VERAENDERLICHEN KRUEMMUNGEN UND QUERSCHNITTEN Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gewickelten faserverstärkten Hohlprofilen mit veränderlichen Krümmungen, Querschnitten und Materialdicken, die zudem eine zusätzliche Axialfaserverstärkung aufweisen.

Faserverstärkte Hohlprofile für die Industrie werden herkömmlicherweise durch Flechtverfahren hergestellt. Dabei laufen Spulen mit Fadenmaterial kreisförmig um eine Achse eines Flechtkerns und bilden unter der Erzeugung von Fadenkreuzungs- punkten ein gleichmäßiges Geflecht aus Fadenmaterial auf dem Flechtkern, wie bei spielsweise in der DE 199 25 941 B4 beschrieben. Alternativ besteht die Möglichkeit Hohlprofile durch Wickelverfahren herzustellen, wobei gegebenenfalls mit Bindemittel imprägniertes Fadenmaterial um einen Wickelkern herumgewickelt und auf diesem abgelegt wird.

Zu den kontinuierlichen Verfahren zählt das Strangzieh- oder auch Pultrusionsverfah- ren, bei dem mit einem Harz getränkte Fasern durch geformte Öffnungen gezogen werden, die die Formgebung des Hohlprofils ermöglichen. Die WO 2016/066510 be- schreibt die kontinuierliche Herstellung von faserverstärkten mit einem Hartschaum- kern gefüllten Profilen in einem dem Strangziehverfahren analogen Verfahren. Im Gegensatz zum klassischen Strangziehverfahren erfolgt die Tränkung mit dem Harz hierbei erst nach der Umwickelung des Schaumkerns. Die endgültige Formgebung findet anschließend beim Aushärten des Harzes in mehreren beheizten formgeben- den Werkzeugen statt.

Flechtverfahren lassen im Allgemeinen nur relativ geringe Verfahrensgeschwindig- keiten für die Herstellung eines Hohlprofils zu, da verschiedene Maschinenelemente der Flechtvorrichtung immer wieder Beschleunigung erfahren müssen, um Faden- kreuzungspunkte zu generieren. Wickelverfahren sind im Vergleich dazu deutlich schneller, haben jedoch den Nach- teil, dass die entstehenden Hohlprofile in ihrer Längsrichtung eine geringe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile zu überwinden und ein schnelles Verfahren zur Herstellung von Hohlprofilen bereitzu- stellen, das eine hohe Variabilität der entstehenden Hohlprofile zulässt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: a. Translationsbewegung eines Kerns mit einer Kern-Längsachse entlang der Kern- Längsachse relativ zu einer Anlage, die mindestens eine erste und eine zweite Faserzuführung aufweist, wobei die Kern-Längsachse mindestens eine Rich- tungsänderung aufweist und/oder wobei der Kern mindestens eine Querschnitts- änderung entlang der Kern-Längsachse aufweist;

b. Ablegen von Unidirektionalfäden der ersten Faserzuführung entlang der Kern- Längsachse zum Ausbilden einer Axialfaserverstärkung;

c. Umwickeln des Kerns mit Wickelfäden der zweiten Faserzuführung, die relativ zum Kern um diesen rotiert, zum Ausbilden einer ersten Wickellage. Das erfindungsgemäße Verfahren ist schnell und produktiv und ermöglicht eine hohe Variabilität bei Formgebung, Festigkeit und Materialien für das entstehende Hohlpro- fil. Dieses kann neben einer Axialfaserverstärkung insbesondere Querschnittsände- rungen und/oder gekrümmte Abschnitte entlang seiner Längsachse aufweisen. Das Hohlprofil bildet nach dem vorliegenden Verfahren hauptsächlich die Krümmungen und/oder Querschnittsänderungen ab, die der Kern von Beginn an aufweist. Im Ge- gensatz dazu eignet sich das klassische Strangziehverfahren, bedingt durch den Prozessablauf, bei dem das entstehende Profil durch eine stationäre Form gezogen wird, ausschließlich für gerade, rohrförmige Hohlprofile. Auch die oben erwähnte Ab- wandlung des Verfahrens, bei dem das Hohlprofil noch nach der Umwicklung eines Kerns geformt wird, weist stärkere Beschränkungen bezüglich Krümmungen, Quer- schnitten und Materialdicken für die gebildeten Hohlprofile auf.

Im Folgenden werden Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung mit Bezug auf die Figuren genauer erläutert. In den Figuren wird gezeigt: Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels eines gekrümmten Hohlpro- fils, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar ist;

Fig. 3a bis 3c illustrieren jeweils schematisch eine Querschnittsänderung in einem Hohlprofil;

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Hohlprofils mit Materialdicke D

Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Hohlprofils 110 mit veränderlicher Krümmung, das durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist. Unter einem gekrümmten Kern bzw. Hohlprofil wird ein Kern bzw. Hohlprofil verstanden, dessen Längsachse mindestens eine Krümmung aufweist, also mindestens eine Richtungsänderung voll- zieht. Sowohl der Kern als auch das entstehende Hohlprofil weisen eine Längsachse auf, die im Folgenden als Kern- bzw. Profil -Längsachse bezeichnet werden.

Als Kern-Längsachse wird im Zuge der vorliegenden Erfindung die Achse bezeich- net, die in jeweiliger Längsrichtung durch die Flächenschwerpunkte der Querschnitts- flächen des Kerns verläuft. Das bedeutet insbesondere, dass die Kern-Längsachse die Längsrichtung des Kerns als Vorzugsrichtung hat, jedoch keine Gerade sein muss, d.h. die Kern-Längsachse kann Richtungsänderungen vollziehen und der Kern somit eine oder mehrere Krümmungen entlang der Längsachse aufweisen.

Die Profil-Längsachse 112 erstreckt sich mittig in Längsrichtung durch das Hohlprofil und verläuft somit durch die Flächenschwerpunkte der Flächen, die vom Hohlprofil umgeben werden. Da das Hohlprofil üblicherweise gleichmäßig um den Kern herum ausgebildet wird, entspricht die Profil-Längsachse 112 im Allgemeinen der Kern- Längsachse. Auch die Profil-Längsachse muss dementsprechend keine Geraden sein, sondern kann Richtungsänderungen aufweisen

Beispielhaft sei eine Richtungsänderung der Profil-Längsachse 112 in Fig. 2 be- schrieben. Die Profil-Längsachse 112 weist eine erste Krümmung auf, die sich um etwa 50° dreht, was durch einen Krümmungswinkel a beschrieben werden kann. Der Krümmungswinkel a kann dabei als der maximale Winkel definiert werden, der von zwei Orthogonalen f und g der Profil-Längsachse 112 eingeschlossen wird, wobei die Orthogonale f vor der ersten Krümmung und die Orthogonale g nach der ersten Krümmung auf der Längsachse liegt. Umso geringer der Krümmungswinkel a ist, desto geringer ist die erste Krümmung der Längsachse, wobei ein gerades Hohlprofil keinen Krümmungswinkel im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist. Das erfin- dungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von geraden Hohlprofilen oder Hohlprofilen mit geringen Krümmungswinkeln von unter 10°. Das erfindungsge- mäße Verfahren zeichnet sich jedoch insbesondere dadurch aus, dass es auch die Herstellung von stark gekrümmten Hohlprofilen ermöglicht, die einen oder mehrere Krümmungswinkel von mehr als 10° aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfah- ren kann der Krümmungswinkel a des Weiteren auch über 30° liegen. Wie in Fig. 2 gezeigt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für Krümmungswinkel über 45°, wobei das erfindungsgemäße Verfahren auch Hohlprofile mit Krümmungs- winkeln von über 90° zulässt. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Ver- fahren auch die Herstellung von noch stärker gekrümmten Hohlprofilen, wie zum Bei- spiel U-Rohren, bei denen der Krümmungswinkel 180° entspricht. Auch spiralförmige Hohlprofile, deren Krümmungswinkel mehr als 360° beträgt sind theoretisch möglich. Unterscheidet sich der Querschnitt zweier Positionen auf der Profil-Längsachse oder Kern-Längsachse liegt eine Querschnittsänderung im Sinne der vorliegenden Erfin- dung vor. Die Querschnittänderung umfasst dabei sowohl die Änderung der Quer- schnittsform, beispielsweise von einem quadratischen zu einem rechteckigen oder runden Querschnitt, wie in Fig. 3c dargestellt, aber auch die Änderung des Durch- messers oder Flächeninhalts. Fig. 3a zeigt exemplarisch eine Querschnittsänderung im Sinne der vorliegenden Erfindung durch die Änderung des Durchmessers eines Hohlprofils 110 von d2 zu d1 , wobei d2 > d1. In Fig. 3b wird eine Querschnittsände- rung durch eine Änderung des Flächeninhalts der Querschnittfläche des Hohlprofils gezeigt, die durch eine Vergrößerung der Wanddicke D1 zur Wanddicke D2 des Hohlprofils zustande kommt. Dementsprechend bildet das Hohlprofil nicht nur die Querschnittsänderungen des Kerns ab, sondern kann darüber hinaus auch zusätz- liche Querschnittsänderungen, z. B. durch lokale Aufdickungen, aufweisen. Der prinzipielle Aufbau einer Anlage 100 zum Durchführen eines Verfahrens zur Her- stellung von Hohlprofilen, die neben einer Axialfaserverstärkung auch über veränder- liche Krümmungen und Querschnitte verfügen können, ist in Fig. 1 dargestellt. Die Abbildung zeigt eine erste Faserzuführung 131 mit Unidirektionalfäden 121 , die auf einem Kern 141 abgelegt werden, sowie eine zweite Faserzuführung 132 mit Wickel- fäden 122, die um den Kern 141 gewickelt werden. Der Kern 141 wird im vorliegen- den Verfahren nicht nachträglich geformt, sondern weist schon vor der Ablage der Unidirektional- und Wickelfäden Krümmungen und/oder Querschnittsänderungen auf, die von dem entstehenden Hohlprofil 110 abgebildet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Faserzuführung 131 Führungsösen 151 zur ge- nauen Positionierung der Unidirektionalfäden 121 auf dem Kern 141 auf. Die Füh- rungsösen 151 sind vorzugsweise direkt vor der Ablage der Unidirektionalfäden 121 auf dem Kern angebracht und können beispielsweise kleine Führungsröhren sein. Optional können auch zusätzliche Führungsösen 152 zur genauen Positionierung der Wickelfäden vor der Ablage auf den Kern angebracht werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Ringe mit integrierten Führungsösen. In einer vorteilhaften Ausfüh- rungsform weist die Anlage 100 zudem noch eine dritte Faserzuführung 133 mit Wickelfäden auf, sodass eine triaxiale Faserstruktur ausgebildet werden kann. Die erste, zweite und dritte Faserzuführung weisen vorzugsweise Faserspannungsein- heiten zum Einstellen einer Faserspannung auf und umfassen jeweils mindestens eine Faserspule.

Die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens laufen im We- sentlichen gleichzeitig ab. Während der kontinuierlichen Vorwärtsbewegung des Kerns 141 entlang der Kern-Längsachse durch die Anlage 100 hindurch werden so- wohl die Unidirektionalfäden 121 der ersten Faserzuführung 131 als auch die Wickel- fäden 122 der zweiten Faserzuführung 132 auf den Kern 141 abgelegt. Die Anlage 100 weist eine Anlagen-Achse 101 auf, entlang der die Unidirektionalfäden 121 ab- gelegt werden und um die die zweite Faserzuführung 132 rotiert, wobei der Kern der- art durch die Anlage hindurch geführt wird, dass die Kern-Längsachse am Ort der zweiten Faserzuführung 132 weitgehend mit der Anlagen-Achsen 101 übereinstimmt. Durch die Ablage der Unidirektionalfäden 121 der stationären ersten Faserzuführung 131 entlang der Anlagen-Achse 101 wird dabei die Axialfaserverstärkung erreicht, während der Kern gleichzeitig durch die um die Anlagen-Achse 101 rotierende zweite Faserzuführung 132 mit Wickelfäden 122 umwickelt wird, sodass eine erste Wickel- lage auf den Kern aufgebracht wird. Die Axialfaserverstärkung und die erste Wickel- läge werden somit in einem Durchlauf auf den gesamten Kern aufgebracht. Auch das entstehende Hohlprofil 110 weist damit eine Axialfaserverstärkung wie auch min- destens eine erste Wickellage auf, wobei es vorteilhaft ist, wenn die erste Wickellage über der Axialfaserverstärkung angeordnet ist, um diese zu fixieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die dritte Faserzuführung 133 dazu verwen- det werden, um eine zweite Wickellage auszubilden. Die dritte Faserzuführung 133 rotiert dazu ebenso wie die zweite Faserzuführung 132 um die Anlagen-Achse 101 und relativ zum Kern um den Kern 141 und umwickelt den Kern 141 mit weiteren Wickelfäden. In einer vorteilhaften Ausführungsform rotieren die zweite und die dritte Faserzuführung in entgegengesetzte Richtungen um den Kern 141 und ermöglichen so z.B. die Bildung eines ausgeglichenen Winkelverbunds, bei dem sich die Wickel- winkel der ersten und zweiten Wickellage nur im Vorzeichen unterscheiden, z. B. ±30°. Der Wickelwinkel beschreibt dabei jeweils denjenigen Winkel, der zwischen ei- nem Wickelfaden und der Profil-Längsachse 112 bzw. Kern-Längsachse einge- schlossen wird, und wird durch die Translationsbewegung des Kerns entlang der Kern-Längsachse relativ zu der Anlage bestimmt, worauf weiter unten noch einmal eingegangen wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform rotieren die zweite und dritte Faserzuführung 132 und 133 mit unterschiedlichen Umdrehungs- geschwindigkeiten in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen, bevorzugt in entgegengesetzte Richtungen, womit ein Wickelverbund ermöglicht wird, bei dem sich die Wickelwinkel der ersten und zweiten Wickellage neben dem Vorzeichen auch in der Größe des Wickelwinkels unterscheiden.

Die Anlage 100 im erfindungsgemäßen Verfahren kann theoretisch um Kern 141 ge- führt werden, während dieser stationär bleibt. Gemäß einer vorteilhaften Ausfüh- rungsform wird jedoch der Kern 141 entlang einer Bahn durch die Anlage 100 ge- führt, wobei die Form der Bahn der der Kern-Längsachse entspricht. Die Bahn liegt dabei frei im Raum und ist somit nicht an ein Fließband, Schienen oder vergleichba- res gekoppelt. Somit sind jegliche Richtungsänderungen der Kern-Längsachse auch für die Translationsbewegung des Kerns realisierbar, der beliebig nach oben, unten, links und rechts bewegt werden kann, während die Unidirektionalfäden 121 auf ihm abgelegt werden und die zweite und/oder dritte Faserzuführung den Kern mit Wickel- fäden umwickeln. Der Kern 141 wird dabei derart durch die Anlage hindurchgeführt, dass die Kern-Längsachse am Ort der zweiten und/oder dritten Faserzuführung weit- gehend mit der Anlagen-Achsen 101 übereinstimmt. Somit kann auch ein gekrümm- ter Kern gleichmäßig mit Fasermaterial belegt und umwickelt werden.

Bevorzugt führen die zweite und dritte Faserzuführung dabei eine rein rotatorische Bewegung um die Anlagen-Achse aus. Die rein rotatorische Bewegung der Maschi- nenelemente führt zu einem schnellen Profilherstellungsprozess, bei dem keine Fa- denkreuzungspunkte erzeugt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Translationsbewegung des Kerns 141 durch mindestens einen Arm, vorzugsweise mindestens eines Industrieroboters (gemäß VDI-Richtlinie 2860), realisiert wird, wobei der mindestens eine Arm den Kern durch die Anlage zieht und/oder schiebt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Kern an einem hinteren Ende durch einen ersten Arm festgehalten und mit einem vorderen Ende von diesem durch die Anlage geführt, insbesondere gescho- ben. Sobald die Unidirektionalfäden 121 der ersten Faserzuführung 131 sowie die Wickelfäden 122 der zweiten 132 und der optionalen dritten Faserzuführung 133 mindestens einen Teil am vorderen Ende des Kern 141 bedecken, kann ein zweiter Arm den teilweise umwickelten Kern 141 an diesem Teil festhalten und weiter durch die Anlage 100 führen, insbesondere ziehen, wobei der erste Arm den Kern 141 am hinteren Ende wieder loslassen kann. Vorzugsweise erfolgt der Wechsel vom ersten zum zweiten Arm in einem kontinuierlichen Übergang. Der zweite Arm kann nun noch das gesamte hintere Ende des Kerns 141 durch die Anlage führen, sodass der Kern am Ende komplett mit der Axialfaserverstärkung aus Unidirektionalfäden 121 und einer zweiten und optional dritten Wickellage umgeben ist.

Insbesondere durch die Translationsgeschwindigkeit, mit der die Translationsbewe- gung des Kerns 141 ausgeführt wird, wird der Wickelwinkel bestimmt, unter dem die Wickelfäden auf den Kern 141 aufgebracht werden. Der Wickelwinkel wird zudem auch durch die unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten der Faserzufüh- rungen 132 und 133 bestimmt. In beiden Fällen kann der Wickelwinkel zwischen 0° und 90° liegen, wobei er in der Praxis z.B. zwischen 9° und 90° liegen kann. Be- vorzugt liegt der Wickelwinkel zwischen 10° und 89°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 85°, ganz besonders bevorzugt zwischen 20° und 80°. Der Wickelwinkel ist im Allgemeinen umso kleiner, je schneller die Translationsbewegung ausgeführt wird. Eine geringe Translationsgeschwindigkeit führt zu einem Wickelwinkel nahe 90°. Die oben angegebenen Wickelwinkel können sich im Vorzeichen +/- unterscheiden. Eine Reduzierung der Translationsgeschwindigkeit, insbesondere bis hin zum Still- stand des Kerns 141 , kann des Weiteren genutzt werden, um die Wickelfäden 122 mehrfach um einen Abschnitt des Kerns zu wickeln und somit eine lokale Erhöhung der Materialdicke D zu erreichen, also beispielsweise eine Verstärkung der Wand- dicke D1 zur Wanddicke D2 wie sie in Fig. 3b dargestellt ist. Auch der Wickelwinkel, der jeweils zwischen dem jeweiligen Wickelfaden und der Kern-Längsachse liegt, kann sich lokal unterscheiden, wenn der Kern mit verschiede- nen Translationsgeschwindigkeiten durch die Anlage 100 geführt wird. Bei einer Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung findet die Translationsbewegung des Kern 141 während der Verfahrensschritte a bis c erst bei einer ersten Translationsge- schwindigkeit und anschließend bei einer zweiten Translationsgeschwindigkeit, die sich von der ersten Translationsgeschwindigkeit unterscheidet, statt, wobei das Um- wickeln des Kerns 141 mit den Wickelfäden der zweiten Faserzuführung 132 bei der ersten Translationsgeschwindigkeit zum Ausbilden der ersten Wickellage mit einem ersten Wickelwinkel und/oder einer ersten Lagendicke führt und bei der zweiten Translationsgeschwindigkeit zum Ausbilden der ersten Wickellage mit einem zweiten Wickelwinkel und/oder einer zweiten Lagendicke führt, wobei sich der zweite Wickel- winkel und die zweiten Lagendicke jeweils von dem ersten Wickelwinkel und der ersten Lagendicke unterscheiden. Bei Vorhandensein der dritten Faserzuführung 133 wird bei der ersten Translationsgeschwindigkeit zudem die zweite Wickellage mit einem dritten Wickelwinkel und/oder einer dritten Lagendicke ausgebildet und bei der zweiten Translationsgeschwindigkeit die zweite Wickellage mit einem vierten Wickel- winkel und/oder einer vierten Lagendicke, wobei sich der vierte Wickelwinkel und die vierte Lagendicke jeweils von dem dritten Wickelwinkel und der dritten Lagendicke unterscheiden. In einer vorteilhaften Ausführungsform entsprechen der dritte und vierte Wickelwinkel jeweils dem ersten und zweiten Wickelwinkel mit umgekehrten Vorzeichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste, zweite und dritte Faserzuführung derart ausgebildet, dass die erste und zweite Wickellage über der Axialfaserverstär- kung angeordnet werden. Auch weitere Faserzuführungen zum Ausbilden weiterer Wickellagen sind möglich. Die Unidirektionalfäden der ersten Faserzuführung und die Wickelfäden können aus dem gleichen Material sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Unidirektionalfäden der ersten Faserzuführung ein anderes Material als die

Wickelfäden umfassen. Neben Fasern, bevorzugt Endlosfasern, kommen Rovings, Faserbänder, imprägnierte Fasern und Tapes, die mit einem Thermoplasten oder Duroplasten imprägniert sein können, sowohl als Unidirektionalfäden als auch als Wickelfäden der zweiten und dritten Faserzuführung in Betracht. Die Unidirektional- und Wickelfäden sind bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Carbon- fasern, Keramikfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Polymerfasern und Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl ein Schaumkern als auch ein schmelzbarer Kern, aufblasbarer oder aufblähbarer Kern, Blaskern aus Kunst- stoff, verbleibender Kern sowie auswaschbarer Kern sein.

Durch die vielfältigen Variationsmöglichkeiten insbesondere für die Wickellagen (u.a. Material, Lagendicke, Wickelwinkel, Anzahl der Lagen) kann das entstehende Hohl- profil 110 an eine Vielzahl verschiedener Belastungen und Anforderungen angepasst werden. Das Verfahren ermöglicht so beispielsweise die Herstellung von Querträgern für Reisebusse, Dachlängsträger für PKWs sowie Längs- und Querträger in anderen Fahrzeugstrukturen. Auch Fußbodenstützen für Flugzeuge sowie Dachträger, Dach- relinge und Geländer können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert wer- den.