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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Körpern aus einem faserverstärkten Halbzeug mit mindestens zwei sich überkreuzend oder gekreuzten angeordneten Faserschichten.
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Mit Fasern zum Beispiel aus Glas, Aramid oder Kohlenstoff verstärkte duroplastische (Polyester, Vinylester, Epoxid) als auch thermoplastische Kunststoffe (Polymere) haben gegenüber metallischen Bauteilen in vielen Anwendungsbereichen hinsichtlich ihrer gewichtsbezogenen Festigkeit und Steifigkeit erhebliche Vorteile. Sie finden deshalb auch insbesondere im Kraftfahrzeugbau verstärkte Einsatzmöglichkeiten. Allerdings ist ihre Herstellung aufwändig und in den wenigsten Fällen automatisiert durchführbar. Außerdem ist ihre Trag- bzw. Belastungsfähigkeit sehr stark davon abhängig, wie die Fasern im Kunststoffverbund angeordnet sind.
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Zylindrische oder rotationssymmetrische Körper werden üblicherweise durch die Ablage von faserverstärktem Halbzeug auf Wickelkernen erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche Wickelverfahren, wie Trockenwickeln, Nasswickeln oder das sogenannte Prepreg-Wickeln in Frage.
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Aus der
DE 10 2006 008 728 B3 ist zum Beispiel ein weitgehend automatisiert ablaufendes Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur aus sich an definierten Kreuzungspunkten überkreuzenden zweidimensionalen Gittern als Verstärkungsmaterial bekannt. Dabei soll durch punktuelle Krafteinwirkung an dem zuvor vortemperierten Kreuzungspunkt der sich überkreuzenden Halbzeuge die dreidimensionale Ausrichtung ausgebildet werden. Dieses Verfahren kann als kontinuierlicher Fließprozess realisiert sein, wobei mittels Veränderung der Fließ- bzw. Abzugsgeschwindigkeit der Halbzeuge eine Modifikation der Winkel in der Gitterstruktur und damit eine Veränderung der Dichte bzw. der Dicke des dreidimensionalen Gebildes ermöglichbar sein soll.
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Aus der
US 7 374 127 B2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Rohrleitungen für Flüssigkeit aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bekannt. Dabei soll ein Winkelversatz in den Halbzeugfaserschichten infolge einer Längsbewegung der Wickelvorrichtung beim Abwickeln des Halbzeugs um einen Kern realisierbar sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Körpern aus einem faserverstärkten Halbzeug anzubieten, das weitgehend vollautomatisiert und kontinuierlich und damit kostengünstig abläuft und bei dessen Anwendung gleichzeitig der hinsichtlich der Belastung erforderliche Faserverlauf (insbesondere der Faserwinkel in Bezug auf das Matrixmaterial) einstellbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das vorgefertigte und mit Matrixmaterial benetzte und/oder benetzbare Halbzeug von einer Halbzeugrolle ab- und unter Veränderung des Faserwinkels in der oder den Faserschichten durch Dehnen und/oder Stauchen auf einem Wickelkern aufwickelbar ist.
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Ein besonders einfaches und damit bevorzugtes Verfahren nach der Erfindung wird darin gesehen, dass der Wickelkern mit Differenzdrehzahl zur Halbzeugrolle antreibbar ist. Ein Dehnen und/oder Stauchen kann aber alternativ auch dadurch erreicht werden, dass Halbzeugrolle und Wickelkern jeweils angetrieben und unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Denkbar ist es auch, ein Dehnen und/oder Stauchen mittels gegenläufig angetriebener, unter einem Winkel zur Abzugsrichtung des Halbzeugs und zu Wickelkern bzw. Halbzeugrolle angeordneter Walzenpaare zu bewirken.
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Ein Dehnen und/oder Stauchen ist alternativ auch dadurch erreichbar, dass im Wickelkern oder innerhalb einer zwischen Halbzeugrolle und Wickelkern anordenbaren Transportrolle in Achsrichtung verschiebare, in das Halbzeug eintauchende und dieses spreizende Nadelgreifer angeordnet sind. Die Axialverschiebung der Nadelgreifer kann zwangsgesteuert z.B. über in den sie aufnehmenden Rollen/Wickelkern eingebrachte Kulissenführungen bewirkt werden.
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Das Matrixmaterial kann auf die Halbzeugrolle zusammen mit dem Roving aufgewickelt, auf der Halbzeugrolle oder nach dem Abwickeln von der Halbzeugrolle und vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern aufgebracht werden.
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Vorzugsweise wird der Winkelkern mit höherer Drehzahl als die Halbzeugrolle angetrieben. Dadurch wird das Fasermaterial der sich überkreuzend bzw. gekreuzt angeordneten Faserschichten gedehnt, was bei konstanter Differenzdrehzahl zu einem gleichbleibend größeren Faserwinkel und damit einer Vergrößerung des Ablagewinkels des auf dem Wickelkern aufgewickelten Materials führt.
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Umgekehrt ist es denkbar, den Wickelkern mit geringerer Drehzahl als die Halbzeugrolle anzutreiben, wodurch sich ein kleinerer Faserwinkel bei den sich überkreuzenden bzw. gekreuzt angeordneten Faserschichten und damit eine Verkleinerung des Ablagewinkels in Wickelrichtung erzielen lässt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das faserverstärkte Halbzeug aus mindestens zwei sich überkreuzend bzw. gekreuzt verlaufenden Faserschichten in einer Netzstruktur und/oder Gewebestruktur angeordnet ist.
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Der Wickelprozess kann wahlweise mit kontinuierlicher Differenzdrehzahl ablaufen, wodurch sich ein gleichmäßiger und homogener Aufbau der Verstärkungsfasern im zylindrischen Körper ergibt. Alternativ kann der Wickelprozess mit unterschiedlicher und ggfs. auch mit unterschiedlich variierbarer Differenzdrehzahl zur Erzeugung unterschiedlicher Dicke bzw. Dichte und unterschiedlicher Winkelanordnung der Fasern ablaufen. Gegebenenfalls können Prozessphasen eingestreut werden, bei denen die Differenzdrehzahl von Halbzeugrolle zu Wickelkern = 0 ist, so dass keine oder nur eine unwesentliche Faserwinkelveränderung stattfindet.
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Um eine möglichst innige Verbindung/Verschmelzung zwischen Roving und Kunststoff-Matrixmaterial herzustellen, kann das erfinderische Verfahren temperaturbeaufschlagt entlang der Ab- bzw. Aufwickelstrecke ablaufen. Denkbar ist es aber auch, das Matrixmaterial erst beim und/oder nach dem Aufwickeln auf dem Wickelkern zu erhitzen.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann vorzugsweise zur Herstellung von zylindrischen Körpern, z.B. von Wellen o.ä. zur Verwendung in Kraftfahrzeugen angewendet werden. Vorzugsweise wird das Verfahren zur Herstellung von Kardanwellen oder Antriebswellen für Kraftfahrzeuge angewendet.
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Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand von schematischen Darstellungen dazu in der Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrens;
- 2 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug auf der Halbzeugrolle nach der Erfindung;
- 3 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug nach dem Aufwickeln auf den Wickelkern;
- 4 schematisch eine alternative Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung;
- 5 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug auf der Halbzeugrolle nach der Erfindung in der Ausführung nach 4;
- 6 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug nach dem Aufwickeln auf den Wickelkern in der Ausführung nach 4 und
- 7 - 10 schematisch weitere alternative Ausführungsformen zum Gegenstand des Verfahrens nach der Erfindung.
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1 zeigt in sehr vereinfachter, schematischer Darstellung eine Halbzeugrolle 1. Von dieser Halbzeugrolle 1 wird der sogenannte Roving - im Ausführungsbeispiel aus in Netz- bzw. Gewebestruktur überkreuzt und/oder gekreuzt angeordneten Fasern bzw. Faserschichten - abgewickelt. Der Roving liegt in einer Gitter- bzw. Netz-Struktur, wobei die Filamente aus z.B. Glas-, Aramid- oder Kohlenstoff-Fasern im Ausführungsbeispiel vorzugsweise in einer Gitter- bzw. Netz-Struktur angeordnet sind, bei der sich die einzelnen Fasern in etwa unter etwa 45 Grad schrägverlaufend überkreuzen und ebenfalls unter einem Winkel von in etwa 45 Grad zum Umfang der Halbzeugrolle 1 aufgewickelt angeordnet sind.
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In 2 ist die Ausgangsanordnung des Faserverlaufs beim Roving auf der Halbzeugrolle 1 angedeutet dargestellt.
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Dieser Roving in Gitter- bzw. Netz-Struktur kann bereits mit einem Matrixmaterial, in das die Fasern einzubetten sind, benetzt sein. Als Matrixmaterial kommen duro- oder thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene in Frage.
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Denkbar ist aber auch, dass das Matrixmaterial erst nach dem Abwickeln des Rovings von der Halbzeugrolle 1 aufgebracht, z.B. durch Besprühen oder nach dem Aufwickeln z.B. durch Infiltration eingebracht wird.
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Abgewickelt wird der Roving von der Halbzeugrolle 1 vorzugsweise durch einen angetriebenen Wickelkern 2. Dieser Wickelkern 2 wird im Ausführungsbeispiel nach 1 mit einer höheren Drehzahl im Vergleich zur Drehzahl der Halbzeugrolle 1 angetrieben. Infolge der Differenzgeschwindigkeit zwischen Wickelkern 2 und Halbzeugrolle 1 (Ausführungsbeispiele 1 bzw. 4) wird Zug auf das Fasermaterial ausgeübt, das sich in der Folge davon dehnt. Diese Dehnung führt zu einer Verringerung der Breite des Rovings beim Aufwickeln auf den Wickelkern 2 und zu einer Änderung der Faseranordnung bzw. des Faserverlaufs und des Faserwinkels. Je nach Höhe der Differenzgeschwindigkeit kann der Kreuzungswinkel zur Wickelachse der Faserfilamente in der Netzstruktur deutlich vergrößert werden. Damit wird der Winkel und die Dicke der Einzellage geändert, wodurch sich gezielt die Eigenschaften des endgültigen Produkts beeinflussen lassen - wie z.B. Biege- oder Torsionssteifigkeit, Schwingungsverhalten usw.
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3 zeigt im Unterschied zu 2 den Faserverlauf nach dem Aufwickeln des Halbzeugs auf dem Wickelkern 2, wenn dieser mit höherer Geschwindigkeit im Vergleich zur Halbzeugrolle 1 angetrieben ist. Ggfs. kann die Aufweitung des Materials durch zusätzliche Vorrichtungen (siehe z.B. nachstehend anhand 7 bis 10 beschriebene Ausführungsbeispiele)
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In 4 ist ein alternatives Beispiel dargestellt. Von der Halbzeugrolle 10 wird wiederum - wie vorstehend beschrieben - ein Roving mit Matrixmaterial beschichtet oder zu beschichten abgerollt. Auch dieser Roving weist eine Gitterstruktur (siehe 5) mit einem Faserfilamentverlauf von etwa 45 Grad (ähnlich wie in 2 bereits dargestellt) auf. Die einzelnen Fasern bzw. Faserschichten überkreuzen sich schrägverlaufend in etwa unter 45 Grad und sind ebenfalls unter einem Winkel von in etwa 45 Grad zum Umfang der Halbzeugrolle 1 auf diese aufgewickelt.
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Im Unterschied zum Verfahrensbeispiel nach 1 wird der Wickelkern 11 für das Aufwickeln des Halbzeugmaterials mit niedriger Geschwindigkeit angetrieben, als das Halbzeugmaterial von der Halbzeugrolle 10 abgewickelt wird. Dadurch wird das verlangsamt transportierte Material gedehnt. Gegenüber der Breite des Rovings auf der Halbzeugrolle 10 verbreitert sich das Halbzeugmaterial auf dem Wickelkern 11. Gleichzeitig verändert sich der Winkel bei der Faseranordnung (siehe 6), womit wiederum die Eigenschaften des Materials beeinflusst werden können. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann ggfs. die Aufweitung des Materials durch zusätzliche Vorrichtungen (siehe z.B. nachstehend anhand 7 bis 10 beschriebene Ausführungsbeispiele)
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Zusätzlich bzw. alternativ zu einer höheren bzw. geringeren Geschwindigkeit des Wickelkerns 2 bzw. 11 gegenüber der Halbzeugrolle 1 bzw. 10 ist es denkbar, den Wickelprozess mit unterschiedlicher bzw. mit unterschiedlich variierbarer Differenzdrehzahl ablaufen zu lassen. Damit kann auf die Struktur der Fasergitter und damit auf die Eigenschaften des Endprodukts Einfluss genommen werden.
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7 zeigt schematisch eine Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem Rollen 20, 20.1 und 21, 21.1 zum Transport und zum gleichzeitigen z.B. Spreizen (siehe die durch Pfeil angegebene Transportrichtung) des Materials angeordnet sind. Diese Rollen 20, 20.1 und 21, 21.1 können als unterstützende Rollen zur Ausführung des erfinderischen Verfahrens zusätzlich zu einer Halbzeugrolle und einem Wickelkern angeordnet sein; es ist aber auch denkbar, dass Halbzeugrolle und Wickelkern selbst unter einem Winkel zueinander stehend angeordnet sind.
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8 zeigt schematisch eine weitere Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem zwischen Halbzeugrolle und Wickelkern unter einem Winkel zur Transportrichtung des Materials und unter einem Winkel von ca. 70° bis ca. 110° zu den Achsen von Halbzeugrolle bzw. Wickelkern gegenläufig angetriebene Dehn- bzw. Stauch-Rollen-Paare 22 und 23 (jeweils nur eine Rolle dargestellt) zum Dehnen (siehe die in 8 durch Pfeil angegebene Transportrichtung) bzw. Stauchen des Materials angeordnet sind. Diese Dehn- bzw. Stauch-Rollen-Paare 22, 23 sind als unterstützende Rollen zur Ausführung des erfinderischen Verfahrens zusätzlich zu einer Halbzeugrolle und einem Wickelkern angeordnet.
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In den 9.1, 9.2 und 10 ist schematisch eine weitere Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung gezeigt. In einer Transportrolle 24 (es kann sich dabei auch um den Wickelkern handeln) ist mindestens eine Kulissenführung 30,31 eingebracht, über die bei Rotation der Transportrolle 24 zwangsgesteuert eine in Achsrichtung der Rolle 24 erfolgende Querverschiebung von in der Rolle angeordneten Nadelgreifern 25.1, 25.2, 25.3, 25.4, 25.5, 25.6 bewirkbar ist. Mit ihren Nadeln 26.1 bis 26.6 durchgreifen diese Greifer 25 das auf der Rolle 24 transportierte Material (siehe 10) und Dehnen oder Stauchen durch ihre Querbewegung zur Materialtransportrichtung die Materialstruktur. Solche Rollen 24 können als unterstützende Rollen zur Ausführung des erfinderischen Verfahrens zusätzlich zu einer Halbzeugrolle und einem Wickelkern angeordnet sein; es ist aber auch denkbar, dass z.B. der Wickelkern selbst mit Nadelgreifern 25 ausgestattet ist.
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Für den Fachmann versteht es sich ausgehend von diesen Ausführungsalternativen von selbst, dass weitere konstruktive Lösungen zur Durchführung des Verfahrens denkbar sind. So könnte z.B. auch durch Fassung des Materials während des Transports an den Seitenrändern ein Dehnen oder auch Stauchen herbeigeführt werden.
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Um eine möglichst innige Verbindung/Verschmelzung zwischen Roving und Kunststoff-Matrixmaterial herzustellen, kann das erfinderische Verfahren temperaturbeaufschlagt entlang der Ab- bzw. Aufwickelstrecke durch die Anordnung von Heizelementen ablaufen. Alternativ kann das Matrixmaterial nach und/oder beim Aufwickeln auf dem Wickelkern temperaturbeaufschlagt werden.
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Das erfinderische Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Damit sind erhebliche Einsparungen und ein deutlicher Zeitgewinn gegenüber bekannten Verfahren erzielbar. Durch die Variationsmöglichkeiten in der Faseranordnung (Faserwinkel) und über die Beeinflussung der Matrixmaterialdichte können die Eigenschaften des Endprodukts in weiten Bereichen variiert werden.
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Ganz besonders bietet sich das vorstehend beschriebene Verfahren bzw. seine Ausführungsmöglichkeiten für die Herstellung von Wellen im Kraftfahrzeugbau an. Insbesondere kommt die Herstellung von Kardanwellen oder Antriebswellen in Betracht. Bei der kontinuierlichen Herstellung einer Welle aus einem Faser-Halbzeug, das mit einer Netzstruktur mit konstantem Faserwinkel aufgebaut ist, kann auf die Eigenschaften des Endprodukts gezielt Einfluss genommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeugrolle
- 10
- Halbzeugrolle
- 2
- Wickelkern
- 11
- Wickelkern
- 20.1, 20.2
- Rollen
- 21.1,21.2
- Rollen
- 22, 23
- Dehn- bzw. Stauch-Rollen
- 24
- Transportrolle
- 25.1 - 25.6
- Nadelgreifer
- 26.1 - 26.6
- Nadeln
- 30,31
- Kulissenführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006008728 B3 [0004]
- US 7374127 B2 [0005]
