DE102011011577A1

DE102011011577A1 - Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisator

Info

Publication number: DE102011011577A1
Application number: DE201110011577
Authority: DE
Inventors: Frank Buschbeck; Dipl.-Ing. Nagel Günter; Dipl.-Ing.(FH) Reese Eckhard; Dipl.-Ing. Rupprecht Jochen; Dipl.-Ing. Steinert Hans-Rudolf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Ein Verfahren dient zur Herstellung einer Drehstabfeder (1) für ein Fahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt. Ein Bauteil mit im Wesentlichen rohrförmigem Querschnitt wird durch Umflechten und/oder Umwickeln eines Kerns mit Faserbündeln, welche Verstärkungsfasern und einen thermoplastischen Matrixwerkstoff aufweisen, hergestellt. Während und/oder nach dem Umflechten und/oder Umwickeln des Kerns erfolgt ein thermisches Aufschmelzen des Matrixmaterials, wonach das Bauteil zu der Drehstabfeder (1) fertiggestellt wird. Als Kerne können beispielsweise thermoplastische Schäume, über generative Verfahren hergestellte Kerne, Aluminiumrohre oder dergleichen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt.
Drehstäbe beziehungsweise Drehstabfedern oder Wankstabilisatoren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um Torsionsfedern, die die Wankbewegungen eines Fahrzeugs vermindern sollen oder die das Fahrzeug tragen und auf Fahrbahnunebenheiten durch Ein- und Ausfedern in ausreichendem Maße reagieren sowie Gewichtsverlagerungen in Längs- und/oder Querrichtung aufnnehmen. Diese Bauteile werden aufgrund der hohen Materialanforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit, insbesondere bei der Torsionsbelastung, aus einem hochfesten Federstahl gefertigt und typischerweise als Rohr- oder Vollmaterial ausgeführt. Insbesondere bei der Ausführung als Hohlstruktur (als rohrförmiges Bauteil) ist dabei die hohe Kerbempfindlichkeit des verwendeten hochbelastbaren Federstahls besonders kritisch und kann maßgeblich zu einem potentiellen Versagen des Bauteils beitragen. Außerdem führt die Verwendung eines metallischen Hohlprofils zu einer technisch schwierig umsetzbaren Korrosionsschutzbehandlung. Um diese dennoch zu gewährleisten, sind entsprechende Mehrkosten sowie eine Erhöhung der Taktzeit im Fertigungsprozess des Bauteils notwendig. Letztlich weisen derartige Drehstabfedern außerdem aufgrund der hohen auftretenden Kräfte und der notwendigen Federrate vergleichsweise große Bauteildurchmesser und damit hohe Gewichte auf, welche bei einer Bewegung des Fahrzeugs zu entsprechend hohem Energieverbrauch führen.
Ebenso sind aus dem allgemeinen Stand der Technik faserverstärkte Kunststoffe als Leichtbaumaterialien bekannt. Diese sind aufgrund der üblichen Ausbildung mit duroplastischen Matrixsystemen in eine Serienfertigung nur schwer und unter deutlicher Verlängerung der bisherigen Taktzeiten zu integrieren. Auch die belastungsgerechte Anordnung der Fasern stellt ein erhebliches Problem für eine Serienfertigung derartiger Bauteile dar. Letztlich stellt auch die Problematik der Nachbearbeitung beispielsweise durch ein Biegen oder ähnliche Fertigungsschritte ein großes Problem aufgrund der typischerweise eingesetzten duroplastischen Matrixmaterialien dar. Da die Aushärtung dann erst dann erfolgen kann, wenn das Bauteil seine endgültige Kontur erreicht hat, wird der Fertigungsaufwand hierdurch erheblich erhöht.
Aus der DE 102 011 582 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundblattfeder unter Ausnutzung eines Geflechtschlauchs und eines Formkerns bekannt. Insbesondere im Hinblick auf die Ausprägung der Geometrie weist diese offensichtlich eine sehr hohe Variabilität auf und erlaubt außerdem eine Reduzierung des Gewichts um bis zu 60 Prozent. Als faserverstärkter Kunststoff wird hierbei ein Glasfaserepoxidmaterial verwendet, welches sehr lange Aushärtzeiten aufweist und so, wie oben bereits bei der allgemeinen Ausführung zum faserverstärkten Kunststoff dargelegt, nicht für den Einsatz in einer Serienfertigung, insbesondere nicht in einer automobilen Serienfertigung, geeignet ist. Damit muss für den Aufbau von Verbundstoffblattfedern gemäß der DE 102 011 582 A1 von einer entsprechend kostenintensiven Einzelfertigung ausgegangen werden.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik beschreibt die EP 1 242 229 B1 ein Verfahren zum berührungslosen Biegen von Thermoplastrohren. Durch das lokale Einbringen von Strahlungsenergie, beispielsweise über einen Laser, wird das Rohr in einer lokal begrenzten Zone erwärmt beziehungsweise angeschmolzen, sodass geringe Umformungsgrade möglich sind. Die Problematik liegt darin, dass beim Herstellen eines Drehstabs beziehungsweise einer Drehstabfeder deutliche höhere Umformgrade benötigt werden, wie sie beispielsweise im Bereich von metallischen Rohren bekannt sind. Außerdem hat das lokale Aufschmelzen des Matrixmaterials eine Verschlechterung der Faserimprägnierung und damit eine Verschlechterung der Faserhaftung an der Matrix zur Folge, was zu undefinierten Spannungskerben oder Mikrorissen führen kann und somit ein derart umgeformtes Bauteil entsprechend schwächt.
Die DE 10 2007 003 596 A1 betrifft nochmals ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus dem Fahrzeugbereich unter Verwendung eines Faserverbundkunststoffs mit thermoplastischer Matrix. Hierzu werden Thermoplast-Prepregs, also mit thermoplastischem Matrixmaterial vorimprägnierte, flache Faserbündel beziehungsweise Rovings verwendet, die mittels aus der Textiltechnik gängigen Maßnahmen konfektioniert und anschließend in ein konkav ausgeformtes Werkzeug verpresst werden. Auch hierbei handelt es sich um ein diskontinuierliches Fertigungsverfahren, welches für eine Serienfertigung ungeeignet und dadurch entsprechend aufwändig und teuer ist.
Aus der DE 10 2008 010 228 A1 und der DE 10 2007 051 517 A1 ist außerdem die sogenannte Flechtpultrusion bekannt, mit der sich insbesondere biege- und torsionssteife Rohprofile herstellen lassen. Dabei wird ein schlauchförmiges Gewebe, in dem bereits ein thermoplastischer Matrixwerkstoff angeordnet ist, durch eine Pultrusionsanlage mit einem oder mehreren Flechtaugen gezogen, durch Wärmeeintrag konsolidiert und am Austritt aus dem Werkzeug entgratet und anschließend abgelängt. Dabei sind annähernd beliebig vorgegebene, jedoch für das jeweilige Werkzeug konstante Profilformen sowie Faserorientierungen realisierbar.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und ein für eine kontinuierliche Serienfertigung mit kurzen Taktzeiten geeignetes Verfahren bereitstellt, welches darüber hinaus eine leichte, stabile und funktionale Drehstabfeder oder eines entsprechenden Wankstabilisators ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass ein Bauteil mit im Wesentlichen rohrförmigem Querschnitt durch Umflechten und/oder Umwickeln eines Kerns mit Faserbündeln, welche mit einem thermoplastischen Matrixwerkstoff vorimprägniert sind oder als homogene Hybridrovings – vorzugsweise flach ausgebildet – sind, hergestellt wird. Während und/oder nach dem Umflechten und/oder Umwickeln erfolgt dabei ein thermisches Aufschmelzen des Matrixmaterials.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft also ein Basisbauteil für die Drehstabfeder oder den Wankstabilisator, welches in Form eines rohrförmigen Bauteils hergestellt wird, in dem ein Kern mit vorimprägnierten Faserbündeln beziehungsweise Rovings, welche mit einem thermoplastischen Matrixmaterial versehen sind, umwickelt und/oder umflochten wird. Beim Umwickeln und/oder Umflechten und/oder danach erfolgt ein thermisches Aufschmelzen dieses Matrixmaterials, sodass letztlich ein rohrförmiges Bauteil entsteht, welches dann zu der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator weiterverarbeitet werden kann. Durch den Einsatz geeigneter Fasertypen, Fasermengen und Richtungen der einzelnen Faserbündel, beispielsweise beim Flechten und/oder Umwickeln, lässt sich so eine individuell über die Länge des rohrförmigen Bauteils, insbesondere der späteren Drehstabfeder oder des Wankstabilisators, am jeweiligen Punkt geeignete Festigkeit realisieren, sodass eine ausreichend feste Drehstabfeder oder Wankstabilisator mit entsprechenden Dämpfungseigenschaften realisiert werden kann. Diese sind gegenüber Stahlfedern deutlich leichter und gegen Korrosion bei geeigneter Materialwahl des Matrixwerkstoffs nicht oder nur minimal anfällig. Beispielsweise können als thermoplastische Matrixwerkstoffe PA, PPA oder PEEK eingesetzt werden, welche neben einer ausgezeichneten Chemikalienbeständigkeit zusätzlich eine geringe Wasseraufnahme und eine hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen. Außerdem sind sie entsprechend temperaturstabil, sodass diese sowohl an der Hinterachse als auch an der Vorderachse, bei der die Drehstabfeder oder der Wankstabilisator durch den vergleichsweise warmen Bereich des Motorraums geleitet werden muss, eingesetzt werden können. Neben diesen Matrixwerkstoffen sind auch andere thermoplastische Matrixwerkstoffe denkbar, insbesondere solche mit einer hohen (≥ 125°C) Glasübergangstemperatur, da diese über nahezu den gesamten Temperaturbereich gleichbleibende Federkennliegen aufweisen. Diese Matrixwerkstoffe können mit verschiedenen Arten von Fasern kombiniert werden, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kevlarfasern oder insbesondere Kohlefasern sowie Kombinationen hiervon.
Erfindungsgemäß wird also zum Beispiel ein fein verteilter Hybridroving in einem herkömmlichen Flechtprozess mit weit vorstehendem inneren Flechtauge auf ein bereits vorgeformtes dreidimensional ausgeprägtes Alurohr als Flechtkern geflochten. Dabei bildet die Oberfläche des Kernes die spätere Innenkontur des fertigen Composite-Bauteils. Bei einem herkömmlichen Prozess wird nach dem Umflechten eines Kerns ein Konsolidierungsprozess nachgelagert, bei dem das Geflecht mittels in einem Spritzgießprozess eingeführten Kunststoff und nachfolgender Abkühlung verfestigt wird.
Erfindungsgemäß wird der umflochtene Drehstab oder Wankstabilisator in die offene Werkzeugform zunächst eingelegt, die Werkzeugform dann geschlossen, um darauffolgend einen Hochdruckstempel an die offenen Enden heranzufahren. Dann wird von innen in den Kern ein heißes Gas oder eine heiße Flüssigkeit eingeleitet, die gleichzeitig durch Aufschmelzen des Matrixmaterials den Hybridroving konsolidiert und durch den sehr hohen Druck von innen einen Prägeprozess erzeugt, bei dem das Composite-Material an die Formwand gepresst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber üblichen Verfahren die Vorteile, dass die Bauteile eine bessere Oberflächenqualität aufweisen und dadurch wesentlich geringere Kerbwirkung, außerdem stark verbesserte Maßhaltigkeit und Genauigkeit. Außerdem erreicht man durch das Nachpressen, dass eventuelle Schwindung ausgeglichen wird und Lufteinschlüsse sowie Poren minimiert werden, sodass eine homogenere Materialverteilung entsteht.
Der Aufbau einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators aus einem faserverstärkten Kunststoff – insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren – hat dabei die nachfolgenden Vorteile:

– Drastische Reduzierung des Bauteilsgewichtes
– Verbesserte Medien- und Chemikalienbeständigkeit vgl. mit Stahl
– Kein zusätzlicher Korrosionsschutz des Bauteils notwendig
– Verbessertes Dämpfungsverhalten des Werkstoffs, erhöht Fahrkomfort und Emissionsverhalten
– Reduzierte Fertigungszeiten, höhere Effizienz der Fertigung
– Geringere Herstellkosten
– Fasergerechte leichtbauende Lasteinleitung
– hohe Dauerschwingfestigkeit (insbesondere durch geringe Ondulation bei geflochtenen flachen Hybridrovings wird die Schwingfestigkeit erhöht)
– Einsetzbarkeit des Bauteils an Vorder- und Hinterachse
– Federcharakteristik durch Variation des Laminataufbaus in weiten Bereichen beeinflussbar
– Ideal torsionssteifes geschlossenes Hohlprofil bei gleichzeitiger Verwendung von Materialen mit höchster Leichtbaugüte
– Senkung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs pro gefahrenem Kilometer und Verkleinerung des Schadstoffausstoßes
– Senkung des Energieverbrauchs bei der Herstellung des Drehstabs aus faserverstärktem Kunststoff bezogen auf einen vergleichbaren Drehstabs aus Stahl
– Kleiner bauend (geringerer Hebelarm) durch höhere zulässige innere Spannung bei Faserverbundstrukturen

Beispielsweise kann der Kern durch Flechtpultrusion mittels wenigstens eines Flechtauges umflochten werden. Der Einsatz der Flechtpultrusion erlaubt es, unterschiedliche Ablagewinkel zwischen ±5° und ±80° zu realisieren, um so einen für den zu erwartenden Kraftverlauf ideal angepassten Faserverlauf zu realisieren. Bei Bedarf können ferner unidirektionale Fasern mit eingeflochten werden. Das Einbringen von unidirektionalen Fasern ermöglicht eine Verstärkung gezielt in der Richtung, in der unidirektionale Fasern eingelegt werden. Dieses auch als undirektionales Flechten oder UD-Flechten bezeichnete Verfahren ermöglicht eine weitere Steigerung der Festigkeit durch eine ideale Anpassung des Faserverlaufs an die zu erwartenden Kräfte beziehungsweise den zu erwartenden Kraftverlauf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Kern als struktureller oder als verlorener Kern verwendet wird. Je nach Einsatz und Ausbildung des Kerns kann dieser als verlorener Kern verwendet werden und wird dann nach dem Umwickeln oder Umflechten desselben aus diesem entfernt, beispielsweise ausgeschmolzen, mit geeigneten Lösungsmitteln ausgewaschen oder dergleichen. Alternativ dazu kann er auch in der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator verbleiben und dort beispielsweise stabilisierende oder dämpfende Eigenschaften umsetzen. Er trägt dann zur Charakteristik der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators bei.
Nachfolgend soll nun eine Auswahl verschiedener bevorzugter Kerne sowie ihre Möglichkeiten zur Verarbeitung und/oder Verwendung in der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator beschrieben werden:
So kann beispielsweise ein Blasformteil als Kern verwendet werden. Ein solches Blasformteil, welches beispielsweise aus PA, PPA, PPS oder PEEK bestehen kann, kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Das Material kann dann in eine geeignete Form eingebracht werden, in dem dieses über Heißluft aufgeblasen wird und sich an die Form anlegt. Damit sind sehr komplexe Formgebungen mit unterschiedlichen Biegungen, verschiedenen Durchmessern und derselben möglich. Der Kern wird dann umwickelt oder umflochten, wobei idealerweise der bereits endkonturnah geformte Kern durch einen in mehreren Achsen beweglichen Roboter, beispielsweise durch ein Flechtauge geführt und mit Hybridrovings umflochten wird. Eine Alternative hierzu wäre ein geschäumter Kern, insbesondere ein feinporig geschäumter Kern aus einem thermoplastischen Material. Auch ein solches Material lässt sich beispielsweise in einer Form schäumen, welche der Form zur Herstellung des Blasformteils ähnlich ist. Auch ein derartiger Kern kann insbesondere von einem Mehrachsenroboter durch geeignete Flechtaugen und/oder Wickelmaschinen geführt werden, um dann entsprechend umwickelt zu werden. Das Material des Kerns, in diesem Fall also der Schaum, kann dabei als struktureller Kern in der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator verbleiben und hat damit insbesondere Einfluss auf die Dämpfungseigenschaften der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators. Er kann als verlorener Kern jedoch auch ausgeschmolzen oder über geeignete Lösungsmittel ausgewaschen werden.
Daneben ist es auch möglich, den Kern, insbesondere aus PA oder PPA, über ein generatives Verfahren herzustellen. Als mögliche generative Verfahren kommen dabei Lasersintern, dreidimensionales Drucken oder die Stereolithographie in Frage. Mit allen Verfahren lassen sich Kerne aus Vollmaterial oder in Form von Hohlprofilen herstellen, welche dann ebenfalls als strukturelle oder verlorene Kerne für die Herstellung der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators mit geeigneten Faserbündeln, insbesondere mit Hybridrovings umflochten und/oder umwickelt werden.
Eine alternative Möglichkeit für den Kern besteht darin, ein Hohlprofil, vorzugsweise ein Rohr, aus einer Leichtmetalllegierung als Kern einzusetzen. Ein solcher Kern, beispielsweise ein dünnwandiges Aluminiumrohr, erlaubt beim Umflechten und/oder Umwickeln eine sehr gute Handhabbarkeit, da durch die vergleichsweise hohe Stabilität eines derartigen Kerns aus einer Leichtmetalllegierung vergleichsweise hohe Spannungen der Faserbündel möglich sind, was die gleichmäßige Ablage und die Kraftweiterleitung durch die Faserbündel in der gewünschten Art und Weise begünstigt. Durch die Verwendung einer Leichtmetalllegierung trägt das Hohlprofil dabei nur unwesentlich zum Gesamtgewicht der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators bei, sodass die über das faserverstärkte Kunststoffmaterial erzielbaren Vorteile im Wesentlichen bestehen bleiben. Das Hohlprofil kann dabei als gerades Hohlprofil beziehungsweise Rohr eingesetzt werden, welches dann nach dem Umflechten und/oder Umwickeln mit den Faserbündeln entsprechend abgelängt und gebogen wird, oder das Hohlprofil wird vor dem Umflechten und/oder Umwickeln mit den Faserbündeln bereits endkonturnah vorgeformt, beispielsweise gebogen und/oder durch eine Innenhochdruckumformung (IHU) in eine der Endkontur möglichst nahe kommende Kontur gebracht. Vergleichbar wie die oben beschriebenen Blasformteile oder Schaumkerne mit endkonturnaher Ausformung wird ein solcher Kern dann vorzugsweise mittels eines Mehrachsenroboters beim Umflechten und/oder Umwickeln geführt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Hohlprofil an zumindest einem seiner Enden nicht mit Faserbündeln umwickelt und/oder umflochten wird, wobei in diesem von Faserbündeln freien Bereich ein weiteres Bauteil zur Befestigung weiterer Bauteile an der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator angebracht wird. Ein solches Bauteil kann beispielsweise ein Aufnahmeelement sein, welches durch Kleben oder Schweißen angebracht wird, oder vorzugsweise kann es sich bei dem Bauteil um eine Buchse handeln, welche in das Hohlprofil eingepresst oder in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Hohlprofils vorgestanzte Öffnung eingepresst wird. Die Buchse kann dabei aus einem geeigneten Material zur Aufnahme der weiteren Bauteile, beispielsweise zur Lagerung der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators bzw. zur Krafteinleitung in die Drehstabfeder oder in den Wankstabilisator über ein Hebelelement, ausgebildet sein. Vorzugsweise wird für die Buchse die gleiche oder eine ähnliche Legierung wie für das Hohlprofil selbst verwendet, um im Falle des späteren Recyclings auf eine Materialtrennung verzichten zu können.
Der Kern aus Aluminium oder einer anderen Leichtmetalllegierung hat dabei zusätzlich de Vorteil, dass im Rahmen einer Nachkonsolidierung die auf den Kern aufgebrachten Materialien mit vergleichsweise hohem Druck auf dem Kern angepresst werden können, da der Kern in diesem Fall eine vergleichsweise hohe Eigenstabilität aufweist. Dies ermöglicht es, durch den vergleichsweise hohen Druck im aufgeschmolzenen Matrixmaterial, die Bildung von Hohlräumen zu vermeiden oder zumindest stark zu reduzieren und so einen hochkompakten und festen Faserverbundkunststoff auf dem Kern zu schaffen.
Der Kern kann dabei zusätzlich durch die Beaufschlagung mit einem Innendruck stabilisiert werden. Falls der Kern bereits durch Innenhochdruckumformen in seine endkonturnahe Form gebracht worden ist, können hierfür insbesondere dieselben Anschlüsse zur Beaufschlagung mit einem Druck im Inneren des Kerns verwendet werden, sodass hierdurch kein zusätzlicher Aufwand entsteht.
Prinzipiell ist auch eine Nachkonsolidierung des Bauteils beispielsweise in einem Spritzgusswerkzeug und/oder durch Innenhochdruckumformen möglich. Insbesondere im Rahmen einer Nachkonsolidierung in einem Spritzgusswerkzeug können auch weitere Funktionselemente wie beispielsweise Lageraugen, Aufnahmen oder ähnliche Befestigungselemente an dem endkonturnahgebogenen Halbzeug angebracht werden. Beispielsweise kann durch ein Zweikomponentenspritzgussverfahren die erforderliche Lagerung der Drehstabfeder oder des Wankstabilisators während der Nachkonsolidierung des Bauteils angebracht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren verschiedene mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators aus einem faserverstärkten Kunststoff aufzeigt. Die Beschreibung der möglichen Herstellungsverfahren bezieht sich dabei auf die Figuren, welche prinzipmäßig schematisiert Verfahrensabläufe und Aufbauten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
Dabei zeigen im Einzelnen:
1 eine dreidimensionale Ansicht einer Drehstabfeder gemäß der Erfindung;
2 verschiedene Faserbündel;
3 eine Vorrichtungsanordnung zur Herstellung eines Rohrs durch Flechtpultrusion;
4 eine Anordnung zum Umwickeln eines Kerns mit Faserbündeln;
5 Vorrichtung und Ablauf beim Biegen des rohrförmigen Halbzeugs;
6 einen Kern aus einem Aluminiumhohlprofil;
7 Formen zur Herstellung eines Blasformteils als Kern;
8 Ansicht eines möglichen Kerns, welcher als Blasformteil, Schaumkern, generativ hergestellter Kern oder dergleichen ausgebildet ist;
9 Vorrichtung zum Umflechten eines Kerns mit Flechtauge und Mehrachsenroboter;
10 eine erste Möglichkeit zur Einbringung einer Buchse in einen Endabschnitt der Drehstabfeder;
11 eine zweite Möglichkeit zur Einbringung einer Buchse in einen Endabschnitt der Drehstabfeder; und
12 eine Möglichkeit zur Verformung des Geflechts beim Einbringen einer Buchse, insbesondere gemäß 11.
In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft eine fertige Drehstabfeder 1 in einer dreidimensionalen Darstellung zu erkennen. Die Drehstabfeder 1 beziehungsweise der Drehstab weist dabei zwei Lager 2 auf, welche insbesondere durch einen Zwei-Komponenten-Spritzgussprozess an die Drehstabfeder 1 angebracht worden sind. An den beiden Enden weist die Drehstabfeder 1 außerdem Aufnahmeelemente 3 auf. Diese Aufnahmeelemente 3 können über weitere Buchsen, Aufnahmeöffnungen oder dergleichen verfügen und dienen zusammen mit den Lagern 2 zur Befestigung der Drehstabfeder 1 an dem Fahrzeug beziehungsweise an den notwendigen Funktionselementen und Hebeln.
Der Drehstab 1 mit besteht überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff (FVK). Dabei bieten thermoplastische Matrixwerkstoffe, insbesondere PA, PPA und PEEK, ein breites Anwendungsspektrum, da sie sich neben ihrer sehr geringen Wasseraufnahme, der ausgezeichneten Chemikalienbeständigkeit und der hohen Kerbschlagzähigkeit vor allem durch ihre hohe Temperaturstabilität, mit Hinblick auf die thermischen Anforderungen an einen Kunststoff im Motorraum eines Fahrzeugs, auszeichnen. Als Verstärkungsfaser kann Glas, Aramid und insbesondere Kohlefaser sowie Kombinationen aus diesen eingesetzt werden. Um eine gute Faserimprägnierung sowie eine ausgezeichnete Fasermatrixhaftung zu erreichen, werden zur Herstellung des FVK-Ausgangshalbzeugs insbesondere die in 2 dargestellten Hybridgarne (a), Prepregbändchen (b) Tow-Pregs (c) oder d) (nicht dargestellte, vorzugsweise flache) Hybridrovings aus Verstärkungs- und Matrixfasern verwendet. In der Darstellung der 2 sind dabei die Verstärkungsfasern in dunkel dargestellt, während das Matrixmaterial hell dargestellt ist Deren Anwendung führt im weiteren Prozess zu einer verbesserten Konsolidierung des Halbzeugs und verhindert die Bildung von Fehlstellen, wie Lufteinschlüssen (Poren, Lunker).
Die Fertigung des rohrförmigen Ausgangshalbzeugs für den Drehstab 1 erfolgt gemäß einer ersten möglichen Variante kontinuierlich nach dem Prinzip der Flechtpultrusion. Eine geeignete Anlage zur Flechtpultrusion ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Ausgehend von einem Spulengatter 4, welches in diesem Fall mit unidirektionalen Hybridrovings belegt ist, folgen drei hintereinander geschaltete Flechtaugen beziehungsweise Flechträder 5, gefolgt von einer Vorheizung 6 und einem beheizten Formwerkzeug 7. Die durch die Vorheizung 6 erwärmten vorimprägnierten Faserbündel erreichen spätestens im beheizten Formwerkzeug eine Temperatur, bei welcher das Matrixmaterial entsprechend aufschmilzt und so einen festen Verbund aus dem Matrixmaterial und den Faserbündeln bildet. in einer anschließenden Kühlung 8 verfestigt sich das Rohrhalbzeug dann, ehe es nachfolgend mittels eines Raupenabzugs 9 abgezogen wird. Die Zuführung des Faser-Matrixmaterials erfolgt vollautomatisiert. Es wird mit mehreren in einer Reihe stehenden Flechträdern 5 gearbeitet, wobei die Anzahl der verwendeten Flechtpultrusionsanlagen bzw. der Anlagenaufbau (Anzahl Flechträder, Anzahl Pultrusionsanlagen) durch die erreichbare Wandstärke pro Gesamtanlage bestimmt wird. Diese Anordnung ermöglicht die Ablage mehrerer Geflechtschichten übereinander auf einem Formkern, aus Metall, insbesondere bei sehr dicken Geflechten und dementsprechend hohen Fadenspannungen, oder Kunststoff bei dünneren Geflechtaufbauten, was insbesondere bei hohen Wandstärken s (> 5mm) und einer entsprechenden Anzahl von Lagen vorteilhaft ist um die Formstabilität des Geflechtschlauchs zu sichern. Beim Flechten sind Verstärkungswinkel von etwa ±5° bis ±80° möglich, für eine Verstärkung in 0°-Richtung, die insbesondere bei Biegebelastung von Vorteil ist, können am Flechtrad 5 zusätzliche Stehfäden zugeführt werden. Diese laufen gestreckt in das Geflecht ein und weisen dadurch quasi keine Ondulation auf. Man spricht vom sogenannten unidirektionalem Flechten oder UD-Flechten. Im Anschluss an jeden Flechtprozess wird der Geflechtschlauch mit Hilfe der Vorheizung 6, insbesondere eines IR-Strahlers, (Vorwärmzone) erwärmt werden, was den Einzug in die Pultrusionanlage erleichtert, da die Matrix bereits anschmilzt und erste Anhaftungen zwischen Matrix und Verstärkungsfaser auftreten, was wiederum den Geflechtschlauch stabilisiert und ein Verrutschen bzw. Aufstauchen des Geflechts vor dem beheizten Formwerkzeug, dem der Pultrusionmatrize, verhindern hilft. Nach der Durchführung durch das Pultrusionswerkzeug wird das entstandene Hohlprofil durch eine Schneidvorrichtung entsprechend der gewünschten Länge abgetrennt und beispielsweise durch einen Industrieroboter an die Weiterverarbeitung übergeben.
Alternativ oder ergänzend zum oben beschriebenen Verfahren in einer ersten Variante, bei der das Ausgangshalbzeug durch die Flechtpultrusion erzeugt wird, kann das Profilhalbzeug oder zumindest eine Lage hiervon auch durch laserunterstütztes Thermoplastwickeln hergestellt werden. Ein entsprechender Aufbau ist prinzipmäßig in 4 dargestellt. Von einer Garnspule 10 läuft ein Faserbündel über einen Fadenspanner 11 und geeignete Führungen durch eine Vorwärmzone 12, in welcher mittels Infrarot, Ultraschall und/oder Mikrowellen eine Vorwärmung des Matrixmaterials stattfindet. Über ein Fadenauge 13 und eine Andruckrolle 14 gelangt das Faserbündel dann in den Bereich des späteren Bauteils. Bei diesem Verfahren werden bevorzugt Prepregbändchen benutzt, da eine höhere Ablegeleistung erreicht wird. Das von der Garnspule 11 zugeführte Bändchen wird auf einen Wickelkern 15 aufgewickelt. Beim Auftreffen des Materials auf die Profilform schmilzt ein Laser 16 durch konzentrierte Wärmeeinbringung am Ort des Auftreffens das Matrixmaterial auf. Dadurch wird der Faserstrang optimal in die Matrix eingebettet. Die Konsolidierung der abgelegten Bändchen erfolgt mittels einer oder mehrerer versetzt angeordneter Andruckrollen 14. Zur Realisierung hoher Ablegeleistungen werden außerdem mehrere Wickelköpfe verwendet, was Produktionsgeschwindigkeiten der FVK-Rohre von bis zu 7 m/min ermöglicht. Mittels des Thermoplastwickelns lassen sich variable Faserwinkelkombinationen sowie variable Wandstärken darstellen. Damit wird bei konstant bleibendem inneren Rohrquerschnitt die Möglichkeit geschaffen, eine variable Wandstärke über den Verlauf des Bauteils zu realisieren und somit eine belastungsgerechte Bauteilstruktur geschaffen. Zur Verbesserung des Umformverhaltens, insbesondere für das CNC-Biegen, muss neben einem Faserverbundsystem mit optimaler Faser-Matrix-Haftung auch der Lagenaufbau besonders im Bereich von Biegestellen variiert werden, damit trotz relativ geringer Faserdehnfähigkeiten hohe Umformgrade erreicht werden können. Durch die Verringerung der Fadenspannung beim Flechten im Bereich der Biegestellen können außerdem kleinere Biegeradien und größere Biegewinkel ermöglicht werden. Eine Trennvorrichtung schneidet die gewickelten Halbzeuge anschließend auf die gewünschte Länge.
Wie bereits erwähnt, können die gemäß der Darstellung in 3 geflochtenen und/oder gemäß der Darstellung in 4 gewickelten Schichten der Faserbündel dabei auf einen Kern aus Metall oder Kunststoff aufgebracht werden. Bevorzugt soll als Kern dabei ein Hohlprofil aus einer Leichtmetalllegierung; insbesondere ein dünnwandiges Aluminiumrohr dienen. Ein solches dünnwandiges Aluminiumrohr erlaubt es einen stabilen Aufbau aus faserverstärktem Kunststoff mit großer Schichtstärke und vergleichsweise hoher Fadenspannung zu realisieren und ermöglicht auch weiterhin ein vergleichsweise geringes Gewicht des Ausgangshalbzeugs und damit der Drehstabfeder 1 nach ihrer Fertigstellung. Das Hohlprofil beziehungsweise Rohr aus der Aluminiumlegierung kann dabei bevorzugt als Strangpressprofil hergestellt werden. Dieses Strangpressprofil wird anschließend mit einem Haftvermittler beziehungsweise Primer beschichtet, welcher einerseits die Anhaftung des thermoplastischen Matrixmaterials an dem Kern verbessert, und welcher andererseits eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Materialien mit unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen schafft.
Das rohrförmige Ausgangshalbzeug mit oder ohne die vorzugsweise Ausgestaltung mit dem Aluminiumrohr als Kern, welches in diesem Verfahren in sehr großen Längen hergestellt werden kann, wird dann, wie oben bereits erwähnt, über eine Trennvorrichtung auf die gewünschte Länge gebracht. Es wird dann einer CNC-Dornbiegeanlage zugeführt und hier endkonturnah gebogen. Zum Biegen wird das Halbzeug im Bereich der Biegestelle unter einem Infrarotstrahler (Heizstrecke) auf die Umformtemperatur des thermoplastischen Matrixwerkstoffes, die unterhalb der Schmelztemperatur und oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, im Fall von PA bei etwa 145°C, erwärmt. Dabei ist zu beachten, dass das Halbzeug im Bereich der Einspannung ins Biegewerkzeug möglichst kalt gehalten wird, um ein Ausscheren aus der Werkzeugaufnahme sowie eine Querschnittsverformung zu verhindern. Im Falle eines Aluminiumkerns, welcher in der Darstellung der 5 nicht dargestellt ist, reicht es dabei aus, dass den Aluminiumkern ummantelnde faserverstärkte Kunststoffmaterial anzuwärmen, da der Aluminiumkern selbst bei den typischerweise notwendigen Biegewinkeln auch ohne Anwärmung plastisch verformbar ist. In der Darstellung der 5 ist dieser Ablauf in drei Schritten prinzipmäßig dargestellt. In 5(a) ist das Halbzeug zu erkennen, welches gezielt durch zwei Infrarotstrahler 17 an den späteren Biegestellen 18 beheizt wird. Die dazwischenliegenden Bereiche und die rechts und links davon liegenden Einspannbereiche bleiben entsprechend kalt. In 5(b) ist gezeigt, dass ein Biegedorn 19, insbesondere ein gekühlter Biegedorn 19, in das vorgewärmte Hohlprofil eingebracht wird. Im Bereich der Biegestelle 18 wird mit Hilfe variotherm beheizter Biegebacken 20 sowie dem temperierten Biegedorn 19, der möglichst feingliedrig ausgeführt ist um Wulstbildung und damit Spannungskerben zu verhindern, konzentriert Wärme in die Umformzone eingebracht und die Biegestelle 18 umgeformt. Die Spannbacken eines Biegekopfs 21 fassen dabei das Halbzeug in einem kalten Bereich, welches zusätzlich über ein Füllstück 22 aufgefüllt wird, um ein Verformen zu vermeiden. Der abgeschlossene Biegevorgang ist in 5(c) dargestellt. Die in dieser Figur zu erkennende variotherme Kühlung/Heizung 23 des Biegebackens 20 ermöglicht ein Abkühlen der Biegezone nach dem Biegevorgang, sodass eine Rückfederung des Materials (Shape-Memory-Effekt) vermieden bzw. verringert wird, da in Folge der Abkühlung des Halbzeugs ein nicht verformungsfähiger Werkstoffzustand erreicht wird. Je besser es hierbei gelingt das Biegewerkzeug zu kühlen, umso schneller kann dem Halbzeug thermische Energie entzogen werden, was wiederum die Taktzeiten deutlich reduziert.
Alternativ zur Herstellung eines Halbzeugs in gerader Form, welches anschließend in seine endgültige Kontur gebogen wird, ist es selbstverständlich auch möglich, einen Kern zu verwenden, welcher bereits endkonturnah ausgeformt ist, sodass nach dem Umflechten und/oder Umwickeln dieses endkonturnahen Kerns die annähernd fertiggestellte Drehstabfeder 1 erhältlich ist.
In der Darstellung der 6 ist eine dreidimensionale Ansicht eines endkonturnah geformten Kerns 24 dargestellt. Der in 6 dargestellte endkonturnahe Kern 24 soll dabei aus einem Aluminiumrohr bestehen, welches durch Strangpressen und Ablängen hergestellt ist. Dieses Aluminiumrohr wird dann in eine endkonturnahe Form gebogen und kann dabei im Bereich seiner Enden 25 bereits so umgeformt werden, dass hier Aufnahmeelemente in der Art der zuvor beschriebenen Aufnahmeelemente 3 bereits mit in den Kern integriert ausgeführt sind. Neben dem reinen Biegen des endkonturnah geformten Kerns 24 kann dabei ein Innenhochdruckumformen mit eingesetzt werden, bei dem durch die Beaufschlagung mit einem unter Druck stehenden Medium im Inneren des verschlossenen Aluminiumrohrs eine geeignete Formgebung, beispielsweise durch Aufweitung oder Ähnlichem, mit erfolgen kann. Der endkonturnah geformte Kern 24 aus der Aluminiumlegierung wird anschließend gereinigt und idealerweise im selben Arbeitsgang mit einem Haftvermittler beziehungsweise Primer beschichtet, um ideale Haftungsbedingungen für das spätere Umwickeln und/oder Umflechten mit dem Fasermaterial zu gewährleisten.
In der Darstellung der 7 ist alternativ dazu eine prinzipmäßig angedeutete zweiteilige Form 26 zu erkennen, welche im Wesentlichen der späteren Form eines endkonturnahen Kerns für die Drehstabfeder 1 entspricht. In einer derartigen Form kann nun beispielsweise der in 8 dargestellte endkonturnah ausgeformte Kern 24' hergestellt werden. Beispielsweise kann die Form mit einem feinporigen thermoplastischen Schaum ausgeschäumt werden, sodass ein Schaumkern entsteht, welcher als Basis für das Umflechten und/oder Umwickeln mit dem Fasermaterial geeignet ist. Alternativ dazu ist es auch denkbar, in die in 7 beispielhaft dargestellte Form 26 ein ein- oder mehrschichtiges Kunststoffmaterial beispielsweise aus PA, PPA, PPS, PEEK einzubringen und dieses in einem nächsten Verfahrensschritt mit Heißluft aufzublasen. Es entsteht dann ein Blasformteil, welches entsprechend der inneren Kontur der in 7 dargestellten Formenteile ausgebildet ist. Ein solches Blasformteil kann ebenfalls als Kern 24' zum Umwickeln und/oder Umflechten mit dem Fasermaterial eingesetzt werden.
Alternativ dazu wäre es auch denkbar, den in 8 dargestellten Kern 24' aus gebundenem Formsand oder aus schmelzfähigen Harzen in einer Form analog der in 7 dargestellten Form 26 aufzubauen.
Neben diesen Verfahren zur Herstellung eines Kerns über eine vergleichsweise teure Form 26, wie sie in 7 dargestellt ist, wäre es prinzipiell auch denkbar, den Kern 24' gemäß 8 über generative Verfahren herzustellen. Der Kern 24' könnte dann entweder als Bauteil aus Vollmaterial oder als Hohlprofil beispielsweise über 3D-Druckverfahren, Lasersintern oder Stereolithographie hergestellt werden.
Eine weitere Alternative besteht selbstverständlich auch darin, einen massiven Kunststoffkern oder einen hohlen Kunststoffkern durch Spritzgussverfahren in einer geeigneten Form, vergleichbar der in 7 dargestellten Form 26, herzustellen.
All dieser Kerne 24, 24' haben dabei den entscheidenden Vorteil, dass diese endkonturnah vorgeformt sind, sodass nach dem Umwickeln und/oder Umflechten mit dem faserverstärkten Material bereits annähernd das endgültige Bauteil der Drehstabfeder 1 vorliegt. Das Umflechten und/oder Umwickeln eines derart endkonturnah vorgeformten Kerns 24, 24' erfolgt dabei in idealer Weise so, wie dies in der Darstellung der 9 zu erkennen ist. Der dort dargestellte Aufbau zeigt ein Flechtrad oder Flechtauge 27, durch welches der Kern 24, 24' mittels eines Mehrachsenroboters 28 in der für das Umflechten idealen Art und Weise geführt wird. Dabei können in der oben beschriebenen Art und Weise mehrere Schichten des faserstoffverstärkten Kunststoffmaterials aufgeflochten werden. Ebenso ist es denkbar, alle oder einzelne Schichten durch Umwickeln in einem Aufbau analog dem, wie er in 4 dargestellt ist, zu realisieren. Auch hier erfordert die komplexe Form des endkonturnah vorgeformten Kerns 24, 24' die Möglichkeit entweder den Kern 24, 24' oder den Wickelkopf in mehreren Achsen, idealerweise durch einen Industrieroboter, zu führen.
Bei dem Verfahren, welches einen endkonturnahen Kern 24 beziehungsweise 24' verwendet, aber auch bei dem zuvor beschriebenen Verfahren, bei dem ein vorgefertigtes Rohr anschließend in die endkonturnahe Form gebogen wird, folgt nun optional die Übergabe an eine Spritzgussanlage. Hier werden bei Bedarf metallische Anbauteile/Einleger zur Lasteinleitung in das Bauteil eingebracht. Metallische Einleger bieten den Vorteil einer definierten Lasteinleitung, wohingegen das Faserverbundhalbzeug die Aufgabe der Lastfernübertragung übernimmt. Anschließend wird das Spritgusswerkzeug geschlossen, das gebogene Rohr im Endbereich bei Bedarf an die entsprechende Kontur des Lasteinleitungselementes (LEE) angeformt (ggf. Hinterschnitte ausgebildet) und mit einem Kunststoff, insbesondere PPA, umspritzt. Gegebenenfalls kann hier auch das 2K-Spritzgussverfahren (kompatible Thermoplaste) angewendet werden um die Verbundhaftung zu verbessern. Um ein kollabieren des Bauteils zu verhindern, arbeitet man bevorzugt mit einem Innenstützdruck, welcher durch ein (vorzugsweise heißes) Gas erzeugt wird. Hierzu bedarf es zweier Anschlussöffnungen im Bauteil, die beispielsweise über die LEE realisiert werden können. Nach Beendigung des Spritzgießprozesses kann der fertige Drehstab 1 aus dem Werkzeug entnommen werden und die Gaseinleitungslöcher z. B. über zu verklebende Kunststoffstopfen abgedichtet werden.
Das Umspritzen des Bauteils nach erfolgter Formgebung und Konsolidierung, dient je nach Herstellungsvariante der Funktionsintegration, der Nachkonsolidierung des Bauteils sowie dem Schutz der LEE gegen korrosive Medien, wie Streusalz u. a. im Betriebsfall. Außerdem könne beispielsweise Kabelführungen angespritzt werden. Durch die Verwendung des 2K-Spritzgussverfahrens könnte zusätzlich ein „Gummieinleger”, d. h. ein spritzbares Elastomer im Bereich der Lagerstellen inklusive im Werkzeug eingelegter Anbindungselemente (Schellen) des Drehstabs 1 direkt ins Bauteil integriert werden.
Bei der Betrachtung der Kraftübertragung auf und in Faserverbundstrukturen unterscheidet man typischerweise zwischen Lasteinleitung und Lastfernübertragung. Für die Fernübertragung ist maßgeblich die Rohrstruktur verantwortlich, während die Lasteinleitung ins Bauteil durch sogenannte Lasteinleitungselemente (LEE) (z. B. Bolzen-, Niet-, Kleb-, Pressverbindungen) bewerkstelligt wird. Die Ursache hierfür liegt in der geringeren Belastbarkeit von Faserverbundkunststoffen hinsichtlich Scherung und der oft nicht möglichen faserverbundgerechten Auslegung (Faseraufbau, Faseranordnung) im Bereich der Lasteinleitungstelle, wodurch es zu Lochleibung u. a. versagenskritischen Schädigungen kommen kann. Aus diesem Grund sowie der besseren Berechenbarkeit/Auslegung und außerdem der nicht vorhandenen Kriechneigung unter Last, werden LEE metallisch ausgeführt. Hierbei ist jedoch besonders darauf zu achten, dass es aufgrund des Potentialunterschiedes der verwendeten Werkstoffe nicht zu elektrochemischer Korrosion kommen kann. Deshalb werden die metallischen LEE mit einer Primer/Klebstoffschicht versehen, bevor Sie mit dem Faserverbund in Kontakt geraten. Der Primer hat zum einen die Aufgabe des Korrosionsschutzes zum anderen verbessert er die Verbundhaftung zwischen thermoplastischer Matrix und Metall.
Im Folgenden werden einige Varianten der Integration von Lasteinleitungselementen in Faserverbundstrukturen beschrieben.
In 10 ist das Einbringen einer selbststanzenden Buchse 29 in den umgeformten, insbesondere zusammengepressten, Endquerschnitt 25 des Faserverbundrohrs dargestellt. Es wird kein Einleger verwendet. Das Einbringen der Buchse erfolgt faserschonend. Zur Vergrößerung der Anpressfläche der Bolzenverbindung werden Unterlegscheiben 20 verwendet. Diese besitzen abgerundete Kanten, um die Kerbwirkung durch die Auflage der Scheiben auf dem Faserverbundbauteil zu minimieren. Ein Verbindungsbolzen 31 kann dann beispielsweise über eine Mutter 32 entsprechend verschraubt und mit dem Endquerschnitt 28 des Faserverbundrohrs verbunden werden.
Als Erweiterung zu dieser Variante wird vor dem Zusammenpressen des Endquerschnittes 25 des Drehstabs 1 je ein Einleger 33 in Form einer Metallplatte, insbesondere aus rostfreier Stahl, Titan oder Aluminium, in den Rohrquerschnitt eingebracht und danach unter Einwirkung von Wärme mit dem Faserverbundbauteil verpresst, wie in 11 zu erkennen. Zur radialen Stützung des Pressverbandes werden die Drehstabenden nochmals umwickelt. Im genau platzierten Einleger 33 befindet sich ein Loch für die Aufnahme einer Buchse 34. Mittels eines Dorns 35 wird die Aufnahme für die Buchse im Endquerschnitt 25 faserschonend vorgelocht, d. h. der Dorn ist so konzipiert, dass die Fasern nicht durchdrungen, sondern nur verdrängt werden. Dies ist durch die in 12 dargestellten Draufsichten, einmal vor dem Eindringen des Dorns 35 und einmal nach dem Eindringen des Dorns 35 analog zu den Schnittdarstellungen der 11 zu erkennen. Durch die Ausbildung der Fasern als Geflecht wird dies zusätzlich begünstigt, wie in 12 zu erkennen. Der Dorn 35 kann dabei beheizt ausgebildet sein, wie dies in 12 durch die angedeuteten Heizkanäle 36 dargestellt ist.
Alternativ dazu kann das vorgeformte Ende 25 des Drehstabs 1 auch in ein kombiniertes Stanz/Presswerkzeug eingelegt werden. Zunächst erfolgt das Einbringen des Einlegers 33 von der Frontseite des Drehstabs 1. Dabei wird das mit einem Primer beschichtete LEE unter Temperatur- und Druckeinwirkung mit dem Faserverbund formschlüssig verpresst. Danach wird das Stanzwerkzeug geschlossen und durchstanzt den Endquerschnitt 25 und den Einleger 33 gleichzeitig. Im letzten Schritt wird von beiden Seiten des Drehstabs 1 eine zweiteilige Buchse eingesetzt und verpresst. Alternativ zum Stanzprozess kann das Heraustrennen des Buchsenloches über einen Schneidlaser erfolgen, dessen Vorteil eine sauberere Schneidkante bei gleichzeitig geringerer Faserschädigung ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Einleger 33 bereits bei der Herstellung des vorgeformten Kerns 24' mit zu integrieren und dann entsprechend den soeben beschriebenen Varianten weiter vorzugehen.
Eine weitere Möglichkeit bei der Verwendung des vorgeformten Kerns 24 aus Aluminium besteht auch darin, im Bereich der Enden 25 des Aluminiumkerns diese entsprechend flach auszuformen, quer zur Achse des ursprünglichen Rohrs zu durchstanzen und mit einer eingepressten Buchse beispielsweise aus einem hierfür geeigneten Lagermaterial oder, um die Recycelbarkeit zu erhöhen, ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung so zu verbinden, dass hierdurch eine geeignete Aufnahme entsteht. Dies kann insbesondere so erfolgen, dass im Bereich dieser Enden 25 des vorgeformten Aluminiumkerns 24 kein Umflechten oder Umwickeln mit den Fasern entsteht, sodass beim Einpressen der Buchse und durch Stanzen des Bauteils keine Rücksicht auf die Fasern genommen werden muss. Ergänzend oder alternativ hierzu ist es selbstverständlich auch denkbar, hier die Fasern analog zur Beschreibung in 12 entsprechend zu verdrängen und so faserschonend die Buchse in den Faserverbundwerkstoff und in den tragenden Aluminiumkern 24 einzupressen.
Nach der Konsolidierung des Bauteils kann der Kern beispielsweise in Form eines Schaumkerns oder eines in der Art eines Hohlprofils ausgebildeten Kerns problemlos in dem Bauteil verbleiben. Ein Schaumkern ist entsprechend leicht und trägt zur Dämpfung der Drehstabfeder 1 bei. Alternativ dazu wäre es auch möglich, den Kern auszuschmelzen oder auszuwaschen, insbesondere bei geeigneten Kunststoffschäumen wie expandiertem Polystyrol, welches durch geeignete Lösungsmittel wie Toluol, Isopropanol oder Essigsäureethylester ausgewaschen werden kann. Schmelzfähige Harze oder gebundener Formsand lässt sich ebenfalls durch geeignete Lösungsmittel und/oder den Eintrag von Wärme und/oder Vibrationen aus dem inneren der Drehstabfeder 1 entfernen.
Die vorstehenden Beispiele bzgl. der Herstellung einer Drehstabfeder sind in analoger Weise für die Herstellung eines Wankstabilisators zu verstehen.
Erfindungsgemäß hergestellte Drehstabfedern oder Wankstabilisatoren sind für Fahrzeuge aller Art geeignet, insbesondere für Personen- und Lastkraftwagen sowie Schienenfahrzeuge und Anhänger dieser Fahrzeuge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011582 A1 [0004, 0004]
EP 1242229 B1 [0005]
DE 102007003596 A1 [0006]
DE 102008010228 A1 [0007]
DE 102007051517 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil mit im Wesentlichen rohrförmigem Querschnitt hergestellt wird durch Umflechten und/oder Umwickeln eines Kerns mit Faserbündeln, welche Verstärkungsfasern und einen thermoplastischen Matrixwerkstoff aufweisen, wobei während und/oder nach dem Umflechten und/oder Umwickeln des Kerns ein thermisches Aufschmelzen des Matrixmaterials erfolgt, und wonach das Bauteil zu der Drehstabfeder oder dem Wankstabilisator fertiggestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern als struktureller oder als verlorener Kern verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blasformteil als Kern verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschäumter Kern verwendet wird, vorzugsweise ein thermoplastischer geschäumter Kern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern mittels eines generativen Verfahrens hergestellt wird, vorzugsweise mittels Lasersintern, 3D-Drucken oder Stereolithographie, insbesondere aus PA oder PPA.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kern eine Hohlprofil, insbesondere als Rohr, aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil vor dem Umwickeln und/oder Umflechten, vorzugsweise durch biegen und/oder Innhochdruckumformung, in einem endkonturnahe Form gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil an zumindest einem seiner Enden nicht mit Faserbündeln umwickelt und/oder umflochten wird, wobei in diesem von Faserbündeln freien Bereich ein Bauteil, insbesondere eine Buchse, zu Befestigung von weiteren Bauteilen an der Drehstabfeder angebracht, vorzugsweise eingepresst, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umwickeln und/oder Umflechten sowie gegebenenfalls nach dem Entfernen des Kerns eine Nachkonsolidierung des Bauteils in einem Spritzgusswerkzeug erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umwickeln und/oder Umflechten und gegebenenfalls nach dem Entfernen des Kerns eine Nachbearbeitung des Bauteils mittels Innenhochdruckumformen erfolgt.