TSCHARNTKE, Rico (Petersburger Str. 47, Berlin, 10249, DE)
MUELLER, Caren (Wallmow 55, Carmzow-Wallmow, 17291, DE)
TSCHARNTKE, Rico (Petersburger Str. 47, Berlin, 10249, DE)
| Seite 33 Ansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial (4) und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern (F, FL) besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Form gebenden Kavität (V) für das herzustellende Bauteil (1), - Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) in der Kavität (V) und von die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) wenigstens teilweise umgebenden Fasern (F, FL), - Verschließen der Kavität (V) und Evakuierung der Kavität (V) derart, dass sich die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) ausdehnen können, - Ausdehnen der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*), - Einbringen des wenigstens einen Matrixmaterials (4) in Form eines Fluids in die Kavität (V) und - Entnahme des aus dem erhärteten Matrixmaterial (4), den Bauteilkomponenten (2, 2*. 20, 21, 200, 200*) und Fasern (F, FL) gebildeten Bauteils (1), wobei die Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und Fasern (F, FL) in dem Matrixmatrial (4) eingebettet sind. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) bereits vor Ihrer Anordnung in der Kavität (V) wenigstens teilweise mit Fasern (F, FL) umgeben sind und/oder Fasern (F, FL) separat von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) in der Kavität (V) angeordnet werden. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) Seite 34 innerhalb der Kavität (V) nach einem vordefinierten Muster (201 , 202) erfolgt, durch das in dem fertiggestellten Bauteil (1) voneinander abgrenzbare Funktionsbereiche (6.1 , 6.2, 61) entstehen, die jeweils für die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils (1) auftretenden Belastungen optimiert sind. 4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (F, FL) dreidimensional untereinander bzw. miteinander gezielt verbunden werden. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) in wenigstens einer vorgefertigten Faserumhüllung (5, 5*) und/oder auf einer Faserfläche (6, 7) angeordnet werden, die jeweils aus Fasern (F1 FL), insbesondere aus Faserrovings, Fasergelegen, Fasermatten (7a - 7d) oder wenigstens einem Faserschlauch (5), hergestellt sind, 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten (2, 2*) innerhalb wenigstens einer aus einem Faserschlauch (5) gebildeten Faserumhüllung (5, 5*) angeordnet werden. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserfläche (7), auf der die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) angeordnet werden, aus einzelnen miteinander verbundenen Fasermatten (7a - 7d) besteht. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) auf einer im Wesentlichen ebenen, ausgebreiteten Faserfläche (6) angeordnet werden, die derart aufgewickelt wird, dass sich die darauf angeordneten Komponenten im Inneren der aufgewickelten Faserfläche (6) befinden, und die aufgewickelte Faserfläche (6) in der Kavität (V) angeordnet wird, bevor das Matrixmaterial (4) in die Kavität (V) eingebracht wird. 9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Evakuierung der Kavität (V) Füllstoffe (3, 3*) zur Beeinflussung der Eigenschaften des herzustellenden Bauteils (1 ) in der Kavität (V) angeordnet werden, Seite 35 die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder Fasern (F, FL) zumindest abschnittsweise umgeben. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6 und dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Füllstoffe (3, 3*) in die vorgefertigten Faserumhüllungen (5, 5*) eingebracht werden und/oder Füllstoffe (3, 3*) zumindest abschnittsweise die vorgefertigten Faserumhüllungen (5, 5*) umgeben. 11. Verfahren nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und Füllstoffe (3, 3*) in Kammern (8) der Faserfläche (7) eingebracht werden, wobei die Kammern (8) durch Vernähen von Fasern (F, FL) insbesondere von Faserflächen (7) gebildet sind. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die expandierten Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und die sie zumindest abschnittsweise umgebenden Füllstoffe (3, 3*) und/oder Fasern (F, FL) nach dem Aushärten des Matrixmaterials (4) eine definierte Tragstruktur innerhalb des fertiggestellten Bauteils (1) bilden. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilkomponenten (2, 2*. 20, 21 , 200, 200*), Fasern (F, FL), Trägerkomponenten und/oder Füllstoffe (3, 3*) mit wenigstens einem Additiv so behandelt werden, dass eine gezielte und lokal steuerbare Beeinflussung der Vernetzung des Matrixmaterials (4) erfolgt. 14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) kraftschlüssig mit Fasern (F, FL) verbunden sind. 15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Matrixmaterials (4) nach der Evakuierung der Kavität (V) erfolgt, und/oder dass eine zusätzliche Expansion von Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder expansionsfähiger Füllstoffe (3, 3*) nach der Einbringung des Matrixmaterials (4) erfolgt. Seite 36 16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Evakuierung der Kavität (V) Trägerkomponenten zur Schaffung einer innerhalb des herzustellenden Bauteils (1) Kräfte leitenden Tragstruktur in der Kavität (V) angeordnet werden. 17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) wenigstens teilweise durch gasdicht abgeschlossene und mit Gas und/oder Trägerkomponenten gefüllte Hohlkörper gebildet werden. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper von einem Elastomer oder Latex umgeben sind. 19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils (1) vor dem Einbringen des Matrixmaterials (4) in die Kavität (V) Additive auf die Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*), auf Fasern (F, FL) Trägerkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder auf Füllstoffe (3, 3*) aufgebracht werden, die mit dem wenigstens einen Matrixmaterial (4) chemisch reagieren. 20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes") auf die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*), auf Fasern (F, FL), Trägerkomponenten und/oder Füllstoffe (3, 3*) aufgesprüht werden. 21. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (4) ein Harz, insbesondere ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast aufweist. 22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (4) ein Biopolymer aufweist, das im Wesentlichen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird. 23. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil in dem herzustellenden Bauteil (1) durch die bei der Evakuierung der Kavität (V) sich ausdehnenden Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) gezielt reguliert wird. Seite 37 24. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil des herzustellenden Bauteils (1) zwischen 15-90% liegt. 25. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial (4) und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern (F, FL) besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Form gebenden Kavität (V) für das herzustellende Bauteil (D. Anordnung von Fasern (F, FL) innerhalb der Kavität (V), - Aufbringen von Additiven und/oder Füllstoffen auf die Fasen (F, FL), die bei der Einbringung des wenigstens einen Matrixmaterials (4) mit dem Matrixmaterial (4) reagieren und/oder lokal die Eigenschaften des herzustellten Bauteils beeinflussen, und - Einbringen des wenigstens Matrixmaterials (4) in Form eines Fluids in die Kavität (V) und 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes") auf die Fasern (F, FL) aufgesprüht werden. 27. Bauteil aus einem Verbundwerkstoff, das gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26 hergestellt ist. 28. Isobarentank (T, T*) zur Aufbewahrung eines gasförmigen Fluids, der wenigstens eine erste und eine zweite Diffusionsschicht (D1 - D3; D1* - D3*) und einen Mantel aufweist, wobei die erste Diffusionsschicht (D1 , D1 *, D2, D2*) im Inneren des Isobarentanks (T, T*) einen ersten Hohlraum (H1 , H1*, H2, H2*) zur Aufnahme des Fluids vollständig umschließt, die zweite Diffusionsschicht (D2, D2*, D3, D3*) einen zweiten Hohlraum (H2, H2*, H3, H3*) vollständig umschließt, in dem der erste Hohlraum (H1 , H1*, H2, H2*) komplett aufgenommen ist, und der Mantel die zweite Diffusionsschicht (D2, D2*, D3, D3*) vollständig umschließt, um den Isobarentank (T, Seite 38 T*) gegenüber einem Außenraum abzudichten, wobei die Diffusionsschicht (D1 - D3; D1 * - D3*) jeweils ab einem Schwelle (p1 , p2, p3), der an der jeweiligen Diffusionsschicht (D1 - D3; Dr dem Isobarentank (T, T*) aufgenommene gasförmige Fluid ar durchlässig ist. 29. Verwendung eines Bauteils nach dem Anspruch 27 zur Herstellui Diffusionsschicht (D1 - D3; D1 * - D3*) für einen Isobarentank Anspruch 28. * * * * * |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern besteht.
Ein solches Bauteil ist Leichtbau und soll Metall, Holz, Plastik, Beton sowie andere Verbundwerkstoffe ersetzen ohne Anwendungsparameter zu reduzieren. Dies soll erreicht werden indem Fasern einem Belastungsprofil des Bauteils entsprechend an beliebigen Positionen innerhalb des Bauteils fixiert werden können. Damit soll ein Bauteil geschaffen werden, das an die bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils auftretenden Belastungen angepasst ist und im Vergleich zu alternativen Bauformen mit gleicher Festigkeit deutlich leichter ist.
Aus der EP 0 402 708 A1 ist ein Leichtverbundwerkstoff mit einer Duromermatrix bekannt, in dem Fasern vorzugsweise zunächst in vorgefertigten Gewebelagen vorliegen und diese einzelnen Gewebelagen aufeinander aufgeschichtet mit dem Duromer bzw. duromeren Harz umgeben werden.
Nachteilig an dem in der EP 0 402 708 beschriebenen Verfahren sowie den damit hergestellten Bauteilen ist die Tatsache, dass eine Schaffung dreidimensionaler Tragstrukturen nur bedingt durch das gezielte Verbinden der einzelnen Gewebelagen möglich ist. Eine nachträgliche, d.h. nach der Anordnung der Gewebelage erfolgende, Anpassung der sich im Inneren des Bauteils zu schaffenden Faserstruktur sowie insbesondere eine gezielte Beeinflussung des Faserverlaufs in alle Raumrichtungen ist nicht möglich. Seite 2
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet und die Schaffung eines Bauteils aus einem mit Fasern versehenen Verbundwerkstoff gestattet, bei dem eine Anpassung der räumlichen Struktur der Fasern während des Herstellungsprozesses möglich ist, ohne dass ein Zugriff auf die Fasern von außen nötig ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff vorgesehen, der wenigstens aus einem Matrixmaterial und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Bereitstellen einer Form gebenden Kavität für das herzustellende Bauteil,
- Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten in der Kavität und die Bauteilkomponenten wenigstens teilweise umgebenden Fasern,
- Verschließen der Kavität und Evakuierung der Kavität derart, dass sich die Bauteilkomponenten ausdehnen können,
- Ausdehnen der expansionsfähigen Bauteilkomponenten,
- Einbringen des wenigstens einen Matrixmaterials in Form eines Fluids in die Kavität und
Entnahme des aus dem erhärteten Matrixmaterial, den Bauteilkomponenten und Fasern gebildeten Bauteils, wobei die Bauteilkomponenten und Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere zelluläre Strukturen erzeugen. Damit wird es möglich, Erkenntnisse aus Bionik und Geometrie praktisch und industriell zu realisieren. Des Weiteren können beim Aufbau einer Faserstruktur innerhalb des Bauteils Maßnahmen ergriffen werden, die die physikalischen Eigenschaften des Matrixmaterials gezielt lokal modifizieren.
Es lassen sich monolithische Bauteile herstellen, die aus einem faserverstärkten Schaum aufgebaut sind. Die Fasern liegen hier dissipativ im Bauteil angeordnet vor.
In der Grundkonfiguration wird das Bauteil so aus einem homogenen Material gebildet, welches durch funktionale Gruppen in seinem physikalischen Verhalten frei modifiziert werden kann. Zum Aufbau eines solchen Schaums können Fasern und expansionsfähige Seite 3
Bauteilkomponenten sowie nachfolgend noch erläuterte Füllstoffe, Trägerkomponenten und Additive in einer Harzmatrix kombiniert werden.
Expansionsfähige Bauteilkomponenten können in beliebigen Mischungsverhältnissen aus verschiedenen Funktionsgruppen bestehen. Sie bilden vorzugsweise eine Kernstruktur für einen zellularen Aufbau eines Faserschaums, aus dem das .Bauteil besteht.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können unter anderem auch die nachfolgenden Komponenten zur Herstellung des Bauteils zum Einsatz kommen:
1. Füllstoffe: zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Bauteils, die wenigstens die Bauteilkomponenten und/oder die Fasern abschnittsweise umgeben; werden vorzugsweise (lose) eingeschüttet;
2. Trägerkomponenten: zur Schaffung einer innerhalb des herzustellenden Bauteils Kräfte leitenden Tragstruktur, die wenigstens von Bauteilkomponenten und Fasern zumindest abschnittsweise umgeben sind; ihre Kerne können von kraftschlüssig mit ihnen verbundenen Fasern umgeben sein, typischerweise sind sie durch hohes Volumen bei geringem Gewicht gekennzeichnet;
3. Additive: chemisch/kristallographisch mit dem Matrixmaterial reagierende Stoffe, die zur Beeinflussung der Eigenschaften der erstarrten Harzmatrix und damit zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils genutzt werden;
4. Expander: mit Gas und/oder Trägerkomponenten gefüllte und gasdicht abgeschlossene Hohlkörper als expansionsfähige Bauteilkomponenten, die unter relativem Unterdruck ihr Volumen vergrößern. Typischerweise sind sie mit einem Elastomer oder Latex umgeben bzw. überzogen.
Erfindungsgemäß können mit Gas gefüllte expansionsfähige Bauteilkomponenten bzw. Expander zusammen mit den Fasern und Trägerkomponenten in einem ersten Schritt innerhalb der Kavität angeordnet werden. Die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bilden dabei bevorzugt den Kern zum Aufbau zellulärer Strukturen innerhalb des Bauteils.
Erst mit der Evakuierung der Kavität bilden sich die gewünschten endgültigen Faserverläufe bzw. Faserstrukturen aus, indem die expansionsfähigen Seite 4
Bauteilkomponenten, die sie umgebenden Fasern und Trägerkomponenten nach außen drücken, d.h. sie z.B. von einem Mittelpunkt des jeweiligen Expanders weg bewegen.
Darüber hinaus können konstruktiv benötigte oder funktional gewünschte Hohlräume bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch entsprechend platzierte und in der Größe und Form angepasste Expander in dem herzustellenden Bauteil angelegt werden.
In einer Weiterbildung können die Bauteilkomponente oder die mit ihnen gebildeten Expander derart ausgeführt sein, dass sie nur an definierten Stellen und damit auch nicht in bestimmte, vorgegebene Raumrichtungen expandieren können. Vorzugsweise expandieren die Bauteilkomponenten oder Expander jedoch bei der Evakuierung der Kavität in alle Raumrichtungen nahezu gleichmäßig.
Obwohl dementsprechend die Bauteilkomponenten und Expander eine nahezu beliebige geometrische Form aufweisen können, werden beide vorzugsweise sphärisch ausgeführt.
Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Expander eignen sich insbesondre Elastomere, Naturgummi z.B. Latex, damit das in ihnen oder in der in ihrem Inneren befindlichen Bauteilkomponente eingeschlossene Gas unter relativem Unterdruck expandieren kann.
Expander sind dementsprechend beispielsweise mit Gas gefüllte Ballons oder verfügen über Gas speichernde Kerne z.B. Styropor, können aber auch - wie bereits obig ausgeführt - von Elastomeren umschlossene Trägerkomponenten sein. Insbesondere durch Trägerkomponenten gestützte Expander ermöglichen ein stabiles Volumen unter Normaldruck, was einen präziseren Aufbau der Faserarchitektur erlaubt.
Des Weiteren bilden die expansionsfähigen Bauteilkomponenten mit den Trägerkomponenten Kerne der zellulären Strukturen. Solche Kerne können beliebige räumliche Dimensionen haben sind aber stets fest. Mit ihnen kraftschlüssig verbundene Faserfilamente können sich mit Filamenten benachbarter expansionsfähiger Bauteilkomponenten verbinden. Faserfilamente können hierbei anforderungsspezifisch in Form von verklebten bzw. mechanisch verbundenen Kurz- und Langschnittfasern sowie zusammen mit Füllstoffen anfallen. Seite 5
Darüber hinaus können die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in Fasergelegen, Faserschläuchen, Matten etc. oder Füllstoffen eingebettet werden. Sie bilden damit einen Grundstock einer räumlich zellulären Struktur.
Weiterhin können Samen von Pflanzen bzw. deren Nachbauten als expansionsfςihige Bauteilkomponenten zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen nach Einfüllen des Matrixmaterials durch Bestrahlung mit Mikro- oder Infrarotwellen eine (zweite) Expansionsstufe innerhalb des Bauteils. Dies kann in einer Ausführungsvariante auch als zusätzlicher Verfahrensschritt nach der Einbringung des Matrixmaterials erfolgen. Hierbei würde folglich die Ausdehnung dieser Bauteil komponenten auf ihre endgültige Größe erst innerhalb des hergestellten bzw. zumindest bereits das Matrixmaterial aufweisenden Bauteils erfolgen. Auf diese Weise lassen sich die gewünschten Faserstrukturen innerhalb des herzustellenden Bauteils gegebenenfalls noch besser einstellen, entstandene und unerwünschte Lunker innerhalb des Matrixmaterials vermeiden bzw. überschüssiges Harz aus dem Bauteil pressen.
Typischerweise wird ein Harz als Matrixmaterial eingesetzt und mit einem Harz- Injektions- oder Infusionsverfahren mit der Faser(innen)struktur zum Bauteil ausgehärtet. Bevorzugt setzt das erfindungsgemäße Verfahren Teile eines „Vakuum Assisted Resin Injection"- (VARI) oder „Resin Transfer Moulding" (RTM)-Verfahrens [„Vakuum unterstützten Harzinjektions-" oder ,,Harztransferformungs"-Verfahrens] und deren Weiterentwicklungen um, bei denen jeweils ein Unterdruck in einer Kavität aufgebaut wird.
Wie bereits mehrfach dargelegt, kann das herzustellende Bauteil durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit funktionalen Baugruppen ausgestattet werden. Diese ermöglichen unter anderem Eigenschaftsmodifizierungen eines Faserschaums im Bauteil.
Das Einbringen eines oder mehrerer durchgängiger Schläuche kann dabei auch den Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch das Bauteil ermöglichen. Diese können zudem weiterhin das Auffüllen mit funktionalen Gasen und Flüssigkeiten bzw. das Evakuieren derartiger Fluide ermöglichen, wodurch weitere Eigenschaftserweiterungen für das herzustellende Bauteil resultieren.
Der Faservolumenanteil zwischen den expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Fasern und zu einer durch die Kavität definierten äußeren Form wird durch den Druck Seite 6 aus den Bauteilkomponenten bzw. Expandern gezielt reguliert. Es ist möglich Menge, Größe, Innendruck und Material der expansionsfähigen Bauteilkomponenten zu definieren, um den Faservolumenanteil einzustellen.
Derart ist unter anderem die Schaffung räumlich in sich strukturierter, als monolithisch zu bezeichneter Bauteile möglich, deren Aufbau als bionisch (der Natur nachempfunden) charakterisiert werden kann. Darüber hinaus können Geometriekomplexitäten aus innovativen Konzepten wie minimalisierter Geometrie (z.B. Tensegrity [englisches Kunstwort aus „tension" (Spannung) und „integrity" (Integrität) für eine bestimmte Art eines Tragwerksystems], Korpuskelgeometrie) realisiert werden.
Erfindungsgemäß ist eine gezielte Anpassung des Faserverlaufs durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. durch ihre Ausführungsform als Expander gewährleistet, die gegebenenfalls durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien auch unterschiedlich expansionsfähig sein können.
Die Fasern können je nach benötigtem Belastungsprofil und Einsatzzweck in Richtung einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils auftretenden Kraft positioniert werden und werden vorzugsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im gesamten herzustellenden Bauteil dreidimensional verbunden.
Vorzugsweise liegt der Faservolumenanteil des herzustellenden Bauteils zwischen 15- 90%.
Es ist dabei zunächst grundsätzlich unerheblich, ob die Faserstrukturen im Nano- oder Makrobereich herzustellen sind, da durch eine Skalierung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten eine Anpassung der Faserstruktur nicht nur beliebig detailliert möglich ist, sondern auch unabhängig von der Größe oder der Form des herzustellenden Bauteils ist.
Dabei werden unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Fasern beispielsweise textile Fasern, Glasfasern, Metallfasern oder Kohlenstofffasern verstanden. Darüber hinaus können mikrostrukturierte und alle organischen Fasern zum Einsatz kommen.
Als Kavität wird jedwede feste oder flexible Negativform verstanden, die die spätere Außenform des herzustellenden Bauteils bestimmt. Es kann sich hierbei insbesondere Seite 7 um eine starre Schale, eine geschlossene Spritzgussform oder einen Vakuumsack mit flexiblen Mantelflächen handeln.
Weiterhin können die Fasern bereits unmittelbar an den noch nicht expandierten Bauteilkomponenten anliegen oder zunächst lose innerhalb der Kavität unterbracht sein. Dies bedeutet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bereits vor Ihrer Anordnung in der Kavität wenigstens teilweise mit Fasern umgeben sein können und z.B. mit Fasern umwickelt sind.
Alternativ oder zusätzlich können geordnete oder ungeordneten lose Fasern separat von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten in der Kavität angeordnet werden und beispielsweise die expansionsfähige Bauteilkomponenten in ein bereits in der Kavität befindliches Fasermaterial lose oder in einem spezifischen Muster eingebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität nach einem vordefinierten Muster, durch das in dem fertig gestellten Bauteil voneinander abgrenzbare Funktionsbereiche entstehen, die jeweils für die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils auftretenden Belastungen bzw. Kräfte optimiert sind. Dementsprechend werden vordefinierte Bereiche des herzustellenden Bauteils zu funktionalen Gruppen zusammengefasst, die zur Aufnahme von definierten Belastungen wie Stoß, Zug oder Rotation dienen. Diese Bereiche können demnach Fasern in notwendiger Dichte und/oder Orientierung aufweisen, wobei ein gewünschter, endgültiger Faserverlauf mittels der expansionsfähigen Bauteilkomponenten eingestellt und justiert werden kann. Das Bauteil ist demnach in sich und nahezu beliebig nach Leistungsparametern strukturierbar.
Um eine möglichst homogene Struktur innerhalb des Bauteils zu realisieren, ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt vorgesehen, dass die Fasern dreidimensional untereinander bzw. miteinander verdrillt/vernäht und/oder untereinander bzw. miteinander gezielt kraftschlüssig verbunden werden. Zusätzlich können die Bauteilkomponenten, Expander und/oder Fasern mit Füllstoffen und Additiven behandelt werden.
Zur einfacheren Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten in festgelegten Mustern innerhalb der Kavität und um die gezielte Schaffung von zuvor definierten
Strukturen durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten und die Fasern zu erleichtern, werden die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in einem Seite 8
Ausführungsbeispiel in wenigstens einer vorgefertigten Faserumhüllung und/oder auf einer Faserfläche angeordnet. Diese Faserumhüllung oder Faserfläche ist jeweils aus Fasern, insbesondere aus Faserfilamenten, Faserrovings, Fasergelegen, einzelnen Fasermatten oder wenigstens einem Faserschlauch hergestellt.
In einer darauf basierenden Ausführungsform werden expansionsfähige Bauteilkomponenten innerhalb wenigstens einer aus einem Faserschlauch gebildeten Faserumhüllung oder einer aus mehreren Einzelkammern bestehende Faserumhüllung angeordnet. Diese Faserumhüllung wird innerhalb der Kavität platziert und stellt damit bereits eine Grundstruktur für die innerhalb des herzustellenden Bauteils zu realisierende Faserstruktur dar, bevor die Kavität evakuiert und das Matrixmaterial eingebracht wird.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten auf einer im Wesentlichen ebenen, ausgebreiteten Faserfläche mit Fasermaterial angeordnet werden, die derart aufgewickelt wird, dass sich die darauf angeordneten Komponenten im Inneren der aufgewickelten Faserfläche befinden, und die aufgewickelte Faserfläche in der Kavität angeordnet wird, bevor das Matrixmaterial in die Kavität eingebracht wird.
Die gesamte innere und äußere Struktur des Bauteils wird mit anderen Worten in die Faserfläche abgewickelt. Zum Strukturaufbau wird die Faserfläche mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten z.B. teilweise in Form von Expandern sowie ggf. mit funktionalen Bestandteilen, wie z.B. Füllstoffen und/oder Additiven, belegt und danach eingerollt, bis die Faserfläche in Form eines Wickels vorliegt. Dieser wird in die Kavität eingebracht, die geschlossen und evakuiert wird. Dabei dehnen sich die Bauteilkomponenten bzw. Expander aus und pressen die Außenlage der gewickelten Faserfläche gegen die Innenwände der Kavität und richten die innerhalb der Faserfläche vorliegende Struktur auf.
Ebenso können expansionsfähigen Bauteilkomponenten auf einer Faserfläche angeordnet werden, die, unabhängig davon, ob diese aufgewickelt wird oder nicht, aus einzelnen flächig miteinander verbundenen Fasermatten besteht.
Um innerhalb des herzustellenden Bauteils tragfähigere und formgebende Tragstrukturen zu definieren, die nicht ausschließlich von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten abhängen und somit noch gezielter an die auftretenden Belastungen angepasst werden können, werden vorzugsweise vor der Evakuierung der Kavität Füllstoffe in der Kavität Seite 9 angeordnet, die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten zumindest abschnittsweise umgeben.
Mittels der hinzu gegebenen Füllstoffe kann der Faservolumenanteil reguliert werden und die Spezifizierung der physikalischen Eigenschaften der Matrix gesteuert werden. So erfolgt eine Expansion der Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität in einem durch das
Fasermaterial und die Füllstoffe verkleinerten Volumen, so dass die Füllstoffe, etwaige
Trägerkomponenten und Fasern durch die sich ausdehnenden Bauteilkomponenten bzw. Expander verdichtet werden. Durch das nachträglich eingebrachte Matrixmaterial werden dann bereits durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Fasern und
Füllstoffe gebildeten Tragstrukturen in dem Bauteil fixiert.
Die Füllstoffe können weiterhin in/auf die vorgefertigten Faserumhüllungen eingebracht werden und/oder zumindest abschnittsweise die vorgefertigten Faserumhüllungen umgeben. Ebenso können Füllstoffe in Zwischenräume oder Kammern einer oben erläuterten Faserfläche eingebracht werden, wobei die Zwischenräume durch Bereich der Faserfläche gebildet sind, in denen die Fasermatten, aus denen die Faserfläche besteht, nicht miteinander verbunden sind.
Des Weiteren können Füllstoffe der Harzmatrix vor der Injektion/Infusion zugesetzt werden.
Bei Füllstoffen handelt es sich beispielsweise um faser- nadel-, platten- oder teilchenförmige und/oder mineralische Stoffe, insbesondere weisen sie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Glaskugeln, amorphe Kieselsäure, Asbest, Calciumsilicat, Calciummetasilicat, Magnesiumcarbonat, Kaolin, calciniertes Kaolin, Kreide, gepulverten Quarz, Glimmer, Bariumsulfat, Feldspat, Aramid-Fasern, Kaliumtitanat-Fasem, nadeiförmigen Wollastonit, Talkum, Böhmit, Bentonit, Montmorillonit, Vermicullit, Hektorit oder Laponit etc. . Partikel aus Kautschuk, Metallpulver, Farbstoffe, Pigmente und deren Bindemittel sowie Haftvermittler, organische Füllstoffe wie Holzmehl können eingesetzt werden.
Bei den aufzubringenden Füllstoffen kann es sich beispielsweise auch um in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes", CNT), oder Micorballons etc. handeln, die auf die expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Fasern und/oder Füllstoffe aufgesprüht werden. Seite 10
Mit solchen Kohlenstoffnanoröhren können zusätzliche Verstärkungseffekte erzielt werden und kann das herzustellende Bauteil lokal oder großflächig zusätzlich mit einer größeren Festigkeit versehen werden.
Der Verbund zwischen Fasern und Harzmatrix bzw. Matrixmaterial erfolgt physikalisch. Adhäsionskräfte verbinden Fasern und Matrix. Zusätzlich sorgen Oberflächenfehler der Fasern und das darin z.B. in Form eines Harzes einfließende Matrixmaterial für verstärkte Reibung zwischen Fasern und Matrix. Diese Eigenschaften können durch die Füllstoffe, die Oberflächenstruktur der Fasern und die Viskosität des Harzes reguliert werden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Einbringung des Matrixmaterials bevorzugt nach der Evakuierung der Kavität, so dass bereits expandierte Bauteilkomponenten vorliegen, wenn das Matrixmaterial, beispielsweise ein Harz, zugeführt wird. Des Weiteren kann der Unterdruck während und nach dem Einfüllen des Harzes reguliert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Expansion der Bauteilkomponenten erst nach der vollständigen oder teilweisen Befüllung der Kavität mit Matrixmaterial realisiert wird. In einem solchen Fall würden sich folglich die Bauteilkomponenten zumindest teilweise bereits innerhalb eines flüssigen Matrixmaterials befinden, wenn sie sich ausdehnen.
Zur weiteren gezielten Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils kann das erfindungsgemäße Verfahren um eine Gasinjektion in das Bauteil vor während und/oder nach dem Erhärten des Matrixmaterials ergänzt werden. Darunter wird beispielsweise verstanden, dass in die expandierten Expander lokal Gas injiziert wird. Dies ist eine dritte Möglichkeit den Forminnendruck und damit den Faservolumenanteil zu regulieren.
Insbesondere diese Expander können durch ihre physikalische Verbindung zum äußeren des Bauteils auch nach Aushärtung funktional zum Transport oder Lagerung von Stoffen genutzt werden.
Zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils werden vor dem Einbringen des Matrixmaterials in die Kavität in einer Ausführungsvariante Additive auf die Bauteilkomponenten, auf Fasern und Füllstoffe aufgebracht.
Unter Additiven werden hierbei insbesondere Zuschlagstoffe verstanden, die die Kristallisation des Matrixmaterials, z.B. eines Harzes, beeinflussen. Durch chemische Seite 11
Reaktion beeinflussen sie die Form und Größe der Kristalle der erstarten Harzmatrix. Diese beeinflussen physikalische Parameter des Harzes wie Festigkeit Härte Temperaturbeständigkeit, chemische Reaktivität, Porosität etc.
Teil der vorliegenden Erfindung ist unter anderem, dass die Eigenschaften der Harzmatrix im monolithischen Bauteil in einem Guss gezielt dynamisch reguliert werden können. Durch Aufsprühen oder allgemein Aufbringen der Additive auf den Preform, befinden sich die Additive schon am Ort der gewünschten Eigenschaft im Bauteil. Dies kann jedoch in allen Faserverbundstofftechniken angewendet werden.
Es gelingt somit eine Harzmatrix aus dem Matrixmaterial durch die Einbringung von Additiven aber auch Füllstoffen lokalisiert zu beeinflussen (Kristallisation, Dichte, Länge der Polymerketten und deren Auffaltung, physikalisches und chemisches Verhalten, Dauer und Position des Glasübergangspunktes). Durch Aufbringen von Additiven und/oder Einbringen von Füllstoffen kann darüber hinaus die Harzmatrix beim Einfließen in die Kavität in ihrem Verhalten in dem herzustellenden Bauteil dynamisch variiert werden. Diese Additive/Füllstoffe werden auf die Preform, d.h. insbesondere die Faserarchitektur bzw. die in der Kavität bereits angeordneten Komponenten des Verbundwerkstoffes, vor der Evakuierung aufgebracht. Damit nimmt eine fortschreitende Harzfront des eingebrachten Matrixmaterials die Additive an konstruktionsdeterminierten Positionen auf und bestimmt lokal die Eigenschaften des dort erstarrten Harzes. Dadurch wird das Bauteil in relativ einfacher Weise mit komplexen z.B. mechanischen Eigenschaften definiert. Durch Additive kann an festgelegten Punkten das Harz jedoch weiterhin marktüblich geschäumt werden.
Als Matrixmaterial kann ein Harz eingesetzt werden. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast aufweisen. Auch kann das Matrixmaterial ein Biopolymer aufweisen, das im Wesentlichen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird.
Als Duromer werden überwiegend Epoxid(EP)-harze, ungesättigte Polyester (UP)-harze und Vinylester(VE)-harze verwendet. Außerdem können je nach Anwendungszweck Phenol(PF)-harze, Polyamide und Bismaleinimide Verwendung finden.
Unvernetzte Polymere werden durch die Vulkanisation mit Schwefel zu Elastomeren, die insbesondere auch für die Herstellung der Expander eingesetzt werden können. Als Ausgangsstoff dient Kautschuk, der u.a. in Form von Naturkautschuk, Isoprenkautschuk Seite 12 und Butadienkautschuk zum Einsatz kommt. Neben den räumlich vernetzten Elastomeren gibt es die thermoplastischen Elastomere. Eingesetzt werden z.B. Styrol- Butadien-Styrol-Dreiblockcopolymere, Polyurethane, Elastomer-Thermoplastverschnitte (z.B. EPDM/PP, NR/PP).
Im Bereich der Thermoplaste werden teilkristallines wie Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und amorphe Thermoplaste wie Polysterol (PS), Polycarbonat (PC) eingesetzt. Als Matrix eignen sich vor allem Polypropylen(PE), die gesättigten Polyester Polybutylentherephtalat (PBT) und Polyethylentherephtalat (PET) sowie Polyamide (PA). Hoch wäremeformbeständige thermoplastische Matrixmaterialien sind Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS) sowie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherimid (PEI).
Beispiele für geeignete Ausgangsmaterialien sind vorzugsweise die natürlichen Fette und Öle von Raps, Sonnenblumen, Soja, Lein, Hanf, Rizinus, Kokosnüssen, Ölpalmen,
Ölpalmkemen und Ölbäumen. Weitere geeignete Ausgangsstoffe sind die durch die
Polymerisation oder Olygomerisierung von Fettsäuren durch radikalische Polymerisation oder thermische Behandlung zugänglichen Dimer- und Trimerfettsäuren sowie deren
Folgeprodukte gegeben.
Zur Herstellung von oleochemischen Duroplasten sind die folgenden Verbindungsklassen ganz besonders geeignet:
• epoxidierte Fette und Öle
• aminische Fettstoffe • (Meth)acrylat-funktionelle Fettstoffe, vorzugsweise hergestellt durch Veresterung von (Meth)acrylsäure mit hydroxidfunkionalisierten Fetten und Ölen, oder durch Ringöffnungs-Reaktion von epoxidierten Fettstoffen mit olefinisch ungesättigten Carbonsäuren wie (Meth)acrylsäure, Crotonsäure, Itakonsäure, Maleinsäure oder deren Mischung.
Die wichtigsten Vertreter der epoxidierten Fette und Öle sind das expoxidierte Leinoel und Sojaöl und das epoxidierte Rapsöl sowie das epoxidierte Sonnenblumenöl.
Typischerweise weisen die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. die aus oder mit ihnen hergestellten Expander Elastomere, Polyamide oder Latex auf oder sind aus den genannten Materialen hergestellt, um deren Expansionsfähigkeit zu definieren. Seite 13
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, das nach dem vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Denkbar sind Bauteile für den Fahrzeugbau, d.h. den Automobilbau, Schienenfahrzeugbau, Flugzeugbau, die Herstellung von Karosserieteilen sowie Inneneinrichtungen. Fernerhin kann ein erfindungsgemäßes Bauteil in der Bauindustrie für Dämmstoffe und tragende Elemente, im Fensterbau zum Bau von Fensterrahmen, Türrahmen und Türen, in der Möbelindustrie zur Herstellung von Platten, mehrschaliger Wandsysteme, Möbelteilen und Möbeln, in der Elektro-/Energieindustrie zur Herstellung von Computern, Haushaltsgeräten, HiFi-, PA-Gehäusen, Flügeln und Rotorblättern von Gebläsen oder Windenergieanlagen verwendet werden. Die Herstellung von Maschinenteilen und Verkleidungen sind verfahrensgemäß realisierbar. Auch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Körpern deren Einsatzgebiete unter Wasser und im Weltall liegen.
Im Bereich der Freizeitgestaltung und im Sport können aus erfindungsgemäßen Bauteilen Sportgeräte, Boote, Segelflugzeuge, Rennsport, Wannen und Bassins, Fahrradrahmen, Minigolfanlagen, Stege, Surfbretter aber auch Masten für z.B. Strom, Segelboote und WKA, Verplankungen hergestellt werden.
Im Maschinenbau können sie zur Herstellung von Zahnrädern oder Getriebeteilen und in der Abfallwirtschaft zur Herstellung von Abfallbehältern eingesetzt werden.
Im Anlagenbau können Behälter, Pumpen, Rohrelemente hergestellt werden.
In der Verpackungsindustrie lassen sich die erfindungsgemäßen Bauteile zur Herstellung von Flaschen, Hohlkörpern, Formteilen und technischen Verpackungen verwenden.
Weiterhin ist ein solches Bauteil als Container oder Koffer oder im Gerüst- und Bühnenbau einsetzbar.
Auch lassen sich die erfindungsgemäßen Bauteile in der Landwirtschaft zur Herstellung von Behältern, Futtermittelsilos, Pflanzentöpfen und in der Sicherheitstechnik zur Herstellung von Schutzhelmen und -Protektoren einsetzen, In der Medizin zur Herstellung von Protesen. Tragen und Stützen, in der Freizeit- und Wellnessbranche, im Messebau. Seite 14
Ein weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines Bauteils, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, um damit mindestens eine Diffusionsschicht für einen Isobarentank zur Aufbewahrung eines gasförmigen Fluids, z.B. Wasserstoff, herzustellen.
Ein solcher Isobarentank weist wenigstens eine erste und eine zweite Diffusionsschicht und einen Mantel auf, wobei die erste Diffusionsschicht im Inneren des Isobarentanks einen ersten Hohlraum zur Aufnahme des Fluids vollständig umschließt, die zweite Diffusionsschicht einen zweiten Hohlraum vollständig umschließt, in dem der erste Hohlraum komplett aufgenommen ist, und der Mantel die zweite Diffusionsschicht vollständig umschließt, um den Isobarentank gegenüber einem Außenraum abzudichten. Die erste und zweite Diffusionsschicht sind weiterhin jeweils ab einem Schwellenwert für den Druck, der an der jeweiligen Diffusionsschicht durch das in dem Isobarentank aufgenommene gasförmige Fluid anliegt, für das Fluid durchlässig ist.
Auf diese Weise kann ein mehrschichtiger Isobarentank aufgebaut werden, der mit dem zu speichernden Gas mit hohem Druck befüllt wird. Zwar ist es durchaus möglich, den äußersten Hohlraum des Isobarentanks, in dem mehrere weiteren Hohlräume unterbracht sind, mit dem Fluid unter dem höchsten Druck zu befüllen. Damit würde folglich das Fluid durch die einzelnen Diffusionsschichten von außen nach innen diffundieren. Es wird jedoch bevorzugt, einen innersten (ersten) Hohlraum mit dem Fluid bei einem höchsten Druck zu versehen und das Fluid durch die diesen innersten Hohlraum umgebende (erste) Diffusionsschicht teilweise in den nächsten Hohlraum entweichen zu lassen, wenn ein bestimmter Schwellwert erreicht ist. Derart steht eine Entlastung des innersten Hohlraums und es wird ein Gegendruck in dem nächsten, angrenzenden (zweiten) Hohlraum geschaffen.
Selbstverständlich ist es möglich, eine Mehrzahl von gleichartigen oder unterschiedlichen, d.h. bei unterschiedlichen Drücken durchlässigen Diffusionsschichten vorzusehen.
Wird in einem an den Mantel des Isobarentanks angrenzenden, äußersten Hohlraum ein zulässiger Maximaldruck erreicht, erfolgt eine Kompression des darin befindlichen Fluids aus diesem äußersten Hohlraum zurück in den innersten Hohlraum. Eine Entnahme des in dem Isobarentank gespeicherten Gases bzw. gasförmigen Fluids erfolgt dann bevorzugt an dem äußersten Hohlraum des Isobarentanks. Seite 15
Über den Einsatz eines Bauteils für die Diffusionsschichten des Isobarentanks, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, lässt sich die zulässige Diffusion zwischen den aneinander angrenzenden Hohlräumen über die jeweilige Diffusionsschicht gezielt einstellen. Über Bauteilkomponenten und die Matrix wird die Materialbeschaffenheit der Diffusionsschicht, die Durchlässigkeit einer Diffusionsschicht bereits während der Herstellung gezielt eingestellt.
Das Wirkprinzip des hier beschriebenen Isobarentanks ist jedoch nicht zwingend an die Verwendung eines Bauteils für eine der Diffusionsschichten gebunden, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellt;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteils;
Fig. 3 schematisch einen Faserschlauch, in den expansionsfähige
Bauteilkomponenten und Füllstoffen eingefüllt wurden;
Fig. 4A - 4D verschiedenen Ansichten einer in eine Kavität anzuordnenden Faserarchitektur, die aufgewickelt wird, in der sich unter anderem expansionsfähige Bauteilkomponenten und funktionale Baugruppen in ihrem Inneren befinden, in verschiedenen Verfahrensstadien;
Fig. 5A schematisch mehrere, mit einzelnen Kammern versehene
Faserumhüllungen, in die expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffe einzufüllen sind, innerhalb einer Kavität für das herzustellende Bauteil; Seite 16
Fig. 5B ausschnittsweise eine aus mehreren hexagonalen Fasermatten bestehende Faserfläche mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffen;
Fig. 6A - 6B geschnittene Ansichten zweier Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Isobarentanks mit mehreren Diffusionsschichten.
Figur 1 zeigt schematisch einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, in dem Fasern innerhalb eines Matrixmaterials, zum Beispiel einem Harz, eingebettet sind.
Zunächst wird in einem ersten Schritt A eine Kavität bereitgestellt, in der die das herzustellende Bauteil bildenden Komponenten angeordnet bzw. eingebracht werden. Die durch die Kavität definierte Außenform bestimmt die spätere endgültige Form des herzustellenden Bauteils. Bei einer solchen Kavität kann es sich beispielsweise um eine mit einem festen Kern versehene Matrize oder eine einfache Hohlform ohne innenliegenden Kern handeln. Ebenso ist aber auch eine Kavität in Form eines flexiblen (Vakuum-) Sackes einsetzbar oder eine Kombination aus Außenform und Vakuumsack.
Innerhalb der bereitgestellten Kavität wird in den nachfolgenden Schritten eine Faserarchitektur innerhalb der Kavität aufgebaut. Diese zeichnet sich durch eine Anordnung von Fasern, Faserrovings, Fasergelegen, Faserschläuchen und/ oder Matten bzw. Fliesen sowie der Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffen in der Kavität nach Konstruktionsvorgaben für das herzustellende Bauteil aus, wie dies in einem Schritt B der Figur 1 vorgesehen ist. Dabei können die genannten in der Kavität anzuordnenden Komponenten, insbesondere die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in Form der bereits eingangs erläuterten Expander und Trägerkomponenten, sein. Die expansionsfähigen Bauteilkomponenten können bereits einzeln mit Fasern umgeben sein. Aber sie können auch in bereits in der Kavität eingebrachte Fasern eingesetzt werden, die lose bzw. ungeordnet oder gezielt innerhalb der Kavität ausgerichtet bzw. geordnet vorliegen.
Grundsätzlich kann das Fasermaterial auch lose und als Rovings, Garne, Schläuche, Gewirke, Gestricke, Prepegs vorliegen.
In der Kavität angeordnet bilden die eingebrachten Komponenten somit faserverstärkte Strukturen aus, die im Rahmen einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Seite 17
Verfahrens wiederum zusätzlich mit Fasern von mikro bis endlos verbunden werden können.
Ziel ist es, die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. die Expander mit geordneten und/oder ungeordneten Fasern zu umgeben, so dass mit einer nachfolgenden Expansion der Bauteilkomponenten bzw. Expander die Fasern innerhalb der Kavität gezielt ausgerichtet werden können oder zumindest die bereits in der Kavität aufgebaute Form stabilisiert und fixiert wird.
Die Expander sind vorzugsweise als mit Gas und/ oder Trägerkomponenten gefüllte Hohlkörper aus einem Elastomer ausgeführt, so dass bei einer Evakuierung der Kavität durch den entstehenden Unterdruck eine Ausdehnung derartiger Hohlkörper erfolgen kann.
Um bereits bei der Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten und der Fasern innerhalb der Kavität gewünschte, spätere Tragstrukturen in einfacher Weise definieren zu können, kann zumindest ein Teil der Bauteilkomponenten bereits im Vorfeld mit Fasern umgeben sein. Belastbarere Tragstrukturen werden vornehmlich durch mit Fasern umgebende gezielt expandierte Bauteilkomponenten und ggf. mit zusätzlich eingefüllten und nicht expansionsfähigen Trägerkomponenten gebildet. Derartige Trägerkomponenten sind vorzugsweise derart beschaffen, dass sie eine kraftschlüssige Verbindung ihrer Oberfläche und Fasern gestatten.
Beispielsweise werden expansionsfähige Bauteilkomponenten in einen aus verwobenen Einzelfasern gebildeten Faserschlauch eingesteckt, bevor eine Anordnung der Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität erfolgt.
Ein solcher beispielhaft genannter Faserschlauch, kann somit innerhalb der Kavität entlang eines gewünschten Verlaufs ausgelegt werden. Ein solcher Verlauf eines Faserschlauches kann beispielsweise geradlinig innerhalb der Kavität sein, sodass eine Art Druckstab innerhalb des herzustellenden Bauteils realisiert wird. Hierbei wird dieser Druckstab durch die innerhalb des später eingebrachten Matrixmaterials eingebetteten Fasern des Faserschlauches und die darin aufgenommenen Komponenten (insbesondere Expander, Trägerkomponenten und nachfolgend noch erläuterte Füllstoffe) gebildet und bietet mit durch die mit ihm geschaffene Tragstruktur entlang seines Verlaufs eine größere (Zug-) Festigkeit innerhalb des fertig gestellten Bauteils. Seite 18
Um innerhalb des herzustellenden Bauteils und damit innerhalb des ausgehärteten Matrixmaterials die Tragfähigkeit und die Belastbarkeit des Bauteils nicht ausschließlich über die eingebrachten Fasern und die expansionsfähigen Bauteilkomponenten zu realisieren und um eine größere Steifigkeit der damit zu schaffenden Tragstruktur bereitzustellen, werden in einem Verfahrensschritt B.2 zusätzlich Füllstoffe in die Kavität zugegeben.
Während die expansionsfähigen Bauteilkomponenten vorzugsweise gezielt innerhalb der Kavität positioniert bzw. platziert werden, ist es in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchaus möglich, zusätzliche, die Bauteilkomponenten wenigstens abschnittsweise umgebende Füllstoffe lose in die Kavität einzuschütten, um die Faserarchitektur herzustellen.
Ebenso können Füllstoffe in vorgefertigten Faserumhüllungen, wie zum Beispiel einem oben beschriebenen Faserschlauch (vergleiche auch Figur 3), zusammen mit den expansionsfähigen Bauteilkomponenten angeordnet werden. Die expansionsfähigen
Bauteilkomponenten bewirken stets eine Verdrängung der Fasern und der Füllstoffe gegeneinander und in Richtung der die Kavität definierenden Außenwände. In derartigen
Faserumhüllungen angeordnete Füllstoffe expansionsfähigen Bauteilkomponenten bilden nach dem Aushärten des eingebrachten Matrixmaterials vorgespannte Tragstrukturen in dem hergestellten Bauteil.
Wie unter dem optionalen Verfahrensschritt B.2 der Figur 1 weiterhin angemerkt ist, können die Füllstoffe Vernetzungsmittel beinhalten bzw. den Füllstoffen werden zusätzliche Vernetzungsmittel zugesetzt. Dabei werden unter derartigen Vernetzungsmitteln Stoffe verstanden, die auch als Additive bezeichnet werden können. Die den Füllstoffen zugesetzten Additive können so die Vernetzungseigenschaften der Harzmatrix gezielt (chemisch) beeinflussen.
Darüber hinaus sind derartige Vernetzungsmittel auch für die Vernetzung von Fasern gedacht, die Mantelflächen von Faserumhüllungen oder Faserflächen bilden. Zwar können einzelne Fasern stets mechanisch miteinander, zum Beispiel durch Vernähen, Verdrillen oder Verweben, miteinander verbunden werden. Über den Einsatz der Vernetzungsmittel ist aber gerade auch eine dreidimensionale Kopplung der in dem Bauteil befindlichen Fasern auf chemischer Ebene in einfacher Weise möglich. Seite 19
Zur weiteren gezielten Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils können in dem Verfahrensschritt B.2 bei der Herstellung der Faserarchitektur grundsätzlich Additive in die Kavität eingebracht werden. Derartige Additive können in einer Verfahrensvariante beispielsweise in einem Lösungsmittel befindliche Materialien, die die Kristallisation der Harzmatrix beeinflussen, vorzugsweise auf bereits mit Fasern umgebene Bauteilkomponenten aufgesprüht bzw. aufgetragen werden.
Als Additive dienen z.B. flüchtige Lösungsmittel z.B. Toluol Toluol, Trivialname nach IUPAC auch Toluen, Methylbenzol, Phenylmethan, nach lUPAC-Nomenklatur Methylbenzen genannt, ist eine farblose, charakteristisch riechende, flüchtige Flüssigkeit, die in vielen ihrer Eigenschaften dem Benzol ähnelt. Toluol ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff, häufig ersetzt es als Lösungsmittel das giftige Benzol.
Bevor nun die Kavität mit der darin befindlichen, erstellten Faserarchitektur luftdicht abgeschlossen und evakuiert wird, wie dies im Verfahrensschritt C der Figur 1 nachfolgend vorgesehen ist, kann entsprechend dem Verfahrensschritt B.3 zuvor noch eine Luftverwirbelung vorgesehen sein. Durch eine derartige Luftverwirbelung werden innerhalb der Kavität vorliegende lose Fasern mechanisch miteinander verknüpft.
Bei der anschließenden Evakuierung der Kavität ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Expander sich ausdehnen und damit die gewünschte innere Tragstruktur bestehend aus expansionsfähigen Bauteilkomponenten sowie Fasern, Füllstoffen und Additiven innerhalb der Kavität festlegen. Gerade durch die Form gebenden Expander wird die Faserarchitektur stabilisiert und es wird für den nötigen Forminnendruck gesorgt.
Anschließend wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt D das Matrixmaterial, beispielsweise ein Harz, insbesondere ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast, durch Infusion oder Injektion in die Kavität eingebracht. Dabei kann zur Erhöhung der Viskosität das Matrixmaterial erwärmt sein. In diesem Zusammenhang mögliche und bekannte Verfahren sind beispielsweise „Vacuum Assisted Resin Injection" (VARI) [Vakuum unterstützte Harzinjektion] oder „Resin Transfer Molding" (RTM) [Harztransferformung] sowie deren Weiterentwicklungen.
Nach dem Aushärten des damit geschaffenen Bauteils, in dem die Fasern, Füllstoffe etc. und expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb der Matrix eingebettet sind, wird das hergestellte Bauteil in einem abschließenden Verfahrensschritt E aus der Kavität entnommen. Über die eingesetzten Additive und die Form gebende Wirkung der Seite 20
Expander ist dabei innerhalb des aus dem Verbundwerkstoff hergestellten Bauteils eine stabilisierende und insbesondere dreidimensional vernetzte Tragstruktur entstanden, die an die auftretenden Belastungen bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz des hergestellten Bauteils angepasst ist.
Zusätzlich zu den genannten Komponenten können bei der Herstellung der Faserarchitektur vor dem Verschließen der Kavität (Schritt C des Ausführungsbeispiels der Figur 1) auch weitere funktionale Bauteile eingebracht werden. Derartige funktionale Bauteile können beispielsweise etwaige Leitungsrohre oder aber auch elektronische Komponenten wie Sensoren sein.
Die Figur 2 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil 1 in Form eines Mastes, der in der Figur 2 im Querschnitt dargestellt ist. Das Bauteil 1 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine kreisförmige Grundfläche auf.
Innerhalb des schematisch gezeigten Querschnitts sind mit Fasern umgebene Expander, (Bauteilkomponenten) 20 und 21 sowie teilchenförmige Füllstoffe 3 ersichtlich, die in einem mit Additiven versehenen, ausgehärteten Matrixmaterial eingebettet sind.
Ein einzelnder Expander (oder auch eine einzelne Bauteilkomponente 20) ist zentral innerhalb einer nicht dargestellten Kavität angeordnet, so dass dieser ein verstärktes Zentrum des herzustellenden Bauteils 1 bildet.
Um diesen zentralen Expander 20 wurden dezentrale, kleinere expansionsfähige Bauteilkomponenten 21 entlang einer Kreisbahn angeordnet, um mit den zusätzlich eingebrachten Trägerkomponenten und Füllstoffen 3 einen stabilisierenden Kern innerhalb des Bauteils 1 zusammen mit dem zentralen Expander 20 zu bilden. Dabei können die einzelnen Expander und Bauteilkomponenten 20, 21 jeweils entlang einer
Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 verlaufen und jeweils eine Länge aufweisen, die nahezu einer Gesamtlänge des Bauteils 1 entspricht. Bevorzugt wird jedoch, wenn jeweils eine Mehrzahl von zentralen Expandern 20 und eine Mehrzahl von
Bauteilkomponenten 21 entlang der Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 hintereinander angeordnet werden, wobei ein zentraler Expander 20 jeweils von mehreren expansionsfähigen Bauteilkomponenten 21 und/oder Füllstoffen umgeben ist.
Die damit entlang der Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 verlaufenden starren Strukturen mit den Expandern 20 und anderen expansionsfähigen Bauteilkomponenten Seite 21
21 sind hierbei für die an dem Bauteil 1 gerade in seinem Inneren erhöht auftretenden Belastungen ausgelegt. Mit anderen Worten, die Expander 20 und expansionsfähigen Bauteilkomponenten 21 und die sie umgebenden Trägerkomponenten und Füllstoffe 3 sind innerhalb des Bauteils 1 gerade in Funktionsbereichen 6.0 und 6.1 nach einem vordefinierten Muster angeordnet worden, um das herzustellende Bauteil 1 gezielt an diesen Funktionsbereichen mit einem angepassten physikalischem Verhalten zu versehen.
Die damit gebildeten funktionalen Gruppen werden durch sie stützende Zellstrukturen umgeben, die wiederum aus Expandern, Trägerkomponenten, Fasern und Füllstoffen aufgebaut werden. Um eine zentrale funktionale Gruppe mit dem Expander 20 werden Zellstrukturen so aufgebaut, dass aus jeder Raumdimension wirkenden Kräften eine Vielzahl von neutralen Linien entgegen wirken.
In der Figur 3 wird eine vorgefertigte Faserumhüllung in Form eines Faserschlauches 5 gezeigt, in den expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2 und sie umgebende Füllstoffe 3 eingebracht worden sind.
Ein derartiger Faserschlauch 5 wird als bereits vollständig ausgebildete Faserumhüllung in einer Kavität angeordnet und gestattet somit eine vergleichsweise leicht zu Hand habende Vorgabe einer gewünschten Faserstruktur beziehungsweise - zusammen mit den innerhalb des Faserschlauchs 5 aufgenommenen expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2 und den Füllstoffen 3 - die direkte Vorgabe einer definierten Tragstruktur innerhalb des herzustellenden Bauteils.
Der Faserschlauch 5 der Figur 3 besteht hier aus miteinander verwobenen Fasern F, die dann bei einer Expansion der gegebenenfalls mit Gas gefüllten kugelförmigen Expander bzw. Bauteilkomponenten 2 nach außen gedrückt werden, wie dies anhand der Pfeile für einen Expander 2 angedeutet ist.
Die Ausrichtung der Fasern F auf bzw. innerhalb einer Mantelfläche des Faserschlauchs 5 kann grundsätzlich auf verschiedene Weise erfolgen. In der Figur 3 sind zwei verschiedene Varianten veranschaulicht. In einer Variante (in der Figur 3 am rechten Ende des gezeigten Faserschlauches 5 dargestellt) verlaufen die einzelnen Faser F des Faserschlauches 5 alle parallel zu einander und quer zur Erstreckungsrichtung des Faserschlauches 5. Die einzelnen Fasern F bilden damit eine Faserstruktur 50 * in Form eines unidirektionalen Geleges. Bei einer nachfolgenden Expansion der Seite 22
Bauteilkomponente bzw. des Expanders 2 und der damit verbundenen Oberflächenvergrößerung der Bauteilkomponente bzw. des Expanders 2 werden die einzelnen Fasern F beziehungsweise die Faserstruktur 50 * maßgeblich auf Zug in Faserrichtung belastet und damit vorgespannt.
Eine senkrecht zur Faserrichtung im Druckstab wirkende Kraft führt zu einer Aufwölbung und damit zu einer Vergrößerung des Durchmessers der kugelähnlichen bzw. zylindrischen Form. Dieser Verformung wirken die auf Zug belasteten Fasern bis zum Zusammenbruch entgegen. Die optimalen Leistungsparameter der Fasern werden räumlich ausgenutzt. Damit ist es möglich, eine Drucklast für die auf Zug optimierten Fasern zu übersetzen.
Eine weitere Verbesserung kann durch Multiaxialgelege erzeugt werden, wie sie ebenso in der Figur 3 (an einem linken Ende des dargestellten Faserschlauches 5) verdeutlicht sind. Hierbei verlaufen mehrere Faserlagen als Faserstrukturen 50, 51 und 52 mit jeweils zueinander parallelen Einzelfasem F in unterschiedlichen Winkeln zueinander. Mit anderen Worten der Faserschlauch 5 wird hierbei durch mehrere Faserbündel aus Einzelfasern F definiert, wobei die einzelnen, die Faserstrukturen 50 - 52 definierenden Faserbündel jeweils zueinander geneigt sind beziehungsweise entlang verschiedener Richtungen verlaufen.
Unabhängig von der Ausbildung der Faserstrukturen 50 - 52, 50 * innerhalb des Faserschlauches 5 kann mit einer derartigen Faserumhüllung, in die bereits expansionsfähige Bauteilkomponenten 2 und/oder Füllstoffen 3 angeordnet sind, eine definierte funktionale Komponente bereits in der Faserarchitektur des herzustellenden Bauteils geschaffen werden. Diese funktionale Baugruppe bildet dann nach der gezielten und regulierbaren Expansion der Bauteilkomponenten 2 eine gewünschte Tragstruktur in einem Funktionsbereich des fertig gestellten Bauteils, der an die beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftretenden Belastungen angepasst ist.
Mit den Figuren 4A bis 4D wird in unterschiedlichen Ansichten und in verschiedenen Stadien eine weitere Ausführungsvariante für die Anordnung expansionsfähiger Bauteilkomponenten und Füllstoffe mit Fasern F vor der Anordnung innerhalb einer Kavität gezeigt.
Hierbei wird nahezu die gesamte innere Struktur des herzustellenden Bauteils in einer Fasermatte abgewickelt, die dann mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Seite 23 gegebenenfalls Füllstoffen sowie Additiven belegt und anschließend wieder aufgewickelt innerhalb der Kavität angeordnet und mit Matrixmaterial umgeben wird.
In der Figur 4B ist zunächst eine als Fasergrundfläche 6 ausgebildete Fasermatte in einem Zustand gezeigt, in dem die Fasergrundfläche 6 durch Aufklappen entlang einer
Faltlinie L ausgehende von einem in der Figur 4A gezeigten Auslieferungszustand einmalig aufgeklappt wurde. Eine damit in der Figur 4B ersichtliche Mantelfläche 60 bildet im späteren zusammen gewickelten Zustand der Fasergrundfläche 6 (vergleiche Figur
4D) eine Außenfläche der aufgewickelten Fasergrundfläche 6, in deren Innerem die darauf angeordneten Komponenten (Fasermaterial, expansionsfähigen
Bauteilkomponenten 200, Füllstoffe 3 und gegebenenfalls Additive) aufgenommen sind.
In der Figur 4C ist die Fasergrundfläche 6 in einem weiter abgewickelten Zustand gezeigt, der sich durch Auffaltung der Fasergrundfläche 6 ausgehend von dem Zustand der Figur 4B ergibt. Die damit abgewickelte Länge und Breite der eben ausgebreiteten Fasergrundfläche 6 übersteigt damit um ein Vielfaches die Abmessungen der abgewickelten Oberfläche des herzustellenden Bauteils.
In der Figur 4C sind damit auch die in der Figur 4B noch aufgewickelten Abschnitte der Fasergrundfläche 6 ersichtlich, die als Funktionsbereiche 61 bezeichnet sind. Diese
Funktionsbereiche 61 der Fasergrundfläche 6 sind durch Absätze, Aussparungen und/oder Einschnitte in die aus Fasern F bestehende Fasergrundfläche 6 gebildet. Die spezifische Ausgestaltung der Funktionsbereiche 61 der Fasergrundfläche 6 erfolgt dabei anhand von Konstruktionsvorgaben, insbesondere anhand von zu erwartenden oder berechneten Kräften, die auf das herzustellende Bauteil bei seinem bestimmungsgemäßen Einsatz wirken.
Die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 sowie etwaiger Füllstoffe und Additiven auf den ausgeklappten beziehungsweise abgewickelten Funktionsbereichen 61 erfolgt des Weiteren auf Basis der auftretenden Kraftflüsse innerhalb des fertig gestellten Bauteils entlang vorgegebener Muster 201 und 202.
Anschließend wird die Fasergrundfläche 6 erneut aufgewickelt beziehungsweise eingerollt. Dabei werden nun die in den Funktionsbereichen 61 angeordneten Fasermaterialien und expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 sowie eventuelle Füllstoffe und Additive mit eingewickelt beziehungsweise eingerollt, so dass sich ein durch die Fasergrundfläche 6 gebildeter Wickel ausbildet, in dessen Innerem die Seite 24 genannten Komponenten vorliegen und jeweils durch die einzelnen Wickellagen der Fasergrundfläche 6 voneinander getrennt sind.
Die aufgewickelte Fasergrundfläche 6 ist in der Figur 4D in einem Querschnitt dargestellt. Diese aufgewickelte Fasergrundfläche 6 wird nun in die Kavität eingebracht und gegebenenfalls mit weiteren Fasern, expansionsfähigen Bauteilkomponenten und/oder Füllstoffen umgeben. Mit der Evakuierung der Kavität dehnen sich die expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 aus und definieren derart die endgültige Form der inneren Struktur des herzustellenden Bauteils vor der Einbringung des Matrixmaterials.
In einer Weiterbildung des durch die Figuren 4A - 4D dargestellten Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass der fertig gestellte Wickel der Fasergrundfläche 6 (vergleiche Figur 4D) durch die Expansion Bauteilkomponente200 im Wesentlichen entlang der Faltlinie L gezielt aufgerichtet wird. Hierfür könnte beispielsweise die Mantelfläche 60 der aufgewickelten Fasergrundfläche 6 mit den darin befindlichen Komponenten an eine Außenwandung der Kavität angrenzen und somit die Mantelfläche 60 bei der Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 gegen diese Außenwandung beziehungsweise gegen die Kavität selbst pressen. Damit werden durch die weitere Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponente 200 die innen liegenden Schichten der Fasergrundfläche 6 nach oben beziehungsweise unten, das heißt im Wesentlichen senkrecht zu der Mantelfläche 60, gepresst. Damit richtet sich die innere Struktur der aufgewickelten Fasergrundfläche 6 auf beziehungsweise wird nach außen gepresst.
Mit der Ausdehnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 und der im Wesentlichen im Schnitt spiralförmig aufgewickelten Fasergrundfläche 6 lässt sich somit eine tragfähige Struktur innerhalb des herzustellenden Bauteils schaffen, die trotz ihrer Komplexität relativ einfach herzustellen ist.
Auch hier können stets konstruktiv benötigte oder funktional gewünschte Hohlräume innerhalb des herzustellenden Bauteils durch entsprechend platzierte und in der Größe angepasste Expander 200 angelegt werden.
Mit den Figuren 5A und 5B wird weiterhin eine Ausführungsvariante für das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht, bei denen vorgefertigte Faserstrukturen
Verwendung finden. Diese Verfahrensvariante dient zur Herstellung schalenartiger Seite 25
Bauteile die konventionell in Sandwichbauweise ausgeführt werden, unter Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.
In einem Ausführungsbeispiel (in den Figuren 5A und 5B nicht dargestellt) kann ein zentriertes Sechseck, bei dem alle Kantenlängen und Strahlen zum Mittelpunkt gleich lang sind, eine Fläche aufspannen, die sich nicht in die dritte Raumdimension verformen lassen will. Diese Verformung würde ein komplexes Zug- Druckverhalten auslösen, denen sich die sechseckige Faserstruktur widersetzt. Diese Fläche ist eine homöostatische Fläche. Die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine hybride Faserarchitektur nach diesen geometrischen Grundregeln zur
Verfügung.
Die Hexagonalmatte besteht aus mindestens zwei Fasermatten als Außenschicht. Flächig wird ein anwendungsgerechter Mix aus expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Füllstoffen und Additiven aufgebracht. Die Vemähung erfolgt mit einzelnen Fasern, Rovings und Garnen und bildet die geometrische Grundstruktur aus. Durch die Vernähung, werden die Kammern mit ihrem Inhalt fixiert. Mit Hilfe der Nähguthalterung, einer CNC-Nähmaschine, der Schrägnähanlage und der robotergestützten Ein- und Zweiseitennähtechnik werden hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Produkte erreicht. Auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes wirken sich die Nähmaschinenparameter, wie Nadelgeometrie, Nadelstärke, Nähfadenspannung und Nähgeschwindigkeit, aus sowie die Beschaffenheit eines optional an den Außenseiten mitgeführten Fasermaterials.
Nach Aushärten der Matrix entsteht ein zweidimensionales Flächentragwerk. Die Hexagonalmatten können für den Bau gewölbter Flächen benutzt werden. Dafür wird der Winkel der Vernähung modifiziert oder die Spannung des mitgeführten Fasermaterials verändert, um die Form der Dreiecke im Sinne der Triangulation von Oberflächen dynamische an die gekrümmten Flächen anzupassen.
Sollten sich die Spitzen der Dreiecke nicht in einem gemeinsamen Mittelpunkt treffen, wird - wie in 5B veranschaulicht - eine Struktur nach dem Wirkprinzip eines geodätischen Doms errichtet. Vorzugsweise wird des Weiteren ein schindelartiger Aufbau (nicht dargestellt) gewählt, das heißt die Nähte müssen nicht senkrecht ausgeführt sein.
In der Figur 5A ist schematisch eine Kavität V gezeigt, in der mehrere (vorliegend zwei gezeigt) Faserumhüllungen 5* angeordnet sind. Diese Faserumhüllungen 5 * sind Seite 26 zylinderförmig ausgebildet und weisen jeweils eine hexagonale Grundfläche auf. Diese hexagonale Grundfläche wird durch sechs im Wesentlichen identische Dreiecke in sechs Abschnitte unterteilt, die jeweils eine dreieckige Grundfläche für die sechs innerhalb der Faserumhüllungen 5 * liegenden sechs Kammern 5a - 5f bilden. Die einzelnen Kammern 5a - 5f der Faserumhüllung 5 * werden jeweils durch drei Kammerwandungen W1 , W2 und W3 begrenzt, so dass die einzelnen Kammern 5a - 5f jeweils an den beiden Stirnseiten der zylinderförmigen Faserumhüllung 5 * offen sind.
Eine Kammer 5a - 5f wird bevorzugt aus einer einzelnen Fasermatten hergestellt, die die einzelnen Kammerwandungen W1 - W3 durch entsprechendes Umfalten und Vernähen entlang von Nähten N bildet. Über die Nähte N werden die Kammer 5a - 5f vorzugsweise auch untereinander verbunden, um die einzelne Faserumhüllungen 5 * zu formen.
In die jeweils hohlen Kammern 5a - 5f werden vor oder nach deren Anordnung innerhalb der Kavität V die expansionsfähigen Bauteilkomponenten sowie etwaige Füllstoffe und gegebenenfalls zusätzliche Fasern (hier nicht dargestellt) angeordnet. Durch das Überragen loser Faserbündel beziehungsweise loser Fasern F L , mit denen die einzelnen Kammern 5a - 5f untereinander vernäht sind, wird gleichfalls eine Verbindung zu einer weiteren anliegenden Faserumhüllung 5 * möglich. Auf diese Weise werden aneinander angrenzende Faserumhüllungen 5 * durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben kraftschlüssig miteinander verbunden und erzeugen derart eine komplexe, dreidimensionale tragfähige Struktur innerhalb des herzustellenden Bauteils aus Fasern F, F L , Füllstoffen und expansionsfähigen Bauteilkomponenten.
Durch das Überragen loser Faserbündel beziehungsweise loser Fasern F L , mit denen die einzelnen Fasermatten der Kammern 5a - 5f untereinander vernäht sind, wird gleichfalls eine Verbindung zu einer weiteren anliegenden Fasermatte und/oder Faserumhüllung 5* möglich. Auf diese Weise werden aneinander angrenzende Fasermatten und/oder Faserumhüllungen 5* durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben kraftschlüssig miteinander verbunden.
Durch die Einbettung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten und der ebenfalls zylinderförmigen, d. h. vorliegend prismatischen Vernähungen der Faserumhüllung 5* lassen sich die innerhalb des Matrixmaterials herzustellenden Strukturen und damit das herzustellende Bauteil äußerst stabil ausbilden, da sich bei einer Expansion der ggf. in den Kammern 5a - 5f befindlichen Bauteilkomponenten / Expander die Vernähungen N jeweils vorspannen. So wird jede Kammerwandung W1 , W2, W3 sowohl radial nach Seite 27 außen gepresst, als auch durch die mit ihr verbundene und ebenfalls nach außen gedrückte Kammerwandung W2, W3; W1 , W3 bzw. W1 , W2 daran gehindert. Zudem würde eine Kammerwandung W1 , die einen Teil einer Außenfläche definiert, gleichermaßen nach außen gedrückt wie einer solchen Ausdehnung der Kammerwandung W1 durch eine angrenzende Kammerwandung W1 - W3 einer anliegende Faserumhüllung 5 * entgegen gewirkt würde.
Darüber hinaus ist ein Verzahnen von mit Fasern F, F L verbundenen Trägerkomponenten untereinander und mit den Fasermatten und/oder Faserumhüllungen 5 * möglich, gerade wenn die (Außen-)Naht N einer Fasermatte einem Dreiecksmuster folgt. Durch die entlang der Naht N gebildeten Zwischenräume können bei der Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponenten gegeneinander bewegte Trägerkomponenten direkt oder indirekt miteinander verbunden werden. Beispielsweise erfolgt eine Verbindung benachbarter und in unterschiedlichen Kammern 5a - 5f befindlicher Trägerkomponenten über die an sie angrenzenden und kraftschlüssig mit ihnen verbindbaren Faser F, F L . Entlang der N kann somit eine durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten gebildete oder zumindest stabilisierte Tragstruktur innerhalb des herzustellenden Bauteils geschaffen werden.
Es wird somit möglich Raumparkettierungen aus einzelnen Kammern 5a - 5f mit den Faserumhüllungen 5 * zu konfektionieren, wobei die Größe der dreieckigen Grundfläche der Kammern 5a - 5f durch Anpassung der Nähte N variiert werden kann. Es entstehen somit komplexe dreidimensionale Faserstrukturen innerhalb des fertig gestellten Bauteils, die nicht durch einen schichtweisen Laminataufbau gekennzeichnet sind, aber dennoch vergleichsweise einfach an gewünschte Kraftflüsse angepasst werden können.
Mit der Figur 5B wird eine weitere vorgefertigte Faserstruktur in Form einer Faserfläche 7 veranschaulicht. Diese Faserfläche 7 ist aus mehreren miteinander hexagonal vernähten Fasermatten 7a - 7d hergestellt. Dabei sind die einzelnen Fasermatten 7a - 7d jeweils an den Ecken des durch sie aufgespannten regelmäßigen Sechsecks mit mindestens einer weiteren Fasermatte 7a - 7f verbunden, so dass jeweils zwischen drei miteinander verbundenen Fasermatten 7a, 7b und 7c bzw. 7b, 7c und 7d ein Zwischenraum 8 gebildet ist.
In diese Zwischenräume 8 können expansionsfähige Bauteilkomponenten 2 bzw. 200 entsprechend den vorangegangenen Figuren eingefüllt bzw. angeordnet werden, um insbesondere eine komplexe geometrische Tragstruktur mit Fasern, Füllstoffen und Seite 28 expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb des herzustellenden Bauteils zu schaffen.
Insbesondere eignet sich eine Faserfläche 7 entsprechend der Figur 5B für die Schaffung schalenartiger Bauteile, in denen wenigstens eine der Faserflächen 7 oder auch mehrere Faserflächen 7 zur Schaffung einer komplexen dreidimensionalen Faserstruktur innerhalb der Kavität angeordnet werden.
Um eine Verbindung einzelner Faserflächen 7 sowie der auf der Faserfläche 7 aufgebrachten Komponenten (beispielsweise expansionsfähige Bauteilkomponenten 2, 2 * , 200 und 200 * , Füllstoffe 3, 3 * sowie Additive) zu verbessern, weisen die einzelnen Fasermatten 7a-7d entlang der die hexagonale Form definierenden Kanten sowie entlang der Naht N Fasern F L auf, die einen Kraftschluss beispielsweise durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben zu weiteren Fasern F, F L herstellen können. Dies gilt insbesondere für Fasern, die zusätzlich um die einzelnen expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2, 2 * , 200 oder 200 * angeordnet worden sind (hier nicht dargestellt). Die Kammern sind offen gestaltet, um den direkten Kontakt der Faserfilamente zu ermöglichen und mit dem Aushärten der Matrix zu fixieren.
Mit den Figuren 6A und 6B werden zwei Ausführungsbeispiele zur Verwendung eines Bauteils veranschaulicht, dass nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Verbundwerkstoff hergestellt wurde. So zeigen die Figuren 6A und 6B jeweils einen Schnitt durch einen Isobarentank T bzw. T * , der eine Mehrzahl von einzelnen erfindungsgemäß hergestellten Diffusionsschichten D1-D3 bzw. D1 * -D3 * aufweist.
In der Figur 6A ist aus den einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 jeweils ein zylinderförmiger Hohlraum geschaffen H1 , H2 bzw. H3, der jeweils vollständig von der jeweiligen Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 definiert wird und von der entsprechenden Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 vollständig umgeben ist. Dabei bildet ein Hohlraum H1 , der von der (ersten) Diffusionsschicht D1 definiert wird, einen innersten Hohlraum des Isobarentanks T, der innerhalb der jeweils größeren Hohlräume H2 und H3 liegt. Der nächst größere Hohlraum H2, der von der (zweiten) Diffusionsschicht D2 definiert wird, liegt dementsprechend innerhalb des nächst größeren Hohlraums H3, der von der äußersten (dritten) Diffusionsschicht D3 definiert ist.
Der Isobarentank T ist zur Speicherung bzw. Lagerung eines gasförmigen Fluids, zum Beispiel von Wasserstoff, ausgelegt, das vorzugsweise in den innersten Hohlraum H1 Seite 29 unter hohem Druck eingefüllt wird. Die einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche spezifische Einstellung der Materialeigenschaften auf Basis der expansionsfähigen Bauteilkomponenten sind die Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 ab einem bestimmten (ggf. jeweils voneinander unterschiedlichem) Schwellenwert bzw. Grenzwert für einen Druck, der an der jeweiligen Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 anliegt, für das aufgenommene Fluid durchlässig ausgelegt. Mit anderen Worten, die einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 sind ab einem bestimmten Druckwert diffusionsoffen.
So kann beim Erreichen eines (ersten) Schwellenwertes für den Druck innerhalb des Hohlraumes H1 das darin aufgenommene gasförmige Fluid wenigstens teilweise durch die Diffusionsschicht D1 in den angrenzenden Hohlraum H2 hindurch diffundieren, um so eine Entlastung des Hohlraums H1 zu schaffen. Damit liegt auch in dem Hohlraum H2 ein Teil des innerhalb des Isobarentanks T zu lagernden gasförmigen Fluids bei einem Druck vor. Steigt dieser Druck in dem zweiten Hohlraum H2 durch weitere Diffusion durch die Diffusionsschicht D1 über einen weiteren (zweiten) Schwellenwert hinaus an, der für die Diffusionsschicht D2 festgelegt ist, so kann das gasförmige Fluid von dem Hohlraum H2 über die Diffusionsschicht D2 in den nächst größeren Hohlraum H3 gelangen.
Dieses dargestellte Prinzip des Diffundierens durch die einzelnen Diffusionsschichten D1- D3 eines Isobarentanks T kann je nach Anwendungsfall nahezu beliebig um weitere Diffusionsschichten ergänzt werden, so dass ein derartiger Isobarentank mehr als die gezeigten drei Diffusionsschichten D1-D3 aufweist. Die jeweils äußerste Diffusionsschicht (in der Figur 6A die Diffusionsschicht D3) wird durch einen Mantel von einem Außenraum des Isobarentanks T getrennt, der die äußerste Diffusionsschicht (hier D3) vollständig umschließt und gegenüber dem Außenraum abdichtet. Ein derartiger Mantel ist in den Figuren 6A und 6B jedoch nicht dargestellt.
In Übereinstimmung zu dem Isobarentank T der Figur 6A zeigt auch die Figur 6B einen mehrschichtigen Isobarentank T * , der drei unterschiedlich große Diffusionsschichten DT- D3* aufweist. Die Diffusionsschichten D1 * , D2 * und D3 * sind von ihren Eigenschaften her identisch zu den Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 des Isobarentanks T, weisen jedoch eine abweichende Form auf. So umschließen die Diffusionsschichten D1 * -D3 * keinen zylinderförmigen Hohlraum mit kreisförmiger Grundfläche, sondern jeweils einen quaderförmigen Hohlraum HT, H2* bzw. H3 * . Auch hier gilt erneut für die Größe der einzelnen Hohlräume: H3 * >H2 * >H1 * . Seite 30
Zusätzlich zu den bereits in der Figur 6A erläuterten Zusammenhängen veranschaulicht die Figur 6B mit den beispielhaft eingezeichneten Diffusionsrichtungen S 12 und S 23 die Diffusion des gasförmigen Fluids innerhalb des Isobarentanks T * , wenn die einzelnen eingestellten (Druck-) Schwellwerte der Diffusionsschichten D1*, D2 * und D3* erreicht werden. Dies wird weiterhin durch die in der Figur 6B eingetragenen Drücke P 1 , p 2 und p 3 in den Hohlräumen H1 * , H2 * und H3 * verdeutlicht, wobei in diesem Ausführungsbeispiel p 1 >p 2 >p 3 gilt. Dementsprechend wird eine Entnahme des innerhalb des Isobarentanks T * (bzw. des Isobarentanks T) gespeicherten Gases an dem äußersten Hohlraum H3* (bzw. H3) bevorzugt, während das gasförmige Fluid unter der größten Kompression innerhalb des innersten Hohlraums H1 * (bzw. H1) vorliegt.
Über eine Kompressionsleitung K und eine entsprechende Förderungsvorrichtung für das Fluid kann bei Erreichen eines als kritisch angesehenen Drucks p 3 innerhalb des äußersten Hohlraums H3* eine Förderung von Fluid aus dem Hohlraum H3 * in den innersten (ersten Hohlraum H1 * ) des Isobarentanks T * erfolgen.
Auch das Anwendungsbeispiel der Figuren 6A und 6B verdeutlicht die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem durch den Einsatz von expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Füllstoffen und Additiven innerhalb einer Faserstruktur für ein aus einem Verbundwerkstoff hergestelltes Bauteil in einfacher Weise spezifische Funktionalitäten, insbesondere Diffusionsfähigkeit und die gezielte Leitung von Kraftflüssen, aufgenommen und bereits bei der Herstellung des Bauteils eingestellt werden können.
Durch eine Befüllung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten oder der Befüllung mit ihnen innerhalb des Bauteils gezielt belassener Hohlräume mit Gas bzw. einer nachträglichen Evakuierung eines solchen Gases können auch die Wärmeleitfähigkeit des herzustellenden Bauteils vergleichsweise einfach und in einem nahezu beliebigen Detaillierungsgrad eingestellt werden.
Durch die variable Ausdehnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten lässt sich eine gewünschte Faserstruktur bzw. -architektur vom Nano- bis in den Makrobereich skalieren. Dennoch können während des Herstellungsprozesses des Bauteils kostengünstige und marktübliche Materialien und Verfahren für die Einbringung des Matrixmaterials zum Einsatz kommen. Herkömmliche Verfahren für die Herstellung von (Leicht-) Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel das Verkleben von Seite 31 sphärisch geformten Halbschalen, wie dies bei Tragflächen von Flugzeugen oder Rotorblättern für Windkraftanlagen üblicherweise realisiert wird, können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersetzt werden, da die zu fertigenden Bauteile kostengünstig in einem Stück gefertigt werden können.
Seite 32 Bezugszeichenliste
1 Bauteil
2, 2 * (kugelförmige) Bauteilkomponente / Expander
20 (zentrale) Bauteilkomponente / Expander 200, 200 * Bauteilkomponente / Expander
201 , 202 Anordnungsmuster
21 (dezentrale) Bauteilkomponente / Expander 3, 3* Füllstoff / Additiv
4 Matrixmaterial
5 Faserschlauch 5 * Faserumhüllung 5a, 5b, 5c, 5d, 5e Kammer
50* Faserstruktur
50, 51 , 52 Faserstruktur
6 Fasergrundfläche 6.1 , 6.2 Funktionsbereich
60 Mantelfläche
61 Funktionsbereich
7 Faserfläche 7a, 7b, 7c, 7d Fasermatte
8 Zwischenraum D1 * , D2 * , D3 * Diffusionsschicht D1 , D2, D3 Diffusionsschicht F Faser(n)
F L (lose) Faser(n)
H1 * , H2*, H3 * Hohlraum
H1. H2, H3 Hohlraum
K Kompressionsleitung
L Faltlinie
N Naht
Pi, P2, Pa Druck
S 12 , S 23 Diffusionsrichtung
T, T* Isobarentank
V Kavität
W1 , W2, W3 Kammerwandung
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