DE102014004157B4

DE102014004157B4 - Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen an faserverstärkten Hohlprofilen mit thermoplastischer Matrix

Info

Publication number: DE102014004157B4
Application number: DE102014004157.3A
Authority: DE
Inventors: Maik Gude; Werner Hufenbach; Christian Garthaus; Bernhard Witschel; Florian Lenz
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: DE102014004157A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen (3, 4) an faserverstärkten Hohlprofilen (2) mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen (1) mittels eines Werkzeugs (31), zumindest durch folgende Schritte gekennzeichnet, – Erwärmen (6) eines Hohlprofilendabschnitts (5) des faserverstärkten Hohlprofils (2), – Aufdrücken (7) des erwärmten Hohlprofilendabschnitts (5) auf einen Formdom (8) eines Werkzeuges (31), – Ausweitung zumindest eines Hohlprofilrandteils (9) des Hohlprofilendabschnitts (5) zur Ausbildung einer Flansch-Struktur (41) auf dem Formdom (8), – Aufbringen (27) von zusätzlichem Material (11), das mit der thermoplastischen Matrix des Hohlprofils (2) kompatibel ist, auf die vorgeformte Flansch-Struktur (41) ab einem festgelegten Umfang (12) auf dem Hohlprofilendabschnitt (5) in einem geschlossenen Werkzeug (31), – Erzeugung zumindest einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Matrix des faserverstärkten Hohlprofils (2) und dem auf der Flansch-Struktur (41) aufgebrachten Material (11) zur Ausbildung des finalen Lasteinleitungs-Flansches (3, 4) und – Entformung des finalen Lasteinleitungs-Flansches (3, 4) aus dem Werkzeug (31).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen an faserverstärkten Hohlprofilen mit thermoplastischer Matrix und zugehörige Lasteinleitungs-Flansche.
Die Erfindung findet Anwendung bei der Funktionalisierung von Hohlprofilen mit meist zylindrischem Querschnitt, die aus einem Faser-Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix bestehen. Sie sind grundsätzlich für viele technische Anwendungen in Form von Maschinenbauteilen wie etwa Achsen, Wellen und Rohrleitungen geeignet. Die zugrunde hegenden Hohlprofile lassen sich zum Beispiel im Pultrusionsverfahren kontinuierlich und energieeffizient mit einer vorab definierten Faserorientierung fertigen. Sie können als Standard-Halbzeuge vorgehalten und dann passend zu dem jeweiligen Anwendungsfall individuell abgelängt werden. Für den weiteren technischen Einsatz solcher Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofile sind allerdings noch passende Lasteinleitungssysteme erforderlich, die sich bei möglichst beliebiger Länge des Halbzeuges einfach und kostengünstig anbringen lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt die vorteilhafte und neuartige Ausgestaltung einer integralen Flansch-Struktur aus faserverstärktem Thermoplast, die diese Anforderungen erfüllt.
Die Flansch-Struktur ermöglicht die Aufnahme und Einleitung von axialen Lasten, Biegemomenten und insbesondere Torsionsmomenten in die lastfernübertragende Faserverbundstruktur bei weitgehendem Verzicht auf artfremde Werkstoffe wie etwa Stahl oder Titan, wie in 1 gezeigt ist.
Im Stand der Technik sind viele Lasteinleitungssysteme in Faserverbund-Hohlstrukturen bekannt, die flanschförmig ausgebildet sind. Sehr oft sind das metallische Flansche, die über unterschiedliche Prinzipien an weitgehend zylindrische Faserverbund-Hohlprofile angebracht sind.
Des Weiteren sind bereits einige integrale Faserverbund-Flansche bekannt, bei denen die Fasern aus dem Rohrbereich umgelenkt und gegebenenfalls über Zuschnitte oder metallische Teile verstärkt werden. Das ist nach dem gegenwärtigen Wissensstand jedoch nur für Faserverbundstrukturen mit duroplastischen Harzsystemen wie etwa Epoxid-, Polyester- oder Vinylesterharze erfolgt. Im Allgemeinen sind komplizierte Vorform-Operationen wie eine Flanschformung bei Verwendung von Duroplasten recht aufwändig und nur begrenzt automatisierbar. Die Verwendung von Standard-Halbzeugen beliebiger Länge, die einen signifikanten Kostenvorteil mit sich bringt, ist stark eingeschränkt. Außerdem verhindert das gemeinhin sehr spröde Werkstoffverhalten von Duroplasten einen belastbaren Übergang von endlosfaserverstärkten zu kurzfaserverstärkten Bauteilbereichen, so dass eine endkonturidentische Urformung nur sehr schwer zu realisieren ist. Das hat weitere Fertigungsschritte und damit Zeit- und Kostenaufwand zur Folge.
Nach dieser übergreifenden Einordnung und Bewertung wird im Folgenden konkret auf bekannte Faserverbund-Strukturen eingegangen, gegen die eine Abgrenzung erfolgt.
Aus den Druckschriften DE 44 14 384 A1 und DE 199 06 618 A1 ist es bekannt, eine Faserverstärkung auf weitgehend zylindrischen Werkzeugsystemen abzulegen und diese Faserverstärkung dann an den Enden aufzuspreizen und einen Flansch zu formen. Wegen der dabei erfolgenden Ausdünnung des Materials kann es erforderlich sein, z. B. ringförmige Verstärkungslagen mit einzulegen. Die Handhabung der trockenen Fasern und der Aufdickungen ist aufwändig, da sie keinen festen Zusammenhalt aufweisen,
In zahlreichen Druckschriften CN 1916477 A , DE 20 58 016 A , DE 3608754 C2 , DE 4442268 C1 , US 2009/0308477 A1 , EP 0413677 A1 , WO 1998020263 A1 wird ein Flansch bei der Faserablage vorgeformt und dann in nachfolgenden Schritten ausgeformt. Das passiert meist unter Anbringen von zusätzlichen Verstärkungslagen. Entweder erfolgt dieser Vorgang im „nassen” Zustand (also unter Verwendung bereits harzgetränkter Fasern) oder im „trockenen” Zustand, also unter Verwendung trockener Fasern, die in einem nachgeordneten Infiltrationsprozess mit Harz getränkt werden. Eine für eine Einleitung von Torsionslasten vorteilhafte Faserorientierung stellt sich nicht „von selbst” ein.
In den Druckschriften DE 4014400 A1 , EP 0307112 B1 , US 5724715 A werden faserverstärkte Flanschbauteile und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben, die einen relativ günstigen Faserwinkelverlauf (im Hinblick auf die Einleitung von Torsionsmomenten) aufweisen. Der Fertigungsablauf ist aber jeweils stark unterschiedlich und erfordert aufwändige manuelle Aktionen (Stülpen) oder eine wenig produktive automatisierte Fertigung (Stülpen im Flechtprozess). Es werden nur die Flanschbauteile selbst gefertigt, die dann wiederum am eigentlichen Wellenkörper angebracht werden müssen. Die hierzu erforderliche Verbindungstechnik bedingt eine ungünstige Einbuße des Leichtbaugrads für das Gesamtbauteil.
In der Druckschrift DE 19 538 360 C1 ist eine Antriebswelle beschrieben, die über einen im Spritzgieß-Prozess angebrachten Flansch verfügt. Auch hier kann grundsätzlich ein Rohrhalbzeug zur Anwendung kommen. In der Druckschrift DE 19 538 360 C1 kommt ein zur Gänze kurzfaserverstärkter Thermoplast-Flansch zum Einsatz, der über in das Faserverbundrohr vorab spanend eingebrachte Bohrungen einen Hinterschnitt ausbildet. Die Fasern des Hohlrohres werden also nicht aus der regulären zylindrischen Form ausgeformt.
In der Druckschrift JP S 63 239 037 A ist ein Kunstharz-Saugrohr für einen Motor und dessen Herstellung beschrieben, wobei ein gebogenes Rohr durch Formen hergestellt wird. Das gebogene Rohr hat eine Wanddicke, die unter Berücksichtigung der Deformation dick genug gemacht wird. Das gebogene Rohr dient als Kern in einer Spritzgießform mit funktionellen Seiten-Formungsflächen. Das Kunstharzmaterial wird in die Spritzgießform, in einem Raum zwischen der Spritzgießform und dem gebogenen Rohr, eingetragen. Das eingespritzte Kunstharzmaterial wird integral an die Außenseite des Führungsteils geschweißt, um ein Flanschteil an einem Ende und eine Belüftungsleitung und ein passendes Gewindeteil an einem gebogenen Teil zu bilden.
Ein aus faserverstärktem Verbundmaterial hergestelltes Bauteil ist in der Druckschrift DE 11 2011 101 876 T5 beschrieben, wobei das Bauteil umfasst:

– eine Struktur, in der ein Skelettbauteil, das durch ein erstes Spritzgießverfahren ausgeformt ist und das aus einem ersten thermoplastischen Harz, das durch eine in dem ersten thermoplastischen Harz enthaltene kontinuierliche Faser verstärkt ist, hergestellt ist, und
– ein Bauteil, das das Skelettbauteil bedeckt und das aus einem zweiten thermoplastischen Harz, das mit dem ersten thermoplastischen Harz verschweißbar ist, hergestellt ist, durch ein zweites Spritzgießverfahren integriert sind.

Von der Firma CENTA Kirschey ist ein Prototyp einer Faserverbund-Antriebswelle bekannt, bei dem eine vorrangig aus kurzfaserverstärkter Thermoplast-Spritzgussmasse bestehende Ausgleichsscheibe zum Einsatz kommt. Diese ist aber auf eine verzahnte metallische Hülse aufgespritzt, die wiederum in den Faserverbund-Wellenkörper eingeklebt wird. Hier sind aufwändige Klebvorbehandlungsschritte nötig, die übertragbare Axialkraft ist recht gering und die Belastbarkeit wegen der Abwesenheit von verbindenden Verstärkungsfasern zwischen Wellenkörper und Ausgleichsscheibe insgesamt eher niedrig.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen an faserverstärkten Hohlprofilen mit thermoplastischer Matrix anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, dass Lasten (axiale Kräfte, Drehmomente und/oder gegebenenfalls Biegemomente) werkstoff- und kraftflussgerecht in gerichtet faserverstärkte Hohlprofil-Halbzeuge übertragen werden, wobei die Ausbildung der Lasteinleitungen bei beliebiger Länge des Halbzeuges an den Enden der Halbzeug-Zuschnitte erfolgen können muss. Dabei soll eine weitgehend automatisierbare fertigungstechnologische Umsetzung ermöglicht sein.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen an faserverstärkten Hohlprofilen mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen mittels eines Werkzeugs
weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
zumindest folgende Schritte auf:

– Erwärmen eines Hohlprofilendabschnitts des faserverstärkten Hohlprofils,
– Aufdrücken des erwärmten Hohlprofilendabschnitts auf einen Formdom eines Werkzeuges,
– Aufweitung zumindest eines Hohlprofilrandteils des Hohlprofilendabschnitts zur Ausbildung einer Flansch-Struktur auf dem Formdom,
– Aufbringen von zusätzlichem Material, das mit der thermoplastischen Matrix des Hohlprofils kompatibel ist, auf die vorgeformte Flansch-Struktur ab einem festgelegten Umfang auf dem Hohlprofilendabschnitt in einem geschlossenen Werkzeug,
– Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Matrix des faserverstärkten Hohlprofils und dem auf der Flansch-Struktur aufgebrachten Material zur Ausbildung des finalen Lasteinleitungs-Flansches und
– Entformung des finalen Lasteinleitungs-Flansches aus dem Werkzeug.

Durch die Verpressung insbesondere textilverstärkter Strukturbereiche kann zudem noch ein formschlüssiger Verbindungsanteil entstehen.
Die Erwärmung des Hohlprofilendabschnitts kann z. B. mit einer Außenheizung vor dem Aufdrücken des Hohlprofilendabschnitts oder mit einer im Konus befindlichen Innenheizung während des Aufdrückens durchgeführt werden.
Bei der Aufweitung des Hohlprofilrandteils entsteht eine Reduktion der Wandstärke bzw. Verdünnung/Verjüngung der ursprünglichen Hohlprofilstärke D zumindest im Bereich des Hohlprofilrandteils.
Das Aufbringen des zusätzlichen Materials auf die Flansch-Struktur kann durch das Anspritzen/Anpressen einer faserverstärkten Spritzgussmasse oder einer Pressmasse durchgeführt werden.
Des Weiteren kann das Aufbringen von zusätzlichem Material durch Einlegen von faserverstärkten Thermoplast durchgeführt werden.
Als zusätzliches Material kann mindestens ein faserverstärkter Thermoplast-Ring oder eine den Hohlprofilrandteil verstärkende Pressmasse umlaufend im inneren Bereich des Hohlprofilrandteils eingesetzt werden.
Die Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung aller Kontaktpartner kann auch durch Verpressen erreicht werden. Zudem können durch Mikro-Verzahnungen auf Faserebene auch formschlüssige Anteile in der Kraftübertragung erreicht werden. Dies ist insbesondere bei textilen Verstärkungen gegeben.
Durch die Wahl der Heizungstemperatur T der eingesetzten Heizungen kann der Scherwinkel der Fasern während der Herstellung des Lasteinleitungs-Flansches innerhalb der Ausbildung der Flansch-Struktur eingestellt werden.
Die Flansch-Struktur kann z. B. mit Hilfe eines über der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials geheizten Konus mit der Heiztemperatur T unterhalb der Zersetzungstemperatur T_Z mit folgender Beziehung: Erstarrungstemperatur T_E < Heiztemperatur T < Zersetzungstemperatur T_Z, ausgeformt werden, wobei die Fasern zum Außenrand der Flansch-Struktur geschert werden und zunehmend steilere Winkel 65° bis 85° gegenüber den Winkeln von 40° bis 65° im übrigen Hohlprofilendabschnitt bezogen auf die Hohlprofillängsachse annehmen, wobei im Übergangsbereich des Hohlprofilendabschnitts der Bereich des Scherwinkels 40° bis 85° beträgt.
Der Konus kann auch weniger stark beheizt werden, wobei sich im faserverstärkten Hohlprofil die Fasern winkelbezogen weniger stark scheren, wobei die Faserorientierung näher am Ausgangszustand verbleibt, wobei die Flansch-Struktur mit Hilfe eines unterhalb der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials geheizten Konus liegenden Heiztemperatur T mit folgender Beziehung: Heiztemperatur T < Erstarrungstemperatur T_E, ausgeformt wird, wobei die Fasern zum Außenrand der Flansch-Struktur gerichtet weniger stark geschert werden und die Winkel 40° bis 60° gegenüber den Winkeln von 40° bis 50° im übrigen Hohlprofilendabschnitt bezogen auf die Hohlprofillängsachse annehmen, wobei im Übergangsbereich der Bereich des Scherwinkels 40° bis 60° beträgt.
Dazu kann ein mit einer Innenheizung versehener, temperierter Konus eingesetzt werden.
Es kann auch ein elastisch erweiterbarer Konus eingesetzt werden, mit dem wahlweise die Strukturen/Scherwinkel der Fasern in jeweiligen Bereichen des Hohlprofilendabschnitts des faserverstärkten Hohlprofils in den Bereichen der Flansch-Struktur vorgegeben variabel eingestellt werden können.
Der erfindungsgemäße Lasteinleitungs-Flansch an einem Faser-Kunststoff-Verbund mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen, hergestellt mit dem vorgenannten Verfahren, besteht zumindest aus

– einem Hohlprofilendabschnitt,
– einem erweiterten Hohlprofilrandteil des Hohlprofilendabschnitts,
– einem Anspritzteil/Pressteil, das vom Hohlprofilrandteil aus bis zu einem vorgegebenen Umfangs-Bereich des Hohlprofilendabschnitts angelagert ist und zumindest teilweise den bearbeiteten Hohlprofilendabschnitt überlagert, wobei
– eine zumindest stoffschlüssige Verbindung des Kontaktes des bearbeiteten Hohlprofilendabschnitts und des Anspritzteils/Pressteils ausgebildet ist.

Durch die Verpressung insbesondere textilverstärkter Strukturbereiche kann zudem noch ein formschlüssiger Verbindungsanteil entstehen.
Das faserverstärkte Hohlprofil mit thermoplastischer Matrix kann rohrförmig ausgebildet sein.
Das Anspritzteil/Pressteil kann vorzugsweise mit funktionalen Elementen insbesondere mit Verschraubungs-Bohrlöchern versehen sein.
Dabei kann durch die Temperierung von Aufweit-Dorn/Formdom/Konus die Faserorientierung beeinflusst und etwa günstig für die Einleitung von Torsionslasten ausgeführt werden. So wird – im Gegensatz zu den bekannten Flanschen mit duroplastischer Matrix – eine werkstoff- und beanspruchungsgerechte Lasteinleitungsstruktur bei neuartigem und signifikant verbessertem Automatisierungsgrad mit sehr kurzen Taktzeiten erzeugt. Neben dem Aufweiten des Flansches mit einem temperierten Konus kann aber auch mit einem elastisch erweiterbaren Konus gearbeitet werden. Dann werden die Fasern vorrangig aufgefächert und weniger geschert.
Eventuell auftretender Materialmangel am Auslauf des Konus kann mit einer faserverstärkten Spritzgussmasse oder Pressmasse ausgeglichen werden, so dass ein endkonturgenaues Bauteil entsteht. Dabei können auch Funktionsflächen wie etwa Lagersitze mit umgeformt werden. Weitere sonstige Fertigungsschritte wie das spanende Ausfertigen eines Flansch-Randes können entfallen.
Wesentlich ist die Umformung der Enden von gerichtet faserverstärkten Hohlprofilen mit dem Ziel der Ausbildung eines Flansches oder von Flanschstutzen, in den/denen Axial- und Biegelasten, aber insbesondere Torsionsmomente eingeleitet werden können. Hierbei erlaubt das Umformvermögen der verwendeten Hohlprofil-/Rohr-Halbzeuge meistens nur eine begrenzte Durchmessererweiterung. Die Faserorientierung kann dabei ohne weiteren Aufwand vorteilhaft ausgeführt werden, allerdings nimmt die Wandstärke mit steigendem Durchmesser ab.
Um einen hochbelastbaren Flansch zu erzeugen, muss somit ab einem gewissen Durchmesser zusätzliches Material, das mit der thermoplastischen Matrix des Hohlprofils/-rohres kompatibel ist, aufgebracht werden. Das geschieht über das Einlegen von faserverstärkten Thermoplast-Ringen und/oder das Anspritzen/Anpressen einer faserverstärkten Formmasse. Durch die Erwärmung aller Kontaktpartner auf eine ausreichende Temperaturhöhe kann eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden.
Die Herstellung gliedert sich in Kurzfassung dabei in die Prozessschritte

– Hohlprofilendbereich erwärmen,
– auf temperierten Formdom aufpressen,
– vorgeformte Flansch-Struktur auf einen Dom mit faserverstärkten Thermoplast-Ringen oder Pressmasse aufdrücken,
– verpressen,
– entformen.

Weitere vorteilhafte Prozessabfolgen sind möglich, etwa unter Verwendung von Spritzgussmasse.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und des Flansches sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand mehrerer Zeichnungen beschrieben.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung eines als Antriebswelle 1 ausgebildeten Faser-Thermoplast-Verbund(FTV)-Hohlprofils 2 mit beidendseitigen Lasteinleitungs-Flanschen 3, 4 gezeigt, wobei 1a eine Querschnitt-Darstellung A-A eines der Lasteinleitungs-Flansche 4 in einer ersten Form in Bezug auf die Antriebswelle 1 und in einer zweiten Form in Bezug auf die Herstellung des Flansches 4 nach 2 angegeben ist.
2 zeigt eine mögliche technologische Umsetzung der beschriebenen Erfindung, bei der das Aufweiten und das Flansch-Anformen in einer Prozessabfolge erfolgen, wobei in 2 eine schematische Darstellung des Fertigungsprozesses eines Flansches 4 mit den Schritten: Erwärmen, Aufweiten und Werkzeug schließen, Anspritzen und Entformen, wobei
2a den Schritt des Erwärmens 6 des Hohlprofilendabschnitts 5 des faserverstärkten Hohlprofils 2 vor dem Aufdrücken 7 auf einen Formdom/Konus 8 als Werkzeuginnenteil,
2b den Schritt des Aufdrückens 7 des erwärmten Hohlprofilendabschnitts 5 und Aufweiten 26 des Hohlprofilrandteils 9 sowie Heranführen eines Werkzeugaußenteils 29 an den endaufgeweiteten und domgestützten erwärmten Hohlprofilendabschnitt 5,
2c den Schritt des Schließens 30 des Werkzeuges 31 durch Anlegen des Werkzeugaußenteils 29 zumindest auf den erwärmten Hohlprofilendabschnitt 5 und den Schritt des Anspritzens 20 von Spritzgussmasse an den Hohlprofilendabschnitt 5 und
2d den Schritt des Entformens des erkalteten Lasteinleitungs-Flansches 4 nach Öffnen des Werkzeuges 31 sowie eine schematische seitliche Darstellung auf den Lasteinleitungs-Flansch 4 mit Verschraubungs-Bohrlöchern 14 gemäß 1a
zeigen.
In 3 sind beispielhafte Ausgestaltungen des Flansches 4 dargestellt, wobei
3a einen Flansch 4 mit angespritztem Anteil 11 von Pressmasse,
3b einen Flansch 4 mit angepressten FTV-Ringen 22, 23, 24 und
3c einen Flansch 4 mit angepressten FTV-Ringen 22, 23, 24 einschließlich einer kurzfaserverstärkten Pressmasse 25 oder Spritzgussmasse zeigen.
In 4 sind schematische Darstellungen von Schritten zur Herstellung der Flansch-Struktur 41 mit einem oberhalb der Erstarrungstemperatur T_E des Matrixmaterials temperierten Konus 8 und daraus resultierende Faserorientierungen an der Flansch-Struktur 41 gezeigt, wobei beim Erwärmen die Erstarrungstemperatur T_E des Matrixmaterials kleiner als die eingestellte Heiztemperatur T und diese wiederum kleiner als die Zersetzungstemperatur T_Z des Matrixmaterials ist und wobei
4a einen Konus 8 mit einer Heizung zur Erwärmung 6 des Hohlprofilendabschnitts 5 während des Aufdrückens 7,
4b den über den Konus 8 durch Aufdrücken 7 aufgebrachten Hohlprofilendabschnitt 5 mit erweitertem Hohlprofilrandteil 9 und
4c die Flansch-Struktur 41 mit der eingetretenen Faserscherung in der Endphase des Aufdrückens 7, wobei ein maximaler Scherwinkel von 85° der Fasern 16 im Hohlprofilrandteil 9 zur Hohlprofillängsachse 15 ausgebildet ist, zeigen.
In 5 sind in anderen schematischen Darstellungen Schritte zur Herstellung der Flansch-Struktur 41 mit einem unterhalb der Erstarrungstemperatur T_E des Matrixmaterials temperierten Konus 8 und daraus resultierende Faserorientierungen an der Flansch-Struktur 41 gezeigt, wobei die eingestellte Heiztemperatur T kleiner als die Erstarrungstemperatur T_E des Matrixmaterials ist, und wobei
5a einen erwärmten Konus 8 mit einer Innenheizung 13 zur Erwärmung des Hohlprofilendabschnitts 5 während des Aufdrückens 7 versehen ist,
5b den über den erwärmten temperierten Konus 8 während des Aufdrückens 7 aufgebrachten Hohlprofilendabschnitt 5 mit erweitertem Hohlprofilrandteil 9 und
5c die Flansch-Struktur 41 mit der eingetretenen Faserscherung in der Endphase des Aufdrückens 7, wobei ein maximaler Scherwinkel von 60° der Fasern 16 des Hohlprofilrandteils 9 zur Hohlprofillängsachse 15 ausgebildet ist, zeigen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Flansch-Struktur beinhalten das Beilegen und Anpressen von Faser-Thermoplast-Verbund-(FTV-)Ringen, die eine gerichtete Lang- oder Endlosfaser-Verstärkung bieten, wie in 3 gezeigt ist.
Beim Aufweiten des FTV-Hohlprofiles 2 kann über die Temperaturführung 6 des Konus 8 das Verhalten des Fasermaterials beeinflusst bzw. gesteuert werden. 4c zeigt den schematischen Faserverlauf an einer Flansch-Struktur 41, die mit Hilfe eines über der Erstarrungstemperatur T des thermoplastischen Matrixmaterials temperierten Konus 8 mit der Heiztemperatur T unterhalb der Zersetzungstemperatur T_Z mit folgender Beziehung: Erstarrungstemperatur T_E < Heiztemperatur T < Zersetzungstemperatur T_Z, ausgeformt wird. Die Fasern 16 zum Außenrand 17 des Konus 8 werden dabei stark geschert und nehmen zunehmend steilere Winkel 65° bis 85° gegenüber den Winkeln von 40° bis 65° im übrigen Hohlprofilendabschnitt 5 bezogen auf die Hohlprofillängsachse 15 an. Im Übergangsbereich 18 beträgt der Bereich des Scherwinkels 40° bis 85°.
In 5 wird der Konus 8 weniger stark beheizt, wodurch sich in Folge im FTV-Hohlprofil 2 die Fasern 16 weniger stark scheren. Die Faserorientierung verbleibt näher am Ausgangszustand. Das zeigt 5c, in der der schematische Faserverlauf an einer Flansch-Struktur 41, die mit Hilfe eines unter der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials geheizten Konus 8 mit der Heiztemperatur T mit folgender Beziehung: Heiztemperatur T < Erstarrungstemperatur T_E, ausgeformt wird. Die Fasern 16 zum Außenrand 17 des Konus 8 werden dabei weniger stark geschert und nehmen die Winkel 40° bis 60° gegenüber den Winkeln von 40° bis 50° im übrigen Hohlprofilendabschnitt 5 bezogen auf die Hohlprofillängsachse 15 an. Im Übergangsbereich 18 beträgt der Bereich des Scherwinkels ebenfalls 40° bis 60°.
Das Hohlprofil 2 besteht aus einem Faser-Thermoplast-Verbund, also einer Kombination aus Verstärkungsfasern (z. B. Glasfasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern) und einem thermoplastischen Matrixmaterial (z. B. PA, PPA, PPS, PEEK). Die Orientierung der Fasern 16 kann an die Belastungen des jeweiligen Anwendungsfalls angepasst werden. Bei vorwiegend zug- und druckbelasteten Profilen 2 sind die Verstärkungsfasern 16 vorwiegend axial orientiert. Bei vorwiegend torsionsbelasteten Profilen 2 sind die Verstärkungsfasern 16 vorwiegend im Winkel von ±45° orientiert. Die Profile 2 können kontinuierlich in z. B. einem Pultrusionsverfahren oder diskontinuierlich in z. B. einem Schlauchblasverfahren hergestellt werden. Sie können einen konstanten, aber auch einen über die Länge des Profils 2 variierenden Querschnitt aufweisen.
Es kann eine zusätzliche Armierung des Hohlprofils vorgenommen werden.
Es besteht die Möglichkeit, das Hohlprofil 2 im Bereich des Lasteinleitungsbereiches mit zusätzlichen Lagen (nicht eingezeichnet) zu verstärken, so dass ein Versagen in den ungestörten Bereich des Profils 2 verlagert wird, wodurch die Tragfähigkeit des Profils 2 voll ausgeschöpft werden kann. Die Lagen können in der Aufheizphase der Integration des Lasteinleitungselements mit aufgewärmt und während des Anspritzvorgangs stoffschlüssig mit dem Hohlprofil 2 verbunden werden.
Im Folgenden wird die eingesetzte Spritzgussmasse näher charakterisiert: Die Spritzgussmasse kann dem Matrixmaterial des Hohlprofils 2 entsprechen. Je nach Materialkombination kann die Spritzgussmasse stoffschlüssig an die thermoplastische Matrix des Hohlprofils 2 anbinden.
Das Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen 3, 4 an einem faserverstärkten Hohlprofil 2 mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen 1 mittels eines Werkzeugs 31 weist zumindest im Wesentlichen folgende Schritte auf:

– Erwärmen 6 eines Hohlprofilendabschnitts 5 des faserverstärkten Hohlprofils 2,
– Aufdrücken 7 des erwärmten Hohlprofilendabschnitts 5 auf einen Formdom 8 eines Werkzeuges 31,
– Ausweitung zumindest eines Hohlprofilrandteils 9 des Hohlprofilendabschnitts 5 zur Ausbildung einer Flansch-Struktur 41 auf dem Formdom 8, wobei die Hohlprofilstärke D zumindest im Bereich des Hohlprofilrandteils 9 eine Reduktion 10 der Wandstärke erfährt,
– Aufbringen 27 von zusätzlichem Material 11, das mit der thermoplastischen Matrix des Hohlprofils 2 kompatibel ist, auf das vorgeformte Flansch-Halbzeug 41 ab einem festgelegten Umfang 12 auf dem Hohlprofilendabschnitt 5 in einem geschlossenen Werkzeug 31,
– Erzeugung zumindest einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Matrix des faserverstärkten Hohlprofils 2 und dem auf der Flansch-Struktur 41 aufgebrachten Material 11 zur Ausbildung des finalen Lasteinleitungs-Flansches 3, 4 und
– Entformung des finalen Lasteinleitungs-Flansches 3, 4 aus dem Werkzeug 31.

Die Erwärmung des Hohlprofilendabschnitts 5 kann mit einer Außenheizung 21 vor dem Aufdrücken 7 des Hohlprofilendabschnitts 5 oder mit einer im Konus 8 befindlichen Innenheizung 13 während des Aufdrückens 7 durchgeführt werden.
Eine Bestimmung der Reduktion der Wandstärke bzw. der Verjüngung 10 des Hohlprofilrandteils 9 der vorgeformten Flansch-Struktur 41 kann gegebenenfalls durchgeführt werden.
Dabei kann ein Vergleich zwischen dem Ausgangs-Durchmesser D_R des Hohlprofils 2 und dem nach der Durchmessererweiterung bestimmten Durchmesser D_E des Hohlprofilrandteils 9 zur Bestimmung der Verjüngung 10 und der aufzubringenden Spritzgussmasse oder Pressmasse des zusätzlichen Materials 11 durchgeführt werden.
Das Aufbringen 27 von zusätzlichem Material 11 auf die Flansch-Struktur 41 kann durch das Anspritzen/Anpressen 20 einer faserverstärkten Spritzgussmasse oder einer Pressmasse durchgeführt werden.
Des Weiteren kann das Aufbringen 27 von zusätzlichem Material 11 durch Einlegen von faserverstärkten Thermoplast-Ringen 22, 23, 24 durchgeführt werden.
Als zusätzliches Material 11 kann mindestens ein faserverstärkter Thermoplast-Ring 22, 23, 24 oder eine den Hohlprofilrandteil 9 verstärkende Pressmasse 25 umlaufend im inneren Bereich des Hohlprofilrandteils 9 eingesetzt werden. Die unterstützende Pressmasse 25 dient im Wesentlichen zur Füllung der dort vorhandenen Hohlräume.
Die Erzeugung einer finalen stoffschlüssigen Verbindung der jeweiligen Kontaktpartner 9, 10, 22, 23, 24, 25 aus einer formschlüssigen Verbindung kann durch eine Erwärmung aller zutreffenden, eine formschlüssige Verbindung aufweisenden Kontaktpartner 9, 10, 22, 23, 24, 25 erreicht werden.
Der Formdom/Konus 8 kann, wie in 5 gezeigt ist, andererseits auch eine Innenheizung 13 mit einer vorgegebenen Heiztemperatur T aufweisen, mit der der Hohlprofilendabschnitt 5 in Richtung vom Hohlprofilrandteil 9 aus während des Aufdrückens 7 erwärmt werden kann und dabei das Hohlprofilrandteil 9 erweitert.
Durch die Wahl der Heizungstemperatur T der eingesetzten Heizungen 13 oder 21 kann der Scherwinkel der Fasern 16 während der Herstellung des Lasteinleitungs-Flansches 3, 4 innerhalb Ausbildung der Flansch-Struktur 41 eingestellt werden.
Die Flansch-Struktur 41 kann z. B. mit Hilfe eines über der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials geheizten Konus 8 mit der Heiztemperatur T unterhalb der Zersetzungstemperatur T_Z mit folgender Beziehung: Erstarrungstemperatur T_E < Heiztemperatur T < Zersetzungstemperatur T_Z, ausgeformt werden, wobei die Fasern 16 zum Außenrand 17 des Flansch-Halbzeuges 41 geschert werden und zunehmend steilere Winkel 65° bis 85° gegenüber den Winkeln von 40° bis 65° im übrigen Hohlprofilendabschnitt 5 bezogen auf die Hohlprofillängsachse 15 annehmen, wobei im Übergangsbereich 18 des Hohlprofilendabschnitts 5 der Bereich des Scherwinkels 40° bis 85° beträgt.
Der Konus 8 kann auch weniger stark beheizt werden, wobei sich im FTV-Hohlprofil 2 die Fasern 16 winkelbezogen weniger stark scheren, wobei die Faserorientierung näher am Ausgangszustand verbleibt, wobei das Flansch-Halbzeug 41 mit Hilfe eines unterhalb der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials liegenden Heiztemperatur T geheizten Konus 8 mit folgender Beziehung: Heiztemperatur T < Erstarrungstemperatur T_E, ausgeformt wird, wobei die Fasern 16 zum Außenrand 17 der Flansch-Struktur 41 gerichtet weniger stark geschert werden und die Winkel 40° bis 60° gegenüber den Winkeln von 40° bis 50° im übrigen Hohlprofilendabschnitt 5 bezogen auf die Hohlprofillängsachse 15 annehmen, wobei im Übergangsbereich 18 der Bereich des Scherwinkels 40° bis 60° beträgt.
Dazu kann ein mit einer Innenheizung 13 versehener, temperierter Konus 8 eingesetzt werden.
Es kann auch ein elastisch erweiterbarer Konus 8 eingesetzt werden, mit dem wahlweise die Strukturen/Scherwinkel der Fasern 16 in jeweiligen Bereichen 9, 10, 18, 19 des Hohlprofilendabschnitts 5 dem faserverstärkten Hohlprofil 2 in den Bereichen der Flansch-Struktur 41 vorgegeben/variabel eingestellt werden können.
Der erfindungsgemäße Lasteinleitungs-Flansch 3, 4 an einem faserverstärkten Hohlprofil 2 mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen 1, hergestellt mit dem vorgenannten Verfahren, besteht zumindest aus

– einem Hohlprofilendabschnitt 5,
– einem erweiterten Hohlprofilrandteil 9 des Hohlprofilendabschnitts 5,
– einem Anspritzteil/Pressteil 11, das vom Hohlprofilrandteil 9 aus bis zu einem vorgegebenen Umfangs-Bereich 12 des Hohlprofilendabschnitts 5 angelagert ist und teilweise den bearbeiteten Hohlprofilendabschnitt 5 überlagert, wobei
– zumindest eine stoffschlüssige Verbindung des Kontaktes des bearbeiteten Hohlprofilendabschnitts 5 und des Anspritzteils/Pressteils 11 ausgebildet ist.

Das faserverstärkte Hohlprofil 2 mit thermoplastischer Matrix kann rohrförmig ausgebildet sein.
Das angebrachte Anspritzteil/Pressteil 11 kann zur Angleichung und Verstärkung der verjüngten Hohlprofilwanddicke D_JW an die Hohlprofilwanddicke D_RW des restlichen Hohlprofilendabschnitts 5 vorgesehen sein.
Das Anspritzteil/Pressteil 11 kann vorzugsweise mit funktionalen Elementen, insbesondere mit Verschraubungs-Bohrlöchern 14 versehen sein.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und des hergestellten erfindungsgemäßen Lasteinleitungs-Flansches bestehen in

– der Verwendung von endlos gefertigten und damit kostengünstigen Halbzeugen,
– einer Fertigung beliebiger Längen der Thermoplast-Hohlprofil-Strukturen ohne zusätzliche Werkzeugkosten,
– einer belastungs- und kraftflussgerecht einstellbaren Faserorientierung im Lasteinleitungsbereich während der schnellen und effizienten Umformung ohne zusätzliche Verfahrensschritte,
– einem automatisierbaren Prozess mit sehr kurzen Taktzeiten,
– einen Prozess, in dem zusätzliche Funktionsbereiche wie etwa Lagersitze mit ausgebildet (bzw. angespritzt) werden können, wobei eine weitere Bearbeitung von Funktions-Hohlprofilen mit Flanschen vermieden wird,
– einem stoffgleichen System aus flansch- und lasttragender Hohlprofilstruktur, wobei auch Vorteile hinsichtlich Kontaktkorrosion und thermisch induzierten Spannungen in Folge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten auftreten.

Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle/Funktions-Hohlstruktur
2: Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil/faserverstärktes Hohlprofil
3: Erster Lasteinleitungs-Flansch
4: Zweiter Lasteinleitungs-Flansch
41: Flansch-Struktur
5: Hohlprofilendabschnitt
6: Schritt Erwärmen
7: Schritt Aufdrücken
8: Formdom/Konus
9: Hohlprofilrandteil
10: Verjüngung/Wandreduktion
11: Anspritzteil/Pressteil
12: Umfang/Umfangsbereich
13: Innenheizung
14: Verschraubungs-Bohrloch
15: Hohlprofillängsachse
16: Faser/Verstärkungsfaser
17: Außenrand der Flansch-Struktur
18: Übergangsbereich der Flansch-Struktur
19: Hohlprofillängsbereich
20: Schritt Anspritzen
21: Außenheizung
22: Erster Thermoplast-Ring
23: Zweiter Thermoplast-Ring
24: Dritter Thermoplast-Ring
25: Innere Pressmasse
26: Schritt Aufweiten
27: Schritt Aufbringen
28: Schritt Verpressen
29: Werkzeugaußenteil
30: Schritt Schließen
31: Werkzeug
D_R: Ausgangs-Hohlprofildurchmesser
D_E: erweiteter Hohlprofildurchmesser
D_JW: verjüngte Hohlprofilwanddicke
D_RW: Ausgangs-Hohlprofilwanddicke

Claims

Verfahren zur Herstellung von Lasteinleitungs-Flanschen (3, 4) an faserverstärkten Hohlprofilen (2) mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen (1) mittels eines Werkzeugs (31), zumindest durch folgende Schritte gekennzeichnet, – Erwärmen (6) eines Hohlprofilendabschnitts (5) des faserverstärkten Hohlprofils (2), – Aufdrücken (7) des erwärmten Hohlprofilendabschnitts (5) auf einen Formdom (8) eines Werkzeuges (31), – Ausweitung zumindest eines Hohlprofilrandteils (9) des Hohlprofilendabschnitts (5) zur Ausbildung einer Flansch-Struktur (41) auf dem Formdom (8), – Aufbringen (27) von zusätzlichem Material (11), das mit der thermoplastischen Matrix des Hohlprofils (2) kompatibel ist, auf die vorgeformte Flansch-Struktur (41) ab einem festgelegten Umfang (12) auf dem Hohlprofilendabschnitt (5) in einem geschlossenen Werkzeug (31), – Erzeugung zumindest einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Matrix des faserverstärkten Hohlprofils (2) und dem auf der Flansch-Struktur (41) aufgebrachten Material (11) zur Ausbildung des finalen Lasteinleitungs-Flansches (3, 4) und – Entformung des finalen Lasteinleitungs-Flansches (3, 4) aus dem Werkzeug (31).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Hohlprofilendabschnitts (5) mit einer Außenheizung (21) vor dem Aufdrücken (7) des Hohlprofilendabschnitts (5) oder mit einer im Konus (8) befindlichen Innenheizung (13) während des Aufdrückens (7) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Reduktion der Wandstärke und Verjüngung (10) des Hohlprofilrandteils (9) der vorgeformten Flansch-Struktur (41) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen (27) von zusätzlichem Material (11) auf die Flansch-Struktur (41) durch das Anspritzen/Anpressen (20) einer faserverstärkten Spritzgussmasse oder einer Pressmasse durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen (27) von zusätzlichem Material (11) durch Einlegen von faserverstärkten Thermoplast-Ringen (22, 23, 24) durchgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Material (11) mindestens ein faserverstärkter Thermoplast-Ring (22, 23, 24) und/oder eine den Hohlprofilrandteil (9) verstärkende Pressmasse (25), umlaufend im inneren Bereich des Hohlprofilrandteils (9), eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung aller Kontaktpartner (9, 10, 22, 23, 24, 25) durch Verpressen (28) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl der Heizungstemperatur T der Scherwinkel der Fasern (16) während der Herstellung des Lasteinleitungs-Flansches (3, 4) innerhalb der Flansch-Struktur (41) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansch-Struktur (41) mit Hilfe eines über der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials geheizten Konus (8) mit der Heiztemperatur T unterhalb der Zersetzungstemperatur T_Z mit folgender Beziehung: Erstarrungstemperatur T_E < Heiztemperatur T < Zersetzungstemperatur T_Z, ausgeformt wird, wobei die Fasern (16) zum Außenrand (17) der Flansch-Struktur (41) geschert werden und zunehmend steilere Winkel 65° bis 85° gegenüber den Winkeln von 40° bis 65° im übrigen Hohlprofilendabschnitt (5) bezogen auf die Hohlprofillängsachse (15) annehmen, wobei im Übergangsbereich (18) des Hohlprofilendabschnitts (5) der Bereich des Scherwinkels 40° bis 85° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus (8) weniger stark beheizt wird, wobei sich im faserverstärkten Hohlprofil (2) die Fasern (16) winkelbezogen weniger stark scheren, wobei die Faserorientierung näher am Ausgangszustand verbleibt, wobei die Flansch-Struktur (41) mit Hilfe eines unterhalb der Erstarrungstemperatur T_E des thermoplastischen Matrixmaterials liegenden Heiztemperatur T geheizten Konus (8) mit folgender Beziehung: Heiztemperatur T < Erstarrungstemperatur T_E, ausgeformt wird, wobei die Fasern (16) zum Außenrand (17) der Flansch-Struktur (41) weniger stark geschert werden und die Winkel 40° bis 60° gegenüber den Winkeln von 40° bis 50° im übrigen Hohlprofilendabschnitt (5) bezogen auf die Hohlprofillängsachse (15) annehmen, wobei im Übergangsbereich (18) der Bereich des Scherwinkels 40° bis 60° beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Innenheizung (13) versehener, temperierter Konus (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisch erweiterbarer Konus (8) eingesetzt wird, mit dem wahlweise die Strukturen/Scherwinkel der Fasern (16) in jeweiligen Bereichen (9, 10, 18, 19) des Hohlprofilendabschnitts (5) des faserverstärkten Hohlprofils (2) in den Bereichen der Flansch-Struktur (41) vorgegeben variabel eingestellt werden.
Lasteinleitungs-Flansch (3, 4) an faserverstärkten Hohlprofilen (2) mit thermoplastischer Matrix für Funktions-Hohlstrukturen (1), hergestellt mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, zumindest bestehend aus – einem Hohlprofilendabschnitt (5), – einem erweiterten Hohlprofilrandteil (9) des Hohlprofilendabschnitts (5), – einem Anspritzteil/Pressteil (11), das vom Hohlprofilrandteil (9) aus bis zu einem vorgegebenen Umfangs-Bereich (12) des Hohlprofilendabschnitts (5) angelagert ist und zumindest teilweise den bearbeiteten Hohlprofilendabschnitt (5) überlagert, wobei – zumindest eine stoffschlüssige Verbindung des Kontaktes des bearbeiteten Hohlprofilendabschnitts (5) und des Anspritzteils/Pressteils (11) ausgebildet ist.
Lasteinleitungs-Flansch nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Hohlprofil (2) mit thermoplastischer Matrix rohrförmig ausgebildet ist.
Lasteinleitungs-Flansch nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anspritzteil/Pressteil (11) mit funktionalen Elementen, insbesondere mit Verschraubungs-Bohrlöchern (14) versehen ist.