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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils (FKV-Profil) mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Faserkunststoffverbund-Bauteile mit sogenannten Inserts (Einlegeteilen), die als Lasteinleitungselemente dienen, auszustatten. Bei den Inserts handelt es sich zumeist um Metall-, Kunststoff- oder Keramikteile, die nachträglich, typischerweise jedoch bereits bei der Herstellung des betreffenden Faserkunststoffverbund-Bauteils in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet werden, idealerweise ohne dabei die Fasern zu beschädigen. Bspw. können die Inserts in einem dem Bauteilherstellungsprozess vorausgehenden Arbeitsschritt am Verstärkungstextil, Preformling oder dergleichen befestigt und/oder direkt in das Herstellungswerkzeug (Presswerkzeug) eingelegt werden. Zum Stand der Technik wird bspw. auf die
DE 198 34 772 C2 hingewiesen.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensweisen sind für die Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts nicht oder nur bedingt geeignet.
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Die nächstliegende
DE 10 2009 056 472 A1 beschreibt ein Verbundbauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Verfahren sieht vor, dass zumindest ein endloses textiles Halbzeug sowie zumindest ein endloses metallisches Faserhalbzeug in einem Pultrusionsprozess zu einem Profil, insbesondere einem Hohlprofil, geformt werden, wobei das Profil anschließend unter Druck konsolidiert wird. Nach dem Konsolidieren wird wenigstens ein Struktur- und/oder Funktionselement aus einem thermoplastischen Kunststoff an das Profil angespritzt. Als Struktur- und/oder Funktionselement können Flansche, flächige Versteifungselemente oder Versteifungsrippen betrachtet werden. Die Flansche können auch während des Pultrusionsprozesses mit angeformt werden. In die Flansche können gegebenenfalls metallische Inserts eingepresst oder mit umspritzt werden, um beispielsweise Buchsen zum Verschrauben des Biegequerträgers mit benachbarten Komponenten bereitzustellen.
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Die
DE 10 2011 005 329 A1 beschreibt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs aus mehreren in einer Polymermatrix eingebetteten Fasern, insbesondere eines Zugträgers, welches u. a. das Spreizen eines bereitgestellten Rovings umfasst. Unter Spreizen eines Rovings wird dabei verstanden, dass der Roving in der Richtung quer zu der Förderrichtung, d. h. in der Breitenrichtung des Rovings, verbreitert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in einem kontinuierlichen, d. h. fortlaufenden Prozess aus einzelnen Fasern und/oder Rovings ein Faserstrang geformt und dann ausgehärtet wird, wobei die Inserts vor dem Aushärten in den Faserstrang eingesetzt und dann beim Aushärten in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet werden.
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Das Formen des Faserstrangs erfolgt insbesondere durch werkzeuggestütztes Zusammenführen und Ausrichten der Fasern und/oder Rovings (Faserbündel), wobei es sich um Endlosfasern bzw. Endlosrovings handelt. Als Fasern kommen insbesondere Kohlenstofffasern und Glasfasern in Betracht. Es können sowohl Voll- als auch Hohlprofile erzeugt werden. Die Inserts können zur vorgesehenen Krafteinleitung bspw. Bohrungen, Gewinde, Haken, Ösen und dergleichen aufweisen und identisch oder auch unterschiedlich ausgebildet sein. Die Inserts können so am Faserstrang positioniert werden, dass diese später aus dem Profil herausragen, wozu diese mit einem Fügeabschnitt ausgebildet sein können.
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Die Erfindung sieht vor, dass die als spätere Lasteinleitungselemente dienenden Inserts bereits während der kontinuierlichen, urformenden Herstellung des Profils in dieses bzw. in dessen Faserkunststoffverbundmaterial integriert werden. Eine nachträgliche Bearbeitung des Profils entfällt, so dass auch eine damit möglicherweise einhergehende Schwächung des Profils ausbleibt.
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Bei dem kontinuierlichen Herstellungsprozess handelt es sich um einen Pultrusionsprozess. Der Pultrusionsprozess ist ein kontinuierliches Herstellungsverfahren (auch als Pultrusionsverfahren oder Strangziehverfahren bezeichnet), für das aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahrensvarianten bekannt sind, wozu auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird.
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Das Setzen der Inserts erfolgt mithilfe wenigstens einer Setzeinrichtung, wofür die im Faserstrang zusammengeführten Fasern und/oder Rovings zur Bildung einer Lücke durch eine der Setzeinrichtung vorgelagerte Spreizeinrichtung gespreizt bzw. aufgeteilt werden, um das beschädigungsfreie Setzen bzw. Einsetzen zu ermöglichen. Das Spreizen bzw. Aufteilen der Fasern und/oder Rovings erfolgt nur vorübergehend, bis das betreffende Insert eingesetzt ist.
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Die Fasern und/oder Rovings können mit einem Harzmaterial vorimprägniert sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Fasern und/oder Rovings während des Herstellprozesses und zwar vor dem Setzen der Inserts mit Harz (duroplastischer Matrix) imprägniert werden. Die Imprägnierung findet bspw. in einem Harzbad statt, durch welches die trockenen Fasern bzw. Rovings gezogen werden. Die Inserts werden also in einen nassen Faserstrang eingesetzt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Fasern und/oder Rovings erst nach dem Setzen der Inserts imprägniert werden, wozu der Faserstrang einschließlich der darin gehaltenen Inserts bspw. ein Harzbad durchläuft. Bei dieser Variante werden die Inserts also in einen trockenen Faserstrang eingesetzt.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren, vor allem auch das Spreizen der Fasern und/oder Rovings und Setzen der Inserts, automatisiert und insbesondere vollautomatisiert ausgeführt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- - eine Formgebungseinrichtung, die in einem kontinuierlichen Pultrusionsprozess aus einzelnen Fasern und/oder Rovings (durch Zusammenführen und Ausrichten dieser Fasern) einen Faserstrang formen kann;
- - eine Heizeinrichtung, mit welcher der zuvor geformte Faserstrang ausgehärtet werden kann;
- - wenigstens eine in Ziehrichtung der Heizeinrichtung vorgelagerte Setzeinrichtung, zum Einsetzen der Inserts in den Faserstrang;
- - wenigstens eine in Ziehrichtung der Setzeinrichtung vorgelagerte Spreizeinrichtung, mit der die im Faserstrang bereits zusammengeführten Fasern und/oder Rovings zum Setzen der Inserts vorübergehend gespreizt bzw. auseinander gedrückt werden können.
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Die Formgebungseinrichtung ist insbesondere als Formgebungswerkzeug ausgebildet. Die Heizeinrichtung kann im Formgebungswerkzeug angeordnet sein. Ebenso kann die Heizeinrichtung in einem dem Formgebungswerkzeug in Ziehrichtung nachfolgenden Härtungswerkzeug angeordnet sein. Die Setzeinrichtung und/oder die Spreizeinrichtung können im Formgebungswerkzeug und/oder zwischen der Formgebungseinrichtung bzw. dem Formgebungswerkzeug und der Heizeinrichtung bzw. dem Härtungswerkzeug angeordnet sein.
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Bevorzugt arbeitet die Spreizeinrichtung zeit- oder weggesteuert, worunter verstanden wird, dass sich diese nicht permanent, sondern nur zeitweise im Fasereingriff befindet, wobei dann die Fasern bzw. Rovings aufgespreizt bzw. auseinandergedrückt werden und eine Lücke zum Einsetzen eines Inserts gebildet wird. Nach dem Setzen bzw. Einsetzen wird der Fasereingriff beendet, so dass die Fasern bzw. Rovings wieder zusammenlaufen und das eingesetzte Insert bis zur Aushärtung des Faserstrangs festhalten. Die Spreizeinrichtung kann einen Linearschieber mit wenigstens einem daran angeordneten Spreizelement, insbesondere einen Dorn oder dergleichen, aufweisen. Die Spreizeinrichtung kann aber auch einen Drehschieber mit wenigstens einem daran angeordneten Spreizelement, insbesondere Dorn, aufweisen. Bevorzugt ist dieser Drehschieber als umlaufender Drehschieber ausgebildet, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Faserzuführungseinrichtung (bspw. mit einem Faserregal bzw. einer Stelllage für Faserspindeln und Faserführungen), eine Imprägniereinrichtung (bspw. ein Harzbad), eine Zieheinrichtung (bspw. ein Walzen- oder Raupenabzug) und/oder eine Ablängeinrichtung (bspw. eine Säge) umfassen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auch eine Insertzuführungseinrichtung für die Zuführung der zu setzenden Inserts zur Setzeinrichtung umfassen. Eine solche Einrichtung kann bspw. ein Magazin für die Inserts, eine Vereinzelungsapparatur, Zuführungsleitungen, Übergabestellen und dergleichen aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört bevorzugt auch einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisiert und insbesondere vollautomatisiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils mit integrierten Inserts bzw. Lasteinleitungselementen.
- 2 zeigt eine zur Vorrichtung der 1 gehörende Spreiz- und Setzeinrichtung zum Setzen der Inserts.
- 3 veranschaulicht das Setzen eines Inserts mit der Spreiz- und Setzeinrichtung aus 2.
- 4 zeigt mögliche Querschnittsgeometrien der Inserts.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils 210 mit integrierten Inserts 220, die beim späteren Einsatz des Profils 210 oder eines daraus hergestellten Bauteils als Lasteinleitungselemente dienen. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Faserzuführungseinrichtung 110, eine Imprägniereinrichtung 120, eine Formgebungseinrichtung bzw. ein Formgebungswerkzeug 130, ein Härtungswerkzeug 140 mit einer integrierten Heizeinrichtung, eine Zieheinrichtung 150 und eine Schneid- bzw. Ablängeinrichtung 160.
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Die Vorrichtung 100 ermöglicht in an und für sich bekannter Weise die vollautomatisierte Ausführung eines Pultrusionsprozesses, bei dem in einem kontinuierlichen, unterbrechungsfreien Ablauf aus einzelnen eingezogenen Fasern und/oder Rovings 200 zunächst ein Faserstrang 205 und dann durch Aushärten ein Faserkunststoffverbund-Profil 210 hergestellt wird, aus dem durch Ablängen Faserkunststoffverbund-Profilbauteile 215 erzeugt werden können. Ferner können in bekannter Weise Matten, Gewebe, Gelege, Vliese oder dergleichen in den Faserstrang 205 eingearbeitet werden, um die mechanischen Eigenschaften des Profils 210 zu verbessern. Die Ziehrichtung und die Ziehgeschwindigkeit sind mit Z und V angegeben.
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Die Vorrichtung 100 weist ferner erfindungsgemäß eine Faserspreizeinrichtung 170 und eine Setzeinrichtung 180 zum automatisierten Setzen der Inserts 220 auf, die beispielhaft zu einer Bau- bzw. Werkzeugeinheit zusammengefasst und zwischen dem Formgebungswerkzeug 130 und dem Härtungswerkzeug 140 angeordnet sind. 2 und 3 veranschaulichen die Funktionsweise der Spreiz- bzw. Teilungseinrichtung 170 und der Setzeinrichtung 180. Im Übrigen können die Spreiz- und die Setzeinrichtung 170/180 auch in einem geschlossenen Werkzeug, bspw. mit Werkzeugober- und Werkzeugunterteil, angeordnet sein, das vom Faserstrang 205 durchlaufen wird.
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Die Spreizeinrichtung 170 weist einen umlaufenden Drehschieber 171 auf, der sich kontinuierlich mit einer an die Ziehgeschwindigkeit V angepassten Drehgeschwindigkeit dreht (ebenso ist auch ein diskontinuierlicher Drehbetrieb denkbar). Am Drehschieber 171 sind beispielhaft zwei dornartige Spreizelemente 172 angeordnet, die aufgrund der Drehschieberdrehung in regelmäßigen Zeit- bzw. Wegabständen in den Faserstrang 205 eingreifen, so dass die bereits imprägnierten, zusammengeführten und ausgerichteten Fasern bzw. Rovings 200 vorübergehend aufgespreizt bzw. auseinandergedrückt werden und eine Lücke S entsteht, wie in 3 gezeigt. Alternativ kann die Spreizeinrichtung 170 einen Linearschieber mit daran befestigtem Spreizelement 172 (ähnlich der Setzeinrichtung 180, wie nachfolgend erläutert) aufweisen.
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Die Setzeinrichtung 180 weist einen Linearschieber 181 auf, mit dem das zu setzende Insert 220 in die Lücke S eingesetzt bzw. eingefügt werden kann, ohne dass dabei die Fasern bzw. Rovings 200 beschädigt werden. Durch das Weiterdrehen des Drehschiebers 171 wird der Fasereingriff des Spreizdorns 172 beendet und die Fasern bzw. Rovings 200 laufen wieder zusammen und halten das eingesetzte Insert 220 fest. Das gesetzte Insert 220 wird von dem bereits Profilform aufweisenden Faserstrang 205 zum Härtwerkzeug 140 mitgeführt, wo dieses dann beim Aushärten in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet wird. Mit 182 ist ein Pneumatikzylinder oder dergleichen zur Betätigung des Linearschiebers 181 bezeichnet. Mit 183 ist ein Zuführkanal für die zu setzenden Inserts 220 bezeichnet, der mit einer Insertzuführungseinrichtung gekoppelt ist. Alternativ kann die Setzeinrichtung 180 auch mit einem Drehschieber (ähnlich wie bei der Spreizeinrichtung 170) ausgebildet sein.
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Nach dem gleichen Prinzip können, bei entsprechender Ausgestaltung der Spreiz- und der Setzeinrichtung 170/180, auch mehrere Inserts 220 nebeneinander gesetzt werden. Ferner kann die Vorrichtung 100 mehrere Spreiz- und Setzeinrichtungen 170/180 aufweisen, mit denen an unterschiedlichen Positionen des Strangs 205 bzw. Profils 210 identische oder auch unterschiedliche Inserts 220 gesetzt werden können. Durch entsprechende Ausgestaltung und insbesondere durch eine vorgesehene Austauschbarkeit und/oder variable Anordnung von Vorrichtungskomponenten kann eine hohe Flexibilität bei der Positionierung der Inserts bzw. Lasteinleitungselemente 220 und/oder bei der Formgebung des Profils 210 erreicht werden.
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Abweichend zu der in 1 gezeigten Ausführungsmöglichkeit, bei der die Inserts 220 in einen nassen Faserstrang 205 eingesetzt werden, kann vorgesehen sein, dass die Imprägniereinrichtung 120 nach der Spreiz- und der Setzeinrichtung 170/180 angeordnet ist, so dass die Inserts 220 in einen trockenen Faserstrang 205 eingesetzt werden und dass die Imprägnierung bzw. Harztränkung erst danach erfolgt. Bei beiden Varianten kann die Imprägnierung bspw. im sogenannten Wannenverfahren oder auch im sogenannten Einspritzverfahren erfolgen.
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4 zeigt mögliche Querschnittsgeometrien der Inserts 220 (oder deren Fügeabschnitte). 4a zeigt eine ovale oder auch linsenförmige Geometrie, 4b zeigt eine kreisrunde Geometrie und 4c zeigt eine rechteckförmige Geometrie. Aus dem Stand der Technik sind weitere Geometrien, auch mit hinterschnittiger Gestaltung, bekannt.
