DE102010053635A1

DE102010053635A1 - Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, Verfahren und Computerprogrammprodukt zur Herstellung des Elements, Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs sowie System zur Herstellung eines Faserprodukts

Info

Publication number: DE102010053635A1
Application number: DE102010053635A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schottdorf Bernd
Original assignee: CGB CARBON GROSBAUTEILE GmbH; CGB Carbon Großbauteile GmbH
Current assignee: HERO GMBH, DE
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: WO2012076155A3; EP2648892A2; WO2012076155A2; DE102010053635B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element (212; 318; 400) zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Herstellung eines solchen Elements (212; 318; 400) umfassend: Abbilden des Oberflächeninhalts eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs (104; 200; 300; 412) auf eine Hüllfläche, Definieren des Elements (212; 318; 400) anhand der Hüllfläche und Ausbilden des Elements (212; 318; 400) gemäß der Hüllfläche. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs umfassend: Definieren eines ersten Winkels (312, 314) einer Faser (302, 304, 306, 308, 322; 416) bezüglich einer Längsachse (202; 310; 414) eines Faserprodukts (104; 200; 300; 412), Definieren eines zweiten Winkels (324, 326) in Abhängigkeit vom definierten ersten Winkel (312, 314) und Anordnen der Faser (302, 304, 306, 308, 322; 416) auf einem Element (212; 318; 400) zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, um das Faserhalbzeug im ersten (312, 314) und/oder zweiten Winkel (324, 326) bezüglich einer Längsachse (214; 320; 402) des Elements (212; 318; 400) auszubilden. Schließlich betrifft die Erfindung ein System (100) zur Herstellung eines Faserprodukts (104; 200; 300; 412).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs und ein Verfahren und Computerprogrammprodukt zur Herstellung des Elements, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs sowie ein System zur Herstellung eines Faserprodukts.
STAND DER TECHNIK
Als Elemente zur Herstellung eines Faserhalbzeugs sind beispielsweise Kerne, auch Wickelkerne oder Urformen bekannt. Ferner sind Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs aus dem „Handbuch Verbundwerkstoffe", Neitzel, Mitschang, Hanser Verlag 2004, bekannt. Ein bekanntes Verfahren, auch Wickelverfahren genannt, dient der Herstellung von Faserteilen, Faserverbundteilen, Formteilen, wie Behältern, Rohren, Achsen und Wellen.
Geeignete Fasern sind z. B. Kohlefasern, auch Carbonfasern genannt, Glasfasern, Aramidfasern oder ähnliches und/oder auch Kombinationen aus solchen Fasern. Bei zylinder- und kegelförmigen Formteilen mit einseitigem Boden kann der Wickelkern nach dem Herstellungsprozess aus dem Formteil herausgezogen und später wieder verwendet werden. Bei anderen Formteilen verbleiben die Wickelkerne im Formteil. Sie werden verlorene Kerne genannt und können z. B. die Diffusionsfestigkeit eines Formteils verbessern. Es sind auch ausschmelzbare Kerne bekannt.
Zu den bekannten Herstellungsverfahren gehören auch das Umfangswickeln und Kreuzwickeln, bei dem ein Fadenableger ein oder mehrere Endlosfasern oder Faserbündel (Rovings), auf einen rotierenden Wickelkern ablegt.
Eine zur Einbettung der Fasern vorgesehene Matrix besteht z. B. aus geeigneten Kunstharzmischungen. Geeignete Matrixsysteme sind beim Wickeln formbar, geben nach dem Aushärten dem Verbundteil seine Form und stellen die Kraftübertragung zwischen den Fasern und Faserschichten sicher.
Ferner ist aus dem Composite Materials Handbook von Schwartz, McGraw-Hill Verlag, 2. Ausgabe 1991, ein Wickelverfahren zur Herstellung eines Faserhalbfabrikats bekannt. Dabei wird eine harzgetränkte Faser auf einen rotierenden Stahlzylinder zu einem Faserhalbfabrikat aufgewickelt. Der Stahlzylinder besitzt eine Längskerbe. Die Längskerbe im Stahlzylinder erlaubt es, das Faserhalbfabrikat aufzuschneiden und vom Stahlzylinder abzunehmen. Das abgenommene Faserhalbfabrikat wird in Stücke geschnitten und mit einer Presse zu einem Faserverbundteil geformt und gehärtet. Vor dem Pressen wird auf das Faserhalbfabrikat ein Plastikfilm aufgetragen, der die Handhabung vereinfacht. Der Plastikfilm wird nach dem Pressen vom gehärteten Faserverbundteil abgeschält.
Weiter ist aus der DE 3 133 733 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststofferzeugnisses bekannt. Das Verfahren sieht ein Wickeln eines Faserstrangs auf eine drehbare Trommel vor. Das Wickeln erfolgt in einer schraubenförmigen Steigung sowie in einer dazu entgegen gesetzten Steigung. Die Faser wird entweder vor dem Aufwickeln oder danach mit einem Harz imprägniert bzw. getränkt. Im Anschluss an das Wickeln wird ein so hergestelltes Prepreg von der Trommel abgeschnitten. Das Prepreg dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Erzeugnissen. Bei der Herstellung von Erzeugnissen aus Prepregs fällt jedoch bekanntermaßen teures Verschnitt- und Restmaterial an.
Schließlich beschreibt die DE 1 779 433 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundbaukörpers. Der Verbundbaukörper wird durch Wickeln einer Faser auf einen Wickelkern gebildet. Die Orientierung der Fasern verläuft je nach Richtung der im Betrieb auftretenden Hauptbeanspruchungsrichtung des Verbundbaukörpers. Mehrere Wicklungen bilden ein Laminat. Nach dem Abheben mehrerer Laminate vom Wickelkern werden diese in Pressformmulden eingebracht und härtbares Harzfüllmaterial zugeführt. Die Laminate werden dort anschließend bis zur Aushärtung verpresst. Durch Aushärten der Laminate entsteht ein Verbundbaukörper, der gemäß DE 1 779 433 A1 auf Maß zugeschnitten wird. Das Zuschneiden des Verbundbaukörpers erzeugt jedoch teures Verschnitt- bzw. Restmaterial.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Faserhalbzeuge und Faserprodukte kostengünstiger herzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst ein Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs eine Hüllfläche, die das Element definiert, und auf der das Faserhalbzeug ausbildbar ist. Die Hüllfläche ist in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs gebildet.
Vorzugsweise kann das Element als ein Kern, ein Wickelkern, eine Urform und dergleichen ausgebildet sein. Dabei kann das Element als bewickelbarer Zylinder, Kegel, Kegelstumpf, Paraboloid oder Körper mit sonstigen geeigneten Geometrien ausgebildet sein. Auch daraus zusammengesetzte Körper, wie Zylinder mit angesetztem Kegel, Sanduhrartiger Doppelkegel, Kegel-Zylinder-Kegel etc. sind umfasst. Außerdem kann das Element Formen mit Hinterschneidungen umfassen.
Dadurch dass das Element Hinterschneidungen oder andere komplexe Formen aufweisen kann, unterscheidet es sich von bekannten herausnehmbaren Urformen. Eine Hinterschneidung ist im Allgemeinen ein Profil, ein Relief oder eine andere hervorstehende Form. Hinterschneidungen in Faserhalbzeugen oder weiterverarbeiteten Faserhalbzeugen können mit einem gängigen Faserwickelverfahren und herausnehmbaren Wickelkernen praktisch nicht realisiert werden. Der Wickelkern wäre durch die Hinterschneidung blockiert und könnte nicht mehr aus dem Faserhalbzeug herausgenommen werden. Das erfindungsgemäße Element muss jedoch vorzugsweise nicht aus dem Faserhalbzeug herausgezogen werden, sodass Hinterschneidungen im Faserhalbzeug herstellbar sind.
Weiter meint Hüllfläche eine Fläche, die das Volumen des Elements einschließt, umgibt bzw. umhüllt. Die Hüllfläche ist nicht auf eine Fläche beschränkt die von etwas umhüllt wird. Die Hüllfläche kann allgemein auch eine Oberfläche oder die Summe mehrerer Oberflächen sein, die ein beliebig geformtes Volumen umgeben.
Das Ausbilden des Faserhalbzeugs auf der Hüllfläche umfasst vorzugsweise ein Bewickeln, Belegen, Bespannen oder dergleichen der Hüllfläche mit einer Faser, mit einem Faserroving, einem Faserband oder mit einem ähnlichen langgestreckten, dünnen, biegsamen und zugfesten Faser-Material. Die Faser kann als eine Endlosfaser ausgebildet sein. Alternativ kann die Faser jedoch auch mehrere kurze oder lange Einzelfasern bzw. Faserbündel umfassen.
Die Hüllfläche des Elements kann flächengleich zum Oberflächeninhalt gebildet sein. Alternativ kann sie größer ausgebildet sein. Ein Vorteil der Flächengleichheit liegt darin, dass ein Faserhalbzeug mit vorbestimmten End- oder Zielmaßen herstellbar ist und nachträgliches Zuschneiden verringert oder vermieden wird. Da Fasermaterialien, wie Carbon und Aramid teuer sind, können durch die Flächengleichheit verschnittarme oder verschnittfreie Faserhalbzeuge auf preisgünstige Weise hergestellt werden.
Vorzugsweise kann die Hüllfläche näherungsweise flächengleich zum Oberflächeninhalt gebildet sein, d. h. 80% bis 99% Flächengleichheit.
Das Material der Faser kann beispielsweise folgende Materialien umfassen: Kohlenstoff, Carbon, Keramik, Borkarbid, Quarzglas, Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid-Nitrid, Bornitrid, Glas, synthetisches Material, Aramid, Polyethylen, Polyamid, Polyester, Metall, Bor, Wolfram, Stahl, Aluminium, natürliches Material, Pflanzenfasern, Flachsfasern, Sisalfasern und Kombinationen daraus, z. B. ein erstes Material für eine Faserseele mit einer Umwicklung aus einem zweiten Material.
Das ausgebildete Faserhalbzeug ist vorzugsweise eine Gewirke, Geflecht oder Gelege aus Fasern ohne oder im Wesentlichen ohne eine Matrix. Außerdem ist das Faserverbundhalbzeug vorzugsweise kein Hohlkörper, wie er etwa bei einem bekannten Wickelkern-Verfahren hergestellt wird.
Das Faserhalbzeug kann auch eine Matrix umfassen. Der Stoff der Matrix umfasst vorzugsweise Duromere, wie Epoxydharz, oder Thermoplasten. Für thermisch hoch belastete Faserprodukte kann für die Matrix auch auf Keramik oder Metalle zurückgegriffen werden.
Die Matrix dient vorzugsweise als Klebstoff zwischen aneinanderliegenden Abschnitten der Faser, ist jedoch nicht auf die Wirkung eines Klebstoffs beschränkt. Die Faser und eine nichtausgehärtete Matrix bilden zusammen vorzugsweise ein Faserverbundhalbzeug, Faserhalbfabrikat oder dergleichen. Auch im ausgehärteten Zustand können die Matrix und die Faser zusammen als Faserhalbzeug verstanden werden, nämlich insbesondere dann, wenn das Faserhalbzeug zu einem weiteren Halbzeug oder Endprodukt weiterverarbeitet wird.
Die Weiterverarbeitung des Faserhalbzeugs kann eine Form-, Zustands- (z. B. Aushärten) und Abmessungsänderung umfassen. Das Faserhalbzeug kann dabei in bestimmten Abschnitten gestaucht, in anderen gestreckt werden. Das Stauchen oder Strecken kann zu einer Änderung des Oberflächeninhalts des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs im Vergleich zu einem ausgebildeten Faserhalbzeug führen.
Die einzelnen Fasern bzw. die Endlosfaser können seitlich nebeneinander liegend auf der Hüllfläche angeordnet werden. Außerdem kann die Faser garnspulenartig in übereinander liegenden Schichten angeordnet sein.
Die Hüllfläche kann auch in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs abgebildet werden. Das Abbilden meint in diesem Fall einen mathematischen Zusammenhang zwischen dem Oberflächeninhalt und der Hüllfläche.
Das Vermeiden oder Verringern von Faserverschnitt kann auf vorteilhafte Weise mit dem erfindungsgemäßen Element dadurch erreicht werden, dass die Hüllfläche des Elements in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs gebildet ist. Würde sich beispielsweise der Oberflächeninhalt bei der Weiterverarbeitung des Faserhalbzeugs z. B. durch Stauchung oder Streckung derart verändern, dass er zu groß (oder auch zu klein) für ein Faserprodukt ist, kann die Hüllfläche des Elements durch die Abhängigkeit bereits im Vorhinein entsprechend angepasst werden. Durch weniger bzw. keinen anfallenden Faserverschnitt kann das Faserhalbzeug so preiswerter hergestellt werden.
Ferner meint Bilden auch ein Herstellen oder Bearbeiten, wie fräsen, drehen, schleifen etc.
Erfindungsgemäß kann die Hüllfläche um eine Längsachse des Elements eine rotationssymmetrische Mantelfläche sein.
Die rotationssymmetrische Mantelfläche bildet vorzugsweise einen Spezialfall der Hüllfläche.
Ein Vorteil einer rotationssymmetrischen Mantelfläche liegt in einer vereinfachten Herstellung des Elements z. B. mittels einer Drehmaschine oder Drehbank. Drehmaschinen sind meist einfach aufgebaute 2-dimensionale Bearbeitungsmaschinen und daher weniger aufwendig gebaut als 3-, 4- oder 5-achsige Fräsmaschinen. Auch das Verhältnis von Arbeitsraum und Bearbeitungsmaschinenpreis kann bei Drehmaschinen günstiger ausfallen, sodass dass Element mit einer Drehmaschine preiswerter herstellbar ist.
Vorzugsweise umfasst eine solche Mantelfläche zusätzlich auch eine Boden- und/oder Deckelfläche des von der Mantelfläche umschlossenen Elements.
Die Hüllfläche oder die Mantelfläche kann glatt sein, Führungsrillen, eine Antirutschbeschichtung oder anderweitig raue Oberfläche besitzen. Eine raue Oberfläche oder Führungsrillen können für das Bewickeln mit einer Faser vorteilhaft sein, um ein Verrutschen der Faser auf dem Element zu verhindern.
Erfindungsgemäß kann die Hüllfläche des Elements in Abhängigkeit von der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs gebildet sein.
Die Randform, bzw. der Rand, kann als Begrenzung des Oberflächeninhalts des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs verstanden werden.
Beispielsweise führt eine rechteckige Randform beim Abbilden zu einer zylindrischen Hüllfläche des Elements. Als weiteres Beispiel führt eine trapezförmige Randform des im weiterverarbeiteten Zustand vorliegenden Faserhalbzeugs zu einer kegelstumpfförmigen Hüllfläche des Elements.
Liegt ein weiterverarbeitetes Faserhalbzeug vor, das einfachen geometrischen Formen entspricht, wie z. B. Rechteck, Quadrat, Dreieck, Trapez, so kann vorteilhaft schnell und einfach eine Hüllfläche in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt und/oder der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs gebildet werden. Die Abhängigkeit entspricht in diesem Fall einer Aufwicklung der einfachen geometrischen Form zu einer geschlossenen Fläche, nämlich der Hüllfläche. Durch die Aufwicklung einer solchen einfachen geometrischen Form kann eine röhrenförmige Hüllfläche entstehen, die einen Deckel und/oder Boden umfasst.
Erfindungsgemäß können Mantelumfänge in Abständen entlang der Längsachse des Elements Faserhalbzeug-Modell-Querlängen in denselben Abständen entlang einer Längsachse eines Faserhalbzeug-Modells entsprechen
Das Faserhalbzeug-Modell kann z. B. als Prototyp vorliegen oder erstellt werden. Vorzugsweise ist das Faserhalbzeug-Modell aus einem leicht modellierbaren Material, wie Holz, Ton, Kunststoff etc., hergestellt.
Vorzugsweise sind die Längsachsen des Elements und des Faserhalbzeug-Modells festgelegt. Das Festlegen der Längsachse erfolgt vorzugsweise vor dem Herstellen des Elements und vor der Erstellung des Faserhalbzeug-Modells z. B. auch in einer technischen Zeichnung.
Die Längsachsen dienen vorteilhaft als gemeinsame Bezugslinie für die Abstände. Ist eine Längsachse im Faserhalbzeug-Modell festgelegt, so kann eine Faserhalbzeug-Modell-Querlänge der Länge einer Senkrechten zu dieser Längsachse entsprechen, wobei die Faserhalbzeug-Modell-Querlänge durch den Rand des Faserhalbzeug-Modells begrenzt ist.
Außerdem kam ein Bezugspunkt definiert werden, wobei Punkte auf dem Faserhalbzeug bzw. Faserhalbzeug-Modell oder dem Element mittels Vektoren bezüglich des Bezugspunkts bestimmt sind. Durch eine Vektortransformation kann der Oberflächeninhalt und/oder die Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs auf das Element abbildbar sein.
Ein Vorteil eines Faserhalbzeug-Modells liegt darin, dass der Oberflächeninhalt und/oder die Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs exakt oder wenigstens näherungsweise auf die Hüllfläche des Elements abbildbar ist, ohne ein Computermodell des Faserhalbzeugs als Ausgangsbasis verwenden zu müssen.
Das Faserhalbzeug-Modell kann aber auch ein Computermodell, d. h. ein virtuelles Modell sein. Ein Vorteil des Computermodells liegt darin, dass kein Prototyp oder dergleichen als Faserhalbzeug-Modell anzufertigen ist, so dass die Kosten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Elements reduziert werden können.
Erfindungsgemäß können die Abstände in Bereichen einer Krümmung des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs bzw. des Faserhalbzeug-Modells gering sein und in linearen Bereichen des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs groß sein.
Die Krümmungen können an den Rändern des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs vorliegen. Die Krümmungen können jedoch auch Wölbungen in der Fläche des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs umfassen.
Ein linearer Bereich kann Ebenen bzw. gerade, plane Flächen, aber auch Bereiche mit geringer Krümmung umfassen. Vorzugsweise genügt in einem linearen Bereich des weitverarbeiteten Faserhalbzeugs ein Abstand, der durch Anfang und Endes des linearen Bereichs definiert ist, um den linearen Bereich auf die Hüllfläche des Elements abzubilden.
In Bereichen geringer Krümmung können kleinere Abstände vorgesehen sein, als in Bereichen mit großer Krümmung.
Ein Vorteil kleinerer Abstände liegt darin, dass die Mantel- oder Hüllfläche des Elements genauer dem Oberflächeninhalt und/oder der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs entsprechen können. Ein Vorteil der genaueren Entsprechung der Flächen kann in weniger bis gar keinem anfallendem Verschnitt am Faserhalbzeug liegen.
Liegen viele nur lineare Bereiche im Faserhalbzeug vor, so kann vorteilhafterweise mit wenigen Abständen eine Hüllfläche in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt und/oder von der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs gebildet werden.
Ferner umfasst erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Elements zur Herstellung eines Faserhalbzeugs Abbilden eines Oberflächeninhalts eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs auf eine Hüllfläche, Definieren des Elements anhand der Hüllfläche und Ausbilden des Elements gemäß der Hüllfläche.
Das Abbilden kann wie zuvor beschrieben mechanisch anhand eines gegenständlichen Faserhalbzeug-Modells und/oder virtuell anhand eines computererzeugten Faserhalbzeug-Modells erfolgen. Das Abbilden kann auch das Ausbilden umfassen.
Wird das Faserhalbzeug auf der Hüllfläche gebildet und nicht weiterverarbeitet, so kann der Oberflächeninhalt des Faserhalbzeugs im Wesentlichen dem Oberflächeninhalt der Hüllfläche entsprechen. Wird das Faserhalbzeug weiterverarbeitet, kann sich der Oberflächeninhalt des Faserhalbzeugs dadurch wenigstens Abschnittsweise verändern. Wird das Faserhalbzeug beispielsweise gepresst oder anderweitig umgeformt, kann das Faserhalbzeug gestaucht oder gestreckt werden, so dass sich der Oberflächeninhalt ändert.
Erfindungsgemäß kann die Hüllfläche als rotationssymmetrische Mantelfläche abgebildet werden. Der Oberflächeninhalt des weiterarbeiteten Fasehalbzeugs kann mathematisch auf die rotationssymmetrische Mantelfläche abgebildet werden. Dies kann in diesem Fall eine Aufwicklung, d. h. eine umgekehrte Abwicklung sein.
Erfindungsgemäß kann die Hüllfläche in Abhängigkeit von der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs abgebildet werden. Liegt beispielsweise ein weiterverarbeitetes Faserhalbzeug vor, das einfachen geometrischen Formen entspricht, so kann vorteilhaft schnell und einfach die Hüllfläche in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt und/oder der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs abgebildet werden. Die Abhängigkeit kann in diesem Fall einer Aufwicklung der einfachen geometrischen Form zu einer geschlossenen Fläche umfassen, nämlich der Hüllfläche. Durch die Aufwicklung einer solchen einfachen geometrischen Form kann eine röhrenförmige Hüllfläche entstehen, die einen Deckel und/oder Boden umfasst.
Erfindungsgemäß kann der Oberflächeninhalt des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs flächengleich auf die Hüllfläche abgebildet werden. Flächengleich Abbilden kann auch ein einfaches, insbesondere mechanisches, Kopieren der Oberflächen eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs umfassen.
Erfindungsgemäß können die Form des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs ermittelt werden, Abstände entlang einer Längsachse des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs festgelegt werden, Faserhalbzeug-Querlängen in den Abständen ermittelt werden und Faserhalbzeug-Querlängen auf Mantelumfänge des Elements in den Abständen entlang einer Längsachse des Elements abgebildet werden.
Vorzugsweise werden dabei die Längsachsen entlang des Elements bzw. entlang des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs festgelegt. Das Festlegen kann anhand einer technischen Zeichnung erfolgen.
Das Ermitteln der Form meint auch ein vorab Definieren oder Festlegen der Form, insbesondere des Oberflächeninhalts und der Randform des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs. Das Ermitteln oder Definieren der Form kann anhand einer einfachen technischen Zeichnung durchgeführt werden. Das Festlegen der Abstände kann beispielsweise zeichnerisch erfolgen. Das Ermitteln der Faserhalbzeug-Querlängen kann mittels eines Längenmessmittels erfolgen. Das Abbilden der Faserhalbzeug-Querlängen meint beispielsweise ein Übertragen der gemessenen Faserhalbzeug-Querlängen auf Mantelumfänge des Elements. Eine gemessene Faserhalbzeug-Querlänge kann dabei genauso lang sein wie der entsprechende Mantelumfang. Die vorgenannten Schritte können mit einfachen Mitteln, wie z. B. Papier, Maßband und dergleichen oder auch mit einem einfachen Computerprogramm und einer CAD-Zeichnung des Faserhalbzeugs, bzw. des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß umfasst ein Computerprogrammprodukt zur Erstellung eines Element-Modells eine Funktion zum Abbilden eines Oberflächeninhalts eines Faserhalbzeug-Modells auf eine Hüllfläche, die das Element-Modell definiert. Das Computerprogrammprodukt umfasst vorzugsweise eine CAD-(Computer Aided Design)-Programm und ein CAM-(Computer Aided Manufacturing)-Programm. CAD meint in diesem Fall einen rechnergestützten Entwurf des Element-Modells und/oder des Faserhalbzeug-Modells. Der Oberflächeninhalt des Faserhalbzeug-Modells kann durch eine mathematische Funktion auf die Hüllfläche des Element-Modells abgebildet werden. Mittels eines CAM-Programms kann dann das erstellte Element-Modell rechnergestützt z. B. mittels einer CNC-Drehmaschine hergestellt werden. Durch die computergestützte Erstellung des Element-Modells kann der Herstellprozess für ein Element schnell, wiederholbar, zuverlässig und genau werden.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs ein Element mit einer Längsachse, eine Faserablegeeinrichtung, die eine Faser auf dem Element in einem definierten ersten Winkel zur Längsachse anordnet, um das Faserhalbzeug auszubilden, eine Weiterverarbeitungseinrichtung zum Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs zu einem Faserprodukt, wobei der definierte erste Winkel in Abhängigkeit von einem zweiten Winkel der Faser im Faserprodukt bezüglich einer Längsachse des Faserprodukts bestimmt ist.
Eine Faserablegeeinrichtung kann jede Einrichtung umfassen, die eine Faser auf dem Element anordnen kann, z. B. eine Führungs-Öse, ein Roboterarm und dergleichen. Die Faserablegeeinrichtung bewegt sich vorzugsweise mit einem bestimmten Vorschub relativ zum Element, um die Faser im definierten Winkel zur Längsachse anordnen zu können. Die Vorschubgeschwindigkeit der Faserablegeeinrichtung kann dabei die Steigung der aufgebrachten Fasern bestimmen.
Eine Schneideeinrichtung kann dazu vorgesehen sein, das auf dem Element gebildete Faserhalbzeug aufzutrennen und es vom Element abzunehmen. Das aufgetrennte Faserhalbzeug kann auch selbstständig vom Element herabfallen.
Die Weiterverarbeitungseinrichtung kann das Faserhalbzeug zu einem weiteren Faserhalbzeug, Faserhalberzeugnis, zu einem Faserprodukt bzw. zu einem Faserendprodukt weiterverarbeiten.
Da sich die Orientierung der Faser in Faserhalbzeug durch Weiterverarbeitung verändern kann, liegt ein Vorteil der Abhängigkeit des definierten ersten Winkels vom zweiten Winkel darin, dass eine in einem Faserprodukt gewünschte Faserorientierung oder Faserrichtung bereits beim Ausbilden des Faserhalbzeugs auf dem Element berücksichtigt wird. Dadurch kann die Faserorientierung nach der Weiterverarbeitung der gewünschten Faserorientierung im Faserprodukt entsprechen.
Durch die Abhängigkeit des definierten ersten Winkels von dem zweiten Winkel der Faser im Faserprodukt kann das Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis des gesamten Faserprodukts vorteilhaft verbessert werden. Das ist insbesondere dadurch erreichbar, dass die Faser, und damit das Fasergewicht, durch die definierte Orientierung bzw. den definierten Winkel im Wesentlichen dort im Faserprodukt eingesetzt, gewickelt, gewebt, verbaut etc. wird, wo die Faser die gewünschte Wirkung, wie z. B. Steifigkeit für das gesamte Faserprodukt erzielt. An Stellen des Faserprodukts, an denen bei Gebrauch eine stärkere Belastung wirkt, können dadurch mehr Fasermaterial bzw. dickere Faserschichten vorliegen als an Stellen, an denen bei Gebrauch des Faserprodukts geringer Belastungen wirken.
Eine gewünschte Faserorientierung im Faserprodukt ermöglicht des Weiteren eine Versteifung oder Erhöhung der Zugfestigkeit im Faserprodukt in einer oder mehreren bestimmten Richtungen.
Vorzugsweise ist das vorgenannte Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs ein erfindungsgemäßes Element.
Erfindungsgemäß kann die Faserablegeeinrichtung die Faser wenigstens abschnittsweise geodätisch auf dem Element anordnen.
Geodätisch bedeutet im Allgemeinen die theoretisch kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten Fläche, die sog. geodätische Linie. Auf einer Kugelfläche ist eine geodätische Verbindung beispielsweise ein Kreisbogen. Die Faser geodätisch auf dem Element anzuordnen bedeutet im Wesentlichen, die Faser auf dem kürzesten Weg zwischen zwei Punkten auf dem Element anzuordnen. Ein Vorteil des geodätischen Anordnens kann darin liegen, dass die Faser dadurch auf dem Element weniger verrutscht.
Vorzugsweise kann die Faser auf den Abschnitten des Elements geodätisch und auf anderen Abschnitten im definierten ersten Winkel angeordnet sein, z. B. um die Zugfestigkeit des Faserhalbzeugs in dieser Orientierung zu verbessern. Abschnitte können in diesem Fall Teilstücke der Faser oder auch Schichten von übereinanderliegenden Fasern umfassen.
Erfindungsgemäß kann die Faserablegeeinrichtung wenigstens einen Freiheitsgrad aufweisen.
Ein Freiheitsgrad entspricht im Allgemeinen der Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten zweier Gegenstände zu einander, z. B. eine Rotation der Faserablegeeinrichtung um das Element oder eine Translation der Faserablegeinrichtung entlang des Elements.
Erfindungsgemäß kann die Faserablegeeinrichtung die Faser abschnittsweise auf dem Element im definierten Winkel zur Längsachse des Elements anordnen
Erfindungsgemäß kann das Element um seine Längsachse drehbar sein und die Faserablegeeinrichtung kann parallel zur Längsachse bewegbar sein.
Durch diese Konfiguration kann das Faserhalbzeug kostengünstig hergestellt werden, da nur ein Gestell zur Aufnahme des Elements, ein Drehantrieb zum Drehen des Elements und eine auf einer Schiene gelagerte Faserablegeeinrichtung mit einem Linearantrieb erforderlich sein kann.
Erfindungsgemäß kann die Weiterverarbeitungseinrichtung eine Schneideeinrichtung und/oder eine Presse umfassen.
Eine Schneideeinrichtung ist beispielsweise ein Messer, eine Schere oder dergleichen, die dazu eingesetzt werden kann, das auf dem Element gebildete Faserhalbzeug entlang des Elements mit einem Schnitt aufzutrennen, um so ein flächiges Faserhalbzeug zu erhalten. Das Faserhalbzeug kann nach dem Schnitt vom Element herabfallen. Alternativ kann das Faserhalbzeug vom Element abgenommen werden und einer Presse zugeführt werden. Anschließend kann das Faserhalbzeug entsprechend einem Press-Stempel, einer Matrize bzw. Patrize geformt und gehärtet werden.
Erfindungsgemäß kann ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs die Schritte umfassen: Definieren eines ersten Winkels einer Faser bezüglich einer Längsachse des Faserhalbzeugs, Definieren eines zweiten Winkels in Abhängigkeit vom definierten ersten Winkel und Anordnen der Faser auf dem Element zum Ausbilden des Faserhalbzeugs im zweiten Winkel bezüglich einer Längsachse des Elements.
Die Orientierung von Fasern in einem Faserhalbzeug kann sich auf die Zugfestigkeit bzw. Belastbarkeit des Faserhalbzeugs in bestimmte Richtungen auswirken. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Faserhalbzeugs kann darin liegen die die Genauigkeit der Orientierung der Fasern im Faserhalbzeug zu verbessern.
Erfindungsgemäß kann eine Matrix während oder vor dem Anordnen der Faser auf dem Element zugeführt werden.
Ein Vorteil der Zufuhr der Matrix während des Anordnens der Faser auf dem Element kann darin liegen, dass mehr Zeit bis zum Aushärten oder teilweisen Aushärten der Matrix verbleibt. Ein Vorteil des Zuführens einer Matrix vor dem Anordnen der Faser auf dem Element kann darin liegen, dass die Faser besser mit der Matrix imprägnierbar ist, so dass weniger Lufteinschlüsse im Faserhalbzeug entstehen. Durch die Zufuhr einer Matrix aus dem Faserhalbzeug kann ein Faserverbundhalbzeug entstehen.
Erfindungsgemäß kann ein erster Winkel einer Faser bezüglich der Längsachse in Abschnitten festgelegt werden. Außerdem kann die Faser auf dem Element im zweiten Winkel bezüglich der Längsachse des Elements in Abschnitten angeordnet werden.
Vorzugsweise führt eine Faser über mehreren Abschnitten hinweg mit jeweils einem definierten Winkel um das Element. Diese Faserführung kann die Zugfestigkeit bzw. Belastbarkeit des Faserhalbzeugs in bestimmte Richtungen verbessern.
Erfindungsgemäß kann die Faser wenigstens abschnittsweise geodätisch auf dem Element angeordnet werden. Dadurch verrutscht die Faser auf dem Element im Allgemeinen weniger.
Erfindungsgemäß kann das auf dem Element ausgebildete Faserhalbzeug, insbesondere entlang der Längsachse des Elements, aufgeschnitten werden und vom Element abgenommen werden.
Das Faserhalbzeug kann sowohl parallel zur Längsachse des Elements als auch in einem bestimmten Winkel dazu aufgeschnitten werden. Um ein bestimmte Randform des Faserhalbzeugs zu erreichen, kann das Faserhalbzeug außerdem in einer definierten Kurve aufgeschnitten werden.
Erfindungsgemäß kann das Faserhalbzeug zu einem weiterverarbeiteten Faserhalbzeug und/oder zu einem Faserprodukt gepresst werden.
Vorzugsweise umfasst das Pressen ein Umformen des Faserhalbzeugs von einer flächigen in eine dreidimensionale Form. Vorzugsweise umfasst das Pressen des Faserhalbzeugs auch ein Härten des Faserhalbzeugs zu einem Faserprodukt oder zu einem Faserverbundhalbzeug oder einem anderen Faserhalbfabrikat.
Erfindungsgemäß können mehrere Faserprodukte miteinander verklebt werden.
Beispielsweise können Faserprodukt mit Faserhalbzeug, Faserprodukt mit Faserverbundhalbzeug, Faserverbundhalbzeug mit Faserverbundhalbzeug, Faserhalbzeug mit Faserhalbzeug und dergleichen miteinander verklebt werden.
Vorzugsweise werden die Faserprodukte vor dem Pressen mit einem Trenmmittel versehen. Das Trennmittel kann ein Herausnehmen, Formen, Umformen oder Pressen des Faserhalbzeugs in der Presse erleichtern. Nach dem Pressen wird das Trennmittel vorzugsweise in wenigstens einem Abschnitt mit einem Laser abgelasert. Das Ablasern umfasst ein Verdampfen oder Abbrennen des Trennmittels.
Vorzugsweise wird das Faserprodukt am abgelaserten Abschnitt mit einem Haftmittel, z. B. Klebstoff, versehen und mit einem anderen Faserprodukt verbunden. Dadurch können stabile, belastbare, insbesondere hohle, und dadurch leichte Faserverbundprofile hergestellt werden.
Erfindungsgemäß kann das Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs für die vorgenannten Schritte ein erfindungsgemäßes Element sein.
Erfindungsgemäß umfasst ein System zur Herstellung eines Faserprodukts eine Abbildeeinheit zum Abbilden des Oberflächeninhalts eines Faserhalbzeug-Modells auf eine Hüllfläche eines herzustellenden Wickelkerns, eine Herstelleinheit zum Herstellen des Wickelkerns anhand der Hüllfläche, eine Wickeleinheit zum Bewickeln der Hüllfläche des Wickelkerns mit einer Faser mit einem definierten Winkel, um ein Faserhalbzeug herzustellen, eine Schneideeinheit, die das Faserhalbzeug entlang des Wickelkerns aufschneidet, eine Trennmitteleinheit, die das aufgeschnittene Faserhalbzeug mit Trennmittel versieht, eine Presseinheit, die das mit Trennmittel versehene Faserhalbzeug zu einem Faserprodukt formt und härtet, und eine Lasereinheit, die das Trennmittel vom Faserprodukt ablasert.
Das Faserhalbzeug kann nach dem Aufschneiden von selbst vom Wickelkern herabfallen oder auch von einem Abnahmemittel abgenommen und der Trennmitteleinheit zugeführt werden.
Vorzugsweise umfasst eine Abbildeeinheit einen Computer oder Simulationsrechner. Die Abbildeeinheit kann auch eine mechanische Kopiervorrichtung, Markierungspunkte und Maßband etc. umfassen. Die Herstelleinheit umfasst vorzugsweise eine CNC-gesteuerte Fräsmaschine oder Drehbank. Die Presseinheit umfasst vorzugsweise eine mechanische Presse. Die Lasereinheit umfasst vorzugsweise eine Vorrichtung zum Erzeugen einer hochenergetischen Strahlung.
Erfindungemäß kann die Faser mit einer Matrix imprägniert sein. Wenn die Faser Matriximprägniert ist, kann auf den Wickelkern ein Faserverbundhalbzeug hergestellt werden. Das Faserverbundhalbzeug kann dadurch formstabiler sein als das Faserhalbzeug, bei dem nur Faser über Faser liegt.
Der Stoff der Matrix umfasst vorzugsweise Duromere, wie Epoxydharz, oder Thermoplasten. Bei thermisch hoch belastbaren Faserprodukten kann für die Matrix auch auf Keramik oder Metalle zurückgegriffen werden.
Erfindungsgemäß kann eine Verbindungseinheit mehrere Faserprodukte und/oder Faserhalbzeuge mit einem Haftmittel versehen und miteinander verbinden. Dadurch können stabile, belastbare, insbesondere hohle und dadurch leichte Faserverbundprofile hergestellt werden. Das Haftmittel umfasst vorzugsweise einen Matrix-Stoff. Aber auch geeignete Klebstoffe können verwendet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes System zur Herstellung eines Faserprodukts
2a ein weiterverarbeitetes Faserhalbzeug gemäß der Erfindung
2b ein erfindungsgemäßes Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs
3a ein weiteres weiterverarbeitetes Faserhalbzeug gemäß der Erfindung
3b ein Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs
4a ein weiteres erfindungsgemäßes Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs
4b ein weiteres weiterverarbeitetes Faserhalbzeug gemäß der Erfindung
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein System 100 zur Herstellung eines Faserprodukts bzw. eines Faserverbundprodukts 104. Gemäß des Systems 100 wird zunächst mit einem Computer ein Element-Modell 102, auch Wickelkern-Modell genannt, virtuell erstellt. Alternativ kann dieses Modell auch manuell erstellt werden. Das Element-Modell 102 basiert in seinen Abmessungen auf einem Faserprodukt-Modell, eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeug bzw. einer Faserverbundprodukts 104. Das Element-Modell 102 ist eine Abbildung des Oberflächeninhalts und der Randform des Faserverbundprodukts 104. Das Element-Modell 102 dient als Maß, um an Hand dieser Daten, beispielsweise mittels einer CNC-gesteuerten Drehbank 106, aus einem Material ein Element, auch Wickelkern genannt, herzustellen. Das Material des Wickelkerns kann Metalle, wie Aluminium oder Stahl, umfassen und beispielsweise als Block oder in sonstigen geeigneten Geometrien vorliegen, aus denen der Wickelkern herausgearbeitet wird.
Der fertige Wickelkern wird drehbar gelagert und von einem Drehantrieb (nicht gezeigt) angetrieben. Eine Faserimprägnier- und ablegeeinrichtung 108 imprägniert oder tränkt eine Carbonendlosfaser, beispielsweise mit Epoxydharz, auch Matrix genannt. In einem Schritt 109 wird das sich drehende Element durch die Faserimprägnier- und ablegeeinrichtung 108 mit der imprägnierten Carbonendlosfaser bewickelt. Die Faserimprägnier- und ablegeeinrichtung 108 bewegt sich dazu mit einem bestimmten Vorschub entlang der Längsachse des Wickelkerns. Nach mehreren Wicklungen der Carbonendlosfaser entsteht auf dem Wickelkern ein mehrschichtiges Faserverbundhalbzeug, auch Matrix-getränktes Faserhalbzeug genannt.
Eine Schneideeinrichtung 110 durchtrennt das fertig gestellte Faserverbundhalbzeug in einem Schnitt entlang des Wickelkerns, sodass ein mattenartiges oder flächiges Faserverbundhalbzeug entsteht. Das mattenartige Faserverbundhalbzeug wird von dem Wickelkern abgenommen, mit einem Trennmittel versehen und in eine Presse 112 eingelegt. In der Presse 112 wird das mattenartige Faserverbundhalbzeug mittels einer Matrize und Patrize in eine bestimmte Form gepresst, erwärmt und gleichzeitig gehärtet, sodass ein Faserverbundprodukt 104 entsteht. Das Trennmittel am Faserverbundhalbzeug erleichtert das Formen in und Entformen aus der Presse 112. Das Faserverbundprodukt 104 wird systemgemäß nach dem Pressen und Härten mit einer Laservorrichtung 114 abgelasert. Der Laser 114 legt dabei in Bereichen, die anschließend mit einem oder mehreren anderen Bauteilen verklebt werden sollen, die Faser bis auf eine vorbestimmte Tiefe frei. Der Laser 114 verbrennt dabei Epoxydharz und Trennmittel.
Systemgemäß wird das Faserverbundprodukt 104 an den freigelegten Bereichen mit Klebstoff versehen und mit einem oder mehreren anderen Bauteilen, z. B. ein weiteres Faserverbundprodukt, verklebt.
Anstatt des Element-Modells 102 kann das Element auch durch direktes Abmessen eines Faserverbundprodukt-Prototypen und Übertragen der Abmessungen auf das Element hergestellt werden. Auch das mechanische oder virtuelle Übertragen von Abmessungen des Faserverbundprodukts aus einer technischen Zeichnung auf das Element ist möglich. Dabei wird eine Fläche in zueinander parallele Ebenen geschnitten. Die sich daraus ergebenden Schnittlinien werden in Kreise umgewandelt, deren Umfänge der Länge der jeweiligen Schnittlinien entsprechen. Die Mittelpunkte aller sich ergebender Kreise werden auf einer Geraden derart angeordnet, dass die Kreisebenen parallel zueinander ausgerichtet sind und der Abstand der Mittelpunkte dem Abstand der Schnittebenen der ursprünglichen Fläche entspricht.
2a zeigt ein weiterverarbeitetes Faserhalbzeug bzw. ein Faserverbundhalbzeug, beispielsweise ein Carbonfaserverstärkter Kunststoff, aus dem eine B-Säule 200 für ein Kraftfahrzeug gebildet wird. Die B-Säule 200 ist in der Draufsicht dargestellt und besitzt eine Längsachse 202. Die B-Säule 200 verjüngt sich von unten nach oben trapezförmig. Am unteren und oberen Ende ist die B-Säule 200 mit Flanschbereichen ausgestattet. Die Flanschbereiche können z. B. oben am Dach und unten am Fahrzeugrahmen befestigt werden. Im oberen und unteren Bereich 204 ist die B-Säule 200 stark gewölbt bzw. gekrümmt. Im mittleren Bereich 206 ist die B-Säule wenig gewölbt, weniger als im Bereich 204 und nahezu linear ausgestaltet.
In 2a werden entlang der Längsachse 202 abhängig von den Krümmungen Abstände festgelegt. Im Bereich 204 mit hoher Krümmung werden kleine Abstände 208 festgelegt. Im Bereich 206 mit geringer Krümmung werden im Vergleich zu den Abständen 208 größere Abstände 210 festgelegt. Entlang den Abständen 208 und 210 werden Schnittlängen l₁, l₂ bis l_n der B-Säule 200 gemessen.
2b zeigt einen Wickelkern 212 als Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs. Der Wickelkern 212 liegt zunächst beispielsweise als zylinderförmiges Stangenmaterial (nicht gezeigt) vor und wird beispielsweise mittels einer Drehmaschine entsprechend den Kreisumfängen u₁, u₂ bis u_n hergestellt. Dazu werden die Schnittlängen l₁, l₂ bis l_n auf Kreisumfänge u₁, u₂ bis u_n des Wickelkerns 212 abgebildet. Der Wickelkern 212 besitzt eine Längsachse 214, die eine Mittelachse für die Kreisumfängen u₁, u₂ bis u_n bildet. Die Kreise werden außerdem jeweils in den gleichen Abständen 208, 210 angeordnet, wie sie in der B-Säule 200 definiert sind.
Mit der in 2a und 2b veranschaulichten Technik wird der Oberflächeninhalt und die Randform der B-Säule 200 in vertretbarer Genauigkeit bei geringem Aufwand, also kostengünstig, auf den Wickelkern abgebildet. Dadurch entfällt jeglicher Verschnitt, da die B-Säule 200 und der Wickelkern 212 flächengleich sind.
3a zeigt ein weiteres weiterverarbeitetes Faserhalbzeug 300. Das Faserhalbzeug 300 weist mehrere von einer Faserablegeeinrichtung (nicht gezeigt) kreuzförmig übereinander gelegte Carbonfasern 302, 304, 306 und 308 auf. Ferner umfasst das Faserhalbzeug 300 eine Längsachse 310. Die Carbonfasern 302 und 304 schließen untereinander einen Faserhalbzeugwinkel 312 ein. Die Carbonfaser 302 und die Längsachse 310 schließen miteinander einen weiteren Faserhalbzeugwinkel 314 ein, auch definierter Winkel genannt.
Die Orientierung der Fasern 302, 304, 306 und 308 legt die Winkel fest, sodass eine hohe Zugbelastung des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs 300 in den Richtungen 316 erlaubt sein kann. Die Richtungen 316 entsprechen dabei den Längsrichtungen der Fasern 302, 304, 306 und 308.
Das weiterverarbeitete Faserhalbzeug 300 wird mittels eines Elements bzw. Wickelkerns 318 hergestellt. Das Element 318 kann virtuell oder manuell entsprechend der zu 2a und 2b erläuterten Technik hergestellt sein.
Der Wickelkern 318 in 3b weist eine Drehachse 320 auf. Auf dem Wickelkern 318 sind mehrere Abschnitte einer einzelnen Endlosfaser 322 sichtbar. Die Endlosfaser 322 ist in mehreren Windungen auf dem Wickelkern 318 angeordnet. Die einzelnen Fasern 302, 304, 306 und 308 entsprechen Abschnitten der Endlosfaser 322. Die Endlosfaser 322 schließt einen Wickelkernwinkel 324 mit der Längsachse 320 des Wickelkerns 318 ein, auch zweiter Winkel genannt. Außerdem schließt die Endlosfaser 322 einen weiteren Wickelkernwinkel 326 mit sich selbst ein. Durch mehrfaches Umwickeln des Elements 318 mit der Endlosfaser 322 entsteht ein Faserhalbzeug, das anschließend vom Wickelkern 318 abgeschnitten und weiterverarbeitet wird. Das Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs umfasst ein Umformen und/oder Härten. Beim Umformen. werden bestimmte Bereiche des Faserhalbzeugs verwölbt, gestaucht oder gestreckt. Durch das Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs kann ein weiterverarbeitetes Faserhalbzeug wie das weiterverarbeitete Faserhalbzeug 300 hergestellt werden.
Die Faserhalbzeugwinkel 312 und 314 des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs 300 werden vor Herstellung des Faserhalbzeugs so auf die Wickelkernwinkel 324 und 326 abgebildet, das aus den Winkeln 324, 326 nach dem Abschneiden, Abnehmen und Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs die Faserhalbzeugwinkel 312, 314 entstehen.
Das Abbilden der Winkel kann mittels folgender Schritte erfolgen:

1. abschnittsweise Aufbringen von Markierungen 328 auf die Endlosfaser des auf dem Element 318 angeordneten Faserhalbzeugs,
2. Feststellen des Wickelkernwinkels 324 eines Abschnitts zwischen zwei Markierungen 328 bezüglich der Drehachse 320,
3. anschließendes Abschneiden, Abnehmen und Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs
4. Feststellen des Faserhalbzeugwinkels 314 eines Abschnitts zwischen zwei Markierungen 328 bezüglich der Längsachse 310,
5. Feststellen der Abweichung des Faserhalbzeugwinkels 314 von einem gewünschten Faserhalbzeugwinkel,
6. wieder bei Schritt 1 beginnen und den Wickelkernwinkel 324 derart verändern bzw. anpassen, dass die Abweichung in Schritt 5 kleiner wird,
7. Iteration beenden, wenn die Abweichung unterhalb einer bestimmten Toleranz liegt.

4a zeigt einen Wickelkern 400 mit einer Längsachse 402. Auf dem Wickelkern 400 ist eine Carbonfaser 404 angeordnet. Der Wickelkern ist im Wesentlichen kegelstumpfförmig und weist im Abstand 408 von der linken Seite her einen Umfang 410 auf.
4b zeigt einen Bootsrumpf 412 mit einer Längsachse 414. Der Bootsrumpf 412 ist aus einer Faserverbundhalbzeugmatte geformt, die vorher auf dem Wickelkern 400 gebildet wurde. Die Carbonfaser 404 auf dem Wickelkern 400 entspricht dabei der Carbonfaser 416 im Bootsrumpf 412. Die Carbonfaser 416 verläuft im Bootsrumpf 400 von der Bugspitze 418 zur Heckunterseite 420, um für eine hohe Zugfestigkeit des Bootsrumpfs 412 in Längsrichtung zu sorgen. Im Abstand 422 vom Bug ist in 4b eine Rumpfquerschnittslinie 424 definiert. Der Abstand 422 entspricht dabei dem Abstand 408 und die Länge der Rumpfquerschnittslinie 424 entspricht dem Umfang 410.
Durch Übertragung mehrerer Abstände und Rumpfquerschnittslängen auf den Wickelkern und einem Ausbilden des Wickelkerns an Hand dieser Abmessungen ist der Wickelkern 400 flächengleich zum Bootsrumpf 412 ausgebildet. Wird auf dem Wickelkern 400 eine Faserverbundhalbzeugmatte gebildet, dann entlang des Wickelkerns 400 aufgetrennt, und zum Bootsrumpf 412 geformt, so entfällt jeglicher Verschnitt, da der Bootsrumpf 412 und der Wickelkern 400 flächengleich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3133733 C2 [0007]
DE 1779433 A1 [0008, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Handbuch Verbundwerkstoffe”, Neitzel, Mitschang, Hanser Verlag 2004 [0002]
Composite Materials Handbook von Schwartz, McGraw-Hill Verlag, 2. Ausgabe 1991 [0006]

Claims

Element (212; 318; 400) zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, umfassend: eine Hüllfläche, die das Element (212; 318; 400) definiert, und auf der das Faserhalbzeug ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche in Abhängigkeit vom Oberflächeninhalt eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs (200; 300; 412) gebildet ist.
Element (212; 318; 400) nach Anspruch 1, bei dem die Hüllfläche eine um eine Längsachse (214; 320; 402) des Elements (212; 318; 400) rotationssymmetrische Mantelfläche ist.
Element (212; 318; 400) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Hüllfläche in Abhängigkeit von der Randform des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs (200; 300; 412) gebildet ist.
Element (212; 318; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Hüllfläche flächengleich zum Oberflächeninhalt gebildet ist.
Element (212; 318; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Mantelumfänge (u₁, u₂, u_n; 410) in Abständen (408) entlang der Längsachse (214; 320; 402) des Elements (212; 318; 400) Faserhalbzeug-Modell-Querlängen (l₁, l₂, l_n; 424) in denselben Abständen (208; 210; 422) entlang einer Längsachse (202; 310; 414) eines Faserhalbzeug-Modells entsprechen.
Element nach Anspruch 5, bei dem die Abstände – in Bereichen einer Krümmung (204) des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs bzw. Faserhalbzeug-Modell gering (208) sind, und – in linearen Bereichen (206) des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs (210) groß sind.
Verfahren zur Herstellung eines Elements zur Herstellung eines Faserhalbzeugs umfassend: – Abbilden eines Oberflächeninhalts eines weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs auf eine Hüllfläche, – Definieren des Elements anhand der Hüllfläche und – Ausbilden des Elements gemäß der Hüllfläche.
Verfahren zur Herstellung eines Elements nach Anspruch 7, ferner umfassend Abbilden der Hüllfläche als rotationssymmetrische Mantelfläche.
Verfahren zur Herstellung eines Elements nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend Abbilden der Hüllfläche in Abhängigkeit der Randform des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs.
Verfahren zur Herstellung eines Elements nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend flächengleiches Abbilden des Oberflächeninhalts des weiterverarbeiteten Faserhalbzeugs auf die Hüllfläche.
Verfahren zur Herstellung eines Elements nach Anspruch 7, ferner umfassend – Ermitteln der Form des weiterarbeiteten Faserhalbzeugs, – Festlegen von Abständen entlang einer Längsachse des in einem weiterarbeiteten Zustand vorliegenden Faserhalbzeugs, – Ermitteln von Faserhalbzeug-Querlängen in den Abständen, und – Abbilden der Faserhalbzeug-Querlängen auf Mantelumfänge des Elements in den Abständen entlang einer Längsachse des Elements.
Computerprogrammprodukt zur Erstellung eines Element-Modells (102) mit einer Funktion zum Abbilden eines Oberflächeninhalts eines Faserhalbzeug-Modells (104; 200; 300; 412) auf eine Hüllfläche, die das Element-Modell (102) definiert.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, umfassend: – ein Element (212; 318; 400) mit einer Längsachse (214; 320; 402), – einen Faserablegeeinrichtung (108), die eine Faser (302, 304, 306, 308, 322; 416) auf dem Element (212; 318; 400) in einem definierten ersten Winkel (324, 326) zur Längsachse (214; 320; 402) anordnet, um das Faserhalbzeug auszubilden, – eine Weiterverarbeitungseinrichtung (110, 112) zum Weiterverarbeiten des Faserhalbzeugs zu einem Faserprodukt (104; 200; 300; 412), dadurch gekennzeichnet, dass – der definierte erste Winkel (324, 326) in Abhängigkeit von einem zweiten Winkel (312, 314) der Faser (302, 304, 306, 308, 322; 416) im Faserprodukt (104; 200; 300; 412) bezüglich einer Längsachse (203; 310; 414) des Faserprodukts (104; 200; 300; 412) bestimmt ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Anspruch 13, bei der das Element (212; 318; 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Faserablegeeinrichtung (108) die Faser (302, 304, 306, 308; 416) wenigstens abschnittsweise geodätisch auf dem Element (212; 318; 400) anordnet.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Faserablegeeinrichtung (108) wenigstens einen Freiheitsgrad aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die Faserablegeeinrichtung (108) die Faser (302, 304, 306, 308; 416) abschnittsweise auf dem Element (212; 318; 400) im definierten ersten Winkel (324, 326) zur Längsachse (214; 320; 402) des Elements (212; 318; 400) anordnet.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der das Element (212; 318; 400) um seine Längsachse (214; 320; 402) drehbar und die Faserablegeeinrichtung (108) parallel zur der Längsachse (214; 320; 402) bewegbar ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Weiterverarbeitungseinrichtung (110, 112) eine Schneideeinrichtung (110) umfasst.
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Weiterverarbeitungseinrichtung (110, 112) eine Presse (112) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, umfassend: – Definieren eines ersten Winkels einer Faser bezüglich einer Längsachse eines Faserprodukts, – Definieren eines zweiten Winkels in Abhängigkeit vom definierten ersten Winkel und – Anordnen der Faser auf einem Element zur Herstellung eines Faserhalbzeugs, um das Faserhalbzeug im ersten und/oder zweiten Winkel bezüglich einer Längsachse des Elements auszubilden.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Anspruch 21, ferner umfassend: Zuführen einer Matrix während oder vor des Anordnens der Faser auf dem Element.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Anspruch 21 oder 22, ferner umfassend: Festlegen des ersten Winkels der Faser bezüglich der Längsachse des Faserprodukts in Abschnitten und Anordnen der Faser auf dem Element im zweiten Winkel bezüglich der Längsachse des Elements in Abschnitten.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei welchem die Faser wenigstens abschnittsweise geodätisch auf dem Element angeordnet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner umfassend: Aufschneiden des auf dem Element ausgebildeten Faserhalbzeugs und Abnehmen des Faserhalbzeugs vom Element.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem der Ansprüche 21 bis 25, ferner umfassend: Pressen des Faserhalbzeugs, insbesondere zu einem Faserprodukt.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Anspruch 26, ferner umfassend: Verkleben mehrerer Faserprodukte und/oder weiterverarbeiteter Faserhalbzeuge miteinander.
Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach einem Ansprüche 21 bis 27, bei dem das Element nach einem der Ansprüche 7 bis 11 hergestellt wird.
System (100) zur Herstellung eines Faserprodukts (104), mit: einer Abbildeeinheit zum Abbilden des Oberflächeninhalts eines Faserhalbzeug-Modells auf eine Hüllfläche eines herzustellenden Wickelkerns (102), einer Herstelleinheit zum Herstellen des Wickelkerns (212; 318; 400) anhand der Hüllfläche, einer Wickeleinheit zum Bewickeln (109) der Hüllfläche des Wickelkerns (212; 318; 400) mit einer Faser (416) in wenigstens einem definierten Winkel (324, 326), um ein Faserhalbzeug herzustellen, einer Schneideeinheit (110), die das Faserhalbzeug entlang des Wickelkerns (212; 318; 400) aufschneidet, einer Trennmitteleinheit, die das aufgeschnittene Faserhalbzeug mit Trennmittel versieht, einer Presseinheit (112), die das mit Trennmittel versehene Faserhalbzeug zu einem Faserprodukt (104; 200; 300; 412) formt und härtet, und einer Lasereinheit (114), die das Trennmittel wenigstens abschnittsweise vom Faserprodukt (104; 200; 300; 412) ablasert.
System (100) zur Herstellung eines Faserprodukts (104) nach Anspruch 29, bei dem die Faser (302, 304, 306, 308, 322; 416) mit einer Matrix imprägniert ist.
System (100) zur Herstellung eines Faserprodukts (104) nach Anspruch 29 oder 30, mit einer Verbindungseinheit, die mehrere Faserprodukte (104) und/oder Faserhalbzeuge (200; 300; 412) wenigstens abschnittsweise mit einem Haftmittel (116) versieht und miteinander verbindet.