Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil. Die Erfindung betrifft weiter ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem Fügestellen aufweisenden integrierten Verbindungsstück. Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit der Anbindung metallischer Funktionselemente auf Wellen aus einem Faserverbundwerkstoff.

Das Verbinden von Maschinen- und/oder Funktionselementen mit einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff stellt wegen der stofflichen Unterschiede der Verbindungspartner ein nicht unerhebliches technisches Problem dar. Auch sollte zur Herstellung der Verbindung die Faserstruktur im Faserverbundwerkstoff möglichst nicht verändert, durchbrochen oder beschädigt werden. Es resultieren Schwachstellen im fertigen Bauteil, so dass dieses den für das jeweilige Einsatzszenario geforderten thermischen oder mechanischen Belastungen gegebenenfalls nicht mehr standhalten kann.

Wellen mit angebundenen metallischen Funktionselementen stellen in Form von Antriebswellen sowohl im Automobilbereich wie auch im klassischen Maschinen- und Anlagenbau eine häufige Form von Maschinenelementen dar, die zur Übertragung von Kräften und Momenten benötigt werden. Die Einleitung von Kräften und Momenten in eine Antriebswelle stellt hierbei insbesondere bei der Verbindung eines metallischen Funktionselements mit einer Welle aus einem Faserverbundwerkstoff eine besondere Schwierigkeit dar.

Im Allgemeinen wird zwischen drei Wirkprinzipien zur Kraftübertragung unterschieden, nämlich dem Formschluss, dem Stoffschluss und dem Kraftschluss. Aus dem Bereich des Metallbaus sind verschiedene stoffschlüssige Anbindungs- techniken für metallische Komponenten auf zylindrischen Wellen in Form von Verkleben bekannt, die auch im Bereich der Faserverbundwerkstoffe Anwendung finden. Gemäß Niemann, G., et al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 liegt der Vorteil einer Verklebung unter anderem in der isolierenden Wirkung der Klebschicht gegenüber dem Eindringen von Medien in den Fügespalt, wodurch Passungsrost und Kontaktkorrosion verhindert werden können. Gemäß Schürmann, H. :„Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden"; 2. bearbeitete und erweiterte Auflage, Heidelberg: Springer Verlag, 2007 ist die Verklebung besonders für dünnwandige flächige Bauteile aus Faserverbundstoff geeignet. Die Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden können, die Belastung großflächig übertragen wird und die Füge- bzw. Verbindungspartner nicht geschwächt werden. Insbesondere bei endlosfaserverstärkten Bauteilen bleibt eine durchgängige Faserstruktur erhalten. Nachteilig ist jedoch der große Aufwand bei der Vorbereitung der Fügepartner sowie bei der Qualitätssicherung.

Für metallische Wellen kommen nach Niemann, G., et.al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 zwei Ausführungsformen von stoffschlüssigen Verbindungen zum Einsatz. Zum einen ist dies der geklebte Schiebesitz, bei dem nur geringe Lasten übertragen werden können. Aufgrund des Spaltes zwischen den zu verklebenden Bauteilen ist die Zentriergenauigkeit bei dieser Ausführungsform gering. Zum anderen ist dies der Schrumpfklebesitz, bei dem die zu verbindenden Teile mit Übermaß zueinander gefügt werden. Durch die Verpressung werden Stoffschluss und Kraftschluss miteinander kombiniert, wodurch hohe Lasten übertragen werden können. Weiterhin wird dadurch die Zentrierung der Bauteile zueinander gewährleistet. Die Herstellung einer solchen Verbindung ist allerdings mit einem größeren Fertigungsaufwand verbunden. Neben der Verklebung bietet auch das Schweißen eine Möglichkeit, Bauteile stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Diese Möglichkeit ist allerdings auf Faserverbundwerkstoffe mit einem thermoplastischen Harzsystem beschränkt. Aus der DE 10 2004 048 472 B4 ist bekannt, eine metallische Hülse auf eine im Wickelverfahren hergestellte Welle aus Faserverbundwerkstoff aufzukleben. Die Anbindung eines Zahnrads zu dieser Hülse erfolgt anschließend mittels standardmäßigen Metall-Metall-Verbindungtechniken. Die Ausführungsform der Verklebung ist nicht näher spezifiziert.

Nachteilig bei Verklebungen ist die schwierige zerstörungsfreie Qualitätssicherung der Verbindung. Weiterhin muss in Abhängigkeit der Fertigungstechnik beim Bauteil aus Faserverbundwerkstoff die Oberfläche spanend bearbeitet werden, um die geforderten Toleranzen einzuhalten und um die Zentrierung der Bauteile zueinander sicherzustellen. Temperatur und Feuchtigkeit haben zusätzlich einen unerwünscht großen Einfluss auf die erzielbare Verbindungsfestigkeit.

Auch die aus dem Metallbau bekannte kraftschlüssige Verbindungstechnik einer Pressverbindung wird im Bereich der Faserverbundwerkstoffe angewendet. Ein Vorteil der Pressverbindung stelle nach Niemann, G., et al. :„Maschinenelemente"; 4. bearbeitete Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2005 unter anderem die Zentrierung der Bauteile zueinander dar. Gerade bei umlaufender Biegebelastung besteht jedoch die Gefahr des Mikrogleitens und der Reibkorrosion. Im Bereich der Faserverbundwerkstoffe gilt die Pressverbindung durch die flächige Lasteinleitung als faserverbundgerechte Verbindungstechnik, bei der im Normalfall die metallische Komponente das Innere der zu verbindenden Bauteile ist. Neben der Resttragfähigkeit nach Überlast ist der positive Einfluss der Druckbelastung durch die Verpressung auf die Schubbelastbarkeit des Faserverbundwerkstoffs vorteilhaft. Weitere Vorteile stellen die einfache Montage sowie die Möglichkeit dar, mittels der Einpresskraft auf die Qualität der Verbindung schließen zu können. Aus der DE 38 28 018 C2 ist es bekannt, ein gerändeltes Metallteil in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff zu pressen.

Nachteilig bei einem innenliegenden Metallteil ist die Tatsache, dass nur am Wellenanfang bzw. am Wellenende positioniert werden kann. Bei außenliegenden Metallteilen wird die Positionierung der Bauteile zueinander nicht eingeschränkt. Weiterhin muss bei der Pressverbindung von außen wie bei der Verklebung je nach Fertigungsverfahren die Komponente aus Faserverbundwerkstoff spanend nachbearbeitet werden. Zudem wird das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff komprimiert, wodurch je nach vorliegender Faserorientierung die Matrix druckbelastet wird. Je mehr die Matrix belastet ist, desto mehr spielt viskoelastisches und zeitabhängiges Materialverhalten eine Rolle. Eine Verpressung einer Faserverbundwelle von außen ist daher aus mechanischer Sicht ungünstig zu bewerten.

Eine weitere bekannte Verbindungstechnik, die für Faserverbundwerkstoffe aus dem Metallbau übernommen wurde, ist die Bolzenverbindung. Diese ist gemäß Schürmann, H. :„Konstruieren mit Faser-Kunststoff- Verbunden"; 2. bearbeitete und erweiterte Auflage, Heidelberg: Springer Verlag, 2007 besonders für flächige, dickwandige Bauteile geeignet. In der gebräuchlichsten Ausführungsform werden Löcher nachträglich in die Struktur eingebracht, wobei durch einen zylindrischen Bolzen ein Formschluss zwischen den beiden zu verbindenden Teilen erzeugt wird. Die leicht überprüfbare Verbindungsgüte, die Lösbarkeit der Verbindung, die kostengünstigen Verbindungselemente sowie die Fügbarkeit von Fügepartnern aus unterschiedlichen Werkstoffen sind Vorteile der Bolzenverbindung. Nachteilig sind der hohe Fertigungsaufwand, der nachgeschaltete spanende Bearbeitungsschritt und das zusätzliche Gewicht durch die Verbindungselemente. Außerdem wird durch das Bohren der tragende Querschnitt reduziert und die lasttragenden Fasern unerwünscht durchtrennt.

In Helms, O.:„Konstruktion und technologische Umsetzung von hochbeanspruchten Lasteinleitungssystemen für neuartige Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise"; Dissertation, TU Dresden, 2006 ist eine Möglichkeit beschrieben, das Durchtrennen der Fasern zu umgehen und dennoch eine formschlüssige

Bolzenverbindung herzustellen. Hierbei wird ein thermoplastisches Harzsystem erwärmt und mit Hilfe eines Dorns ein Loch geformt. Die übertragbaren Kräfte können auf diese Art und Weise im Vergleich zu gebohrten Löchern erhöht werden. In Seidlitz, H. :„Verbindungstechnik für belastungsgerechte Hochleistungsbauteile in Mischbauweise"; Konferenzbeitrag, 9. Wissenschaftstage an der Hochschule Lausitz wird die Tragfähigkeit dieser Verbindungstechnik untersucht. Es wird nachgewiesen, dass durch das Formen der Löcher die Kerbzug- und die Lochleibungsfestigkeit sowie die Tragfähigkeit bei Scherversuchen im Vergleich zu gebohrten Löchern gesteigert werden kann. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die Beschränkung auf ebene Bauteile mit einer thermoplastischen Matrix.

Eine weitere formschlüssige Verbindungstechnik ist die Pinverbindung, die nicht alle der oben genannten Nachteile der Bolzenverbindung aufweist. Bei dieser Art der Verbindung werden keine Fasern durchtrennt, da der Formschluss zwischen Faserverbundwerkstoff und meist metallischen Pins bereits während der Herstellung des Bauteils aus Faserverbundwerkstoff hergestellt wird. Hierdurch wird eine Kombination aus Stoff- und Formschluss erreicht. Im Vergleich zu einer reinen Verklebung kann hierdurch die Schadenstoleranz erhöht, spontanem Versagen vorgebeugt und die Verbindungsfestigkeit erhöht werden.

Gemäß Kruse, T. : "Requirements for Sizing Methods of Damage Tolerant Struc- tural Joints Taking into Account the Needs of a Rivetless Assembly in the Aero- nautic Industry"; NAFEMS-Literatur zu„FEM Idealisation of Joints" werden zwei trockene Faserhalbzeuge mit vertikalen Pins verstärkt. Diese kostenintensive Verbindungstechnik kommt jedoch nur für zwei nicht ausgehärtete Bauteile in Frage. Eine ähnliche Verbindungstechnik ist in Nogueira, A.:„Properties and failure me- chanismus of a 3D-reinforced joint"; JEC Magazine No. 69, November 201 1 beschrieben. Bei dieser wird die Verklebung zweier Prepregbauteile durch ein Blech verstärkt. Dieses Blech ist mit Stacheln in Dickenrichtung versehen, die die beiden Fügepartner durchdringen. Auch dieses Fügeverfahren ist auf zwei Fügepartner aus Faserverbundwerkstoff beschränkt. In Ucsnik, S., et al. :„Experimental investi- gation of a novel hybrid metal-compsite joining technology"; Composites: Part A, 41 , 2010, Seite 369-374 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein metallisches Bauteil mit einem Bauteil aus Faserverbundwerkstoff verbunden werden kann. Das metallische Bauteil wird hierbei nach dem„Cold Metal Transfer"-Verfahren mit Pins versehen. Das Faserverbundhalbzeug wird auf dieses metallische Bauteil drapiert und anschließend infiltriert und ausgehärtet. Die Herstellung der metallischen Fügepartner ist in diesem Fall sehr aufwändig. Auch durch das in Smith, F. : „COMELD- An Innovation in composite to metal joining"; Composites Processing 2004, CPA, Bromsgrove, UK, 23rd April 2004 beschriebene Fertigungsverfahren, bei dem die Metalloberfläche durch eine Laserbehandlung kontrolliert wird, kann dieser Fertigungsaufwand nicht merklich reduziert werden.

Nachteiligerweise beziehen sich die vorgenannten Angaben zum Stand der Technik lediglich auf Pinverbindungen für ebene Fügepartner. Die Übertragbarkeit auf zylindrische Fügepartner ist nicht sichergestellt.

In der US 2001 /0129639 A1 wird ein mit Pins versehenes rechteckiges Metallteil mit Fasern umflochten und anschließend infiltriert. Das Metallteil dient hierbei zur Verstärkung einer Bolzenverbindung, die bevorzugt für Zug- und Druckbelastung geeignet ist.

In der WO 2009/003207 A1 wird ein zylindrisches, mit Pins versehenes Metallteil mit Fasern umflochten. Das Metallteil weist hierbei ein Innengewinde zur Anbin- dung an ein peripheres System auf. Die auf diese Art und Weise gefertigte Verbindung ist besonders für Zugbelastung geeignet.

Sowohl in der US 201 1 /0129639 A1 als auch in der WO 2009/003207 A1 ist das metallische Bauteil innenliegend. Eine direkte Anbindung von metallischen Komponenten, die das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff umschließen, ist nicht vorgesehen.

Eine weitere Art der formschlüssigen Verbindung durch nicht-zylindrische Erhöhungen auf einem der Fügepartner ist in der DE 20 2006 001 878 U1 beschrieben. Dort wird ein thermoplastisches Krafteinleitungselement mit Fasern eingewickelt. Das Krafteinleitungselement weist hierbei Nuten auf der Oberfläche auf, in denen die Fasern abgelegt werden. Auf diese Weise wird prozessintegriert ein Form- schluss gefertigt.

In der DE 10 2009 036 509 A1 wird die prozessintegrierte Fertigung einer Schlaufenverbindung beschrieben. Das Krafteinleitungselement ist hierbei am Wellenanfang bzw. am Wellenende angebracht. Die Fasern werden bei der Fertigung im Nasswickel verfahren um auf dem Krafteinleitungselement angebrachte Erhöhungen gelegt.

Das Anbindungselement ist sowohl nach Lehre der DE 20 2006 001 878 U1 als auch nach Lehre der DE 10 2009 036 509 A1 vom Bauteil aus Faserverbundwerkstoff umgeben und am Wellenanfang bzw. am Wellenende positioniert. Die vorgesehenen Krafteinleitungselemente sind aufgrund ihrer komplexen Geometrie nur aufwändig zu fertigen.

Aus der DE 102 60 1 15 B4 ist es weiter bekannt, ein metallisches Bauteil in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff einzulaminieren. Das metallische Bauteil ist mit Nuten auf der Oberfläche versehen, in denen die Fasern zum Liegen kommen, und mit diesem einen Form- und Stoffschluss bilden. Das anzubindende metallische Funktionselement wird anschließend mit diesem integrierten metallischen Bauteil verbunden. Dies erfolgt über eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung. Das eingewickelte metallische Bauteil ist frei auf der Welle aus Faserverbundwerkstoff positionierbar. Eine detaillierte Beschreibung der Anbindungstech- nik zwischen integriertem und äußerem metallischen Bauteil erfolgt nicht. Die Fertigung des metallischen Elements ist aufwändig.

Gemäß der DE 10 2007 057 194 A1 wird ebenfalls ein metallisches Element in eine Welle aus Faserverbundwerkstoff einlaminiert. Die Positionierung kann hierbei frei erfolgen. Die Welle aus Faserverbundwerkstoff beinhaltet einen Schaumkern. Die Anbindung eines metallischen Funktionselements, wie beispielsweise eines Zahnrades, auf dem integrierten metallischen Element erfolgt mittels eines Kraftschlusses. Die genaue Anbindung zwischen integriertem Element und Welle aus Faserverbundwerkstoff ist nicht ersichtlich.

Gemeinsam wird in Helms, O. :„Konstruktion und technologische Umsetzung von hochbeanspruchten Lasteinleitungssystemen für neuartige Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise"; Dissertation, TU Dresden, 2006, in der DE 10 2007 051 517 A1 und in der DE 10 2005 020 907 A1 ein Vorgehen beschrieben, Funktionselemente, wie beispielsweise Zahnräder, auf Hohlwellen aus einem Faserver- bundwerkstoff formschlüssig zu befestigen. Die Hohlwelle weist hierbei eine profilierte Außenkontur auf. Die Kontur der Kontaktfläche des Funktionselements korrespondiert mit dieser Kontur. Die Hohlwelle wird geflochten und anschließend in einem Formwerkzeug mit Hilfe eines Schlauchblasverfahrens mit dem Funktionselement verbunden. In diesem Formwerkzeug werden die zu verbindenden Komponenten zueinander positioniert. Zusätzlich zum Formschluss entsteht auf diese Art und Weise ein Stoffschluss. Die axiale Festlegung der Komponenten ist nicht näher betrachtet. Bei der direkten Anbindung von Zahnrädern auf der Welle weisen diese keine standardmäßige Innenkontur auf, was einen großen Fertigungsaufwand zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit zum Verbinden eines insbesondere metallischen Bauteils mit einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff anzugeben. Insbesondere soll eine Möglichkeit zur Schaffung einer Verbindung zwischen einem metallischen Funktions- oder Maschinenelement mit einer Welle aus einem Faserverbundwerkstoff angegeben werden. Die notwendigen Fertigungsschritte sollen sich insbesondere in die technisch bereits realisierten Herstellungsprozesse für Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff integrieren lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle an dem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metallischen, Bauteil mit den Schritten:

Bereitstellen wenigstens eines ersten Teilstücks eines Kernwerkzeugs und wenigstens eines zweiten Teilstücks eines Kernwerkzeugs,

Bereitstellen eines wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement umfassenden, insbesondere metallischen, Verbindungsstücks, Verbinden des ersten Teilstücks und des zweiten Teilstücks unter Zwischenlage des Verbindungsstücks zu einem Kernwerkzeug, Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug unter vorheriger, gleichzeitiger oder nachfolgender Tränkung mit einem Harz, wo- bei das Verbindungsstück mit umschlossen wird, und wobei das oder jedes Form- und/oder Kraftschlusselement des Verbindungsstücks zumindest abschnittsweise frei von Fasermaterial bleibt, Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs und

Entformen des ersten Teilstücks des Kernwerkzeugs und des zweiten Teilstücks des Kernwerkzeugs, wobei das im Faserverbundwerkstoff des gebildeten Bauteils eingebundene Verbindungsstück mit dem wenigstens einen abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement als Fügestelle verbleibt.

Mit diesem Verfahren wird zunächst eine form- und stoffschlüssige Verbindung des Verbindungsstücks mit dem Faserverbundwerkstoff des Bauteils geschaffen. Dies ermöglicht eine fasergerechte Kraft- und Momenteneinleitung in den Faserverbundwerkstoff. Dadurch, dass das Zwischenstück zwischen zwei Teilstücke des Kernwerkzeugs eingefügt wird, kann die Einleitung von Kräften und Momenten über das Verbindungsstück prinzipiell an jeder axialen Position des Bauteils, und insbesondere an jeder axialen Position einer Welle aus Faserverbundwerkstoff erfolgen. Das eingebundene Verbindungsstück stellt mit den abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselementen eine flexible Schnittstelle zwischen dem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff und herkömmlichen und insbesondere metallischen Funktions- oder Maschinenelementen zur Kraft- und Momentübertragung dar. Beispielsweise kann über die Form- und/oder Kraftschlusselemente des Verbindungsstücks ein Zahnrad auf das Bauteil aus Faserverbundwerkstoff montiert werden.

Die zur Einbindung des Verbindungsstücks erforderlichen Prozessschritte können problemlos in die bekannten Herstellungsprozesse für ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff integriert werden. Insbesondere ist der beschriebene Prozessablauf für ein Wickelverfahren, und insbesondere für ein Nasswickelverfahren geeignet. Bei einem Wickelverfahren wird das Fasermaterial beispielsweise in Form von Rovings, also als ein Bündel, ein Strang oder ein Multifilamentgarn aus parallelen Fasern, von einer Spule abgerollt und anschließend auf dem rotierenden Kern- Werkzeug abgelegt. Dabei erfolgt die Roving-Ablage üblicherweise allein durch die Fadenkinematik und ohne spezielle Legeköpfe. Die Umwicklung des Verbindungsstücks kann durch geeignete Formgebung, wie dies nachfolgend noch näher erläutert werden wird, optimiert werden. Beim Nasswickel verfahren wird das Fasermaterial vor dem Aufwickeln durch eine Tränkungsvorrichtung geführt und dort mit Harz getränkt oder imprägniert. Die Integration des Verbindungsstücks in das Bauteil kann jedoch auch über andere bekannte Herstellungsprozesse problemlos erfolgen. Beispielsweise kann das ein„Fiber Placemenf'-Verfahren, also die Ablage von Fasermaterial mit speziell geführten Legeköpfen, sein. Insbesondere kann das Fasermaterial auch eben aufgelegt werden. Das Kernwerkzeug selbst kann zylindrisch sein. Es kann aber auch eine komplexe Geometrie bzw. Form aufweisen; es kann flächig sein oder flächige Teilbereiche aufweisen.

Gemäß dem angegebenen Verfahren ist das Kernwerkzeug in ein erstes Teilstück und in ein zweites Teilstück geteilt, um das die Fügestelle ausbildende Verbindungsstück zwischen den beiden Kernwerkzeughälften zu positionieren. Dazu können die Kernwerkzeughälften während der Aufbringung des Fasermaterials gesteckt, verpresst, verschraubt oder sonst wie in axialer Richtung beieinander gehalten werden. Nach Abschluss der Auftragungsschrittes und Aushärten des Harzes unter Bildung des Faserverbundwerkstoffs werden die Teilstücke des Kernwerkzeugs entformt. Im Bauteil verbleibt das Verbindungsstück als fester Bestandteil. Die Entfernbarkeit der Teilstücke des Kernwerkzeugs ermöglicht die Wiederverwendung des Kernwerkzeugs und erhöht nicht unnötig das spätere Bauteilgewicht. Grundsätzlich können durch das beschriebene Verfahren auch mehrere Verbindungsstücke auf einem Kernwerkzeug platziert werden. Auf diese Weise können in einem Fertigungsschritt gleichzeitig mehrere Bauteile mit jeweils einem Verbindungselement hergestellt werden, wodurch die Produktivität des Verfahrens verbessert wird. Nach Aushärten kann hierzu das hergestellte Produkt in einzelne Bauteile unterteilt werden. Dazu kann vorteilhaft das Kernwerkzeug mehrteilig oder ablängbar ausgebildet sein. Es können auch mehrere Verbindungsstücke nebeneinander platziert werden. Gegebenenfalls kann auch ein entsprechendes Teilstück des Kernwerkzeugs im fertigen Bauteil verbleiben. Je nach Anforderung an die Positioniergenauigkeit kann das entsprechende Teilstück auch aus einem Material hergestellt werden, welches leicht entformt werden kann. Es ist auch möglich, mit teilweise zerstörbaren Kernwerkzeugen zu arbeiten. Auch kann das Kernwerkzeug komplex und mehrteilig ausgebildet sein, um auf diese Weise entfernt werden zu können.

Unter einem Bauteil wird vorliegend zunächst das unmittelbar mit dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellte Produkt verstanden, also ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit eingebundenem Verbindungsstück, wobei wenigstens ein Form- und/oder Kraftschlusselement des Verbindungsstücks als eine Fügestelle verbleibt. Im weiteren Verlauf wird als Bauteil aber auch dieses Produkt mit einem der Fügestelle angebundenen Maschinenelement und/oder Adapterelement bezeichnet.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden, welches als Form- und/oder Kraftschlusselement wenigstens ein sich in Dickenrichtung des Bauteils erstreckendes Mitnehmerelement umfasst. Über das Mitnehmerelement kann später ein Funktions- oder Maschinenelement, oder alternativ ein Adapterelement, mechanisch unter Herstellung eines Formund/oder Kraftschlusses mit dem Verbindungsstück und damit mit dem Bauteil aus Faserverbundwerkstoff gefügt bzw. verbunden werden. Dabei kann neben einer Keilwellenverbindung auch ein Presssitz oder eine Passfederverbindung oder eine Kombination hiervon vorgesehen sein. Bei einer Keilwellenverbindung gleiten insbesondere Nuten des Funktions- oder Maschinenelements oder des Adapterelements über die freien Enden des oder jeden Mitnehmerelements, wobei die gewünschte mechanische Verbindung dann durch einen Form- und Kraftschluss realisiert ist.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden wird, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement bauteilfern einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt und bauteilnah einen im Wesentlichen runden Querschnitt zeigt. Somit weist das Mitnehmerelement im bauteilnahen Bereich eine abgerundete Außenkontur auf. Im bauteilfernen Bereich bleiben beispielsweise rechteckige Keile als Fügestellen bestehen. Die bauteilna- he kreisförmige oder abgerundete Außenkontur in einem unteren Bereich des Mitnehmerelements stellt im späteren Prozess die Fügefläche zum Faserverbundwerkstoff dar. Die dann in das Faserverbundmaterial eingebettete abgerundete oder kreisförmige Kontur stellt eine fasergerechte Grenzfläche dar, die Kerbspannungen an scharfen Kanten verhindert. Der obere, beispielsweise rechteckige Teil des Mitnehmerelements dient zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung des Verbindungsstücks mit weiteren Bauteilen in Form von Maschinen- oder Funktionselementen, insbesondere aus Metall. Eine rechteckige Form des oder jeden Mitnehmerelements ermöglicht dabei eine axiale Verschiebung und damit eine einfache Montage der weiteren Bauteile oder Bauteilkomponenten. Die Verbindung zwischen dem Verbindungsstück und den weiteren Komponenten erfolgt insbesondere und bevorzugt in Anlehnung an eine Keilwellenverbindung.

Alternativ kann auch ein Verbindungsstück bereitgestellt und eingebunden werden, dessen wenigstens eines oder jedes Mitnehmerelement durchgängig einen im Wesentlichen mehrkantförmigen Querschnitt zeigt, wobei jeweils eine Scheibe mit einer gegenüber dem Mitnehmerelement geringeren Dicke mit passendem Innenmehrkant dem oder jedem Mitnehmerelement so aufgeschoben wird, dass jeweils ein bauteilfernes freies Endstück des Mitnehmerelements verbleibt. Diese Differentialbauweise ist aus Fertigungssicht kostengünstiger als die Herstellung der Mitnehmerelemente in einem einzigen Fertigungsschritt, wie beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung.

Auch das Verbindungsstück kann mit dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement integral gefertigt werden. Auch können die Form- und/oder Kraftschlusselemente und das Verbindungsstück in Differentialbauweise hergestellt und vor dem Einsatz zwischen die Teilstücke des Kernwerkzeugs miteinander montiert werden.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement vor dem Aufbringen des Fasermaterials eine abziehbare konische Schutzkappe aufgesetzt, die jeweils nach dem Aufbringen des Fasermaterials oder nach dem Aushärten wieder abgezogen wird. Diese Schutzkappen, die beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sind, dienen als Fertigungshilfsmittel und werden nach dem Aufbringen des Fasermaterials wieder entfernt. Durch die konische Form der Schutzkappen wird ein Abgleiten der Fasern bzw. des Fasermaterials zwischen den einzelnen Form- und/oder Kraftschlusselementen am Verbindungsstück und um die jeweiligen Form- und/oder Kraftschlusselemente herum ermöglicht. Dabei werden die Fasern bzw. das Fasermaterial möglichst wenig geschädigt. Durch die Schutzkappen wird auch eine unerwünschte Verschmutzung der Form- und/oder Kraftschlusselemente durch Harz verhindert, wodurch die Positioniergenauigkeit einer Anbindung an der durch die Form- und/oder Kraftschlusselemente geschaffenen Fügestelle verringert wäre.

Nach dem Aufbringen des Fasermaterials ist das Verbindungsstück mit Fasermaterial bzw. mit dem gebildeten Faserverbundwerkstoff vollständig umschlossen. Die Fasern bzw. das Fasermaterial umschließen den unteren und insbesondere abgerundeten Teil der Form- und/oder Kraftschlusselemente. Ein entsprechendes Wickelverfahren zeichnet sich dabei durch eine flexible und anforderungsgerechte Wahl des Wickelwinkels aus, da die Fasern bzw. das Fasermaterial sowohl zwischen den Form- und/oder Kraftschlusselementen als auch mittig über den Formund/oder Formschlusselementen, geschützt durch die Schutzkappen, abgelegt werden können.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung werden die Teilstücke des Kernwerkzeugs jeweils als Zylinder oder als Hohlzylinder bereitgestellt. Hierdurch wird als Bauteil aus Faserverbundwerkstoff eine Hohlwelle gefertigt, die entlang ihrer axialen Richtung ein in den Faserverbundwerkstoff integriertes Verbindungsstück mit mechanischen Fügestellen umfasst. Das Verbindungsstück ist hierbei bevorzugt als ein Verbindungsring ausgebildet. Über den in einer Welle eingebundenen Verbindungsring kann dann mit einem Funktions- oder Maschinenelement oder Adapterelement eine mechanische Verbindung nach Art einer Welle-Nabe-Verbindung hergestellt werden.

Bevorzugt wird dem eingebundenen Verbindungsstück des Bauteils unter Herstellung einer Verbindung mit dem oder jedem Form- und/oder Kraftschlusselement ein Adapterelement aufgebracht. Zweckmäßigerweise wird dabei ein Adapterelement verwendet, welches Mittel zur axialen Festlegung und/oder Zentrierung um- fasst. Das Adapterelement wird dann über diese Mittel an dem Verbindungsstück axial festgelegt und/oder zentriert. Das Adapterelement kann beispielsweise in axialer Richtung über die Mitnehmerelemente, die an ihrem freien Ende insbesondere rechteckig ausgebildet sind, geschoben werden. Durch Passstifte, die in radialer Richtung durch das Adapterelement geschoben werden, kann das Adapterelement gegenüber dem Bauteil bzw. der Welle aus Faserverbundwerkstoff axial festgelegt werden. Auch kann das Adapterelement über einen Sicherungsring gegenüber den Form- und/oder Kraftschlusselementen axial festgelegt werden. Die Festlegung in Umfangsrichtung und die Zentrierung der Teile zueinander erfolgt vorteilhafterweise form- und/oder kraftschlüssig durch die Form- und/oder Kraftschlusselemente bzw. Mitnehmerelemente oder mit anderen Worten durch Anlage an deren entsprechenden Kontaktflächen. Auch durch die vorgenannten Passstifte kann eine Festlegung in Umfangsrichtung erfolgen.

Das Adapterelement ist bevorzugt wie das Verbindungsstück aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Beide Teile können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren des Maschinenbaus hergestellt werden. Das Adapterelement besitzt beispielsweise auf der Innenseite Nuten, die flanken- oder außenzentriert eine formschlüssige Verbindung mit den Form- und/oder Kraftschlusselementen bzw.

Mitnehmerelementen bilden.

Auf der Außenseite des Adapterelements können verschiedene aus der Metalltechnik bekannte Verbindungen, insbesondere Welle-Nabe-Verbindungen, realisiert sein. Bevorzugt sind hierbei beispielsweise ein Presssitz, eine Keilwellenverbindung und eine Passfederverbindung ausgestaltet. Je nach Belastungsart und Höhe der zu übertragenden Last kann eine geeignete Verbindungsart gewählt und in das Adapterelement integriert werden. Bevorzugt ist auch das Adapterelement als ein Adapterring gegeben, der einem Verbindungsring eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoff aufgesetzt ist. Durch die Verwendung eines Adapterelements können standardisierte Anbindungstechniken eingesetzt werden, die von Maschi- nenkomponentenherstellern in großen Stückzahlen und in standardisierten Bau- formen angeboten werden. Auf kostspielige Sonderverbindungen kann verzichtet werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem nach dem vorbeschriebenen Verfahren eingebundenen Verbindungsstück mit wenigstens einem abschnittsweise freien Form- und/oder Kraftschlusselement als Fügestelle gelöst.

Die für das Verfahren zum Herstellen einer Fügestelle und für dessen vorteilhafte Weiterbildungen genannten Vorteile lassen sich dabei sinngemäß auf das Bauteil übertragen.

Bevorzugt umfasst das Bauteil ein Adapterelement, das mittels des oder jeden Form- und/oder Kraftschlusselements mit dem Verbindungsstück verbunden ist. Weiter bevorzugt ist ein Maschinenelement umfasst, das mit dem Adapterelement verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff als eine Welle mit einem ringförmigen Verbindungsstück ausgebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung ein Kernwerkzeug mit zwei Teilstücken und einem dazwischen angeordneten Verbindungsstück,

Fig. 2 ein Kernwerkzeug mit zwei Teilstücken und einem dazwischen angeordneten Verbindungsstück in zusammengesetzter Form,

Fig. 3 das Kernwerkzeug nach Fig. 2 mit am Verbindungsstück angeordneten Schutzkappen,

Fig. 4 das Kernwerkzeug nach Fig. 3 mit aufgebrachtem Fasermaterial, Fig. 5 das sich nach Entformen der Teilstücke des Kernwerkzeugs entsprechend Fig. 4 ergebende Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff,

Fig. 6 das Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach Fig

aufmontierten Adapterelement,

Fig. 7 das Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach Fig

dem Adapterelement aufmontierten Zahnrad, und

Fig. 8 ein alternatives Adapterelement.

Aus Fig. 1 wird ersichtlich, wie aus einem ersten Teilstück 1 und aus einem zweiten Teilstück 2 unter Zwischenlage eines Verbindungsstücks 3 ein Kernwerkzeug 4 zur Herstellung eines wellenförmigen Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff zusammengesetzt wird. Die beiden Teilstücke 1 , 2 sind jeweils als Hohlzylinder ausgebildet. Das später Fügestellen zur Anbindung an ein Funktions- oder Maschinenelement oder an ein Adapterelement aufweisende Verbindungsstück 3 wird zwischen die beiden Teilstücke 1 und 2 eingesetzt. Unter Einspannung des Zwischenstücks 3 werden die Teilstücke 1 , 2 mittels innerer Anschlussformen 6 und einer Gewindestange 10 miteinander verschraubt. Die Anschlussformen 6 werden in die jeweiligen Teilstücke 1 , 2 eingesetzt und dienen der verbesserten Übertragung eines Torsionsmoments zwischen den Teilstücken 1 , 2 des Kernwerkzeugs 4. Vorliegend wird das Fasermaterial mittels eines Wickelverfahrens auf das Kernwerkzeug 4 aufgebracht. Dazu wird das Kernwerkzeug 4 in Rotation versetzt.

Das Verbindungsstück 3 umfasst in Umfangsrichtung gleichverteilt drei Formund/oder Kraftschlusselemente 12, die durchgängig einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 sind integral mit dem Verbindungselement 3 gefertigt. Die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 sind als rechteckige Mitnehmerelemente 14 ausgeformt und stellen somit jeweils typische Fügestellen 15 zur Verbindung mit einem weiteren, insbesondere metalli- sehen, Bauteil dar. Das Verbindungsstück 3 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.

Vor dem Aufbringen von Fasermaterial auf das Kernwerkzeug 4 werden den Form- und/oder Kraftschlusselementen 12 bzw. Mitnehmerelementen 14 jeweils Scheiben 1 6 mit passendem Innenmehrkant auf Anschlag aufgeschoben. Die freibleibenden Enden der Mitnehmerelemente 14 werden jeweils mit einer Schutzkappe 17 versehen. Am Grund oder bauteilnahen Ende der Mitnehmerelemente 12 ergibt sich somit eine runde Außenkontur bzw. ein runder Querschnitt. Am freien oder bauteilfernen Ende der Mitnehmerelemente 12 ergibt sich eine Fügestelle 15 mit rechteckigem Querschnitt.

Aus Fig. 2 ist ein zusammengesetztes Kernwerkzeug 4 ähnlich Fig. 1 ersichtlich. Im Unterschied zu dem Kernwerkzeug 4 nach Fig. 1 weist das Kernwerkzeug 4 in Fig. 2 ein Verbindungsstück 3 auf, welches über seinen Umfang verteilt insgesamt 4 Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 aufweist. Auf jedes dieser Formund/oder Kraftschlusselemente 12 ist jeweils eine Scheibe 1 6 aufgeschoben. Es resultiert ein runder Querschnitt in Bauteilnähe 22. Am freien bauteilfernen Ende 20 verbleibt der rechteckige Querschnitt des Form- und/oder Kraftschlusselements 12.

In Fig. 3 ist das Kernwerkzeug 4 nach Fig. 2 dargestellt, wobei nun den freien Enden 20 der einzelnen Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 jeweils eine konische Schutzkappe 17 aufgesetzt ist.

Anschließend wird das Kernwerkzeug 4 mit Fasermaterial, beispielsweise gemäß dem Nasswickelverfahren unter Rotation des Kernwerkzeugs 4, umwickelt. In diesem Fertigungszustand, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, trägt das Kernwerkzeug 4 bereits das spätere Bauteil 24, welches als eine Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff 25 gegeben ist. Dabei sind die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 an ihrer Basis 22 mit rundem Querschnitt vollständig mit Fasermaterial 25 umwickelt. Über die konusförmigen Schutzkappen 1 7 wird erreicht, dass beim Umwickeln die Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 vollständig umwickelt und auch die Bereiche zwischen den Form- und/oder Kraftschlusselementen 12 gleichmäßig mit Fasermaterial 24 belegt sind.

Nach Aushärten des Harzes werden die beiden Teilstücke 1 , 2 des Kernwerkzeugs 4 entformt. Aus Fig. 5 wird das resultierende Bauteil 24 in Form einer Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff 25 ersichtlich. Dabei ist das Verbindungsstück 3 in das Faserverbundmaterial 25 integriert. Als Fügestellen 15 ragen die freien Enden 20 der Form- und/oder Kraftschlusselemente 12 hervor.

In Figur 6 ist ein Bauteil 24 entsprechend Figur 5 dargestellt, wobei unter Realisation einer mechanischen Verbindung nach Art einer Keilwellenverbindung den rechteckigen Fügestellen 15 ein Adapterelement 30 axial aufgeschoben ist. Es resultiert ein Form- und Kraftschluss zwischen dem Adapterelement 30 und dem Verbindungsstück s. Die Kraft- und Momenteneinleitung geschieht dabei über die Form- und / oder Kraftschlusselemente, und hierbei insbesondere über deren abgerundeten bauteilnahen Grund. Das in Figur 6 dargestellte Adapterelement 30 ist zu einer Welle-Nabe- Verbindung nach Art einer Keilwellenverbindung ausgelegt. Über in die sichtbaren Bohrungen eingeführte Passstifte 31 , die in die radialen Bohrungen an den Form- und/oder Kraftschlusselementen 20 (sichtbar z.B. in Figur 5) eindringen, wird das Adapterelement 30 gegenüber dem Bauteil 24 in axialer Richtung und in Umfangsrichtung festgelegt. Über Kontaktflächen 32 in Nuten des Adapterelements 30 erfolgt dessen Zentrierung am Bauteil. Die Kontaktflächen 32 wirken hierbei mit den Kontaktflächen der Form- und/oder Kraftschlusselemente 20 entsprechend Figur 5 zusammen.

Aus Figur 7 wird das Bauteil entsprechend Figur 6 ersichtlich, wobei dem Adapterelement 30 unter Ausbildung einer Keilwellenverbindung als ein Maschinenelement 34 ein Zahnrad gefügt ist.

In Figur 8 ist ein alternatives Adapterelement 35 dargestellt, welches zu einer Passfederverbindung mit einem Maschinen- oder Funktionselement ausgestaltet ist. Bevorzugt sind die dargestellten Verbindungsstücke 3, Adapterelemente 30, 35 und Maschinenelemente 34 aus Metall hergestellt. Das gezeigte Bauteil 24 aus einem Faserverbundwerkstoff 25 ist als eine Hohlwelle hergestellt.

Bezugszeichenliste

1 erstes Teilstück

2 zweites Teilstück

3 Verbindungsstück

4 Kernwerkzeug

6 innere Anschlussform

8 äußere Anschlussform

10 Gewindestange

12 Form- und/oder Kraftschlusselement

14 rechteckiges Mitnehmerelement

15 Fügestelle

1 6 Scheibe

17 Schutzkappe

20 freies Ende, eckig

22 bauteilnah, rund

24 Bauteil

25 Faserverbundwerkstoff

30 Adapterelement

31 Passstift

32 Kontaktfläche

34 Maschinenelement (Zahnrad)

35 Adapterelement