DE60014937T2

DE60014937T2 - Knotenstruktur aus verbundwerkstoff und verfahren zum formen eines gegenstandes

Info

Publication number: DE60014937T2
Application number: DE60014937T
Authority: DE
Inventors: Andrew Cranfield MILLS; Steven Cranfield COUSINS; Lee Cranfield BATEUP; Robert Cranfield BACKHOUSE
Original assignee: Coretex Structures Ltd
Current assignee: Coretex Structures Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: EP1495856A1; PT1212189E; WO2001014128A1; EP1495856B1; EP1212189B1; ES2231237T3; ATE279315T1; AU6713600A; GB9920071D0; DE60014937D1; JP2003507226A; ES2546959T3; US7169343B1; EP1212189A1; JP2011173425A; JP4754138B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer zusammengesetzten Konstruktion und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die Herstellung von Fahrzeugkonstruktionen und dergleichen.
Es ist bekannt, eine zusammengesetzte Konstruktion durch Ablegen einer Mehrzahl von Fasern auf einen ersten Abschnitt eines Werkzeuges, das eine gewünschte Gestalt aufweist, und Einführen eines Harzmaterials, entweder während des Ablegevorgangs oder danach, um zu gewährleisten, dass die Fasern miteinander verbunden werden und um eine Komponente von der gewünschten Gestalt herzustellen, zu produzieren. Es ist ebenfalls bekannt, ein Werkzeug zu verwenden, welches innere und äußere Abschnitte aufweist, die nach dem Zusammenbau verwendet werden, um die äußere Gestalt der zu formenden Komponente zu definieren. Darüber hinaus ist ebenfalls bekannt, während des Herstellungsprozesses ein Spritzverfahren zu verwenden, bei dem Harz in die Werkzeugkavität eingespritzt oder gezogen wird. Dieser Einspritzschritt erleichtert die Imprägnation des Harzmaterials zwischen der Faserstruktur und füllt die Werkzeugkavität aus, um dadurch die endgültige Gestalt des gewünschten Produktes genau zu definieren.
Zwar stellen die oben genannten Prozesse ein durchaus geeignetes Verfahren zum Herstellen einer zusammengesetzten Komponente bereit, jedoch ist diese nicht ohne weiteres für die Produktion komplizierter dreidimensionaler Konstruktionen geeignet. Zudem können manche Konstruktionen etwas sperriger als gewünscht sein, da das Herstellen von festen und schmalen Ecken und Verbindungsstellen problematisch sein kann.
Ein besonderes Problem tritt beim Formen komplexer Rahmenkonstruktionen mit mehreren Knoten, beispielsweise Fahrzeugrahmen, auf. Wenngleich es theoretisch möglich ist, für diese die im Stand der Technik bekannten händischen Auslegeverfahren zu verwenden, wären die Kosten ein Hinderungsgrund; und, wieder im Kontext von Fahrzeugrahmen, erfordern Aufprallsicherheit und Steifigkeit im Käfig, der durch den Rahmen gebildet wird, wenigstens für den Personen befördernden Teil des Fahrzeugs, große Sorgfalt und Überwachung bei der Bildung der Verbindungsstellen an den Knoten und dabei, wie die Verstärkung durch einen Knoten fortgesetzt wird, um Kohärenz und Festigkeit zu verleihen.
Ferner führt die Verwendung von nur Fasern als Verstärkung zu einer dichten und schweren Struktur. Es ist bekannt, dass die Verstärkung die Form eines kohlenstofffasergebundenen Schaumstoffkerns von konstantem Querschnitt annehmen kann, welcher eine unbegrenzte Länge aufweist und daher wie gewünscht auf das Werkzeug zugeführt werden kann. Dies ergibt ein erstrebenswerteres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis. Dennoch können zwischen einer derartigen Verstärkung noch erhebliche Leerräume vorliegen, die sich mit Harz füllen, und es ist möglich, dass das gewünschte Gewichts-Festigkeits-Verhältnis nicht erreicht wird.
Das Dokument GB 1,373,344 offenbart ein Verfahren zum Formen einer verstärkten modalen Konstruktion durch Ablegen einer Verstärkung von konstantem Querschnitt in die und entlang den Rinnen eines modalen Werkzeugs und Härten des Harzes, welches rund um die Verstärkung bereitgestellt wird. Die entsprechende Maschine ist in GB 2,189,425 beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maschine und ein Verfahren zum Herstellen einer zusammengesetzten Konstruktion bereitzustellen, welche sich für das Formen komplizierter dreidimensionaler Konstruktionen eignet.
Demgemäß stellt ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Maschine nach Anspruch 8 bereit.
Die Zufuhr und Koordination erfolgen unter CNC-Steuerung (rechnergeführter numerischer Steuerung).
Die Querschnittform der mit Kern versehenen Verstärkung muss nicht mit der Gestalt des Werkzeuges in Beziehung stehen.
Das Zuführen wird vorzugsweise wiederholt, bis das Werkzeug wenigstens durchgehend mit den Verstärkungsabschnitten gefüllt ist; vorzugsweise wird es etwas überfüllt, so dass ein Schließen des Werkzeuges eine Kompression der Verstärkung bewirkt. Allerdings ist nicht ausgeschlossen, dass das Werkzeug mit den Verstärkungsabschnitten unterbefüllt werden kann.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Der Prozess kann das Überfüllen des offenen Werkzeuges umfassen, wodurch ein Schließen des Werkzeuges die Verstärkung komprimiert. Auch hier muss die Querschnittform der Verstärkung nicht mit der Gestalt des Werkzeuges in Beziehung stehen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Masse einer zusammengesetzten geformten Konstruktion oder eines zusammengesetzten geformten Artikels zu reduzieren.
Wir verwenden als Verstärkung eine mit Kern versehene Verstärkung mit einer Hülle aus Festigkeit verleihenden Fasern – vorzugsweise Kohlenstofffasern – welche einen Kern aus expandierfähigem Material (vorzugsweise geschlossenzelligem Schaumstoff) umgibt. Der Kern ist unter reduziertem Druck, der auf ein geschlossenes Werkzeug aufgebracht wird (z.B. um Harz in das Werkzeug zu ziehen), expandierfähig, und daher enthält der fertige Artikel kaum oder idealerweise keine Leerräume zwischen Verstärkungen, die durch Harz auszufüllen sind; und stattdessen imprägniert das Harz ausschließlich die Festigkeit verleihende Faserstruktur und kapselt diese ein.
Ein Verfahren zum Formen des zusammengesetzten Artikels besteht aus dem Ablegen mindestens eines Verstärkungsabschnittes von konstantem Querschnitt in ein Werkzeug (wobei der konstante Querschnitt nicht mit der Gestalt des Werkzeuges in Beziehung stehen muss), wobei die Verstärkung einen Kern aus einem expandierfähigen Material (vorzugsweise geschlossenzelligem Schaumstoff) aufweist, dem Schließen des Werkzeuges, dem Reduzieren des Druckes in dem geschlossenen Werkzeug, um dadurch eine Expansion der Verstärkung zu bewirken, um Leerraum innerhalb der und rund um die Verstärkung zu minimieren, dem Härten von Harz, das rund um die Verstärkung bereitgestellt wird, und dem Entfernen des Werkzeuges. Vorzugsweise ist die Festigkeit verleihende Faser eine Kohlenstofffaser. Das Härten, das unter erhöhter Temperatur stattfindet, kann die Zerstörung oder teilweise Zerstörung des Schaumstoffkerns nach sich ziehen.
Das Resultat ist eine Zellenstruktur, in welcher gehärtetes Harz die Verstärkungsfasern derart einkapselt, dass dies ein günstiges Masse-Festigkeits-Verhältnis ergibt, da das Harz dazu neigt, eine höhere Dichte als die Faser oder natürlich der Schaumstoffkern zu besitzen.
Ein bevorzugtes Mittel und Verfahren zum Ablegen der Verstärkung auf diese Weise, vorzugsweise in mehreren Durchläufen über ein Knotenwerkzeug, werden durch den ersten und den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
Die Festigkeit verleihende Faserhülle kann auf jede beliebige für den Zweck geeignete Weise vorbereitet werden. Besonders geeignet ist eine geflochtene Konstruktion. Für die Expansionscharakteristik dieses Prozesses muss das Geflecht nicht symmetrisch sein.
Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann das Harz durch Einführen desselben in das Werkzeug (z.B. durch Einspritzen, oder durch Evakuierung, um das Harz in das Werkzeug zu ziehen), wenn das Werkzeug geschlossen ist, bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann das Harz in das Werkzeug eingeführt werden, wenn die Verstärkung dem Werkzeug zugeführt wird. Beispielsweise kann das Harz als ein Pulver in das Werkzeug zugeführt werden, wenn die Verstärkung in das Werkzeug zugeführt wird. Das Pulver kann dann (z.B. durch ein verfahrbares Heizgerät) geschmolzen werden, um es am Entweichen zu hindern und/oder um die Verstärkung aneinanderzukleben.
Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Isometrie einer Fahrzeugunterkonstruktion, die gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden könnte;
2 eine schematische Darstellung einer Werkzeugkonstruktion;
3A und 3B eine mögliche Verbindungsstellenanordnung zwischen Segmenten der Werkzeugskonstruktion in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht, in einer offenen Position;
4A und 4B die Anordnung von 3A und 3B in einer geschlossenen Position;
5 einen Einkapselungsschritt samt Einführen von Harz in das Innere der Werkzeugkonstruktion;
6 einen Knoten innerhalb der zusammengesetzten Konstruktion;
7 und 8 in Seitenansichten eine Maschine, die für das Ablegen von Verstärkung in eine Werkzeugkonstruktion geeignet ist;
9 eine Vorderansicht eines Zuführkopfes der Maschine;
10 eine Seitenansicht des Zuführkopfes der Maschine;
11–18 verschiedene Schritte, die an der Herstellung einer geformten Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung beteiligt sind;
19–21 seitliche Schnitte durch ein Werkzeug, welche aufeinanderfolgende Schritte der Befüllung darstellen;
22 dasselbe nach Imprägnierung und Härtung; und
23 eine perspektivische Ansicht und einen Schnitt durch einen Verbundstoff, der gemäß dem Prozess hergestellt wurde.
Nunmehr auf die Zeichnungen im Allgemeinen, jedoch insbesondere auf 1 Bezug nehmend wird zu erkennen sein, dass eine zusammengesetzte Konstruktion, beispielsweise ein Fahrzeug-Gitterrahmen 10, komplex und nicht einfach herzustellen ist. Die Konstruktion umfasst eine Reihe von Rahmengliedern 12, die an Knoten 13 aufeinandertreffen, und kann Unterbaugruppen, beispielsweise einen Knautschunterabschnitt 14, und Komponenten, beispielsweise ein rückwärtiges Verstärkungsglied, das allgemein unter 16 dargestellt ist, umfassen. Zudem können an anderen Positionen an der Konstruktion Merkmale wie Scharnier-, Stoßfänger- oder Aufhängungsglied-Montagepunkte vorgesehen sein.
Wenn die Rahmenstruktur einstückig auszubilden ist, muss ein zusammenklappbarer innerer Werkzeugteil (wird unten beschrieben) verwendet werden; wenn allerdings die Rahmenkonstruktion in zwei spiegelbildlichen Teilen herzustellen ist (d.h. entlang ihrer Mittelebene geteilt), kann ein herkömmliches dreidimensionales Werkzeug verwendet werden. In letzterem Fall kann das Zusammenfügen der gesondert hergestellten Hälften durch Hinzufügen weiterer Schichten über die Verbindungsstelle einfach erreicht werden und sehr zufriedenstellend sein.
Eine vereinfachte Form einer zusammenklappbaren Werkzeugkonstruktion, die geeignet ist, um eine einstückige zusammengesetzte Konstruktion nach 1 zu schaffen, ist in 2 dargestellt. Aus 2 wird zu erkennen sein, dass die Werkzeugkonstruktion eine Mehrzahl verbundener Negativ-Werkzeugsegmente 24 umfasst, von denen jedes einen Rinnenabschnitt 26 aufweist, in welchen die Verstärkung während des Montagevorgangs, der in diesem Dokument später ausführlich beschrieben wird, eingelegt wird. In einer ausgeklappten Position dienen die Werkzeugsegmente 24 dazu, die Gestalt des gewünschten Artikels zu definieren, während sie in einer zweiten, zusammengeklappten Position dazu dienen, die Entnahme des Formartikels daraus zu ermöglichen. Um eine Bewegung zwischen diesen Positionen zu erleichtern, werden die Segmente durch einen verstärkten Silikongummisack 28 zusammengefügt, welcher durch Einleiten von Druckluft oder eines beliebigen anderen Fluids durch den Einlass 30 aufgeblasen werden kann, wodurch bewirkt wird, dass der Sack aufgeblasen wird und die Segmente 24 zu deren Montageposition bewegt. Ein Zusammenklappen der Werkzeug segmente wird durch Abziehen der Luft oder des anderen Fluids aus dem Sack, entweder durch einfaches Auslassen daraus oder durch Zwangsentziehen daraus, erreicht. Natürlich entspricht hier die Gestalt des Werkzeugs, und zwar eine einfache Eiform, nicht einer Gestalt, die für den Rahmen 10 benötigt wird; sie wird nur veranschaulichend angeführt.
Nunmehr spezifischer auf 3 und 4 Bezug nehmend sind die Segmente 24 mittels eines Scharniermittels, das allgemein mit 32 bezeichnet ist, aneinander angelenkt. Bei dem spezifischen Beispiel umfasst das Scharniermittel ein flexibles Stegglied, das einen ersten Abschnitt 32a, der fest an einem ersten Segmentabschnitt 24a befestigt ist, und einen zweiten Abschnitt 32b, der fest an einem benachbarten Segmentabschnitt 24b befestigt ist, aufweist. Der flexible Stegabschnitt 32 richtet jedes Segment 24 relativ zu seinem Nachbar aus, wobei er jedoch eine ausreichende Flexibilität bietet, damit sich die Segmente zwischen ihren beiden Positionen bewegen können. Bei einer vereinfachten Anordnung kann das Scharniermittel ein flexibles Material umfassen, welches den Druckbeaufschlagungssack 28 bildet. Ebenfalls in 3 und 4 dargestellt sind Ausrichtmittel in Form von beispielsweise sich verjüngenden Stiften 34 und zugeordneten Löchern 36, die an benachbarten Flanschabschnitten 38a, 38b von benachbarten Werkzeugsegmenten 24a, 24b vorgesehen sind. Der Betrieb des Druckbeaufschlagungsmittels 28 bewirkt, dass die angelenkten Segmente in eine Verriegelungsbeziehung miteinander bewegt werden, in Anbetracht der Tatsache, dass die Druckbeaufschlagungskraft in Richtung der Pfeile F aus 3 und 4 aufgebracht wird. Die Kraft bewirkt, dass die Segmente relativ zueinander in ihre geschlossene Position geklappt werden und gewährleistet die Sicherheit des Scharniergelenks.
Die Segmente 24 dienen, sobald sie ausgeklappt wurden, dazu, eine Werkzeugkonstruktion zu definieren, auf welche das zusammengesetzte Material abgelegt werden kann, wie später beschrieben wird.
Die Schritte des Schließens und des Einspritzens werden mit Bezugnahme auf 5 dargestellt, aus welcher erkannt werden kann, dass ein zweiter Teil 40 des Werkzeuges herbeigebracht wird, um das abgelegte Material 38 zu umgeben und dann mittels eines beliebigen geeigneten Mittels in seiner Position gesichert wird. Es wird zu erkennen sein, dass, während 5 eine Anordnung vom Volleinkapselungstyp darstellt, man eigentlich nur jene Abschnitte umschließen muss, welche das abgelegte Material enthalten, und dass der Werkzeugteil 40 folglich keine vollständige Umhüllung vorsehen muss. Um die schnelle Montage der Werkzeuge zu erleichtern, wäre es möglich, pneumatische oder robotische Betätigungssysteme (nicht dargestellt) zu verwenden, welche den zweiten Abschnitt oder die zweiten Abschnitte 40 des Werkzeugs in seine/ihre Position bewegen und diese(n) dort während der nachfolgenden Schritte festhalten. Die Handlung des Einführens des zweiten Abschnittes 40 bewirkt vorzugsweise, dass die Verstärkung komprimiert wird, und gewährleistet, dass die Faserstruktur und jedwede Einsätze darin während das nachfolgenden Imprägnierschrittes unbeweglich gehalten werden. Der zweite Abschnitt 40 des Werkzeugs ist vorzugsweise mit einer Silikonschicht beschichtet, um das Abdichten während des Eingießens und das Ablösen, sobald die Komponente gehärtet wurde, zu unterstützen. Durch Aufbringen eines Vakuums auf das Innere des Werkzeugs über den Auslass 41 kann Harzmaterial aus dem Speicherbehälter 42 in das Innere des Werkzeuges gezogen werden und dieses veranlasst werden, über den Harzeinlass 43 die Stränge der Faser der Verstärkung entlang zu strömen und dadurch dazwischen durchzutreten und die Faser mit dem Harz zu überziehen, was in Anbetracht der Tatsache, dass es die Oberfläche der Werkzeugkonstruktion selbst berührt, auch dazu dient, die äußere Oberfläche des fertigen Artikels zu definieren. Die Verwendung eines Vakuumschrittes wird gegenüber jenem eines Harzeinspritzschrittes unter Überdruck vorgezogen, da das Vakuum die Aufgabe des Abdichtens wesentlich erleichtert und Belastungen des Werkzeugssatzes, welche mit dem Formungsprozess einhergehen, reduziert. Es ist zwar nicht unbedingt erforderlich, jedoch wird zu erkennen sein, dass ein kleiner zusätzlicher Innendruck auf das Druckbeaufschlagungsmittel 28 aufgebracht werden kann, um dazu beizutragen sicherzustellen, dass die Segmente 24 gegen den zweiten Abschnitt des Werkzeuges abdichten.
Sobald das Harz eingespritzt wird, wird das Harz auf erhöhter Temperatur gehärtet, und der zweite Abschnitt 40 des Werkzeuges wird entfernt und das Druckbeaufschlagungsmittel für die Entnahme des fertiggestellten Gitterrahmens, beispielsweise 10, entleert. Jedwedes/r Werkzeug/Abfall wird von dem Gitterrahmen entfernt, und der Werkzeugsatz wird dann gereinigt und für die neuerliche Verwendung vorbereitet. Natürlich können, wenn der Rahmen in Hälften hergestellt wird, die Werkzeugrinnen 26 auf einer permanenten, starren Werkzeughälfte angeordnet sein.
Nunmehr auf 6 Bezug nehmend wird zu erkennen sein, dass Knoten 13 hergestellt werden können, durch Einbinden von Umlenkeinsätzen in der Form von Abschnitten 44, um dadurch einen Abschnitt der Verstärkung rund um die Ecke, welche durch den Abschnitt geschaffen wird, umzulenken, so dass die Verstärkungsabschnitte von einem Rahmenteil 12 zu einem anderen durchgehend durch den Knoten 13 hindurch verlaufen.
7 veranschaulicht in stark vereinfachter Form eine Maschine, die sich zum Auflegen von Verstärkung auf die Werkzeugkonstruktion eignet. Die Maschine 60 umfasst einen Stützrahmen 62, der einen Verstärkungszuführkopf 64 aufweist, welcher später ausführlicher beschrieben wird und an einem Zwei-Achsen-Positionierkopf 66 angebracht ist. Der Kopf 66 ist an einem Brückenglied 68 angebracht und verschiebbar – Pfeil X – welches seinerseits entlang einem Rahmen 62 – Pfeil Y – verschiebbar ist, um sich in zwei Dimensionen zu bewegen. Eine eiförmige Werkzeugkonstruktion, die aus Segmenten 24 gebildet ist, ist zur Drehung um eine Längsachse 63 des Rahmens 62 angebracht, derart, dass es mit einer gesteuerten Verschiebebewegung des Zuführkopfes 64 und Drehung der Werkzeugkonstruktion möglich ist, die Verstärkung in die Rinne 26 des Werkzeuges durch Ablegen in und entlang dieser Rinne einzulegen. Diese Figur veranschaulicht auch die überkreuzte oder ineinandergreifende Beziehung an Knoten 13 des Rahmens, um dadurch die Steifigkeit des fertigen Rahmens zu erhöhen. Eine programmierbare CNC-Steuerung 70 ist vorgesehen, um die Bewegung des Stützrahmens 62 und des Zuführkopfes 64 zu steuern.
Die Steuerung der Koordination der Bewegung des Werkzeuges und des Zuführkopfes, um das Ablegen einer Verstärkung in die Rinnen zu erreichen, erfolgt für gewöhnlich mittels der CNC-Steuerung, welche für den spezifischen Rahmen, d.h. das spezifische verwendete Werkzeug, programmiert ist: Die CNC-Steuerung bestimmt auch die Vorschubrate der Verstärkung von dem Kopf und ob gesonderte Abschnitte von dieser abgelegt werden sollen, beispielsweise durch einen Knoten hindurch oder an einer Zone, an der eine überaus hohe Beanspruchung zu erwarten ist.
8 zeigt eine zweite derartige Maschine 60' mit einem Zuführkopf 64, welchem Verstärkung von einer Rolle 65 zugeführt wird, die mit dem Kopf getragen wird (bei anderen Ausführungsformen kann die Rolle jedoch unbeweglich oder unabhängig bewegbar sein). Wie zuvor kann der Kopf 64 Bewegungen in Längs- oder Querrichtung über einer Formkonstruktion ausführen, welche hier allgemein mit 67 bezeichnet und zur Rotation auf der Achse 63 angebracht ist. Unter der Steuerung einer CNC-Steuerung 70 kann Verstärkung entweder durchgehend oder in gesonderten Abschnitten entlang den Rillen der Werkzeugkonstruktion abgelegt werden, bis diese voll oder leicht übervoll sind.
Sowohl 7 als auch 8 sind einer völlig drehbaren Werkzeugkonstruktion gewidmet; es ist jedoch klar, dass die Werkzeugkonstruktion stationär sein kann, wobei der Zuführkopf ausgebildet ist, um sich unter CNC-Steuerung zudem in einer Z-Achse senkrecht auf die Pfeile X und Y zu bewegen oder imstande ist, sich teilweise zu drehen (hin- und herzubewegen). Dies wird für gewöhnlich der Fall sein, wenn der durch die Maschine und das Verfahren zu formende Rahmen derart ist, dass er keine zusammenklappbare Werkzeugkonstruktion benötigt.
9 und 10 zeigen den Zuführkopf 64. Die Verstärkung 38 von der Rolle 65 oder einer anderen Quelle wird durch angetriebene Zuführwalzen 45 mit einer erforderlichen Geschwindigkeit durch die Düse 46 mit Führungsflügeln 47 geführt. Die Verstärkung, welche aus der Düse ausgegeben wird, wird durch die Druckwalze 28 an die Grundfläche der Rinne 26 oder an eine vorangehende Verstärkungsschicht gedrückt. Die Schneideeinrichtung 49, welche wie die Zuführwalzen 45 unter CNC-Steuerung steht, kann betrieben werden, um gesonderte Verstärkungsabschnitte abzutrennen.
Die Verstärkung 38 umfasst ein Kohlenstofffaserfilament 50, welches einen mittigen Kern 52 umgibt, der bei einer bevorzugten Anordnung einen zusammendrückbaren Kern, beispielsweise Schaumstoff, umfasst. Wie später in Bezug auf 19–23 beschrieben wird, weist die Verstärkung bei einer besonders bevorzugten Anordnung einen expansionsfähigen geschlossenzelligen Schaumstoffkern auf. Es wird jedoch zu erkennen sein, dass flexible oder nichtzusammendrückbare Kerne nutzbringend verwendet werden können. An oder in dem Kohlenstofffaserüberzug 50 wird pulverförmiges schmelzbares Bindemittel mitgeführt. Eine Impulsinfrarotheizeinrichtung 53 verschmilzt Bindemittel an der Oberfläche einer jedweden vorangehenden Verstärkungsschicht, um die neu aufgebrachte Schicht an Ort und Stelle anzukleben, unter Schließung des Werkzeugs und Imprägnierung, wie mit Bezugnahme auf 11–18 beschrieben wird. Während der Großteil der Verstärkung durchgehend gewickelt ist, wird zu erkennen sein, dass dieser Wickelvorgang gestoppt werden und dann an jeder beliebigen Position der Werkzeugkonstruktion erneut begonnen werden kann, derart, dass punktuelle Bereiche mit zusätzlichem zusammengesetztem Material versehen werden können, um die Festigkeit jenes Abschnittes zu verbessern. Neben dem Ablegen gesonderter Verstärkungsabschnitte ist es möglich, zusätzliche Textilstoff-, Schaumstoff- und Metalleinsätze in die gewickelte Konstruktion einzugliedern, wenn die Verstärkung dieser zugeführt wird (derartige Einsätze können allerdings auch hinzugefügt werden, nachdem das Wickeln fertiggestellt wurde). Derartige Hinzufügungen dienen dazu zu ermöglichen, dass die Konstruktion großen oder punktuellen Belastungen während der Verwendung standhalten kann, und/oder Montagepunkte für Komponenten vorzusehen, welche an der Werkzeug-Grundkonstruktion angebracht werden müssen. Wie aus 11–18 hervorgeht, wird die Werkzeugkonstruktion von dem Zuführkopf 64 mit dem Zuführmaterial gefüllt (was hier als Zuführen einer Mehrzahl von Verstärkungen in einem Durchlauf dargestellt ist), wobei gleichzeitig zusätzliche Einsätze (die allgemein mit 46 bezeichnet sind) eingeführt werden, und das Werkzeug wird dann um eine kleine Menge überbefüllt (14), so dass, wenn das Werkzeug durch den zweiten Werkzeugteil 40' (15 und 16) verschlossen wird, die Verstärkung komprimiert wird. Daraufhin wird Harz zugeführt, vorzugsweise mittels Vakuumimprägnation (17), um die Leerstellen zu imprägnieren, und das Harz wird gehärtet. Die Werkzeugteile 24, 40' werden entfernt, woraufhin das geformte Rahmenglied 12 zurückbleibt.
19 zeigt die Rinne 101 eines Werkzeugteiles 102, der durch einen Zuführkopf 103 (beispielsweise den oben mit Bezug auf 9 und 10 beschriebenen) mit aufeinanderfolgenden Schichten von Verstärkung 104 mit konstantem Querschnitt beladen wird. Die Verstärkung wird hier als rechteckiger Querschnitt dargestellt; dies ist schematisch, und normalerweise würde sie von kreisförmigem oder ovalem Querschnitt sein, mit einem vergleichsweise weichen, expansionsfähigen, geschlossenzelligen Kunststoffschaumkern, der durch eine Hülle von Festigkeit verleihenden Fasern umgeben ist. Besonders geeignet für derartige Fasern sind Kohlenstofffasern, und diese können in einem Geflecht um den Kern angeordnet sein.
Die Verstärkung wird eingeführt, bis die Rinne ausreichend gefüllt ist, woraufhin, wie aus 20 hervorgeht, ein zweiter Teil 105 des Werkzeugs darauf angebracht und daran abdichtend befestigt wird. In 21 wird reduzierter Druck auf das Werkzeug aufgebracht, um Harz in dieses hineinzuziehen. Das Harz vermag den geschlossenzelligen Schaumstoff nicht zu durchdringen und wird stattdessen die Rinnen, welche durch die Faserüberzüge der verschiedenen Verstärkungsabschnitte gebildet werden, entlang gezogen. Zugleich bewirkt der reduzierte Druck eine Expansion der Schaumstoffkerne, so dass die Leerräume zwischen den Verstärkungen im Wesentlichen oder sogar zur Gänze beseitigt werden und nur ein vergleichsweise dünnes Netz oder eine vergleichsweise dünne Wabe 106 aus Wänden aus mit Harz imprägnierter Verstärkungsfaser zurückbleibt. Dies ist in 22 schematisch dargestellt, wo die Gegenwart eines Harzes durch verdickte Wabenlinien 107 angezeigt wird. Beim Vorgang des Härtens, was bei einer erhöhten Temperatur stattfindet, kann der Schaumstoffkern der Verstärkung zum Teil oder sogar zur Gänze zerstört oder geschmolzen werden, wobei dies jedoch nicht von Bedeutung ist. Zurück bleibt, wie aus 23 hervorgeht, eine wabenförmige, starrwandige, vollständige Holmkonstruktion 108 mit einem überaus zufriedenstellenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Leerräume, wo der Schaumstoff zerstört wurde, sind an den dunklen Flächen, beispielsweise 109, zu ersehen.
Diese Konstruktion und Art von Verstärkung kann in komplexen Knotenkonstruktionen verwendet werden, wie mit Bezug auf 1–18 beschrieben wurde, wobei die Verstärkung durch die Knoten hindurchgeführt wird, um eine einstöckige Konstruktion zu bilden, welche nicht die Herstellung von Verbindungsstellen erfordert.

Claims

Verfahren zum Formen einer verstärkten Knotenkonstruktion (10), das das Ablegen einer mit Kern versehenen Verstärkung (38) konstanten Querschnitts in den und entlang der Rinnen (26) eines Knotenwerkzeugs (24, 40) und über die Knoten davon durch wiederholte Durchläufe entlang der Rinnen (26), um die Rinnen wenigstens teilweise zu füllen, das Verschließen des Werkzeugs und das Härten von um die Verstärkung (38) herum gegebenem Harz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkung eine Kohlenstofffaserkonstruktion mit Schaumkern (52) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Rinnen (26) überfüllt werden, wodurch das Schließen des Werkzeugs die Verstärkung komprimiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ablegen die relative Bewegung eines Zuführkopfes (66, 103) und des Werkzeugs und das Steuern der Zuführung der Verstärkung (38) beinhaltet, alles unter rechnergeführter numerischer Steuerung (CNC-Steuerung).
Verfahren nach Anspruch 4, das auch das Abtrennen von Abschnitten der Verstärkung (38) im Zuführkopf unter CNC-Steuerung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das das thermische Heften der Verstärkung an eine vorhergehende Verstärkungsschicht aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das das Einführen von wenigstens einem Einsatz in das Werkzeug zum lokalen Umlenken der Verstärkung, zur punktuellen Verstärkung und/oder zum Bereitstellen eines Befestigungspunktes aufweist.
Maschine zum Ablegen einer Verstärkung (38) für eine zusammengesetzte geformte Knotenrahmenkonstruktion (10), die einen Zuführkopf (66) und ein Werkzeug, eine Einrichtung zum Zuführen von mit Kern versehener Verstärkung (38) konstanten Querschnitts durch den Zuführkopf, die eine relative Bewegung des Zuführkopfes und des Werkzeugs (24) verursacht, sodass die Verstärkung in und entlang einer Rinne des Werkzeugs abgelegt wird, hat.
Maschine nach Anspruch 8, bei der der Zuführkopf (66) zusätzlich eine Vorrichtung zum Trennen der Verstärkung in Abschnitte hat.
Maschine nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, die CNC-gesteuert ist.
Maschine nach Anspruch 8, Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der der Zuführkopf auch eine Strahlungsheizung (53) hat.