Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Composite-Feder, insbesondere einer Composite-Schraubendruckfeder. Die Erfindung betrifft ferner eine solche Composite-Feder, insbesondere eine Composite-Schraubendruckfeder, welche aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff-Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist.

Composite-Federn der im Zusammenhang mit der der Erfindung verwendeten Art sind allgemein erhältlich. Ihre Eigenschaften werden beispielsweise in EP 0637700 B1 , in Jang, D. and Jang, S., "Development of a Lightweight CFRP Coil Spring," SAE Technical Paper 2014-01-1057, 2014, doi:10.4271/2014-01-1057; in Sardou, M„ Darmotte, E„ and Zunino, C.,„Light Weight, Low Cost, Composite Coil Springs are a Reality”, SAE Technical Paper

2005-01-1698; sowie in Yahya Kara (2017) A Review: Fiber Reinforced Polymer Composite Helical Springs. J Mater Sei Nanotechnol 5(1 ): 101 . doi: 10.15744/2348- 9812.5.101 beschrieben.

Composite-Federn der vorbezeichneten Art werden unter anderem für Leichtbauanwendungen herangezogen. Da Composite-Federn im Allgemeinen unanfällig für Korrosionsprobleme sind, eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen, nicht magnetisch sind, und geringe Geräuschemissionen verursachen, kommen Composite-Federn zunehmend auch für die Automobilindustrie in Betracht. Eine Herausforderung, der sich Composite- Federn nach wie vorstellen müssen, ist ihr Werkstoffverhalten bei zunehmender Betriebsdauer der Composite-Feder. So zeigten bislang Composite-Federn unter

Belastung mit zunehmender Betriebsdauer und/oder zunehmender Anzahl der durchlebten Belastungszyklen im Vergleich zu Stahlfedern ein stark ausgeprägtes Kriechen, was bei konstanter Kraft zu einer als Setzen bezeichneten Verkürzung der Federlänge und bei konstanter Einspannlänge zu einer als Relaxation bezeichneten Verringerung der Federkraft führt. Setzen bei konstanter Kraft und Relaxation bei konstanter Länge beschreiben denselben Veränderungsprozess unter anderen Randbedingungen. Beiden ist zudem gemeinsam, dass die Änderungsrate am Anfang hoch ist und mit der Zeit geringer wird und die sich ergebende absolute Veränderung oftmals proportional zum Logarithmus der Betriebsdauer ist. Während der normale, elastische Federweg als s gekennzeichnet wird, wird die Veränderung des Federweges durch Setzen als As benannt. Es ist bei Stahlfedern üblich, das Kriechen über das Verhältnis von kriechender Verformung zu Federweg As /s zu beschreiben.

Bei Anwendungen im Automobil kann dieses Setzverhalten zu einer unerwünschten Verringerung der Fahrzeughöhe bzw. Bodenfreiheit oder Schräglage oder auch Ausrichtung der Scheinwerfer führen. Mehrere frühere Versuche zur Einführung der Composite-Schraubenfeder im Automobil sind auch an diesem Verhalten gescheitert.

Damit Composite-Federn auch hinsichtlich ihres Ermüdungsverhaltens über die gesamte Lebenszeit relativ zu den allgemein bekannten Stahlfedern konkurrenzfähiger werden, wurde angestrebt, das Setzverhalten von Composite-Federn zu verbessern. Es ist allgemein bekannt, Stahlfedern im Rahmen des Herstellungsprozesses statisch oder dynamisch vorzusetzen, um ein nachträgliches Setzen nach Auslieferung der Federn im Betrieb möglichst zu begrenzen. Bei Stahlfedern ist der Vorgang des Vorsetzens in der Vergangenheit sowohl in kaltem Zustand als auch bei erhöhter Temperatur durch Plastifizieren jenseits der elastischen Verformung der Stahlfedern durchgeführt worden. Diese Mechanismen sind stets als nicht auf Composites. d.h. Verbundwerkstoffe anwendbar erachtet worden.

Für thermoplastische Kunststoffe ist es bekannt, dass bei mechanischer Belastung unter erhöhten Temperaturen plastische Umformungen des Materials auftreten, was die Basis für diverse Umformverfahren ist. Bei duroplastischen Kunststoffen, wie etwa Epoxidharzen, ist ein gezieltes Beeinflussen der Materialstruktur unter erhöhten Temperaturen unüblich. Wenn überhaupt, ist aus der Literatur eine Umformung solcher thermoplastischen Kunststoffe oberhalb der

Glasübergangstemperatur zu entnehmen gewesen. In diesem Bereich arbeitet man aber nahe oder über der Belastungsgrenze des Werkstoffs, was zu einem Bruch führen kann.

Der Erfindung lag im Lichte dessen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Composite-Federn, insbesondere von Composite-Schraubendruckfedern, anzugeben, das zu einer Composite-Feder mit verbessertem Ermüdungsverhalten, insbesondere zu einer Composite-Feder mit reduziertem Setzverhalten im Betrieb führt.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art, indem sie die folgenden Schritte vorschlägt: Herstellen oder Bereitstellen einer Composite-Feder mit einer Ursprungs-Länge Lo, wobei die Composite-Feder aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff-Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, und thermisches Vorsetzen der Composite-Feder mittels Stauchung bei einer vorbestimmten Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum auf eine designierte Länge L, wobei die designierte Länge L geringer ist als die Ursprungs-Länge Lo, nach dem Schritt des Herstellens beziehungsweise Bereitstellens.

Erfindungsgemäß wird unter der Bezeichnung „Composite“ ein Verbundwerkstoff verstanden.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass es entgegen der im Stand der Technik verfestigten Meinung doch möglich ist, Composite-Federn oberhalb der Raumtemperatur bei vorbestimmten Temperatur- und Zeitbedingungen thermisch vorzusetzen. Wie sich insbesondere aus den Schilderungen der bevorzugten Ausführungsformen ergibt, ließen sich zudem Verfahrensbedingungen identifizieren, die trotz deutlich verbessertem Setzverhalten keinen signifikant nachteiligen Effekt auf die Lebensdauer der Composite-Feder haben. Insoweit wird auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die vorbestimmte Temperatur für das thermische Vorsetzen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials. Es ist erkannt worden, dass unzulässig starke plastische Verformungen der Werkstoffstruktur und Brüche der Feder beim Vorsetzen weitestgehend vermieden werden können, solange das thermische Vorsetzen bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials erfolgt. Sofern im Sinne der Erfindung von der Glasübergangstemperatur gesprochen wird, wird hinsichtlich der

quantitativen Bestimmung der Glasübergangstemperatur von der Messung mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) ausgegangen. Diese Messung kann auf dedizierten DMA-Messgeräten ausgeführt werden oder in analoger Weise mittels Verwendung eines Rheometers. Die Optimierung besteht im Wesentlichen in der Auswahl der richtigen Temperatur. Bei Raumtemperatur verläuft der Vorsetzvorgang für eine technische Anwendung sehr oder zu langsam, um für eine industrielle Fertigung in Frage zu kommen. Die notwendige Verformung zum Reduzieren späteren Setzens ist dafür vergleichsweise gering, da vermutlich primär lokale Spannungsspitzen im Material abgebaut werden. Bei Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur verläuft der Vorsetzvorgang sehr schnell, die Verformung erfolgt aber umfassend und erreicht auch schnell einen inakzeptabel hohen Betrag. Generell ist auch zu beobachten: Je geringer der spätere Setzbetrag im Betrieb ausfallen soll, umso größer muss der Vorsetzbetrag sein, und zwar insbesondere in einem überproportional hohen Verhältnis. Vorzugsweise liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich zwischen Raumtemperatur und unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials.

Die vorbestimmte Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von oberhalb 30 °C. Weiter vorzugsweise liegt die vorbestimmte Temperatur für die Beispielfedern in einem Bereich von 40°C bis 1 10 °C, besonders bevorzugt von 40 °C bis 90 °C oder 40°C bis 80°C.

Die optimale Wahl der vorbestimmten Temperatur ist eine Funktion des verwendeten Kunststoff-Matrixmaterials. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die vorbestimmte Temperatur um 2K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des jeweils vorgesehenen Kunststoff-Matrixmaterials, vorzugsweise um 5K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des jeweils vorgesehenen Kunststoff-Matrixmaterials. Weiter bevorzugt liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich zwischen 5K unterhalb der Glasübergangstemperatur und 90K unterhalb der Glasübergangstemperatur.

Noch weiter bevorzugt liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich von 30K bis 90K unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials und besonders bevorzugt 40°C oder mehr oder sogar 60K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials. Es werden vorzugsweise

Kunststoffe für das Kunststoff-Matrixmaterial ausgewählt, die eine Glasübergangstemperatur von 120 °C oder höher aufweisen.

Der vorbestimmte Zeitraum für den Vorgang des Vorsetzens liegt vorzugsweise in einem Bereich von bis zu 24 Stunden, bevorzugt in einem Bereich von 1 Sekunde bis 8 Stunden, weiter bevorzugt in einem Bereich von 1 Sekunde bis 10 Minuten, besonders bevorzugt in einem Bereich von 8 Stunden bis 24 Stunden, insbesondere bei Temperaturen in einem Bereich von 80°C bis 90°C. In diesem Zeitfenster findet nach den Erkenntnissen der Erfindung beim Vorsetzen der Composite-Feder die signifikanteste Reduktion des Setzens statt. Im Rahmen der Erfindung hat sich die Erkenntnis ergeben, dass die Vorsetzdauer umso kürzer ausfallen sollte, je näher die Vorsetztemperatur sich der Glasübergangstemperatur annähert. Ein besonders schonendes Vorsetzen wird daher vorzugsweise vorgenommen werden bei Temperaturen, die sich im unteren Bereich der vorstehend angegebenen Wertebereiche befinden, und die Vorsetzdauer wird sich in Richtung des oberen Endes der vorstehend genannten Bereiche orientieren. Dem entgegen ist besonders bevorzugt, bei Temperaturen in der Nähe der Glasübergangstemperatur möglichst kurze Vorsetzdauern zu halten.

In einer alternativen Ausführungsform liegt beispielsweise die Vorsetztemperatur in einem Bereich zwischen 105°C und 1 15°C, und die vorbestimmte Zeitdauer für das Vorsetzen in einem Bereich zwischen 3 Minuten und 7 Minuten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Vorsetztemperatur bei 1 15°C bis 120°C, und die Vorsetzdauer in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 90 Sekunden. In diesen Bereichen tritt bei den meisten verwendeten Verbundwerkstoffen nach dem Vorsetzen nur noch geringes Setzverhalten auf, und es ist gleichermaßen kein vorzeitiger Bruch der Feder zu befürchten.

Durch Ausdehnung des Zeitraums über den vorstehend erwähnten Bereich hinaus lassen sich noch weitere Verbesserungen hinsichtlich des Vorsetzens erzielen. Gerade der letztgenannte Bereich stellt aber mit Blick auf eine wirtschaftliche Herstellung einen bevorzugten Kompromiss dar. Die Composite-Feder weist bei vollständiger Kompression vorzugweise ein Blockmaß Lmin auf, und wird während des Vorsetzens auf eine Vorsetzlänge Lv komprimiert, die größer

oder gleich dem Blockmaß und vorzugsweise geringer als die Länge der herzustellenden Composite-Feder ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Vorsetzens ein statisches Stauchen mittels Aufbringen einer vorbestimmten Stauchkraft, nachfolgend auch Vorsetzkraft bezeichnet. Die Stauchkraft wird vorzugsweise während des Vorsetzens konstant gehalten. Je nachdem, wie lang der Zeitraum des Vorsetzvorgangs eingestellt ist, ist bei konstanter Stauchkraftregelung eine Längenänderung der Vorsetzlänge Lv während des Vorsetzens zu beobachten.

Alternativ oder als zusätzlicher Schritt wird vorzugsweise während des Vorsetzens die Vorsetzlänge konstant gehalten. Bei Regelung der Vorsetzlänge während des Schritts des Vorsetzens ist aufgrund einer einsetzenden Relaxation der Composite-Feder je nach gewähltem Zeitraum des Vorsetzvorgangs eine Reduzierung der zum Halten der Vorsetzlänge notwendigen Stauchkraft zu beobachten.

Bei beiden Varianten kann die Feder vor und oder beim Stauchen auf die Vorsetztemperatur erwärmt werden. Bei beiden Varianten kann die Feder nach Abschluss des Vorsetzens unter Temperatur entspannt werden oder im gespannten Zustand abgekühlt werden. Mit beiden Varianten lässt sich eine angestrebte Kombination von Federkraft und Federlänge einstellen. Zudem können leichte statistische Schwankungen in der Federlänge bei diesem Schritt korrigierend ausgeglichen werden. Dieses gilt insbesondere für eine Korrektur/ Optimierung des Kraftdurchstoßpunktes sowie für die Einhaltung einer Längentoleranz bei Auslieferung oder der Federratentoleranz.

Sofern im Rahmen der Erfindung von einem Kunststoff-Matrixmaterial gesprochen wird, so ist im Rahmen dessen jedes Material zu verstehen, das geeignet ist, die Fasern nach Ablage in ihrer Position zu fixieren. Je höher die Erweichungstemperatur, Medienbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Verarbeitbarkeit des Materials ausgebildet sind, desto geeigneter ist das Material für die Verwendung als Kunststoff-Matrixmaterial im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

In bevorzugten Ausführungsformen ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein duroplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyurethanharz oder Epoxidharz, Polyurethanharzkombinationen (PU-PIR, PU-Acrylat).

In alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyamid, Polypropylen, oder Polyethylen.

Je nach ausgewähltem Kunststoff-Matrixmaterial wird vorzugsweise die für den Vorsetzvorgang vorzusehende vorbestimmte Temperatur in Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur des jeweils ausgewählten Kunststoff-Matrixmaterials eingestellt. Die Glasübergangstemperatur des jeweiligen Materials lässt sich entweder allgemein bekannten und für die Materialien vorgesehenen Datenblättern entnehmen, oder alternativ experimentell bestimmen.

Die Composite-Feder, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, weist vorzugsweise einen Wickelkern auf, um welchen wenigstens ein Faser-Roving herumgewickelt ist, bzw. wird. Der Wickelkern ist in bevorzugten Ausführungsformen vorzugsweise eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern. Unter einem Kern ist im Rahmen der Erfindung ein Bauteil oder Element zu verstehen, das zur Ablage der Fasern vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann ein Kern jedes Bauteil oder Element sein, das eine Ablagefläche aufweist, auf der Fasern abgelegt werden können. Der Querschnitt des Kerns ist vorzugsweise kreisförmig, kann jedoch grundsätzlich, oval, elliptisch, polygonal oder als Mischform aus mehreren der vorstehenden Grundformen ausgebildet sein. Ein Hohlkern würde im Vergleich zu einem Vollkern aufgrund einer inneren Aussparung eine Gewichtsreduktion mit sich bringen. Werden als Wickelkern verdrillte Fasern verwendet, so ist hierunter zu verstehen, dass die Fasern vorzugsweise untereinander verdrillt sind.

Besonders bevorzugt ist der Wickelkern aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet.

Das wenigstens eine Faser-Roving des Composites ist vorzugsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Sisalfasern, Hanffasern, Baumwollfasern oder Bambusfasern, oder aus einer Unterkombination von zwei oder mehr dieser Fasertypen ausgebildet.

Weiter vorzugsweise weist die Composite-Feder, und mit ihr die fertige Composite-Feder, einen mehrschichtigen Aufbau um den Wickelkern herum auf, wobei unterschiedliche Rovings in mehreren Schichten übereinander angeordnet sind, bzw. werden. Die Rovings in den unterschiedlichen Schichten unterscheiden sich vorzugsweise in ihrer Ausrichtung relativ zu den Rovings anderer Schichten, jeweils betrachtet relativ zur

Erstreckungsrichtung des Wickelkerns, und/oder in ihrer Faserart, und/oder hinsichtlich ihres Durchmessers.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt während des Schritts des Herstellens der Composite-Feder das Einbetten des Faserwerkstoffs in das Kunststoff- Matrixmaterial mittels Tränken des oder der Rovings mit einem Tränkmittel. Unter einem Tränkmittel ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich jedes Kunststoff-Matrixmaterial zu verstehen, das durch Aushärten, wie beispielsweise durch Polymerisation, zur Verklebung der Fasern und Schichten untereinander und damit zu einer Verfestigung des Faserverbund-werkstoffes führt. Als Tränkmittel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Monomer- oder Polymer-basierte Flüssigkeit verwendet. Insbesondere kann das Tränkmittel ein bei der Verarbeitung flüssiges Kunststoff- Matrixmaterial, wie beispielsweise ein reaktionsfähiges, flüssiges Duroplast-System auf Basis von beispielsweise Polyurethan, Polyester, Vinylester, Epoxidharz, oder ein reaktionsfähiges Thermoplast-System auf Basis von Caprolactam, Polyacryl, oder eine Thermoplast-Schmelze, beispielsweise auf Basis von Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid sein. Das Tränken erfolgt in bevorzugten Alternativen vor, während oder nach dem Aufwickeln des oder der Rovings auf den Wickelkern.

Die Erfindung wurde vorstehend und gemäß einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ferner die eingangs bezeichnete Composite-Feder. Die Erfindung löst bei jener Composite-Feder die eingangs bezeichnete Aufgabe dadurch, dass die Composite-Feder unter Stauchung thermisch vorgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Composite-Feder ist vorzugsweise hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt und macht sich die selben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen wie das erfindungsgemäße Verfahren zunutze.

Vorzugsweise ist das Kunststoff-Matrixmaterial der Composite-Feder ein duroplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyurethanharz oder Epoxidharz. Alternativ ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyamid, Polypropylen, oder Polyethylen. Die Composite-Feder weist vorzugsweise einen Wickelkern auf, um welchen wenigstens ein Faser-Roving herumgewickelt ist.

Der Wickelkern der Composite-Feder ist vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet, beispielsweise aus Polyethylen.

Das wenigstens eine Faser-Roving ist vorzugsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder einer Unterkombination von zwei oder mehr dieser Fasertypen ausgebildet.

Vorzugsweise weist die Composite-Feder einen mehrschichtigen Aufbau um den Wickelkern herum auf, wobei mehrere (gleiche oder unterschiedliche) Rovings in den mehreren Schichten übereinander angeordnet sind.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hinsichtlich der Vorteile dieser bevorzugten Ausführungsform auf die obigen Ausführungen zum Verfahren gemäß dem ersten Aspekt verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 einen schematischen Aufbau einer Einrichtung zum thermischen

Vorsetzen einer Composite-Feder,

Figur 2 und Figur 3 alternative Betriebszustände der Einrichtung gemäß Figur 1

Figur 4a eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Composite-Feder, und

Figur 4b eine Schnittdarstellung eines Details der Composite-Feder gemäß Figur 4a, und

Figur 5 eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen.

Figur 1 zeigt zunächst eine Einrichtung 100 zum thermischen Vorsetzen von Composite- Federn. Die Einrichtung 100 weist eine Aufnahme 101 auf, in der eine Composite-Feder 1 mit einer Ursprungslänge Lo aufgenommen ist. Die Einrichtung 100 weist einen Stempel 103 auf, der mittels eines Aktuators 105 in Richtung einer Längsachse x zum Aufbringen einer Vorsetzkraft bewegbar ist. Die Composite-Feder 1 , welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Composite-Schraubendruckfeder ausgebildet ist, ist koaxial zur

Achse x ausgerichtet. In Figur 2 ist der Vorgang des thermischen Vorsetzens angedeutet. Die Composite-Feder 1 ist durch den Stempel 103 auf eine Vorsetzlänge Lv komprimiert, wobei auf die Composite-Feder 1 eine Vorsetzkraft Fv wirkt. Zusätzlich wird in der Aufnahme 101 mittels einer Heizeinrichtung 107 eine vorbestimmte Temperatur eingestellt, welche die Composite-Feder 1 annimmt. Der in Figur 2 gezeigte Zustand wird in bevorzugten Ausführungsformen für einen Zeitraum zwischen 1 Minute und 24 Stunden aufrechterhalten. Die Länge Lv, auf welche die Composite-Feder 1 komprimiert ist, ist vorzugsweise größer als eine Blocklänge D™ (nicht dargestellt) bei welcher die Windungen der Composite-Feder 1 unmittelbar an benachbarte Windungen anstoßen würden. So, wie der Stempel eine Vorsetzkraft aufbringen kann, kann alternativ auch ein Vorsetzweg aufgebracht werden, wobei bis auf eine eingespannte Länge gefahren.

In Figur 3 ist die Einrichtung 100 der Figuren 1 und 2 nach erfolgtem Vorsetzvorgang abgebildet. Die Vorsetzkraft Fv liegt nicht mehr am Stempel 103 an, und der Stempel 103 ist vorzugsweise mittels des Aktuators 105 in seine ursprüngliche Position wie in Figur 1 zurück verfahren worden. Die Composite-Feder 1 im Inneren der Aufnahme 101 nimmt nun die für die finale Composite-Feder vorgesehene Lände L ein, welche kleiner oder gleich der Vorsetzlänge Lv kleiner als die Ursprungslänge Lo ist.

Die Figuren 4a und 4b zeigen exemplarisch einen bevorzugten strukturellen Aufbau der Composite-Feder 1. Die Composite-Feder 1 weist zumindest eine erste Endwindung 2 auf, an welche sich mehrere Windungen 4 anschließen. Die Windungen 4 können identische Windungssteigungen oder sich progressiv und/oder degressiv veränderte Steigungen aufweisen.

Die in Figur 4a zunächst von außen gezeigte Composite-Feder 1 weist vorzugsweise den in Figur 4b gezeigten strukturellen Aufbau auf. In ihrem Inneren weist die Composite-Feder 1 einen Wickelkern 3 auf, welcher beispielsweise als Hohlkern oder Vollkern ausgebildet sein kann. Um den Wickelkern 3 herum ist eine erste Rovingschicht 5 mit einer ersten Faserausrichtung und Schichtdicke angeordnet. Um die erste Rovingschicht 5 herum ist vorzugsweise wenigstens eine weitere Rovingschicht angeordnet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite Rovingschicht 7 und eine dritte Rovingschicht 9. Die Rovingschichten 5, 7, 9 können sich hinsichtlich ihrer Faserart, Faserausrichtung relativ zur Erstreckungsrichtung des Wickelkerns 3, Faserdicke beziehungsweise Faserbündeldicke, Schichtdicke und weiterer Kriterien unterscheiden, oder auch übereinstimmen. Besonders bevorzugt sind die Faser-Rovings 5,7, 9 mit dem selben Tränkmittel durchtränkt und in demselben Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet. Hierzu

werden die Rovings 5, 7, 9 getränkt, was beispielsweise während, vor oder nach dem Umwickeln des Wickelkerns 3 erfolgen kann.

Zur Veranschaulichung der Erfindung wurden für das Verfahren verschiedene Ausführungsbeispiele durchgeführt, um das Setzverhalten der so behandelten Composite- Federn 1 zu untersuchen.

Untersucht wurden in den folgenden Beispielen rechtsdrehende Composite- Schraubendruckfedern unter Kompression mit den Abmessungen Federdurchmesser D = 108 mm, Außendurchmesser des Composite-Strangs d = 20 mm, Innendurchmesser des Composite-Strangs di = 10,0 mm. Die Steigung war an den Endwindungen in der Regel flacher als an den mittleren Windungen. Die Steigung der Feder-Auflagen ist in Tabelle 1 mit aufgeführt. Die Ursprungslänge der Composite-Federn betrug Lo=254 mm.

Tabelle 1

Als Kunststoff-Matrixmaterial wurde ein Epoxidsystem verwendet, das sich aus dem Harz Bisphenol-A-Disglycidylether (100 Teile), dem Härter Dicyandiamid (6,5 Teile) und dem Beschleuniger Uron (3 Teile) zusammensetzt. Die Glasübergangstemperatur des Systems wurde mit einer dynamisch-mechanischen Analyse für den reinen Kunststoff bei 137°C (Polymer-Tg, im Rheometer analog DMA) gemessen. Das Material der Faser-Rovings war Glas, insbesondere wurden 2400 tex Rovings verwendet. Der Fasermassenanteil wurde ermittelt bei 65% +1-2%. Die Federn wiesen einen Wickelkern auf, der als Hohlkern ausgebildet war, nämlich als ein PE-Inliner von 10 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke, und der daher ohne wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Federn war.

Die Composite-Stränge, aus denen die Composite-Federn hergestellt wurden, wurden als Schläuche mit kontinuierlichem Pullwinding in einer 50 m Endlosschleife mit 16 Fäden pro Lage hergestellt. Die Federn wurden auf einer Innenform aufgewickelt, mit einer zweiteiligen Außenform umschlossen und nach Ziehen der mechanisch kollabierenden Innenform in der Außenform für 2 h bei 120°C gehärtet.

Die Composite-Federn hatten einen mehrschichtigen Aufbau. Es wurden mehrere Schichten von Faser-Rovings grobschichtig mit einem Verhältnis der druckbelasteten Fasern zu zugbelasteten Fasern von 2/3: [-42°, -48°], [+42°, +48°, +42°] vorgesehen.

Versuchsreihe 1 - Lastniveau: Zwei Composite-Federn wurden ohne Vorbehandlung bei Raumtemperatur in einem Bereich vom 18°C bis 25°C mit 5,3 kN bei einer Frequenz von 3,5 1/s dynamisch belastet und brachen erst nach mehr als einer Million Zyklen. Versuche zur statischen Belastung von zwei weiteren Federn mit 4 kN bei 100°C und 1 10°C führten zum Bruch.

Versuchsreihe 2 - Setzverhalten: Eine einzelne Composite-Feder wurde bei einer vorbestimmten Temperatur jeweils fünf Mal infolge mit bis zu 3,5 kN belastet, um erste Hinweise auf die Verformung unter Temperatur zu erhalten. Es wurden Versuche bei 40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, 90°C, 100 °C, 1 10°C, 120°C durchgeführt. Die Vorsetzlänge Lv der Composite-Federn nahm hierbei dabei infolge Setzen ab. Ermittelt wurde für jede Temperatur die sich innerhalb der fünf Hübe ergebende Differenz zwischen der größten und kleinsten Auslenkung bei 3,5 kN als Setzbetrag bei dieser Temperatur. Dabei war den Daten zu entnehmen, dass diese Differenz mit steigender Temperatur als Konsequenz des schnelleren Setzens wuchs. Diese Versuchsreihe belegt bereits den starken Einfluss der Temperatur auf den Setzvorgang. Beim letzten Zyklus bei 120°C war die Composite-Feder so stark erweicht, dass sie die 3,5 kN als Gegenkraft nur viermal aufbauen konnte und beim fünften Hub bei 2,6 kN bis auf Blockmaß zusammengeschoben wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt:

Tabelle 2; *: nur 4 Hübe möglich

Versuchsreihe 3 - Dynamisches Setzen nach Vorsetzen:

Drei verschiedene Composite-Federn wurden jeweils 24 h in einer statischen Prüfeinheit mit 3,5 kN Vorsetzkraft bzw. Stauchkraft belastet. Eine erste Composite-Feder wurde bei 60°C vorgesetzt, eine zweite Composite-Feder wurde bei 80°C vorgesetzt und eine dritte

Composite-Feder wurde bei 100°C vorgesetzt. Im Anschluss wurden sie im Vergleich zu einer nicht thermisch Vorgesetzten vierten Composite-Feder dynamisch über 500.000 Zyklen pulsierend belastet mit 0,2 - 3,5 kN bei Raumtemperatur (23°C) und einer Prüffrequenz von 3,5 1/s. Bei keiner der Composite-Federn trat ein Bruch auf. Der Setzbetrag wurde ermittelt. Die bei 80°C gesetzte Feder wurde im Anschluss noch mehr als 800.000 Zyklen mit 4,6 kN beaufschlagt, ohne zu brechen, was belegt, dass keine wesentliche Schädigung durch das Vorsetzen erfolgte.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt:

Tabelle 3

Versuchsreihe 4 - Statisches Setzen bei erhöhter Temperatur nach Vorsetzen:

Zwei gleichartige Composite-Federn Fi und F2 wurden jeweils in einer statischen Prüfeinheit bei einer Temperatur von 100°C mit 3,5 kN belastet. Die erste Composite-Feder Fi wurde für 1 h belastet, und die zweite Composite-Feder F2 wurde über einen Zeitraum 24 h belastet. Im Anschluss wurden beide Composite-Federn Fi, F2 unter Last auf unter 30°C abgekühlt. Danach wurden sie im Vergleich zu einer nicht vorbelasteten dritten Composite-Feder F3 statisch über 24 h bzw. 96 h belastet, wobei die erste Composite- Feder Fi und die dritte Composite-Feder F3 mit 3,5 kN belastet wurden und die über 24h Vorgesetzte zweite Composite-Feder F2 mit 2,5 kN belastet wurde. Die Belastung erfolgte bei einer Temperatur von 80°C. Der Vergleich zwischen Versuchen mit 2,5 und 3,5 kN ist zulässig, da die plastische Änderung des Weges As in Bezug zur elastischen Wegänderung s gesetzt wird. Die Ergebnisse sind in Figur 5 dargestellt. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, wurde das Setzverhalten der Federn Fi und F2 gegenüber der nicht Vorgesetzten Composite-Feder F3 deutlich reduziert. Es ist zu beachten, dass die bei 100°C über 1 h belastete Composite-Feder Fi lediglich um ca. 17 mm vorgesetzt worden war, während die bei 100°C über 24h belastete Composite-Feder F2 schon um ca. 84 mm vorgesetzt worden war.

Es wurde also gezeigt, dass das Vorsetzen von Composite-Federn bei erhöhten Temperaturen das Setzen unter statischer oder dynamischer Belastung deutlich verringert. Der Prozess des Vorsetzens kann durch Erhöhen der Temperatur deutlich beschleunigt und das anschließende Setzverhalten deutlich verringert werden. Sofern die Glasübergangstemperatur unterschritten wird und die Setzdauer begrenzt wird, können großformatige Verformungen und potentielle Schädigungen der Composite-Federn zudem vermieden werden.