DE102017011461A1

DE102017011461A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur und Bauteil aus einer Faserstruktur

Info

Publication number: DE102017011461A1
Application number: DE102017011461.7A
Authority: DE
Inventors: Niklas Minsch; Johannes Sauter; Matthias Mueller; Ralf Bernhardt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (17) aus einer Faserstruktur, wobei ein Faserstrang (19) mittels einer Faserführungseinrichtung (15) geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung (3) abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung (3) eine Halteplatte (5) mit einer Mehrzahl von Stützelementen (7) und einer Mehrzahl von Umlenkelementen (9) aufweist, wobei die Stützelemente (7) an der Halteplatte (5) angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente (9) an der Halteplatte (5), an den Stützelementen (7) und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang (19) um die Umlenkelemente (9) entlang eines Wickelpfades abgelegt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Faserstrang (19) um jedes der Umlenkelemente (9) mindestens einmal vollständig umschlauft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur, sowie ein Bauteil aus einer Faserstruktur.
Bekannt sind Wickelverfahren, bei denen ein Faserstrang mittels eines Roboters um einen Wickelkern gewickelt wird, wodurch eine 2-dimensionale Fachwerkstruktur entsteht. Die Struktur wird anschließend ausgehärtet, wonach der Wickelkern entfernt wird oder in der Struktur verbleibt. Des Weiteren ist es bekannt 3-dimensionale Fachwerkstrukturen ohne Wickelkern zu konzipieren, wobei der Faserstrang um an unterschiedlich hohen Passbolzen angeordnete Hülsen gewickelt wird, welche als Umlenkpunkte für den Faserstrang dienen. Die Passbolzen werden nach Erhalt der Fachwerkstruktur entfernt, während die Hülsen in der Struktur verbleiben und als Anbindungspunkte für Anbauteile fungieren können.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 012 594 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, bei welchem Fasern entlang vorgegebener Bahnen um Wickelspulen eines Wickelkerns in einer Vorrichtung gelegt werden, mit einer Faserführungseinrichtung zum Führen und Ablegen eines in einer Faseraufbereitungseinrichtung aufbereiteten Fasermaterials, mit einem Faserablegewerkzeug, auf dem das Fasermaterial durch die Faserführungseinrichtung ablegbar ist, wobei die Faserführungseinrichtung ein mittels einer Verlagerungseinrichtung verlagerbares, rohrförmiges Führungsmittel aufweist, in dessen Inneren das Fasermaterial entlang einer Längsachse des Führungsmittels führbar ist. Das Verfahren ermöglicht mit geringem Aufwand komplexe Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen. Die Wickelspulen sind in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander auf einer Lochplatte angeordnet, wobei das Fasermaterial entlang eines vorbestimmten Wickelpfades mit der Faserführungseinrichtung um die Wickelspulen abgelegt wird. Ein in das Fasermaterial eingebrachtes Matrixmaterial wird ausgehärtet, wobei das Faserverbundbauteil erhalten wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 014 032 A1 sind ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei Fasern entlang vorgegebener Bahnen um wenigstens eine Wickelspule eines Wickelkerns gewickelt werden, ein aushärtbares Harz in die Fasern eingebracht wird, das Harz zur Bildung des Faserverbundbauteils ausgehärtet wird, die wenigstens eine Wickelspule nach innen in den Wickelkern entnommen wird, der Wickelkern entnommen und das Faserverbundbauteil freigesetzt wird.
Diese Verfahren sind allerdings im Hinblick auf die Stabilität, die Tragfähigkeit und die Belastbarkeit der dadurch herstellbaren Bauteile verbesserungsfähig. Dies gilt insbesondere beim Herstellen eines Faserverbundbauteils, das zum Zweck der Gewichtsersparnis bisher verwendete Bauteile aus Metall oder Metall-Legierungen ersetzen soll. So bestehen beispielsweise Getriebeträger derzeit häufig aus Aluminium-Magnesium Feinguss, da diese Bauteile hohen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise müssen die Bauteile bei einem Unfall hohe Lasten aufnehmen und sind dementsprechend sowohl kosten- als auch gewichtsintensive Bauteile, was insbesondere bei Sport- und Rennwagen, aber auch Elektrofahrzeugen, ein entscheidender Faktor ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur geschaffen wird, wobei ein Faserstrang durch eine Faserführungseinrichtung geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung eine Halteplatte mit einer Mehrzahl von Stützelementen und einer Mehrzahl von Umlenkelementen aufweist, wobei die Stützelemente an der Halteplatte angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente an der Halteplatte, an den Stützelementen und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang um die Umlenkelemente entlang eines Wickelpfads abgelegt wird. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang um jedes der Umlenkelemente mindestens einmal vollständig umschlauft wird. Auf diese Weise wird letztlich das Bauteil aus einer Faserstruktur erhalten. Die Stützelemente werden dabei derart entfernt, dass die Umlenkelemente zumindest teilweise in der Faserstruktur verbleiben. Durch das Umschlaufen der Umlenkelemente wird der Faserstruktur eine höhere Tragkraft verliehen.
Die Faserablegeeinrichtung kann als ein Baukastensystem ausgebildet sein, welches den flexiblen Aufbau einer 3-dimensionalen Anordnung von Umlenkelementen ermöglicht. Dabei können die Umlenkelemente flexibel oder fest an der Halteplatte angeordnet werden, wobei die Stützelemente insbesondere verwendet werden können, um die Umlenkelemente von der Halteplatte zu beabstanden und so eine dritte Dimension zu der Ebene der Halteplatte zu ermöglichen. Es kommen vorzugsweise verschieden ausgebildete Umlenkelemente sowie verschieden lange Stützelemente zum Einsatz, um mit größtmöglicher Flexibilität verschiedene 3-dimensionale Fachwerkstrukturen wickeln zu können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein Umlenkelement einen zylindersymmetrischen Hohlkörper mit einer Mehrzahl radial angeordneter Passstifte aufweist, wobei diese Passstifte den Faserstrang in eine dritte Dimension, insbesondere aus einer Ebene heraus umlenken können. Mithilfe der verschieden ausgestalteten Umlenkelemente ist es möglich, dass der Faserstrang direkt einem zu erwartenden Lastpfad in dem späteren Bauteil folgen kann, ohne zusätzliche Umlenkungen zu erfahren. Die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente werden bevorzugt durch eine Steckverbindung oder eine Schraubverbindung mit der Halteplatte verbunden. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stützelemente als Gewindestifte ausgebildet sind, die an der Halteplatte befestigt werden. Bevorzugt werden die Umlenkelemente auf die Stützelemente aufgesteckt, so dass die Umlenkelemente nach Erhalt des Bauteils leicht von den Stützelementen entfernt werden können. Bevorzugt werden die Umlenkelemente auf die Stützelemente geschraubt.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, fachwerkartig gewickelte und somit komplexe, sowie extrem leichte 3-dimensionale Strukturbauteile aus einer Faserstruktur herzustellen, welche dem Bauteil aus der Faserstruktur eine höhere Tragkraft verleihen, also Bauteile mit einer besonders leichten Bauform, die gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweisen. Der Faserstrang kann entlang von zu erwartenden Lastpfaden des Bauteils abgelegt werden. Hierdurch werden Druckkräfte und Zugkräfte übertragen, die die Tragkraft signifikant erhöhen. Die Umschlaufung fixiert zudem die Zwischenlagen am Krafteinleitungspunkt, zudem kann man bei weit auseinanderliegenden Anbindungspunkten, insbesondere den Umlenkelementen, durch Umschlaufung eines Umlenkelements mechanisch widerstandsfähige Strangverläufe erhalten, die außerhalb der geodätischen Linie liegen. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Faserstrukturen mit einer optimalen Topologie entlang von Hauptlastpfaden. Der Faserstrang kann unidirektional entlang von Zug-Druck-Bereichen orientiert werden. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verwendung einfacher Werkzeuge, beispielsweise von Stützelementen und Umlenkelementen, sehr kostengünstig. Vorteilhafterweise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, ein Bauteil aus einer Faserstruktur zu schaffen, das höchste mechanische Beanspruchung besteht, insbesondere geringe Verformung aufweist. Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fachwerkartige Strukturen hergestellt werden, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere deren Festigkeit, deren Belastbarkeit und deren Verformbarkeit, es ermöglichen, bisherige schwerere Bauteile, insbesondere Bauteile aus Guss, zu ersetzen.
Die Stützelement sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Umlenkelemente relativ zu einer Grundebene vertikal beabstandet werden. Unter einem Stützelement wird insbesondere ein Passbolzen verstanden.
Die Umlenkelemente können verschieden ausgestaltet sein. Unter einem Umlenkelement wird insbesondere eine Hülse verstanden, insbesondere eine mit einem Lochmuster versehene Hülse. Vorzugsweise werden die Umlenkelemente auf einer Halteplatte montiert, welche den Abstand der Umlenkelemente relativ zueinander fest definiert. Vorzugsweise werden die Umlenkelemente zumindest teilweise durch die Passbolzen gestützt, insbesondere um ein Biegemoment, welches durch die Ablage des Faserstrangs entsteht, ohne relevante plastische oder elastische Verformung aufzunehmen. Die Umlenkelemente sind derart eingerichtet, dass der Faserstrang innerhalb einer Wickelebene oder auch aus der Wickelebene heraus in eine dritte Dimension umlenkbar ist. Vorzugsweise sind die Umlenkelemente aus einem Metall oder einer metallischen Legierung gebildet.
Vorzugsweise werden die Stützelemente und/oder die Umlenkelemente aus einem 3D-gedruckten Spulenkörper gebildet. Durch den Einsatz des 3D-Drucks ist die Herstellung der Stützelemente und/oder der Umlenkelemente wesentlich flexibler und es wird die Herstellung komplexerer Formen ermöglicht, die besonders vorteilhaft für den Wickelprozess und die Herstellung des Bauteils sind.
Vorzugsweise weisen die Umlenkelemente Bohrungen auf, in denen Passstifte angeordnet sind, durch die der Faserstrang eingefädelt und/oder auf die der Faserstrang abgelegt wird. Vorteilhafterweise verhindern die Passstifte das Verrutschen des Faserstrangs nach dessen Ablage und verhindern während der Fertigung die Verformung der Umlenkelemente und der Faserstruktur, so dass die Wandstärke der Umlenkelemente auf ein Minimum reduziert werden kann, und ein formstabiles Bauteil aus einer Faserstruktur erhalten wird.
Nachdem der Faserstrang um die Umlenkelemente entlang eines Wickelpfads abgelegt wurde, wird das Bauteil entfernt, so dass das Bauteil erhalten wird. Vorzugsweise wird die Faserstruktur ausgehärtet, bevor das Bauteil entfernt wird, insbesondere durch Abkühlen oder Druckluft, und/oder die Faserstruktur härtet sich nach einer bestimmten Zeit von selbst. Die noch feuchte, insbesondere noch nicht ausgehärtete, Faserstruktur des Bauteils kann von der Halteplatte zum Aushärten auf eine andere Vorrichtung transferiert werden, so dass auf der Halteplatte bereits die nächste Faserstruktur abgelegt werden kann.
Vorzugsweise wird der Faserstrang zumindest abschnittsweise mittels einer Zange und/oder einem Schlauch, insbesondere einem Strumpfschlauch, kompaktiert, so dass die Biegefestigkeit des Faserstrangs weiter erhöht wird.
Vorzugsweise wird der Faserstrang mittels eines Roboters gewickelt, insbesondere durch eine vollautomatische Ablage des Faserstrangs, wodurch ein hoher Massendurchsatz und eine hohe Reproduzierbarkeit erhalten wird.
Als Faserstrang, also Fasermaterial, wird bevorzugt ein Endlosfasermaterial verwendet. Dabei kann es sich um Einzelfasern, aber auch um Faserbündel, insbesondere sogenannte Rovings, handeln. Als Fasermaterial kommen insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern, Keramikfasern, Naturfasern, Metallfasern, aber auch andere Fasern oder Kombinationen solcher Fasermaterialien in Frage. Insbesondere können als Fasermaterial auch Hybridrovings verwendet werden, welche vorzugsweise Verstärkungsfasern aus wenigstens einem der zuvor genannten Fasermaterialien sowie Matrixfasern aufweisen, wobei die Matrixfasern ein Matrixmaterial, insbesondere einen Kunststoff, aufweisen, oder aus einem solchen Matrixmaterial bestehen. Vorzugsweise ist der Faserstrang aus einem hohlen, geflochtenen oder geflechtbasierten Halbzeug gebildet, so dass der Leichtbaugrad weiter erhöht wird.
Die Faserablegeeinrichtung ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung raumfest angeordnet, das heißt nicht verlagerbar gehalten. Bevorzugt ist nur die Faserführungseinrichtung, insbesondere das Führungsmittel, verlagerbar, wobei es insbesondere relativ zu der Faserablegeeinrichtung verlagert werden kann, um das Fasermaterial in definierter Weise und insbesondere entlang vorbestimmter Wickelpfade an der Faserablegeeinrichtung abzulegen. Dadurch bedarf es lediglich einer Verlagerungseinrichtung für das Führungsmittel, jedoch keiner zusätzlichen Verlagerungseinrichtung für die Faserablegeeinrichtung. In einer anderen Ausgestaltung ist auch die Faserablegeeinrichtung verlagerbar gehalten, so dass grundsätzlich auch die hier vorgeschlagene Vorrichtung insbesondere mit zwei kooperierenden Robotern ausgestattet werden kann. Die Faserablegeeinrichtung ermöglicht einen einfachen Aufbau, insbesondere in Form eines Baukastensystems, mit dem quasi beliebige 3-dimensionale Fachwerkstrukturen wickelbar sind.
Das Ablegen des Faserstrangs erfolgt insbesondere mittels eines Wickelverfahrens. Als Wickelelemente kommen dabei vorzugsweise eine Mehrzahl von Umlenkelementen und/oder Stützelementen zur Anwendung, wobei die Umlenkelemente und/oder Stützelemente in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet werden, wobei die Stützelemente insbesondere Umlenkelemente tragen und dazu dienen, von den Stützelementen getragene Umlenkelemente relativ zu der Halteplatte, auf welcher die Umlenkelemente und/oder die Stützelemente angeordnet sind, in vertikaler Richtung zu beabstanden. Dabei können insbesondere verschieden lange Stützelemente verwendet werden, um verschiedene vertikale Abstände zu erhalten.
Der vorbestimmte Wickelpfad legt insbesondere fest, in welcher Reihenfolge und auf welche Weise die Umlenkelemente umwickelt werden, wobei der vorbestimmte Wickelpfad bevorzugt so gewählt ist, dass der Faserstrang entlang von Lastpfaden des herzustellenden Bauteils verlegt wird. Auf diese Weise kann eine extrem leichte aber auch besonders stabile 3-dimensionale Fachwerkstruktur erhalten werden.
Die Faserstruktur weist bevorzugt ein Matrixmaterial auf. Das Matrixmaterial weist bevorzugt wenigstens einen Kunststoff auf oder besteht aus wenigstens einem Kunststoff, insbesondere einem Harz. Das Matrixmaterial kann zugleich mit dem Faserstrang abgelegt werden, beispielsweise indem ein Faserstrang verwendet wird, der sowohl Verstärkungsfasern als auch Matrixfasern aufweist, oder indem ein Faserstrang verwendet wird, welcher mit einem Matrixmaterial getränkt ist. Es ist aber auch möglich, dass das Matrixmaterial nachträglich, das heißt nach dem Wickelprozess, auf den Faserstrang aufgebracht und/oder eingebracht wird, beispielsweise durch Infiltrieren, Imprägnieren oder dergleichen. Das Bauteil aus einer Faserstruktur entsteht durch Aushärten des Matrixmaterials, so dass dieses fest und stabil wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest teilweise mehrfach durchgeführt wird, wobei der Faserstrang in mehreren Lagen abgelegt wird, so dass die Faserstruktur an diesen Stellen verstärkt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente zumindest teilweise in der fertig gewickelten Faserstruktur und dem erhaltenen Bauteil verbleiben, wobei sie insbesondere zur Anbindung weiterer benachbarter Bauteile an das Bauteil dienen können, insbesondere zur Anbindung des Bauteils an einen Motor und/oder ein Getriebe.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente derart angeordnet werden, dass - insbesondere entlang des Wickelpfades aufeinanderfolgende - Abschnitte des Faserstrangs in einem Winkel von 40 bis 50° relativ zueinander verlaufen, bevorzugt 41 bis 49°, bevorzugt 42 bis 48°, bevorzugt 43 bis 47°, insbesondere bevorzugt 45°. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente in axialer Richtung nach oben und unten durch insbesondere scheibenförmige Begrenzungselemente begrenzt werden. Die scheibenförmigen Begrenzungselemente ermöglichen zum einen einen festen Sitz des Faserstrangs in den Umlenkelementen und der Faserstruktur, insbesondere da dieser nicht nach oben oder unten verrutschen kann. Zum anderen tragen die Begrenzungselemente zur Stabilität, Tragfähigkeit und Belastbarkeit des erhaltenen Bauteils aus der Faserstruktur bei. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Vorzugsweise bilden die Umlenkelemente, insbesondere die Hülsen, mit den Passstiften eine Fuge, bevorzugt zwischen den Begrenzungselementen der Umlenkelemente und den Passstiften, so dass der Faserstrang kompaktierbar ist, wobei insbesondere mehrere Faserstränge gebündelt werden können, und ein Gesamtstrang mit nahezu kreisförmigem Durchschnitt ausbildbar ist. Dadurch wird eine Verflachung oder Auffächerung der Faserstruktur verhindert, die sich nachteilig auf die Stabilität des Bauteils auswirkt. Vorzugsweise ist mindestens ein Begrenzungselement der Umlenkelemente beweglich ausgebildet, so dass der Abstand in axialer Richtung zwischen dem oberen und dem unteren Begrenzungselement verringert werden kann, bevorzugt während und/oder nach dem Wickelprozess. Vorzugsweise kann der Faserstrang durch Klammern oder andere insbesondere formschlüssig angreifende Werkzeuge kompaktiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Umlenkelement in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements angeordnet wird. Bevorzugt werden mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier Umlenkelemente derart angeordnet.
Vorzugsweise ist eine alternierende oder zumindest teilweise alternierende Anordnung der Umlenkelemente in axialer Richtung oberhalb und unterhalb eines jeweils entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements vorgesehen. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise. Vorteilhafterweise entsteht durch mindestens ein in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements angeordnetes Umlenkelement ein großer Hebel für die Druck- und Zuglastübertragung und damit ein verringertes Biegemoment bei Beanspruchung. Vorteilhafterweise kann der auf dieser Strecke entstehende diagonale Faserstrang dünner ausgelegt werden als die restlichen Abschnitte des Faserstrangs, was zu einer Gewichtsverringerung des Bauteils führt, ohne oder weitgehend ohne Einbußen in der Steifigkeit und der Festigkeit des Bauteils.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faserstrang entlang des Wickelpfads alternierend oder zumindest abschnittsweise alternierend gekreuzt wird. Dadurch werden insbesondere mehrere Verbindungspunkte und kürzere Biegebalken in der Faserstruktur geschaffen, die dafür sorgen, dass die Fachwerkstruktur knicksteifer wird. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass in und/oder an der Faserstruktur Inserts angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Inserts formschlüssig und fasergerecht eingebunden. Vorzugsweise werden die Inserts durch den Faserstrang umschlauft, bevorzugt mindestens einmal, bevorzugt mindestens zweimal, bevorzugt mindestens dreimal, bevorzugt mindestens viermal, bevorzugt mindestens fünfmal, oder bevorzugt mindestens zehnmal. Vorteilhafterweise ermöglicht die Umschlaufung der Inserts die Übertragung von Druckkräften ohne Ablösung der Faserstränge von den Inserts. Vorteilhafterweise wird eine Rotation der Inserts in der Faserstruktur verhindert. Vorzugsweise sind die Inserts aus Metall beziehungsweise metallischen Legierungen, Kunststoff oder Faserstruktur gebildet. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Umlenkelemente und/oder Inserts durch den Faserstrang mehrfach umschlauft werden, bevorzugt mindestens zweimal, bevorzugt mindestens dreimal, bevorzugt mindestens viermal, bevorzugt mindestens fünfmal, oder bevorzugt mindestens zehnmal. Durch die Umschlaufung der Umlenkelemente und/oder Inserts, insbesondere eine formschlüssige Umschlaufung, können Druckkräfte übertragen werden, wodurch eine Klebung der Fasern durch das Matrixmaterial an die Umlenkelemente und/oder Inserts des Faserstrangs verbessert wird. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Faserstruktur durch den Faserstrang ganz oder zumindest teilweise mehrlagig ausgebildet wird, bevorzugt zweilagig, bevorzugt dreilagig, bevorzugt vierlagig, bevorzugt fünflagig, oder bevorzugt zehnlagig. Vorzugsweise wird die Faserstruktur durch den Faserstrang abschnittsweise mehrlagig ausgebildet. In dieser Ausführungsform verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile in besonderer Weise.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Bauteil aus einer Faserstruktur geschaffen wird, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Im Zusammenhang mit dem Bauteil aus einer Faserstruktur verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil ein Fahrzeugbauteil, ein Flugzeugbauteil, ein Bauteil für andere Flugkörper, beispielsweise Drohnen, ein Roboterbauteil oder ein Werkzeugbauteil ist, insbesondere ein Getriebeträger. Bei all diesen Bauteilen verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile, die bereits zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils aus einer Faserstruktur, und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils aus einer Faserstruktur.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils 17 aus einer Faserstruktur. 1 zeigt insbesondere eine Faserablegeeinrichtung 3 mit einer Halteplatte 5. Weiterhin sind auf der Halteplatte 5 angeordnete Stützelemente 7 und Umlenkelemente 9 dargestellt. Die Umlenkelemente 9 sind sowohl direkt auf der Halteplatte 5 angeordnet oder an den Stützelementen 7 in einem Abstand zur Halteplatte 5 angeordnet. Die Stützelemente 7 und/oder die Umlenkelemente 9 können gesteckt oder geschraubt auf der Halteplatte 5 befestigt werden. Die Faserablegeeinrichtung 3 weist eine Mehrzahl von verschiedenen und/oder verschieden langen Stützelementen 7 und/oder Umlenkelementen 9 auf.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils 17 aus einer Faserstruktur mit der Vorrichtung 1 wird ein Faserstrang 19 durch eine Faserführungseinrichtung 15 geführt und auf der Faserablegeeinrichtung 3 abgelegt, wobei die Faserablegeeinrichtung 3 die Halteplatte 5 mit der Mehrzahl von Stützelementen 7 und der Mehrzahl von Umlenkelementen 9 aufweist, wobei die Stützelemente 7 an der Halteplatte 5 angeordnet sind, und wobei die Umlenkelemente 9 an der Halteplatte 5 oder an den Stützelementen 9 in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind. Der Faserstrang 19 wird um die Umlenkelemente 9 entlang eines Wickelpfads abgelegt, insbesondere mittels der Faserführungseinrichtung 15. Dadurch wird eine dreidimensionale Ablage des Faserstrangs 19 und damit eine dreidimensionale Faserstruktur erhalten. Der Faserstrang 19 wird um jedes der Umlenkelemente 9 mindestens einmal vollständig umschlauft. Dadurch wird die Festigkeit der erhaltenen dreidimensionalen Faserstruktur erhöht. In 1 ist rein schematisch - hier der einfachen bildlichen Darstellung wegen durch eine Faserspule angedeutet - die Faserführungseinrichtung 15 dargestellt, mit der der Faserstrang 19 um die Umlenkelemente 9 gewickelt wird. Durch die Faserführungseinrichtung 15 wird der Faserstrang 19 geführt und auf der Faserablegeeinrichtung 3 abgelegt. Anschließend wird das Bauteil 17 aus der Faserablegeeinrichtung 3 entnommen, und/oder bevorzugt ausgehärtet und/oder konsolidiert, bevorzugt auf der Faserablegeeinrichtung 3. Das Bauteil 17 kann auch nach dem Aushärten und/oder Konsolidieren von der Faserablegeeinrichtung 3 entnommen werden. Die Umlenkelemente 9 verbleiben zumindest teilweise in der Faserstruktur, wo sie zur Stabilität des Bauteils 17 beitragen und insbesondere die Anbindung weiterer Bauteile an das Bauteil 17 ermöglichen.
Der Faserstrang 19 kann entlang des Wickelpfads alternierend gekreuzt werden, um die Festigkeit des Bauteils 17 zu erhöhen.
Die Umlenkelemente 9 können derart angeordnet werden, dass benachbarte Abschnitte des Faserstrangs 19 in einem Winkel von 40 bis 50° relativ zueinander verlaufen. In dem Ausführungsbeispiel sind zwei Umlenkelemente 9 in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements 9 angeordnet. Die Umlenkelemente 9 können zumindest teilweise in axialer Richtung nach oben und unten durch insbesondere scheibenförmige Begrenzungselemente 11 begrenzt sein.
Die Faserstruktur kann durch den Faserstrang 19 ganz oder zumindest teilweise, also abschnittsweise, mehrlagig ausgebildet werden. Die mehrlagige Ausbildung durch den Faserstrang 19 führt ebenfalls zur Erhöhung der Stabilität des Bauteils 17.
Die Umlenkelemente 9 können zumindest teilweise Passstifte 13 aufweisen, wodurch es in einfacher und stabiler Weise möglich ist den Faserstrang 19 aus einer Ebene heraus in eine dritte Dimension umzulenken, insbesondere aus einer parallel zu der Halteplatte 5 orientierten Ebene heraus in eine Richtung, die sich zumindest teilweise senkrecht zu der Halteplatte 5 erstreckt.
In einer weiteren Ausführungsform können in die Faserstruktur Inserts angeordnet werden. Die Umlenkelemente 9 und/oder die Inserts werden bevorzugt durch den Faserstrang 19 mehrfach umschlauft. Dadurch wird die Stabilität des Bauteils 17 erhöht. Vorteilhafterweise können an die Inserts weitere Bauteile angebunden werden.
Insgesamt zeigt sich, dass durch das vorgeschlagene Verfahren komplexe 3-dimensionale Faserstrukturen besonderer Stabilität hergestellt werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils 17 einer Faserstruktur, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren (siehe 1). Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Das Bauteil 17 aus einer Faserstruktur weist eine aus einem Faserstrang 19 gewickelte und ausgehärtet Wickelstruktur auf, wobei in die Wickelstruktur Umlenkelemente 9 integriert sind. Die Umlenkelemente sind in axialer Richtung nach oben und unten durch scheibenförmige Begrenzungselemente 11 begrenzt. Das Bauteil ist insbesondere als fachwerkartige 3-dimensionale Struktur ausgebildet.
Das Bauteil 17 ist insbesondere ein Fahrzeugbauteil, Flugzeugbauteil, Roboterbauteil oder Werkzeugbauteil, insbesondere ist das Bauteil 17 ein Getriebeträger. Gerade bei einem als Getriebeträger ausgebildeten Bauteil 17 der hier angesprochenen Art verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils 17.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016012594 A1 [0003]
DE 102013014032 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (17) aus einer Faserstruktur, wobei ein Faserstrang (19) mittels einer Faserführungseinrichtung (15) geführt und auf einer Faserablegeeinrichtung (3) abgelegt wird, wobei die Faserablegeeinrichtung (3) eine Halteplatte (5) mit einer Mehrzahl von Stützelementen (7) und einer Mehrzahl von Umlenkelementen (9) aufweist, wobei die Stützelemente (7) an der Halteplatte (5) angeordnet sind, wobei die Umlenkelemente (9) an der Halteplatte (5), an den Stützelementen (7) und/oder aneinander in bestimmter räumlicher Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, und wobei der Faserstrang (19) um die Umlenkelemente (9) entlang eines Wickelpfades abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang (19) um jedes der Umlenkelemente (9) mindestens einmal vollständig umschlauft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Umlenkelemente (9) derart angeordnet werden, dass Abschnitte des Faserstrangs (19) in einem Winkel von 40 bis 50° relativ zueinander verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umlenkelemente (9) in axialer Richtung nach oben und unten durch insbesondere scheibenförmige Begrenzungselemente (11) begrenzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Umlenkelement (9) in axialer Richtung oberhalb eines entlang des Wickelpfads nachfolgenden Umlenkelements (9) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faserstrang (19) entlang des Wickelpfads alternierend gekreuzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Faserstruktur Inserts angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umlenkelemente (9) und/oder Inserts durch den Faserstrang (19) mehrfach umschlauft werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserstruktur durch den Faserstrang (19) ganz oder zumindest teilweise mehrlagig ausgebildet wird.
Bauteil (17) aus einer Faserstruktur hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8.
Bauteil (17) nach Anspruch 9, wobei das Bauteil (17) ein Fahrzeugbauteil, ein Flugzeugbauteil, ein Roboterbauteil oder ein Werkzeugbauteil ist, insbesondere ein Getriebeträger.