DE102023136102A1

DE102023136102A1 - Getriebeelement sowie Verfahren zum Herstellen eines Getriebeelements

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Publication number: DE102023136102A1
Application number: DE102023136102.3A
Authority: DE
Inventors: Chokri Cherif; Anwar Abdkader; Matthias Overberg; Konstantin Smetankin
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2023-12-20
Filing date: 2023-12-20
Publication date: 2025-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebeelement (1) aus faserverstärktem Kunststoff, wobei der faserverstärkte Kunststoff eine thermoplastische Matrix (11) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (12) umfasst. Das Getriebeelement (1) umfasst zumindest einen Zahnbereich (2) mit mehreren Zähnen (3), mit dem das Getriebeelement (1) formschlüssig mit einem zu dem Zahnbereich (2) im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Zahnabschnitt eines weiteren Getriebeteils in Eingriff bringbar ist. Das erfindungsgemäße Getriebeelement zeichnet sich dadurch aus, dass in der thermoplastischen Matrix (11) Verstärkungsfasern (12) mit einer individuellen Länge von mehr als 5 mm homogen eingebettet sind, wobei diese Verstärkungsfasern (12) eine mittlere Faserlänge von mehr als 10 mm und bis zu 500 mm aufweisen und in dem Getriebeelement (1) in relativer Ordnung zueinander ausgerichtet sind, einschließlich in den Zähnen des mindestens einen Zahnbereichs (2). Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Getrieben mit einem solchen Getriebeelement sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Getriebeelements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebeelement aus faserverstärktem Kunststoff, wobei der faserverstärkte Kunststoff eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern umfasst, wobei das Getriebeelement zumindest einen Zahnbereich mit mehreren Zähnen aufweist, mit dem das Getriebeelement formschlüssig mit einem zu dem Zahnbereich im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Zahnabschnitt eines weiteren Getriebeteils in Eingriff bringbar ist.
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) gehören zur Untergruppe der Verbundwerkstoffe und bestehen aus zwei oder mehr Komponenten. Beispielsweise ist der Einsatz von FKV im Flugzeugbau, in industriellen Bauteilen sowie im Sport (Formel-1-Rennwagen, Rennrädern) bekannt. Auch sind in Spritzguss hergestellte Schrauben aus einem thermoplastischen Material mit darin in Wirrlage vorhandenen Kurzfasern im Längenbereich von wenigen Millimetern, d.h. ≤5 mm, bekannt.
Die Hauptnachteile heutiger kurzfaserverstärkter Getriebeelemente, insbesondere von Zahnradgetrieben, sind die im Vergleich zu metallischen Zahnradgetrieben geringen mechanischen Eigenschaften insbesondere der Zahnradzähne. Zudem sind die Herstellungskosten im Vergleich zu Zahnradgetrieben aus Metall höher. Die hohen Kosten von faserverstärkten Antriebelementen resultieren u.a. aus den zur Herstellung notwendigen großen Energiemenge und den hohen Materialpreisen.
Insgesamt weisen Getriebeelemente aus kurzfaserverstärktem Kunststoff, die mit den bisher bekannten Verfahren des Spritzgießens oder auch der additiver Fertigung hergestellt sind, relativ schlechte mechanische Eigenschaften, eine häufig mangelhafte Verarbeitungseffizienz (insbesondere bei kurzen Fasern, die oft agglomerieren, was eine gleichmäßige Verteilung im Kunststoff erschwert) und eine ungleichmäßige Oberfläche auf, was zu sichtbaren Defekten führt. Die übertragbaren Lasten in Zahnradgetrieben aus bekannten kurzfaserverstärkten Kunststoffen sind zudem in vielen Fällen nur durch die Anwendung von aufwendigen Verfahren (Hinterspritztechnik usw.) umsetzbar.
Weiterhin sind Getriebeelemente aus mit Endlosfasern verstärkten Kunststoffen bekannt, die zwar generell gute mechanische Eigenschaften aufweisen, jedoch aufgrund der begrenzten Formbarkeit der Endlosfasern Designbeschränkungen bedingen. Komplexe geometriegerechte Textilstrukturen mit insbesondere engen Radien oder scharfen Kanten können vielmehr nur mittels einer komplexen Halbzeugfertigung mit mehrstufigen längeren Herstellungsprozessstufen umgesetzt werden. Dies macht den Herstellungsprozess sehr zeitintensiv und die Herstellkosten sind hoch.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Getriebeelemente gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Verfügung zu stellen, die hochbelastbar bei insgesamt guten mechanischen Eigenschaften und zudem relativ einfach und kostengünstig herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Getriebeelement aus faserverstärktem Kunststoff vorgeschlagen, dessen Material eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (auch als Hochleistungsfasern bezeichnet), die eine individuelle Länge von mehr als 5 mm - gemäß bevorzugten Ausführungsformen von mindestens 10 mm - aufweisen, umfasst. Es können zwar auch Verstärkungsfasern mit einer kleineren individuellen Länge vorhanden sein; wenn solche vorhanden sind, sind sie jedoch nicht Teil der Erfindung und werden daher im Folgenden nicht berücksichtigt. Wenn daher im Folgenden von Verstärkungsfasern die Rede ist, sind damit diejenigen mit einer individuellen Länge von mehr als 5 mm, vorzugsweise von mindestens 10 mm, gemeint.
Gemäß der Erfindung weist das Getriebeelement zumindest einen Zahnbereich auf, mit dem das Getriebeelement formschlüssig mit einem zu dem Zahnbereich im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Aufnahmeabschnitt eines anderen Getriebeteils in Eingriff bringbar ist. Diejenigen Verstärkungsfasern, die eine individuelle Länge von mehr als 5, vorzugsweise von mindestens 10 mm, besitzen, weisen eine mittlere Länge bzw. Faserlänge von mehr als 10 mm und bis zu 500 mm auf und sind zudem in dem Getriebeelement in relativer Ordnung zueinander ausgerichtet. Diese relative Ordnung zueinander weisen auch Verstärkungsfasern auf, die in den Zähnen des mindestens einen Zahnbereichs des Getriebeelements vorhanden sind.
Die Formulierung „Verstärkungsfasern sind in relativer Ordnung zueinander ausgerichtet“ bedeutet, dass die Verstärkungsfasern nicht in einer Wirrlage in dem Thermoplast vorliegen, sondern in ihrer überwiegenden Mehrzahl - aber nicht zwangsläufig über ihre jeweilige gesamte Länge - eine zumindest grobe relative Orientierung zueinander aufweisen, insbesondere in eine oder mehrere Vorzugsrichtungen. Bei Ausrichtung in einer Vorzugsrichtung laufen dann zumindest längere Abschnitte von einzelnen Verstärkungsfasern nebeneinander und zwar linear oder gekrümmt, mit beispielsweise einer Abweichung in einer Richtung von bis zu 5-20°. Insbesondere bei Verstärkungsfasern, die in den Zähnen des erfindungsgemäßen Getriebeelements angeordnet sind, ist es möglich, dass diese Verstärkungsfasern zwei oder mehrere Vorzugsrichtungen aufweisen. Verstärkungsfasern, die zwischen in diesen beiden Vorzugsrichtungen ausgerichteten Verstärkungsfasern liegen, können insbesondere sukzessive von einer in die andere Vorzugsrichtung übergehen. Insbesondere ist die besagte relative Ordnung nicht auf (lineare) Richtungen beschränkt, sondern können auch gekrümmte Verläufe aufweisen, insbesondere in den Zähnen des mindestens einen Zahnbereichs und in Übergangsabschnitten zum und in den mindestens einen Zahnbereich. Insbesondere ist es möglich, dass mehrere benachbarte Verstärkungsfasern einen ähnlich konvexen Verlauf aufweisen. Durch eine relative Ordnung der Verstärkungsfasern zueinander und deren homogene Verteilung, d.h. eine im Wesentlichen über den Querschnitt gleichmäßige Verteilung, können diese lastpfadgerecht in der Thermoplastmatrix ausgerichtet werden, um auch große Drehmomente mittels des Getriebeelements übertragen zu können. Hierbei muss die Übertragung der im Betrieb wirkenden Kräfte, d.h. insbesondere der Schwerkräfte an der Grenzfläche zwischen der thermoplastischen Matrix und den Verstärkungsfasern, gewährleistet werden. Die Verstärkungsfasern sind hierbei optimalerweise in Lastrichtung ausgerichtet.
Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die mittlere Faserlänge ein statistisches Maß, das die durchschnittliche Länge der Fasern in einem Material quantifiziert. Die mittlere Faserlänge wird durch Messung der Längen individueller Fasern aus einer repräsentativen Stichprobe von Fasern, deren anschließender Summierung und der Division durch die Anzahl gemessener Proben berechnet.
Die mittlere Faserlänge der Verstärkungsfasern mit einer individuellen Länge von mehr als 5 mm, vorzugsweise von mindestens 10 mm, beträgt vorteilhafterweise mindestens 20 mm, beispielsweise mindestens 30 mm oder mindestens 40 mm. Die zu wählende mittlere Faserlänge hängt insbesondere von den jeweiligen Anforderungen an das Getriebeelement und dessen Einsatz ab.
Der Volumenanteil der Verstärkungsfasern kann beispielsweise zwischen 20% und 70%, vorzugsweise zwischen 40 % bis 60 %, betragen. Ein beispielhafter Volumenanteil der Verstärkungsfasern liegt bei ca. 50 %. Gewünscht ist eine gute bis optimale Fließfähigkeit, wenn das im Folgenden beschriebene Thermopressverfahren zum Einsatz kommt.
Vorzugsweise ist das Getriebeelement in einem Thermopressverfahren hergestellt. Andere gebräuchliche Begriffe für dieses Verfahren sind beispielsweise Formpressen und Fließpressen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2018 117 883 A1 beschrieben. Das Thermopressverfahren, bei dem ein durch Temperatur aufschmelzender Thermoplast, beispielsweise in Form von Thermoplastfasern, in dem Thermoplast eingebettete Verstärkungsfasern durch Druckanwendung in gewünschte Bereiche eines Presswerkzeugs presst, ermöglicht die Herstellung von Verstärkungsstrukturen mit einstellbaren Eigenschaften aufgrund der Vielfalt der verarbeitbaren Fasermaterialien. Beispielsweise können mit Carbonfasern (CF) hochsteife Strukturen realisiert werden, während mit Aramid-Fasern schlagzähe Strukturen erzeugt werden können. Weitere Details zum Thermopressverfahren finden sich weiter unten bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie oben schon angerissen, verlaufen besonders bevorzugt jeweils mehrere Verstärkungsfasern in relativer Ordnung zueinander konvex in Zähnen des Zahnbereichs. Hierbei sind die Verstärkungsfasern nahe der Zahnkanten im Mittel stärker konvex gekrümmt als die Verstärkungsfasern, die weiter weg von Zahnkanten verlaufen. Ein solcher Verlauf wird insbesondere beim Einsatz des oben genannten Thermopressverfahrens erhalten. Die Verstärkungsfasern, die aufgrund der Mitnahme durch den Thermoplast von innen gegen die Zahnkanten gedrückt werden, legen einen größeren Weg zurück als weiter innen liegende Verstärkungsfasern, wobei die weiter außen im Bereich der Zahnkanten zu liegen kommenden Verstärkungsfasern im Wesentlichen die Krümmung dieser Zahnkanten annehmen.
Der Zahnbereich des erfindungsgemäßen Getriebeelements kann beispielsweise Teil eines Zahnrads sein oder das gesamte Zahnrad darstellen. Der Zahnbereich ist vorzugsweise als Stirnrad, Zahnstange, Ellipsenrad, Kegelrad, Kronenrad, Schneckenrad oder Schnecke ausgeführt.
Der Zahnbereich kann beispielsweise das gesamte erfindungsgemäße Getriebeelement darstellen, beispielsweise in Form eines Zahnrads. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Getriebeelement mindestens eine Welle (als Vollwelle oder Hohlwelle) und/oder mindestens eine Achse, die einstückig mit dem Zahnbereich bzw. dem Zahnrad verbunden ist. Hierbei verlaufen vorzugsweise einige der Verstärkungsfasern abschnittsweise in dem Bereich der Welle bzw. Achse und abschnittsweise in dem Zahnbereich. Hierdurch wird der Zahnbereich bzw. das Zahnrad integral an die Welle bzw. Achse angebunden. Die Generierung einer solchen An- bzw. Verbindung erfordert keinen diskreten Prozessschritt.
Bei einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist derjenige Abschnitt der besagten Verstärkungsfasern, der im Bereich der Welle bzw. Achse verläuft, im Wesentlichen in Richtung der Welle bzw. der Achse ausgerichtet, während derjenige Abschnitt, der im Zahnbereich verläuft, im Wesentlichen senkrecht zur Welle bzw. der Achse ausgerichtet ist. Solche Verstärkungsfasern stärken die Anbindung des Zahnbereichs an die Welle bzw. Achse.
Bevorzugt bestehen die Verstärkungsfasern aus Stapelfasern, z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern. Die Verstärkungsfasern können hierbei als virgine, aber auch als recycelte Hochleistungsfasern vorliegen, z.B. als recycelte Glasfasern (rGF), recycelte Kohlenstofffasern (rCF) oder recycelte Aramidfasern (rAR). Auch können Mischungen aus virginen und recycelten Fasern verwendet werden. Allgemein sind vorliegend unter dem Begriff „Verstärkungsfasern“ bevorzugt künstlich hergestellte Fasern zu verstehen; als Verstärkungsfasern können beispielsweise aber auch Mischungen aus Kunstfasern und Naturfasern eingesetzt werden oder auch ausschließlich Naturfasern, sofern sie die thermischen und mechanischen Voraussetzungen für den Einsatz erfüllen.
Während oben ein erfindungsgemäßes Getriebeelement beschrieben wurde, das mit einem Getriebeteil in Eingriff gebracht werden kann, besteht gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch dieses Getriebeteil aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale.
Die Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorbeschriebenen Getriebeelements gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12. Dieses Verfahren ist ein Thermopressverfahren, wie es in seinen Grundzügen oben beschrieben wurde.
Bei einem vorteilhaften Thermopressverfahren, das auch in der o.g. DE 10 2018 117 883 A1 beschrieben ist, wird ein sich flächig erstreckendes, vorzugsweise ebenes, textiles Halbzeug, das mindestens Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern enthält, in den Innenraum eines Presswerkzeugs eingebracht, vorzugsweise eingelegt. Hierbei ist der besagte Innenraum durch Oberflächen von mindestens einem ersten und zweiten Pressteil des Presswerkzeugs begrenzt. Weiterhin ist zumindest in einer der besagten Oberflächen mindestens ein Hohlraum ausgebildet, der vom eingebrachten mindestens einen textilen Halbzeug vorerst nicht ausgefüllt wird. Das textile Halbzeug wird im Presswerkzeug über die Schmelztemperatur oder den Schmelztemperaturbereich der Thermoplastfasern erhitzt. Hierdurch schmelzen die Thermoplastfasern, wobei das erste und/oder das zweite Pressteil derart nachgeführt werden, dass der Thermoplast zu fließen beginnt und in den mindestens einen Hohlraum eindringt. Bei dieser Bewegung nimmt der Thermoplast Verstärkungsfasern mit, so dass nun in dem mindestens einen Hohlraum eine thermoplastische Matrix und in ihr eingebettete Verstärkungsfasern vorhanden und, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, homogen im Querschnitt in der Matrix verteilt sind. Anschließend wird das textile Halbzeug in dem Presswerkzeug konsolidiert, indem das textile Halbzeug unter die Erstarrungstemperatur des Thermoplasts abgekühlt wird, um schließlich den Faserkunststoffverbund aus dem Presswerkzeug zu entnehmen.
Bei diesem Fließ- bzw. Thermopressverfahren werden die Pressteile relativ zueinander entsprechend dem Aufschmelzen der Thermoplastfasern nachgeführt, damit durch diesen werkzeugseitigen Verdrängungsprozess die Verstärkungsfasern zusammen mit dem geschmolzenen Thermoplast in den Hohlraum eindringen können, um in diesem Hohlraum das gewünschte Getriebeelement zu realisieren. Zusätzlich zum durch das Pressen realisierten Verdrängen können auch weitere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Luftströmung, den Fließprozess des Thermoplasts unterstützen. Die in dem mindestens einen Hohlraum verdrängte Luft wird vorzugsweise durch einen sog. Steiger abgeführt. Im Ergebnis wird eine durchgehende Faserverbundstruktur in Form eines FVK-Getriebeelements erhalten, in welchem Verstärkungsfasern homogen im Querschnitt in der thermoplastischen Matrix verteilt sind.
Das Thermopressverfahren ist für die Herstellung von Getriebeelementen auf Basis von faserverstärkten Verbundstrukturen aus mehreren Gründen sehr geeignet. Da das Verfahren zur Verarbeitung von langen Fasern, insbesondere solchen mit einer Länge von 10 mm, geeignet ist, sind Verbundstrukturen mit hoher Festigkeit und Steifigkeit herstellbar. Durch den hohen Druck, der auf das Material ausgeübt wird, können die Fasern gut in das Harz eingebettet und eine optimale Verbindung hergestellt werden. Dies führt zu Bauteilen mit einer hohen Tragfähigkeit und Langlebigkeit. Weiterhin ist die Einstellung einer kontrollierten Faserorientierung erreichbar, da die Fasern beim Thermopressverfahren gezielt in der Verbundstruktur in die gewünschte Richtung ausgerichtet werden. Dies ermöglicht eine lastpfadgerechte Anordnung der Fasern, um die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu optimieren. Auch erlaubt das Thermopressverfahren eine große Designflexibilität, da komplexe Formen und Geometrien realisiert werden können. Durch den Einsatz von speziell gefertigten Presswerkzeugen können Bauteile mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen hergestellt werden. Schließlich ermöglicht das Thermopressverfahren eine effiziente Serienproduktion von Getriebeelementen wie beispielsweise Zahnradgetrieben, denn es ist möglich, mehrere Bauteile gleichzeitig zu pressen, was die Produktionsgeschwindigkeit erhöht und die Kosten pro Bauteil senkt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein textiles Halbzeug für die Herstellung des erfindungsgemäßen Getriebeelements verwendet, das zumindest teilweise aus Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern besteht, beispielsweise in Form eines Pregpregs oder Organoblechs. Hierbei schmilzt beim besagten Erhitzen zumindest ein Teil der Thermoplastfasern. Diese bilden dann bei der Verbundherstellung zumindest einen Teil der thermoplastischen Matrix bzw. vollständig die thermoplastische Matrix, wenn außer den Thermoplastfasern keine weiteren Thermoplaststrukturen im ausgangsseitigen textilen Halbzeug vorhanden sind.
Weiterhin können die Verstärkungsfasern durch das Thermopressverfahren gezielt in die gewünschte Richtung ausgerichtet und im gewünschten Bereich platziert werden, wenn das geschmolzene Thermoplast, insbesondere in Form von geschmolzenen Thermoplastfasern, in die Werkzeugform fließt. Dies ermöglicht die Transformation von 2D-Faserstrukturen in 3D-Verbundstrukturen mit einer ausgerichteten Anordnung der Verstärkungsfasern entlang der Lastpfade.
Vorzugsweise enthält der Thermoplast, beispielsweise in Form von Thermoplastfasern, ein Polyethylen, ein Polypropylen, Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder ein Polyamid.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen wird ein textiles Halbzeug für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, bei dem Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern, vorzugsweise alle Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern, in einem Hybridgarn oder einer Hybridstruktur, beispielsweise einem Hybridtape (dessen Breite von 1 cm bis mehr als einen Meter betragen kann), vorliegen. Die Thermoplastfasern weisen hierbei vorzugsweise ein einstellbares Auflöseverhalten auf, so dass das Erhitzen und Formen des Halbzeugs präzise kontrollierbar ist.
Es können unterschiedlichste Arten von Hybridgarnen oder Hybridstrukturen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können die einzelnen Fasern der Verstärkungsfasern und der Thermoplastfasern im Wesentlichen nebeneinander verlaufen, ohne dass sie speziell miteinander verbunden wären. Alternativ können beispielsweise Thermoplastfasern um Verstärkungsfasern spiralförmig herumgewunden sein, wobei Wicklungen mit oder ohne freibleibende Oberflächenbereiche der Verstärkungsfasern möglich sind. Bei einer weiteren Alternative sind Garne aus Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern miteinander verzwirnt. Oder die Thermoplastfasern liegen beispielsweise als Filamentgarn vor und bilden beispielsweise eine erste Seele eines Coregarns. Eine zweite Seele des Coregarns wird beispielsweise aus homogen dispergierten Thermoplastfasern, z.B. in Form von Stapelfasern, sowie Verstärkungsfasern als Stapelfasern im Bereich von mittleren Faserlängen von 10 mm bis 500 mm, beispielsweise im Bereich von 20 mm bis 120 mm mittlerer Faserlänge, gebildet. Diese beiden Seelen werden beispielsweise mittels Thermoplastfasern in Form von Stapelfasern derselben Art ummantelt.
Andere Anordnungen der Verstärkungsfasern und der Thermoplastfasern relativ zueinander zur Bildung von Hybridgarnen oder Hybridstrukturen sind ohne weiteres möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann ein textiles Halbzeug verwendet werden, bei dem Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Binde- oder Klebefasern verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der thermoplastischen Binde- oder Klebefasern beim besagten Erhitzen schmilzt. Mittels solcher Binde- oder Klebefasern ist - bei entsprechend strukturellem Aufbau des textilen Halbzeugs - ein gezieltes Herauslösen von Verstärkungsfasern möglich.
Auch ist es möglich, ein textiles Halbzeug zu verwenden, bei dem - zusätzlich oder alternativ zu den besagten Thermoplastfasern - ein Teil der Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Matrix eingebettet ist, die dann bei einer entsprechend hohen Temperatur schmilzt und ebenfalls Verstärkungsfasern mit in den mindestens einen Hohlraum zieht.
Beim Einsatz des Thermopressverfahrens kann mindestens ein textiles Halbzeug verwendet werden, bei dem - in Bezug auf die Verstärkungsfasern und/oder die Thermoplastfasern - mindestens eines der folgenden Kriterien gilt (logische Widersprüchlichkeiten sind hierbei ausgenommen): gleiche mittlere Faserlänge; homogene Verteilung von Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern; unterschiedliche mittlere Faserlängen in unterschiedlichen Abschnitten des mindestens einen textilen Halbzeugs; unterschiedliche Faserlängenverteilungen in unterschiedlichen Abschnitten des mindestens einen textilen Halbzeugs; unterschiedliche Faserarten in unterschiedlichen Abschnitten des mindestens einen textilen Halbzeugs; unterschiedliche Thermoplaste in unterschiedlichen Abschnitten des mindestens einen textilen Halbzeugs; unterschiedliche Dicken in unterschiedlichen Abschnitten des mindestens einen textilen Halbzeugs. Je nach gewünschtem Anforderungsprofil des fertigen Faserkunststoffverbundes bzw. FVK-Getriebeelements können somit unterschiedliche Parameter variiert werden.
Das mindestens eine textile Halbzeug liegt vorzugsweise in Form eines Gewebes, Geleges, Gewirks, Gesticks, Geflechts, Gestricks, in Form von unidirektionaler (UD) Hybridfaserstrukturen, definiert abgelegten Fäden bzw. Rovings oder einer Mischform aus den vorgenannten textilen Flächengebilden vor.
Um ein gezieltes Fließen des Thermoplastmaterials und der darin schwimmenden Verstärkungsfasern während des Pressvorgangs zu ermöglichen, wird das Presswerkzeug entsprechend konstruiert. Folgende Anpassungsschritte werden hierbei vorteilhafterweise vorgenommen:

1. Bandherstellung: Das textile Halbzeug aus Faserstrukturen mit Thermoplast- und stapelfaserbasierten Verstärkungsfasern wird mit einer spezifischen Fließfähigkeit, unter Berücksichtigung des Presswerkzeugs und der Geometrie des Getriebeelements, hergestellt.
2. Konfektionierung und Performing (optional): Für sehr komplexe Geometrien kann eine vorhergehende Konfektionierung und ein Preforming durchgeführt werden.
3. Formgebung: Das Presswerkzeug verfügt über eine spezifische Form, die die gewünschte Geometrie und Struktur des Endprodukts ermöglicht. Es kann beispielsweise Hohlräume, Kanäle oder Vertiefungen enthalten, um das Material in die gewünschte Richtung zu lenken.
4. Führungselemente: Das Werkzeug kann Führungselemente enthalten, die das Fließen des Materials steuern und beeinflussen. Diese Elemente können beispielsweise Rillen, Nuten oder Vertiefungen sein, die das Material in bestimmte Bahnen lenken und die Verstärkungsfasern in der gewünschten Ausrichtung halten.
5. Druck- und Temperaturkontrolle: Das Presswerkzeug ermöglicht eine präzise Kontrolle von Druck und Temperatur während des Pressvorgangs. Dadurch kann das Material gleichmäßig fließen und die Fasern können sich optimal im Verbundwerkstoff verteilen und ausrichten.

Vorzugweise wird die Lage der Verstärkungsfasern in dem textilen Halbzeug derart an die besagten Hohlräume angepasst, dass durch das Thermopressen in Form des Erhitzens und Pressens eine lastpfadgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern in dem fertigen Getriebeelement realisiert wird. Insbesondere die konvexe Einbettung der Verstärkungsfasen in den Zähnen des mindestens einen Zahnbereichs, d.h. die nach außen zu den Zahnkanten hingerichtete Krümmung der Verstärkungsfasern, schafft eine solche lastpfadgerechte Einlagerung. Die Fasern werden demnach vorzugsweise mit einer maßgeschneiderten Faserplatzierung so angeordnet, dass beim Fließpressen die Geometrie der Zähne genau fasergerecht abgebildet werden kann.
Das für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete textile Halbzeug weist vorzugsweise mindestens zwei Abschnitte auf, wobei die Verstärkungsfasern in dem einen Abschnitt eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen als die Verstärkungsfasern in dem anderen Abschnitt. Die relative Ordnung der Verstärkungsfasern in dem jeweiligen Abschnitt bleibt gewahrt. Diese Ausrichtungen der Verstärkungsfasern in dem jeweiligen Abschnitt ist auf die Ausgestaltung der besagten Hohlräume angepasst, um lastpfadgerechte Anordnungen der Verstärkungsfasern relativ zueinander in dem fertigen Getriebeelement zu realisieren. Die Verstärkungsfasern in den mindestens zwei Abschnitten können verschiedene Winkellagen zueinander einnehmen, beispielsweise 90° oder +45° oder +45° oder selbstverständlich auch andere Winkellagen.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Verstärkungsfasern in dem einen Abschnitt im Wesentlichen senkrecht zu den Verstärkungsfasern in dem anderen Abschnitt ausgerichtet sind. Wenn beispielsweise ein flächiges textiles Halbzeug zur integralen Herstellung eines Zahnrads auf einer Welle verwendet wird, können in einem Abschnitt des textilen Halbzeug Verstärkungsfasern entlang der Welle ausgerichtet sein und einem anderen Abschnitt, nämlich in dem Abschnitt des zu erzeugenden Zahnrads, Verstärkungsfasern senkrecht zu den erstgenannten Verstärkungsfasern. Die letztgenannten Verstärkungsfasern können sich dann derart in die Negativform legen, dass sie in Umfangsrichtung des Zahnrads der Kontur von einem oder mehreren Zähnen folgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das textile Halbzeug vor Einlegen in mindestens eine der Pressformen um ein Werkzeug gelegt, beispielsweise gewickelt. Dieses Werkzeug wird dann von dem Thermoplast und den darin eingebetteten Verstärkungsfasern umhüllt. Es wird nach Konsolidierung des Getriebeteils vorzugsweise aus diesem entfernt, beispielsweise durch Herausziehen oder -drücken an einer der Stirnseiten des Getriebeelements. Alternativ verbleibt das Werkzeug am oder im Getriebeelement.
Bei einer entsprechenden Ausführung ist das Werkzeug stabförmig ausgebildet. Nach Entfernen des Werkzeugs weist dann das Getriebeelement einen zylindrischen Hohlraum auf, in den eine Welle zum Antreiben des Getriebeelements eingeführt werden kann. Die derart entstandene Hohlwelle erlaubt es, Drehmomente effektiv zu übertragen und zudem rotierende Teile axial zu tragen.
Bei Verwendung von Thermoplastfasern für die thermoplastische Matrix sind diese in dem textilen Halbzeug vorteilhafterweise im Wesentlichen in derselben Richtung ausgerichtet wie die Verstärkungsfasern ausgerichtet. Hierdurch können schon die schmelzenden und nahezu vollständig geschmolzenen Thermoplastfasern die Verstärkungsfasern beim Fließpressen mitnehmen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

1 eine Abfolge von Schritten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Getriebeelements;
2 eine Seitenansicht des Getriebeelements der 1 sowie einer Vergrößerung eines Details, und
3 eine perspektivische Sicht auf das Getriebeelement der 1 und 2 mit zwei vergrößerten Details.

In der 1 sind aufeinander folgende Schritte F1 bis F5 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Getriebeelements 1 dargestellt. Zunächst werden mehrere Faserbündel 9 (nur eines ist dargestellt) in einem Verfahrensschritt F1 zur Verfügung gestellt, welche nebeneinander liegende endlose Thermoplastfasern 11a sowie zwischen diesen verteilte bzw. eingemischte Verstärkungsfasern 12 umfassen, wobei die Verstärkungsfasern 12 in derselben Richtung ausgerichtet sind wie die Thermoplastfasern 11a. Die Verstärkungsfasern 12 weisen eine mittlere Faserlänge von mehr als 10 mm auf, wobei die mittlere Faserlänge nicht größer ist als 500 mm. Die Thermoplastfasern können beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyamid bestehen. Die Verstärkungsfasern bestehen beispielsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern, entweder virgin und/oder recycelt. Allgemein sind vorliegend unter dem Begriff „Verstärkungsfasern“ bevorzugt künstlich hergestellte Fasern zu verstehen. Es können aber auch Mischungen aus Kunstfasern und Naturfasern zum Einsatz kommen oder auch ausschließlich geeignete Naturfasern.
Die Faserbündel 9 werden in einem Verfahrensschritt F2 zu einem flächigen textilen Halbzeug 10 zusammengestellt. Hierbei können verschiedenste Flächenbildungsverfahren zum Einsatz kommen, beispielsweise Weben, Stricken, Wirken, Wickeln und/oder maßgeschneiderte Faserplatzierung (sog. Tailored Fiber Placement). Hierbei werden die Anforderungen an das herzustellende Getriebeelement 1 im Auge behalten, insbesondere durch eine lastpfadgerechte Anordnung der Fasern in dem textilen Halbzeug für den späteren Einsatz des Getriebeelements 1. So ist in 1 dargestellt, dass das textile Halbzeug 10 zwei Abschnitte 13 und einen Abschnitt 14 zwischen diesen beiden Abschnitten 13 aufweist, wobei die Thermoplastfasern 11a und die Verstärkungsfasern 12 im Abschnitt 14 im Wesentlichen senkrecht zu den Thermoplastfasern 11a und den Verstärkungsfasern 12 in den beiden Abschnitten 13 angeordnet sind. Die Verstärkungsfasern 12 im Abschnitt 14 sind diejenigen, welche in die Zähne 3 des Getriebeelements 1 (s. 3) angeordnet werden sollen, während die Verstärkungsfasern 12 in den Abschnitten 13 in einer Welle 7 des fertigen Getriebeelements 1 (s. 2 und 3) zum Liegen kommen sollen.
Im Verfahrensschritt F3 wird das textile Halbzeug 10 vollumfänglich um ein stabförmiges Werkzeug 20 gelegt bzw. gewickelt, das beispielsweise aus Metall besteht. Die Länge des stabförmigen Werkzeugs 20 entspricht hierbei der Länge des textilen Halbzeugs 10. Dieses Gebilde aus Werkzeug 20 und textilem Halbzeug 10 wird dann in eine untere Pressform 26 eines Presswerkzeugs 25 eingelegt, die vorliegend einen Hohlraum 28 aufweist. Zusammen mit einer oberen Pressform 27 des Presswerkzeugs 25, die ebenfalls einen gleich ausgeformten Hohlraum aufweist (nicht sichtbar in der 1), bilden die beiden Pressformen 26, 27, wenn aufeinander gelegt, die Negativform des herzustellenden Getriebeelements 1.
Die Hohlräume 28 weisen im Wesentlichen jeweils zwei unterschiedliche Abschnitte 28a und 28b auf, wobei die Abschnitte 28a zusammen die Negativform der Welle 7 des herzustellenden Getriebeelements 1 und die Abschnitte 28b zusammen die Negativform für einen Zahnbereich 2 (s. 2 und 3) eines Zahnrads bilden.
Der Verfahrensschritt F4 umfasst auch das allmähliche relative Zusammenpressen der beiden Pressformen 26, 27 (hier: die obere Pressform 27 wird langsam auf die untere Pressform 26 gemäß Pfeil c1 abgesenkt), wobei zusätzlich ausreichend Hitze zum Innenraum des Presswerkzeugs 25 zugeführt wird, um die Thermoplastfasern 11a zum Schmelzen zu bringen. Während dieses Schmelzens und dem Nachführen der oberen Pressform 27 (genauer Mechanismus nicht dargestellt, s. für allgemeine Erklärungen die Offenbarung der DE 10 2018 117 883 A1 ), fließt der geschmolzene Thermoplast durch das relative Zusammenpressen der Pressformen 26, 27 in die noch nicht ausgefüllten Abschnitte der Hohlräume 28 der Pressformen 26, 27. Hierbei werden die Verstärkungsfasern 12 in dem textilen Halbzeug 10 von dem fließenden Thermoplast mitgenommen und insbesondere in die die Zähne 3 ausbildenden Abschnitte der Hohlräume 28 gedrängt.
Der Verfahrensschritt F5 umfasst das Konsolidieren lassen des textilen Halbzeugs 10, das nun die Form des Getriebeelements 1 angenommen hat. Zum Konsolidieren wird die auf das Getriebeelement 1 einwirkende Temperatur beträchtlich unter die Schmelztemperatur des Thermoplasten gesenkt, bis dieser ausgehärtet ist und nun eine homogene thermoplastische Matrix 11 bildet. Anschließend wird das Getriebeelement 1 von den Pressformen 26, 27 getrennt, wobei vorliegend die Entfernung der oberen Pressform 27 nach oben (Pfeil u1) und der unteren Pressform 26 nach unten (Pfeil u2) dargestellt ist. Auch ist dargestellt, dass das stabförmige Werkzeug 20 axial aus dem Getriebeelement 1 herausgezogen wird (Pfeil z1).
Aufgrund der ursprünglichen Anordnung der Verstärkungsfasern 12 in dem textilen Halbzeug 10 weisen diese auch in der konsolidierten thermoplastischen Matrix 11 eine relative Ordnung zueinander auf.
In den 2 und 3 ist das erfindungsgemäße und erfindungsgemäß hergestellte Getriebeelement 1 in Seitenansicht und in perspektivischer Ansicht dargestellt, wobei entsprechende Details auch in jeweils eigens herausgestellten Vergrößerungen gezeigt sind.
In der Seitenansicht der 2 ist das einstückige Getriebeelement 1 mit seiner mehrfach gestuften Welle 7 mit ihrer Längsachse L und seinem auf der Welle 7 angeordneten und als Zahnrad ausgebildetem Zahnbereich 2 mit einer Vielzahl von Zähnen 3 dargestellt. In dem vergrößerten Ausschnitt der 2, der einen Teilschnitt durch die Welle 7 und den Zahnbereich 2 zeigt, lagern in der thermoplastischen Matrix 11 eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 12, wobei der Übersichtlichkeit halber nur relativ wenige Verstärkungsfasern 12 abgebildet sind. Vorzugsweise beträgt der Faservolumenanteil in dem Getriebeelement 1 mehr als 20%, vorzugsweise zwischen 40% und 70%, wobei die Verstärkungsfasern 12 zudem homogen im Querschnitt in der thermoplastischen Matrix 11 verteilt sind.
Wie dem Vergrößerungsausschnitt der 2 zu entnehmen ist, befinden sich einige Verstärkungsfasern 12 in der Welle 7 und einige Verstärkungsfasern 12 im Zahnbereich 2. Andere Verstärkungsfasern 12 weisen hingegen einen Abschnitt 12a auf, der im Bereich der Welle 7 verläuft, und einen Abschnitt 12b, der in den Zahnbereich 2 hineinreicht. Durch derartig verlaufende Verstärkungsfasern 12 mit Abschnitten 12a und 12b wird eine integrale hochbelastbare Anbindung des Zahnbereichs 2, der vorliegend als Zahnrad ausgebildet ist, an die Welle 7 erreicht. Für eine solche Anbindung ist es vorteilhaft, wenn die entsprechenden Verstärkungsfasern 12 eine hinreichende Länge aufweisen, beispielsweise von mehr als 20 mm.
In der perspektivischen Darstellung der 3 ist die Ausbildung der Welle 7 als Hohlwelle zu erkennen, wobei die Hohlwelle einen zylindrischen Hohlraum 8 ausbildet.
Die erste vergrößerte Darstellung der 3 zeigt einen Ausschnitt des Zahnbereichs 2, während die zweite vergrößerte Darstellung einen Querschnitt eines vollständig dargestellten Zahnes 3 zeigt. Gemäß dieser Darstellung lagern Verstärkungsfasern 12 in der thermoplastischen Matrix 11, welche den Zahn 3 ausfüllt. In diesem Zahn 3 verlaufen mehrere Verstärkungsfasern 12 in relativer Ordnung zueinander und zwar mit jeweils konvexem Verlauf bezogen auf die Zahnkante 4 des Zahnes 3. Hierbei weisen die Verstärkungsfasern 12 nahe der Zahnkante 4 einen im Mittel stärker konvexen Verlauf auf als die Verstärkungsfasern 12, die weiter weg von der Zahnkante 4 verlaufen. Diese Anordnung ist durch den konvexen Verlauf der Zahnkante 4 sowie durch die anfängliche flächige Ausrichtung der Verstärkungsfasern 12 im Thermoplast bzw. zwischen den Thermoplastfasern 11a im textilen Halbzeug 10 bedingt. Da der Weg aus der Fläche des textilen Halbzeugs 10 in das Innere des Zahns 3 und zu seiner Zahnkante 4 länger ist als beispielsweise der Weg aus dem textilen Halbzeug 10 nur bis zum Zahnfuß und zudem die Zahnkante 4 eine konvexe Wölbung und somit eine entsprechende Zwangsführung für die Verstärkungsfasern 12 darstellt, entsteht die größere konvexe Krümmung der Verstärkungsfasern 12 in der Nähe der Zahnkante 4. Insgesamt wird hierdurch eine lastpfadgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern 12 in den Zähnen 3 erhalten. Bei einem Abrollen der Zähne 3 auf komplementären Zahnabschnitten eines entsprechenden Getriebeteils (nicht dargestellt) ist die auf die Zahnkante 4 einwirkende Last nämlich im Wesentlichen tangential zu den Verstärkungsfasern 12 ausgerichtet. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch eine optimale Übertragung der im Betrieb wirkenden Kräfte zwischen der thermoplastischen Matrix 11 und den Verstärkungsfasern 12 gewährleistet wird. Genauer ausgedrückt erfolgt diese Kraftübertragung durch Scherkräfte an der Grenzfläche von thermoplastischer Matrix 11 und Verstärkungsfasern 12, wobei diese Scherkräfte maximal sein können, wenn die Verstärkungsfasern 12 in Lastrichtung ausgerichtet sind, homogen im Querschnitt verteilt sind, die Verstärkungsfasern 12 eine gewisse mittlere Länge (vorteilhafterweise von mehr 20 mm) ausweisen sowie ein relativ hoher Faservolumenanteil (vorteilhafterweise mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 30%, beispielsweise mehr als 40%) vorliegt. Insgesamt werden somit optimale Lastpfade in den Zähnen 3 des Getriebeelements 1 erzielt.
Das - nicht dargestellte - Getriebeteil, das mit dem Getriebeelement 1 zusammenwirkt, kann vorteilhafterweise ebenfalls als faserverstärktes Bauteil mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale des Getriebeelements 1 ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Getriebeelement kann beispielsweise ein Stirnrad, eine Zahnstange, ein Ellipsenrad, ein Kegelrad, ein Kronenrad, ein Schneckenrad oder eine Schnecke umfassen. Beispielsweise besteht der Zahnbereich bei einer Schnecke aus den sehr schräg angeordneten Zähnen, die schraubenförmig um einen Zylinder gewunden sind, wobei eine Windung einem Zahn entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Getriebeelement
2: Zahnbereich
3: Zahn
4: Zahnkante
7: Welle
8: zylindrischer Hohlraum
9: Faserbündel
10: textiles Halbzeug
11: thermoplastische Matrix
11a: Thermoplastfasern
12: Verstärkungsfasern
12a: Abschnitt der Verstärkungsfasern
12b: Abschnitt der Verstärkungsfasern
13: Bereich des textilen Halbzeugs
14: Bereich des textilen Halbzeugs
20: Werkzeug
25: Presswerkzeug
26: Pressform
27: Pressform
28: Hohlraum
F1-F5: Verfahrensschritte
c1: Absenken der oberen Pressform
u1, u2: Bewegen der oberen und der unteren Pressform
z1: Entfernen des Werkzeugs
A: Integrale Anbindung
L: Längsachse des Getriebeelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2018 117 883 A1 [0014, 0022, 0047]

Claims

Getriebeelement (1) aus faserverstärktem Kunststoff, wobei der faserverstärkte Kunststoff eine thermoplastische Matrix (11) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (12) umfasst, wobei das Getriebeelement (1) zumindest einen Zahnbereich (2) mit mehreren Zähnen (3) aufweist, mit dem das Getriebeelement (1) formschlüssig mit einem zu dem Zahnbereich (2) im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Zahnabschnitt eines weiteren Getriebeteils in Eingriff bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der thermoplastischen Matrix (11) Verstärkungsfasern (12) mit einer individuellen Länge von mehr als 5 mm homogen eingebettet sind, wobei diese Verstärkungsfasern (12) eine mittlere Faserlänge von mehr als 10 mm und bis zu 500 mm aufweisen und in dem Getriebeelement (1) in relativer Ordnung zueinander ausgerichtet sind, einschließlich in den Zähnen des mindestens einen Zahnbereichs (2).
Getriebeelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Faserlänge der besagten Verstärkungsfasern (12) mindestens 20 mm, beispielsweise mehr als 30 mm oder 40 mm, beträgt.
Getriebeelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaservolumenanteil in dem Getriebeelement (1) mehr als 20% beträgt, vorzugsweise zwischen 40% und 70%.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Thermopressverfahren hergestellt ist.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils definierte Anzahl der Verstärkungsfasern (12) in relativer Ordnung zueinander konvex verlaufend in Zähnen (3) des Zahnbereichs (2) angeordnet sind, wobei die Verstärkungsfasern (12) nahe der Zahnkanten (4) im Mittel stärker konvex verlaufen als die Verstärkungsfasern (12), die weiter weg von Zahnkanten (4) verlaufen.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnbereich (2) als Stirnrad, Zahnstange, Ellipsenrad, Kegelrad, Kronenrad, Schneckenrad oder Schnecke ausgeführt ist.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Welle (7) oder Achse umfasst, die einstückig mit dem Zahnbereich (2) verbunden ist, wobei einige der Verstärkungsfasern (12) sowohl einen Abschnitt (12a) aufweisen, der in dem Bereich der Welle (7) bzw. Achse verläuft, als auch einen Abschnitt (12b), der in dem Zahnbereich (2) verläuft.
Getriebeelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (12a) der besagten Verstärkungsfasern (12), der im Bereich der Welle (7) bzw. Achse verläuft, im Wesentlichen in Richtung der Welle (7) bzw. der Achse ausgerichtet ist, während der Abschnitt (12b), der im Zahnbereich (2) verläuft, im Wesentlichen senkrecht zur Welle (7) bzw. der Achse ausgerichtet ist.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Hohlwelle aufweist.
Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (12) Stapelfasern, z.B. in Form von virginen und/oder recycelten Glasfasern, virginen und/oder recycelten Carbonfasern, virginen und/oder recycelten Aramidfasern, geschnittenen Endlosfasern und/oder virginen Naturstapelfasern, umfassen.
Getriebe mit mindestens einem Getriebeelement (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Getriebeelement (1) in Eingriff zu bringende oder gebrachte Getriebeteil ebenfalls aus einem faserverstärkten Kunststoff mit den Merkmalen mindestens eines der vorhergehenden Ansprüche besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Getriebeelements (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, die Schritte umfassend: - zur Verfügung stellen eines fließfähigen, vorzugsweise sich flächig erstreckendes, textilen Halbzeugs (10) umfassend Verstärkungsfasern (12) mit einer individuellen Faserlänge von mehr als 5 mm und einer mittleren Faserlänge dieser Verstärkungsfasern (12) von mehr als 10 mm und bis zu 500 mm und einen Thermoplast, letzterer vorliegend als thermoplastische Matrix (11) und/oder als Thermoplastfasern (11a), wobei die Verstärkungsfasern (12) homogen in dem Thermoplast verteilt sind, - zur Verfügung stellen eines Presswerkzeugs (25), das mindestens zwei Pressformen (26, 27) umfasst, wobei mindestens eine der Pressformen einen Hohlraum (28) umfasst, und wobei die Pressformen (26, 27) bei geschlossenem Presswerkzeug (25) zumindest die Negativform des Getriebeelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 ausbilden, - Einlegen des textilen Halbzeugs (10) in mindestens eine der Pressformen (26, 27), - unter Anwendung von erhöhter Temperatur, bei denen das Thermoplast schmilzt, Pressen des textilen Halbzeugs (10) mit Hilfe der mindestens zwei Pressformen (26, 27), so dass das Thermoplast zusammen mit den besagten Verstärkungsfasern (12) in die Negativform fließt, - Konsolidieren lassen des textilen Halbzeugs (10), - Entfernen des konsolidierten Halbzeugs (10), das durch die Formung in dem Presswerkzeug (25) ein Getriebeelement (1) ausgebildet hat, und - vor oder nach diesem Entfernen, falls notwendig, Abtrennen des Getriebeelements (1) von den restlichen Überständen des textilen Halbzeugs (10).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Verstärkungsfasern (12) in dem textilen Halbzeug (10) derart an die besagte Negativform angepasst wird, dass durch das Thermopressen in Form des Erhitzens und Pressens eine lastpfadgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern (12) in dem fertigen Getriebeelement (1) realisiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug (10) mindestens zwei Abschnitte (13, 14) aufweist, in denen die Verstärkungsfasern (12) unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen, wobei diese relativen Ausrichtungen der Verstärkungsfasern (12) auf die Ausgestaltung der besagten Negativform angepasst sind, um lastpfadgerechte Anordnungen der Verstärkungsfasern (12) relativ zueinander in dem fertigen Getriebeelement (1) zu realisieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (12) in dem einen Abschnitt (13) im Wesentlichen senkrecht zu den Verstärkungsfasern (12) in dem anderen Abschnitt (14) ausgerichtet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug (10) vor Einlegen in mindestens eine der Pressformen (26, 27) um ein Werkzeug (20) gelegt wird, wobei das Werkzeug (20) nach Konsolidierung des Getriebeteils (1) vorzugsweise von diesem getrennt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (20) stabförmig ausgebildet ist, so dass das Getriebeelement (1) nach Entfernen des Werkzeugs (20) eine Hohlwelle aufweist, in den eine Antriebs- oder Abtriebswelle des Getriebeelements (1) eingeführt werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Thermoplastfasern (11a) für die thermoplastische Matrix (11) diese Thermoplastfasern (11a) wie die Verstärkungsfasern (12) in dem textilen Halbzeug (10) ausgerichtet werden.