügbar bereitzustellen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass beim Umwickeln gemäß Verfahrensschritt c) Zugbandagen und/oder Druckbandagen in unidirektionaler Weise abgelegt werden.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die in Verfahrensschritt b) montierten mindestens zwei Umlenkelemente durch ein Verfahren hergestellt werden, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Strangpressverfahren, Fräsverfahren und Drehverfahren. Die in dem Profilbauteil eingebundenen Umlenkelemente bleiben nach der Konsolidierung in dem erhaltenen Profilbauteil enthalten, weswegen manchmal auch von „verlorenen“ Umlenkelementen gesprochen wird. Aus diesem Grund ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Umlenkelemente besonders einfach, insbesondere durch Strangpressverfahren, und damit zu einem günstigen Preis, erhalten werden können. Falls jedoch zwischen einzelnen Umlenkelementen besondere Lastpfade abgebildet werden müssen, können durch Fräs- oder Drehverfahren besonders einfach geeignete Umlenkelemente hergestellt werden. Insofern ist es möglich, dass die aus dem Strangpressverfahren auf einfache Art und Weise erhaltenen Umlenkelemente mit besonders elaborierten Umlenkelementen aus einem Fräsverfahren oder Drehverfahren kombiniert werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fasermaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Kohlefasermaterial, Glasfasermaterial, Aramit-Fasermaterial, Naturfasermaterial, Metallfasermaterial, aber auch andere Fasern oder Kombinationen solcher Fasermaterialien. Insbesondere können als Fasermaterial auch Hybridrowings verwendet werden, welche vorzugsweise Verstärkungsfasern aus wenigstens einem der zuvor genannten Fasermaterialien sowie Matrixfasern aufweisen, wobei die Matrixfasern ein Matrixmaterial, insbesondere einen Kunststoff, aufweisen, oder aus einem solchen Matrixmaterial bestehen. Vorzugsweise ist der Faserstrang aus einem hohlen, geflochtenen oder geflechtbasierten Halbzeug gebildet, sodass der Leichtbaugrad weiter erhöht wird.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Material für die mindestens zwei Umlenkelemente ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus metallischem Material und Kunststoff, wobei vorzugsweise das metallische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Eisen, Kupfer und Legierungen der genannten Metalle. Insbesondere eine Herstellung der Umlenkelemente aus Aluminium in Verbindung mit einem für Aluminium geeigneten Strangpressverfahren ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung von Umlenkelementen bei gleichzeitig einem sehr geringen Gewicht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens zwei Umlenkelemente dazu eingerichtet sind, dass nach einem Konsolidieren gemäß Verfahrensschritt d) eine Befestigung des erhaltenen faserverstärkten Profilbauteils an einem anderen Bauteil, insbesondere faserverstärkten Profilbauteil, mittels der im Profilbauteil enthaltenen Umlenkelemente möglich ist. Hierzu ist insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass die Umlenkelemente Bohrungen aufweisen, mittels welcher die Umlenkelemente mit Bohrung mit anderen Umlenkelementen, welche ebenfalls Bohrungen und darin enthaltene Verbindungselemente, wie beispielsweise Metallzylinder oder Gewindebolzen, aufweisen, verbunden werden können. Somit ist eine Verbindung von verschiedenen Umlenkelementen miteinander möglich.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass als faserverstärktes Profilbauteil, eine Greifer-Struktur, ein Fahrradrahmen, vorzugsweise mit Schwinge, ein Drohnenrahmen oder eine Tragstruktur, hergestellt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass durch die Profilbauteile auf einfache Art und Weise eine Greifer-Struktur, aber auch ein Fahrradrahmen mit oder ohne Schwinge, oder ein Drohnenrahmen, oder eine Tragstruktur hergestellt werden können, wobei dies auf besonders einfache Art und Weise einerseits und andererseits besonders leicht und kostengünstig geschehen kann, da insbesondere die hergestellten Profilbauteile wie ein Baukastensystem für die entsprechende Anwendung zusammengefügt werden können.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein faserverstärktes Profilbauteil geschaffen wird, hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. In Zusammenhang mit dem faserverstärkten Profilbauteil ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Umlenkelemente;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Umlenkelemente;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Umlenkelemente;
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Umlenkelemente;
- 5 eine schematische Darstellung, in welcher das Fasermaterial dargestellt ist, welches in der Art um oder an die auf der Montageplatte montierten mindestens zwei Umlenkelemente montiert ist, dass das Fasermaterial entlang einer Geometrie des faserverstärkten Profilbauteils und entlang sich unter bestimmungsgemäßer Belastung des faserverstärkten Profilbauteils ergebender Lastpfade abgelegt, insbesondere ausgebildet, wird;
- 6 eine schematische Darstellung einer Wicklung eines alternierenden Schubkreuzes zur Verkürzung der freien Knicklängen durch verbesserte adhäsive Verbindungen der Einzelstränge in der Form einer Reißverschluss-Wicklung (links) und eine schematische Darstellung die aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung eines Schubkreuzes;
- 7 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Profilbauteilen, welche auf einer Montageplatte angeordnet sind, und
- 8 ein Beispiel für eine Greifer-Struktur, welche aus einem erfindungsgemäßen Profilbauteil hergestellt ist.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Umlenkelemente 1 gezeigt.
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Die in 1 und 2 gezeigten Umlenkelemente 1 sind insbesondere zur Ausbildung verschiedener Fugen-Geometrien geeignet, wobei durch die verschiedenen Einkerbungen verschiedene Lastpfade aber auch Versteifungspfade ermöglicht werden, wie dies insbesondere in 5 mit den Linien zwischen den Umlenkelementen 1 gezeigt ist.
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Falls für das Profilbauteil kein Profilquerschnitt gewünscht ist, können die Umlenkelemente gemäß der 3 und 4 verwendet werden, wobei das in 3 gezeigte Umlenkelement 1 zur Ausbildung einer 2D-Geometrie und das in 4 gezeigte Umlenkelement 1 zur Ausbildung einer 3D-Geometrie geeignet ist.
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Falls ein Schubkreuz innerhalb des Profilbauteils ausgebildet werden soll, ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Verkürzung der freien Knicklänge eine verbesserte adhäsive Verbindung der Einzelstränge in Reißverschluss-Wickelung, wie es in der linken Teilfigur von 6 gezeigt ist, verwendet wird. Die rechte Teilfigur zeigt in einer schematischen Darstellung die aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung eines Schubkreuzes.
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In 7 ist eine schematische Darstellung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Profilbauteilen gezeigt, wobei zunächst für das Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Profilbauteils eine Montageplatte 3, ein Fasermaterials 5 sowie mindestens zwei Umlenkelemente 1 zu sehen sind.
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Es ist vorgesehen, dass ein Montieren der mindestens zwei Umlenkelemente 1 auf der Montageplatte 3 in der Art erfolgt, dass die Umlenkelemente 1 eine Kontur 7 des faserverstärkten Profilbauteils 9 vorgeben.
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Ferner ist 7 das Ergebnis eines Ablegens, insbesondere Wickelns, des Fasermaterials 5 um oder an die auf der Montageplatte 3 montierten mindestens zwei Umlenkelemente 1 in der Art zu entnehmen, dass das Fasermaterial 5 entlang einer Geometrie des faserverstärkten Profilbauteils 9 und entlang sich unter bestimmungsgemäßer Belastung des faserverstärkten Profilbauteils 9 ergebender Lastpfade 11 - wobei diese insbesondere in 5 zu sehen sind - abgelegt und/oder ausgebildet wird.
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Im Anschluss erfolgt ein Konsolidieren des faserverstärkten Profilbauteils 9, vorzugsweise bei Raumtemperatur und weiterhin vorzugsweise drucklos.
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Hieran erfolgt im Anschluss der Erhalt des faserverstärkten Profilbauteils 9.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass beim Ablegen gemäß Verfahrensschritt c) und bei dem Überschreiten eines Schwellenwerts für eine Ablegedistanz des Fasermaterial 5 zwischen den mindestens zwei Umlenkelementen 1 ein zusätzliches Umlenkelement 13 eingebunden wird, sodass eine erhöhte Faserspannung aufrechterhalten werden kann und damit ein homogener, kompakter Verbund an Fasermaterial erzeugt wird. An dem mit dem Fasermaterial eingebundenen Umlenkelement 13 entsteht eine Schlaufe 15 aus Fasermaterial, wie es ebenfalls 5 zu entnehmen ist.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass beim Umwickeln gemäß Verfahrensschritt c) Zugbandagen und/oder Druckbandagen in unidirektionaler Weise abgelegt werden.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die in Verfahrensschritt b) montierten mindestens zwei Umlenkelemente 1 durch ein Verfahren hergestellt werden, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Strangpressverfahren, Fräsverfahren und Drehverfahren.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Fasermaterial 5 ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Kohlefasermaterial, Glasfasermaterial, Aramit-Fasermaterial, Naturfasermaterial, Metallfasermaterial, aber auch andere Fasern oder Kombinationen solcher Fasermaterialien.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das Material für die mindestens zwei Umlenkelemente 1 ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus metallischem Material und Kunststoff, wobei vorzugsweise das metallische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Eisen, Kupfer, und Legierungen der genannten Metalle Aluminium, Eisen, Kupfer.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens zwei Umlenkelemente 1 dazu eingerichtet sind, dass nach einem Konsolidieren gemäß Verfahrensschritt d) eine Befestigung des erhaltenen faserverstärkten Profilbauteils 9 an einem anderen Bauteil, insbesondere faserverstärkten Profilbauteil 9, mittels der in dem Profilbauteil 9 enthaltenen Umlenkelemente 1 möglich ist. Hierzu haben die Umlenkelemente 1 Bohrungen, in welche und/oder durch welche Zylinder, insbesondere Gewindezylinder eingebracht werden können, wodurch verschiedene Umlenkelemente und damit einhergehend die zu den Umlenkelementen entsprechend gehörenden Profilbauteile miteinander verbunden werden können.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass als faserverstärktes Profilbauteil 9, eine Greifer-Struktur 17, ein Fahrradrahmen, vorzugsweise mit Schwinge, ein Drohnenrahmen oder ein Tragstruktur, hergestellt wird. Insbesondere der 8 ist eine Greifer-Struktur 17 zu entnehmen, welche entsprechend an einen Arm einer Verlagerungsvorrichtung angebracht werden kann, sodass auch komplex zu greifende Teile vorsichtig und ohne Beschädigung des eigentlich zu greifenden Teils angehoben und/oder verlagert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016003442 A1 [0003]
- DE 102016013599 A1 [0004]
- DE 102016012594 A1 [0005]
- DE 102017011461 A1 [0006]