-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Nähvorrichtung zum Einziehen
von Faserbündeln
in einen Schaumwerkstoff sowie ein Verfahren zum Einziehen von Faserbündeln in
einen Schaumwerkstoff.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Aufgrund
ihres guten Verhältnisses
von Steifigkeit bzw. Festigkeit zur Dichte finden im Bereich des
Flugzeugbaus Verbundwerkstoffe und insbesondere Sandwichkonstruktionen
einen breiten Anwendungsbereich. Kernverbunde werden im Allgemeinen aus
einer oberen und einer unteren Deckschicht bzw. -lage gebildet,
zwischen denen eine Schicht mit Hartschaumstoffen eingebracht wird.
-
Diese
Kernverbunde mit einem Hartschaumkern weisen unter anderem im Bereich
thermischer und akustischer Isolation sowie bei ihrer Herstellung Vorteile
gegenüber
den Wabenstrukturen auf, erweisen sich jedoch dadurch als nachteilhaft,
dass sie nur vergleichsweise geringe mechanische Eigenschaften aufweisen.
Um diese zu kompensieren, werden Nähtechniken eingesetzt, mit
denen Fasern, Faserbündel oder
Fäden in
Hartschaumbauteile eingebracht werden können. Nach einem Harzinfiltrationsprozess
tragen die mit Fasern durchsetzten Bereiche dann zur mechanischen
Verstärkung
des Schaumstoffs bei.
-
Die
standardmäßig zur
Verstärkung
von Schaumstoffen eingesetzten Nähverfahren
bestehen darin, mittels einer Nadel einen Schaumstoff zu durchdringen
und gleichzeitig dabei den Faden, bzw. die Faserbündel oder
Fasern, durch den Hartschaumstoff zu ziehen. Zur Fixierung des Fadens werden
zwei verschiedene Methoden angewendet.
-
Zum
einen kann mittels des sogenannten Tuften-Nähverfahrens ein Faden durch
die Hartschaumstoffschicht gezogen werden und in einem auf der entgegengesetzten
Seite befindenden Substrat, wie beispielsweise Silikonkautschuk,
fixiert werden. Nach Fertigstellung der Naht kann das Substrat entfernt
werden.
-
Das
zweite Nähverfahren
gehört
in die Kategorie der Zweiseiten-Nähverfahren, wobei ein Oberfaden
von einer Decklage des Kernverbunds aus mit einer Nadel durch den
Schichtaufbau gestochen wird. Der Oberfaden wird anschließend auf
der gegenüberliegenden
Seite des Schichtaufbaus durch einen Unterfaden fixiert.
-
Bedingt
dadurch, dass Nadel und Faden gleichzeitig in den Schaumstoff eintreten
wird eine Lochgröße in dem
Schaumstoff erzeugt, welche Größe als der
Durchmesser der eingebrachten Fasermenge ist. Wird beispielsweise
der Hartschaumstoff weiterverarbeitet, wie beispielsweise bei Infiltration, wird
der verbleibende Hohlraum der Löcher,
welcher nicht durch Faserbündel
gefüllt
ist, mit Harz gefüllt.
-
Einen
bekannten durch Nähstiche
verstärkten
Kernverbund beschreibt beispielsweise die
US 6,187,411 . Zur Verstärkung wird
des Hartschaumstoffs, werden Fäden
in einem Zweiseite-Nähverfahren
vernäht,
wobei ein Oberfaden von einer Decklage des Kernverbunds aus mit
einer Nadel in den Schichtaufbau eingestochen wird, um im der Nähe der anderen
Decklage von einem Unterfaden in dem Schichtaufbau gehalten zu werden.
Hierdurch entsteht beim Rückzug
der Nadel aus dem Schichtaufbau eine Schlaufe. Ein derartiges Zweiseitenähverfahren
wird auch in der
US 4,196,251 beschrieben, bei
der sich der Unterfaden parallel zu der zweiten Deckschicht und
rechtwinklig zum Verlauf des Oberfadens erstreckt. Auch die
US 5,624,622 beschreibt einen
durch ein Nähverfahren
verstärkten
Schaumkernverbund, wobei zur Vernähung bekannte Kettstich- oder
Stepp-Stichnähverfahren
eingesetzt werden.
-
Aus
der
DE 10 2005
024 408 A1 ist ein Verfahren zur Verstärkung von Schaumwerkstoffen
bekannt, bei welchem mittels einer geeigneten Nähvorrichtung Faserbündel in
einen Schaumwerkstoff eingezogen werden. Dabei wird mit einer Nadel
zunächst
von einer Seite aus ein Durchgangsloch in den Schaumwerkstoff gestochen,
um dann ein auf der anderen Seite befindliches Faserbündelnmit
der Nadel aufzugreifen und in den Schaumwerkstoff einziehen zu können.
-
Die
bekannten Nähverfahren
weisen die Gemeinsamkeit auf, dass zunächst eine Nadel den Schaumstoff
durchdringt und dabei gleichzeitig den Faden in den Schaumstoff
einbringt. Hierbei erstreckt sich während des Einstechens in den
Schaumstoff der Faden parallel zu und im Wesentlichen über die ganze
Länge der
Nadel. Die Lochgröße des Einstichloches
wird somit durch den Nadeldurchmesser und die Stärke des Fadens bestimmt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lochgröße bei Einziehen
von Faserbündeln
in einen Schaumwerkstoff zu reduzieren.
-
Die
Aufgabe wird durch eine Nähvorrichtung zum
Einziehen von Faserbündeln
in einen Schaumstoff und durch ein Verfahren zum Einziehen von Faserbündeln in
einen Schaumwerkstoff mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
-
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung wird eine Nähvorrichtung
zum Einziehen von Faserbündeln
in einem Schaumstoff bereitgestellt. Die Nähvorrichtung weist ein Ösenelement
mit einer Hebeleinrichtung auf. Das Ösenelement mit der Hebeleinrichtung
ist derart eingerichtet, dass eine geschlossene Innenfläche bereitstellbar ist.
Die Hebeleinrichtung ist derart eingerichtet, dass die Hebeleinrichtung
um eine Flächennormale
der Innenfläche
drehbar ist. Die Hebeleinrichtung ist ferner eingerichtet, in einer
Schließstellung
mit dem Ösenelement
die geschlossene Innenfläche
zu bilden. Ferner ist die Hebeleinrichtung ausgehend von der Schließstellung
in Richtung der Innenfläche
in eine Aufnahmestellung drehbar. Das Ösenelement ist eingerichtet,
in der Aufnahmestellung der Hebeleinrichtung ein Faserbündel aufzunehmen
und in der Schließstellung
das Faserbündel
einzuschließen.
-
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Einziehen von Faserbündeln in
einen Schaumwerkstoff bereitgestellt. Eine Hebeleinrichtung eines Ösenelements wird
mittels Drehung der Hebeleinrichtung um eine Flächennormale einer Innenfläche des Ösenelements
geöffnet.
Die Hebeleinrichtung wird dabei in Richtung der Innenfläche in eine
Aufnahmestellung gedreht. In der Aufnahmestellung der Hebeleinrichtung
wird ein Faserbündel
aufgenommen. Das Ösenelement
wird mittels Drehung der Hebeleinrichtung in eine geschlossene Schließstellung
geschlossen. Das Faserbündel
wird mittels des Ösenelements
durch den Schaumwerkstoff durchgeführt. Nach Durchführung des
Faserbündels
wird die Hebeleinrichtung in die Aufnahmestellung zum Loslassen
des durchgeführten
Faserbündels
gedreht.
-
Mittels
der vorliegenden Erfindung wird eine Nähvorrichtung mit einem Ösenelement
zum Festhalten eines Faserbündels
geschaffen, wobei sich das Ösenelement
mittels der Hebeleinrichtung nicht nach außen öffnet, sondern nach innen in
Richtung einer Innenfläche
des Ösenelements.
Indem sich die Hebeleinrichtung nur nach innen bewegen kann und nicht nach
außen,
wird erreicht, dass bei Durchführen der
Nähvorrichtung
durch einen Schaumwerkstoff sich die Hebeleinrichtung nicht verhakt
oder unabsichtlich öffnet.
Dadurch wird verhindert, dass durch Verhaken oder unabsichtliches Öffnen der
Hebeleinrichtung ein großer
Lochdurchmesser in dem Schaumwerkstoff gebildet wird.
-
Unter
dem Begriff „Innenfläche" wird diejenige Fläche verstanden,
welche durch das Ösenelement
und die Hebeleinrichtung begrenzt wird. In senkrechter Richtung
zu der Innenfläche
erstreckt sich die Flächennormale.
-
Ist
der Lochdurchmesser größer als
der eingebrachte Faserbündelquerschnitt,
so bildet sich ein verbleibender Hohlraum, welcher mit unerwünschten Partikeln,
wie beispielsweise mit Harz, gefüllt
wird. Wird beispielsweise Harz aufgrund von Weiterverarbeitungsschritten
in diesen Hohlraum eingebracht, ist eine deutliche Gewichtszunahme
zu verzeichnen. Gerade für
den Einsatz im Flugzeugbau ist bei diesen Strukturen aus dem Stand
der Technik der Gewichtszuwachs im Verhältnis zur Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften zu groß. Mit der erfindungsgemäßen Nähvorrichtung,
welche einen kleineren Lochdurchmesser während des Einführens von
Fasern in einen Schaumstoff ermöglicht, ändert sich das
Verhältnis
zwischen Gewichtszuwachs und mechanischer Eigenschaften eines faserverstärkten Schaumstoffs
positiv.
-
Aufgrund
des Öffnens
eines Ösenelements mit
einer sich nach innen drehenden Hebeleinrichtung kann verhindert
werden, dass sich diese in dem Schaumwerkstoff verhakt und somit
der Durchmesser des Schaumwerkstoffs vergrößert wird.
-
Somit
kann mit der bereitgestellten Nähvorrichtung
der Durchmesser in einem Schaumwerkstoff klein gehalten werden.
Ferner ist durch den einfachen Schließmechanismus keine komplizierte
Steuerungstechnik erforderlich, sondern es kann beispielsweise auf
Federmechanismen zurückgegriffen
werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
ist das Ösenelement
mit der Hebeleinrichtung derart eingerichtet, dass in der Schließstellung
eine glatte Außenkontur
gebildet wird. Unter dem Begriff „glatte Außenkontur" wird ein äußerer Rand des Ösenelements
verstanden, bei dem der Übergang
zwischen Ösenelement
mit der Hebeleinrichtung beispielsweise stufenlos bzw. ohne eine
Vertiefung oder Erhebung stattfindet. Dabei wird der Hartschaumwerkstoff
nicht deformiert, und ein unnötig
großer
Lochdurchmesser kann vermieden werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist die Nähvorrichtung
ferner ein Führungselement
auf. Das Führungselement
ist mit dem Ösenelement
verbunden. Das Führungselement
ist ferner eingerichtet, das Ösenelement
durch den Schaumwerkstoff zu führen.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Ösenelement
eine Spitze auf. Mittels dieser Spitze kann die Nähvorrichtung sich
in einfacher Art und Weise einen Weg durch den Hartschaumstoff bahnen.
Beispielsweise kann mittels der Spitze des Ösenelements das Faserbündel durch
den Hartschaumstoff gezogen werden, ohne dass eine entsprechende
Bohrung in dem Hartschaumstoff vorhanden sein muss. Somit kann das Einziehen
der Faserbündel
beschleunigt werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Ösenelement
eine scharfe Außenkante
auf. Mittels der scharfen Außenkante des Ösenelements
kann die Nähvorrichtung
in einfacher Art und Weise durch einen Hartschaumstoff geführt werden,
ohne das ein hoher Kraftaufwand benötigt wird. Mit anderen Worten
schneidet sich die Nähvorrichtung
durch den Schaumstoff.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Ösenelement
ein Federelement mit einer Federkraft auf. Das Federelement ist dabei
derart eingerichtet, dass die Federkraft auf die Hebeleinrichtung
in Richtung der Schließstellung wirkt.
Somit wird ein Schließmechanismus
der Hebeleinrichtung geschaffen. Mittels der Federkraft wird die
Hebeleinrichtung immer in die geschlossene Schließstellung
gedrückt,
so dass ein ungewolltes Austreten des eingeschlossenen Faserbündels vermieden
wird. Die gewählte
Federsteifigkeit des Schließmechanismus
bzw. des Federelements kann so gewählt werden, dass ein einfaches
Einfädeln
des Faserbündels
ermöglicht
wird. Gleichzeitig sollte die Federsteifigkeit derart gewählt werden,
dass der seitliche Druck der Gewebe bzw. des Schaumstoffs beim Rückzug des Ösenelements
aus dem Schaumstoff die Hebeleinrichtung nicht öffnet. Somit kann ein einfacher
Schließmechanismus
des Ösenelements
mittels der Feder und der Hebeleinrichtung geschaffen werden, ohne
dass ein Lochdurchmesser unnötig vergrößert wird.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
ist die Hebeleinrichtung eingerichtet, in der Schließstellung
und der Aufnahmestellung einzurasten. Einrasten bedeutet, dass die
Hebeleinrichtung die Schließstellung
oder die Aufnahmestellung erst verlassen werden kann, wenn ein gewisser
Widerstand überwunden
ist. Somit verharrt die Hebeleinrichtung in den eingestellten Stellungen,
ohne ungewollt, beispielsweise aufgrund des Eigengewichts oder der
Federkraft, die Stellung zu ändern.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist die Nähvorrichtung
ferner eine Steuereinheit auf. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet,
die Hebeleinrichtung zwischen der Schließstellung und der Aufnahmestellung
zu steuern. Mittels der Steuereinheit kann die Nähvorrichtung beispielsweise
an eine Nähmaschine
angeschlossen werden, welche automatisch und selbstständig ein Fadenbündel durch
den Schaumstoff sticht und befestigt. Die Hebeleinrichtung kann
beispielsweise an ihrer Drehachse einen Servomotor aufweisen, welcher
durch die Steuereinheit gesteuert wird, um somit das Ösenelement
zu öffnen
oder zu schließen.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist die Hebeleinrichtung eine Zentrierungsfuge und das Ösenelement
ein Zentrierungskamm auf. Der Zentrierungskamm ist eingerichtet,
in der Schließstellung
im bündigen
Eingriff mit der Zentrierungsfuge zu stehen. Somit kann die Hebeleinrichtung
in der Schließstellung
bündig
in Eingriff mit der Zentrierungsfuge stehen. Somit kann eine glatte
Außenkontur
des Ösenelements
geschaffen werden, ohne dass sich aufgrund von Verschiebung der
Hebeleinrichtung Ecken und Kanten bilden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird die Hebeleinrichtung in die zweite geöffnete Stellung
gedreht. In dieser Aufnahmestellung wird das Faserbündel aus
dem Ösenelement
losgelassen.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Faserbündel
eine Schlaufe auf. Das Faserbündel
wird mittels Durchschneidens der Schlaufe nach dem Durchführen des
Faserbündels
durch den Schaumwerkstoff losgelassen. Somit kann ein Faserbündel in
einfacher Art und Weise von der Nähvorrichtung losgelassen werden,
ohne eine komplexe Lösetechnik
verwenden zu müssen.
-
Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Nähvorrichtung
gelten für
das Verfahren und umgekehrt.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Nähvorrichtung geschaffen, welche
besonders im Gebiet der Herstellung von Kernverbundkonstruktionen
eingesetzt werden kann. Kernverbundkonstruktionen bestehen beispielsweise
aus Sandwichkonstruktionen oder Schaumstoffen, welche durch Kohlefasern
oder andere Faserverbundstoffe verstärkt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Nähvorrichtung
mit einer Hebeleinrichtung, und
-
2 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
einer Nähvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
von exemplarischen Ausführungsformen
-
Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und
nicht maßstäblich.
-
2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
der Nähvorrichtung.
Die Nähvorrichtung
weist dabei ein Ösenelement 1 mit
einer Hebeleinrichtung 2 auf. Das Ösenelement 1 mit der
Hebeleinrichtung 2 ist derart eingerichtet, dass eine geschlossene
Innenfläche 9 bereitstellbar
ist. Die Hebeleinrichtung 2 ist derart eingerichtet, dass
die Hebeleinrichtung 2 um eine Flächennormale 4 der
Innenfläche 9 drehbar ist.
Die Hebeleinrichtung ist ferner eingerichtet, in einer Schließstellung
mit dem Ösenelement 1 die
geschlossene Innenfläche 9 zu
bilden, wobei die Hebeleinrichtung ausgehend von der Schließstellung
in Richtung der Innenfläche 9 in
eine Aufnahmestellung drehbar ist. Das Ösenelement 1 ist ferner
eingerichtet, in der Aufnahmestellung der Hebeleinrichtung 2 ein
Faserbündel
aufzunehmen und in der Schließstellung
das Faserbündel
einzuschließen.
-
Ein
Armierungsverfahren kann sich beispielsweise zur Erhöhung des
Faservolumengehalts in den Armierungen einer Technik bedienen, die
dem Knüpfen
verwandt ist. Dazu kann mit einer dünnen Hakennadel durch den Schaumstoff
gestochen werden, wobei Fasern auf der gegenüberliegenden Seite mit dem
Haken erfasst und durch den Schaumstoff gezogen werden. Schwierigkeiten
treten auf, wenn gleichzeitig die Deckschichten mit angebunden werden
müssen.
Der Haken könnte
Fasern des eingesetzten Deckgewebes erfassen und in den Schaumstoff
ziehen. Die Deckschichtaufbauten werden dadurch gestört. Dabei
sind zwei prinzipiell unterschiedliche Techniken möglich, nämlich der
Einsatz einer Schiebernadel oder einer Nadel mit Schließlippe (sog. „Zungennadeln").
-
Eine
Schiebernadel besteht beispielsweise aus zwei separaten Teilen,
nämlich
einem Haken und einem Schieber bzw. einem Verschluss.
-
Ferner
können
Nadeln mit Schließlippen bzw.
Hebeleinrichtungen 2 gemäß 1 eingesetzt werden,
wobei die Schließlippe
im offenen und geschlossenen Zustand nicht bündig mit dem Nadelschaft abschließen kann,
sodass diese sich automatisch beim Einstechen ins Substrat und beim
Herausziehen im selbigen verhaken. Durch dieses Verhaken erfolgt
das Öffnen
und Schließen
der Nadelöse,
so dass ein Faden freigegeben bzw. aufgenommen werden kann.
-
1 zeigt
eine beispielhafte Nähvorrichtung
mit einer nach außen öffnenden
Hebeleinrichtung 2. Die Nähvorrichtung weist eine Verlängerung 3 auf,
an dessen einem Ende ein Ösenelement 1 mit der
Hebeleinrichtung 2 angebracht ist. Das Ösenelement 1 und die
Hebeleinrichtung 2 führen
in eine Innenfläche 9,
in der ein Faserbündel
eingeschlossen werden kann. Die Hebeleinrichtung ist dabei eingerichtet,
sich nach außen
zu öffnen,
um ein Faserbündel
aufzunehmen oder loszulassen.
-
Diese
Nadelausführung
ist einteilig ausgeführt,
wobei die Hebeleinrichtung 2 in offenem und geschlossenem
Zustand nicht bündig
mit dem Ösenelement 1 abschließen kann.
Beim Einstechen in das Substrat bzw. den Schaumwerkstoff kann sich
dabei die Hebeleinrichtung 2 automatisch beim Einstechen und
Herausziehen verhaken. Dadurch erfolgt das Öffnen und Schließen der
Hebeleinrichtung 2. Somit wird jedoch durch die nicht bündig abschließende Hebeleinrichtung 2 das
Einstichloch unnötig
vergrößert. Zudem
wird der Schaumstoff durch das Verhaken der Hebeleinrichtung 2 beim Öffnen und
Schließen
beschädigt.
Durch die großen
Einstichlöcher
und den Beschädigungen
im Schaumstoff können
unnötige
Verunreinigungen, wie beispielsweise ungewollte Harznester oder
sonstige Partikel, eingeschlossen werden, wodurch eine Strukturschwäche entsteht. Ferner
wird das Gewicht durch Einschließen von Harz erhöht.
-
2 zeigt,
wie oben beschrieben, eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nähvorrichtung. Das Ösenelement 1 kann
an ein Führungselement 3 angeordnet
werden, um somit besser durch den Schaumstoff geführt zu werden.
Die Hebeleinrichtung 2 kann sich um die Flächennormale 4 der
Innenfläche 9 drehen,
um somit das Ösenelement 1 zu öffnen. Die
Hebeleinrichtung 2 kann ferner mittels einer Federkraft
einer Feder gegen das Ösenelement 1 gedrückt werden,
um somit ein ungewolltes Öffnen
der Hebeleinrichtung 2 zu verhindern. Das Ösenelement 1 weist
ferner eine Spitze 8 auf, wodurch die Nähvorrichtung verbessert durch
den Schaumstoff geführt werden
kann.
-
Um
die Hebeleinrichtung 2 bündig mit der Öseneinrichtung 1 zu
schließen,
weist das Ösenelement 1 einen
Zentrierungskamm 5 und die Hebeleinrichtung 2 eine
Zentrierungsfuge 6 auf. Stehen die Zentrierungsfuge 6 und
der Zentrierungskamm 5 im Eingriff, so schließt die Hebeleinrichtung 2 automatisch
mit dem Ösenelement 1 bündig ab.