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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Preform aus einem flächigen, ebenen Faserhalbzeug, wobei die Preform zumindest teilweise eine mehrfach gekrümmte Bauteilgeometrie eines herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist.
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Faserverbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit aufzuweisen, aus vielen Anwendungsbereichen kaum mehr wegzudenken. Insbesondere kritische Strukturelemente im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit des Werkstoffes bei minimalem Gewicht immer öfter aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Übergeordnetes Ziel hierbei ist es, durch eine höhere Fertigungsautomatisierung die Stückzahlen zu erhöhen und die Kosten für die Herstellung zu senken. Hierfür ist in der Regel eine sehr hohe Prozesssicherheit erforderlich.
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In der Regel werden bei der Herstellung von Faserverbundbauelementen zwei Herstellungsverfahren unterschieden, bei denen entweder trockene Halbzeuge mit einem Matrixharz getränkt und anschließend ausgehärtet werden oder bereits vorimprägnierte Halbzeuge (sogenannte Prepregs) in die gewünschte Bauteilform gebracht und dann ausgehärtet werden. In beiden Fällen muss jedoch das Halbzeug (trocken oder vorimprägniert) in eine Form gebracht werden, die der späteren Bauteilform zumindest teilweise entspricht.
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Während dieses sogenannten Preformens (auch Preforming genannt), bei dem das Halbzeug in eine Form gebracht wird, die der späteren Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils zumindest teilweise entspricht, wird in der Regel auf das Halbzeug eine mechanische Kraft ausgeübt, die das Halbzeug in die vorgegebene Preform (gewünschte Bauteilform) bringen soll.
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Eine Möglichkeit des Preformens von flächigen, ebenen Faserhalbzeugen ist das Drapieren des Faserhalbzeuges auf einem Formwerkzeug. Das Formwerkzeug weist dabei eine formgebende Oberflächenstruktur auf, die mit der späteren Bauteilgeometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils korrespondiert und dieser entspricht. Durch das Drapieren des Faserhalbzeuges formschlüssig auf der formgebenden Oberflächenstruktur des Formwerkzeuges nimmt das Faserhalbzeug die Form der formgebenden Oberflächenstruktur an, so dass das flächige, ebene Faserhalbzeug die herzustellende Preform angenommen hat. Nicht selten wird dieser Schritt insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien, die zwei oder mehrfach gekrümmt sind, händisch durchgeführt, um Faserstauchungen bzw. Faserfaltungen innerhalb des Faserhalbzeuges zu vermeiden.
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Neben dieser Art des Preformens sind auch maschinelle Verfahren bekannt, bei denen die ebenen, flächigen Faserhalbzeuge mittels geeigneter Werkzeuge verschert und umgeformt werden. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 008 329 A1 eine Preform-Vorrichtung bekannt, die eine Schervorrichtung aufweist, um so das flächige Faserhalbzeug in der Ebene zu verscheren. Das Verscheren des Halbzeuges erfolgt dabei mittels einer konisch geformten Walze, wodurch sich an dem Umfang verschiedene Umfanggeschwindigkeiten ausbilden, die dann zu einer Verscherung des Faserhalbzeuges führen.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2012 101 706 A1 ist des Weiteren eine Preform-Vorrichtung zur Herstellung einer gekrümmten Preform bekannt, bei der zwei rotierende Walzkörper vorgesehen sind, die in Walzrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese beiden Walzkörper weisen jeweils unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeiten auf, so dass aufgrund der daraus resultierenden Umlaufgeschwindigkeitsdifferenz der beiden Walzen eine Verscherung des Faserhalbzeuges erreicht wird. Mit Hilfe der Walzen wird im Übrigen das Faserhalbzeug während des Verschervorgangs gleichzeitig umgeformt, so dass sich eine mehrfach gekrümmte Preform herstellen lässt.
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Ein Nachteil hierbei ist es, dass solche Verfahren, die gleichzeitig verscheren und umformen, recht langsam sind und darüber hinaus nicht die notwendige Prozesssicherheit aufweisen, da sich der Verschervorgang nur sehr schwer kontrollieren lässt. Insbesondere im Bereich der Automobilindustrie als auch im Bereich der Luft- und Raumfahrt werden jedoch sehr enge Toleranzen gefordert, die in einem automatisierten Herstellungsprozess mit berücksichtigt werden müssen. Es ist daher notwendig, die Parameter des Verschervorganges prozesssicher zu gestalten.
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Aus der
EP 1 342 554 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge aus textilen Halbzeugen bekannt, bei dem mittels einer Webtechnik eine Vororientierung der Fasern erreicht werden soll, um sodann das textile Halbzeug auf einer Umformwalze umzuformen.
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Aus der
EP 2 505 706 A1 ist eine Drapiervorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe von konisch geformten Walzen, zwischen denen das textile Halbzeug geführt wird, ein Verscheren der textilen Halbzeuge erreicht wird.
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Aus der
DE 10 2010 031 604 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung konfektionierter textiler Strukturen bekannt, bei dem textile Halbzeuge mittels eines Corrugatorverfahrens in eine dreidimensionale Bauteilgeometrie gebracht werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Preformen flächiger Faserhalbzeuge anzugeben, mit dem der Prozessschritt des Preformens insbesondere vor dem Hintergrund einer Prozessautomation prozesssicher gestaltet werden kann.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt (Schritt a)) ein verschertes Faserhalbzeug aus dem flächigen, ebenen Faserhalbzeug hergestellt wird, indem das flächige, ebene Faserhalbzeug zunächst vollständig verschert wird, indem eine Formveränderung in der Ebene des Faserhalbzeuges, ohne dass das Faserhalbzeug aus der flächigen Ebene herauskommt, herbeigefügt wird.
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Anschließend wird das vollständig verscherte Faserhalbzeug dann in einem zweiten Schritt (Schritt b)) umgeformt, so dass die Preform mit einer mehrfach gekrümmten Bauteilgeometrie hergestellt wird.
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Erfindungsgemäß wird das Umformen des vollständig verscherten Faserhalbzeuges in Schritt b) durch Tiefziehen mittels eines Tiefziehwerkzeuges durchgeführt. Ein solches Tiefziehen kann beispielsweise mit Hilfe eines Stempels erfolgen, so dass sich die Form des Faserhalbzeuges nicht mehr flächig und eben ist.
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Hierdurch wird erreicht, dass durch die Aufteilung des gesamten Preformprozesses in einem Verscherprozess und in einem Umformprozess, die getrennt voneinander durchgeführt werden, die Prozesssicherheit wesentlich erhöht werden kann, da nunmehr mittels geeigneter Werkzeuge die einzelnen Prozessschritte gezielt unter Einhaltung der notwendigen Toleranzen durchführbar wird.
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Unter dem vollständigen Verscheren in Schritt a) wird verstanden, dass der Verschervorgang in Schritt a) mit dem Faserhalbzeug vollständig abgeschlossen sein muss, bevor zum Umformvorgang in Schritt b) übergegangen wird. Dabei kann im Umformvorgang im Wesentlich keine Verscherung erfolgen.
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Darüber hinaus kann durch die beiden separat kontrollierbaren Prozessschritte die Herstellungsgeschwindigkeit sowie der Automatisierungsgrad erhöht werden, da die Einzelschritte für sich wesentlich besser kontrollierbar sind.
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Unter dem Begriff „Verscheren“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeiten eines ebenen, flächigen Faserhalbzeuges derart verstanden, dass das Faserhalbzeug in der Faserebene gezogen oder gestaucht wird. Hierbei wird die Faserorientierung meist so verändert, dass Fasern einer Richtung nicht mehr zwangsläufig im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind (eine sogenannte Evolvente) oder diese nicht mehr im Wesentlichen geradlinig vorliegen. Das Verscheren führt dabei zu einer Formänderung in der Ebene des Faserhalbzeuges, ohne dass das Faserhalbzeug aus seiner flächigen Ebene herauskommt oder diese verlässt.
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Demgegenüber wird unter dem Begriff „Umformen“ der Prozessschritt verstanden, bei dem das Faserhalbzeug aus einer flächigen Ebene heraus verformt wird, so dass sich eine dreidimensionale Preform ergibt. Beim Umformen liegt die Krümmungsachse in der Regel parallel zur Faserebene, während beim Verscheren eine mögliche Krümmungsachse senkrecht zu der Faserebene steht. Es ist daher vorteilhaft, wenn das vollständige Verscheren des flächigen, ebenen Faserhalbzeuges in Schritt a) durch Krümmen des Faserhalbzeuges um eine oder mehrere, senkrecht zu der Faserebene liegende Krümmungsachsen erfolgt. Hierdurch lassen sich beispielsweise in der Faserebene liegende Krümmungen erreichen, ohne dass der flächige, ebene Charakter des Faserhalbzeuges beeinträchtigt wird.
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Vorteilhafterweise wird das vollständige Verscheren des Faserhalbzeuges mit Hilfe einer Verschervorrichtung durchgeführt, so dass ein kontrolliertes Verscheren erreicht wird. Eine derartige Verschervorrichtung kann beispielsweise zwei gegenüberliegende konische Scherwalzen aufweisen, die ein kontrolliertes Verscheren des ebenen, flächigen Faserhalbzeuges ermöglichen.
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Denkbar ist auch, dass das Umformen des vollständig verscherten Faserhalbzeuges in Schritt b) durch Krümmen um eine oder mehrere, parallel zu der Faserebene liegende Krümmungsachse mittels eines Krümmungswerkzeuges erfolgt. Ein solches Krümmen kann beispielsweise mit Hilfe einer Roboterkinematik oder entsprechend angeordneten Rollwerkzeugen durchgeführt werden.
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Denkbar ist allerdings auch, dass das vollständig verscherte Faserhalbzeug in Schritt b) durch Drapieren des vollständig verscherten Faserhalbzeuges auf einer gekrümmten Werkzeugoberfläche umgeformt wird. Die Werkzeugoberfläche korrespondiert dabei mit der Bauteilgeometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils, so dass auch hier durch das Drapieren des vollständig verscherten Faserhalbzeuge die Preform mittels Umformen herstellbar wird.
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Vorteilhafterweise erfolgt vor dem ersten Preformschritt ein Zuschneiden des Faserhalbzeuges zur Bereitstellung des ebenen, flächigen Faserhalbzeuges. Ein solches Zuschneiden kann beispielsweise mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges erfolgen, dem bahnförmige Faserhalbzeuge zugeführt werden. Durch den Zuschnitt entstehen dabei separate, ebene und flächige Faserhalbzeuge.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das flächige, ebene Faserhalbzeug eine rechteckige Grundfläche mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite auf, wobei das flächige, ebene Faserhalbzeug in Schritt a) durch Krümmen des Faserhalbzeuges um eine senkrecht zu der Faserebene liegende Krümmungsachse derart verschert wird, dass die erste Seite (Außengurt) des vollständig verscherten Faserhalbzeuges einen größeren Radius als die gegenüberliegende zweite Seite (Innengurt) aufweist. Anschließend wird dieses so in der Faserebene gekrümmte bzw. verscherte Faserhalbzeug dann an zumindest einer der Seiten so umgeformt, dass sich ein gekrümmtes Profil als Preform ergibt.
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So lassen sich mit diesem Verfahren beispielsweise gekrümmte Z-Profile, L-Profile oder U-Profile erstellen, in denen beispielsweise eine oder beide Seiten umgeknickt bzw. abgewinkelt werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – schematischer Ablauf des Preformens eines flächigen, ebenen Faserhalbzeuges;
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2 – Schnitt durch die hergestellte Preform.
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1 zeigt schematisch den Ablauf des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Ausgangsschritt wird ein flächiges, ebenes Faserhalbzeug 1 zugeschnitten und bereitgestellt. Der Zuschnitt wird dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Größe der herzustellenden Preform durchgeführt. Hergestellt werden soll eine Preform, die ein Z-Profil aufweist, das längs um eine Krümmungsachse gekrümmt ist.
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Im ersten Schritt a) wird das flächige Faserhalbzeug 1 mit Hilfe einer Verschervorrichtung, beispielsweise zwei gegenüberliegende konische Scherwalzen, zwischen denen das flächige Faserhalbzeug 1 durchläuft, verschert. Dabei erfolgt im Schritt a) ein vollständiges Verscheren des bereitgestellten flächigen, ebenen Faserhalbzeuges 1, ohne dass während des Verschervorganges weitere Umformprozesse durchgeführt werden. Das Ergebnis des ersten Schrittes a) ist ein vollständig verschertes Faserhalbzeug 2.
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Dieses so hergestellte, vollständig verscherte Faserhalbzeug 2 wird nun dem zweiten Prozessschritt b) zugeführt, bei dem das verscherte Faserhalbzeug 2 zu der gewünschten Preform umgeformt wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird dabei der Außengurt 3a des vollständig verscherten Faserhalbzeuges 2 nach vorne umgeformt, während der Innengurt 3b nach hinten umgeknickt wird, so dass sich im Profil ein Z-Profil ergibt. Dieser Umformprozess in dem Schritt b) kann beispielsweise mit Hilfe eines Tiefziehwerkzeuges durchgeführt werden, bei dem ein Stempel das vollständig verscherte Faserhalbzeug 2 in die gewünschte Form presst. Im Ergebnis entsteht so eine Preform 3, die eine mehrfach gekrümmte Bauteilgeometrie aufweist.
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In 2 ist dabei der Schnitt A-A durch die hergestellte Preform zu erkennen, wobei das Profil hier ein Z-Profil ist. Hierbei wurde der Außengurt 3a in eine andere Richtung umgeformt als der Innengurt 3b.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- flächiges, ebenes Faserhalbzeug
- 2
- verschertes Faserhalbzeug
- 3
- herzustellende Preform
- 3a
- Außengurt
- 3b
- Innengurt
