DE102007040609B4

DE102007040609B4 - Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, eines spiralförmigen Federelements, ein Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmigen Federelements

Info

Publication number: DE102007040609B4
Application number: DE102007040609A
Authority: DE
Inventors: Horst Duschek
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: WO2009027226A3; WO2009027226A2; DE102007040609A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10), mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines elastisch und reversibel komprimierbaren Feder-Kernkörpers (20) einer den Feder-Kernkörper (20) umgebenden, wenigstens ein Faser-Filament (32) aufweisenden Verstärkungsfaser-Umhüllung (30); b) Tränken von zumindest der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78), und dadurch Festlegen einer vorläufigen gegenseitigen Anordnung des Feder-Kernkörpers (20) und der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) und Ausbilden einer vorbestimmten Querschnittsform des Federelementhalbzeugs (10), wobei das Federelementhalbzeug (10) während des Tränkens und/oder nach dem Tränken komprimiert und hierbei elastisch und reversibel verformt wird, und wobei während des Komprimierens auch der Feder-Kernkörper (20) zusammengedrückt wird und so mittels des Feder-Kernkörpers (20) ein gegen die Innenseite der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) gerichteter Gegendruck erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, ein Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelements, ein Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs und eine Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmigen Federelements.
Herkömmliche Federelemente aus Stahl erfordern bei hohen Beanspruchungen einen großen Querschnitt und haben daher ein großes Gewicht, sind dynamisch nur wenig wechselbeanspruchbar und korrosionsanfällig.
Ferner sind seilartige Federelemente bekannt, die aus Faserverbundwerkstoffen bestehen. Derartige Spiralfedern eignen sich insbesondere zur Aufnahme von Torsionsbeanspruchungen. Neben zylindrischen Spiralfedern sind auch ebene Spiralfedern oder Federn mit rechteckigem Querschnitt bekannt.
Allerdings gestaltet sich die Herstellung solcher Federelemente aus Faserverbundwerkstoffen als sehr schwierig.
DE 30 37 616 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem ein Strang aus Fasern und Kunstharz auf einen mit einer Spiralnut versehenen Kern (Rotor) gewickelt, anschließend gehärtet und schließlich von dem Kern abgenommen wird.
DE 693 21 050 T2 offenbart ein Strukturelement mit einem innerhalb einer hohlen Umhüllung angeordneten Kern, wobei der Kern aus Fasern und die Umhüllung aus verstärkenden Filamenten gebildet sind. Zur Herstellung des Strukturelementes wird auch ein Herstellverfahren beschrieben.
DE 30 31 582 A1 offenbart ein wendelförmiges Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer äußeren biegbaren Hülle, eine darunter liegende Schicht von draht- oder bandförmigem Material aus ausgehärtetem faserverstärktem Werkstoff, der über einen hohlen oder vollen Wickelkern gewickelt ist. Die Hülle kann eine gewickelte Folie oder ein Schlauch sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen im Rahmen der Herstellung eines spiralförmigen Federelements und ein solches Federelement anzugeben, das einfach herstellbar ist, insbesondere im Endlosverfahren. Ferner sollen verschiedene Querschnittsformen herstellbar und das Federelement vielseitig einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 13, 16, und 23 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Idee der Erfindung liegt demnach darin, bei einem Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs einen Feder-Kernkörper und eine den Feder-Kernkörper umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung, die wenigstens ein Faser-Filament aufweist, bereitzustellen. Zumindest die Verstärkungsfaser-Umhüllung wird mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff getränkt und dadurch eine vorläufige gegenseitige Anordnung des Feder-Kernkörpers und der Verstärkungsfaser-Umhüllung und festgelegt und eine vorbestimmte Querschnittsform des Federelementhalbzeugs ausgebildet, Das Federelementhalbzeug wird dabei während des Tränkens und/oder nach dem Tränken komprimiert und hierbei elastisch und reversibel verformt. Dabei wird der Feder-Kernkörper während des Komprimierens auch zusammengedrückt und so wird mittels des Feder Kernkörpers ein gegen die Innenseite der Verstärkungsfaser Umhüllung gerichteter Gegendruck erzeugt.
Mit anderen Worten ist die Verstärkungsfaser-Umhüllung in dem Matrixwerkstoff eingebettet. Dieser Werkstoff ist vorzugsweise korrosionsbeständig. Als Matrixwerkstoff wird vorzugsweise ein Harz, insbesondere ein Epoxydharz verwendet. Die Umhüllung bildet eine Verstärkungsfaserstruktur. Vorzugsweise kann die Verstärkungsfaser-Umhüllung wenigstens eine Verstärkungsfaser bzw. wenigstens ein Filament oder einen aus mehreren Filamenten gebildeten Faden aufweisen.
Ferner kann der Feder-Kernkörper bei der Herstellung des Federelementhalbzeugs bzw. des weiter unten noch erläuterten Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Faserverbundwerkstoff-Federelements nur einen Hilfskörper darstellen, der sicherstellt, dass beim Tränken mit dem Matrixwerkstoff bzw. beim späteren Wickeln des „getränkten” Federelementhalbzeugs dessen Querschnittsform weitgehend beibehalten wird.
Der Feder-Kernkörper kann aus einem Vollmaterial oder aus einer Faser oder einem Faserbündel bestehen, wobei der Feder-Kernkörper vorzugsweise einen thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff oder einen Faserwerkstoff, insbesondere Glasfaser, umfasst. Die Werkstoffe und der ein- oder mehrteilige Aufbau von Feder-Kernkörper und Umhüllung werden noch weiter unten insbesondere im Zusammenhang mit dem herzustellenden endgültigen Faserverbundwerkstoff-Federelements erläutert.
So befinden sich Feder-Kernkörper und Verstärkungsfaser-Umhüllung in der vorläufigen gegenseitigen Anordnung vorzugsweise in einem lockeren Zusammenhalt unter Ausbildung von Zwischenräumen zwischen dem Faden oder Fadenbündel und dem Feder-Kernkörper. In der endgültigen gegenseitigen Anordnung liegt der Faden bzw. liegen die Fäden unter Minimierung der Zwischenräume und Lufteinschlüsse eng aneinander und an dem Feder-Kernkörper an. Vorzugsweise erfolgt die Komprimierung unter Zuhilfenahme einer Zugkraft, die zugleich zur Beförderung des Federelementhalbzeugs in Fortschrittsrichtung des Verfahrens verwendet werden kann.
Mit anderen Worten wird das Federelementhalbzeug durch Druckeinwirkung von der Außenseite des Federelementhalbzeugs her zusammengepresst. Das Komprimieren erfolgt vorzugsweise im und/oder mittels des Förderkanals.
Anstelle des Begriffes Federelementhalbzeug wird im Folgenden auch der Begriff „Seil” und anstelle des Begriffes Feder-Kernkörper auch der Begriff „innere Seele” verwendet. Unter einem Fadenbündel ist auch eine Vielzahl von Fäden, Filamenten oder Einzelfäden zu verstehen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist der verwendete Feder-Kernkörper an seiner Außenseite gegen ein Eindringen des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff abgedichtet. Ferner kann der Feder-Kernkörper für den flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff impermeabel sein. Vorteilhafterweise ist der Feder-Kernkörper gummiartig oder schaumstoffartig elastisch und reversibel komprimierbar.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird im Schritt b) des Anspruchs 1 auch der Feder-Kernkörper getränkt wird. Bevorzugt kann beim Tränken eine überschüssige Menge des Matrixwerkstoffes zugeführt werden.
Zum Tränken kann der mit der Verstärkungsfaser-Umhüllung umgebene Feder-Kernkörper mit einer überschüssigen Menge des Matrixwerkstoffes durch ein mit dem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff gefülltes Tränkbecken befördert werden. Vorzugsweise erfolgt der Transport des Federelementhalbzeugs durch das Tränkbecken in einem nicht gespannten Zustand, so dass genügend Zwischenräume zwischen den einzelnen Bestandteilen des Federelementhalbzeug vorhanden sind, durch welche der Matrixwerkstoff möglichst großflächig mit der Oberfläche des Fadens, der Fäden und/oder der Verstärkungsfaser-Umhüllung sowie gegebenenfalls des Feder-Kernkörpers in Kontakt kommen kann. Um diesen nicht gespannten Transport durch das Tränkbecken zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn stromabwärts und/oder stromaufwärts des Beckens jeweils eine Spannungsreglervorrichtung vorhanden ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Verfahrensvariante wird der mit der Verstärkungsfaser-Umhüllung umgebene Feder-Kernkörper zum Tränken durch einen Förderkanal befördert und der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff wird in den Förderkanal injiziert.
Vorzugsweise wird der Matrixwerkstoff unter Druck in den Förderkanal injiziert, so dass er in die Zwischenräume gelangen kann. Um einen ausreichenden Druck für die Zuleitung des Matrixwerkstoffes zu erreichen, kann der Matrixwerkstoff über eine Spritzgussmaschine zugeführt werden und beispielsweise über mehrere Bohrung in den Förderkanal injiziert werden. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Injektion des Matrixwerkstoffes in einem Bereich des Förderkanals erfolgt, in welchem sich die Bestandteile des Federelementhalbzeugs sich in der vorläufigen gegenseitigen Anordnung unter Ausbildung von Zwischenräumen befinden.
Vorzugsweise wird das Federelementhalbzeug nach dem Tränken durch einen Förderkanal transportiert.
Vorteilhafterweise werden in dem Förderkanal Feder-Kernkörper und Verstärkungsfaser-Umhüllung weitgehend in ihre endgültige Position zueinander gebracht. Für diesen Zweck kann ein entsprechend ausgestaltetes und weiter unten noch beschriebenes Werkzeug mit verschiedenen Bearbeitungszonen eingesetzt werden. Für den Fall, dass der Feder-Kernkörper nicht entfernt wird, ergibt sich die endgültige Anordnung der Verstärkungsfaser-Umhüllung nach vollständigem Aushärten des Matrixwerkstoffes.
Vorzugsweise kann nach dem Tränken etwaiger überschüssiger Matrixwerkstoff entfernt werden. Das Entfernen des überschüssigen Matrixwerkstoffs kann über den Förderkanal oder mittels des Förderkanals erfolgen. Entfernter überschüssiger flüssiger oder pastöser, aushärtbarer Matrixwerkstoff kann gesammelt und zum Tränken wieder verwendet werden.
In bevorzugter Weiterbildung kann in einem Schritt c) der Matrixwerkstoff zumindest teilweise ausgehärtet werden, so dass das Federelementhalbzeug einen prepreg-artigen und weitgehend trockenen, biegeschlaffen, seilartigen Zustand besitzt.
Ein Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass der überschüssige Matrixwerkstoff gesammelt und wiederverwendet werden kann. Ferner können die Bearbeitungsschritte des Tränkens und des Komprimierens aufeinander abgestimmt werden bzw. zusammengefasst werden, so dass beispielsweise der anfallende überschüssige Matrixwerkstoff zugleich einen leichteren Transport des Federelementes durch den Förderkanal ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs, insbesondere des oben erläuterten seilartigen Federelementhalbzeugs, umfasst einen Förderkanal, durch den das Federelementhalbzeug förderbar ist und der in Förderrichtung einen Zuführbereich, einen Kompressionsbereich und einen Abführbereich aufweist, wobei sich der Förderkanal in Förderrichtung von einem Eingang des Zuführbereichs zum Kompressionsbereich bin verjüngt, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Eingangs des Zuführbereichs größer oder gleich groß wie der Außen-Durchmesser des in den Förderkanal geförderten Federelementhalbzeugs ist, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Kompressionsbereiches kleiner als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der gewünschte zu formende Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs ist.
Das Werkzeug bzw. dessen Förderkanal ermöglicht es den Matrixwerkstoff in die Faserstruktur zu drücken, überschüssigen Matrixwerkstoff abzustreifen bzw. den Matrixwerkstoff in dem Förderkanal zu injizieren. Das verwendete Halbzeug kann einen ovalen Querschnitt besitzen, durch einen runden Kanal gefördert werden und nachfolgend mit einem ovalen Querschnitt aushärten. Dies kann sich insbesondere dadurch ergeben, weil der Feder-Kernköper die spätere Querschnittsform maßgeblich mitbestimmt.
So stellt der Förderkanal einen langgestreckten Hohlraum mit einer sich entlang der Förderrichtung zumindest abschnittsweise veränderlichen Querschnittsfläche bereit. Diese Querschnittsfläche verläuft im Wesentlichen quer, insbesondere senkrecht, zur Förderrichtung. Nach Durchlaufen dieses Werkzeuges liegt die Verstärkungsfaser-Umhüllung eng an dem Feder-Kernkörper an.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist zwischen Zuführbereich und Kompressionsbereich ein Injektionsbereich vorgesehen, und im Bereich des Injektionsbereiches mündet wenigstens eine Bohrung in den Förderkanal, durch die dem Federelementhalbzeug der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff zuführbar ist. Auf diese Weise kann der im Kompressionsbereich herausgedrückte überschüssige Matrixwerkstoff über den Zuführbereich und/oder den Abführbereich abgeleitet und zur Tränkung rückgeführt werden.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser des Abführbereichs im Wesentlichen gleich groß oder größer als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der zu formende gewünschte Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs.
Da in den meisten Fällen ein im Wesentlichen kreisförmiger oder ein im Wesentlichen ovaler Querschnitt für das seilartige Federelementhalbzeug gewählt wird, ist das Werkzeug in bevorzugter Ausgestaltung derart ausgestaltet, dass sich die Querschnittsfläche des Zuführbereichs in Förderrichtung von einem ersten Durchmesser zu einem zweiten Durchmesser verjüngt, wobei der zweite Durchmesser größer als der zu formende gewünschte Durchmesser des Federelementhalbzeug ist und wobei ein dritter Durchmesser des Kompressionsbereiches im Wesentlichen gleich groß oder kleiner als der gewünschte Durchmesser des Federelementhalbzeug ist.
Ferner zeigt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelements, wobei mit einem Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, ein seilartiges Federelementhalbzeug hergestellt wird und anschließend durch Wickeln des getränkten Federelementhalbzeugs um einen Formgebungskörper mit einer Oberfläche, die auf die endgültige geometrische Form des Federelementes abgestimmt ist und/oder diese abbildet; und durch vollständiges Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffes das seilartige Federelementhalbzeug zu einem spiralförmigen Federelementhalbzeug verarbeitet wird und durch Aushärten aus dem spiralförmige Federelementhalbzeug das spiralförmige Federelement hergestellt wird.
Mit diesem Verfahren soll insbesondere ein spiralförmiges Faserverbundwerkstoff-Federelement gebildet bzw. hergestellt werden.
Je nach gewünschter Querschnittsform des Federelementes kann der Formgebungskörper im Querschnitt betrachtet eine im wesentlichen kreisförmige, ellipsenförmige, rechteckförmige oder dergleichen Querschnittsform aufweisen. Ferner kann die Fortschrittgeschwindigkeit und/oder die Rotationsgeschwindigkeit des Formgebungskörpers auf die gewünschte Form abgestimmt sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird an den Formgebungskörper ein weiterer Formgebungskörper mittels einer verdrehsicheren, vorzugsweise formschlüssigen, Verbindung angeschlossen. Das Anschließen des Formgebungskörper kann mit oder ohne Unterbrechung des Wickelvorganges erfolgen. Beispielsweise kann der anzuschließende weitere Formgebungskörper mit der gleichen Geschwindigkeit und einer geeigneten Relativposition in Bezug auf den anderen Formgebungskörper angetrieben werden, so dass die beiden zu verbindenden Formgebungskörper während ihrer vorzugsweise synchronen Rotation aufeinander zu bewegt werden können, bis die verdrehsichere Verbindung erfolgt ist. Auf diese Weise ist es möglich ein endloses Federelement durch ein Wickelverfahren herzustellen, wobei es nicht erforderlich sein muss, den Wickelvorgang zu unterbrechen. Um je nach Anforderung unterschiedlich lange Federelemente herzustellen, können Formgebungskörper unterschiedlicher Längen vorgehalten werden, wobei ein Formgebungskörper gewünschter Länge auf einfache Weise durch Aneinanderfügen mehrerer Formgebungskörper schell bereitgestellt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff mittels Wärme und/oder durch eine photochemische Reaktion, insbesondere mittels UV-Strahlung, ausgehärtet.
Ferner kann vor dem Wickeln des Federelementhalbzeugs um den Formgebungskörper ein Band, vorzugsweise ein Folienband, vorbestimmter Dicke auf den Formgebungskörper gewickelt werden. Ein derartiges Band kann nach beendetem Formgebungsprozess entfernt werden, woraufhin das Federelement leichter von dem Formgebungskörper abgenommen werden kann.
Weiterhin kann das ausgehärtete, spiralförmige Federelement auf eine vorbestimmte Länge abgelängt werden.
Bei einer bevorzugten Variante wird der Feder-Kernkörpers nach dem vollständigen Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffs aus dem spiralförmigen Federelementes entfernt. Mit anderen Worten bildet der Feder-Kernkörper hier einen Hilfskörper oder Stützkörper, der nachträglich entfernt wird. Dies ist insbesondere im Rahmen von Leichtbauanwendungen vorteilhaft.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmiges Federelementes mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper, umfassend ein Tränkbecken zum Tränken eines seilartigen Federelementhalbzeugs, ein Werkzeug, wie es oben beschrieben wurde, wenigstens einen Formgebungskörper zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeugs in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug, wobei der Formgebungskörper eine auf die geometrische Form des spiralförmigen Federelementhalbzeugs abgestimmte oder diese Form abbildende Oberfläche aufweist und an wenigstens einem Ende einen Anschluss zur Verbindung mit einem weiteren Formgebungsköper aufweist, und eine Aushärtungseinrichtung zum Aushärten des spiralförmigen Federelementhalbzeugs zur Bildung des spiralförmigen Federelementes.
Das spiralartige Federelementhalbzeug kann nach dieser Umformung noch in biegeschlaffer Form vorliegen und dann nach Aushärten des Matrixwerkstoffes die gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise die Elastizität und Festigkeit, erreichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Anschluss verdrehfest ausgebildet. Vorteilhafterweise ist der Anschluss zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung mit dem weiteren Formgebungskörper ausgebildet. Weiter bevorzugt weist der Anschluss eine Nut und/oder eine Feder auf.
Vorteilhafterweise weist die Oberfläche wenigstens eine Rille zur spiralartigen Formgebung des Federelementhalbzeugs auf, wobei das seilartige Federelementhalbzeug in dieser Rille um den Formgebungskörper wickelbar ist. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Formgebung bei erhöhter Fortschrittsgeschwindigkeit erreichen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Spannvorrichtung zum Spannen des seilartigen Federelementhalbzeugs vorgesehen. Bevorzugt werden wenigstens zwei Spannvorrichtungen eingesetzt, wobei eine erste Spannvorrichtung stromaufwärts und eine zweite Spannvorrichtung stromabwärts des Tränkbeckens angeordnet wird.
Vorteilhafterweise ist ein Auffangbecken zum Sammeln von überschüssigem Matrixwerkstoff vorgesehen. Ferner kann eine Rückführleitung, die den überschüssigen Matrixwerkstoff von dem Auffangbecken zu dem Tränkbecken zurückführt, bereitgestellt werden. Um ein Ablängen des seilartigen, des spiralförmigen Federelementhalbzeugs oder des spiralförmiges (Faserverbundwerkstoff-)Federelements zu ermöglichen, kann eine Trennvorichtung vorgesehen werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des vorgenannten Herstellverfahrens hat ein Verfahren zur serienmäßigen Herstellung von zylindrischen Spiralfedern konstanten Querschnitts zum Gegenstand.
Darüber hinaus ist ein Gegenstand der Erfindung ein Faserhalbzeug (im nachfolgenden auch als „Seil” bezeichnet), welches zur technischen Realisation des o. g. Verfahrens verwendbar ist.
Ein Vorteil des Herstellverfahrens ist, dass unter Ausnutzung insbesondere der richtungsorientierten Festigkeitseigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ein dynamisch hoch wechselbeanspruchbares, leichtes und gegen eine Vielzahl korrosiver Medien beständiges Maschinenelement geschaffen werden kann.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Federelementes liegt auf dem Gebiet von Luft- und Raumfahrzeugen, wie Flugzeugen, Hubschraubern und Raumfähren, auf dem maritimen Bereich sowie auf anderen Gebieten, in denen Bauteile mit hoher Festigkeit, langer Lebensdauer, guter Korrosionsbeständigkeit und zugleich mit einem geringen Gewicht gewünscht sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine Ansicht von oben auf eine erste Ausführungsform eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kernkörper und zwei den Feder-Kernkörper umgebende Fadenbündeln;
2 bis 5 mehrere Querschnitte durch verschiedene Fadenbündelanordnungen;
6 einen schematischen Querschnitt durch ein seilartiges Federelementhalbzeug mit Feder-Kernkörper und Verstärkungsfaser-Umhüllung;
7 eine Ansicht von oben auf eine erste Ausführungsform eines Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kernkörper und mehreren den Feder-Kernkörper umgebende Fadenbündeln mit gegenläufiger, verwobener Wicklung;
8 eine Ansicht von oben auf eine zweite Ausführungsform eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit einem Feder-Kernkörper und mehreren den Feder-Kernkörper umgebende Fadenbündeln mit gegenläufiger, verwobener Wicklung;
9 eine Ansicht gemäß 1a, 1b auf eine dritte Ausführungsform des seilartigen Federelementhalbzeugs mit mehreren den Feder-Kernkörper umgebende Fadenbündeln gleichgerichteter Wicklung;
10 eine Ansicht von oben auf eine vierte Ausführungsform des seilartigen Federelementhalbzeugs mit mehreren den Feder-Kernkörper umgebenden in Schichten angeordneten Fadenbündeln mit gegenläufiger Wicklung;
11 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit anschließender Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges in ein spiralförmiges Federelement;
12 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Werkzeuges zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs;
13 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs mit anschließender Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges in ein spiralförmiges Federelement; und
14 eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Werkzeuges zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs.
1 zeigt den Grundaufbau eines seilartigen Federelementhalbzeuges 10 bzw. „Seiles” mit Darstellung der Seele und der gegenläufigen Wickelart anhand von zwei Filamenten bzw. Fäden 32 oder zwei Fadenbündeln bzw. Bündeln 36.
Die „Seilseele” 20 besteht aus zu einem konzentrischen Bündel zusammengefassten Einzelfasern bzw. bei „Seilen” zur Herstellung größerer Federabmessungen aus einem flexiblen, leichten aber druckfesten Vollmaterial, z. B. einem thermoplastischen Schaumstoff oder dergleichen. Die „Seele” dient als Formkörper des „Seils” und auch hauptsächlich zur Übertragung von Zugkräften im Federherstellungsprozess. Die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 der „Seele” 20 umfasst wenigstens einen Einzelfaden bzw. ein Einzelfilament 32 oder auf Basis davon Bündel bzw. Fadenbündel 36.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Fadenbündelformen. Die Formen b und c sind zur Herstellung des „Seils” 20 und nachfolgend des Federelementes am günstigsten, da bei der Umwicklung der „Seele” die geringsten Hohlräume zwischen den einzelnen Fäden 32 oder Fadenbündeln 36 entstehen.
Da Faserwerkstoffe sehr empfindlich gegen Belastung quer zum Faserverlauf sind, ist es zur Vermeidung oder Verringerung dieser Beanspruchung vorteilhaft, dass der „Seelendurchmesser” sehr groß gegenüber dem Filamentdurchmesser der Fadenbündel ist. Da der Filamentdurchmesser jedoch im μm-Bereich liegt, der Seelendurchmesser hingegen im mm-Bereich und die Verstärkungsfaser-Umhüllung der „Seele” im allgemeinen mehrschichtig erfolgt, ist diese Forderung generell erfüllt.
Die Dicke der gewickelten bzw. gewickelten und verwobenen Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 ist klein im Vergleich zum „Seildurchmesser”. 6 veranschaulicht die Proportionen von Umhüllungsschicht zum „Seildurchmesser”.
Die 7 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen des seilartigen Federelementhalbzeuges 10, das sich in einer Längsrichtung L erstreckt und einen Feder-Kernkörper 20 und eine den Feder-Kernkörper 20 umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mit wenigstens einem Faden 32 oder einem Fadenbündel 36 umfasst. Wie weiter unten noch erläutert wird kann der Feder-Kernköper 20 nur als Hilfskörper im Rahmen der Umwicklung eingesetzt und nach Herstellung des Federelementhalbzeugs 10 oder auch erst in einem späteren Stadium wieder entfernt werden. Alternativ kann der Feder-Kernkörper 20 auch verbleiben, d. h. bildet dann ein Bestandteil des endgültigen Federelementes.
Im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird das Federelementhalbzeug 10 auch als „Seil” und der Feder-Kernkörper 20 auch als „innere Seele” bezeichnet. Ein derartiges Seil entspricht dem Federdraht bei herkömmlichen Stahlfedern.
Um den Feder-Kernkörper 20 werden zur Erzeugung des Seils oder Federelementhalbzeugs 10 vorzugsweise schraubenförmig, je nach Verwendungszweck des endgültig fertiggestellten Federelementes, entweder mit gleichgerichteter oder entgegengesetzter Schlagrichtung die einzelnen Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 gewunden oder gewunden und ineinander verwebt.
Vorzugsweise erfolgt die auf diese Weise vorgenommene Umhüllung der inneren Seele in mehreren Schichten. Die Steigung der Fadenbündelschraubenlinie liegt im allgemeinen bei 45° bezüglich der Längsrichtung L, kann jedoch zu Erzielung bestimmter Eigenschaften während der Verarbeitung bzw. am Endprodukt um mehrere Grad differieren.
Der Feder-Kernkörper 20 (innere Seele) kann aus mehreren zu einem konzentrischen Bündel zusammengefassten Einzelfasern oder aus einem flexiblen, leichten aber druckfesten Vollkörper, z. B. aus thermoplastischen Schaumstoff oder dergleichen bestehen. Der Feder-Kernkörper 20 dient während des Federherstellungsprozesses zur Übertragung von Zugkräften, als Formgebungskörper für das Federelementhalbzeug 10 und, falls er nicht entfernt wird, zur teilweisen Kraftübertragung. Als Werkstoff für den Feder-Kernkörper 20 können Materialien verwendet werden, die über hinreichende Festigkeitseigenschaften auch bei Querbeanspruchung verfügen. Bei Faserwerkstoffen eignet sich hier insbesondere Glasfasermaterial. Bei größeren Durchmessern des Feder-Kernkörpers 20 ist die Verwendung von Thermoplasten oder Elastomeren sinnvoll. Für die die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bildenden Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 eignen sich insbesondere hochfeste Faserwerkstoff, wie Glas-, Kevlar-, Kohle- oder Borfasern. Da Faserwerkstoffe sehr empfindlich gegen eine Belastung quer zum Faserverlauf sind, ist es zur Vermeidung oder Verringerung dieser Beanspruchung vorteilhaft, dass der Durchmesser des Feder-Kernkörpers 20 sehr groß gegenüber dem Durchmesser des Fadens 32 oder des Fadenbündels 36, 37 ist. Da der Durchmesser des Fadens 32 jedoch in Mikrometerbereich liegt, der Durchmesser des Feder-Kernkörpers 20 hingegen im Millimeterbereich liegt, wird diese Forderung in der Regel insbesondere dann erfüllt, wenn die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mehrschichtig erfolgt. Die Dicke der gewickelten bzw. gewickelten und verwobenen Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 ist klein im Vergleich zum Durchmesser des Feder-Kernkörpers 20.
Die 7 und 8 zeigen jeweils ein seilartiges Federelementhalbzeug 10, bei dem die den Feder-Kernkörper 20 umgebende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 sechs Fäden 32 oder Fadenbündel 36 mit gegenläufiger, verwobener Wicklung umfasst. Die Schlagrichtung ist etwa 45° zur Längsrichtung L geneigt. Bei 8 ist zusätzlich zu der in 7 gezeigten Zusammenstellung ein einzelner Faden 32 oder ein Fadenbündel 37 mit einer anderen Richtungsorientierung, im vorliegenden Fall parallel zur Längsrichtung L, in die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 eingewoben. Auf diese Weise lassen sich bestimmte mechanische Eigenschaften des Federelementhalbzeuges 10 erzeugen. Bei einer vollendeten verwobenen Umwicklung liegen die Fadenbündel 36, 37 dann ohne Zwischenraum fest aneinander und an dem Feder-Kernkörper 20 an. Die hierfür erforderliche Anzahl von Fadenbündeln 36, 37 variiert in Abhängigkeit von der verwendeten Fadenbündelart und dessen Aufbau sowie dem gewünschten Seildurchmesser.
9 zeigt das Wickelprinzip eines Federelementhalbzeugs 10 mit nur gleichgerichtet um den Feder-Kernkörper 20 gewickelten Fäden 32 oder Fadenbündeln 36. Zur Erzielung eines hinreichenden Zusammenhalts und der Handhabbarkeit eines derartigen Seils während des anschließenden Umformungsprozesses zur spiralförmigen Formgebung ist ein Faden 32 oder ein Fadenbündel 37 in gegenläufiger Schlagrichtung gewickelt und teilweise mit den anderen Fadenbündel 36 verwoben. Die gesamte Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 der inneren Seele 20 ist in mehreren Schichten aufgebaut. Derart gleichgerichtet gewickelte Seile 10 sind hauptsächlich zum Einsatz bei Federelementen mit nur einer konstanten Belastungsrichtung bestimmt.
10 zeigt ein Federelementhalbzeug 10 mit gegenläufig geschichteter Wicklung in mehreren Schichten 38. Jede Schicht 38 umfasst eine Vielzahl von Fadenbündeln 36, die alle im Wesentlichen parallel nebeneinander und gleichgerichtet sind. Die Wicklungsrichtung der einzelnen Schichten 38 zueinander ist jedoch gegenläufig. Wiederum können in einer jeweiligen Schicht 38 einzelne Fäden, auch als Stützfäden bezeichnet, eingearbeitet sein. Zur besseren Verarbeitbarkeit und Handhabung ist es von Vorteil, eine sehr dünne äußerste gegenläufig verwobene Schicht 38 anzubringen.
Generell ermöglichen die Fäden 32 oder Fadenbündel 36, 37 untereinander einen mechanisch form- und reibschlüssigen Zusammenhalt, der ein Verschieben gegeneinander zulässt, ohne eine nennenswerte Form- und Strukturänderung des Federelementhalbzeugs 10 zu bewirken. Dadurch ist das Seil 10 flexibel, in einem gewissen Umfang elastisch und auf Zug beanspruchbar. Für die innere Seele 20 sollte ein Werkstoff eingesetzt werden, der über hinreichende Festigkeitseigenschaften auch bei Querbeanspruchung verfügt. Bei Faserwerkstoffen kommt hier insbesondere Glasfaser in Betracht. Bei größeren Seildurchmessern ist die Verwendung von bestimmten Thermoplasten oder Elastomeren geeignet. Für die die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bildenden Fadenbündel 36, 37 sind alle hochfesten Faserwerkstoffe wie Glas-, Kevlar-, Kohle- und Bohrfaser geeignet. Bis zu einem Seildurchmesser von etwa 4 mm ist Glasfaser für die innere Seele besonders geeignet. Die flexiblen Seile 10 können auf Rollen und Trommeln gewickelt, gelagert und zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend werden zwei Varianten eines Verfahrens zur Herstellung des seilförmigen Federelementhalbzeugs 10 beschrieben (11, 13). Bei diesem Herstellungsverfahren wird der oben erläuterte Feder-Kernkörper 20 mit der den Feder-Kernkörper 20 umgebenden Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bereitgestellt. Anschließend wird zumindest die Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff 78 getränkt und dadurch eine vorläufige gegenseitige Anordnung des Feder-Kernkörpers 20 und der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 festgelegt und eine vorbestimmte Querschnittsform des Federelementhalbzeugs 10 ausgebildet.
Die erste Verfahrensvariante gemäß 11 ist vorzugsweise für Seile mit dünnerem Durchmesser geeignet. Die zweite Variante gemäß 13 ist vorzugsweise für Seile mit dickeren Durchmessern geeignet.
Bei der ersten Verfahrensvariante gemäß 11 wird von einer Seilrolle 70 ein Federelementhalbzeug 10, beispielsweise mit einem in den 7 bis 10 gezeigten Aufbau, und einem noch nicht endgültigen Zusammenhalt der Bestandteile der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 und des Feder-Kernkörpers 20 über Umlenkrollen 72 abgewickelt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. Zur Forderung des Federelementhalbzeuges oder Seils 10 wird dieses über eine Spannvorrichtung 74 mit einem Seilspannungsregler durch ein Tränkbecken 76 gezogen. Das Tränkbecken 76 ist mit einem korrosionsbeständigen Matrixwerkstoff 78 gefüllt, vorzugsweise mit flüssigem Reaktionsharz beispielsweise auf Basis von Epoxydharz. Der Seilspannungsregler der Spannvorrichtung 74 ist derart eingestellt, dass nahezu keine Spannung auf dem in Tränkbecken 76 befindlichen Abschnitt des Seils 10 liegt. Die Fadenbündel 36, 37 der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 bilden in diesem Zustand einen lockeren Zusammenhalt, der es ermöglicht, dass der Matrixwerkstoff 78 aufgrund des statischen Druckes in dem Tränkbecken 76 und aufgrund kapillarer Effekte in das Seil 10 eindringen und die einzelnen Fäden bzw. Filamente 32 umhüllen kann. Über weitere Umlenkrollen 72 wird das getränkte Seil 10 aus dem Tränkbecken 76 und über eine zweite Spannvorrichtung 75 mit einem zweiten Seilspannungsregler in ein düsenförmiges Werkzeug 40 gezogen. Hierbei ist der zweite Spannungsregler derart eingestellt, dass das Seil 10 im Bereich des Werkzeuges 40 straff gespannt wird.
12 zeigt dieses Werkzeug 40, welches zur Bearbeitung des seilartigen Federelementhalbzeugs 10 dient, in einem Querschnitt. Das Werkzeug 40 umfasst einen düsenartig geformten Basiskörper 42 mit einem abragenden Flansch mit Bohrungen 43 zur ortsfesten Festlegung des Werkzeugs 40. Der Basiskörper 42 hat einen entlang der Förderrichtung F durchgehenden inneren Hohlraum, der einen Förderkanal 44 bereitstellt.
Der Förderkanal 44 ist in der Förderrichtung F in einen Zuführbereich 45, einen Kompressionsbereich 47 und einen Abführbereich 48 unterteilt. Entlang der Förderrichtung F betrachtet verjüngt sich die Querschnittsfläche des Förderkanals 44 im Bereich des Zuführbereichs 45 ausgehend von einer Einlassöffnung konisch bis zum Kompressionsbereich 47 und erweitert sich anschließend in einer stetigen Kurve bis zur Auslassöffnung im Abführbereich 48. Der Kompressionsbereich 47 kann hierbei auch nur punktuell ausgebildet sein. Alle Übergänge zwischen den vorgenannten Bereichen sind weich abgerundet. Vorzugsweise, wie in 12 zu erkennen, weist der Förderkanal 44 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Hierbei ist ein erster Durchmesser D_e (Einlassdurchmesser) größer als ein zweiter Durchmesser D_k (Kompressionsdurchmesser). Ferner ist ein dritter Durchmesser D_a (Auslassdurchmesser) größer als der zweite Durchmesser D_k. Ferner ist der erste Durchmesser D_e und der dritte Durchmesser D_a größer als der gewünschte Durchmesser des Seils 10. Der zweite Durchmesser D_k als der minimale Düseninnendurchmesser ist hingegen im Wesentlichen gleich groß oder kleiner als der gewünschte Durchmesser des Seils 10.
Auf Zug beansprucht, hat das Seil 10, insbesondere wenn es sich um ein Seil mit gegenläufig verwobener Wicklung handelt, das Bestreben zu kontrahieren, wobei sich die Fadenbündel 36, 37 der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 aneinander und eng an die innere Seele 20 legen. Hierbei wird überschüssiger Matrixwerkstoff 78 aus dem Seil 10 herausgepresst und bleibt in der Regel an der Seiloberfläche haften. Dieser Vorgang geschieht also bereits durch die Zugbeanspruchung zum Transport des Seils 10 bevor das Seil 10 in das Werkzeug 40 einläuft. Anschließend durchläuft das Seil 10 den Förderkanal 44, wobei der noch auf der Seiloberfläche befindliche überschüssige Matrixwerkstoff 78 wenigstens teilweise in dem Zuführbereich 45 abgestreift wird.
Sodann wird das Seil 10 in dem Kompressionsbereich 47 weiter zusammengedrückt, wobei auch der letzte überschüssige Matrixwerkstoff 78 aus dem Seil 10 gepresst wird. Der überschüssige Matrixwerkstoff 78 kann auf der geneigten Innenoberfläche des Förderkanals 44 abfließen und in einem Auffangbecken 80 gesammelt werden. Über eine Rückführleitung 82 wird der gesammelte überschüssige Matrixwerkstoff 78 dem Tränkbecken 76 rückgeführt und kann so wieder verwendet werden. Als weiterer Effekt werden etwaige Lufteinschlüsse aufgrund des anfänglichen lockeren Zusammenhalts von Feder-Kernkörper 20 und Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 durch die düsenartige Innenform des Förderkanals 44 und durch die sowohl zum Seilinneren als auch zur Einlassöffnung des Zuführbereiches gerichtete Druckkomponente des Harzes beseitigt.
Nachfolgend wird die zweite Verfahrensvariante gemäß 13 erläutert. Wie bereits erwähnt, dient diese Variante vorrangig zur Bearbeitung von Seilen 10 größeren Durchmessers, bei denen die Tränkung in einem Tränkbecken schwierig ist. Die Tränkung des Seils 10 erfolgt bei dieser Verfahrensvariante beim Transport des Seils 10 durch den Förderkanal 44 der in 14 dargestellten zweiten Ausführungsform des Werkzeugs 40.
Vom Grundprinzip her erfolgt die Tränkung hier durch Injizieren des Matrixwerkstoffs 78 in den Förderkanal 44. Um dies bewerkstelligen zu können, unterscheidet sich das Werkzeug 40 der zweiten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform des Werkzeugs 40 gemäß 12 darin, dass in Förderrichtung F betrachtet zwischen dem Zuführbereich 45 und dem Kompressionsbereich 47 ein Injektionsbereich 46 vorgesehen ist. Dieser Injektionsbereich 46 weist entlang seiner Länge eine konstante Querschnittsfläche mit einem vierten Durchmesser D_l auf. Alternativ kann auch eine sich in Förderrichtung F verjüngende Querschnittsform für den Injektionsbereich 46 gewählt werden. Der erste Durchmesser D_e (Einlassdurchmesser), der zweite Durchmesser D_k (Kompressionsdurchmesser) und der dritte Durchmesser D_a (Auslassdurchmesser) verhalten sich relativ zueinander wie bereits oben im Zusammenhang mit 12 beschrieben. Der zusätzliche vierte Durchmesser D_l (Injektionsdurchmesser) ist im Wesentlichen gleich groß wie der gewünschte Durchmesser des Seils 10 und bevorzugt größer als der zweite Durchmesser D_k.
Um den Matrixwerkstoff 78 bereitstellen zu können, umfasst das Werkzeug 40 einen Anschluss 50, eine Zuleitung 52, einen Ringkanal 54 und mehrere Bohrungen 56. Der Matrixwerkstoff 78 wird durch eine schneckengetriebene Spritzgussvorrichtung 58 unter einem vorbestimmten Druck bereitgestellt und über den Anschluss 50 der Zuleitung 52 zugeführt. Über die Zuleitung 52 wird der Matrixwerkstoff 78 in den Ringkanal 54 geleitet und schließlich über die Bohrungen 56 in den Förderkanal 44 eingebracht. Dies ermöglicht eine schnell durchführbare und vollständige Durchtränkung des Seils 10 und somit eine schnelle Durchlaufgeschwindigkeit des Seils 10 durch das Werkzeug 40.
Stromabwärts des Injektionsbereiches 46 schließt der Kompressionsbereich 47 an, um die Bestandteile des Federelementhalbzeuges 10 in eine gegenseitige Position mit einer eng an dem Feder-Kernkörper 20 anliegenden Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 zu drücken und zugleich überschüssigen Matrixwerkstoff 78 zu entfernen. Die Ableitung des überschüssigen Matrixwerkstoff 78 erfolgt gleichermaßen wie bei der ersten Verfahrensvariante vorzugsweise über den Zuführbereich 45, kann aber auch über den Abführbereich 48 erfolgen. Nach Durchlaufen des Werkzeuges 40 hat das Seil 10 seine ungefähre später vorgesehene Querschnittsform und kann zu einem Federelement mit spiralartiger Form weiterverarbeitet werden. Die endgültige Querschnittsform erhält das Federelement nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes 78.
Eine solche Weiterverarbeitung wird nachfolgend beschrieben, kann sich an beide vorbeschriebenen Verfahrensvarianten anschließen und ist deshalb sowohl in 11 als auch in 13 schematisch dargestellt. Nach Durchlaufen des Werkzeugs 40 wird das Seil nun auf einen rotierenden Formgebungskörper 100 in Form eines Zylinders zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeuges 10 in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug gewickelt. Bei diesem Wickelvorgang sind Zylinderdurchmesser, Rotations- und Fortschrittsgeschwindigkeit auf die gewünschte Geometrie des gewünschten spiralförmigen Federelementhalbzeugs 10 abgestimmt. Vorzugsweise weist der Formgebungskörper 100 eine Oberfläche mit einer spiralförmig verlaufenden Rille mit im Wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt auf, um eine exakte Wicklung zu ermöglichen.
Um einen kontinuierlichen Fertigungsprozess zu erreichen, können mehrere Formgebungskörper 100, 102, 104 mit identisch ausgebildeter Oberfläche und gleicher oder unterschiedlicher Länge aneinander gefügt werden. Zu diesem Zweck weist jeder Formgebungskörper 100, 102, 104 ein erstes Ende 107 und ein zweites Ende 108 auf, wobei an den beiden Enden 107, 108 jeweils ein Anschluss 110 zu verdrehfesten Verbindung mit dem jeweils benachbarten Formgebungskörper 100, 102, 104 vorgesehen ist. Der Anschluss 110 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die benachbarten Formgebungskörper 100, 102, 104 formschlüssig beispielsweise mit einer Nut-Feder-Verbindung miteinander verbunden werden können, entweder während dem fortlaufenden Fertigungsprozess, d. h. bei rotierenden Formgebungskörpern 100, 102, 104 oder bei einer Unterbrechung des Wickelprozesses.
Um nach abgeschlossener Wicklung das geformte und ausgehärtete (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 leicht von dem Formgebungskörper 100 abnehmen zu können, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung vor der Aufwicklung des Federelementhalbzeugs 10 ein Folienband 116 auf die Oberfläche aufgewickelt. Später kann das Folienband 116 unter dem auf dem Formgebungskörper aufgewickelten Faserverbundwerkstoff-Federelement 200 herausgezogen werden, so dass ein gewisses Spiel oder Zwischenraum entsteht und das Faserverbundwerkstoff-Federelement 200 leichter von dem Formgebungskörper 100 abgenommen werden kann.
Alternativ zu einer rillenartig ausgebildeten Oberfläche kann der Formgebungskörper 100, 102, 104 auch als einfacher Rundzylinder ausgebildet sein. in diesem Fall kommt es während der Wicklung des Federelementhalbzeugs 10 zu einer leichten Abplattung des im Wesentlichen runden Seilquerschnitts. Eine solche Abplattung zu einer elliptischen Querschnittsform ist abhängig vom Verhältnis des Durchmessers des Rundzylinders zu dem Durchmesser des Seils sowie von der Zuglast mit der das Seil während des Wickelvorganges beansprucht wird. Da der Seildurchmesser klein gegenüber dem Durchmesser des Zylinders ist und das Seil nur gerade so stramm gewickelt werden muss, dass es nicht vom Zylinder abgleitet, ist die Formänderung zum elliptischen Querschnitt und damit die Querschnittsflächenänderung gering. Wie mit den aus der technischen Mechanik bekannten Bredt'schen Formeln nachgewiesen werden kann, wird somit auch die Torsionsfestigkeit des leicht abgeplatteten Querschnitts nur geringfügig verändert. Darüber hinaus sind weitere Varianten des Formgebungskörpers 100 denkbar, wobei dieser auch als verlorene Form eingesetzt werden kann.
Durch die Aufwicklung bekommt das Federelementhalbzeug eine spiralartige Form. Um das endgültige (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 zu erzeugen wird es anschließend in eine Aushärtungseinrichtung bzw. Wärmekammer 118 gefahren, in der der Matrixwerkstoff 78, vorzugsweise ein Reaktionsharz, aushärtet und dass Federelement 200 eine beständige Form erhält. Zur Aushärtung kann anstelle der Wärmekammer 118, insbesondere je nach verwendetem Harztypus, auch eine UV-Lichtkammer oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Das fortlaufend gewickelte und nun ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Federelement 200, jetzt auch als Spiralfeder zu bezeichnen, kann an der Stoßstelle zweier Formgebungskörper 100, 102, 104 mittels einer Trennvorrichtung 120 getrennt werden, so dass ein oder mehrere Formgebungskörper 100, 102, 104 zusammen mit dem darauf befindlichen (Faserverbundwerkstoff-)Federelement 200 aus der Fertigung entnommen werden kann. Nach Herausziehen des Folienbandes 116 erhält das Federelement 200 ein Spiel zur Oberfläche des Formgebungskörpers und kann von diesem abgewickelt bzw. abgestreift werden. Anschließend kann der Formgebungskörper dem Magazin 90 rückgeführt werden. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Fertigungsprozess ermöglicht.
Je nach Verwendungszweck des spiralförmigen Faserverbundwerkstoff-Federelementes 200 ist eine entsprechende Seilart auszuwählen. Für Zug-Druck-Federn kommen Seile 10 mit gegenläufiger, verwobener Wicklung bzw. gegenläufig geschichtet gewickelte Seile 10 in Betracht. Insbesondere ist darauf zu achten, dass eine sehr engmaschige Verwebung erfolgt, da es sonst durch die Druckkomponente aus den Normalspannungen der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 zu einem Auswickeln der entsprechend orientierten Fadenbündel 36, 37 und zu einer Zerstörung des Federelementhalbzeuges 10 führen kann. Für Federelementhalbzeuge 10 mit einseitig wirkender Belastung sind Seile 10 mit gleichgerichteter Wicklung der Fadenbündel 36, 37 geeignet. Besondere Aufmerksamkeit ist daher auf die Wickelrichtung der Fadenbündel 36, 37 während der Seilherstellung und der anschließenden Wicklung des Seils 10 um den Formgebungskörper 100 zu richten.
Die oben beschriebenen Verfahren werden vorzugsweise vollautomatisch durchgeführt, sind prinzipiell aber auch manuell ausführbar. Ferner können insbesondere Kleinserien mit Federelementhalbzeugen 10 großer Abmessung mit einer verlorenen Positivform, z. B. einem zylinderartigen Formgebungskörper mit halbkreisförmiger Rille aus Hartschaumkunststoff oder Formsand verwendet werden. Die verlorene Form kann zerstört werden, um die ausgehärtete Feder entnehmen zu können. Aufgrund der großen Härte der Faserwerkstoffe werden für das Werkzeug 40, insbesondere den Basiskörper 42, Werkstoffe aus gehärteten und polierten Stahllegierungen oder entsprechend geeigneten Keramiken eingesetzt.
Des Weiteren kann bei der Verwendung entsprechender Harztypen für den Matrixwerkstoff 78 das Seil 10 auch als „Prepreg” bereitgestellt werden und enthält das zur Aushärtung erforderliche Harz in einem gummielastischen, trockenen Zustand. Entsprechend behandelte Seile 10 können auf Rollen gelagert zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Somit sind keine aufwendigen Anlagen zur Tränkung erforderlich und die vorgefertigten Seile 10 können mit dem Formgebungskörper 100 in eine spiralförmige Form gebracht werden und anschließend in einer Wärmekammer 118 ausgehärtet werden.
Mit dem oben beschriebenen Wickelverfahren werden vorzugsweise spiralförmige bzw. zylindrische (Faserverbundwerkstoff-)Federelemente 200 bzw. Spiralfedern hergestellt. Alternativ können aber auch ebene Federelemente 200 oder Federelemente 200 mit rechteckigem Querschnitt und leicht gerundeten Eckradien geformt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geformten Federelementhalbzeuge 10 haben eine Dichte von größer gleich ca. 1,9 g/cm³. Bei Federelementhalbzeugen 10 größerer Abmessung kann die Dichte bis unter 1 g/cm³ betragen, da in diesem Fall als Werkstoff für den Feder-Kernkörper 20 leichte Kunststoffschäume zum Einsatz kommen können und diese den Großteil des Federvolumens ausmachen. Die die eigentliche Torsionsbelastung tragende Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 nimmt nur einen geringen Teil des Federgewichts ein. Das Gewicht einer Feder aus Faserverbundwerkstoff ist demnach wenigstens 60% geringer als das einer vergleichbaren Stahlfeder.
Bei der Wicklung des Federelementhalbzeugs 10 um den die Federform bildenden Federformkörper 100 bleibt die Orientierung der Fadenbündel 36, 37 im Seil erhalten. Im Idealfall ist die Steigung der schraubenförmigen Wicklung der Fadenbündel 36, 37 um etwa 45° zur Längsrichtung L des Feder-Kernkörpers 20 geneigt. Der vergleichsweise dünne ringförmige Querschnitt der Verstärkungsfaser-Umhüllung 30 nimmt die bei solchen Faserverbundwerkstoff-Federelementen 200 maßgebliche Torsionsbeanspruchung ideal auf. In Richtung des Faserverlaufs treten nur Normalspannungen auf, wodurch die richtungsorientierten Werkstoffeigenschaften ideal ausgenutzt werden können. Hier kommt der im Vergleich zum Werkstoff Stahl größere E-Modul des Faserwerkstoffs zum Tragen. Die nahezu vernachlässigbaren Querkräfte nimmt der Feder-Kernkörper 20 auf. Infolge der hohen dynamischen Wechselfestigkeit von Verbundwerkstoffen im Vergleich zu herkömmlichen Stahl weisen die erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff-Federelemente 200 eine erhöhte Lebensdauer auf. Zudem sind Faserverbundwerkstoff-Federelemente 200 aus faserverstärktem Kunststoff gegen eine Vielzahl korrosiver Medien beständig.
Bezugszeichenliste

10: Federelementhalbzeug
20: Feder-Kernkörper
30: Verstärkungsfaser-Umhüllung
32: Faden
36: Fadenbündel
37: Fadenbündel
38: Schicht
40: Werkzeug
42: Basiskörper
43: Bohrung
44: Förderkanal
45: Zuführbereich
46: Injektionsbereich
47: Kompressionsbereich
48: Abführbereich
50: Anschluss
52: Zuleitung
54: Ringkanal
56: Bohrung
58: Spritzgussvorrichtung
70: Rolle
72: Umlenkrolle
74: Spannvorrichtung
75: Spannvorrichtung
76: Tränkbecken
78: Matrixwerkstoff
80: Auffangbecken
82: Rückführleitung
90: Magazin
100: Formgebungskörper
102: Formgebungskörper
104: Formgebungskörper
107: erstes Ende
108: zweites Ende
110: Verbindung
116: Folienband
118: Wärmekammer
120: Trennvorrichtung
200: Faserverbundwerkstoff-Federelement
L: Längsrichtung
F: Förderrichtung
D_e: erster Durchmesser
D_k: zweiter Durchmesser
D_a: dritter Durchmesser
D_l: vierter Durchmesser

Claims

Verfahren zur Herstellung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10), mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines elastisch und reversibel komprimierbaren Feder-Kernkörpers (20) einer den Feder-Kernkörper (20) umgebenden, wenigstens ein Faser-Filament (32) aufweisenden Verstärkungsfaser-Umhüllung (30); b) Tränken von zumindest der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) mit einem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78), und dadurch Festlegen einer vorläufigen gegenseitigen Anordnung des Feder-Kernkörpers (20) und der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) und Ausbilden einer vorbestimmten Querschnittsform des Federelementhalbzeugs (10), wobei das Federelementhalbzeug (10) während des Tränkens und/oder nach dem Tränken komprimiert und hierbei elastisch und reversibel verformt wird, und wobei während des Komprimierens auch der Feder-Kernkörper (20) zusammengedrückt wird und so mittels des Feder-Kernkörpers (20) ein gegen die Innenseite der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) gerichteter Gegendruck erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kernkörper (20) an seiner Außenseite gegen ein Eindringen des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffes (78) abgedichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kernkörper (20) für den flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) impermeabel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) auch der Feder-Kernkörper (20) getränkt wird.
Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Tränken eine überschüssige Menge des Matrixwerkstoffes (78) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) umgebene Feder-Kernkörper (20) zum Tränken mit einer überschüssigen Menge des Matrixwerkstoffes (78) durch ein mit dem flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoff (78) gefülltes Tränkbecken (76) befördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Verstärkungsfaser-Umhüllung (30) umgebene Feder-Kernkörper (20) zum Tränken durch einen Förderkanal (44) befördert und der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) in den Förderkanal (44) injiziert wird.
Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelementhalbzeug (10) nach dem Tränken durch einen Förderkanal (44) transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Tränken etwaiger überschüssiger Matrixwerkstoff (78) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des überschüssigen Matrixwerkstoffs (78) über den Förderkanal (44) oder mittels des Förderkanals (44) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass entfernter überschüssiger flüssiger oder pastöser, aushärtbarer Matrixwerkstoff (78) gesammelt (78; 80) und zum Tränken wieder verwendet (78; 82) wird.
Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt c) der Matrixwerkstoff (78) zumindest teilweise ausgehärtet wird, so dass das Federelementhalbzeug (10) einen prepreg-artigen und weitgehend trockenen, biegeschlaffen, seilartigen Zustand besitzt.
Werkzeug zur Bearbeitung eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10) mit einem Förderkanal (44), durch den das Federelementhalbzeug (10) förderbar ist und der in Förderrichtung (F) einen Zuführbereich (45), einen Kompressionsbereich (47) und einen Abführbereich (48) aufweist, wobei sich der Förderkanal (44) in Förderrichtung (F) von einem Eingang des Zuführbereichs (45) zum Kompressionsbereich (47) hin verjüngt, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (D_e) des Eingangs des Zuführbereichs (45) größer oder gleich groß wie der Außen-Durchmesser des in den Förderkanal (44) geförderten Federelementhalbzeugs (10) ist, und wobei die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (D_K) des Kompressionsbereiches (47) kleiner als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der gewünschte zu formende Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs (10) ist.
Werkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zuführbereich (45) und Kompressionsbereich (47) ein Injektionsbereich (46) vorgesehen ist, und im Bereich des Injektionsbereiches (46) wenigstens eine Bohrung (56) in den Förderkanal (44) mündet, durch die dem Federelementhalbzeug (10) der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) zuführbar ist.
Werkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser (D_A) des Abführbereichs (48) im Wesentlichen gleich groß oder größer als die zu formende gewünschte Querschnittsfläche bzw. der zu formende gewünschte Außen-Durchmesser des Federelementhalbzeugs (10) ist.
Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Federelementes (200), wobei mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ein seilartiges Federelementhalbzeug (10) hergestellt wird und anschließend durch Wickeln des getränkten Federelementhalbzeugs (10) um einen Formgebungskörper (100) mit einer Oberfläche, die auf die endgültige geometrische Form des Federelementes (200) abgestimmt ist und/oder diese abbildet; und durch vollständiges Aushärten (118) des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffes (78) das seilartige Federelementhalbzeug (10) zu einem spiralförmigen Federelementhalbzeug (10) verarbeitet wird und durch Aushärten aus dem spiralförmige Federelementhalbzeug (10) das spiralförmige Federelement (200) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an den Formgebungskörper (100) ein weiterer Formgebungskörper (102, 104) mittels einer verdrehsicheren, vorzugsweise formschlüssigen, Verbindung (110) angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Formgebungskörper (102, 104) mit oder ohne Unterbrechung des Wickelvorganges angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige oder pastöse, aushärtbare Matrixwerkstoff (78) mittels Wärme (118) und/oder durch eine photochemische Reaktion, insbesondere mittels UV-Strahlung, ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) ein Band, vorzugsweise ein Folienband (116), vorbestimmter Dicke auf den Formgebungskörper (100, 102, 104) gewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete spiralförmige Federelement (200) auf eine vorbestimmte Länge abgelängt (120) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder-Kernkörper (20) nach dem vollständigen Aushärten des flüssigen oder pastösen, aushärtbaren Matrixwerkstoffes (78) aus dem spiralförmigen Federelement (200) entfernt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines spiralförmiges Federelements (200) mit einem hohlen, rohrartigen Faserverbundwerkstoff-Federelementkörper (30), umfassend ein Tränkbecken (76) zum Tränken eines seilartigen Federelementhalbzeugs (10), ein Werkzeug (40) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wenigstens einen Formgebungskörper (100) zur Umformung des seilartigen Federelementhalbzeugs (10) in ein spiralförmiges Federelementhalbzeug (10), wobei der Formgebungskörper (100) eine auf die geometrische Form des spiralförmigen Federelementhalbzeugs (200) abgestimmte oder diese Form abbildende Oberfläche (106) aufweist und an wenigstens einem Ende (108, 109) einen Anschluss zur Verbindung (110) mit einem weiteren Formgebungsköper (102, 104) aufweist, eine Aushärtungseinrichtung (118) zum Aushärten des spiralförmigen Federelementhalbzeugs zur Bildung des spiralförmigen Federelementes (200).
Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch wenigstens eine Spannvorrichtung (74, 75) zum Spannen des seilartigen Federelementhalbzeugs (10).
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch ein Auffangbecken (80) zum Sammeln von überschüssigem Matrixwerkstoff.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (82), die den überschüssigen Matrixwerkstoff (78) von dem Auffangbecken (80) zu dem Tränkbecken (76) rückführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, gekennzeichnet durch eine Trennvorrichtung (120) zum Ablängen des seilartigen, des spiralförmigen Federelementhalbzeugs (10) oder des spiralförmiges Federelements (200).