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Title:
METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT MADE OF A FIBER-REINFORCED PLASTIC
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/161682
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a component (1, 33) made of a fiber-reinforced plastic according to a three-dimensional winding process. At least one thread support (11) is wound with a thread-shaped fiber material (12), which is provided on at least one coil (18), with at least one winding pattern as a towpreg semi-finished product by means of at least one computer-supported winding device. The towpreg semi-finished product consists of a mixture (30) of a duroplastic resin, at least one curing agent, at least one accelerator, and plastic fibers (29) integrated into the mixture (30), and the fiber material (12) is guided on the thread support (11) by a guiding element (24), which is arranged on a fiber guiding device (25) and which has a substantially circular exit cross-section, and is deflected by the guiding element (24) while forming the winding pattern, and the fiber material (12) is temporarily brought into contact with the guiding element (24) during a deflecting process. The content of curing agent and accelerator in the duroplastic resin is selected such that by virtue of a frictional heat produced by the deflection of the fiber material (12) on the surface of the fiber material (12) and/or by an additional introduction of heat in the region contacting the guide element (24), the resin is temporarily liquefied.

Inventors:
MÜLLER INGOLF (DE)
BUBLIES HOLGER (DE)
STIEGLITZ ANDRE (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/085003
Publication Date:
August 04, 2022
Filing Date:
December 09, 2021
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
International Classes:
B29C70/32; B29C53/56; B29C53/60; B29C53/62; B29C53/80; B29C63/08; B29C70/10; B29C70/20; B29C70/38; B29C70/54; B29C70/56
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1 , 33) aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung zumindest ein Fadenträger (11 ) mit einem auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial (12), das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster umwickelt wird, wobei das Towpreg-Halbzeug aus einem Gemisch (30) aus einem duroplastischen Harz, zumindest einem Härter, zumindest einem Beschleuniger sowie in dem Gemisch (30) eingebetteten Kunststofffasern (29) besteht, wobei das Fasermaterial (12) durch ein an einer Faserführungsvorrichtung (25) angeordnetes, einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweisendes Führungselement (24) auf dem Fadenträger (11 ) geführt und bei der Ausbildung des Wckelmusters durch das Führungselement (24) umgelenkt wird, wobei das Fasermaterial (12) während einer Umlenkung mit dem Führungselement (24) temporär in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile von Härter und Beschleuniger, im duroplastischen Harz derart gewählt werden, dass aufgrund einer durch eine Umlenkung des Fasermaterials (12) erzeugten Reibungswärme an der Oberfläche des Fasermaterials (12) und/oder durch zusätzlichen Wärmeeintrag im Kontaktbereich mit dem Führungselement (24) eine temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile an Härter und Beschleuniger im duroplastischen Harz derart gewählt werden, dass eine Umlenkung größer 90° zu einer temporären Verflüssigung führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswahl der Anteile an Härter und Beschleuniger die Verflüssigung an der Oberfläche des Fasermaterials (12) im Wesentlichen auf die Dauer des Kontakts von Fasermaterial (12) und Führungselement (24) während einer Umlenkung beschränkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fasermaterial (12) während einer Umlenkung durch das Führungselement (24) zusätzlich Wärme zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmezufuhr ein erwärmter Luftstrom im Bereich der Umlenkung am Führungselement (24) zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmezufuhr eine Wärmequelle (27) in das Führungselement (24) integriert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Harz vor einem Kontakt mit dem Führungselement (24) und nach dem Passieren des Führungselementes (24) bei Umgebungstemperatur in einem Gelzustand vorliegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als duroplastisches Harz Epoxidharz, Vinylesterharz, Polyurehtanharz oder Polyesterharz verwendet wird.

9. Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Bauteils (1 , 33) aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, umfassend zumindest eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung (19) zur Umwicklung zumindest eines Fadenträgers (11 ) mit einem auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial (12), das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster, wobei das Towpreg-Halbzeug aus einem Gemisch (30) aus einem duroplastischen Harz, zumindest einem Härter, zumindest einem Beschleuniger sowie darin eingebetteten Kunststofffasern (29) besteht, wobei zur Führung und Umlenkung des Fasermaterials (12) bei der Ausbildung des Wickelmusters an einer Faserführungsvorrichtung (25) ein Führungselement (24) angeordnet ist, welches einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweist, wobei das Fasermaterial (12) während einer Umlenkung mit dem Führungselement (24) temporär in Kontakt bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile von Härter und Beschleuniger im duroplastischen Harz derart gewählt sind, dass aufgrund einer durch eine Umlenkung des Fasermaterials (12) erzeugten Reibungswärme an der Oberfläche des Fasermaterials (12) und/oder durch zusätzlichen Wärmeeintrag im Kontaktbereich mit dem Führungselement (24) eine temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auftritt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (24) aus einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik besteht.

11 . Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Führungselement (24) eine externe Wärmequelle (32) zugeordnet ist, die von einer Steuerungsvorrichtung (14) der Wickelvorrichtung (19) temperaturabhängig angesteuert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, die externe Wärmequelle (32) in Abhängigkeit vom Umlenkwinkel des Fasermaterials (12) anzusteuern.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (27) in das Führungselement (24) integriert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die in das Führungselement (24) integrierte Wärmequelle (27) als Widerstandsheizung (28) ausgeführt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fadenträger (11 ) auf einer Drehachse (16) angeordnet ist.

16. Bauteil (1 ) aus einem faserverstärkten Kunststoff, welches nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) als Fahrwerkbauteil, insbesondere als Mehrpunktlenker, ausgeführt ist.

17

Description:
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 . Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 9. Ferner betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Bauteil gemäß dem Anspruch 16.

Faserverstärkte Bauteile kommen im Rahmen von Leichtbaukonzepten zum Einsatz, um aus einem Metall bestehende Bauteile durch leichtere Bauteile zu ersetzen. Um zumindest die gleichen Festigkeitseigenschaften aufzuweisen, kommen faserverstärkte Kunststoffe zur Anwendung. Faserverstärkte Kunststoffe bestehen aus Kunst- stofffasern, die in eine Matrix aus einem Kunstharz eingebettet sind. Die Herstellung solcher Bauteile erfolgt mittels eines dreidimensionalen Wickelverfahren, welches von einer rechnergesteuerten Wickelmaschine umgesetzt wird. Um möglichst hohe Wickelgeschwindigkeiten zu erreichen, wird ein Towpreg-Halbzeug eingesetzt, welches sich gegenüber klassischen Nasswickelverfahren durch eine bis zum Faktor 10 höhere Wickelgeschwindigkeit auszeichnet. Ein weiterer Vorteil des Towpreg-Halb- zeugs, bei dem es sich um mit einem duroplastischen Harz vorimprägnierte Kunst- stofffasern handelt, besteht in seiner Klebrigkeit im nicht vollständig ausgehärteten Zustand, welche eine höhere Ablagevielfalt auf einem Faserträger ermöglicht. Durch die höhere Ablagevielfalt lassen sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Wickelmus- tern, insbesondere abweichend von geodätischen Linien, darstellen.

Aus der DE 10 2016 012 594 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Die Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff umfasst eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung zur Umwicklung zumindest eines Fadenträgers mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial mit zumindest einem Wickelmuster. Das Fasermaterial ist als Towpreg-Halbzeug ausgeführt, wobei das Towpreg-Halbzeug aus einem Gemisch aus einem duroplastischen Harz, zumindest einem Härter, zumindest einem Beschleuniger sowie in dem Gemisch eingebetteten Kunststofffasern besteht. Zur Führung und Umlenkung des Fasermaterials bei der Ausbildung des Wickelmusters ist an einer Faserführungsvorrichtung ein Führungselement angeordnet, welches einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweist. Während einer Umlenkung kommt das Fasermaterial immer wieder mit dem Führungselement temporär in Kontakt. Aufgrund der Umlenkungen durch das Führungselement kann es zu Schädigungen des Fasermaterials kommen, was Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Bauteils hat. Neben der Qualität des verwendeten Towpreg-Halbzeugs beeinflusst das Führungselement den Erhalt der mechanischen Eigenschaften des Towpreg-Halbzeugs. So kann es im Verlauf der Wickelvorgänge zu einem, insbesondere einseitigen, Verschleiß der Oberfläche des Führungselementes beispielsweise in Form einer Rinnenbildung oder Rillenbildung kommen. Hierdurch können während des Wickelvorgangs Beschädigungen am Fasermaterial auftreten, die auf verschleißbedingte scharfkantige Bereiche der Oberfläche des Führungselementes zurückzuführen sind.

Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff bereitzustellen, durch welche sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeiden oder zumindest reduzieren lassen.

Diese Aufgabe wird aus verfahrenstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Aus vorrichtungstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung der Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des nebengeordneten Anspruches 9 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff ist ferner Gegenstand von Anspruch 16.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wckelverfahren vorgeschlagen, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wickelvorrichtung zu- mindest ein Fadenträger mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial, das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster umwickelt wird, wobei das Towpreg-Halbzeug aus einem Gemisch aus duroplastischen Harz, zumindest einem Härter und zumindest einem Beschleuniger sowie in dem Gemisch eingebetteten Kunststofffasern besteht, wobei das Fasermaterial durch ein an einer Faserführungsvorrichtung angeordnetes, einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweisendes Führungselement auf dem Fadenträger geführt und bei der Ausbildung des Wickelmusters durch das Führungselement umgelenkt wird, wobei das Fasermaterial während einer Umlen- kung mit dem Führungselement temporär in Kontakt gebracht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anteile von Härter und Beschleuniger im duroplastischen Harz derart gewählt werden, dass aufgrund einer durch eine Umlenkung des Fasermaterials erzeugten Reibungswärme an der Oberfläche des Fasermaterials und/oder durch zusätzlichen Wärmeeintrag im Kontaktbereich mit dem Führungselement eine temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auftritt. Als Beschleuniger wird ein hochreaktiver Härter bezeichnet, welcher die Reaktionszeit des Harz-Härter-Ge- misches beim Aushärten beschleunigt. Durch eine Variation der Menge des zugesetzten Beschleunigers kann die Gelier- und Härtungszeit eingestellt werden. Ein weiterer Bestandteil des Gemisches kann zumindest ein Zusatzstoff sein, wie beispielsweise ein Fließmittel. Das duroplastische Harz im Gemisch liegt im nichtausgehärteten Towpreg-Halbzeug im Gelzustand vor. In diesem Gelzustand weist das duroplastische Harz bei Raumtemperatur hochviskose Eigenschaften auf. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur führt dazu, dass mit zunehmender Temperatur sich das duroplastische Harz verflüssigt und die Viskosität absinkt. Durch die Variation der Anteile von zugesetztem Härter und Beschleuniger in dem duroplastischen Harz lässt sich diese Temperaturabhängigkeit in der Weise einstellen, dass es durch die beim Um lenken des Fasermaterials erzeugte Reibungswärme und die damit verbundene Temperaturerhöhung zu einer partiellen temporären Verflüssigung des duroplastischen Harzes Fasermaterials im Kontaktbereich mit dem Führungselement kommt, so dass sich an der Oberfläche des Towpreg-Halbzeugs eine Gleitschicht ausbildet. Das Towpreg-Halbzeug gleitet beim Umlenken auf einer eigens gebildeten Flüssigkeitsschicht. Hierdurch wird ein Schutz des Towpreg-Halbzeugs vor mechanischen Beschädigungen durch das Umlenken bzw. die Fadenführungsvorrichtung erreicht.

Vorzugsweise können die Anteile von Härter und Beschleuniger im duroplastischen Harz derart gewählt werden, dass erst eine Umlenkung größer 90° zu einer temporären Verflüssigung führt.

Insbesondere kann durch die Auswahl der Anteile von Härter und Beschleuniger die Verflüssigung an der Oberfläche des Fasermaterials im Wesentlichen auf die Dauer des Kontakts von Fasermaterial und Führungselement während einer Umlenkung beschränkt werden. Der Zeitraum der Verflüssigung soll möglichst kurz sein, um die Eigenschaften des Fasermaterials, insbesondere dessen Klebrigkeit, bei der Ablage auf dem Fadenträger nicht zu beeinflussen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann dem Fasermaterial während einer Um lenkung durch das Führungselement zusätzlich Wärme zugeführt werden. Dies kann erforderlich sein, wenn die durch Umlenkung erzeugte Reibungswärme nicht ausreicht, um die temporäre Verflüssigung zur Bildung des Gleitfilms in ausreichender Quantität hervorzurufen. Eine solche Situation kann beispielsweise zu Beginn eines Wickelprozesses vorliegen, wenn das Führungselement lediglich Umgebungstemperatur aufweist.

Dazu kann zur Wärmezufuhr ein erwärmter Luftstrom im Bereich der Umlenkung am Führungselement zugeführt werden. Der Luftstrom wird insbesondere zeitlich begrenzt auf einen lokal eng begrenzten Bereich gerichtet zugeführt. Ein lokal eng begrenzter Bereich ist die Kontaktfläche des Fasermaterials mit dem Führungselement während einer Umlenkung. Hierfür kann eine externe Wärmequelle in Form eines Heißluftgebläses verwendet werden. Der Austritt des Luftstroms kann aus einer Düse erfolgen, um eine lokale Begrenzung der Erwärmung zu erreichen. Alternativ kann zur Wärmezufuhr eine Wärmequelle in das Führungselement integriert werden. Dies hat den Vorteil, dass eine präzisere Temperaturregelung ermöglicht wird.

Insbesondere ist die Zusammensetzung des Gemisches aus duroplastischem Harz, zumindest einem Härter und zumindest einem Beschleuniger derart gewählt, dass das duroplastische Harz vor einem Kontakt mit dem Führungselement und nach dem Passieren des Führungselementes bei Umgebungstemperatur in einem Gelzustand vorliegt.

Bevorzugt können als duroplastisches Harz Epoxidharz, Vinylesterharz, Polyurehtan- harz oder Polyesterharz verwendet werden.

Weiterhin wird die eingangs gestellte Aufgabe von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9 mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.

Gemäß dem Anspruch 9 wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren vorgeschlagen, umfassend zumindest eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung zur Umwicklung zumindest eines Fadenträgers mit einem auf zumindest einer Spule bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial, das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster, wobei das Towpreg-Halbzeug aus einem Gemisch aus einem duroplastischen Harz, zumindest einem Härter, zumindest einem Beschleuniger sowie in dem Gemisch eingebetteten Kunststofffasern besteht, wobei zur Führung und Umlenkung des Fasermaterials bei der Ausbildung des Wickelmusters an einer Faserführungsvorrichtung ein Führungselement angeordnet ist, welches einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweist, wobei das Fasermaterial während einer Umlenkung mit dem Führungselement temporär in Kontakt bringbar ist, wobei die Anteile von Härter und Beschleuniger im duroplastischen Harz derart gewählt sind, dass aufgrund einer durch eine Umlenkung des Fasermaterials erzeugten Reibungswärme an der Oberfläche des Fasermaterials und/oder durch zu- sätzlichen Wärmeeintrag im Kontaktbereich mit dem Führungselement eine temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auftritt. Auf alle Ausführungen zu dem vorschlagsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff darf verwiesen werden.

Bevorzugt kann das Führungselement aus einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik bestehen. Zumindest ein Führungselement aus einem Metall weist eine Oberflächenbeschichtung auf, um spezifische Gleiteigenschaften des Führungselementes zu gewährleisten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann dem Führungselement eine externe Wärmequelle zugeordnet sein, die von einer Steuerungsvorrichtung der Wckel- vorrichtung temperaturabhängig angesteuert wird. Dies kann erforderlich sein, wenn die durch die Umlenkung erzeugte Reibungswärme nicht ausreicht, um die temporäre Verflüssigung zur Bildung des Gleitfilms in ausreichender Quantität hervorzurufen. Eine solche Situation kann beispielsweise zu Beginn eines Wickelprozesses vorliegen, wenn das Führungselement lediglich Umgebungstemperatur aufweist. Mittels der externen Wärmequelle kann auch eine Vorerwärmung des Führungselementes vor Beginn des Wickelprozesses bewirkt werden. Zur Temperaturüberwachung kann eine berührungslos arbeitende Temperaturmessvorrichtung vorgesehen sein. Die Temperaturmessvorrichtung kann dabei als Infrarotthermometer ausgeführt sein, welches vorzugsweise im mittleren Infrarotwellenlängenbereich arbeitet.

Zusätzlich kann die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, die externe Wärmequelle in Abhängigkeit vom Umlenkwinkel des Fasermaterials anzusteuern. Somit kann eine zusätzliche temporäre Wärmezufuhr beispielsweise nur dann erfolgen, wenn ein vorgebbarer und in der Steuerungsvorrichtung hinterlegbarer Umlenkwin- kel, bevorzugt größer 90°, überschritten wird. Vorteilhaft ist dabei, dass aufgrund des in der Steuerungsvorrichtung hinterlegten Wickelmusters für den Aufbau des Bauteils bekannt ist, wann es zu Umlenkungen kommt und unter welchem Umlenkwinkel. Vorzugsweise kann eine Wärmequelle in das Führungselement integriert sein. Dies ist besonders bauraumsparend und führt nicht zu einer Einschränkung der erforderlichen Bewegungsabläufe der Wickelvorrichtung zum Ausführen des dreidimensionalen Wickelverfahrens.

Hierzu kann die in das Führungselement integrierte Wärmequelle als Widerstandsheizung ausgeführt sein. Dies bietet sich bei einem aus Metall bestehenden Führungselement an. Vorteilhaft ist dabei, dass sich der Bauraumbedarf des Führungselementes nicht vergrößert.

Das Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, welches nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird, ist als Fahrwerkbauteil, insbesondere als Mehrpunktlenker, ausgeführt. Das als Fahrwerkbauteil ausgeführte Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff wird mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15 hergestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert wird, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 a - 1 e schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausgeführten faserverstärkten Bauteilen;

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren; Fig. 3A, 3B schematisch eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht auf ein Führungselement einer Wickelvorrichtung;

Fig. 4 schematisch eine stark vergrößerte Ansicht eines Fasermaterials im Querschnitt;

Fig. 5 schematisch eine stark vergrößerte Ansicht des Fasermaterials gemäß Fig. 4 bei einem Eintrag von Wärme; und

Fig. 6 schematisch eine Ansicht eines zu wickelnden Bauteils, welches als Vierpunktlenker ausgeführt ist, sowie ein Führungselement und eine externe Wärmequelle.

In den Fig. 1 a bis 1 e sind schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausgeführten faserverstärkten Bauteilen 1 dargestellt. So zeigt Fig. 1 a ein als Zweipunktlenker ausgeführtes Bauteil 1 eines Fahrwerks eines Personen- oder Nutzkraftfahrzeugs. Das Bauteil 1 umfasst einen Körper 2, der zumindest zwei Lasteinleitungsbereiche 4 aufweist, die durch eine Verbindungsstruktur 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstruktur 3 des Körpers 2 kann insbesondere als Hohlprofil ausgeführt sein. Der Körper 2 bestimmt im Wesentlichen die Grundform des Bauteils 1. In den Fig. 1 b und 1 c sind beispielhaft zwei Varianten eines als Dreipunktlenkers ausgeführten Bauteils 1 dargestellt. In den Fig. 1d und 1e ist beispielhaft ein als Vierpunktlenker bzw. ein als Fünfpunktlenker ausgeführtes Bauteil 1 dargestellt. Als Mehrpunktlenker ausgeführte Bauteile 1 können kinematische Punkte in einem Fahrwerk und/oder in einer Radaufhängung verbinden und Bewegungen und/oder Kräfte übertragen. Hierbei kann die Verbindung des Mehrpunktlenkers mit weiteren Bestandteilen des Fahrwerks mittels Gelenken realisiert sein, die in den Lasteinleitungsbereichen 4 angeordnet sind. Diese Bauteile 1 weisen aufgrund der Symmetrie ihrer Gestalt sowie der Anordnung der Lasteinleitungsbereiche 4 einen eindeutigen, im Wesentlichen konstanten Lastfluss auf, der sich auf wenige dominante Lastrichtungen beschränkt. Die Fertigung solcher Bauteile 1 als faserverstärkte Bauteile mittels eines dreidimensionalen Wickelverfahrens ermöglicht es, Funktionsbauteile von geringster Masse mit gleichzeitig hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerten herzustellen.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Fertigung von solchen faserverstärkten Bauteilen 1 nach einem dreidimensionalen Wickel verfahren sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren beschrieben, wobei mittels zumindest einer rechnergesteuerten Wckelvorrichtung 19 zumindest ein Fadenträger 11 mit einem auf zumindest einer Spule 18 bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial 12, das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, mit zumindest einem Wickelmuster umwickelt wird.

In Fig. 2 ist schematisch die Vorrichtung 10 zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst zumindest eine rechnergesteuerte Wickelvorrichtung 19 zur Umwicklung zumindest eines Fadenträgers 11 mit einem auf zumindest einer Spule 18 bereitgestellten fadenförmigen Fasermaterial 12. Der Fadenträger 11 bildet ein Kernelement des Bauteils 1 , welches im Wesentlichen die prinzipielle Kontur des im dreidimensionalen Wickelverfahren herzustellenden Bauteils 1 vorgibt, ohne jedoch eine tragende Funktion auszuüben. Die schematische Darstellung in Fig. 2 zeigt den Fadenträger 11 mit daran bereits angeordneten Gelenkelementen in den Lasteinleitungsbereichen 4. Das Ablegen des Fasermaterials 12 erfolgt in der Form von einem Wckelmuster oder mehreren unterschiedlichen Wickelmustern, wobei jedem Wickelmuster eine bestimmte Aufgabe zugeordnet ist, um eine oder mehrere mechanische Eigenschaften des Bauteils 1 zu beeinflussen.

Die Wickelvorrichtung 19 ist hier vorzugsweise als zumindest ein sechs Rotationsachsen aufweisender Roboterarm 13 ausgeführt. Zur Ansteuerung des zumindest einen Roboterarmes 13 ist eine Steuerungsvorrichtung 14 vorgesehen, die durch eine Signalleitung oder ein Bussystem 15 mit dem Roboterarm 13 kommuniziert. Auf einer angetriebenen Drehachse 16 eines Drehgestells 17 ist der Fadenträger 11 angeord- net, auf den der zumindest eine Faserstrang 12 mit zumindest einem durch die Steuerungsvorrichtung 14 vorgebbaren Wickelmuster aufgewickelt wird. Der Antrieb der Drehachse 16 kann ebenfalls von der Steuerungsvorrichtung 14 über das Bussystem 15 angesteuert werden. Die Drehachse 16 des Drehgestells 17 bildet eine siebte Rotationsachse der Vorrichtung 10. Das im Wesentlichen fadenförmige Fasermaterial 12 wird auf der zumindest einen Spule 18 bereitgestellt. Die Spule 18 ist am Kopf des Roboterarms 13, weicher eine Faserführungsvorrichtung 25 ausbildet, angeordnet und wird von dieser mitgeführt. Die Spule 18 kann auch räumlich beabstandet zu dem Roboterarm 13 angeordnet sein.

Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin zumindest eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Faserstrangspannung. Die jeweilige Einrichtung umfasst einen, insbesondere als elektronisch geregelten Synchronmotor ausgeführten, Antriebsmotor 20, eine Recheneinheit 21 sowie zumindest eine Sensoreinheit 22 zur Detektion der Faserstrangspannung. Die Spule 18 ist drehfest auf einer Achse 23 angeordnet, die von dem Antriebsmotor 20 angetrieben wird. Das von der Spule 18 abgezogene Fasermaterial 12 wird durch ein an der Faserführungsvorrichtung 25 angeordnetes, einen im Wesentlichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt aufweisendes Führungselement geführt und auf dem Fadenträger 11 abgelegt bzw.um diesen gewickelt.

Zur Überwachung der Faserstrangspannung kann zumindest eine Sensoreinheit 22 entlang des freien Weges des zumindest einen Fasermaterials 12 zwischen dem Abspulpunkt auf der Spule 18 und dem Ablagepunkt auf dem Fadenträger 11 angeordnet sein.

Bei der Ausbildung des Wckelmusters auf dem Fadenträger 11 wird das Fasermaterial 12 durch das Führungselement 24 umgelenkt wird. Das Fasermaterial 12 wird während einer Umlenkung durch das Führungselement 24 temporär mit diesem in Kontakt gebracht. In Fig. 3A ist schematisch eine Seitenansicht des Führungselementes 24 sowie in Fig. 3B eine Draufsicht auf das Führungselement 24 der Wickelvorrichtung 19 dargestellt. Das Führungselement 24 weist einen trichterförmigen Querschnitt auf, welcher sich zur Auslaufseite 26, auf der das Fasermaterial 12 aus dem Führungselement 24 austritt, hin radial aufweitet. Das Führungselement 24 besteht aus einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik. Zumindest ein aus Metall bestehendes Führungselement 24 weist eine Oberflächenbeschichtung auf, um spezifische Gleiteigenschaften des Führungselementes 24 bei der Führung und Umlenkung des Fasermaterials 12 zu gewährleisten.

In das Führungselement 24 kann eine Wärmequelle 27 für einen durch zusätzlichen Wärmeeintrag integriert sein, wie in Fig. 3B beispielhaft angedeutet ist. Die integrierte Wärmequelle 27 ist als Widerstandsheizung 28 ausgeführt. Die Ansteuerung der integrierten Wärmequelle 27 kann durch die Steuerungsvorrichtung 14 erfolgen, um die Wärmequelle 27 gezielt zu- und abzuschalten. Die Wärmequelle 27 kann auch als eine externe Wärmequelle 32 ausgeführt sein, beispielsweise als ein Heißluftgebläse, wie in Fig. 6 beispielhaft dargestellt.

In Fig. 4 ist schematisch eine stark vergrößerte Ansicht des Fasermaterials 12 im Querschnitt dargestellt. Das auf der Spule 18 bereitgestellte fadenförmige Fasermaterial 12, das als Towpreg-Halbzeug ausgeführt ist, besteht aus einem Gemisch 30 aus einem duroplastischen Harz, zumindest einem Härter, zumindest einem Beschleuniger sowie in das Gemisch 30 eingebetteten Kunststofffasern 29. Zudem kann das Gemisch zumindest einen Zusatzstoff enthalten. Als Härter werden mehrwertige Amine oder aliphatische Amine verwendet. Die Aushärtung des Gemisches 30 mit aliphatischen Aminen als Härter kann bereits bei Zimmertemperatur erfolgen, der sogenannten Kalthärtung. Der Einsatz von aromatischen Aminen als Härter erfordert eine sogenannte Heißhärtung, das heißt eine Wärmezufuhr zur Durchführung der Aushärtung in einem Temperaturbereich oberhalb der Raumtemperatur. Die für die Aushärtung erforderliche Temperatur bestimmt sich nach dem Härter, der zum Einsatz kommt. Als Beschleuniger wird ein hochreaktiver Härter bezeichnet, durch dessen Beimengung die Reaktionszeit des Harz-Härter-Gemisches beim Aushärten beschleunigt wird. Das duroplastische Harz im Gemisch 30 liegt im nichtausgehärteten Towpreg-Halbzeug im Gelzustand vor. In diesem Gelzustand weist das duroplastische Harz bei Raumtemperatur hochviskose Eigenschaften auf.

In Fig. 5 ist schematisch eine stark vergrößerte Ansicht des Fasermaterials 12 gemäß Fig. 4 bei einem Eintrag von Wärme dargestellt. Der Wärmeeintrag erfolgt durch Reibungswärme, welche beim Um lenken des Fasermaterials 12 durch das Führungselement 24 hervorgerufen wird, wie beispielhaft in Fig. 3A angedeutet. Zusätzlich oder alternativ kann ein Wärmeeintrag durch die Wärmequelle 27 erfolgen.

Aufgrund der durch eine Umlenkung des Fasermaterials 12 erzeugten Reibungswärme an der Oberfläche des Fasermaterials 12 im Kontaktbereich mit dem Führungselement 24 tritt eine temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auf. Durch die temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes bildet sich im Kontaktbereich mit der Oberfläche des Führungselementes 24 eine Flüssigkeitsschicht 31 bzw. Gleitschicht aus, wodurch bei starken Umlenkungen, insbesondere Umlenkungen mit einem Umlenkwinkel größer 90°, die mechanische Belastung des Fasermaterials 12 beim Umlenken reduziert wird. Erreicht wird diese temporäre Verflüssigung durch die Zusammensetzung des Gemisches 30, wobei die Anteile von Härter und Beschleuniger, im duroplastischen Harz derart gewählt werden, dass die temporäre Verflüssigung des duroplastischen Harzes auftritt, wenn ein spezifischer Umlenkwinkel erreicht bzw. überschritten wird.

Durch eine geeignete Auswahl der Anteile an Härter und Beschleuniger wird die Verflüssigung an der Oberfläche des Fasermaterials 12 im Wesentlichen auf die Dauer des Kontakts von Fasermaterial 12 und Führungselement 24 während einer Umlenkung beschränkt. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei der Ablage des Fasermaterials 12 auf dem Fadenträger 11 die für das Einhalten spezifischer Wickelmuster erforderliche Klebrigkeit des Fasermaterials 12 gegeben ist. Zudem können Materialverluste durch abtropfendes Harz vermieden werden. Die Auswahl der Anteile an Härter und Beschleuniger bei der Zusammensetzung des Gemisches 30 bewirkt, dass das duroplastische Harz vor einem Kontakt mit dem Führungselement 24 und nach dem Passieren des Führungselementes 24 bei Umgebungstemperatur in einem Gelzustand vorliegt.

Als duroplastisches Harz wird vorzugsweise Epoxidharz, Vinylesterharz, Po- lyurehtanharz oder Polyesterharz verwendet.

Die Darstellung in Fig. 6 zeigt schematisch eine Ansicht des zu wickelnden Bauteils 1 , welches als Vierpunktlenker 33 ausgeführt ist, sowie das Führungselement 24 und eine externe Wärmequelle 32. Die externe Wärmequelle 32 ist dem Führungselement 24 zugeordnet. Dazu ist die externe Wärmequelle 32 in nicht näher dargestellter Weise an der Führungsvorrichtung 25 abgeordnet. Die Ansteuerung der externen Wärmequelle 32 kann vorzugsweise durch die Steuerungsvorrichtung 14 erfolgen. Durch die externe Wärmequelle 32 kann zur Wärmezufuhr ein erwärmter Luftstrom im Bereich der Umlenkung am Führungselement 24 zugeführt werden. Dabei kann die Steuerungsvorrichtung 14 dazu eingerichtet sein, die externe Wärmequelle 32 temperaturabhängig anzusteuern. Die Steuerungsvorrichtung 14 kann dazu eingerichtet sein, die externe Wärmequelle 32 in Abhängigkeit vom Umlenkwinkel des Fasermaterials 12 anzusteuern.

Bezuqszeichen

Bauteil

Körper

Verbindungsstruktur

Lasteinleitungsbereich

Vorrichtung

Fadenträger

Fasermaterial

Roboterarm

Steuerungsvorrichtung

Bussystem

Drehachse

Drehgestell

Spule

Wickelvorrichtung

Synchronmotor

Recheneinheit

Sensoreinheit

Achse

Führungselement

Führungsvorrichtung

Auslaufseite

Wärmequelle

Widerstandsheizung

Kunststofffaser

Gemisch

Flüssigkeitsschicht externe Wärmequelle

Vierpunktlenker