Zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) werden in der Regel ebene oder dicken-dimensional verstärkte textile Verstärkungsstrukturen (Gewebe, Gelege usw) eingesetzt. Die Herstellung von dreidimensional ausgebildeten Formen bzw Geometrien findet durch eine mit einem Drapiervorgang verbundene Umformung statt.

Häufig handelt es sich hierbei um einen gestapelten Aufbau aus mehreren Lagen einzelner textilen Flächengebilde. Sowohl bei trocknen Textilstruk- turen als auch bei vorimprägnierten Systemen (z. B. thermoplastischen Plattenhalbzeugen oder Prepregs) kommt es zu Faltenbildungen des Halbzeuges bzw. des Lageraufbaus und zu Einschränkungen der umform- baren Geometrien (Breuer, UP."Beitrag zur Umformtechnik gewebever- stärkter Thermoplaste"VDI Fortschritt-Berichte Reihe 2, Nr. 433, Düssel dorf VDI-Verlag 1997).

Grund hierfür ist die textile Architektur, welche die Drapierfähigkeit determi- niert.

Für endlosfaserverstärkte Kunststoffe werden zur Verstärkung verschie- denartige textile Flächengebilde eingesetzt. Hierbei handelt es sich in der Regel um ebene Gewebehalbzeuge und verschiedenartige Gelege. Die Drapierfähigkeit solcher Textilien wird durch verschiedene Verfahrens- Parameter (Gewebetyp, Bindungsart des Geleges) des Textilprozesses beeinflußt und gilt für die komplette abgebildete Fläche. In einzelnen Prozessen, wie beispielsweise der Wirktechnik (Herstellung von multi- axialen Gelegen) ist es nur eindimensional möglich, die Drapierbarkeit beeinflußende Parameter (z. B. Anzahl und Art der Bindenähte) während der Flächenherstellung einzustellen und damit der Fläche lokal unter- schiedliche Drapierbarkeiten zu verleihen. Bei Geweben ist die Dra- pierbarkeit durch die Wahl des Gewebetypes vorgegeben.

Durch die Charakteristik und Eigenschaften der textilen Flächengebilde werden die folgenden Verarbeitungsprozesse und die mechanischen Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bestimmt. Die Abbindung der Verstärkungsfasern kann über die Kreuzpunkte des Gewebes bzw einer Maschenform in Gelegen erfolgen. Ebenso sind klebetechnische Möglichkeiten denkbar. In der gestapelten fasrigen Ver- stärkungsstruktur werden Gleit-bzw Verformungsvorgaben in der Regel über die gesamte textile Fläche vorgegeben, die den weiteren Verar- beitungsprozess zum Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff beeinflus-sen.

Eine net-shape Fertigung von 3D-geformten Bauteilen ist somit nur unter Berücksichtigung bzw Kenntnis der genauen Drapiereigenschaften des Halbzeuges möglich. Die verschnittoptimierte Herstellung von 2D-Einzeltei- len für 3D-Formkörper ist somit nur bedingt möglich. Hochdrapierfähige Halbzeuge wie beispielsweise Gelege mit Trikot-Bindung erzielen die Drapierbarkeit mittels der eingesetzten Fadenmenge bzw Fadenreserve in der Maschenstruktur die das Verstärkungsgelege bindet. Dieser maschen- bildende Vorgang des Wirkens zur Herstellung von Multi-Axial-Gelegen findet nur in der Achse senkrecht zur Wirkeinheit statt (DE 196 24 912 A1 und DE 197 26 831 A1 und Hörsting K. + Huster M"Targetting cost reduc- tion by FEA-designed reinforcement textiles"; Proceedings"ECCM-8", Nea- pel/June 1998, pp. 635-643). Der zusätzlich eingebrachte Faden wirkt in der Regel als störendes Element in der Faser-Kunststoff-Verbundstruktur.

Dies zeigt sich beispielsweise in der Absenkung der in-plane Eigenschaften oder aber in erzielbaren Oberflächenqualitäten. Bei Geweben erfolgt die Drapierung über die Scherung der Fadenscharen in den Kreuzungspunk- ten.

Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zu Grunde, eine Verstärkungs- struktur für gattungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe zu schaf- fen, die einerseits Drapierzonen definiert und andererseits den Dra- pierzonen benachbarte andere Bereiche der Faser-Verstärkungsstruk-tur unberührt läßt, um hierdurch die spezifischen Eigenschaften der Faseren optimal nutzen zu können.

Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe gelöst durch vor dem Drapieren der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung in den Bereich von Drapier- zonen eingebrachte punktuelle und/oder linienförmige Fixierungen zur Vorbestimmung der Lage bzw Größe von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur.

Durch die genaue Definition von Drapierzonen, Drapierflächen bzw Drapier-Fixpunkten, Gleit-oder Verformungszonen an den noch ebenen Zuschnitten der trockenen, paketartigen Verstärkungsstruktur werden einerseits maßhaltige, d. h. 2D Halbzeuge zur endkonturgenauen Herstel- lung von 3D Freiformflächen und andererseits ein gezieltes Umformen eines solchen Lagenaufbaus möglich. f Durch die DE 100 05 202 A1 wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Verstärkungsstruktur-Halbzeugen für gattungsge- mäße Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bekannt, bei der einzelne Fa- sern oder Faserbündel mit verschiedenen Faserorientierungen abgelegt werden, und ihre gegenseitige Relativlage anschließend zur Bildung eines handhabbaren flächenhaften Geleges durch Nähte gesichert wird. In einer folgenden Nähstation werden gegebenenfalls dann zusätzliche Funk- tionselemente, wie beispielsweise Krafteinleitungselemente oder Verstär- kungsstrukturen bereichsweise oder flächig positioniert und durch Nähte fixiert. Zur Versteifung der Verstärkungsstruktur, beispielsweise zur Steigerung der Schiebefestigkeit derselben, werden in definierten Zonen zusätzliche Nähte eingebracht.

Da diese Nähte damit ausschließlich der belastungsgemäßen mechani- schen Verfestigung der Verstärkungsstruktur dienen, kann diese Vorveröf- fentlichung keine Anregungen im Sinne der Funktion der erfindungsge- mäßen Fixierungen vermitteln, die vor dem Drapieren der Verstärkungs- struktur in deren Abwicklung eingebracht werden und während des Umfor- mungsvorganges die Lage und Größe von Begrenzungslinien und Kanten- längen der 3D-Freiformflächen der umgeformten Verstärkungsstruktur be- stimmen.

Gemäß einem weitergehenden Vorschlag der Erfindung, sind die Verstei- fungen von Nähten gebildet, die als Einzelstiche oder linienförmig oder flächenförmig gestaltet sein können.

Durch die frei in der Ebene programmierbaren Nähte werden gleichzeitig mehrere Aspekte zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Ver- bundwerkstoff optimiert. Der Bauteilgeometrie entsprechende linien-oder flächenförmige Konturnähte ermöglichen ein positionsgenaues Ausschnei- den der Verstärkungshalbzeuge und eine sehr vereinfachte Werkstückbe- stückung. Durch an die Faserorientierungen im Lagenaufbau angepaßtes Variation sowohl der Anzahl der Nähte als auch der Nährichtung können die in-plane Fasereigenschaften optimal genutzt werden. Für umformende Vorgänge ist durch die beschriebene Erzeugung von Gleitebenen usw. eine Reduzierung der Faltenbildung möglich, was sich auf die Qualität und die Eigenschaften des Bauteils aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (harzreiche Zonen, Faserondulationen, Faserverschiebungen) auswirkt.

Ferner können die für die Imprägnierung entscheidenden Fließweg zwi- schen einzelnen Faserbünden durch die Einstellung der Faser-Packungs- dichte verbessert werden.

In der Ebene frei programmierbare Nähköpfe erlauben das exakte Einbringen von Fixpunkten, Fixgeraden oder Fixflächen, die bei einer Umformung Teilbereiche der Verstärkungsstruktur unbeeinflußt lassen und andere als Drapierzonen freigeben. Idealerweise wird das Drapiermuster direkt in die abgelegten Faser-Scharen ohne weiteren textilen Prozess- schritt eingebracht. Aufgrund der nur minimalen Störung der ebenen Fasern, d. h. es sind keine Webmuster oder zusätzlich eingebrachte Wirk- fäden vorhanden, kann die Ausnutzung der Verstärkungsfaser-Eigen- schaften weiter gesteigert werden. An nicht abgebundenen Zonen der Faserscharen ist somit eine ideale Faser-Matrix-Kombination möglich. Die Fixierung der Fasern während der Imprägnierung kann über eine minimale Anzahl eingebrachter Nähte erfolgen. Durch Nähte die die gesamte Ver- stärkungsstruktur durchdringen, wird ein Zwischenlagen-Verschub vermie- den. Unerwünschte Faltenbildungen treten durch die Charakteristik der flächig eindimensionalen Halbzeuge nicht auf oder können gezielt auf bestimmte Bereiche beschränkt werden.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn die Versteifungen von ein-oder mehrlagigen Verstärkungsfaser-Paketen aus Geweben, Gele- gen, Gestricken, Gewirken oder sonstigen Flächengebilden und/oder vor- gefertigten textilen Verstärkungsgebilden, beispielsweise Preforms beste- hen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden weiteren Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Verstärkungsstrukturen zu schaffen, werden vor der Drapierung der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung in den Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linien- förmige Fixierungen zur Vorbestimmung der Relativlage bzw Größe der zu bildenden Drapierfixpunkte und/oder Drapierflächen, sowie von Begren- zungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur einge- bracht.

Dabei können die Versteifungen durch frei programmierbare Nähte gebildet werden, deren Elastizität durch Variation des zur Verwendung kommenden Fadenmaterials und/oder durch Veränderung der Nähpara- meter wie beispielsweise Stichlänge, Fadenspannung verändert werden kann.

Sofern ein mehrlagiges Halbzeugpaket im Rahmen einer eindimensionalen Umformung verformt werden soll, ist es zweckmäßig die Nähparameter eines jeweils unteren Lagenpaketes gegenüber den Nähparametern eines demgegenüber oberen Lagepaketes derart unterschiedlich zu gestalten, daß die in das stärker zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge größer als die in das weniger zu dehnende Lagepaket eingebrachte Faden- länge ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- schreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles.

Es zeigen : Fig. : 1 Eine 3D-Freiformfläche für eine Kofferhalbschale mit Drapier- zonen und Drapierebenen zur exakten Definition von Kanten- längen und unbeeinflußten Faserbereichen ; Fig. : 2 Ein flächiges Halbzeug mit durch Nähte gebildeten Fixier- ungen zur Bildung von Drapierzonen und Drapierebenen für mehrere Bauteile für Kofferhalbschalen ; Fig. : 3 einen Zuschnitt einer Verstärkungsfaserstruktur eines Bautei- les für eine Kofferhalbschale ; Fig. : 4 eine Stapelung von Halbzeugen mit durch Variation der Näh- parameter sowie unterschiedlicher Fadenlängen erzielten un- terschiedlichen Drapiereigenschaften ; In Fig. 1 ist eine Verstärkungsstruktur für eine Kofferhalbschale gezeigt, die von orientiert abgelegten Faserscharen 1 oder gestapelten Gewebe-Einzel- lagen 1 gebildet ist. Die Faserscharen 1 können in beliebigem Winkel, bei- spielsweise im Winkel von +/-45° angeordnet sein. In die Verstärkungs- struktur sind von Nähten 2 gebildete Fixierungen eingebracht, die zur Fixierung der Kontur der Verstärkungsstruktur der Kofferhalbschale die- nen. Die Form dieser Nähte 2 entspricht daher im Bereich der Drapier- zonen exakt den geforderten Konturen der Kofferhalbschale sowie den drapiertechnischen Gegebenheiten. Im umgeformten Zustand der Verstär- kungsstruktur ergeben die Nähte 2 Begrenzungslinien 3 bzw Kantenlängen 4 der 3D-Freiformfläche der Kofferhalbschale.

Fig. 2 zeigt einen Teilbereich einer ebenen Bahn einer Verstärkungs- struktur, in die die Fixierungen bildenden Nähte 2 eingebracht sind. In Fig. 2 sind daher die Abwicklungen 5 der 3D-Freiformflächen für insgesamt 6 Kofferhalbschalen zu erkennen, in denen die Nähte 2 im Bereich der Drapierzonen die Begrenzungslinien 3 sowie die Kantenlängen 4 der 3D- Freiformflächen der Kofferhalbschalen bilden. Das Einbringen der Nähte 2 in die Abwicklungen 5 der Verstärkungsstruk- turen erfolgt im ebenen Zustand unter Zuhilfenahme von programmier- baren Nähköpfen, wobei die Faserscharen 1 mittels einer Legeeinheit in vorbestimmter Orientierung aufgelegt und in den Stichbildebereich von in der X-und Y-Richtung bewegbaren Nähköpfe gebracht werden.

Anschließend werden die einzelnen Zuschnitte 6 aus der Verstärkungs- struktur-Bahn ausgetrennt und beispielsweise entsprechend DE 100 05 202 A1 zum Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff weiter verarbeitet.

Die Elastizität der einzubringenden Nähte kann dabei durch unterschiedli- che Nähparameter eingestellt werden. Dies geschieht über die Anpassung des verwendeten Fadenmaterials und/oder in das Halbzeug eingebrach- ten Fadenlänge.

In Fig. 4 ist die Situation eines eindimensionalen Umformvorganges bei einem aus zwei Lagenpaketen 7 bzw 8 gebildeten Halbzeugpaket gezeigt.

Bei dem Umformvorgang wird das obere Lagenpaket 7 stärker gedehnt als das untere Lagenpaket 8. Demzufolge sind beim Einbringen einer Naht 9 in das obere Lagenpaket 7 die Stichlänge und auch die Länge des in das Lagenpaket 7 einzubringenden Fadens größer zu wählen als dies für die in das untere Lagenpaket 8 einzubringende Naht 10 erforderlich ist.