AT512563B1 - Faserwerkstoffrohling sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserwerkstoffverbundbauteils - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserwerkstoffrohling zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils (32) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Faserwerkstoffrohling (30) als auf einem Rahmen bereitgestellter Faserstrang (5) ausgebildet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Faserstrang (5) auf einen Wickelrahmen (1) gewickelt ist, welcher in einem Innenbereich (8) hohl ausgebildet ist, gewickelt ist, wobei der Wickelrahmen (1) an einer außen umlaufenden Kante Fortsätze, insbesondere Zähne (4), aufweist, und dass der Wickelrahmen (1) eine Vorderseite (7) und eine Rückseite (19) aufweist, wobei auf der Vorderseite (7) und/oder auf der Rückseite (19) des Wickelrahmens (1) ein flächiger Bereich aus dem Faserstrang (5) ausgebildet ist, wobei der Faserwerkstoffrohling (30) durch den flächigen Bereich ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung des neuen Faserverbundwerkstoffbauteils.

Description

Beschreibung

FASERWERKSTOFFROHLING SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES FASER-WERKSTOFFVERBU NDBAUTEI LS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserwerkstoffrohling zur Herstellung einesFaserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Faser¬verbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 11.

[0003] In der Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen sind innerhalb der letzten Jahre großeFortschritte zur automatisierten Herstellung getätigt worden. So wird im Fahrzeugbau, bei¬spielsweise für Luftfahrzeuge oder aber auch für Kraftfahrzeuge, auf gezielten Leichtbau ge¬setzt, für den sich Faserverbundwerkstoffbauteile optimal eignen, da diese hohe Festigkeitsei¬genschaften bei hohen Formgebungsfreiheitsgraden und geringem spezifischen Eigengewichtbesitzen.

[0004] Heutzutage ist es möglich, in modernen Produktionsstraßen Faserwerkstoffbauteileautomatisiert herzustellen. Beispielsweise ist aus der DE 100 59 801 A1 ein Herstellungsverfah¬ren bekannt, bei dem eine Faserverbundstruktur, die aus einem im Wege des Fließpressensunter Wärmeeinwirkung konsolidierbarem Zuschnitt aus mindestens einer fließfähigen, miteinem Matrixsystem durchtränkten und beim Fließpressen umstrukturierten Faserlage herge¬stellt wird. Hierzu werden auch mehrlagige Zuschnitte von Manipulatoren oder aber Industriero¬botern aufgenommen, gestapelt und einer Umformanlage zugeführt. In der Umformanlageerfolgt zum einen die Formgebung, zum anderen die Aushärtung, beispielsweise durch Zufüh¬rung von Wärme.

[0005] Ein Nachteil von solch automatisierten Fertigungsanlagen ist die Verschmutzung dereinzelnen Werkzeuge von Manipulatoren sowie Greifvorrichtungen innerhalb der Fertigungsliniein Folge des aus dem Faserverbundwerkstoff tropfenden Matrixharzes. Eine weitere Problema¬tik, insbesondere bei der Formgebung mit lokalen hohen Umformgraden, ist die gezielte Fa¬serausrichtung bzw. Faserorientierung und auch die Faserdichte innerhalb des automatisierthergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils.

[0006] Von der Faserdichte und der Faserorientierung sind jedoch die Festigkeitswerte sowiedie Steifigkeitswerte des hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils stark abhängig. Hierbesteht eine weitere Problematik in der automatisierten Fertigung von Faserverbundwerkstoff¬bauteilen, wobei aufgrund der Umformung eine Abscherung der einzelnen Fasern innerhalbeines Gewebes oder aber auch Geleges ein Faserriss entstehen kann.

[0007] Ziel ist es, die Produktionstoleranzen so gering wie möglich zu halten und auch bei lokalhohen Umformgraden eine gezielte Faserausrichtung zu ermöglichen bzw. beizubehalten.Hierzu sind aus dem Stand der Technik Spannrahmen bekannt, wobei flächige Fasermatten,beispielsweise in Form von Gelegen, Geweben oder aber auch Gestricken in einen solchenSpannrahmen eingesetzt werden und anschließend in einem Umformwerkzeug zu dem ent¬sprechenden Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt werden. Ein solches Verfahren ist bei¬spielsweise aus der DE 199 30 000 A1 bekannt. Eine weitere Alternative zur Verwendung einesSpannrahmens stellt die DE 10 2007 047 734 A1 dar. Hierbei werden verschiedene Fasermat¬ten mittels eines Spannrahmens, der die Fasermatten randseitig klemmend fixiert, in einemFormwerkzeug zu dem entsprechenden Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt.

[0008] Bei dem Faserwerkstoff selber kann es sich um verschiedenste Faserarten handeln.Exemplarisch seien Karbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, aber auch Metallfa¬sern erwähnt. Ebenfalls werden Mischformen der zuvor genannten Faserarten verarbeitet, beidenen es sich dann um Faserbündel oder aber Rovings handelt. Ebenfalls werden verschiede¬ne Faserlagen übereinander gelegt, wobei die Faserlagen jeweils verschiedene Ausrichtungenzueinander haben, so dass sich hierdurch wiederum gezielt verschiedene Festigkeitseigen¬ schäften einstellen lassen. Beispielsweise sind solch verschiedene Ausrichtungen von Faserla¬gen und die Verwendung von einander verschiedenen Faserarten aus der DE 10 2009 052 263A1 bekannt.

[0009] Die einzelnen Faserwerkstoffe werden von den Faserherstellern in verschiedenen For¬men angeboten. Hierbei stellen Gewebe, Gelege oder aber Gestricke bzw. Filze oder Vliese,mithin flächige Formen der Faserwerkstoffe, eine teure Alternative dar gegenüber Fasern bzw.Fasersträngen, die auf eine Spule gewickelt sind. Bei der Weiterverarbeitung von Halbzeugen,also von flächig gelieferten Faserwerkstoffen, entsteht zudem ein hoher Verschnitt, da nur einTeil der verarbeiteten Fasern effektiv in dem späteren Bauteil verbaut sind. Die restlichen Fa¬sern stehen über dem bereits oben erwähnten Spannrahmen über oder Überranden das Bauteilumfangsseitig und werden nach der Formgebung abgeschnitten. Es fällt also ein hoher Ver¬schnitt an.

[0010] Ein Nachteil von einzelnen Fasern oder Faserbündeln bzw. Rovings, die bei einemHersteller selbst zu Halbzeugen oder aber direkt in Faserverbundwerkstoffanwendungen verar¬beitet werden, ist die schlechte Kontrollierbarkeit während des Umformens. So können dieseFasern leicht abscheren oder in sonstiger Form unkontrolliert oder aber nur unter Einhaltungvon sehr weit auszulegenden Produktionstoleranzen verarbeitet werden. Ein mitunter günstige¬rer Einkauf der Rohmaterialien des Faserwerkstoffs wird mithin durch höhere Produktionskostenausgeglichen.

[0011] Zum Stand der Technik ist weiters auf DE 38191991 zu verweisen, aus welcher hervor¬geht, dass dort die Faserstränge um eine Wickelscheibe gewickelt werden.

[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, einekostengünstige Möglichkeit aufzuzeigen, einen Faserwerkstoffrohling bereitzustellen, der andas herzustellende Faserverbundwerkstoffbauteil optimal angepasst ist sowie ein Faserver¬bundwerkstoffbauteilherstellungsverfahren aufzuzeigen, mit dem Faserverbundwerkstoffbautei¬le kostengünstig mit hoher Produktionsgenauigkeit und großen Formgebungsfreiheitsgradenherstellbar sind.

[0013] Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Faserwerkstoffrohling zur Herstellung einesFaserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen in Patentanspruch 1 gelöst.

[0014] Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Herstellungsverfahren zur Herstellung des Faser¬verbundwerkstoffbauteils mit den Merkmalen in Patentanspruch 11 gelöst.

[0015] Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.

[0016] Der erfindungsgemäße Faserwerkstoffrohling zur Herstellung eines Faserverbundwerk¬stoffbauteils, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei derFaserwerkstoffrohling als auf einem Rahmen bereit gestellter Faserstrang ausgebildet ist, istdadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faserstrang auf einen Wickelrahmen, welcher ineinem Innenbereich hohl ausgebildet ist, gewickelt ist, wobei der Wickelrahmen an einer außenumlaufenden Kante Fortsätze, insbesondere Zähne, aufweist, und dass der Wickelrahmen eineVorderseite und eine Rückseite aufweist, wobei auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseitedes Wickelrahmens ein flächiger Bereich aus dem Faserstrang ausgebildet ist, wobei der Fa¬serwerkstoffrohling durch den flächigen Bereich ausgebildet ist.

[0017] Bei dem erfindungsgemäßen Faserwerkstoffrohling ist somit ein Wickelrahmen mit eineraußen umlaufenden Kante mit mindestens einem Faserstrang, vorzugsweise auch mit zweioder mehr Fasersträngen, bewickelt, wobei auf der außen umlaufenden Kante nach außenabstehende bzw. nach außen orientierte Fortsätze, insbesondere Zähne, ausgebildet sind,wobei diese den mindestens einen auf den Wickelrahmen außen umwickelnden Faserstrangformschlüssig orientiert lagefixiert halten.

[0018] I m Unterschied zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß auf einen Wickelrahmenaufgewickelt, so dass sich über den hohlen Innenraum des Wickelrahmens ein flächiger Bereichausbildet und das Bauteil im Rahmen durchgreifend umformtechnisch bearbeitet werden kann.

Hingegen kann beim bekannten Einsatz einer Wickelscheibe lediglich auf die Scheibe gepresstwerden, und es kann keine weitergehende dreidimensionale Formgebung durchgeführt werden.

[0019] Ergänzend ist zu erwähnen, dass auch aus der DE 2545929 ebenfalls nur eine Wickel¬scheibe hervorgeht.

[0020] Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Faserwerkstoffrohling Faserver¬bundwerkstoffbauteile für Fahrzeuge, beispielsweise für Schiffe, Flugzeuge oder aber auch fürKraftfahrzeuge hersteilen. Beispielsweise lassen sich für Flugzeuge Scheibenrahmen für Fens¬ter hersteilen oder aber für Kraftfahrzeuge verschiedene Karosseriebauteile, beispielsweise B-Säulen, Dachaußenhäute, Motorhauben od. dgl. Bauteile.

[0021] Der Faserwerkstoffrohling bietet dabei insbesondere den Vorteil, dass ein Faserstrangauf einen Wickelrahmen wickelbar ist und damit die Möglichkeit bereitgestellt wird, den Rohlingselbst an das herzustellende Faserwerkstoffverbundbauteil optimal anzupassen. Im Hinblick aufFaserorientierung, Faserdichte und auch unter Bezugnahme auf den beim Umformprozess undbeim weiteren Fertigstellungsprozess anfallenden Verschnitt ist der Faserwerkstoffrohling somitoptimal hergestellt. Durch die weitere Möglichkeit der Verwendung von auf Spulen bereit ge¬stellten Fasersträngen findet ein besonders günstiger Einkauf des Fasermaterials gegenüberflächigen Fasermaterialien in Form von Gelegen oder aber Geweben od. dgl. statt, weshalb miteinem Herstellungsverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Faserwerkstoffroh¬lings die Produktionskosten gesenkt werden können.

[0022] Der erfindungsgemäße Faserwerkstoffrohling ist insbesondere derart ausgebildet, dassder Wickelrahmen einen außen umlaufenden Rahmen mit einem den Rahmen außen umlau¬fenden Rand, wobei an dem Rand nach außen orientierte Fortsätze, insbesondere Zähne an¬geordnet sind, aufweist. Ein Innenbereich des Wickelrahmens ist ausgespart und wird voneinem auf dem Wickelrahmen umwickelten Faserstrang im Innenbereich flächig überdeckt. Indiesem flächigen Bereich ist dann der eigentliche Faserwerkstoffrohling ausgebildet, wobeidurch Einfahren eines Umform stem pels und unter Hinzufügung von Matrixharz oder aber ther¬moplastischem Härtematerial das Faserverbundwerkstoffbauteil hergestellt wird.

[0023] I m Rahmen der Erfindung ist der Innenbereich insbesondere hohl ausgebildet, ganzbesonders bevorzugt wenn der Wickelrahmen selbst aus einem metallischen, insbesondereleichtmetallischem, oder aber aus einem Kunststoffwerkstoff gebildet ist. Sofern der Wickelrah¬men selber aus einem thermoplastischen Werkstoff oder aber aus einem Matrixharzwerkstoffausgebildet ist, kann derselbe selbst auch im Innenbereich zumindest abschnittsweise massiv,insbesondere vollflächig, ausgebildet sein, so dass bei dem weiteren Umformprozess dann derInnenbereich aufschmilzt und für eine homogene Verteilung des Verbundmaterials innerhalbdes Faserverbundwerkstoffs sorgt.

[0024] Der auf den Wickelrahmen gewickelte Faserstrang besitzt dann jeweils sich von einerKante zur anderen Kante erstreckende Faserstrangabschnitte, die bevorzugt unidirektionalorientiert, parallel zueinander und/oder omnidirektional orientiert auf dem Wickelrahmen aufge¬wickelt sind. Je nach geforderter Faserorientierung des herzustellenden Faserwerkstoffver¬bundbauteils ist es somit möglich, durch gezielte Wicklung und Faserorientierung den Faser¬werkstoffrohling an das herzustellende Faserverbundwerkstoffbauteil anzupassen. Bei demweiteren Umformverfahren zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffbauteils wird der flächigeBereich umformtechnisch bearbeitet, wobei dann der äußere Randbereich des Wickelrahmensund auch die hier angeordneten Faserstränge als Verschnitt und somit als Produktionsrestanfallen.

[0025] I m Rahmen der Erfindung ist es hierbei weiterhin möglich, dass die Faserstränge auseinem aushärtenden Material auf den Wickelrahmen gewickelt sind und dann der Wickelrahmenselbst nach Teilaushärten entfernt wird, so dass nur der flächige Bereich der den Innenbereichdes Wickelrahmens überdeckt, als Faserwerkstoffrohling übrig bleibt. Dieser Faserwerkstoffroh¬ling ist dann insbesondere biegesteif und kann durch einen Manipulator, beispielsweise mitVakuumgreifer, in ein Umformwerkzeug eingelegt werden. Erfindungsgemäß bietet sich der

Vorteil, dass mitunter jede einzelne Faserorientierung eines Faserstrangabschnitts gezielt orien¬tiert ausgerichtet werden kann und die Faserwerkstoffdichte zumindest flächenmäßig ab¬schnittsweise innerhalb des Faserwerkstoffrohlings gezielt einstellbar ist. Beispielsweise wirddies durch ein Imprägnieren des Faserstranges beim Wickelprozess erreicht. Auch kann derFaserwerkstoff mit Wachs ausgesteift werden, wobei das Wachs dann in einem Umformprozessaufschmilzt.

[0026] Im Rahmen der Erfindung weist der Wickelrahmen weiterhin bevorzugt eine runde, ganzbesonders bevorzugt eine kreisrunde, Außenkontur auf. Hierbei ist es möglich, den Faserwerk¬stoffrohling besonders einfach in einer Bewicklungsvorrichtung herzustellen, wobei der Wickel¬rahmen in eine Drehbewegung versetzbar ist und somit der Faserstrang über den jeweiligenInnenbereich des Wickelrahmens spannbar ist und um die äußere Kante wickelbar ist, wobeider Faserstrang zwischen zwei Zähnen in einem Zahnzwischenraum formschlüssig gehaltenwird.

[0027] Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Wickelrahmen eineeckige, insbesondere eine mehreckige, ganz besonders bevorzugt eine rechteckige, Konturaufweist oder aber auch eine Mischform der zuvor genannten Konturarten. Beispielsweise ist imRahmen der Erfindung möglich, dass der Wickelrahmen als rundes Vieleck ausgebildet ist.Abhängig ist die Wahl des Wickelrahmens von der herzustellenden außen umlaufenden Konturdes Faserverbundwerkstoffbauteils.

[0028] Weiterhin bevorzugt ist zwischen den Faserstrangabschnitten des Faserwerkstoffroh¬lings, die sich über den Innenbereich des Wickelrahmens erstrecken, eine Folie eingewickelt,vorzugsweise eine thermoplastische Folie, oder aber eine Trennfolie. Hierbei ist es möglich,dass in dem späteren Umformverfahren und/oder einem Wärmebehandlungsverfahren derthermoplastische Werkstoff der Folie aufschmilzt und somit für eine homogene Verteilung desVerbundmaterials innerhalb des Faserwerkstoffrohlings sorgt. Ebenfalls ist es möglich, durchgezieltes Einwickeln einer Trennfolie ein Verbinden der einzelnen Schichten zu verhindern.Auch ist es möglich, im Rahmen der Erfindung mehrere Folien, beispielsweise aus thermoplas¬tischem Werkstoff, in den erfindungsgemäßen Faserwerkstoffrohling einzuwickeln.

[0029] Bei dem erfindungsgemäßen Faserwerkstoffrohling ergibt sich weiterhin insbesondereder Vorteil, dass zwischen den zwei flächigen Bereichen des Faserwerkstoffrohlings, also zwi¬schen Vorder- und Rückseite des Wickelrahmens und somit in dem im Innenbereich zwischenVorder- und Rückseite des Wickelrahmens eingeschlossenen Bereich, zumindest abschnitts¬weise ein Kern eingewickelt ist, vorzugsweise ein Kern aus thermoplastischem Material, wobeidas thermoplastische Material durch thermisches Einwirken aufschmilzt. Im Rahmen der Erfin¬dung ist es somit möglich, den Faserwerkstoffrohling derart bereit zu stellen, dass bei einemnachfolgenden Umformverfahren und/oder einem Wärmebehandlungsverfahren durch Tempe¬ratureinwirkung das thermoplastische Material aufschmilzt und somit eine homogene Verteilungdes Verbundmaterials von innen heraus erfolgt. Ebenfalls ist es möglich, Matrixharzmaterial alsKern innerhalb des erfindungsgemäßen Faserwerkstoffrohlings einzuwickeln.

[0030] Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass der Kern als Formkern ausge¬bildet ist und der Formkern aus einem Füllmaterial gebildet ist und/oder dass der Formkern hohlist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kern in Form eines Ballons oder einer Blasehandeln. Im Rahmen der Erfindung ist es beispielsweise auch möglich, einen Kern aus bei¬spielsweise einem Styropormaterial oder aus einem andersartigen Kunststoffmaterial einzuwi¬ckeln. Auch ist es möglich, im Rahmen der Erfindung den Kern aus einem Wachsmaterial oderaber einen aus Sand bereit gestellten Kern einzuwickeln.

[0031] Der Kern kann dann in dem herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteil verbleibenund hier auch stützende oder aber die Festigkeit des Faserverbundwerkstoffbauteils erhöhendeEigenschaften aufweisen.

[0032] Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Kern nach Abschluss des Umform¬verfahrens aus dem Faserverbundwerkstoffbauteil zu holen, beispielsweise durch Aufschmilzen des Wachses oder aber durch Herauslassen des Sandes. Es kann sich also um einen verlore¬nen Kern handeln. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin aber auch möglich, einen Kerneinzubinden, der nach Abschluss des Umformverfahrens aus dem Faserverbundwerkstoffbau¬teil herauslösbar ist und erneut verwendet werden kann. Beispielsweise kann für den Kern auchein Gummimaterial od. dgl. verwendet werden.

[0033] Bevorzugt ist der Wickelrahmen selbst auch als Kern ausgebildet, wobei der Wickelrah¬men dann im Innenbereich nicht vollständig hohl ausgebildet ist, sondern zumindest ab¬schnittsweise massiv ausgebildet ist und dann in einem Umformprozess vorzugsweise vollstän¬dig aufschmilzt, insbesondere ist der Wickelrahmen hierzu aus einem Thermoplast gebildet. ImRahmen der Erfindung ist es möglich, den Wickelrahmen selbst vollflächig aus dem Thermo¬plastmaterial auszubilden, wobei dann das Thermoplastmaterial oder aber auch ein festesMatrixharzmaterial durch ein thermisches Einwirken vor, während oder nach dem Umformpro¬zess vollständig aufschmilzt und für eine homogene Verteilung innerhalb des Faserverbund¬werkstoffbauteils, insbesondere von innen heraus, sorgt. Im Rahmen der Erfindung ist es je¬doch auch möglich, den Wickelrahmen vollständig aus einem Wachswerkstoff oder aus einemanderen schmelzenden Werkstoff auszubilden, der ebenfalls beispielsweise aufschmilzt oderandersartig aus dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil oder aber während der Um¬formung des Faserwerkstoffrohlings zu dem Faserwerkstoffverbundbauteil aus den Faserwerk¬stoffrohling herausgeholt wird.

[0034] Im Rahmen der Erfindung ist besonders bevorzugt der Wickelrahmen selbst aus einemelastischen Material gebildet, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, so dass er beimBewicklungsvorgang, also bei der eigentlichen Herstellung des Faserwerkstoffrohlings, vorge¬spannt wird und die um den Wickelrahmen gewickelten Faserstrangabschnitte durch eine nachaußen drückende Radialkraft spannt, so dass diese sich straff über den Innenbereich erstre¬cken. Ebenfalls ist es bei einem elastisch ausgebildeten Wickelrahmen möglich, dass dieserbeim weiteren Umformverfahren sich derart weiter verformt, dass die auf ihn gewickelten undgespannten Faserstränge gezielt in den Umformwerkzeug bzw. dessen Formhohlraum nachge¬führt werden können, um auch lokal hohe Umformgrade in dem herzustellenden Faserver¬bundwerkstoffbauteil zu realisieren. Hierbei wird dann der Wickelrahmen entweder derart zer¬stört, dass er nur einmal nutzbar ist, oder aber nach Austrennen des Faserverbundwerkstoff¬bauteils aus dem Wickelrahmen dieser sich derart elastisch zurück verformt, sodass er mehr¬fach nutzbar ist. Der Wickelrahmen dient in diesem Fall gleichzeitig als Spannrahmen, was einaufwendiges Umspannen des gewickelten flächigen Faserwerkstoffrohlings entfallen lässt.

[0035] Ebenfalls dient der Wickelrahmen dann auch für den einzelnen Transfer, beispielsweisevon der Bewicklungsvorrichtung zu einem Lagerbereich und von dem Lagerbereich in eineUmformvorrichtung, als Transportrahmen. Hierdurch lassen sich die Produktionskosten wiede¬rum erheblich senken, da keine aufwendigen Transport- oder Spannvorrichtungen sowie Rüst¬zeiten zur Durchführung der einzelnen Operationen benötigt werden.

[0036] Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, einen Faserwerkstoffrohling bereit zustellen, wobei der Faserwerkstoffrohling mit zwei miteinander gekoppelten Wickelrahmen gebil¬det ist. Insbesondere liegen die zwei miteinander gekoppelten Wickelrahmen flächig übereinan¬der. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, drei, vier oder mehr Wickelrahmen über¬einander zu koppeln und somit einen mehrlagigen Faserwerkstoffrohling bereit zu stellen. Bei¬spielsweise können einzelne Wickelrahmen dann unidirektional orientierte Faserstränge auf¬weisen und andere Wickelrahmen, die dann entweder alle parallel orientiert oder aber in einemjeweiligen Winkel zueinander orientiert angeordnet sind. Ebenfalls ist es vorstellbar, Wickelrah¬men mit unidirektional parallel orientierten Fasersträngen mit einem weiteren Wickelrahmen mitomnidirektional orientierten Fasersträngen bereit zu stellen. Hierbei können die Wickelrahmenselbst Kopplungsvorrichtungen, beispielsweise Fortsätze, Vertiefungen, oder aber ein Nut- undFedersystem aufweisen, um relativ zueinander lagefixiert zu werden. Im Rahmen der Erfindungist auch eine Spannvorrichtung inbegriffen, die es variabel erlaubt, zwei, drei oder sogar zehnWickelrahmen miteinander formschlüssig zu verspannen. Diese Spannvorrichtung kann bei¬spielsweise nach dem Prinzip einer Schraubzwinge oder aber eines Klemmhalters arbeiten.

[0037] Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin besonders bevorzugt die parallel zueinanderoder aber direkt übereinander liegenden flächigen Bereiche zumindest abschnittsweise mitei¬nander gekoppelt, insbesondere sind diese miteinander vernäht und/oder miteinander verklebt.Hierdurch wird sichergestellt, dass die einzelnen Lagen zueinander relativ lagefixiert sind. BeiDurchführung eines Formgebungsprozesses erfolgt somit kein relatives Verschieben der ein¬zelnen Lagen zueinander, insbesondere der einzelnen Fasern zueinander. Durch diese Ma߬nahme ist es möglich, ein Faserverbundwerkstoffbauteil herzustellen, das eine besonders hoheProduktionsgenauigkeit im Hinblick auf die jeweilige Faserorientierung aufweist.

[0038] Im Rahmen der Erfindung ist der Faserwerkstoffrohling weiterhin dadurch gekennzeich¬net, dass voneinander verschiedene Faserwerkstoffe auf einen Wickelrahmen gewickelt sind,vorzugsweise stammen die voneinander verschiedenen Faserwerkstoffe aus der Gruppe derKarbonfasern, der Glasfasern, der Aramidfasern, der Basaltfasern und/oder der Metallfasern,wobei ganz besonders bevorzugt die mindestens zwei voneinander verschiedenen Faserwerk¬stoffe in einem ungleichen Mengenverhältnis zueinander auf den Wickelrahmen gewickelt sind.Beispielsweise ist es somit möglich, einen Faserwerkstoffrohling aus Karbonfasern oder aberaus Glasfasern bereit zu stellen, der einen geringen Anteil von verstärkenden Metallfasernaufweist.

[0039] Bevorzugt werden Thermoplastfasern oder aber auch Duroplastfasern oder aber Matrix¬harzfasern auf den Wickelrahmen gewickelt. Im Rahmen der Erfindung können die zuvor ge¬nannten Fasertypen auch kombiniert auf den Wickelrahmen gewickelt werden.

[0040] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Faser¬verbundwerkstoffbauteils für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, unter Verwendung einesFaserwerkstoffrohlings mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale, wobei das Ver¬fahren erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: [0041] - Bereitstellen eines Faserwerkstoffrohlings auf einem Wickelrahmen, [0042] - Einlegen des Faserwerkstoffrohlings mit dem Wickelrahmen in ein Umformwerkzeug, wobei der Faserwerkstoffrohling vor oder während des Umformprozesse mit einemMatrixharz versehen wird und/oder mit einem aufschmelzendem Thermoplast verse¬hen wird, [0043] - Umformen des Faserwerkstoffrohlings zu einem Faserwerkstoffverbundbauteil und [0044] - Entnahme des Faserverbundwerkstoffbauteils.

[0045] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Faserwerkstoffrohling auf dem Wickel¬rahmen bereitgestellt, wobei der Wickelrahmen zugleich als Transportrahmen und Spannrah¬men dient. Der Faserwerkstoffrohling wird dann mit dem Wickelrahmen in ein Umformwerkzeugeingelegt, wobei ein in dem Innenbereich des Wickelrahmens angeordneter flächiger Bereichdes Faserwerkstoffes innerhalb des Umformwerkzeugs umgeformt wird. Das Umformwerkzeugbesteht beispielsweise im Rahmen der Erfindung aus einem Oberwerkzeug und einem Unter¬werkzeug, das dann analog zu einem Blechumformwerkzeug zusammenfährt und einen Form¬hohlraum aufweist. Innerhalb des Formhohlraums wird dann das Faserverbundwerkstoffbauteilhergestellt.

[0046] Damit der Faserwerkstoff nach dem Umformvorgang Festigkeit erlangt, wird der auf demWickelrahmen bereit gestellte Faserwerkstoffrohling vor oder aber während des Umformprozes¬ses mit Matrixharz versehen. Beispielsweise wird das Matrixharz mittels einer Sprühvorrichtungauf den Faserwerkstoffrohling aufgetragen. Ebenfalls ist es möglich, dass das Matrixharz be¬reits innerhalb des Faserwerkstoffrohlings vorhanden ist und dann durch chemische Additive,beispielsweise die Zugabe eines Aktivators oder aber eines Härters oder aber durch thermischeEinwirkung, beispielsweise durch Temperatureinwirkung, aktiviert wird, so dass der Faserwerk¬stoffrohling mit dem Matrixharz umformbar ist und anschließend beginnt auszuhärten, so dassdas hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil eine entsprechende Steifigkeit erhält.

[0047] Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass das Matrixharz oder aber ein

Thermoplast bereits vorher innerhalb des Faserwerkstoffrohlings eingebracht ist, beispielsweisedurch eine eingewickelte thermoplastische Folie. Während des Umformverfahrens ist es somitmöglich, durch Temperatureinwirkung das Thermoplast zum Schmelzen zu bringen und sichhomogen innerhalb der Fasern zu verteilen.

[0048] Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Faserwerkstoff innerhalbdes Formwerkzeugs geformt wird und dann während des Formvorgangs oder nach dem Form¬vorgang Matrixharz in den Formhohlraum eingeführt wird.

[0049] Im Anschluss an den Formvorgang wird dann der zu dem Faserverbundwerkstoffbauteilgeformte Faserverbundwerkstoff aus dem Formwerkzeug entnommen.

[0050] Im Rahmen der Erfindung wird auf dem Umformwerkzeug insbesondere ein Faserwerk¬stoffrohling umgeformt, der auf zwei, insbesondere drei oder mehr aufeinander gestapeltenRahmen ausgebildet ist. Die so aufeinander gestapelten mindestens zwei Rahmen werden indas Umformwerkzeug eingelegt und gleichzeitig umgeformt, so dass sich ein mehrlagiges,mindestens zweilagiges, insbesondere bei regulär umwickelten Rahmen vierlagiges, Faserver¬bundwerkstoffbauteil ausgebildet wird.

[0051] Weiterhin wird besonders bevorzugt der Wickelrahmen vor und/oder während demUmformverfahren entfernt. Im Rahmen der Erfindung ist es natürlich auch möglich, dass derWickelrahmen, der während des Umformverfahrens insbesondere als Spannrahmen dient, nachdem Umformverfahren von dem umgeformten Faserverbundwerkstoffbauteil entfernt wird.Insbesondere erfolgt das Entfernen durch Ausschneiden bzw. Abschneiden oder aber Abtren¬nen durch ein Stanzverfahren.

[0052] Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass bei dem Herstellungsverfah¬ren für das Faserverbundwerkstoffbauteil der Wickelrahmen vor dem Umformverfahren entferntwird. Im Rahmen der Erfindung ist hierunter zu verstehen, dass der Wickelrahmen bereits wäh¬rend oder nach dem Herstellungsverfahren für den Faserwerkstoffrohling entfernt wird, wobeihier dann der auf dem Wickelrahmen gewickelte, flächige Faserwerkstoffbereich als Faserwerk¬stoffrohling übrig bleibt. Dieser kann als Gewebe bzw. Gelege insbesondere bei omnidirektiona-ler Wicklung dann flächig, beispielsweise durch Vakuumgreifer oder aber Nagelgreifer, in dasUmformwerkzeug transportiert werden.

[0053] Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass der Faserwerkstoff durch ein zu¬sätzliches Härtemittel eine derartige Steifigkeit besitzt, dass die insbesondere omnidirektionalgewickelten Faserstrangabschnitte sich nicht gegenseitig entwirren, sondern relativ zueinanderlagefixiert angeordnet sind. Auch hier erfolgt dann ein Transfer mittels eines Manipulators oderaber auch mittels eines Vakuumgreifers oder Nagelgreifers oder einer sonstigen Greifvorrich¬tung in das Umformwerkzeug.

[0054] I m Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Wickelrahmen währenddes Umformverfahrens entfernt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es vorstellbar, dass in demUmformwerkzeug selber derartige Stanz- oder Schneidvorrichtungen angeordnet sind, die beiSchließen des Umformwerkzeugs den Wickelrahmen von den ebenen bzw. flächigen Faserver¬bundwerkstoff und/oder den bereits umgeformten Faserverbundwerkstoffbauteil abtrennen. ImRahmen der Erfindung ist es insbesondere vorteilhaft, dass die randseitig angeordneten Fa¬sern, insbesondere die den Rahmen bzw. den Rand umgreifenden, auf den Wickelrahmengewickelten Fasern nicht durch das Umformverfahren selber mit Matrixharz oder einem sonsti¬gen Härtemittel benetzt sind und somit ohne Härtemittelverschmutzungen einem Recyclingpro¬zess, beispielsweise der Herstellung eines Vlieses aus Recyclingfasern, direkt zugeführt wer¬den können.

[0055] Im Rahmen der Erfindung ist bei Einsatz insbesondere eines elastisch verformbarenWickelrahmens der Wickelrahmen derart als Spannrahmen nutzbar, dass die nach innen zie¬henden Faserstränge während des Umformverfahrens den Wickelrahmen kontrahieren undgleichzeitig durch die radial nach außen wirkenden Kräfte des Wickelrahmens eine Zugkraft aufdie Faserstränge aufgebracht wird, die ein insbesondere faltenfreies Anschmiegen dieser in dem Formhohlraum ermöglichen.

[0056] Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, den Wickelrahmen derart auf das Umform¬werkzeug abzustimmen, dass bei geschlossenem Umformwerkzeug der Wickelrahmen nahezustoßend an der Außenseite der Formhälften anliegt. Hierdurch wird das Herstellungsverfahrenderart optimiert, dass ein faltenfreies Einziehen der Fasern während des Umformvorgangs inden Formhohlraum ermöglicht wird und gleichzeitig durch nicht nach außen überstehendeFasern, allenfalls die Fasern, die um den Wickelrahmen gewickelt sind, ein sehr geringer Ver¬schnitt bzw. Produktionsrest entsteht, was die Produktionskosten wiederum enorm senkt.

[0057] Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, dass der Wickelrahmen eine um¬laufende Nut auf dem äußeren Rahmen aufweist, wobei während des Umformverfahrens einNiederhalter oder aber ein Teil des Umformwerkzeugs selber in die Nut einfährt und den inRichtung zu dem außen liegenden Wickelrahmen stehenden Teil des Faserwerkstoffrohlingsabschneidet bzw. abtrennt. Ein separater Schneidvorgang ist somit nicht erforderlich, wobeinach vollständigem Aushärten des Faserverbundwerkstoffbauteils die Schnittkante entspre¬chend noch durch spanabhebende oder aber Schneidmaßnahmen formgenau an den Zielver¬wendungszweck angepasst wird.

[0058] Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin der Wickelrahmen während des Umformensund/oder nach dem Umformen abgeschnitten, vorzugsweise wenn das Umformwerkzeug nochgeschlossen ist, oder der Wickelrahmen wird nach Entnahme des geformten Faserverbund¬werkstoffbauteils abgeschnitten. Im Rahmen der Erfindung ist hier je nach Anwendungsfall desherzustellenden Bauteils und des verwendeten Wickelrahmens eine entsprechend vorteiligeAusbildung auszuwählen. So wird beispielsweise bei lokal hohen Umformgraden und starkerKontraktion des Wickelrahmens ein Abschneiden während und/oder nach dem Umformenbevorzugt, so dass nicht die stark radial nach außen wirkenden Kräfte des Wickelrahmens nachdem Öffnen des Formwerkzeugs das geformte Faserverbundwerkstoffbauteil wieder entformen.Bei einem verwendeten Wickelrahmen, beispielsweise aus Stahl oder metallischen Werkstoffen,insbesondere leichtmetallischen Werkstoffen, der während des Umformverfahrens kaum odernur in zu vernachlässigender Weise elastisch kontrahiert wird, ist ein weiteres Händeln deshergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils mit Hilfe des Rahmens unter Umständen vorteil¬haft, weshalb der Rahmen erst nach dem Umformvorgang und nach Entnahme des geformtenFaserverbundwerkstoffbauteils aus dem Umformwerkzeug von diesem abgeschnitten wird.

[0059] I m Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass der Wickelrahmen eine seitlichumlaufende Nut aufweist, wobei eine Schneidvorrichtung, beispielsweise ein Messer oder abereine Säge, mithin ein Trennmittel in die Nut eingreift und um den erfindungsgemäßen Wickel¬rahmen geführt wird und somit die auf den Wickelrahmen gewickelten Faserstränge derartdurchschneidet, dass sie von dem Wickelrahmen entnehmbar sind.

[0060] Insbesondere ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren mit einemWickelrahmen der Vorteil, dass der auf den Wickelrahmen geführte Teile des Faserwerkstoffeszwar als Verschnitt und somit als Produktionsrest anfällt, dieser jedoch insbesondere nichtmatrixharz- oder aber thermoplastbehaftet ist, mithin nicht härtemittelbehaftet ist und in einfa¬cher Art und Weise recycelt werden kann.

[0061] I m Rahmen der Erfindung wird weiterhin der Faserwerkstoffrohling vor, währendund/oder nach der Umformung in dem Umformwerkzeug wärmebehandelt. Insbesondere findetdie Wärmebehandlung in dem Umformwerkzeug selber statt. Im Rahmen der Erfindung wirdbevorzugt der Faserwerkstoffrohling vor Einlegen in das Umformwerkzeug mit einem Matrixharzbeaufschlagt oder aber die Fasern sind bereits vorimprägniert und/oder in einem weiteren An¬wendungsfall ist es möglich, dass durch den Einsatz von Thermoplasten, beispielsweise alsthermoplastischer Kern oder aber als eingewickelte Folie oder aber als beschichtete Faser¬stränge, eine thermische Aktivierung der vorbeschriebenen Härteverbundmaterialien erforder¬lich ist.

[0062] Der Wickelvorgang selber und die Handhabung des auf den Wickelrahmen gewickelten

Faserwerkstoffrohlings ist im Rahmen der Erfindung besonders sauber, d. h. ohne herabtrop¬fende Härtematerialen, möglich. Die Härtematerialien sind im kalten Zustand, also bei in etwaRaumtemperatur, selbst in einem festen Zustand oder aber in einem sehr zähflüssigen oderaber geleeartigen Zustand, so dass ein Heruntertropfen und somit ein Verschmutzen der Pro¬duktionsanlage weitestgehend vermieden wird. Durch die thermische Einwirkung erfolgt zu¬nächst ein Verflüssigen der vorbeschriebenen Härtematerialien und direkt anschließend einAushärtevorgang, der dem herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteil die nötige Festigkeitverleiht.

[0063] Insbesondere beim Einsatz von Thermoplasten schmelzen diese auf und festigen sichwiederum durch die Abkühlung. Matrixharzwerkstoffe werden aktiviert und vermischen sichinsbesondere mit einem in dem Matrixharz enthaltenen Härter, so dass anschließend ein che¬mischer Aushärteprozess stattfindet. Dieser kann auch temperaturgebunden sein. Durch dieinsbesondere Wärmebehandlung innerhalb des Umformwerkzeugs selber wird somit vermie¬den, dass eines der vorbeschriebenen Härtematerialien auf die Produktionsanlage herabtropftoder aber diese verschmutzt.

[0064] I m Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, den Faserwerkstoffrohling währendoder nach der Umformung, vorzugsweise in dem Umformwerkzeug, nicht nur wärmezubehan¬deln, sondern optional oder aber alternativ auch zu kühlen. Im Falle ergänzender Wärmebe¬handlung und Kühlbehandlung finden diese zeitlich aufeinanderfolgend oder aber zeitlich von¬einander getrennt statt. Sofern nur eine Wärmebehandlung oder aber nur eine Kühlung stattfin¬det, können durch Anordnung von Wärmequellen, beispielsweise von Infrarotstrahlern, oderaber von Kühlungsmöglichkeiten, beispielsweise durch eine Gebläsekühlung, die entsprechen¬den Vorgänge vorgenommen werden.

[0065] Weiterhin kann eine Verschmutzung des Umformwerkzeugs selbst durch Einlegen vonTrennfolien oder aber durch ein Beschichten des Umformwerkzeugs selbst mit Trennmittelnvermieden werden, so dass sich insgesamt ein sehr sauberer Produktionsprozess ergibt, dergleichzeitig eine hohe Produktionsstabilität bei geringen Produktionstoleranzen sicherstellt undaufwendige Reinigungs- und Instandhaltungskosten der Produktionsanlage vermeidet.

[0066] Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sindBestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den schemati¬schen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen: [0067] Figur 1 einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen; [0068] Figur 2 eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung mit Wickelrahmen; [0069] Figur 3a bis f einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen während der Bewicklung; [0070] Figur 4 eine Detailansicht des Randes des Wickelrahmens; [0071] Figur 5a bis c verschiedene Zahnformen auf dem Rand des Wickelrahmens; [0072] Figur 6a bis d einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen mit verschiedenen Wickel¬ richtungen; [0073] Figur 7a bis b einen Wickelrahmen vor und nach der Umformung; [0074] Figur 8a bis c einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen während des Umformvor¬ gangs; [0075] Figur 9 einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen in einer Querschnittsansicht mit eingewickeltem Kern; [0076] Figur 10a bis c einen erfindungsgemäßen rechteckigen Wickelrahmen mit verschie¬ denen Bewicklungen; [0077] Figur 11a bis c vier aufeinander gestapelte Wickelrahmen.

[0078] In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.

[0079] Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 in einer Draufsicht. Der Wickel¬rahmen 1 weist dabei einen außen umlaufenden Rahmen 2 auf, wobei der Rahmen 2 wiederumeinen den Rahmen 2 außen berandenden Rand 3 aufweist. Auf dem Rand 3 sind in Abständenzueinander Zähne 4 angeordnet. Exemplarisch ist ein Faserstrang 5 auf den Wickelrahmen 1gewickelt, wobei der Faserstrang 5 jeweils am Rand 3 den äußeren Rahmen 2 des Wickelrah¬mens 1 umfasst und in einem Zahnzwischenraum 6 zur Anlage kommt und dort formschlüssiggehalten wird. Der Wickelrahmen 1 weist ferner eine Vorderseite 7 und eine nicht sichtbareRückseite auf, wobei die Rückseite auf der der Vorderseite 7 gegenüberliegenden Seite desWickelrahmens 1 ausgebildet ist.

[0080] Der Wickelrahmen 1 weist einen Innenbereich 8 auf, der von dem außen umlaufendenRahmen 2 eingeschlossen ist. Zwischen dem außen umlaufenden Rahmen 2 ist ein Innen¬durchmesser 9 ausgebildet, wobei der Wickelrahmen 1 ebenfalls einen Außendurchmesser 10aufweist, und der Außendurchmesser 10 je nach Anwendungsfall inklusive oder aber exklusiveder Zähne 4 zu sehen ist.

[0081] Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung 11, wobei die Wickelvorrichtung11 zur Aufnahme des erfindungsgemäßen Wickelrahmens 1 ausgebildet ist. Hierzu besitzt dieWickelvorrichtung 11 Stützrollen bzw. Führungsrollen 12, die den Wickelrahmen 1 umfangssei¬tig umfassen. Die Führungsrollen 12 können dabei jeweils in translatorischer Richtung 13 ver¬schoben werden, so dass die Wickelvorrichtung 11 zur Aufnahme von Wickelrahmen 1 mitverschiedenen Außendurchmessern 10 geeignet ist.

[0082] Der Wickelrahmen 1 erfährt eine Drehbewegung 14 um seinen Mittelpunkt 15, so dassein auf einer Spule 16 bereit gestellter Faserstrang 5 von der Spule 16 abgewickelt wird und aufden Wickelrahmen 1 aufgewickelt wird. Ein Mitführen des Faserstrangs 5 erfolgt aufgrund desformschlüssigen Eingriffs des Faserstrangs 5 in die Zahnzwischenräume 6 der auf dem äuße¬ren Rand 3 des Wickelrahmens 1 angeordneten Zähne 4.

[0083] Im Rahmen der Erfindung wird hier dargestellt der Wickelrahmen 1 von einer Antriebs¬rolle 17 angetrieben, so dass er die Drehbewegung 14 ausführt. Im Rahmen der Erfindung istes jedoch auch möglich, den Wickelrahmen 1 an seinem Mittelpunkt 15 aufzuhängen und dannauch über den Mittelpunkt 15 anzutreiben, so dass beispielsweise andere Außenkonturen desWickelrahmens 1 mit dem erfindungsgemäßen Wicklungsverfahren bewickelbar sind. Bei¬spielsweise sind dies eckige, insbesondere rechteckige, Außenkonturen.

[0084] Der Wickelrahmen ist dann beispielsweise analog einem Speichenrad aufgebaut. In derMitte ist eine Nabe angeordnet und der außen umlaufende Felgenkranz, hier der Wickelrah¬men, ist über Speichen mit der Nabe verbunden. Die Speichen können selbst aus Fasersträn¬gen ausgebildet sein, so dass die Nabe und der Wickelrahmen aus dem fertig gewickeltenFaserwerkstoffrohling problemlos heraustrennbar sind. Ebenfalls können die Speichen auseinem anderen Material ausgebildet sein, das in dem Faserwerkstoffrohling verbleiben kann.

[0085] Figur 3a bis f zeigen einen erfindungsgemäßen Wicklungsvorgang auf den erfindungs¬gemäßen Wickelrahmen 1. Zunächst wird ein freies Ende 18 des Faserstrangs 5 an dem Wi¬ckelrahmen 1 befestigt. Anschließend wird der Wickelrahmen 1 in eine Drehbewegung 14 ver¬setzt und wickelt somit den Faserstrang 5 von der Spule 16 ab und auf den Wickelrahmen 1auf. Hierzu wird die Spule 16 von einer Vorderseite 7 des Wickelrahmens 1 in Richtung 21 zueiner Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 bewegt, wobei die Rückseite 19 auf der der Vordersei¬te 7 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Dabei kommt der Faserstrang 5 in einem Zahn¬zwischenraum 6 auf dem äußeren Rand 3 des Wickelrahmens 1 zum formschlüssigen Eingriff.

[0086] I m Anschluss daran erfährt der Wickelrahmen 1 gemäß Figur 3b eine weitere Drehbe¬wegung 14, wobei die Drehbewegung 14 sukzessive aufeinanderfolgend ausgeführt werdenkann oder aber kontinuierlich. Hierdurch wickelt sich der Faserstrang 5 weiter von der Spule 16ab und auf den Wickelrahmen 1 auf. Damit ein in Form eines Rovings, also eines unverdrehten,nebeneinander liegenden Faserstranges 5, keine ungewollte Verdrehung in sich und somit eine

Schwächung des später herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteils erfährt, wird die Spule16 in Rotationsrichtung 20 um ihre Hochachse H gedreht, so dass ein gleichmäßig flächigesBespannen des Wickelrahmens 1 mit dem Faserstrang 5 erfolgen kann.

[0087] In Figur 3c und d dargestellt wird die Spule 16 wieder von der Rückseite 19 des Wickel¬rahmens 1 auf die Vorderseite 7 in Richtung 21 bewegt, so dass wieder an einem weiterenZahnzwischenraum 6 der Faserstrang 5 zur formschlüssigen Anlage kommt und somit derWickelrahmen 1 weiter bewickelt wird. Dieser Schritt ist überführend dargestellt in Figur 3d.

[0088] Gemäß Figur 3e wird dann die Spule 16 wiederum um eine Rotationsrichtung 20 um ihreHochachse H gedreht, wobei die Rotationsrichtung 20 gemäß Figur 3e der Rotationsrichtung 20gemäß Figur 3b und c entgegengesetzt ist. Hierdurch wird, wie bereits eingangs erwähnt, einVerdrehen des Faserstrangs 5 verhindert. Die Spule 16 wird dann in Figur 3f dargestellt wiedervon einer Vorderseite 7 des Wickelrahmens 1 zu einer Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 inRichtung 21 bewegt, so dass wiederum ein erneuter formschlüssiger Eingriff in einem Zahnzwi¬schenraum 6 durch den Faserstrang 5 erfolgt.

[0089] Figur 4 zeigt eine Detailansicht des Rahmens 2, wobei der Rahmen 2 auf seinem äuße¬ren Rand 3 umlaufend Zähne 4 angeordnet hat. Zwischen den Zähnen 4 ist jeweils der Zahn¬zwischenraum 6 ausgebildet, wobei zwei Zähne 4 zueinander einen Abstand 22 zueinanderaufweisen. Wie hier dargestellt, sind es die Zahnspitzen 23, die einen entsprechenden Abstand22 zueinander aufweisen, im Rahmen der Erfindung können die Zähne 4 jedoch auch recht¬eckig konfiguriert sein, so dass dann der Abstand 22 von einer Zahnflanke 24 zur nächstenZahnflanke 24 zu sehen ist. Bei den hier dargestellten spitzen Zähnen 4 ist in den Zahnzwi¬schenräumen 6 ein Talbereich 25 ausgebildet. In dem Talbereich 25 legt sich der Faserstrang 5derart an, dass er seine ursprüngliche Breite 26 im Wesentlichen beibehält, jedoch nicht ver¬dreht oder verdrillt wird. Hierdurch wird ein flächiges Anliegen des Faserstranges 5 auf der hierdargestellten Vorderseite 7, aber auch auf der Rückseite 19 des Wickelrahmens 1 über denTalbereich 25 hinweg gewährleistet.

[0090] Figur 5a bis c zeigen verschiedene Ausführungsvarianten der Zähne 4 auf dem Rahmen 2. Figur 5a zeigt spitz zulaufende Zähne 4 mit Zahnspitzen 23, wobei zwischen den Zähnen 4ein Talbereich 25 ausgebildet ist. Die Zahnspitzen 23 weisen jeweils einen Abstand 22 zuei¬nander auf. Figur 5b zeigt Zähne 4, die eine säbelartige oder aber haifischflossenartige Krüm¬mung aufweisen, wobei sich zwischen den Zähnen 4 ebenfalls ein Talbereich 25 ausbildet. DieSpitzen der Zähne 4 weisen wiederum einen Abstand 22 zueinander auf. Die Ausführungsvari¬ante gemäß Figur 5c zeigt zwei spitz zulaufende Zähne 4, wobei die Zähne 4 jeweils eineZahnspitze 23 aufweisen. Zwischen den zwei Zähnen 4 erstreckt sich ein Abstand 27 auf demRand 3, so dass in der Breite des Abstandes 27 eine auf dem Rand im Wesentlichen geradeAuflagefläche für den nicht näher dargestellten Faserstrang erfolgt.

[0091] Figur 6a bis d zeigen verschiedene Bewicklungsmuster eines erfindungsgemäßen Wi¬ckelrahmens 1 mit einem Faserstrang 5. Gemäß Figur 6a ist der Wickelrahmen 1 mit demFaserstrang 5 in unidirektionaler Richtung 28 aufgewickelt. Dies bedeutet, dass alle Faser¬stränge 5 in eine Richtung orientiert sind, also parallel zueinander verlaufen. Die Bewicklungkann derart erfolgen, dass sich zwischen den Fasersträngen 5, wie hier dargestellt, ein Zwi¬schenraum 29 ergibt, die Faserstränge 5 können jedoch auch so dicht auf den Wickelrahmen 1gewickelt sein, dass sie ohne Zwischenraum 29 nebeneinander oder aber teilweise überlap¬pend angeordnet sind. Im Innenbereich 8 des Wickelrahmens 1 entsteht somit ein im Wesent¬lich flächig ausgebildeter Faserwerkstoffrohling 30.

[0092] Gemäß der Figur 6b ist eine Bewicklung in zwei unidirektionale Richtungen 28 möglich,wobei dann die zwei unidirektionalen Richtungen 28 in einem Winkel α zueinander angeordnetsind. Hier dargestellt ist ein Winkel α von im Wesentlichen 90°, es ist jedoch auch jede beliebigeWinkellage der zwei unidirektionalen Richtungen 28 zueinander möglich. Im Rahmen der Erfin¬dung ist es auch möglich, 3, 4 oder mehr unidirektionale Richtungen 28 auszubilden. Auch hierergeben sich Zwischenräume 29, die je nach Art der Bewicklung, Dichte des Faserstrangs 5und Materials als Freiräume ausgebildet sein können oder aber auch durch ein direktes be- nachbartes Anliegen der Faserstränge 5 zueinander gefüllt sein können.

[0093] Figur 6c zeigt eine weitere Ausführungsvariante als Bewicklungsmöglichkeit des Wickel¬rahmens 1, wobei hier die Fasern unidirektional übereinander gelegt sind. D. h. die Fasern vonVorderseite 7 und Rückseite des Wickelrahmens 1 sind jeweils in einem Winkel zueinanderangeordnet, so dass sich ein entsprechend mehrdirektionales Geflecht für den im Innenbereichdes Wickelrahmens 1 ergebenden Faserwerkstoffrohlings einstellt. Die Dichte des Fasermateri¬als ist, in Figur 6c gut erkennbar, steuerbar, so dass ein Innenteil 31 gänzlich freibleibend istund sich von dem Innenteil 31 zu dem äußeren Rand 3 erstreckend verschiedene Faserdichteneinstellen.

[0094] Gemäß der Ausführung in Figur 6d ist der Wickelrahmen 1 derart exzentrisch mit demFaserwerkstoff umwickelt worden, dass zwar ein Innenteil 31 gleich bleibend zu Figur 6c frei¬bleibt, jedoch die Faserdichte sich zu einer Seite hin verlagert und auch dort konzentriert. Miteinem solch hergestellten Faserwerkstoffrohling ist es beispielsweise möglich, ein nicht näherdargestelltes, U-förmiges Faserwerkstoffverbundbauteil herzustellen, das dann in dem Bereichder höchsten Dichte seine höchste Festigkeit hat und beispielsweise zwei Ausleger mit geringe¬ren Festigkeitsanforderungen aufweist. Der so in Figur 6d dargestellte Faserwerkstoffrohling istoptimal an das herzustellende Faserwerkstoffverbundbauteil angepasst, so dass wenig Ver¬schnitt beim Herstellungsprozess auftaucht.

[0095] Figur 7a zeigt ein auf einem Wickelrahmen 1 hergestellten Faserwerkstoffrohling 30, dergemäß Figur 7b zu einem Faserwerkstoffverbundbauteil 32 umgeformt wurde. Der Winkelrah¬men 1 des Faserwerkstoffrohlings 30 gemäß Figur 7a weist einen Außendurchmesser 10 auf,der größer ist, als der Außendurchmesser 33 des Wickelrahmens 1 des Faserwerkstoffver¬bundbauteils 32 nach dem Umformen. Dies erfolgt aufgrund einer Kontraktion 34 von allenSeiten zur gezielten Nachführung der in dem Faserverbundwerkstoffbauteil 32 ausgebildetenFaserorientierung. Durch die Wahl eines elastisch verformbaren Wickelrahmens 1, der entwe¬der als verlorener Wickelrahmen 1 oder aber nach dem Ausschneiden des Faserverbundwerk¬stoffbauteils 32 aus dem Wickelrahmen 1 wieder verwendet werden kann, wird dies auch er¬reicht. Der Wickelrahmen 1 dient somit während des Umform Vorgangs als Spannrahmen.

[0096] Ebenfalls dargestellt ist dieses in Figur 8a bis c, die den Umformprozess eines Faser¬werkstoffrohlings 30, welcher auf einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 gewickelt ist,darstellten. Hierzu wird der Faserwerkstoffrohling 30 gemäß Figur 8 in ein Umformwerkzeug 35eingelegt und positioniert. Anschließend wird das Umformwerkzeug 35 geschlossen, so dasssich der einen Außendurchmesser 10 aufweisende Wickelrahmen 1 kontrahiert 34 und dabeiein gezieltes Nachführen der Fasern des Faserwerkstoffrohlings 30 in den Formhohlraum 36ermöglicht. So wird auch im Bereich mit lokalen hohen Umformgraden 37 eine gezielte Fa¬serausrichtung innerhalb des Umformwerkzeugs 35 durch den erfindungsgemäßen Wickelrah¬men 1 ermöglicht.

[0097] Nach Abschluss des Umformverfahrens, dargestellt in Figur 8c, weist der Wickelrahmen1 einen gegenüber dem ursprünglichen Außendurchmesser 10 verringerten Außendurchmesser33 auf. Der kontrahierte bzw. verringerte Außendurchmesser 33 ist jedoch derart dimensioniert,dass ein sich dadurch einstellender Innendurchmesser 9 des Wickelrahmens 1 größer ist als einAußendurchmesser 38 des Umformwerkzeugs 35. Hier ist jedoch erfindungsgemäß innerhalbdes Produktionsprozesses abzustimmen, dass der sich während der Umformung einstellendeInnendurchmesser 9 des Rahmens nur geringfügig größer ist als der Außendurchmesser 38des Umformwerkzeugs 35, so dass möglichst geringe Verschnitte bzw. wenig Produktionsresteanfallen.

[0098] In Figur 9 ist ein erfindungsgemäßer Faserwerkstoffrohling 30 dargestellt, wobei derFaserwerkstoffrohling 30 auf einen erfindungsgemäßen Wickelrahmen 1 gewickelt ist. DerWickelrahmen 1 weist dazu eine Vorderseite 7 und eine Rückseite 19 auf, wobei jeweils um denRand 3 des Rahmens 2 die Faserstränge 5 gewickelt worden sind. Hierdurch ergibt sich auf derVorderseite 7 eine erste Lage L1 und auf der Rückseite 19 eine zweite Lage L2, mithin einzweilagiger Faserwerkstoffrohling 30. Zwischen den Lagen L1 und L2 ist ein Kern 39 eingewi¬ ekelt worden, wobei der Kern 39 beispielsweise aus einem Füllkörper oder aber auch aus ei¬nem Harzmaterial oder aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein kann. Der Kern 39 kanndann während des Umformprozesses als Füllkörper zur Formgebung dienen oder aber auchdurch ein Aufschmilzen des Harzes für eine homogene Matrixharzverteilung innerhalb desFaserverbundwerkstoffbauteils genutzt werden.

[0099] Figur 10a bis c zeigen einen Wickelrahmen 1 mit einer rechteckigen Kontur, wobeiinnerhalb des Wickelrahmens 1 der Faserwerkstoffrohling 30 mit ebenfalls rechteckiger Konturausgebildet ist. Auch der Wickelrahmen 1 mit rechteckiger Kontur weist einen umlaufendenRahmen 2 mit einem äußeren Rand 3 auf, wobei auf dem Rand 3 Zähne 4 angeordnet sind.Ebenfalls ist der rechteckig konfigurierte Wickelrahmen 1 durch zwei unidirektionale Faserrich¬tungen 28 umwickelt, wobei die zwei unidirektionalen Faserrichtungen 28 einen Winkel α zuei¬nander aufweisen, hier dargestellt einen in etwa rechteckigen Winkel a. In Figur 10c ist derrechteckig konfigurierte Wickelrahmen 1 in nur einer unidirektionalen Richtung 28 mit einemFaserstrang 5 bewickelt worden.

[00100] Figur 11a bis c zeigen hier dargestellt jeweils 4 Wickelrahmen 1, die übereinanderpositioniert werden und somit dargestellt in Figur 11c einen aus 4 übereinander gestapeltenWickelrahmen 1 in deren Innenbereich 8 ausgebildeten Faserwerkstoffrohling 30 bereitstellen.Jeder der 4 Wickelrahmen 1 weist hierzu in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11b eineunidirektionale Ausrichtung 28 der auf ihn gewickelten Faserstränge 5 auf. Hierdurch ergibt sichein Faserwerkstoffrohling 30 gemäß Figur 11c, der 8 Lagen mit 4 unidirektionalen Faserausrich¬tungen 28 aufweist, wobei jeweils 2 benachbarte Lagen auf einen Wickelrahmen 1 die gleicheFaserausrichtung aufweisen. Durch Kombination mit verschiedensten Faserausrichtungen,beispielsweise mit multdirektional oder aber omnnidirektional ausgerichteten Fasern, oder aberauch gemäß Figur 6d mit exzentrisch angeordneten Faserdichten lässt sich so jeweils beliebigein Faserwerkstoffrohling 30 für das herzustellende Faserverbundwerkstoffbauteil optimal be¬reitstellen. BEZUGSZEICHEN: 1 - Wickelrahmen 2 - Rahmen 3 - Rand 4 - Zähne 5 - Faserstrang 6 - Zahnzwischenraum 7 - Vorderseite zu 1 8- Innenbereich zu 1 9- Innendurchmesser zu 2 10 - Außendurchmesser zu 2 11 - Wickelvorrichtung12- Führungsrollen 13 - translatorische Richtung 14- Drehbewegung 15- Mittelpunkt zu 1 16- Spule 17- Antriebsrolle 18- freies Ende zu 5 19 - Rückseite 20 - Rotationsrichtung zu 16 21 - Bewegung der Spule von 7 zu 19 bzw. von 19 zu 7 22 - Abstand von 4 zu 4 23 - Zahnspitzen 24 - Zahnflanken25- Talbereich 26 - Breite zu 5 27 - Abstand von 5 auf 3 28 - unidirektionale Ausrichtung 29 - Zwischenraum 30 - Faserwerkstoffrohling 31 - Innenteil 32 - Faserwerkstoffverbundbauteil 33 - Außendurchmesser zu 2 nach Umformen 34 - Kontraktion 35 - Umformwerkzeug 36 - Formhohlraum 37 - lokal hoher Umformgrad 38 - Außendurchmesser zu 35 39 - Kern α - WinkelL1 - erste LageL2 - zweite LageH- Hochachse

Claims (18)

1. Patentansprüche 1. Faserwerkstoffrohling zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils (32) für einFahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Faserwerkstoffrohling (30) als aufeinem Rahmen bereitgestellter Faserstrang (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,dass mindestens ein Faserstrang (5) auf einen Wickelrahmen (1), welcher in einem Innen¬bereich (8) hohl ausgebildet ist, gewickelt ist, wobei der Wickelrahmen (1) an einer außenumlaufenden Kante Fortsätze, insbesondere Zähne (4), aufweist, und dass der Wickelrah¬men (1) eine Vorderseite (7) und eine Rückseite (19) aufweist, wobei auf der Vorderseite (7) und/oder auf der Rückseite (19) des Wickelrahmens (1) ein flächiger Bereich aus demFaserstrang (5) ausgebildet ist, wobei der Faserwerkstoffrohling (30) durch den flächigenBereich ausgebildet ist.
2. 2. Faserwerkstoffrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang (5) unidirektional orientiert und/oder omnidirektional orientiert auf dem Wickelrahmen (1)aufgewickelt ist.
3. 3. Faserwerkstoffrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dasszwischen den Faserstrangabschnitten des Faserwerkstoffrohlings (30), die sich über denInnenbereich (8) des Wickelrahmens (1) erstrecken, eine Folie eingewickelt ist, vorzugs¬weise eine thermoplastische Folie.
4. 4. Faserwerkstoffrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dasszwischen den zwei flächigen Bereichen im Innenbereich (8) zumindest abschnittsweise einKern (39) eingewickelt ist, vorzugsweise ein Kern (39) aus thermoplastischem Material, dasdurch thermisches Einwirken aufschmilzt.
5. 5. Faserwerkstoffrohling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (39) alsFormkern ausgebildet ist, beispielsweise aus einem Füllmaterial, und/oder dass der Form¬kern hohl ist.
6. 6. Faserwerkstoffrohling nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (39) als verlorener Kern ausgebildet ist, vorzugsweise aus Sand und/oder Wachs.
7. 7. Faserwerkstoffrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassder Wickelrahmen (1) als Kern (39) ausgebildet ist, wobei der Wickelrahmen (1) im Innen¬bereich (8) zumindest abschnittsweise massiv ausgebildet ist und der Wickelrahmen (1) ineinem Umformprozess aufschmilzt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Wickel¬rahmen (1) aus einem Thermoplast gebildet ist.
8. 8. Faserwerkstoffrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dasszwei Wickelrahmen (1) miteinander gekoppelt sind, vorzugsweise die zwei Wickelrahmen (1) flächig übereinander liegen.
9. 9. Faserwerkstoffrohling nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigenBereiche der zwei Wickelrahmen (1) zumindest abschnittsweise miteinander gekoppeltsind, insbesondere miteinander vernäht und/oder verklebt sind.
10. 10. Faserwerkstoffrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dassvoneinander verschiedene Faserwerkstoffe auf den Wickelrahmen (1) gewickelt sind, vor¬zugsweise aus der Gruppe der Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasernund/oder Metallfasern, wobei die insbesondere zwei voneinander verschiedenen Faser¬werkstoffe in einem ungleichen Mengenverhältnis auf den Wickelrahmen (1) gewickelt sind.
11. 11. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils für Fahrzeuge, unter Ver¬wendung eines Faserwerkstoffrohlings (30) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Faserwerkstoffrohlings (30) auf einem Wickelrahmen (1), - Einlegen des Faserwerkstoffrohlings (30) mit dem Wickelrahmen (1) in ein Umformwerk¬zeug (35), wobei der Faserwerkstoffrohling (30) vor oder während des Umformprozes¬ ses mit einem Matrixharz versehen wird und/oder mit einem aufschmelzendem Thermo¬plast versehen wird, - Umformen des Faserwerkstoffrohlings (30) zu einem Faserwerkstoffverbundbauteil (32), - Entnahme des Faserverbundwerkstoffbauteils (32).
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, insbesondere dreioder mehr aufeinander gestapelte Rahmen in das Umformwerkzeug (35) eingelegt werdenund die Faserwerkstoffrohlinge gleichzeitig umgeformt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelrahmen(1) vor und/oder während dem Umformverfahren entfernt wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass derWickelrahmen (1) durch die nach innen ziehenden Faserstränge (5) während des Umform¬verfahrens kontrahiert wird und vorzugsweise als Spannrahmen dient.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass derWickelrahmen (1) eine umlaufende Nut aufweist, wobei während des Umform Verfahrensein Niederhalter oder ein Teil des Umformwerkzeuges (35) in die Nut einfährt und den inRichtung zu dem außenliegenden Wickelrahmen (1) stehenden Teil des Faserwerkstoffroh¬lings (30) abschneidet.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass derWickelrahmen (1) während des Umformens und/oder nach dem Umformen abgeschnittenwird, vorzugsweise, wenn das Umformwerkzeug (35) noch geschlossen ist oder dass derWickelrahmen (1) nach Entnahme des geformten Faserverbundwerkstoffbauteils (32) ab¬geschnitten wird.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der überden Wickelrahmen (1) geführte Teil des Faserwerkstoffes Verschnitt ist, der vorzugsweisenicht matrixharzbehaftet ist und recycliert wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass derFaserwerkstoffrohling (30) vor, während und/oder nach der Umformung, vorzugsweise indem Umformwerkzeug (35), wärmebehandelt und/oder gehärtet wird. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen