FASERANORDNUNG EIN ES FASERVERSTÄRKTEN VERBUN DBAUTE ILS UND SCHLAUCHFÖRM IGE FASERANORDNUNG

GEB IET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer schlauchförm igen Faseranordnung als Zwischenprodukt für ein

faserverstärktes Verbundbauteil, welches eine sich über seine Länge ändernde Querschnittsform besitzt.

H INTERGRUN D DER ERFINDU NG

Faserverstärkte Verbundbauteile erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, weil sie im Vergleich zu herkömm lichen Bauteilen ein vergleichsweise geringes Eigengewicht aufweisen und in besonders flexibler Art und Weise hergestellt und eingesetzt werden können.

Problematisch bei herkömmlichen faserverstärkten Verbundbauteilen ist jedoch, dass bei der Ausbildung von Hohlprofilen, bei denen die Fasern um einen Kern angeordnet werden, die Dichte der Faseranordnung

entsprechend dem Profil des Kernes respektive der Zielform des

Faserverbundbauteils erheblich schwankt und dabei oft Schwachstellen in der mechanischen Beanspruchbarkeit des späteren Verbundbauteils entstehen können.

l Zum Beispiel bei einem das notwendige Maß übersteigenden Materialeinsatz bei der Faserverstärkung erhöhen sich die Materialkosten und andererseits führt dies auch zu geometrischen Problemen, wenn nämlich aufgrund des übermäßigen Materialeinsatzes der der Faserverstärkung zu Grunde liegende Grundkörper in seiner Geometrie nach außen hin verfälscht d. h. nicht in den korrekten Proportionen abgebildet wird.

Durch die DE 1 96 25 798 A1 ist es bereits bekannt geworden, zur

Vermeidung der Erzeugung eines m it erheblichem Aufwand auf einen Kern maßgeschneiderten Textilschlauches aus Verstärkungsfasern für einen Kraftfahrzeuglenker einen textilen Strumpf zu erzeugen, der eine präventiv der Kernform angepasste, ungleichmäßige Verteilung des Fasermaterials besitzt, die sich beim Aufziehen des Strumpfes auf den Kern

vergleichmäßigen soll. Das heißt, eine zunächst dichtere Faseranordnung trifft später auf Auswölbungen des Kernes und soll sich dam it nach dem Aufziehen der Dichte der Faseranordnung in den übrigen Bereichen anpassen. Nachteilig dabei ist, dass das nachträgliche Aufziehen des Schlauches auf den Kern genau diesen erwünschten Effekt nicht bewirken dürfte, da zum Beispiel beim Passieren größerer Kerndurchmesser

Bereiche aufgeweitet werden, die später für einen geringeren

Kerndurchmesser vorgesehen sind und dabei Fasern oder Faserstränge verschoben werden, was letztlich zu ungleichmäßiger Festigkeit und Stabilität und dam it zu Schwachstellen des erzeugten Verbundbauteils führt.

Durch das deutsche Gebrauchsmuster DE 78 26 71 8 U 1 ist es bekannt, ein schlauchförm iges Geflecht mit variierendem Durchmesser als

biegsames Gebilde herzustellen, welches als Zwischenprodukt für steife und leichte Teile, also zum Beispiel durch Harz imprägnierte

Verbundbauteile wie Sportartikel oder für industrielle Anwendungen, dient. Um eine gewünschte gleichbleibende Dicke des Geflechtes zu erzielen, wird hier der Flechtwinkel, also der Winkel der Fadenablage zur

Längsachse des Geflechts, variiert, das heißt, der Flechtwinkel wird für geringere Querschnitte durch eine erhöhte Transportgeschwindigkeit während des Flechtens reduziert und für größere Querschnitte durch eine geringere Transportgeschwindigkeit erhöht. Dadurch wird die Richtung der maximalen Zugkraftaufnahmefähigkeit durch die Fasern, beispielsweise Glasfäden oder Karbonfäden, die zum Beispiel für solche Bauteile zur Anwendung kommen, verändert. Geht man nun davon aus, dass die Richtung der Faserablage möglichst der Belastungsrichtung des späteren Verbundbauteils entsprechen sollte, kommt es in Anwendung der Lehre dieses Dokuments zu einer mehr oder weniger deutlichen Abweichung von Faserablagerichtung und Krafteinleitungsrichtung, was die

Substanzausnutzung der teuren Fasermaterialien deutlich reduziert und eine Überdimensionierung der Faseranordnung für das Erreichen der notwendigen Stabilitätswerte erfordert.

Zur Angleichung eines Flechtprozesses an die sich ändernde

Querschnittsform des umflochtenen Kerns wurde auch schon in der nicht vorveröffentlichten DE 1 0 201 0 047 1 93 A1 vorgeschlagen, den

sogenannten Flechtring, der die Flechtfäden vor dem Flechtpunkt bündelt, in seinem Durchmesser an den gegenwärtigen Kerndurchmesser flexibel anzupassen. Dies führt zwar zu einer durchmesserunabhängigeren

Flechtgeometrie und dam it einer Vergleichmäßigung der

Flechtbedingungen, löst aber nicht das Problem der sich

durchmesserabhängig ändernden Geflechtdicke.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDU NG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer schlauchförmigen Faseranordnung eines faserverstärkten Verbundbauteils sowie eine schlauchförmige Faseranordnung als Zwischenprodukt für ein Verbundbauteil anzugeben, wobei den lokalen Gegebenheiten im Hinblick auf die Geometrie des Verbundbauteils sowie dessen

Belastungsprofil auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise Rechnung getragen werden soll.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß m it den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße schlauchförm ige Faseranordnung ist im Anspruch 1 0 unter Schutz gestellt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der schlauchförm igen Faseranordnung eines faserverstärkten Verbundbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gesichert, dass eine weitestgehend gleichbleibende Dichte und dam it auch Dicke der

Faseranordnung unabhängig von Querschnittsschwankungen des Kernes, auf dem die Faseranordnung gebildet wird, gewährleistet wird. Dam it werden Verfälschungen der Geometrie des später aus dem

Zwischenprodukt der schlauchförm igen Faseranordnung gebildeten Verbundbauteiles verm ieden. Vor allem aber werden vorgegebene

Faserausrichtungen, die m it der späteren Belastungsrichtung im

Verbundbauteil zusammenfallen sollen, bei Durchmesseränderungen zumindest nicht spürbar beeinträchtigt. Letzteres wird auch insbesondere dadurch erreicht, dass im Gegensatz zum Stand der Technik die

Anpassung der Fasermasse an den jeweiligen Querschnitt des Kerns, auf dem die schlauchförm ige Faseranordnung gebildet wird, nicht durch unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeit, die zu unterschiedlichen Ablagewinkeln führt, realisiert wird. Die Faseranordnung im Sinne vorliegender Erfindung ist als Anordnung von insbesondere grobtitrigen Fäden oder Bändchen aus Glas, Karbon oder anderer hochfester Materialien zu verstehen, die üblicherweise für die Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen zur Anwendung kommen. Da der Durchmesser respektive der Umfang des der Form des Verbundbauteils entsprechenden Kerns sich mehr oder weniger schnell oder stark ändert, kann die Variation der Fasermasse nicht völlig synchron durchgeführt werden. Unter proportional soll deshalb hier auch zu

verstehen sein, dass zum Beispiel eine stufenweise Anpassung erfolgt und/oder die Anpassung nicht alle Ausschläge der Umfangswerte

vollständig erfasst, da ansonsten die Anforderungen an die technische Umsetzung der Variation der Fasermasse deren Nutzen übersteigen könnten.

Vorteilhaft wird die Faseranordnung durch ein Gelege gebildet. Dabei kommen insbesondere so genannte 0°-Fäden, die im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Kernes verlaufen und Längskräfte aufnehmen sollen und Umwindefäden, die in Winkeln zwischen 0° und 90° zur

Längsausdehnung des Kernes verlaufen, zum Einsatz. Gelege haben den Vorteil, dass durch Vermeidung von Kreuzungspunkten wie bei Geflechten oder Gewirken die Fasern sehr gestreckt angeordnet sind und ein

ausgezeichnetes Kraftaufnahmeverhalten besitzen. Eine sich kreuzende Faserstruktur ist dann jedoch gut geeignet, das Gelege abzubinden, um dessen gegenseitige Verschiebung zu verhindern und den Fadenverband bis zur späteren Harzimprägnierung zu fixieren. Derartige Verfahren sind zum Beispiel aus der WO 2007/090555 A2 bekannt und brauchen deshalb hier nicht näher beschrieben zu werden.

Als sich kreuzende Fadenstruktur kommt insbesondere ein Geflecht in Betracht. Alternativ ist jedoch eine Gewirkestruktur geeignet, die Gelegeschichten abzubinden.

Die Veränderung der Fasermasse kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass sich die Feinheit der zugeführten Fäden ändert.

Hierzu kann mittels einer Entfernungsvorrichtung die Anzahl der

Einzelfasern, aus denen die jeweiligen Fäden gebildet sind, reduziert oder mit einer automatisierten Aufbringungsvorrichtung erhöht werden.

Vorteilhaft sind die Entfernungsvorrichtung und die

Aufbringungsvorrichtung in einer Vorrichtung zusammengefasst, da nach dem Entfernen von Fasern zur Erzielung der vorherigen Fadenfeinheit das erneute Aufbringen von Fasern erforderlich ist.

Zum Aufbringen von Fasern kommen vorteilhaft Kleber zum Einsatz, die im Hinblick auf die spätere Imprägnierung auf Harzbasis beruhen.

Anstelle der Veränderung der Fadenfeinheit der verwendeten Fäden kann die Anpassung der Fasermasse auch durch Veränderung der Anzahl zum Beispiel an der Gelegebildung beteiligter Fäden erfolgen. Die Reduzierung der Fadenanzahl wird durch Abtrennen von Fäden erreicht. Die Erhöhung der Fadenanzahl erfolgt dadurch, dass zum Beispiel vorher abgetrennte und weiter in Reserve gehaltene Fäden wieder zugeführt werden. Die Fixierung der Fadenanfänge kann auch hier durch einen Kleber unterstützt werden.

Um den lokalen Querschnitt des Verbundbauteiles respektive des m it der schlauchförmigen Faseranordnung zu belegenden Kern zu erm itteln, sind mechanische Tastsensoren oder flächige Lichtschrankenanordnungen oder ähnliches denkbar.

Die erfindungsgemäße als Zwischenprodukt für ein faserverstärktes

Verbundbauteil dienende schlauchförmige Faseranordnung besitzt eine im Querschnitt des Kerns, auf dem Sie abgelegt ist zum sich aus dessen Durchmesser ergebenden lokalen Umfang proportionale Fasermasse, wobei die Ausrichtung der Fasern bezüglich der Längsrichtung des Kerns unabhängig vom lokalen Umfang des Kerns weitgehend konstant ist.

Daraus ergibt sich eine gleichmäßige Struktur des Verbundbauteils und vor allem eine zuverlässig hohe Ausrichtung der Fasern in der späteren

Belastungsrichtung.

AUSFÜ HRUNGSBEISP IELE

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

- Figur 1 zwei kegelstumpfartige Verbundbauteile, einmal nach dem Stand der Technik (prior art) und zum Anderen in Anwendung der Erfindung,

- Figuren 2 bis 1 0 den Verfahrensablauf bei der Verringerung der

Fasermasse und anschließendem Wiederherstellen der alten

Fasermasse,

- Figur 1 1 ein Verbundbauteil m it drei unterschiedlichen Durchmessern und Belegung mit einer durchmesserabgängig veränderlichen

Fadenanzahl und

Figur 12 ein Verbundbauteil mit vergleichbarer Struktur wie in Figur 1 1 für die Belegung m it Umwindefasern. Ein Verbundbauteil gemäß Figur 1 als prior art mit kegelstumpfförm iger Ausbildung zeigt die Belegung mit so genannten Stehfäden (0°-Fäden) 2, die über die Länge des Verbundbauteils 1 eine gleich bleibende Fasermasse besitzen. Dadurch ergibt sich in Richtung vom kleinen zum großen Durchmesser eine stetig abnehmende Faserbelegung des Verbundbauteilumfangs. Im Bereich des großen Durchmessers weisen die Fäden einen deutlichen Abstand auf, was sich für die Kraftaufnahme in Längsrichtung im Verbundbauteil negativ auswirkt. Eine insgesamt dichtere Fadenbelegung hingegen würde dazu führen, dass sich im Bereich des kleinen Durchmessers die Fäden überlappen, für die Kraftaufnahme überdimensioniert sind und zu einer Verfälschung der Geometrie nach außen hin führen würden. Dem gegenüber ist in der rechts in Figur 1 dargestellten Version des gleichen Faserverbundbauteiles zu erkennen, dass in allen drei Abschnitten 3a bis 3c ein durchschnittlich gleicher Fadenabstand besteht. Die Stehfäden 4a bis 4c weisen unterschiedliche Fasermassen auf, das heißt, die Fasermasse der Fäden 4a bis 4c nimmt vom großen Durchmesser / Umfang zum kleinen Durchmesser / Umfang stufenweise ab. Die Änderung der Fasermasse innerhalb jedes Abschnittes 3a bis 3c kann vernachlässigt werden. Im Sinne der Erfindung teilt sich die Fasermasse proportional zum Durchmesser beziehungsweise Umfang des Verbundkörpers auf.

In den Figuren 2 bis 1 0 ist dargestellt, wie die Feinheit eines Fadens m ittels einer Entfernungs- und Aufbringungsvorrichtung 5 variiert werden kann. So wird zum Beispiel ein Karbonfaden 6 mittels einer Transporteinrichtung 7 transportiert und anschließend einer nicht dargestellten Flechteinrichtung als Stehfaden zugeführt. In der Flechteinrichtung werden eine Vielzahl parallel zugeführter Stehfäden dann durch sich kreuzende Fäden abgebunden. In der Ausgangsstellung in Figur 2 weist der Karbonfaden 6 eine konstante Breite beziehungsweise Fadenfeinheit auf. In Figur 3 ist zu erkennen, dass mittels einer so genannten Etikettiereinrichtung 8a, 8b ein Etikett zur Stabilisierung aufgebracht wird, welches dann eine Schnittstelle verstärkt, an der die Fadenbreite sprunghaft verändert wird. In Figur 4 ist der mit einem Etikett versehene Abschnitt einer Trenneinrichtung 9a, 9b mit Klemmeinrichtung 1 0a, 1 0b, zugeführt. In Figur 5 ist dann zu erkennen, dass die Trenneinrichtung 9a, 9b betätigt wird, während durch die Klemmeinrichtung 1 0a, 1 0b der Karbonfaden 6 im Bereich der Trennung fixiert ist.

Figur 6 zeigt dann, dass abgespaltene Längsabschnitte 6b, 6c des Karbonfadens 6 abgetrennt und von der Klemmeinrichtung 1 0a beziehungsweise 1 0b abgeführt werden.

In Figur 7 ist der weitere Fortschritt der Bewegung des Karbonfadens 6 zu erkennen, wobei die abgetrennten Abschnitte 6b und 6c sowie der verbleibende Mittelabschnitt 6a eine inzwischen größere Länge aufweisen. Inzwischen ist die Etikettiereinrichtung 8a, 8b wieder tätig und bringt ein neues Etikett an der Stelle auf, an der die darauffolgende Veränderung der Fasermasse erfolgen soll. Dies ist dann in Figur 8 zu sehen, in der im Bereich des zweiten Etiketts die Einrichtung 9a und 9b und die Klemmeinrichtungen 1 0a und 1 0b tätig sind.

In Figur 9 ist dann zu erkennen, wie die abgetrennten Fadenabschnitte 6b und 6c abgeführt werden. Hinter dem Abschnitt 6a mit verringerter Fasermasse schließt sich dann der„normale" Karbonfaden 6 wieder an. Ein so behandelter, als Stehfaden zugeführter Karbonfaden 6, 6a würde beispielsweise Verwendung finden, wenn zwischen zwei Abschnitten mit großem Durchmesser, ein Abschnitt mit kleinerem Durchmesser verläuft. Vorteilhaft bei diesem Ausbildungsbeispiel ist, dass die Entfernungsvorrichtung und die Aufbringungsvorrichtung in einer Vorrichtung zusammengefasst sind. Diese Vorrichtung eignet sich für solche Anwendungsfälle, bei denen die Karbonfäden 6 überwiegend Abschnitte aufweisen, in denen die maximale Feinheit des Fadens erforderlich ist. Ansonsten wäre der Faserabtrag zu groß, obwohl die beim Karbonfaden 6 entfernten Fasern wieder recycelt werden können. Alternativ ist denkbar, die abgetrennten Fadenabschnitte im gleichen Prozess wieder zu verwenden, in dem diese auf den Karbonfaden 6 an Stellen aufgebracht werden, an denen aufgrund eines großen Durchmessers eine hohe Feinheit des Karbonfadens erforderlich ist.

Schließlich ist es auch möglich, den Prozess der Erzeugung von Abschnitten unterschiedlicher Fadenfeinheit diskontinuierlich, also stufenweise durchzuführen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zunächst Fäden hergestellt werden, die jeweils Abschnitte m it unterschiedlicher Fadenfeinheit aufweisen und anschließend auf einen Träger aufgewindet werden. In einem nachgeschalteten Prozess werden die Fäden dann wieder abgezogen. Dies erfordert jedoch eine sehr genaue Abstimmung der Prozesse, um ein Aufsumm ieren von Phasenverschiebungen zu vermeiden. Besonders ist an eine solche Anwendung dann zu denken, wenn nacheinander gleiche Kerne belegt respektive Verbundbauteile hergestellt werden und jeweils zu Anfang eines neuen Teils eine Synchronisation durch zum Beispiel Entfernen eines Fadenabschnitts oder Veränderung des gegenseitigen Abstands erfolgt.

Es ist auch denkbar, unterschiedliche Fadenabschnitte, das heißt, Fadenabschnitte mit unterschiedlicher Feinheit miteinander zu verbinden. Hiefür könnte beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie aus der WO 2008/135 280 A1 bekannt sind, angewendet werden. Bei der in Figur 1 1 dargestellten Version eines Verbundbauteiles 1 1 welches aus den Abschnitten 1 1 a bis 1 1 c besteht, wird die jeweils zugeführte Fasermasse durch die Anzahl der auch als Stehfäden ausgebildeten Fäden 12 variiert. Wie ohne weiteres aus Figur 1 1 erkennbar ist, ist im Bereich des Durchmessers D1 , der gleichzeitig der größte Durchmesser an dem Verbundbauteil 1 1 ist, die Anzahl der Stehfäden am höchsten. Diesem Abschnitt 1 1 a folgt ein Abschnitt 1 1 b, in dem die geringste Anzahl von Stehfäden zur Anwendung kommt, während im darauf folgenden Bereich 1 1 c aufgrund des mittleren Durchmessers D3 eine mittlere Anzahl von Fäden 12 zum Einsatz kommt. Sinnvoll ist, an den Stellen, an denen die Fadenanzahl sich ändert, mit Hilfe eines Klebers dafür zu sorgen, dass eine ordnungsgemäße Zuführung der Stehfäden erfolgen kann. Diese Stellen stellen auch keinen Schwachpunkt in der späteren Anwendung dar, da es sich hierbei zunächst um ein Zwischenprodukt handelt, welches durch Verharzen seine endgültige Stabilität erhält.

In Figur 12 ist dargestellt, dass ein Verbundbauteil 1 3, welches, wie durch einen Pfeil dargestellt, zum Beispiel von links nach rechts bewegt wird, mit Umwindefäden 1 5a bis 1 5c belegt wird, die durch Wickelköpfe 14a bis 14c zugeführt werden. In den Abschnitten 1 3a bis 1 3c sind wieder unterschiedliche Durchmesser D1 bis D3 vorhanden, an die jeweils die Stärke der Verbundfäden 1 5a bis 1 5c so angepasst ist, dass eine im Wesentlichen gleiche Belegung mit Umwindefasern unabhängig vom jeweiligen Durchmesser erfolgen kann. Die Wickelköpfe 14a bis 14c rotieren zu diesem Zweck um den im Vorschub befindlichen Verbundkörper 1 3 schraubenförm ig. Die Bewegung des Verbundkörpers während des Wickelvorgangs ist gleichbleibend, wodurch die Steigung der Fäden ebenfalls gleichbleibend ist und dem hinsichtlich der späteren Krafteinleitung gewünschten Ablagewinkel entspricht. Außerdem wird durch die sich ändernde Fadenstärke erreicht, dass sich die Belegungsdichte nur unwesentlich, zum Beispiel in den Übergangsbereichen, ändert.

Um sicher zu stellen, dass die Faserablage im Verbundbauteil unterschiedlichen Belastungsrichtungen gerecht wird, werden in der Regel verschiedene Gelegearten, das heißt, Aufbringung von Fäden in unterschiedlichen Richtungen kombiniert. Beispielsweise könnten der Prozess der Einbringung von Stehfäden und das Umwinden nacheinander am gleichen Grundbauteil erfolgen, wobei zu Beginn des Belegungsprozesses lediglich ein Kernmaterial vorliegt, welches im Wesentlichen bereits die Form des späteren Verbundbauteils besitzt.

Die Fixierung der Gelegefäden erfolgt dann beispielsweise mittels einer Rundflechtmaschine, wie sie beispielsweise in dem Gebrauchsmuster DE 78 26 718 U 1 oder der DE 1 0 201 0 047 193 A1 beschrieben ist. Auch zum Beispiel der DE 1 0 201 0 047 1 93 A1 kann entnommen werden, wie der Transport des Kernes und die sensorische Erfassung des lokalen Durchmessers erfolgt.