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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus einem Faserhalbzeug gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Verfahren und Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie werden bevorzugt eingesetzt, um Faserhalbzeuge im Rahmen der Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen insbesondere im Bereich der Automobilindustrie herzustellen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 040 970 A1 geht ein Verfahren hervor, bei welchem ein Faserhalbzeug in eine Spannvorrichtung in einem Bereich eines Formgebungskörpers einer Umformvorrichtung eingespannt wird. Das Faserhalbzeug wird mithilfe der Umformvorrichtung auf dem Formgebungskörper drapiert und zu einem Vorformling umgeformt. Dabei wird es von einer Mehrzahl von Klemmelementen gespannt, die in einem von einem Rahmenelement umgriffenen Innenbereich eines Spannrahmens der Spannvorrichtung vorgesehen sind. Nach dem Drapieren beziehungsweise Umformen wird der so gebildete Vorformling typischerweise einer Harzinjektion oder Harzinfiltration unterworfen, um das fertige, faserverstärkte Bauteil auszubilden.
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Es zeigt sich, dass in dem Faserhalbzeug beim Umformen beziehungsweise Drapieren Zugspannungen auftreten, die eine Scherung desselben bewirken. Wird das Faserhalbzeug über einen kritischen Scherwinkel hinaus geschert, treten Druckspannungen auf, die zu einem Faltenwurf führen. Bei dem bekannten Verfahren beziehungsweise der bekannten Vorrichtung zu dessen Durchführung sind die Klemmelemente parallel zueinander orientiert und insoweit jedenfalls bezüglich einer Spannrichtung nicht variabel. Es ist daher nicht möglich, jeden möglichen Faltenwurf aufgrund in verschiedenen Richtungen auftretender Druckspannungen durch entsprechend aufgebrachte, entgegenwirkende Zugspannungen zu verhindern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wobei es möglich ist, einen Faltenwurf in beliebigen Richtungen effektiv beim Umformen des Faserhalbzeugs zu verhindern.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Spannkraft und eine Spannrichtung für einzelne Klemmelemente separat bedarfsgerecht gewählt wird. Alternativ oder zusätzlich wird eine Spannkraft und eine Spannrichtung für Gruppen von Klemmelementen separat bedarfsgerecht gewählt. Es werden also sowohl die Spannkraft als auch die Spannrichtung für einzelne Klemmelemente und/oder für Gruppen der Klemmelemente unabhängig von diesen Parametern für andere Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen jeweils bedarfsgerecht gewählt, um somit lokal Druckspannungen durch entgegenwirkende Zugspannungen ausgleichen und einen Faltenwurf vermeiden zu können. Insbesondere, weil einzelne Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen separat und unabhängig voneinander ausgerichtet werden können, ist es möglich, die Richtungen der aufzubringenden Spannkräfte an die auftretenden Druckspannungen lokal bedarfsgerecht anzupassen.
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Dabei sind die Klemmelemente vorzugsweise zur Übertragung von Spannkräften mit dem Rahmenelement wirkverbunden, sodass die Spannkräfte in das Rahmenelement eingeleitet oder über das Rahmenelement abgeleitet werden.
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Es ist möglich, dass ein umzuformendes Faserhalbzeug als Gestrick, Gewirk, Gewebe oder in anderer Weise ausgebildet ist. Es kann aus Einzelfasern und/oder aus Faserbündeln, sogenannten Rovings gebildet sein. Besonders bevorzugt umfasst das Faserhalbzeug Glasfasern, Kunststofffasern, Kohlefasern, Stahlfasern und/oder andere geeignete Fasern oder Faserbündel.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Spannkraft und/oder die Spannrichtung während des Umformens bedarfsgerecht variiert wird. Insbesondere wird/werden die Spannkraft und/oder die Spannrichtung prozessgeführt variiert, wobei sie bevorzugt gesteuert und/oder geregelt wird/werden. Dies spricht insbesondere an, dass die Spannkraft und/oder die Spannrichtung für einzelne Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen bedarfsgerecht variiert wird/werden. Erfolgt dies prozessgeführt, ist es möglich, ein Auftreten von Druckspannungen oder eine Faltenbildung während des Umformens des Faserhalbzeugs zu beobachten und durch entsprechend ausgerichtete und betragsmäßig vorgegebene, entgegenwirkende Zugspannungen abzumildern oder aufzuheben. Insbesondere sind dabei bevorzugt sowohl die Spannkraft als auch die Spannrichtung für die einzelnen Klemmelemente oder Gruppen von Klemmelementen zeitlich variabel und an einen aktuellen Zustand des Faserhalbzeugs während der Umformung anpassbar.
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Besonders bevorzugt werden die Spannkraft und die Spannrichtung für jedes einzelne Klemmelement separat bedarfsgerecht gewählt. Dies schließt nicht aus, dass gegebenenfalls für mindestens zwei Klemmelemente dieselbe Spannkraft und/oder dieselbe Spannrichtung gewählt wird/werden, wenn dies bedarfsgerecht erforderlich ist. Es ist auch möglich, die Klemmelemente in Gruppen zu unterteilen, wobei für Klemmelemente, die derselben Gruppe angehören, dieselbe Spannkraft und dieselbe Spannrichtung gewählt werden. Für jede einzelne Gruppe werden dabei allerdings bevorzugt die Spannrichtung und die Spannkraft separat von den anderen Gruppen bedarfsgerecht gewählt, was nicht ausschließt, dass für mindestens zwei Gruppen dieselbe Spannkraft und dieselbe Spannrichtung gewählt werden, wenn dies bedarfsgerecht erforderlich ist. Es ist auch möglich, dass die Spannkraft und die Spannrichtung für einzelne Klemmelemente separat gewählt werden, wobei zugleich für andere Klemmelemente mindestens eine Gruppe definiert wird, für welche wiederum die Spannkraft und die Spannrichtung separat gewählt werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Spannkraft und/oder die Spannrichtung mittels Schwerkraft, durch Federelemente, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch aufgebracht beziehungsweise vorgegeben wird. Wird die Spannkraft und/oder die Spannrichtung mittels Schwerkraft aufgebracht, sind die Klemmelemente vorzugsweise mit Seilzügen verbunden, die ihrerseits mit vorzugsweise variablen Massen verbunden sind, durch welche Spannkräfte mittels der auf die Massen wirkenden Schwerkräfte aufbaubar sind. Die Spannrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise über eine Ausrichtung der Seilzüge einstellbar. Vorzugsweise werden die Seilzüge über das Rahmenelement geführt, sodass die Spannkräfte durch dieses umgeleitet werden.
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Werden die Spannkräfte durch Federelemente aufgebaut, ist vorzugsweise jedes Klemmelement durch ein Federelement mit dem Rahmenelement wirkverbunden, sodass die Spannkräfte von den Federelementen zwischen den Klemmelementen und dem Rahmenelement aufgebaut und somit in das Rahmenelement eingeleitet werden. Verschiedene Spannrichtungen können hier durch eine Ausrichtung der Federelemente eingestellt werden. Die Spannkräfte sind vorzugsweise variabel, indem die Federkonstanten der Federelemente variabel ausgestaltet sind.
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Es ist auch möglich, die Spannkräfte mittels pneumatischer Zylinder aufzubringen, wobei es auch hier möglich ist, Seilzüge zur Übertragung der Spannkräfte auf die Klemmelemente vorzusehen. Alternativ werden die Klemmelemente unmittelbar mit Kolben der pneumatischen Zylinder verbunden. in gleicher Weise ist auch eine hydraulische Aufbringung der Spannkräfte möglich.
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Schließlich ist es auch möglich, die Spannkräfte elektrisch aufzubringen, beispielsweise mit Hilfe von den Klemmelementen zugeordneten Elektromotoren, die wiederum gegebenenfalls über Seilzüge mit diesen verbunden sein können. Alternativ ist es möglich, Linearmotoren vorzusehen, die unmittelbar mit den Klemmelementen verbunden sind.
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Eine Vielzahl anderer Ausgestaltungsmöglichkeiten ist denkbar, auf welche die Spannkräfte und/oder die Spannrichtungen mittels Schwerkraft, durch Federelemente, hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder in anderer Weise aufgebracht beziehungsweise vorgegeben werden können.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass Klemmelemente mit verschiedener Breite und/oder verschiedenem Abstand voneinander verwendet werden. insbesondere werden vorzugsweise im Bereich verschiedener Kanten des Rahmenelements Klemmelemente mit verschiedener Breite und/oder verschiedenem Abstand voneinander verwendet. Bevorzugt ist also bei einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass sich eine Breite und/oder ein Abstand der Klemmelemente im Bereich verschiedener Kanten des Rahmenelements unterscheidet. Dies schließt nicht aus, dass verschiedene Kanten des Rahmenelements existieren, für die sich weder die Breite noch der Abstand der Klemmelemente voneinander unterscheidet. Es ist auch möglich, dass die Klemmelemente im Bereich einer einzigen Kante des Rahmenelements verschiedene Breiten und/oder einen verschiedenen Abstand voneinander aufweisen. Diese Ausgestaltungen können bedarfsgerecht auf eine konkrete Umformaufgabe beziehungsweise ein konkretes Faserhalbzeug abgestimmt werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein als Fasermatte ausgebildetes Faserhalbzeug verwendet wird. Die Fasermatte umfasst dabei mindestens zwei Lagen aus Fasermaterial. Dabei werden die einzelnen Lagen der Fasermatte separat in zugeordnete Einzelspannrahmen der Spannvorrichtung eingespannt. Dabei weisen die Einzelspannrahmen jeweils ein Rahmenelement und – wie bereits beschrieben – eine Mehrzahl von Klemmelementen auf. Es ist so möglich, nicht nur die Spannkräfte und Spannrichtungen lokal bedarfsgerecht vorzugeben, sondern es ist auch möglich, dies lagenspezifisch für jede einzelne Lage der Fasermatte zu tun, wodurch besonders genau und auf die konkrete Umformaufgabe abgestimmt Druckspannungen und Faltenbildung vermieden werden können. Insbesondere ist es durch das separate Spannen von Einzellagen in Einzelspannrahmen möglich, das gesamte, die Einzellagen umfassende Faserhalbzeug zugleich reproduzierbar umzuformen, ohne dass es einer zeitlich gestaffelten Schichtung der einzelnen Lagen bedarf.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird.
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Die Vorrichtung dient der Herstellung eines Vorformlings aus einem Faserhalbzeug und insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Sie umfasst eine Spannvorrichtung zum Einspannen eines Faserhalbzeugs und eine Umformvorrichtung, die einen Formgebungskörper zum Umformen des Faserhalbzeugs aufweist. Dabei ist es möglich, dass die Umformvorrichtung ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, wobei das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug als Formgebungskörper ausgebildet sein kann/können, und wobei das Faserhalbzeug zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug beziehungsweise in einer zwischen diesen ausgebildeten, formgebenden Kavität umgeformt wird. Die Spannvorrichtung weist mindestens einen Spannrahmen auf, der ein Rahmenelement sowie eine Mehrzahl in einem von dem Rahmenelement umgriffenen Innenbereich angeordneter Klemmelemente umfasst. Diese sind zur Übertragung von Spannkräften mit dem Rahmenelement wirkverbunden. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass einzelne Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen bezüglich einer Spannkraft und einer Spannrichtung separat variabel einstellbar sind. Hierdurch verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt wurden.
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Insbesondere sind die Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen bezüglich der Spannkraft und der Spannrichtung unabhängig von den übrigen Klemmelementen und/oder Gruppen von Klemmelementen einstellbar. Besonders bevorzugt sind alle Klemmelemente separat variabel einstellbar. Alternativ oder zusätzlich sind die Klemmelemente zu Gruppen zusammenfassbar, wobei die Spannkraft und die Spannrichtung gruppenspezifisch, jedoch unabhängig von den übrigen Gruppen variabel einstellbar sind.
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Es wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass Klemmelemente mit verschiedener Breite und/oder verschiedenem Abstand voneinander vorgesehen sind. Insbesondere sind im Bereich verschiedener Kanten des Rahmenelements Klemmelemente mit verschiedener Breite und/oder verschiedenem Abstand voneinander vorgesehen. In diesem Fall existieren mindestens zwei voneinander verschiedene Kanten des Rahmenelements, welche Klemmelemente mit bevorzugt untereinander gleicher Breite und gleichem Abstand, sich jedoch in Hinblick auf die verschiedenen Kanten unterscheidender Breite und sich unterscheidendem Abstand voneinander vorgesehen sind. Dies schließt nicht aus, dass mindestens zwei Kanten des Rahmenelements existieren, welche Klemmelemente mit identischer Breite und/oder identischem Abstand voneinander aufweisen. Es ist auch möglich, dass an einer einzelnen Kante des Rahmenelements Klemmelemente vorgesehen sind, welche sich bezüglich ihrer Breite und/oder ihres Abstands voneinander unterscheiden.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Spannvorrichtung mindestens zwei separate Einzelspannrahmen aufweist, in welcher einzelne Lagen eines als Fasermatte ausgebildeten Faserhalbzeugs separat einspannbar sind. Dabei weist jeder Einzelspannrahmen jeweils ein Rahmenelement sowie eine Mehrzahl in einem von dem Rahmenelement umgriffenen Innenbereich angeordneter Klemmelemente auf, die bezüglich einer Spannkraft und einer Spannrichtung separat variabel einstellbar sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannkräfte und Spannrichtungen nicht nur lokal und insbesondere auch zeitlich variabel und vorzugsweise prozessgeführt bedarfsgerecht einzustellen, sondern es ist zusätzlich möglich, diese Einstellung lagenspezifisch vorzunehmen, wobei sich die einzelnen Lagen des Faserhalbzeugs beim Umformen in ihrem Verhalten unterscheiden können. Auf diese Weise ist es möglich, Druckspannungen und einer Faltenbildung besonders flexibel und damit auch besonders effizient entgegenzuwirken.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auszeichnet, durch welche die einzelnen Klemmelemente und/oder Gruppen von Klemmelementen separat ansprechbar sind. Hierdurch sind bevorzugt zeitlich variable, lokal bedarfsgerecht abgestimmte Spannkräfte und Spannrichtungen insbesondere prozessgeführt einstellbar. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Einzelspannrahmen mithilfe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung separat anzusprechen. Bevorzugt ist es hierdurch möglich, alternativ oder zusätzlich zeitlich variable, lagenspezifische Spannkräfte und Spannrichtungen insbesondere prozessgeführt einzustellen. Bevorzugt sind die Spannkräfte und Spannrichtungen zeitlich variabel, lagenspezifisch und lokal bedarfsgerecht abgestimmt einstellbar.
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Schließlich wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Einzelspannrahmen relativ zueinander um eine Achse schwenkbar gelagert sind, die senkrecht auf einer durch einen Rahmenelement definierten Ebene steht. Vorzugsweise ist die Achse als vertikale Mittelachse der Vorrichtung und insbesondere der Umformvorrichtung ausgebildet. Bevorzugt sind die Einzelspannrahmen bezüglich der Rahmenelemente parallel zueinander orientiert, sodass die Achse senkrecht auf jeder durch die verschiedenen Rahmenelemente definierten Ebene steht. Dadurch, dass die Einzelspannrahmen relativ zueinander um die Achse schwenkbar gelagert sind, ist es möglich, verschiedene Winkelorientierungen zwischen den einzelnen Lagen der Fasermatte und insbesondere zwischen den Längsrichtungen der Fasern oder Faserbündel vorzusehen. Dabei ist es möglich, dass die Einzelspannrahmen in vorherbestimmten, diskreten Winkelausrichtungen relativ zueinander arretierbar sind. Alternativ ist es möglich, dass sie als Spannrahmen kontinuierlich relativ zueinander verschwenkt und festgelegt werden können.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, bei welcher die Einzelspannrahmen alternativ oder zusätzlich entlang der Achse relativ zueinander verlagerbar sind. Vorzugsweise ist die Achse eine vertikale Mittelachse, sodass in diesem Fall die Einzelspannrahmen relativ zueinander höhenverstellbar sind. Hierdurch ist es möglich, Einzugswinkel der einzelnen Lagen der Fasermatte in die Umformvorrichtung zu variieren, insbesondere wenn die einzelnen Lagen zumindest bereichsweise, bevorzugt in einem zentralen Bereich, miteinander verbunden, insbesondere vernäht oder verklebt sind.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die einzelnen Klemmelemente vertikal relativ zueinander zu verlagern. Auch auf diese Weise ist es möglich, lagenspezifische Einzugswinkel zu realisieren und/oder lokal bedarfsgerecht verschiedene Einzugswinkel einzustellen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines über einen kritischen Scherwinkel hinaus gescherten Faserhalbzeugs, und
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Spannvorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserhalbzeugs 1, das im Rahmen einer Umformung, also insbesondere im Rahmen eines Drapierens auf einem Formgebungskörper einer Umformvorrichtung durch Pfeile P dargestellten Zugkräften ausgesetzt wird, durch welche das Faserhalbzeug 1 – in 1 in vertikaler Richtung – geschert wird. Hierdurch entstehen Druckspannungen, die in der Bildebene von 1 senkrecht auf der Richtung der Pfeile P stehen. Überschreitet die Scherung des Faserhalbzeugs 1 einen kritischen Scherwinkel, führen die Druckspannungen in der Ebene von 1 beziehungsweise in der Fläche des Faserhalbzeugs 1 zu einem Faltenwurf, der her schematisch durch eine Falte 3 angedeutet ist. Um einen Faltenwurf zu vermeiden ist bevorzugt vorgesehen, die Druckspannungen durch entgegenwirkende Zugkräfte, welche hier durch Pfeile P dargestellt sind, abzubauen.
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Dies wird vorzugsweise im Rahmen des Verfahrens beziehungsweise mithilfe der Vorrichtung durch eine Spannvorrichtung 5 bewirkt, von der ein Ausführungsbeispiel schematisch in 2 dargestellt ist. Die Spannvorrichtung 5 umfasst mindestens einen Spannrahmen 7, vorzugsweise eine Mehrzahl von Einzelspannrahmen, in welche einzelne Lagen eines als Fasermatte ausgebildeten Faserhalbzeugs separat einspannbar sind. Die Einzelspannrahmen sind in diesem Fall vorzugsweise so ausgebildet, wie dies im Folgenden für den Spannrahmen 7 erläutert wird.
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Dieser umfasst ein Rahmenelement 9, welches einen Innenbereich 11 umgreift. In dem Innenbereich 11 ist eine Mehrzahl von Klemmelementen angeordnet, von denen hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eines mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet ist. Die Klemmelemente 13 sind zur Übertragung von Spannkräften mit dem Rahmenelement 9 wirkverbunden, was in 2 nur schematisch angedeutet ist, wobei bei dem Ausführungsbeispiel vorzugsweise Seilzüge vorgesehen sind, von denen hier der besseren Übersichtlichkeit wegen lediglich einer mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet ist.
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Es zeigt sich, dass die mithilfe der Klemmelemente 13 aufgebrachten Spannkräfte und auch die durch die Ausrichtung derselben vorgegebenen Spannrichtungen für jedes Klemmelement 13 separat bedarfsgerecht wählbar sind. Insbesondere ist es möglich, die Spannkräfte und/oder Spannrichtungen zeitlich variabel und insbesondere prozessgeführt zu steuern und/oder zu regeln. Auf diese Weise ist es möglich, lokal und bedarfsgerecht Druckspannungen in dem Faserhalbzeug 1 abzubauen und einer Faltenbildung entgegenzuwirken.
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Sind mehrere Einzelspannrahmen vorgesehen, die entsprechend dem Spannrahmen 7 ausgebildet sind, und in die verschiedenen Lagen eines als Fasermatte ausgebildeten Faserhalbzeugs 1 eingespannt werden können, ist es bevorzugt zusätzlich möglich, die Spannkräfte und/oder Spannrichtungen auch lagenspezifisch und innerhalb jeder Lage zeitlich variabel sowie lokal bedarfsgerecht abgestimmt zu wählen.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung möglich ist, besonders flexibel und effizient beim Drapieren beziehungsweise Umformen eines Faserhalbzeugs in beliebigen Richtungen auftretende Druckspannungen abzubauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040970 A1 [0002]