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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1 sowie einen Spannrahmen zum Einspannen einer Fasermatte gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Verfahren und Spannrahmen der hier angesprochenen Art sind als solche bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 000 822 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils hervor, bei dem ein Faservorform-Halbzeug gemeinsam mit herausnehmbaren Werkzeugeinsätzen in einem Vorformwerkzeug angeordnet und zu einer Faservorform umgeformt wird. Anschließend wird die Vorform gemeinsam mit den Werkzeugeinsätzen in ein Formwerkzeug eingelegt und dort mit einem Harz-Härter-Gemisch infiltriert. Die Werkzeugeinsätze dienen dabei in den Werkzeugen einer Temperierung des Faservorform-Halbzeugs beziehungsweise der Vorform, wobei sie die Vorform während eines Transports zu dem Formwerkzeug schützen. Das Verfahren verhält sich nicht zu der Frage, wie ein Materialeinzug des Faservorform-Halbzeugs in dem Vorformwerkzeug beeinflusst oder gesteuert werden kann. Typischerweise sind bei anderen bekannten Verfahren zu diesem Zweck Spannrahmen vorgesehen. Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2010 041 179 B4 geht ein Spannrahmen hervor, bei dem eine Fasermatte zwischen unebene Berührflächen zweier Spannrahmenteile eingespannt werden kann. Eine Spannkraft zwischen den Spannrahmenteilen ist einstellbar, sodass ein Materialeinzug in ein Vorformwerkzeug mithilfe des Spannrahmens beeinflusst werden kann. Solche Spannrahmen sind typischerweise einem Werkzeug fest zugeordnet und bestimmungsgemäß nicht von dem Werkzeug lösbar. Dies gilt auch für andere bekannte Niederhaltereinrichtungen, die fest an einem Werkzeug vorgesehen sind. Insoweit wird im Rahmen bekannter Herstellverfahren typischerweise eine Fasermatte in einem Spannrahmen angeordnet, der fest einem Vorformwerkzeug zugeordnet ist. Die Fasermatte wird in dem Vorformwerkzeug drapiert, wobei ein Faserhalbzeug als Vorform erzeugt wird. Anschließend wird das Faserhalbzeug aus dem Spannrahmen entnommen und in ein Formwerkzeug eingelegt, wo schließlich das Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff aus dem Faserhalbzeug erzeugt wird. Nachteilig hierbei ist, dass das Faserhalbzeug nach dem Entnehmen aus dem Spannrahmen vergleichsweise biegeschlaff ist, sodass während des Transports zu dem Formwerkzeug Beschädigungen an dem Faserhalbzeug beziehungsweise der Vorform auftreten können. Außerdem ist es nicht möglich, eine hochgenaue Positionierung oder Ausrichtung des Faserhalbzeugs in dem Formwerkzeug zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Spannrahmen zu schaffen, mithilfe dessen die genannten Nachteile vermieden werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Auch im Rahmen dieses Verfahrens wird zunächst eine Fasermatte in einem Spannrahmen angeordnet, und die Fasermatte wird in einem Vorformwerkzeug drapiert, wobei ein Faserhalbzeug als Vorform erzeugt wird. Anschließend wird jedoch nicht das Faserhalbzeug dem Spannrahmen entnommen, sondern es wird vielmehr der Spannrahmen gemeinsam mit dem Faserhalbzeug aus dem Vorformwerkzeug entnommen. Der Spannrahmen wird dann gemeinsam mit dem Faserhalbzeug in ein Formwerkzeug eingelegt, und es wird ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff aus dem Faserhalbzeug in dem Formwerkzeug erzeugt. Das Faserhalbzeug beziehungsweise die Vorform wird also nach ihrer Herstellung nicht aus dem Spannrahmen entnommen, sondern vielmehr gemeinsam mit diesem zu dem Formwerkzeug verlagert und in dieses eingelegt. Hierdurch wird eine automatische Handhabung des biegeschlaffen Faserhalbzeugs und zugleich ein hochgenaues, reproduzierbares Einlegen desselben in das Formwerkzeug ermöglicht. Beschädigungen werden vermieden, weil nicht unmittelbar das Faserhalbzeug gehandhabt wird, sondern vielmehr der Spannrahmen, in welchen dieses eingespannt ist. Der Spannrahmen seinerseits ist nicht dem Formwerkzeug fest zugeordnet, sondern mobil und jedenfalls zwischen dem Formwerkzeug und dem Vorformwerkzeug verlagerbar, wobei er in beide einlegbar und in beiden hochgenau positionierbar ist.
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Es ist möglich, dass im Rahmen des Verfahrens eine einlagige oder eine mehrlagige Fasermatte verwendet wird. Die einzelnen Lagen der Fasermatte können dabei als Gestrick, Gewebe, Gelege, Gewirk, als Wirrfaservlies oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Fasermatte Endlosfasern auf. Die Fasermatte ist bevorzugt bebindert, insbesondere mit einem Bindermaterial getränkt und/oder von einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix umgeben. Es ist möglich, dass eine Fasermatte verwendet wird, die Kunststofffasern, Kohlefasern, Metallfasern, insbesondere Stahlfasern, Glasfasern, Naturfasern und/oder andere geeignete Fasern aufweist. Bevorzugt weist die Fasermatte Faserbündel solcher Fasern, sogenannte Rovings, auf.
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Weist die Fasermatte mehrere Lagen auf, können die einzelnen Lagen im Wesentlichen lose aufeinandergelegt oder miteinander vernäht oder in sonstiger Weise miteinander verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die Einzellagen miteinander mehr oder weniger lose verklebt sind.
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Die Fasermatte wird vorzugsweise derart in dem Spannrahmen angeordnet, dass dieser sie entlang eines Umfangs umgreift. Insbesondere wird die Fasermatte bevorzugt von dem Spannrahmen umfänglich eingespannt. Dabei wird vorzugsweise ein einstellbarer Spannrahmen verwendet, dessen Spannkräfte – vorzugsweise lokal variabel – einstellbar sind. Insbesondere ist mithilfe des Spannrahmens vorzugsweise eine Materialspannung in der Fasermatte einstellbar, besonders bevorzugt lokal variierbar Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass die Fasermatte zunächst in den außerhalb des Vorformwerkzeugs angeordneten Spannrahmen eingespannt wird, wonach der Spannrahmen dann mit der Fasermatte in das Vorformwerkzeug eingelegt wird. Alternativ ist es möglich, dass der Spannrahmen bereits in das Vorformwerkzeug eingelegt ist, wobei die Fasermatte in den bereits in das Vorformwerkzeug eingelegten Spannrahmen eingespannt wird.
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In dem Vorformwerkzeug wird durch Drapieren bevorzugt eine auch als Prepreg bezeichnete Vorform hergestellt. Diese wird anschließend in dem Formwerkzeug bevorzugt einem Nasspressen oder einem sogenannten RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) unterzogen, wobei das Faserhalbzeug mit einem Harz-Härter-Gemisch infiltriert wird, welches im Formwerkzeug ausgehärtet wird.
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Wichtig ist, dass das Faserhalbzeug nach dem Drapieren und der Herstellung der Vorform in dem Spannrahmen eingespannt bleibt, wobei der Spannrahmen gemeinsam mit dem darin eingespannten Faserhalbzeug aus dem Vorformwerkzeug entnommen und in das Formwerkzeug eingelegt wird. Im Anschluss an das Erzeugen des Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff in dem Formwerkzeug wird das Bauteil bevorzugt aus dem Spannrahmen entnommen. Auf diese Weise wird schließlich das Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff erhalten.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Materialeinzug der Fasermatte während des Drapierens durch den Spannrahmen beeinflusst wird. Hierzu werden vorzugsweise mithilfe des Spannrahmens Rückhaltekräfte in die Fasermatte eingeleitet, sodass dieselbe beim Drapieren unter Vorspannung in eine Kavität des Vorformwerkzeugs nachrutschen kann. Der Materialeinzug wird dabei mithilfe des Spannrahmens bevorzugt lokal variabel eingestellt, wobei insbesondere lokal variable Rückhaltekräfte durch den Spannrahmen auf die Fasermatte aufgebracht werden. Insbesondere durch die lokal variable Beeinflussung des Materialeinzugs beim Drapieren ist es möglich, Drapierfehler, insbesondere eine Faltenbildung und/oder eine Scherung der Fasern zu vermeiden.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Vorformwerkzeug durch den Spannrahmen abgedichtet wird. Alternativ oder zusätzlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der das Formwerkzeug durch den Spannrahmen abgedichtet wird. Vorzugsweise weist wenigstens eines der im Rahmen des Verfahrens verwendeten Werkzeuge ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, die relativ zueinander in einer Offenstellung und in eine Schließstellung gebracht werden können, wobei die beiden Werkzeugteile in ihrer Schließstellung miteinander eine Kavität einschließen. Im Falle des Vorformwerkzeugs wird die Fasermatte in der Kavität drapiert. Im Falle des Formwerkzeugs wird das Faserhalbzeug in der Kavität nassgepresst oder mit einem Harz-Härter-Gemisch infiltriert. Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise ein Spannrahmen verwendet, der eine integrierte Dichtung aufweist, durch welche die Kavität abdichtbar ist. Insbesondere ist die Kavität mithilfe der integrierten Dichtung vorzugsweise gegen Harz oder ein Harz-Härter-Gemisch und/oder gegenüber Unterdruck, insbesondere Vakuum, abdichtbar.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Fasermatte in dem Vorformwerkzeug durch den Spannrahmen in einer vorherbestimmten Position angeordnet wird. Alternativ oder zusätzlich wird das Faserhalbzeug bevorzugt in dem Formwerkzeug durch den Spannrahmen in einer vorherbestimmten Position angeordnet. Insbesondere wird die Position des Faserhalbzeugs oder der Fasermatte in den Werkzeugen durch den Spannrahmen festgelegt. Hierzu ist es möglich, dass an dem Spannrahmen wenigstens eine Positionsmarke, beispielsweise ein Vorsprung und/oder eine Ausnehmung, vorgesehen ist, die mit wenigstens einer entsprechenden Positionsmarke, beispielsweise einer Ausnehmung und/oder einem Vorsprung, an dem Werkzeug korrespondiert. Die Positionsmarken sind vorzugsweise so vorgesehen, dass eine eindeutige Positionierung des Spannrahmens in dem Werkzeug erfolgt. Dadurch kann eine reproduzierbare Einlegeposition für das Faserhalbzeug und/oder die Fasermatte durch die Ausrichtung des Spannrahmens im Werkzeug erreicht werden.
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Es zeigt sich, dass der Spannrahmen im Rahmen des Verfahrens vorzugsweise die Funktionen einer Steuerung des Materialeinzugs, einer Dichtung einer Werkzeugkavität und einer Positionierung der Fasermatte und/oder des Faserhalbzeugs übernimmt. Hierdurch ergibt sich für das Vorformwerkzeug und/oder für das Formwerkzeug eine vereinfachte Werkzeugkonstruktion, da das Werkzeug jeweils nur eingeschränkte Funktionen, insbesondere die Funktion eines Umformens und/oder Imprägnierens übernehmen muss. Die Auslagerung von Funktionalität auf den mobilen Spannrahmen begünstigt also eine einfache und damit auch kostengünstige Werkzeuggestaltung.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Spannrahmen durch wenigstens einen Roboter von dem Vorformwerkzeug in das Formwerkzeug transferiert wird. Dabei ist es möglich, dass der wenigstens eine Roboter eine Entnahme des Spannrahmens aus dem Vorformwerkzeug, einen Transport zu dem Formwerkzeug, und/oder ein Einlegen in das Formwerkzeug übernimmt. Vorzugsweise ist für alle diese Schritte genau ein Roboter vorgesehen, wobei in besonders einfacher Weise eine vollständig austomatisierte Prozesskette möglich wird. Dies ist insbesondere deswegen möglich, weil der Spannrahmen und nicht etwa alleine biegeschlaffe und gegebenenfalls mit Harz getränkte Halbzeuge transportiert werden. Es ist möglich, dass zwischen dem Vorformwerkzeug und dem Formwerkzeug eine Transporteinrichtung vorgesehen ist. Insbesondere ist in diesem Fall möglich, dass ein erster Roboter den Spannrahmen aus dem Vorformwerkzeug entnimmt und an die Transporteinrichtung übergibt. Ein zweiter Roboter übernimmt den Spannrahmen von der Transporteinrichtung und legt ihn in das Formwerkzeug ein. Als Transporteinrichtung kann ein Transportband, ein Hängeförderer, ein weiterer Roboter oder eine andere geeignete Vorrichtung verwendet werden. Insbesondere sind auch nur zwei Roboter, mehr als zwei, oder auch genau drei Roboter möglich, wobei bevorzugt der Spannrahmen von Roboter zu Roboter weitergereicht wird. Besonders günstig und einfach ist das Verfahren allerdings durchführbar, wenn genau ein Roboter vorgesehen ist, der die Entnahme aus dem Vorformwerkzeug, den Transport zu dem Formwerkzeug und das Einlegen in dasselbe übernimmt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Spannrahmen zum Einspannen einer Fasermatte zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Der Spannrahmen zeichnet sich dadurch aus, dass er mobil ausgebildet und eingerichtet ist zum Transport eines Faserhalbzeugs, wobei der Spannrahmen in einem Vorformwerkzeug und in einem Formwerkzeug anordenbar ist. Der Spannrahmen ist also nicht einem der Werkzeuge, insbesondere nicht dem Vorformwerkzeug, fest zugeordnet und bestimmungsgemäß nicht von diesem entfernbar, sondern vielmehr im Gegenteil mobil ausgebildet, zum Transport eines Faserhalbzeugs verwendbar und in beide Werkzeuge einlegbar. Dadurch ist es möglich, die Fasermatte und das Faserhalbzeug während aller Verfahrensschritte, insbesondere während des Drapierens und während des Infiltrierens in ein- und demselben Spannrahmen zu halten, und das Faserhalbzeug darüber hinaus auch in diesem Spannrahmen zu transportieren. Der Spannrahmen ist dabei vorzugsweise sowohl in das Vorformwerkzeug als auch in das Formwerkzeug einlegbar, besonders bevorzugt in einer genau definierten, vorherbestimmten Position in den Werkzeugen anordenbar. Hierzu weist der Spannrahmen vorzugsweise wenigstens eine Positionsmarke, besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Positionsmarken zum positionsgenauen Einlegen auf. Die Positionsmarke kann als Vorsprung oder als Ausnehmung ausgebildet sein. Dabei ist vorzugsweise an wenigstens einem der Werkzeuge eine komplementäre Positionsmarke, insbesondere ein komplementärer Vorsprung oder eine komplementäre Ausnehmung, vorgesehen, sodass ein Vorsprung an dem Spannrahmen in eine Ausnehmung an dem Werkzeug, oder ein Vorsprung an dem Werkzeug in eine Ausnehmung an dem Spannrahmen eingreifen kann, um die Position des Spannrahmens an dem Werkzeug vorzugeben.
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Der Spannrahmen weist außerdem vorzugsweise einen Halte- oder Griffbereich auf, der eingerichtet ist, um mit einem Transportmittel, beispielsweise mit einem Roboter, zusammenzuwirken, sodass das Transportmittel an dem Halte- oder Griffbereich angreifen kann, um den Spannrahmen zu transportieren.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Spannrahmens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dieser ein erstes Spannrahmenteil und ein zweites Spannrahmenteil aufweist, wobei eine Fasermatte zwischen dem ersten Spannrahmenteil und dem zweiten Spannrahmenteil einspannbar ist. Der Spannrahmen ist dabei vorzugsweis in einer Ebene geteilt, in welcher auch die Fasermatte angeordnet wird. In montiertem Zustand werden die Spannrahmenteile aufeinandergepresst, wobei sie die Fasermatte einspannen und zugleich Rückhaltekräfte in diese einleiten, sodass der Materialeinzug der Fasermatte beim Drapieren beeinflusst wird.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Spannrahmens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Spannrahmen wenigstens ein Rückhaltemittel aufweist, wobei das Rückhaltemittel eingerichtet ist zur Einstellung eines Materialeinzugs der Fasermatte beim Drapieren. Vorzugsweise ist das Rückhaltemittel als unebener Berührungsbereich der Spannrahmenteile ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, dass der Spannrahmen eine Mehrzahl unebener Berührungsbereiche aufweist. Ein solcher unebener Berührungsbereich weist vorzugsweise an einem der Spannrahmenteile einen Vorsprung und an dem anderen Spannrahmenteil eine zu dem Vorsprung korrespondierende Ausnehmung, insbesondere eine Nut, auf. Wird das Faserhalbzeug an dem Spannrahmen eingespannt, greift der Vorsprung in die Ausnehmung ein und beaufschlagt so das darin eingeklemmte Fasermaterial mit einer Klemm- oder Rückhaltekraft. Ein solcher unebener Berührungsbereich ist quasi als Ziehsicke ausgebildet, wobei das Fasermaterial in der Ziehsicke geklemmt wird. Der Spannrahmen weist auf diese Weise quasi ein integriertes Niederhaltesystem auf. Die von dem Spannrahmen aufgebrachten Rückhaltekräfte sind dabei bevorzugt lokal variabel. Insbesondere sind vorzugsweise lokal variable Klemmkräfte in das Fasermaterial einleitbar.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Spannrahmens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dieser wenigstens ein Dichtelement aufweist, das eingerichtet ist zum Abdichten einer Kavität eines Vorformwerkzeugs und/oder eines Formwerkzeugs. Das Dichtelement ist bei einem Ausführungsbeispiel vorzugsweise als umlaufende Dichtung ausgebildet. Es dichtet die Kavität bevorzugt gegenüber einem Unterdruck, insbesondere Vakuum, und/oder gegenüber Harz oder einem Harz-Härter-Gemisch ab. Der Spannrahmen weist auf diese Weise eine integrierte Quetschkante zur Dichtung der Werkzeugkavität auf.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel des Spannrahmens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Spannrahmen wenigstens ein Fixierelement aufweist, das eingerichtet ist zum Verbinden der beiden Spannrahmenteile. Dabei ist das Fixierelement vorzugsweise zum Aufbringen einer einstellbaren Klemmkraft ausgebildet. Mithilfe des Fixierelements ist es vorzugsweise möglich, die beiden Spannrahmenteile mit einer einstellbaren Klemmkraft – insbesondere lokal variabel – beaufschlagen zu können. Vorzugsweise weist der Spannrahmen eine Mehrzahl solcher Fixierelemente auf, wobei diese lokal variabel einstellbar sind. Es ist auch möglich, dass wenigstens eines der Fixierelemente ansteuerbar ist, sodass eine Klemmkraft oder Rückhaltekraft insbesondere beim Drapieren lokal und/oder zeitlich variabel ansteuerbar ist. Hierdurch ist es besonders effizient möglich, Drapierfehler, insbesondere eine Faltenbildung oder Scherung der Fasermatte, zu verhindern. In einem einfachen Fall ist es möglich, dass das Fixierelement als Schraube mit Mutter ausgebildet ist, wobei die Schraube beide Spannrahmenteile durchdringt, und wobei mithilfe der Mutter, die vorzugsweise als Flügelmutter ausgebildet ist, eine definierte Klemmkraft zwischen den Spannrahmenteilen aufgebracht werden kann.
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Der Materialeinzug kann abhängig von der Drapieraufgabe auch dadurch variiert werden, dass je nach konkreter Drapieraufgabe verschiedene Spannrahmen, insbesondere mit verschiedener Geometrie der Rückhaltemittel, insbesondere verschiedener Ziehsickengeometrie, verwendet werden.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Spannrahmens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Spannrahmens, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Spannrahmens. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Spannrahmen erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Der Spannrahmen zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal des Spannrahmens bedingt ist.
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Insbesondere ist der Spannrahmen vorzugsweise eingerichtet zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Spannrahmen verwendet, der gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spannrahmens und eines Vorformwerkzeugs, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spannrahmens 1 mit einem Vorformwerkzeug 3. Der Spannrahmen 1 ist mobil ausgebildet und eingerichtet zum Transport eines in 1 nicht dargestellten Faserhalbzeugs. Er ist in dem Vorformwerkzeug 3 anordenbar. Wie in 1 rechts in einer Detailvergrößerung näher dargestellt, weist der Spannrahmen 1 ein erstes Spannrahmenteil 5 und ein zweites Spannrahmenteil 7 auf. In den Spannrahmen 1 ist eine Fasermatte 9 einspannbar, wobei diese zwischen den Spannrahmenteilen 5, 7 angeordnet und durch diese eingeklemmt wird. Dabei definiert die Fasermatte 9 in noch nicht drapiertem Zustand eine horizontal Ebene 11, in der auch der Spannrahmen 1 in das erste Spannrahmenteil 5 und das zweite Spannrahmenteil 7 geteilt ist.
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Um einen Materialeinzug der Fasermatte 9 beim Drapieren zu steuern, weist der Spannrahmen 1 ein Rückhaltemittel 13 auf, das hier als unebener Berührungsbereich der Spannrahmenteile 5, 7 für die Fasermatte 9 ausgebildet ist. Insbesondere weist hier das erste Spannrahmenteil 5 einen Vorsprung 15 auf, der in eine entsprechend angeordnete und ausgebildete Ausnehmung 17, insbesondere eine Nut, des zweiten Spannrahmenteils 7 eingreift. Die Fasermatte 9 wird dabei von dem Vorsprung 15 in die Ausnehmung 17 gedrängt und dort geklemmt, wodurch beim Drapieren Rückhaltekräfte in die Fasermatte 9 eingeleitet werden. Diese können durch Aufbringen lokal variabler Klemmkräfte zwischen den Spannrahmenteilen 5, 7 lokal variiert werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Spannrahmen 1 erstrecken sich der Vorsprung 15 und die Ausnehmung 17 entlang eines gesamten Umfangs des Spannrahmens 1, welcher seinerseits vorzugsweise die Fasermatte 9 umfänglich umgreift. Dabei ist es möglich, dass der Spannrahmen 1 im Wesentlichen rechteckförmig, kreisförmig oder gemäß einer anderen, vorzugsweise geschlossenen Form ausgebildet ist.
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Alternativ ist es möglich, dass der Vorsprung 15 und die Ausnehmung 17 abschnittsweise entlang eines Umfangs des Spannrahmens 1 vorgesehen sind.
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Um Klemmkräfte in die Spannrahmenteile 5, 7 und damit auch in die Fasermatte 9 einleiten zu können, ist wenigstens ein Fixierelement 19 vorgesehen, welches hier die beiden Spannrahmenteile 5, 7 durchgreift. Es ist insbesondere möglich, dass das Fixierelement 19 als Gewindestift, als Schraube oder als ein ähnliches Element ausgebildet ist, welches durch eine Mutter oder ein anderes geeignetes Gegenelement an dem Spannrahmen 1 fixiert wird. Dabei ist es beispielsweise möglich, durch entsprechendes Anziehen des Gewindestifts, der Schraube oder der Mutter eine definierte Klemmkraft zwischen dem ersten Spannrahmenteil 5 und dem zweiten Spannrahmenteil 7 aufzubringen. Vorzugsweise weist der Spannrahmen 1 – entlang seines Umfangs gesehen – eine Mehrzahl solcher Fixierelemente 19 auf, wobei insbesondere durch lokal variable Einstellung der Fixierelemente 19, insbesondere lokal variables Anziehen von Schrauben, Gewindestiften oder Muttern, lokal verschiedene Klemmkräfte in den Spannrahmen 1 und damit letztlich in die Fasermatte 9 einleitbar sind. Somit ist es zugleich möglich, lokal verschiedene Rückhaltekräfte mittels des Rückhaltemittels 13 in die Fasermatte 9 einzuleiten.
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Es ist möglich, dass das Vorformwerkzeug 3 eine Ansteuereinrichtung aufweist, durch welche die verschiedenen Fixierelemente 19 insbesondere lokal und/oder zeitlich variabel ansteuerbar sind. In diesem Fall ist es möglich, die Rückhaltekräfte auch während des Drapiervorgangs lokal und/oder zeitlich variabel einzustellen. Dadurch kann eine Faltenbildung oder auch andere Verformungsfehler beim Drapieren minimiert oder sogar vermieden werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Steuerung oder Einstellung des Materialeinzugs der Fasermatte 9 über die aufgebrachten Klemmkräfte ist es auch möglich, dass eine Geometrie des Rückhaltemittels 13, insbesondere des Vorsprungs 15 und/oder der Ausnehmung 17, lokal variiert wird. Dabei können die Rückhaltekräfte sowie der Materialeinzug lokal über die Geometrie des Rückhalteelements 13 variiert werden.
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Es zeigt sich insbesondere, dass der Spannrahmen 1 als Niederhalter ausgeführt wird, wobei er eine integrierte Niederhalteeinrichtung in Form des Rückhaltemittels 13 aufweist.
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Der Spannrahmen 1 weist ein Dichtelement 21 auf, das eingerichtet ist, um das Vorformwerkzeug 3 und auch ein im Rahmen des Verfahrens später eingesetztes Formwerkzeug zu dichten. Vorzugsweise ist das Dichtelement 21 als entlang des Umfangs des Spannrahmens 1 umlaufende Dichtung ausgebildet. Dabei ist das Dichtelement 21 hier zwischen dem ersten Spannrahmenteil 5 und dem zweiten Spannrahmenteil 7 angeordnet und wird durch die zwischen diesen Spannrahmenteil 5, 7 aufgebrachten Klemmkräfte komprimiert, sodass es eine Dichtfunktion erfüllen kann. Dabei dichtet es vorzugsweise eine Werkzeugkavität gegenüber einem Entweichen von Harz oder einem Harz-Härter-Gemisch, oder zur Aufrechterhaltung eines Unterdrucks, insbesondere eines Vakuums, ab. Insoweit dient das Dichtelement 21 als in den Spannrahmen 1 integrierte Quetschkante für das Vorformwerkzeug 3 sowie bevorzugt auch für ein im Rahmen des Verfahrens nachfolgend genutztes Formwerkzeug.
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Das Vorformwerkzeug 3 weist hier ein Oberwerkzeug 23 sowie ein Unterwerkzeug 25 auf, wobei vorzugsweise das Unterwerkzeug 25 raumfest angeordnet ist, und wobei das Oberwerkzeug 23 – in 1 in vertikaler Richtung – verlagerbar gehalten ist. Jedenfalls sind das Oberwerkzeug 23 und das Unterwerkzeug 25 relativ zueinander von einer in 1 dargestellten Offenstellung, in welcher der Spannrahmen 1 in das Vorformwerkzeug 3 eingelegt werden kann, in eine Schließstellung verlagerbar, in welcher die beiden Werkezugteile eine Kavität 27 miteinander einschließen, wobei die Fasermatte 9 im Laufe der Schließbewegung des Vorformwerkzeugs 3 in der Kavität 27 drapiert wird. Es ist so in für sich genommen bekannter Weise möglich, durch Drapieren der Fasermatte 9 in dem Vorformwerkzeug 3 ein Faserhalbzeug als Vorform, insbesondere als sogenanntes Prepreg, zu erzeugen.
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Der Spannrahmen 1 ist vorzugsweise hochgenau und präzise in dem Vorformwerkzeug 3 positionierbar. Dabei ist es möglich, dass er hierfür wenigstens einen Vorsprung und/oder wenigstens eine Ausnehmung aufweist, die mit einem komplementären Vorsprung und/oder einer komplementären Ausnehmung des Vorformwerkzeugs 3 zusammenwirkt/zusammenwirken. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist allerdings an dem Vorformwerkzeug 3 sowohl in dem Unterwerkzeug 25 als auch in dem Oberwerkzeug 23 jeweils eine Aufnahmeaussparung 29 vorgesehen, wobei der Spannrahmen 1 – ohne selbst einen Vorsprung aufzuweisen – passgenau in die Aufnahmeaussparung 29 eingelegt werden kann. Auf diese Weise wird zugleich auch eine hochgenaue und reproduzierbare Positionierung der Fasermatte 9 in dem Vorformwerkzeug 3 erreicht. Eine entsprechende hochgenau und reproduzierbare Positionierung wird auf ähnliche oder identische Weise bevorzugt auch in dem in 1 nicht dargestellten Formwerkzeug erzielt.
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Insgesamt wird deutlich, dass Teilfunktionen, die üblicherweise eigentlich dem Vorformwerkzeug 3 oder einem in 1 nicht dargestellten Formwerkzeug zugeordnet sind, wie die genaue Positionierung der Fasermatte 9, die Einstellung oder Steuerung des Materialeinzugs, sowie die Dichtung der Kavität 27 hier von dem Spannrahmen 1 übernommen werden. Das entsprechende Werkzeug muss daher lediglich noch die Funktionen einer Umformung beziehungsweise Drapierung und/oder des Imprägnierens oder Infiltrierens beziehungsweise Nasspressens übernehmen. Dadurch kann das Werkzeug vereinfacht ausgebildet sein, wodurch es zugleich kostengünstiger wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In einem ersten Schritt wird die Fasermatte 9 in den Spannrahmen 1 eingespannt, wobei dies bei der hier dargestellten Ausführungsform außerhalb des Vorformwerkzeugs 3 geschieht. Anschließend wird der Spannrahmen 1 gemeinsam mit der Fasermatte 9 in das Vorformwerkzeug 3 eingelegt, vorzugsweise durch einen Roboter 31. In dem Vorformwerkzeug 3 wird die Fasermatte 9 drapiert, wobei insbesondere eine bebinderte Fasermatte 9 unter Wärmeeinwirkung zu einem dreidimensional geformten Faserhalbzeug, nämlich einer sogenannte Preform, umgeformt wird.
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Anschließend wird das Vorformwerkzeug 3 wiederum geöffnet, und der Spannrahmen 1 wird gemeinsam mit dem dann geformten Faserhalbzeug 33 aus dem Vorformwerkzeug 3 entnommen und – wie durch einen Pfeil P dargestellt – mittels einer Transporteinrichtung 35 zu einem Formwerkzeug 37 transferiert. Der Spannrahmen 1 wird sodann gemeinsam mit dem Faserhalbzeug 33 in das Formwerkzeug 37 eingelegt. Bei der hier dargestellten Ausführungsform des Verfahrens ist die Transporteinrichtung 35 als Roboter 31 ausgebildet, wobei hier alle Schritte des Entnehmens aus dem Vorformwerkzeug 3, des Transferierens zu dem Formwerkzeug 37 und des Einlegens in dasselbe durch einen einzigen Roboter 31 durchgeführt werden.
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Wichtig ist, dass das Faserhalbzeug 33 nach dem Drapieren nicht aus dem Spannrahmen 1 entnommen, sondern vielmehr gemeinsam mit diesem in das Formwerkzeug 37 eingelegt wird. Dies ermöglicht ein automatisches Handling des biegeschlaffen Faserhalbzeugs 33 und zudem ein hochgenaues, reproduzierbares Einlegen desselben in das Formwerkzeug 37.
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Das Formwerkzeug 37 ist vorzugsweise als Werkzeug zur Durchführung eines RTM-Verfahrens, insbesondere als RTM-Werkzeug (Resin Transfer Moulding), ausgebildet. Alternativ ist es möglich, dass das Formwerkzeug 37 als Werkzeug zum Nasspressen des Faserhalbzeugs 33 ausgebildet ist. Vorzugsweise wird das Faserhalbzeug in dem Vorformwerkzeug 37 mit einem Harz-Härter-Gemisch infiltriert, welches in dem Werkzeug 37 – gegebenenfalls unter Wärmeeinwirkung – ausgehärtet wird. Alternativ wird das Faserhalbzeug 33 bevorzugt in dem Formwerkzeug 37 nassgepresst.
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In 2 ist durch einen Pfeil P2 schematisch eine Infiltration des Faserhalbzeugs 33 mit einem Harz-Härter-Gemisch dargestellt.
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Insgesamt wird in dem Formwerkzeug 37 ein Bauteil 39 aus faserverstärktem Kunststoff aus dem Faserhalbzeug erzeugt. Dieses Bauteil 39 wird anschließend bevorzugt noch gemeinsam mit dem Spannrahmen 1 aus dem Formwerkzeug 37 entnommen, besonders bevorzugt durch einen Roboter 31. Anschließend wird das Bauteil 9 bevorzugt aus dem Spannrahmen 1 gelöst, wonach es einer Verwendung oder Weiterverarbeitung zugeführt werden kann. Der Spannrahmen 1 wird vorzugsweise wiederverwendet, wobei erneut eine Fasermatte 9 in ihn eingespannt wird.
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Es ist möglich, dass verschiedene Roboter für die verschiedenen in 2 dargestellten Verfahrensschritte verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein und derselbe Roboter 31 alle hier genannten Einlege-, Entnahme- und Transportschritte durchführt.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und des Spannrahmens 1 eine Handhabung eines Fasermaterials von der Fasermatte 9 bis zu dem fertigen faserverstärkten Bauteil 39 in ein- und demselben Spannrahmen 1 während des gesamten Herstellungsprozesses, insbesondere aber in dem Vorformwerkzeug 3 und dem Formwerkzeug 37, möglich ist. Hierdurch wird eine automatisierte Handhabung insbesondere des biegeschlaffen Faserhalbzeugs 33 und ein hochgenaues, reproduzierbares Einlegen bereits der Fasermatte 9 in das Vorformwerkzeug 3, aber auch des Faserhalbzeugs 33 in das Formwerkzeug 37 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012000822 A1 [0002]
- DE 102010041179 B4 [0002]
