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Die Erfindung betrifft ein Wickelwerkzeug zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen, mit einer Mehrzahl an Wickeldornen, um deren Mantelflächen Endlosfasern zumindest abschnittsweise wickelbar sind, um eine Faserverstärkungsstruktur mit einer der gewünschten Orientierung der Endlosfasern in dem Polymer-Formteil entsprechenden Ausrichtung der Endlosfasern zu erzeugen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen, indem
- - mit wenigstens einem flüssigen oder viskosen Polymer oder
- - mit wenigstens einem, zu wenigstens einem Polymer aushärtbaren Flüssigharz
imprägnierte Endlosfasern entsprechend ihrer gewünschten Orientierung in dem Polymer-Formteil zumindest abschnittsweise um die Mantelflächen einer Mehrzahl an Wickeldornen gewickelt werden, um eine Faserverstärkungsstruktur mit einer der gewünschten Orientierung der Endlosfasern in dem Polymer-Formteil entsprechenden Ausrichtung der Endlosfasern zu erzeugen, wonach die Faserverstärkungsstruktur aus den imprägnierten Endlosfasern, gegebenenfalls unter zusätzlicher Zugabe
- - wenigstens eines flüssigen oder viskosen Polymers oder
- - wenigstens eines, zu wenigstens einem Polymer aushärtbaren härtbaren Flüssigharzes,
verpresst werden.
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Mit Endlosfasern verstärkte Polymer-Formteile finden für vielerlei Anwendungszwecke, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, z.B. für Stoßfänger, Sitzstrukturen, Karosserieteile, wie Frontendträger oder dergleichen, bis hin zu kompletten Karosserien, aber auch überall dort, wo eine gezielte Verstärkung des Polymer-Formteils in Richtung einwirkender Lasten erwünscht ist, z.B. bei sogenannten Strukturbauteilen, konstruktiven Profilen etc., verbreitet Verwendung. Im Gegensatz zu Polymer-Formteilen, welche mit Kurz- und/oder Langfasern mit statistischer Einmischung der Fasern in die Polymermatrix verstärkt sind, bieten Endlosfasern den Vorteil einer möglichen Anordnung in Richtung einwirkender Lasten - so z.B. in Richtung einer einwirkenden Zugbelastung - so dass das Polymer-Formteil vor einem Versagen im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung der Endlosfasern oder auch vor einem Einknicken im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Endlosfasern weitestgehend bewahrt wird. Folglich ist mittels einer aus Endlosfasern gebildeten Faserverstärkungsstruktur eine richtungsabhängige Verstärkung des jeweiligen Bauteils und im Hinblick auf das gegenüber Metall geringere Gewicht von Kunststoffen eine Ausführung des Bauteils in Leichtbauweise möglich.
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Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, wobei insbesondere Pressverfahren sowie - im Falle des Einsatzes von plastifizierbaren, thermoplastischen oder thermoelastischen Polymeren, Spritzgießverfahren zur Anwendung kommen. Dabei werden die Endlosfasern, welche mit plastifizierten Polymeren oder mit zu Polymeren - seien sie thermoplastisch, seien sie duroplastisch oder seien sie elastisch - aushärtbaren Flüssigharzen, wie z.B. in Form von polymerisierbaren Mono-, Di- oder Oligomeren, imprägniert worden sind, zunächst entsprechend der gewünschten Orientierung der Endlosfasern in dem zu erzeugenden Polymer-Formteil ausgerichtet und wird die hieraus resultierende Faserverstärkungsstruktur in dem Formraum eines Form- bzw. Presswerkzeugs unter Anwendung eines hinreichenden Formdruckes zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil geformt.
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Handelt es sich bei den Imprägnierpolymeren der Endlosfasern um plastifizierbare, thermoplastische oder thermoelastische Polymere, so wird das Form- bzw. Presswerkzeug anschließend abgekühlt und das fertige Polymer-Formteil dem Werkzeug entnommen. Die Polymermatrix eines solchen endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Polymer-Formteils kann dabei einerseits ausschließlich von dem schmelzflüssigen bzw. viskosen, thermoplastischen Imprägnierpolymer der Endlosfasern gebildet sein, andererseits können insbesondere auch zusätzliche plastifizierbare Polymere - z.B. dieselben Polymere, wie sie als Imprägnierpolymere der Endlosfasern verwendet worden sind, oder auch andere, hiermit kompatible, plastifizierbare Polymere - in Form einer Pressmasse bzw. Schmelze oder auch in Granulatform in das Form- bzw. Presswerkzeug eingebracht werden, um Polymer-Formteile mit praktisch beliebiger Form zu erzeugen, welche eine Endlosfaserverstärkung in der gewünschten Orientierung aufweisen.
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Handelt es sich bei den Imprägniermaterialien der Endlosfasern um zu thermoplastischen, duroplastischen oder auch elastischen Polymeren aushärtbaren Flüssigharzen, so wird das Form- bzw. Presswerkzeug zweckmäßigerweise auf eine hinreichende Temperatur erwärmt, um die Flüssigharze zu den jeweiligen Polymeren auszuhärten, wonach das Werkzeug gegebenenfalls abgekühlt und das fertige Polymer-Formteil dem Werkzeug entnommen werden kann. Auch die Polymermatrix eines solchen endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils kann dabei einerseits ausschließlich von den aus den ausgehärteten Imprägnierharzen der Endlosfasern gebildeten Polymeren gebildet sein, andererseits können insbesondere auch zusätzliche Flüssigharze - z.B. dieselben Flüssigharze, wie sie als Imprägniermaterialien der Endlosfasern verwendet worden sind, oder auch andere, zu anderen, hiermit kompatiblen Polymeren aushärtbare Flüssigharze - in Form einer Press- bzw. Gießmasse in das Form- bzw. Presswerkzeug eingebracht werden, um Polymer-Formteile mit praktisch beliebiger Form zu erzeugen, welche eine Endlosfaserverstärkung in der gewünschten Orientierung aufweisen.
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Der Begriff des „Verpressens“ bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung folglich sowohl auf ein unmittelbares Verpressen der imprägnierten und in der gewünschten Orientierung ausgerichteten Endlosfasern zu dem Polymer-Formteil als auch auf ein Verpressen der imprägnierten und in der gewünschten Orientierung ausgerichteten Endlosfasern nach deren Einbettung in eine Gieß- oder Spritzgießmasse zu dem Polymer-Formteil unter dem herrschenden Formdruck.
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Als Endlosfasern können je nach Einsatzzweck beliebige bekannte Verstärkungsfasern, z.B. synthetische Fasern, wie Carbon-, Glas-, Metall-, Aramidfasern oder dergleichen, natürliche Fasern mit einer hinreichenden Festigkeit, wie Cellulose, Hanffasern etc., oder auch Hybridfasern, z.B. Mischungen aus Polymer- und Verstärkungsfasern, in der jeweils gewünschten Form, z.B. in Form von Bändern, sogenannten Tapes, oder Garnen, sogenannten Rovings, eingesetzt werden. Die Endlosfasern können entweder bereits mit einem plastifizierbaren Polymer oder einem zu der gewünschten Polymermatrix des Formteils aushärtbaren Flüssigharz vorimprägniert sein, welches anlässlich der Verarbeitung zu dem Polymerformteil in einen schmelzflüssigen bzw. viskosen Zustand überführt oder ausgehärtet wird, was üblicherweise mittels entsprechender Heizkammern geschieht, durch welche die z.B. von einer Spindel abgewickelten Endlosfasern hindurchgeführt werden, oder die rohen Endlosfasern werden unter Anhaften des jeweiligen Imprägnierpolymers oder des jeweiligen Flüssigharzes durch eine Schmelze oder eine Vorlage desselben hindurchgeführt, wie es z.B. aus der
EP 0 364 829 B1 als solches bekannt ist.
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Um aus den imprägnierten Endlosfasern eine, insbesondere dreidimensionale, Faserverstärkungsstruktur zu erzeugen, in welcher die Endlosfasern entsprechend ihrer gewünschten Orientierung in dem zu erzeugenden, endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil, wie insbesondere entsprechend den auf das Bauteil einwirkenden Lastpfaden, ausgerichtet sind, um sie zu dem Polymer-Formteil verpressen zu können, werden die imprägnierten Endlosfasern in der Regel unter Anwendung der sogenannten „3D-Skelett-Wickeltechnik“ zumindest abschnittsweise oder im Wesentlichen gänzlich um die Mantelflächen einer Mehrzahl an Wickeldornen gewickelt, wobei die als Faserumlenkpunkte dienenden Wickeldorne an einem Wickelwerkzeug in Position gehalten werden. Die Wickeldorne selbst oder Teile derselben können nach dem Verpressen der Faserverstärkungsstruktur aus gewickelten, imprägnierten Endlosfasern entweder in dem erzeugten Polymer-Formteil verbleiben, um beispielsweise als zusätzliche Verstärkungsstruktur des Polymer-Formteils zu dienen, wie z.B. in Form von Inserts, welche als Lager- oder Lasteinwirkungspunkte des Polymer-Formteils genutzt werden können, oder die um die Wickeldorne fertig gewickelte Faserverstärkungsstruktur aus gewickelten, imprägnierten Endlosfasern wird von den Wickeldornen abgestreift und in das Form- bzw. Presswerkzeug überführt, um sie zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil zu verpressen (vgl. hierzu z.B. auch die
EP 1 568 473 A1 ). Bei dem mit den Wickeldornen versehenen Wickelwerkzeug kann es sich entweder um eine Hilfsform handeln, von welcher die um dessen Wickeldorne gewickelten, entsprechend ihrer gewünschten Orientierung in dem Polymer-Formteil ausgerichteten Endlosfasern in das Form bzw. Presswerkzeug überführt werden, oder das Wickelwerkzeug kann beispielsweise in das eigentliche Form- bzw. Presswerkzeug intergiert sein, in dessen Formraum die Wickeldorne angeordnet sind. Verschiedene Ausführungsformen von Wickelwerkzeugen für die Herstellung von endlosfaserverstärkten, thermoplastischen oder duroplastischen Polymer-Formteilen sind beispielsweise aus der
WO 2015/040050 A1 ,
DE 10 2011 000 105 B4 oder
WO 2001/064570 A1 bekannt.
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Die Wickeldorne bekannter Wickelwerkzeuge einschließlich jenen gemäß dem vorgenannten Stand der Technik besitzen üblicherweise eine weitestgehend kreiszylindrische Form, so dass sie sich insbesondere für eine im Wesentlichen schlaufenförmige Wicklung der imprägnierten Endlosfasern um die Wickeldorne im Wesentlichen senkrecht zu deren Längsachse eignen, um vornehmlich zweidimensionale Faserverstärkungsstrukturen zu erzeugen, bei welchen sich die Endlosfasern vornehmlich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Wickeldorne erstrecken. Indes eignen sich solche, mehr oder minder kreiszylindrischen Wickeldorne nur bedingt zur Erzeugung von dreidimensionalen Faserverstärkungsstrukturen, bei welchen die imprägnierten Endlosfasern sich in allen drei Raumrichtungen erstrecken und zu diesem Zweck nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel von ungleich 90° in Bezug auf die Längsachse der Wickeldorne um die Mantelfläche zumindest einiger der z.B. auf verschiedenen Höhenniveaus angeordneten Wickeldorne des Wickelwerkzeugs gewickelt werden müssen. In diesem Fall besteht die Gefahr eines axialen Abgleitens bereits gewickelter Endlosfasern von einem jeweiligen Wickeldorn, so dass entweder Ausschuss entsteht oder gar - sofern ein auch nur relativ geringfügiges Abgleiten der Endlosfasern von den Wickeldornen unbemerkt bleibt - die Gefahr gegeben ist, dass die erforderliche Festigkeit und/oder Steifigkeit des aus der verpressten Faserverstärkungsstruktur erzeugten Polymer-Formteils vermindert wird und letzteres bei den hierauf einwirkenden Lasten versagt.
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Aus den
DE 10 2006 038 130 B3 ,
DE 10 2016 012 534 A1 ,
DE 10 2016 012 594 A1 oder
DE 10 2016 013 599 A1 sind Wickelwerkzeuge zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen bekannt, welche diesen Problemen dadurch zu begegnen versuchen, dass die gleichfalls zylindrischen Wickelwalzen an ihren axialen Enden mit je einer endständigen Scheibe versehen sind, wobei die Scheiben einen gegenüber dem Querschnitt des Wickeldorns (deutlich) größeren Durchmesser besitzen, so dass um die Mantelfläche des Wickeldorns herum gewickelten Endlosfasern durch die Scheiben vor einem axialen Abgleiten von dem Wickeldorn auch dann bewahrt werden, wenn die Endlosfasern nicht senkrecht, sondem auch „schräg“ zur Längsachse des Wickeldorns nach oben oder unten (in Axialrichtung des Wickeldorns betrachtet) gewickelt werden, um eine dreidimensionale Faserverstärkungsstruktur aus imprägnierten Endlosfasern zu erzeugen, welche anschließend zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil verpresst werden kann. Indes hat sich bei einer derartigen Ausgestaltung der Wickeldorne als nachteilig erwiesen, dass die endständigen Scheiben der Wickeldorne die um die Wickeldorne gewickelten Endlosfasern zwar dort zu halten vermögen, die Scheibe aber eine relativ scharfe Umlenkung der „schräg“ auf die Wickeldorne gewickelten Endlosfasern bewirkt, welche zu einem lokalen Abknicken der Endlosfasern bis hin zu einem Bruch zumindest einiger Endlosfasern spätestens beim anschließenden Verpressen führen kann, was in einer Verminderung der Festigkeit und/oder Steifigkeit des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils resultiert, so dass letzteres Gefahr läuft, den hierauf einwirkenden Lasten nicht mehr dauerhaft standhalten zu können. Dies um so mehr, als ein Knicken oder Brechen der unmittelbar an die Scheibe angrenzenden, in dem fertig gewickelten Faserkonvolut innenliegenden Endlosfaserabschnitte nur sehr schwer identifiziert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wickelwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen der eingangs genannten Art unter zumindest weitgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass die Erzeugung von dreidimensionalen Faserverstärkungsstrukturen unter weitestgehender Verhinderung sowohl eines Abgleitens der Endlosfasern von den Wickeldornen als auch einer Beschädigung der Endlosfasern gewährleistet ist.
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In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Wickelwerkzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Mantelfläche wenigstens eines Wickeldorns einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang aufweist.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen der eingangs genannten Art sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ferner vor, dass die Endlosfasern zumindest abschnittsweise um die Mantelfläche wenigstens eines Wickeldorns gewickelt werden, welche einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang aufweist.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung, welche anstelle (kreis)zylindrischer Wickeldorne wenigstens einen Wickeldorn eines Wickelwerkzeugs vorsieht, dessen Mantelfläche einen abschnittsweisen oder auch gänzlich konkaven Umfang aufweist, ermöglicht einerseits eine sichere und reproduzierbare Erzeugung von dreidimensionalen Faserverstärkungsstrukturen aus Endlosfasern - seien sie mit plastifizierten, thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren imprägniert oder seien sie mit Flüssigharzen imprägniert, welche zu thermo-, duroplastischen oder elastomeren Polymeren aushärtbar sind -, indem die konkave Wölbung des Wickeldorns ein Abgleiten oder Abrutschen bereits gewickelter Endlosfasern von dem Wickeldorn nicht nur dann verhindert, wenn die Endlosfasern etwa senkrecht in Bezug auf die Längsachse des Wickeldorns, also unter einem Winkel von etwa 90° hierzu, um einen Teil der Mantelfläche des Wickeldorns gewickelt oder beispielsweise auch mittels Schlaufen dort befestigt werden, sondern auch dann, wenn die Endlosfasern unter relativ großen Winkeln in Bezug auf die Längsachse des Wickeldorns von beispielsweise bis zu etwa 70° oder etwa 80° um zumindest abschnittsweise einen Teil der Mantelfläche des Wickeldorns gewickelt oder z.B. auch mittels Schlaufen dort befestigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet folglich insbesondere die Möglichkeit, dass zumindest einige Endlosfasern unter einem Winkel von ungleich 90° in Bezug auf die Längsachse des Wickeldorns zumindest abschnittsweise um dessen Mantelfläche mit zumindest abschnittsweise konkavem Außenumfang gewickelt werden, so dass die Herstellung komplexer Faserverstärkungsstrukturen bzw. hieraus, z.B. mittels Verpressen, erzeugter, endlosfaserverstärkter Polymer-Formteile möglich wird, bei welchen sich die Endlosfasern, z.B. entsprechend der gewünschten Lasteinleitung in das Polymer-Formteil, in beliebige Raumrichtungen erstrecken können.
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Das Wickelwerkzeug selbst kann dabei sehr einfach und im Übrigen gemäß dem Stand der Technik aufgebaut sein und erfordert nicht notwendigerweise weitere Modifikationen. Die konkave Wölbung des Wickeldorns bzw. der Wickeldorne verhindert mangels scharfer Absätze oder Kanten hierbei ferner eine Beschädigung der Endlosfasern, wie eine Bildung von Knicken, Kerben oder gar Rissen etc., so dass die aus den Endlosfasern erzeugte Faserverstärkungsstruktur in dem Polymer-Formteil zuverlässig für die geforderte Festigkeit bzw. Steifigkeit zu sorgen vermag, ohne dass auch nach längerer Beanspruchung des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils die Gefahr besteht, dass letzteres aufgrund Faserschädigung versagt.
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Was die exakte geometrische Form und/oder die axiale Länge der konkaven Wölbung betrifft, mit welcher der Außenumfang der Mantelfläche des wenigstens einen Wickeldorns des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs zumindest abschnittsweise versehen ist, so kann diese an die jeweils gewünschte Geometrie der zu erzeugenden Faserverstärkungsstruktur und/oder an die Erstreckungsrichtung(en) der Endlosfasern in Bezug auf die Längsachse des Wickeldorns angepasst sein, wobei die Mantelfläche wenigstens eines Wickeldorns des Wickelwerkzeugs beispielsweise einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang aufweisen kann, welcher zumindest abschnittsweise im Wesentlichen kreisbogenförmig (d.h. der Radius der konkaven Wölbung ist etwa konstant) oder ellipsenförmig ist (d.h. die konkave Wölbung weist eine Mehrzahl an verschiedenen Krümmungsradien auf). Darüber hinaus sind selbstverständlich praktisch beliebige andersartige Ausgestaltungen des zumindest abschnittsweisen konkaven Außenumfangs der Mantelfläche des Wickeldorns denkbar, bei welchen die konkave Wölbung z.B.
- - einen konstanten oder mehrere verschiedene, zweckmäßigerweise bündig ineinander übergehende Krümmungsradien besitzt (siehe hierzu auch weiter unten); und/oder
- - sich über praktisch die gesamte axiale Länge des Wickeldorns oder auch nur über einen Abschnitt seiner axialen Länge erstrecken kann; und/oder
- - aus einer Mehrzahl an verschiedenen Querschnitten des Wickeldorns resultiert, welche von einem axialen Ende des Wickeldorns in Richtung seines entgegengesetzten axialen Endes kleiner (oder größer) werden (sofern gewünscht, ermöglicht eine solche Ausgestaltung insbesondere ein einfaches Abstreifen der orientierten Endlosfasern von dem Wickeldorn, um sie beispielsweise in ein Form- bzw. Presswerkzeug überführen zu können, wenn der Wickeldorn selbst nicht als zusätzliche Verstärkungsstruktur, wie nach Art eines Inserts, in dem fertigen, endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil verbleiben soll); und/oder
- - aus einer Mehrzahl an verschiedenen Querschnitten des Wickeldorns resultiert, welche von einem axialen Ende des Wickeldorns in Richtung seines entgegengesetzten axialen Endes zunächst kleiner und sodann wieder größer werden, beispielsweise in Bezug auf eine Querschnittsebene des Wickeldorns im Wesentlichen symmetrisch oder asymmetrisch.
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Darüber hinaus kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des wenigstens einen Wickeldorns des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang aufweist, welcher in Axialrichtung des Wickeldorns im Wesentlichen rotationssymmetrisch (der Wickeldorn weist in diesem Fall beispielsweise eine Vielzahl an verschiedenen, im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitten auf) und/oder zu wenigstens einer, die Längsachse des Wickeldorns enthaltenden Symmetrieebene im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ist (der Wickeldorn weist in diesem Fall beispielsweise eine Vielzahl an verschiedenen, im Wesentlichen ovalen Querschnitten oder eine Vielzahl an verschiedenen Querschnitten auf, welche im Wesentlichen aus einem Rechteck gebildet sind, von welchem zwei entgegengesetzte Seiten oder jeweils zwei entgegengesetzte Seiten, z.B. nach Art eines Halbkreises oder dergleichen, abgerundet sind).
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Um etwaige Stufen bzw. Kanten zu vermeiden, welche zu einer Faserschädigung führen könnten, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des wenigstens einen Wickeldorns des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang aufweist, welcher stetig (also ohne nennenswerte Stufen, insbesondere in Radialrichtung des Wickeldorns), insbesondere stetig und differenzierbar ist (also ohne nennenswerte Kanten und insbesondere mit fließendem Übergang etwaiger verschiedener Krümmungsradien der konkaven Wölbung des Außenumfangs des Wickeldorns).
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Ferner hat es sich in einigen Anwendungsfällen als vorteilhaft erwiesen, wenn die Mantelfläche des wenigstens einen Wickeldorns des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs im Wesentlichen katenoidförmig ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs kann vorgesehen sein, dass
- - ein sich an den zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang der Mantelfläche wenigstens eines Wickeldorns anschließendes, axiales Ende des Wickeldorns oder
- - beide axiale Enden des Wickeldorns, welche sich beidseitig an den zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang seiner Mantelfläche anschließen,
im Wesentlichen tonnenförmig ausgestaltet ist bzw. sind. Ein oder beide axiale(n) Ende(n) des Wickeldorns ist bzw. sind folglich ihrerseits umfangsseitig konvex abgerundet, so dass auch an dem oder den axialen Ende(n) des Wickeldorns keine scharfen Kanten gebildet sind und es folglich insbesondere auch möglich wird, Endlosfasern etwa in Axialrichtung des Wickeldorns oder unter einem demgegenüber spitzen Winkel von dem Wickeldorn fort zu orientieren, ohne dass die Gefahr einer Faserschädigung aufgrund Kontaktes mit einem scharfkantigen Ende des Wickeldorns besteht, welches sich mit den gewickelten Endlosfasern in Anlage befindet. Der konvexe Außenumfang des etwa tonnenförmigen axialen Endes geht zu diesem Zweck vorzugsweise im Wesentlichen bündig in den konkaven Außenumfang der Mantelfläche des Wickeldorns über.
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In diesem Zusammenhang kann ferner vorzugsweise vorgesehen sein, dass zumindest
- - ein sich an den zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang der Mantelfläche wenigstens eines Wickeldorns anschließendes, axiales Ende des Wickeldorns oder
- - beide axiale Enden des Wickeldorns, welche sich beidseitig an den zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang seiner Mantelfläche anschließen,
wenigstens eine radiale Aussparung aufweist bzw. aufweisen, wobei die radiale Aussparung, welche ihrerseits vorteilhafter Weise eine - in Radialrichtung betrachtet - konkave Krümmung besitzt, zur Aufnahme von vornehmlich in Axialrichtung des Wickeldorns um dessen konkaven Außenumfang gewickelten Endlosfasern zu dienen vermag. Wie bereits erwähnt, kann das oder können die axiale(n) Ende(n) des Wickeldorns zudem etwa tonnenförmig mit konvexem Außenumfang ausgestaltet sein, so dass eine höchst faserschonende Wicklung der Endlosfasern um zumindest einen Abschnitt des Außenumfangs des Wickeldorns unter praktisch beliebigen Winkeln der Endlosfasern in Bezug auf die Längsachse des Wickeldorns gewährleistet ist, um auch komplexe dreidimensionale Faserverstärkungsstrukturen bzw. diese enthaltende Polymer-Formteile zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, weist bzw. weisen die radiale(n) Aussparung(en) des Wickeldorns zu diesem Zweck vorzugsweise einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang auf, welcher insbesondere stetig (also ohne nennenswerte Stufen), vorzugsweise stetig und differenzierbar (also ohne nennenswerte Kanten und insbesondere mit fließendem Übergang etwaiger verschiedener Krümmungsradien der konkaven Wölbung der radialen Aussparung des Wickeldorns), ist und insbesondere an den zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang der Mantelfläche des Wickeldorns angepasst sein kann.
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Darüber hinaus kann dem wenigstens einen Wickeldorn des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs eine Heizeinrichtung zugeordnet sein, welche z.B. plastifizierte, thermoplastische und/oder thermoelastische Imprägnierpolymere der Endlosfasern in den schmelzflüssigen bzw. viskosen Zustand zu überführen oder im schmelzflüssigen bzw. viskosen Zustand zu halten vermag, um die Anhaftung der Endlosfasern an das Imprägnierpolymer und/oder an eine im Zuge der Verpressung zu dem Polymer-Formteil hieran angespritzte Spritzgießmasse zu verbessern, oder mittels welcher z.B. Flüssigharze, mit welchen die Endlosfasern imprägniert worden sind, vor- oder auch mehr oder minder gänzlich ausgehärtet werden können. Darüber hinaus vermag durch eine solche Heizeinrichtung die Anhaftung der imprägnierten Endlosfasern an den Wickeldorn selbst verbessert zu werden, sofern es insbesondere vorgesehen ist, dass der Wickeldorn als zusätzliche Verstärkungsstruktur, wie nach Art eine Inserts oder dergleichen, in dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil verbleiben soll. Bei der Heizeinrichtung kann es sich um praktisch beliebige, als solches aus dem Stand der Technik bekannte Heizeinrichtungen handeln, wie beispielsweise um konvektive Heizeinrichtungen. Ist der Wickeldorn aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, so kann beispielsweise ferner eine induktive Heizeinrichtung, Infrarotheizung, eine Widerstandsheizeinrichtung oder dergleichen vorgesehen sein.
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Während eine Ausbildung des Wickeldorns aus metallischen Werkstoffen auch weitere Vorteile bieten kann, wie beispielsweise die Aufnahme hoher Lasten bzw. hoher Anzugsmomente, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Wickeldorn selbstverständlich auch aus anderen Materialien gefertigt sein kann, wie z.B. aus Kunststoffen, Keramiken und dergleichen. Eine Ausgestaltung des Wickeldorns aus Kunststoffen kann beispielsweise dann erwünscht sein, wenn der Wickeldorn als Verstärkungsteil bzw. -struktur in dem aus der verpressten Faserverstärkungsstruktur aus imprägnierten Endlosfasern erzeugten Polymer-Formteil verbleiben soll, so dass beispielsweise auch eine stoffschlüssige Verbindung des als Verstärkungsstruktur dienenden Wickeldorns mit der Polymermatrix des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils möglich ist. Das Kunststoffmaterial des Wickeldorns sollte in diesem Fall dasselbe wie jenes des Polymer-Formteils oder hiermit kompatibel sein.
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Aus diesem Grund kann der Wickeldorn entweder fest mit dem Wickelwerkzeug verbunden sein (z.B. wenn die Faserverstärkungsstruktur von dem Wickeldorn abgestreift und anschließend zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil verpresst werden soll), oder der Wickeldorn kann lösbar an dem Wickelwerkzeug angeordnet sein, um als (zusätzliche) Verstärkungsstruktur des erzeugten Polymer-Formteils, wie z.B. in Form eines Inserts, zu dienen, wobei er gemeinsam mit der Faserverstärkungsstruktur zu dem Polymer-Formteil verpresst werden kann. Im letztgenannten Fall kann der in das endlosfaserverstärkte Polymer-Formteil integrierte Wickeldorn beispielsweise als Lasteinleit- oder Kraftübertragungselement des Polymer-Formteils genutzt werden, wobei der Wickeldorn entsprechende Strukturen, wie z.B. eine ihn zumindest teilweise durchsetzende, sich vornehmlich in Axialrichtung des Wickeldorns erstreckende Bohrung besitzen kann, welche als Befestigungsmittel dienen und/oder über welche Kräfte in das Polymer-Formteil eingeleitet werden können.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des wenigstens einen Wickeldorns des erfindungsgenmäßen Wickelwerkzeugs zumindest abschnittsweise porös ausgestaltet oder mit einer porösen, vorzugsweise offenporigen, Beschichtung versehen ist. Eine solche poröse, beispielsweise mikro- oder insbesondere nanoporöse, Mantelfläche des Wickeldorns vermag in einigen Fällen die Anhaftung der imprägnierten Endlosfasern weiter zu verbessern, indem das Imprägnierpolymer bzw. -harz der Endlosfasern die Poren zu infiltrieren vermag, so dass es zu einer Art Formschluss mit dem Wickeldorn kommt. Eine solche, z.B. mikro- oder nanoporöse Beschichtung kann aus demselben Material wie jenes des Wickeldorns oder aus anderen Materialien gefertigt sein, wobei sich beispielsweise poröse Beschichtungsmaterialien auf der Basis von Siliciumdioxid (SiO2) als geeignet erwiesen haben. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise auch ein beliebiger bekannter chemischer Haftvermittler eingesetzt werden, welcher oberflächig auf die konkave Mantelfläche des Wickeldorns aufgetragen werden kann.
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Der wenigstens eine Wickeldorn des erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs kann ferner schwenkbar und/oder in Bezug auf wenigstens einen weiteren Wickeldorn verlagerbar an dem Wickelwerkzeug angeordnet ist, um die Ausrichtung mehrerer Wickeldorne relativ zueinander verändern und auf diese Weise Faserverstärkungsstrukturen mit noch verschiedenerer Geometrie erzeugen zu können. Eine Verlagerbarkeit einzelner Wickeldorne relativ zu einander, wie insbesondere zumindest teilweise aufeinander zu bzw. voneinander fort, ermöglicht zudem ein Verspannen von bereits assemblierten Endlosfasern an den Wickeldornen des Wickelwerkzeugs. In diesem Zusammenhang sei auch auf die eingangs zitierte
EP 1 568 473 A1 verwiesen, welche hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
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Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Wickelwerkzeug ferner insbesondere
- - in Form eines Formwerkzeugs, in dessen Formraum die Wickeldorne angeordnet sind, oder
- - in Form einer Hilfsform, von welcher die um die Wickeldorne gewickelten, entsprechend ihrer gewünschten Orientierung in dem Polymer-Formteil ausgerichteten Endlosfasern in ein Formwerkzeug überführbar sind,
ausgebildet ist. In letztgenanntem Fall können den Wickeldornen beispielsweise Abstreifeinrichtungen zugeordnet sein, wie sie als solches gleichfalls aus der vorstehend zitierten EP 1 568 473 A1 bekannt sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Wickeldorns eines erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs;
- 2 eine schematische Seitenansicht des Wickeldorns gemäß 1 mit einem hieran umgelenkten Endlosfaserabschnitt;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Wickeldorns eines erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs;
- 4 eine schematische Seitenansicht des Wickeldorns gemäß 3 mit einem hieran umgelenkten Endlosfaserabschnitt; und
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Wickeldorns eines erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs.
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In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Wickeldorns eines erfindungsgemäßen Wickelwerkzeugs schematisch wiedergegeben, welches im Übrigen entsprechend dem Stand der Technik ausgestaltet sein kann und daher keiner eingehenden Erörterung bedarf. Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, besitzt der Wickeldorn 1 eine Mantelfläche 2, welche einen konkaven Außenumfang besitzt, der sich im vorliegenden Fall nahezu über die gesamte axiale Länge des Wickeldorns 1 erstreckt und beispielsweise im Wesentlichen kreisbogen-, ellipsen-, katenoidförmig oder auch andersartig ausgestaltet sein kann, aber vorzugsweise keinerlei mehr oder minder scharfkantigen Stufen oder Vorsprünge aufweist, also im mathematischen Sinne stetig und differenzierbar ist. Im Falle der Ausführungsform der 1 und 2 ist der konkave Außenumfang der Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1 ferner im Wesentlichen rotationssymmetrisch in Bezug auf die Längsachse A des Wickeldorns 1 ausgestaltet, wobei die Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1 eine Vielzahl an verschiedenen Kreisquerschnitten besitzt. Letztere nehmen im vorliegenden Fall von einem (z.B. in 1 und 2 oberen) axialen Ende 3a des Wickeldorns 1 in Richtung seines zentralen Axialabschnittes, z.B. bis zu einem Minimum, ab und sodann von seinem zentralen Axialabschnitt bis zu seinem entgegengesetzten (z.B. in 1 und 2 unteren) axialen Ende 3b wieder zu. Die Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1 kann überdies -sofern gewünscht - porös, z.B. mikro- oder nanoporös, ausgestaltet oder mit einer entsprechend porösen Beschichtung versehen sein.
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Die axialen Enden 3a, 3b des Wickeldorns 1, deren axiale Länge gegenüber der axialen Länge, über welche sich der konkave Außenumfang der Mantelfläche 2 erstreckt, (deutlich) kleiner ist, sind im vorliegenden Fall jeweils im Wesentlichen tonnenförmig - hier etwa kreistonnenförmig - ausgestaltet, wobei der konvexe Außenumfang der axialen Enden 3a, 3b bündig in den konkaven Außenumfang der Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1 übergeht, so dass Endlosfasern F nicht nur schonend und schadensfrei unter praktisch beliebigen Winkeln α ungleich 90° in Bezug auf die Längsachse A des Wickeldorns 1 um den konkaven Außenumfang seiner Mantelfläche 2 gewickelt werden können (vgl. die 2), sondern auch über seine axialen Enden 3a, 3b hinaus, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert ist.
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Darüber hinaus besitzt der Wickeldorn 1 im vorliegenden Fall eine etwa zentrale Bohrung 4, welche als Befestigungseinrichtung zur festen oder lösbaren Befestigung des Wickeldorns 1 an dem (nicht zeichnerisch dargestellten) Wickelwerkzeug zu dienen vermag. Sofern der Wickeldorn 1 lösbar an dem Wickelwerkzeug festgelegt ist und zusätzlich zu der aus den imprägnierten Endlosfasern F erzeugten Faserverstärkungsstruktur als weitere Verstärkungsstruktur des aus der Faserverstärkungsstruktur z.B. durch Verpressen erhaltenen endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils, z.B. in Form eines Inserts, dienen soll, kann die Bohrung 4 ferner z.B. als Lasteinwirkungsstelle des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils genutzt werden. Darüber hinaus kann dem Wickeldorn 1 z.B. eine als solche bekannte Heizeinrichtung (nicht gezeigt) zugeordnet sein.
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Die in den 3 und 4 schematisch dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wickeldorns 1 unterscheidet sich von jener der 1 und 2 vornehmlich dadurch, dass die axialen Enden 3a, 3b des Wickeldorns 1 jeweils zumindest eine - hier zwei entgegengesetzt angeordnete - radiale Aussparungen 5 aufweisen, welche sich im vorliegenden Fall bis zu einem an das jeweilige axiale Ende 3a, 3b angrenzenden Axialabschnitt der mit dem konkaven Außenumfang versehenen Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1 hinein erstrecken. Die endständigen radialen Aussparungen 5 des Wickeldorns 1 besitzen ihrerseits einen zumindest abschnittsweise konkaven Außenumfang, welcher ohne mehr oder minder scharfkantige Stufen oder Vorsprünge, also im mathematischen Sinne stetig und differenzierbar, einerseits in den konkaven Außenumfang der Mantelfläche 2 des Wickeldorns 1, andererseits in konvexe Umfangsabschnitte der axialen Enden 3a, 3b des Wickeldorns 1 übergehen, welche sich - in Umfangsrichtung betrachtet - jeweils zwischen den beiden radialen Aussparungen 5 befinden. Wie aus der 4 ersichtlich, dienen die radialen Ausnehmungen 5 des Wickeldorns 1 insbesondere zur schonenden und schadensfreien Aufnahme von Endlosfasern F, welche unter einem Winkel α von ungleich 90° in Bezug auf die Längsachse A des Wickeldorns 1 (vgl. auch die 2) bis hin zu einer in Bezug auf die Längsachse A parallelen Orientierung an dem Wickeldorn 1 umgelenkt werden können, um sehr komplexe, dreidimensionale Faserverstärkungsstrukturen erzeugen zu können, bei welchen die assemblierten Endlosfasern F in beliebige Raumrichtungen orientiert sein können.
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Bei der in der 5 schematisch wiedergegebenen Ausführungsform eines Wickeldorns 1, bei welcher identische und wirkungsgleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind und keiner nochmaligen Beschreibung bedürfen, weist der Wickeldorn 1 keine rotationssymmetrische Mantelfläche 2 auf, sondern erstreckt sich die mit konkavem Außenumfang versehene Mantelfläche 2 länglich und ist beispielsweise im Wesentlichen spiegelsymmetrisch in Bezug auf zwei senkrechte Ebenen, welche jeweils die Längsachse A des Wickeldorns 1 enthalten. Die zentrale Bohrung 4 ist in diesem Fall z.B. in Form eines Langlochs ausgestaltet, welches in Form und Größe an den Anwendungszweck des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils angepasst werden kann, sofern der Wickeldorn 1 als zusätzliche Verstärkungsstruktur desselben, wie z.B. nach Art eines Inserts, dienen soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0364829 B1 [0007]
- EP 1568473 A1 [0008, 0026, 0027]
- WO 2015/040050 A1 [0008]
- DE 102011000105 B4 [0008]
- WO 2001/064570 A1 [0008]
- DE 102006038130 B3 [0010]
- DE 102016012534 A1 [0010]
- DE 102016012594 A1 [0010]
- DE 102016013599 A1 [0010]
