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Dokumentenidentifikation DE10214055A1 11.12.2003
Titel Laminatbauteil oder Bauteil mit mindestens einem aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Modul sowie ein Verfahren zu deren Herstellung
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Uelze, Andreas, Prof. Dr.-Ing., 01217 Dresden, DE;
Himmer, Thomas, Dipl.-Ing., 01307 Dresden, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 01217 Dresden
DE-Anmeldedatum 25.03.2002
DE-Aktenzeichen 10214055
Offenlegungstag 11.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.12.2003
IPC-Hauptklasse B32B 7/04
IPC-Nebenklasse B29C 65/42   B32B 3/10   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft Laminatbauteile oder Bauteile mit mindestens einem aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Modul sowie ein Verfahren zur Herstellung. Die Erfindung kann vorteilhaft für kurzfristige und kostengünstige Fertigung solcher Bauteile, als Modelle, Prototypen oder auch für kleine Losgrößen eingesetzt werden. Mit der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, solche Bauteile flexibel und kostengünstig herstellen zu können, wobei dies insbesondere die äußere Gestaltung betreffen soll. Erfindungsgemäß sind die Laminate mittels innerhalb von in den Laminaten vorhandenen und miteinander in Verbindung stehenden Durchbrechungen ausgestattet, die Hohlräume oder Kanäle bilden. Die Laminate sind durch infolge Polymerisation oder Erkalten erstarrten Stoffs oder eines Stoffgemisches formschlüssig miteinander verbunden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Laminatbauteile oder Bauteile mit mindestens einem aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Modul sowie Herstellungsverfahren für solche Bauteile.

Die Erfindung kann vorteilhaft für eine kurzfristige und kostengünstige Fertigung solcher Bauteile, als Modell, Prototyp oder auch für kleine Losgrößen eingesetzt werden.

So können neben den bereits erwähnten Modellen auch Werkzeuge, Werkzeugeinsätze für das Umformen, Stanzen, Gießen oder Schneiden aber auch das Abformen erhalten werden.

Prinzipiell sind solche Bauteile und entsprechende Herstellungsverfahren für solche Bauteile aus dem Stand der Technik bekannt.

Dabei werden einzelne Laminate, also plattenförmige Elemente aus den unterschiedlichsten geeigneten Werkstoffen mittels an sich bekannter Formgebungsverfahren mit einer äußeren und inneren Konturierung ausgebildet. So können beispielsweise aus großformatigen Platten die einzelnen Laminate durch Schneidverfahren, wie z. B. das Laser- oder Wasserstrahlschneiden in die jeweilige Form gebracht werden. Die Ausbildung von inneren aber auch der äußeren Randkontur der Laminate kann gegebenenfalls auch mit einer zerspanenden Bearbeitung, wie dem NC-Fräsen erreicht werden.

Bevorzugt werden die Gestalt der einzelnen Laminate, die für die Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden, mittels dreidimensionaler CAD-Computer-Modelle ermittelt, wobei ein solches Bauteil in mehrere Schichten, in parallel zueinander ausgerichteten Ebenen zerlegt und jeweils ein Laminat eine solche Schicht repräsentiert.

Die Laminate werden dann entsprechend dieses Modells übereinandergelegt, zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden. Hierbei kann eine nicht aber auch eine lösbare Verbindung der einzelnen Laminate eingesetzt werden.

Eine Möglichkeit zur Herstellung einer solchen lösbaren Verbindung ist das Verschrauben der einzelnen Laminate miteinander. Es kann aber auch eine Verklammerung mit entsprechend geeigneten Klammerelementen erreicht werden.

In jedem Fall tritt bei diesen Verbindungstechniken jedoch der Fall auf, dass die gewählten Verbindungselemente über die eigentlichen Oberflächen eines solchen Bauteils hinausragen und die Stabilität, insbesondere bei einer Verklammerung relativ gering ist.

Die dauerhafte Verbindung solcher Laminate kann mit relativ hoher Festigkeit und Stabilität durch geeignete Verschweißungen erreicht werden, wobei bei den hierzu gewählten Schweißverfahren Nachteile darin bestehen, dass Spannungen durch den entsprechenden Wärmeeintrag auftreten und berücksichtigt werden müssen.

Ein Lösen der Verbindung der Laminate ist bei Schweißverbindungen, wenn überhaupt nur sehr schwer möglich und es ist in jedem Fall eine thermische bzw. zerspanende Entfernung der Schweißnahtbereiche erforderlich.

Ein erforderliches Lösen der Verbindung ist aber auch für durch Löten oder Verkleben flächig miteinander verbundener Laminate nur schwer erreichbar.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bereiten sämtlichst Probleme, wenn beispielsweise bei der Herstellung von Modellen Veränderungen an der geometrischen Gestaltung im Laufe der Entwicklung vorgenommen werden müssen. Auch ein verschleißbedingter Austausch von besonders strapazierten Bereichen von Bauteilen ist in der Regel nicht ohne weiteres möglich.

Bei den bekannten Laminatbauteilen werden alle Laminate parallel zueinander, also mit gleicher Ausrichtung der Laminatebenen verwendet und so miteinander verbunden. Dadurch kann keine Optimierung, bei der die fertigungstechnologischen Möglichkeiten und die Topologie des jeweiligen Bauteils berücksichtigt wird, erreicht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Laminatbauteile oder Bauteile, bei denen mindestens ein aus einzelnen miteinander verbundenen Laminaten hergestelltes Modul vorhanden ist, flexibel, was die äußere Gestaltung betrifft und kostengünstig herstellen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für Bauteile an sich, mit den Merkmalen des Anspruch 1 und für deren Herstellung den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.

Für die Herstellung erfindungsgemäßer Laminatbauteile oder Bauteile, bei denen mindestens ein aus miteinander verbundenen Laminaten gebildetes Modul verwendet wird, weisen verwendete Laminate Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen sind so angeordnet und so dimensioniert, dass sie bei übereinander angeordneten, also aufeinander liegenden Laminaten Hohlräume und insbesondere Kanäle ausbilden.

Die einzelnen solche Hohlräume oder Kanäle bildenden und in den Laminaten ausgebildeten Durchbrechungen können bestimmte Lageabweichungen zueinander ausweisen, müssen demzufolge mit ihren äußeren Rändern nicht zwangsläufig fluchten. Außerdem können die freien Querschnitte der in den Laminaten ausgebildeten Durchbrechungen in ihrer Kontur, ihren Abmessungen voneinander abweichen und insbesondere bei nicht rotationssymmetrischen Formen auch unterschiedliche Ausrichtungen zueinander aufweisen.

Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, da erfindungsgemäß die Laminate für ein Laminatbauteil oder für an Bauteilen einsetzbare Module mit Hilfe eines Stoffs oder Stoffgemisches formschlüssig miteinander verbunden werden sollen. Dabei erfolgt eine Befüllung der Kanäle bzw. Hohlräume mit dem jeweiligen Stoff oder Stoffgemisch, das dann in flüssiger Phase vorliegt, wobei die Viskosität in weiten Grenzen schwanken kann. Je nach gewähltem Stoff bzw. Stoffgemisch erstarrt dieser infolge einer Polymerisation bei Kunststoffen oder durch Erkalten. Im letztgenannten Fall können demzufolge vorteilhaft Metalle oder auch Metalllegierungen mit entsprechend kleiner Schmelztemperatur für die Verbindung der Laminate eingesetzt werden.

Mit dem erstarrten Stoff bzw. Stoffgemisch kann eine formschlüssige Verbindung der einzelnen ein Bauteil oder Module bildenden Laminate erreicht werden. Dabei kann neben den bereits erwähnten Lage- oder geometrischen Abweichungen der in Laminaten ausgebildeten Durchbrechungen auch die innere Hohlraum- oder Kanalkontur bzw. deren Führung sich vorteilhaft auf den Formschluss auswirken.

Der so erreichbare Formschluss ist in der Regel für eine Verbindung von Laminaten im Inneren eines Laminatbauteils oder Moduls ausreichend.

Da die für die formschlüssige Verbindung zur Verfügung stehenden Flächenbereiche an den Rändern der Durchbrechungen in der Regel relativ klein sind, ist es außerdem vorteilhaft an jeweils mindestens einem Laminat und mindestens einer Durchbrechung an diesem Laminat ein Verankerungselement vorzusehen. Solche Verankerungselemente sollten aber möglichst an Durchbrechungen von Laminaten, die ganz oben und/oder ganz unten an einem Schichtstapel eines Laminatbauteiles oder Moduls angeordnet sind, vorhanden sein.

Vorteilhaft zeichnen sich solche Verankerungselemente dadurch aus, dass sie beispielsweise vor dem Befüllen mit dem nachfolgend erstarrenden Stoff bzw. Stoffgemisch, so verformt worden sind, dass eine Abweichung zur jeweiligen Laminatebene, möglichst in das Innere des jeweiligen Kanals bzw. Hohlraumes hineinweisend, erreicht worden ist.

So kann ein solches Verankerungselement beispielsweise durch entsprechende Formgebung an der jeweiligen Durchbrechung erreicht werden. So kann eine solche Durchbrechung entsprechend ausgeschnitten werden, so dass das Verankerungselement lediglich über mindestens einen Steg mit dem Laminat verbunden ist.

Ein so ausgebildetes Verankerungselement kann vor dem Befüllen mit dem jeweiligen Stoff bzw. Stoffgemisch leicht manuell verformt und in den Kanal bzw. Hohlraum und demzufolge auch in das Innere des jeweiligen Bauteils bzw. Moduls dauerhaft hinein gedrückt werden, so dass es vom später erstarrten Stoff bzw. Stoffgemisch vollständig umschlossen und ausreichend verklammert ist.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, beispielsweise durch gezielte Schwächung im Randbereich der Durchbrechung des jeweiligen Laminates eine entsprechende Verformung vorzunehmen, so dass der ausgewählte Randbereich, der ein Verankerungselement bildet, dann konisch in das Innere des jeweiligen Hohlraumes bzw. Kanals hineinragend, verformt worden ist.

Je nach gewähltem Stoff bzw. Stoffgemisch für die Herstellung der formschlüssigen Verbindung kann eine nicht, aber auch eine lösbare Verbindung erhalten worden sein.

Eine lösbare Verbindung hat für viele Anwendungsfälle, wie in der Beschreibungseinleitung bereits angedeutet, einige Vorteile.

So kann beispielsweise durch eine Energiezufuhr der jeweils verwendete Stoff bzw. das Stoffgemisch aus der festen Phase wieder in eine mehr oder weniger viskose flüssige Phase überführt werden, so dass eine Trennung von Laminaten aus dem Schichtstapel eines Laminatbauteils bzw. eines für ein Bauteil verwendeten Moduls aus Laminaten, möglich ist. Dabei können alle Laminate aber auch ausgewählt nur einige Laminate entfernt und gegen andere Laminate, deren Kontur abweichend von den vorab verwendeten sein kann, wieder mit dem Laminatbauteil bzw. dem jeweiligen Modul formschlüssig verbunden werden.

Für eine solche Vorgehensweise eignen sich insbesondere entsprechende Metalle oder Metalllegierungen, die in der Regel unter den Oberbegriff Lot fallen und dementsprechend eine relativ kleine Schmelztemperatur aufweisen. Sollte die Energiezufuhr zum Lösen der formschlüssigen Verbindung durch eine entsprechende Temperaturerhöhung durchgeführt werden, ist es zwangsläufig erforderlich einen solchen Stoff bzw. ein solches Stoffgemisch einzusetzen, dessen Schmelztemperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Laminatwerkstoffes ist. Die Erwärmung kann dabei lokal gezielt vorgenommen und beispielsweise mit Heißluft auf Hohlräumen oder Kanäle, die den Stoff- oder das Stoffgemisch enthalten, gerichtet werden.

Mit der Erfindung können aber auch Bauteile hergestellt werden, die aus mehreren Einzelteilen bestehen. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, wird aber generell mindestens ein aus miteinander verbundenen Laminaten gebildetes Modul eingesetzt.

Ein oder mehrere solcher Module können dann mit einem Bauteilgrundkörper verbunden werden. Dabei kann die Verbindung mit einem solchen Bauteilgrundkörper ebenfalls mit den bereits erwähnten und beschriebenen Stoffen bzw. Stoffgemischen über miteinander verbundene Kanäle, die im Bauteilgrundkörper und in den jeweiligen Modulen ausgebildet sind, erreicht werden.

In diesen Fällen kann ein Metall oder eine Metalllegierung für die Verbindung des einen Moduls mit dem Bauteilgrundkörper oder mehreren Modulen ausgewählt werden, dessen/deren Schmelztemperatur von der Schmelztemperatur eines für die formschlüssige Verbindung von Laminaten eingesetzten Metalles/Metalllegierung abweicht (bevorzugt eine kleinere Schmelztemperatur aufweist).

Dadurch kann ein gegebenenfalls erforderlicher Modulaustausch einfach durchgeführt werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine ebenfalls lösbare Verbindung mittels Schrauben herzustellen.

Vorteilhaft ist in einem Bauteilgrundkörper eine entsprechende Kontur ausgearbeitet, in die ein oder auch mehrere Module mit entsprechend angepasster äußerer Kontur eingesetzt werden können. Dabei sollten möglichst enge Spaltmaße zwischen der inneren Kontur des Bauteilgrundkörpers und der äußeren Wand des einen oder auch der mehreren Module gewählt werden, wobei diese Anforderung für eingesetzte Schraubverbindung deutlich höher ist, als für eine Verbindung, die mit dem erstarrten Stoff bzw. Stoffgemisch hergestellt werden soll. Ein solcher Stoff bzw. solches Stoffgemisch kann selbstverständlich auch in Spalte zwischen Bauteilgrundkörper und Module gefüllt und nach dem Erstarren eine formschlüssige Verbindung erreicht werden.

Es können auch Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden, deren Volumen im erstarrten Zustand verkleinert oder vergrößert ist, so dass je nach geometrischer Gestalt eines befüllten Kanals oder Hohlraumes neben dem Formschluss auch kraftschlüssige Komponenten für die fügende Verbindung ausgenutzt werden können.

Neben diesen beiden vorab beschriebenen Möglichkeiten für die Verbindung von mehreren Modulen miteinander oder mindestens einem Modul mit einem Bauteilgrundkörper, kann dies auch durch alleinigen oder zusätzlichen Formschluss erreicht werden.

In diesen Fällen sind an entsprechend miteinander zu verbindenden Modulen oder einem Modul mit einem Bauteilgrundkörper an miteinander zu verbindenden Oberflächenbereichen, jeweils komplementär ausgebildete Konturelemente vorhanden. So können an einem solchen Modul eine Vertiefung und eine komplementär gestaltete Erhebung an einen mit diesem Modul zu verbindenden weiteren Modul oder Bauteilgrundkörper ausgebildet sein, die durch entsprechende Relativbewegung der miteinander zu verbindenden Teile ineinander bewegt und durch die gewählten geometrischen Gestaltungen einer solchen Vertiefung und Erhebung eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann.

So besteht als ein Beispiel für eine formschlüssige Verbindung eine solche, die üblicherweise als Schwalbenschwanz bezeichnet wird. Vorteilhaft können die entsprechend gestalteten Konturelemente in einer Längsrichtung sich konisch verjüngend ausgebildet sein, so dass ohne weiteres ein definiertes Ineinanderführen der beiden miteinander zu verbindenden Teile, mit einem endlichen Weg, der durch den Neigungswinkel des gewählten Konusses bestimmt ist, erreicht werden kann.

Eine weitere geeignete Gestaltungsform solcher Kontur elemente, sind beispielsweise Kugel-Pfanne-Gelenkverbindungen.

Vorteilhaft kann natürlich auch ein Bauteilgrundkörper aus miteinander verbundenen Laminaten eingesetzt werden, was insbesondere für die Ausbildung der für die Aufnahme von Modulen geeigneten Innenkontur günstig ist.

Bei einem solchen Bauteil können auch ein Bauteilgrundkörper sowie ein oder mehrere Module miteinander verbunden werden, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, eingesetzt werden. So kann beispielsweise ein Bauteilgrundkörper aus einem Werkstoff mit höherer Duktilität, Zähigkeit, mechanischer Festigkeit, als ein relativ harter Werkstoff für die jeweiligen Module eingesetzt werden.

Insbesondere für den Fall, dass mehrere Module, die aus miteinander verbundenen Laminaten gebildet sind, eingesetzt werden, kann eine weitere vorteilhafte Ausbildung von Laminatbauteilen oder Bauteilen, die solche Module verwenden, erreicht werden. Es ist bekannt und möglich, die äußeren und inneren Ränder an Laminaten mit schräger Ausrichtung, also nicht orthogonal zur jeweiligen Laminatebene auszubilden. Hierbei sind jedoch fertigungstechnisch bezüglich der erreichbaren Abschrägungswinkel unter Berücksichtigung der jeweiligen Dicke der verwendeten Laminate und der Werkzeuge Grenzen gesetzt. So können beispielsweise durch Laserschneiden maximale Randwinkel von ca. 45° an den Rändern von Laminaten erreicht werden. Dies führt bei den herkömmlichen Laminatbauteilen, bei denen sämtliche Laminate in parallelen Ebenen zueinander ausgerichtet sind, in der Regel zu einem erhöhten Nachbearbeitungsaufwand, durch zerspanende Bearbeitung der entsprechenden Oberflächenkonturbereiche.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können aber auch zumindest ein Bauteilgrundkörper und ein Modul, aber auch mehrere Module miteinander verbunden werden, die voneinander abweichende Ausrichtungen der jeweiligen Laminatebenen aufweisen und so die Topologie des fertigen Laminatbauteils bzw. Bauteil mit laminierten Modulen und die Fertigungstechnologie zur Vermeidung bzw. Verringerung des Aufwands für eine zerspanende Nachbearbeitung, optimiert werden.

Die unterschiedliche Ausrichtung der Laminatebenen von Modulen zueinander kann aber auch unter Berücksichtigung der späteren Beanspruchungen des fertigen Bauteils vorgenommen werden, um die Lebensdauer erhöhen und Verschleiß reduzieren zu können.

So aufgebaute Module oder Bauteilgrundkörper können auch einfacher zerspanend bearbeitet werden, da die entsprechenden Oberflächen leichter zugänglich sind.

Dabei ist es vorteilhaft, Laminatbauteile oder Module für solche Bauteile sukzessive aufzubauen, das bedeutet, dass eine vorgebbare Anzahl von einzelnen Laminaten, wie bereits beschrieben, formschlüssig miteinander verbunden werden und eine zerspanende Bearbeitung von Oberflächenbereichen an später nicht mehr zugänglichen Oberflächen einfacher und kostengünstiger bearbeitet werden können. Nach einer solchen zerspanenden Bearbeitung können weitere Laminate aufgesetzt und ebenfalls miteinander verbunden werden.

Durch die mit der erfindungsgemäßen Lösung erreichbare Flexibilität können Bauteile mit relativ filigranen äußeren und Innenkonturen hergestellt werden. So können relativ, enge Taschen oder Bohrungen erhalten werden, ohne dass kostenintensives Erodieren bzw. Nacherodieren erforderlich wird.

Bei Verwendung von polymeren Gießharzen aber auch den für die formschlüssige Verbindung einsetzbaren Metallen bzw. Metalllegierungen ist kein bzw. nur ein relativ geringer Wärmeeintrag zu verzeichnen ist, sind die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile spannungs- und verzugsfrei.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein aus einem Bauteilgrundkörper und einem mit diesem verbundenen Modul bestehendes Bauteil in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 ein Beispiel mit Verankerungselementen in einer Teilansicht;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung mit einem Kanal und Verankerungselement;

Fig. 4 ein Beispiel eines Bauteils, bei dem ein Bauteilgrundkörper mit einem Modul, durch Verschraubung verbunden werden können;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Laminatbauteils, das aus zwei miteinander verbundenen Modulen gebildet ist, wobei die Laminate der beiden Module in unterschiedlichen Ebenen zueinander ausgerichtet sind;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Werkzeugmatrize, als ein Beispiel für ein Laminatbauteil;

Fig. 7 in einer Explosionsdarstellung das Laminatbauteil gemäß Fig. 6.

Mit der in Fig. 1 gezeigten perspektivischen Darstellung eines Bauteils, soll deutlich gemacht werden, dass mehrere vielfältige Möglichkeiten für eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung gegeben sind.

So kann das in Fig. 1 gezeigte Beispiel eines Bauteils aus zwei Teilen, die miteinander formschlüssig verbunden sind, gebildet sein.

Dabei kann ein Bauteilgrundkörper 1 eingesetzt werden, der ebenfalls als Laminatbauteil, aus einzelnen miteinander verbundenen Laminaten besteht, verwendet werden.

Wie deutlich erkennbar wird, weist dieser Bauteilgrundkörper 1 in seinem Inneren eine entsprechende Kontur auf, in die, das ebenfalls aus formschlüssig miteinander verbundenen Laminaten gebildete Modul 2, das eine stark konturierte Oberfläche aufweist, eingesetzt werden kann. Eine oberflächennahe Anordnung von Kanälen erhöht die Festigkeit und Stabilität.

Durch in den jeweiligen Laminaten des Bauteilgrundkörpers 1 und des Moduls 2 ausgebildete Durchbrechungen, wurden in deren Innerem Kanäle 3 ausgebildet. Diese Kanäle 3 stehen im zusammengebauten Zustand von Bauteilgrundkörper 1 und Modul 2 miteinander in Verbindung, so dass ein vollständiges Befüllen mit einem geeigneten Stoff bzw. Stoffgemisch erreicht werden kann. Nach dem Erstarren des Stoffes bzw. Stoffgemisches werden die bereits entsprechend formschlüssig miteinander verbundenen Laminate vom Bauteilgrundkörper 1 und Modul 2 zusätzlich formschlüssig, bei diesem Beispiel parallel zu den Laminatebenen ausgerichteten Achsen formschlüssig gehalten.

Dabei kann durch eine entsprechende Ausbildung der Durchbrechungen in den verschiedenen Laminaten ein konischer Übergang der Kanäle 3 vom Bauteilgrundkörper 1 in den Modul 2 festigkeitserhöhend wirken.

Der in Fig. 1 gezeigte Bauteilgrundkörper 1 kann aber auch massiv aus einem Werkstoff bestehen. Dabei kann dann die Innenkontur, in die das Modul 2 eingesetzt werden soll durch beispielsweise Wasserstrahlschneiden hergestellt werden und der Kanal 3 durch eine zerspanende Bearbeitung bzw. durch Erodieren erhalten werden.

Mit der in Fig. 2 gezeigten Teildarstellung eines aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Bauteilgrundkörpers 1, soll ein besonders bevorzugtes Beispiel für die Ausbildung von zusätzlichen Verankerungselementen 4 verdeutlicht werden. Dabei erfolgte ein Ausschnitt von Durchbrechungen im hier obersten Laminat in Teilkreisringform, so dass ein teilkreisringförmiger Spalt zwischen Verankerungselement 4 und dem Kanal 3 ausgebildet worden ist und das Verankerungselement 4 über einen Steg 4' mit dem übrigen Laminatwerkstoff verbunden bleibt. In nicht dargestellter Form können aber auch zwei oder mehrere solcher Verankerungselemente an jeweils einer Durchbrechung ausgebildet sein.

Vor dem Befüllen des Stoffes/Stoffgemisches mit dem nach dem Erstarren, die formschlüssige Verbindung der Laminate des Bauteilgrundkörpers 1 hergestellt wird, werden die Verankerungselemente 4 nach unten gedrückt und verformen sich dementsprechend in das Innere der Kanäle 3, so dass sie nahezu vollständig in dem erstarrten Stoff bzw. das Stoffgemisch eingebettet sind. Selbstverständlich können solche Verankerungselemente 4 auch andere geometrische Gestaltungsformen, wie beispielsweise Dreiecke, Rechtecke oder Vielecke aufweisen.

In Fig. 3 ist in schematischer Form die Ausbildung eines durch ein Laminatbauteil geführten Kanals 3 gezeigt, der zwei sich gegenläufig verjüngende konische Teilbereiche aufweist, so dass eine verbesserte formschlüssige Verbindung mittels des innerhalb eines solchen Kanals 3 erstarrten Stoffes oder Stoffgemisches erreicht werden kann.

Ferner ist in Fig. 3 angedeutet, dass zumindest am hier obersten Laminat durch entsprechenden Ausschnitt ein Verankerungselement 4, das über den Steg 4' mit dem übrigen Laminatmaterial verbunden ist, ausgebildet wurde. Wie mit dem Pfeil angedeutet, kann ein solches Verankerungselement 4 durch entsprechenden Druck von oben in das Innere des Kanals 3 verformt werden. Es liegt auf der Hand, dass ein so in das Innere des Kanals 3 gedrücktes Verankerungselement 4, zumindest nahezu vollständig vom jeweiligen in den Kanal 3 eingefüllten Stoff oder Stoffgemisch umschlossen und später im erstarrten Zustand in diesen eingebettet ist.

In in Fig. 3 nicht dargestellter Form können aber auch an einem solchen Laminat zwei oder mehr solcher Verankerungselemente 4, durch entsprechenden Ausschnitt ausgebildet sein. Bevorzugt sind solche Verankerungselemente 4 dann in jeweils gleichen Winkelabständen über den Umfang verteilt, angeordnet. Dadurch kann bei einem mittels des erstarrten Stoffes oder Stoffgemisches erreichten Verbund ein gleichmäßiger Krafteinfluss erreicht werden.

Dementsprechend können zwei oder bei vier an einer Durchbrechung ausgebildeten Verankerungselementen 4 jeweils zwei Verankerungselemente 4 sich diametral gegenüberliegend angeordnet sein.

Werden drei solcher Verankerungselemente 4 an einer Durchbrechung ausgebildet, so sind diese bevorzugt sternförmig mit einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet.

Mit dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel, soll eine Möglichkeit zur Verbindung eines Bauteilgrundkörpers 1 mit einem Modul 2 durch lösbare Schraubverbindungen verdeutlicht werden. Dabei sind durch entsprechende Ausbildung von Durchbrechungen in Laminaten Löcher 5 sowohl im Bauteilgrundkörper 1, wie auch im Modul 2 ausgebildet worden. Da die Anordnung und Ausrichtung der Löcher 5 im Bauteilgrundkörper 1 und Modul 2 entsprechend gleich ausgeführt sind, besteht die Möglichkeit, die Verbindung durch Einschrauben herzustellen.

Bei einer vollständig fluchtenden Anordnung und Ausbildung dieser Löcher 5 können Schrauben auch von einer Stirnfläche des Bauteilgrundkörpers 1 durch das ganze Modul 2 bzw. auch mehrere Module 2 (nicht dargestellt) bis hin zur gegenüberliegenden Stirnfläche geführt und dementsprechend eine verspannende Schraubverbindung erreicht werden. Dabei können durch entsprechende Ausbildung der Durchbrechungen in den Laminaten an den jeweiligen Stirnflächenbereichen des Bauteilgrundkörpers 1 die Schrauben entsprechend versenkt sein, so dass kein Überstand einer Schraubverbindung über die äußere Stirnfläche auftritt.

Das in den Fig. 1 und 4 gezeigte Modul 2 kann entgegen der Darstellung aber auch durch zwei oder auch mehr als zwei solcher Module 2 ersetzt sein, so dass mehrere Module 2 entsprechend mit einem solchen Bauteilgrundkörper 1 durch Schraubverbindungen, aber auch, wie bereits erwähnt, durch einen erstarrten Stoff oder ein solches Stoffgemisch formschlüssig verbunden werden können.

Mit der in Fig. 3 gezeigten schematischen Darstellung, soll eine vorteilhafte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Laminatbauteils, bei dem zwei Module 2 und 2' miteinander verbunden sind, verdeutlicht werden.

So sind die beiden Module 2 und 2' hier jeweils aus mehreren miteinander verbundenen Laminaten gebildet.

Im Modul 2' sind in der Darstellung gemäß Fig. 5 mehrere Kanäle 3 durch entsprechende in den einzelnen Laminaten ausgebildete Durchbrechungen hergestellt worden, die, wie bereits mehrfach erklärt, entsprechend mit einem erstarrenden Stoff oder Stoffgemisch befüllt werden können.

Außerdem soll mit Fig. 5 verdeutlicht werden, dass die Ebenen, in denen die einzelnen Laminate, der beiden Module 2 und 2' angeordnet sind, in unterschiedlichen Winkeln zueinander ausgerichtet sein können. Eine solche unterschiedliche Ausrichtung der Laminatebenen erleichtert häufig eine gegebenenfalls erforderliche nachträgliche, nach dem Fügen der Laminate an den Modulen durchzurührende zerspanende Bearbeitung bestimmter Oberflächenbereiche, da diese für die entsprechenden Werkzeuge dann leichter zugänglich sind. Demzufolge können Fräswerkzeuge kürzer und präziser gespannt, dadurch der Schwingungseinfluß reduziert und die Fertigungsgenauigkeit erhöht werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wurde durch entsprechenden Ausschnitt der einzelnen, das Modul 2' bildenden Laminate ein unregelmäßig konturierter durchgehender Ausschnitt hergestellt, der im Wesentlichen der äußeren Kontur und Dimensionierung des Moduls 2 entspricht, so dass das Modul 2 einfach in diesen Ausschnitt eingeführt werden kann. Das Spaltmaß zwischen den beiden Modulen 2 und 2' sollte möglichst klein gehalten sein oder die Außenkontur des Moduls 2 und die entsprechende Innenkontur des Moduls 2' leicht konisch ausgeführt werden, so dass nachdem Zusammenfügen der beiden Module 2 und 2' eine spiel- und spaltfreie Berührung erreichbar ist.

Bei mechanischer Belastung können sich dann die unterschiedlich zueinander ausgerichteten Laminatebenen der Module 2 und 2' günstig auswirken. Bildet ein solcher Zusammenbau beispielsweise eine Werkzeugmatrize, also ein Umformwerkzeug, wie es nachfolgend noch mit den Fig. 6 und 7 verdeutlicht werden soll, entspricht die in Fig. 5 dargestellte Ausrichtung der Laminatebenen der Module 2 und 2' nahezu optimal den jeweiligen Belastungsverhältnissen.

In Fig. 6 ist eine entsprechende perspektivische Darstellung eines solchen Matrizenwerkzeuges, als ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Laminatbauteil dargestellt.

Hier sind wiederum bereits die Module 2 und 2' miteinander verbunden, wie dies vorab erläutert worden ist.

Mit Fig. 6 wird ferner verdeutlicht, dass an mehreren Kanäle 3 bildenden Durchbrechungen wiederum Verankerungselemente 4 ausgebildet worden sind.

In der Explosionsdarstellung nach Fig. 7 wird deutlich, wie die Einzelteile eines solchen Matrizenwerkzeuges ausgebildet sein können.

Dabei ist das Modul 2 auf einem Bauteilgrundkörper 1 angeordnet oder an diesem ausgebildet. Ein solcher Bauteilgrundkörper 1 kann aus einem massiven Material, aber auch aus einzelnen entsprechend miteinander verbundenen Laminaten gebildet sein.

Bauteilgrundkörper 1 und Modul 2 können von unten in den Ausschnitt, der im Inneren des Moduls 2' durch entsprechende Ausschnitte der einzelnen Laminate ausgebildet worden ist, eingeführt werden, wobei die diesbezüglichen Bemerkungen, bei der Erläuterung von Fig. 5 Beachtung finden sollten.

An der unteren Grundfläche des Moduls 2' ist eine entsprechende Vertiefung (hier nicht erkennbar) für die Aufnahme des Bauteilgrundkörpers 1 ausgebildet. Die formschlüssige Verbindung der einzelnen Elemente eines solchen Matrizenwerkzeuges kann wiederum durch das Befüllen von Kanälen 3 mit dem erstarrenden Stoff oder Stoffgemisch erreicht werden.

Wie in Fig. 7 mit dem Pfeil angedeutet, kann ein solcher noch fließfähiger Stoff oder Stoffgemisch von oben in einen Kanal 3 des Moduls 2' eingefüllt werden. Wenn die Elemente zusammengefügt sind, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, stehen die Kanäle 3 von Modul 2' und dem Modul 2 sowie dem Bauteilgrundkörper 1 miteinander in Verbindung, so dass eine vollständige Befüllung erreicht werden kann. Nach dem Erstarren sind die Module 2' und 2 mit dem Bauteilgrundkörper 1 in ausreichender Festigkeit und Stabilität formschlüssig miteinander verbunden.

In jedem Fall ist es aber deutlich, dass ein Austausch so miteinander verbundener Elemente, bei Bedarf einfach und schnell realisiert werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Laminatbauteil oder Bauteil mit mindestens einem aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Modul,

    dadurch gekennzeichnet, dass Laminate eines Bauteils und/oder Moduls (2, 2') mittels eines innerhalb von in den Laminaten vorhandenen und miteinander in Verbindung stehenden Durchbrechungen ausgebildeten Hohlräumen oder Kanälen (3)

    durch Polymerisation oder Erkalten erstarrten Stoffs oder eines Stoffgemischs, formschlüssig verbunden sind.
  2. 2. Laminatbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3) oder Hohlräume bildenden, in übereinander angeordneten Laminaten ausgebildeten Durchbrechungen unterschiedliche Konturen, unterschiedliche Abmessungen und/oder bei nicht rotationssymmetrischen Formen auch unterschiedliche Ausrichtungen von Durchbrechungen aufweisen.
  3. 3. Laminatbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Laminat eines Bauteiles oder Moduls (2, 2') an mindestens einer Durchbrechung ein Verankerungselement oder mehrere Verankerungselemente (4) ausgebildet ist/sind.
  4. 4. Laminatbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Verankerungselement(e) über einen verformbaren Steg (4') mit dem jeweiligen Laminat verbunden ist/sind.
  5. 5. Laminatbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Verankerungselement(e) (4) durch einen verformten Randbereich der Durchbrechung(en) gebildet ist/sind.
  6. 6. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere und/oder innere Randkontur von Laminaten in abgeschrägter Form ausgebildet ist.
  7. 7. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteilgrundkörper (1) mit mindestens einem Modul (2, 2') oder mehrere Module miteinander verbunden sind.
  8. 8. Laminatbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteilgrundkörper (1) mit einem Modul (2) oder mehrere Module durch formschlüssige Verbindung, Schraubverbindung und/oder dem Stoff oder Stoffgemisch miteinander verbunden sind.
  9. 9. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff oder das Stoffgemisch eine kleinere Schmelztemperatur, als der Laminatwerkstoff aufweist.
  10. 10. Laminatbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff oder das Stoffgemisch ein Metall oder eine Metalllegierung ist.
  11. 11. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch ein Gießharz ist.
  12. 12. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere miteinander verbundene Module (2, 2') jeweils unterschiedliche Ausrichtungen der jeweiligen Laminatebenen aufweisen.
  13. 13. Laminatbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteilgrundkörper (1) mit mindestens einem Modul (2, 2') oder mindestens zwei Module aus jeweils unterschiedlichen Laminatwerkstoffen miteinander verbunden sind.
  14. 14. Verfahren zur Herstellung von Lamiantbauteilen oder Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit Durchbrechungen versehene Laminate übereinander angeordnet,

    mittels der Durchbrechungen ausgebildete Hohlräume oder Kanäle (3) mit einem Stoff oder Stoffgemisch in flüssiger Phase befüllt werden;

    der Stoff oder das Stoffgemisch nach dem Befüllen durch Polymerisation oder Erkalten erstarrt und dadurch eine formschlüssige Verbindung der Laminate hergestellt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein sukzessiver Aufbau eines Laminatbauteils (1) oder Moduls (2, 2'), durch sukzessive formschlüssige Verbindung einer vorgebbaren Anzahl von Laminaten, durchgeführt wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des sukzessiven Aufbaus eine mechanische zerspanende Bearbeitung durchgeführt wird.
  17. 17. Verfahren nach 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteilgrundkörper (1) mit einem aus miteinander verbundenen Laminaten gebildeten Modul (2, 2') oder mindestens zwei solcher Module durch komplementäre Oberflächenkonturen formschlüssig, durch Schrauben und/oder mittels des Stoffs oder Stoffgemisches miteinander verbunden werden.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mittels des innerhalb miteinander kommunizierender Kanäle (3), die in einem Bauteilgrundkörper (1), einem oder mehreren Modulen (2, 2') ausgebildet sind und in denen der erstarrte Stoff oder das Stoffgemisch enthalten sind, hergestellt wird.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Verankerungselemente (4) vor dem Befüllen mit dem erstarrenden Stoff oder Stoffgemisch in Bezug zur jeweiligen Laminatebene innerhalb des jeweiligen Hohlraumes oder Kanals (3) verformt werden.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der/das erstarrte Stoff oder Stoffgemisch durch Energiezufuhr zumindest bereichsweise in eine flüssige Phase überführt und Laminate und/oder Module (2, 2') ausgetauscht werden.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verbindung von Laminaten untereinander und Bauteilgrundkörper mit mindestens einem Modul (2, 2') unterschiedliche Stoffe oder Stoffgemische verwendet werden.
  22. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim Erstarren sein Volumen vergrößernder oder verringender Stoff oder ein solches Stoffgemisch verwendet wird.






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