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Die
Erfindung betrifft eine Spreizvorrichtung zum Aufspreizen von Faserfilamentbündeln
zu einem flachen Faserband. Die erfindungsgemäße
Spreizvorrichtung ist insbesondere geeignet zur Verwendung in einem
Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine kraftflussgerechte
Faserverbundstruktur. Außerdem betrifft die Erfindung ein
mit einer solchen Spreizvorrichtung durchführbares Spreizverfahren.
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Beim
Bau von Fahrzeugen aller Art, insbesondere beim Bau von Luft- und
Raumfahrtgeräten, aber auch in anderen Industriezweigen,
wie im Maschinenbau, gibt es immer mehr das Bedürfnis nach belastbaren
und dennoch leichtgewichtigen und möglichst kostengünstigen
Materialien. Insbesondere Faserverbundwerkstoffe bieten ein überragendes Leichtbaupotential.
Das Prinzip besteht darin, dass insbesondere hochfeste und steife
Fasern belastungsgerecht in einer Matrix eingebettet werden, wodurch
Bauteile mit herausragenden mechanischen Eigenschaften entstehen,
die mit bisherigen Techniken typischerweise 25% leichter als Aluminium
und 50% leichter als Stahlstrukturen mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit
sind. Ein Nachteil liegt in den hohen Werkstoffkosten und insbesondere
in der aufwändigen, größtenteils manuellen
Fertigung.
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Es
gibt daher den Wunsch, eine automatisierte Herstellung zu schaffen,
die eine maschinelle Anordnung der Fasern im Raum ermöglicht.
Heutzutage zeichnen sich faserverstärkte Kunststoffe insbesondere
bei Verwendung von gerichteten Langfasern, zum Beispiel Kohlenstofffasern,
durch eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aus.
Außerdem verfügen sie über ein hohes
gewichtsspezifisches Energieaufnahmevermögen und gute Ermüdungseigenschaften.
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Dies
wird bislang dadurch erreicht, dass Endlosfasern belastungsgerecht
in einer Matrix (beispielsweise Epoxidharz) eingefügt werden.
Je nach Verstärkungsrichtung können anisotrope
Werkstoffe entstehen, die richtungsabhängige mechanische
Eigenschaften haben. So kann zum Beispiel ein Werkstoff in der Länge
andere Eigenschaften aufweisen als in der Breite. Bei modernen Luft-
und Raumfahrzeugen besteht bereits heutzutage ein hoher Prozentsatz
des Strukturgewichtes aus faserverstärkten Kunststoffen.
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Das
wichtigste Fertigungsverfahren basiert derzeit auf der sogenannten
Prepreg-Technologie. Hierbei werden die Verstärkungsfasern
parallel (unidirektional) angeordnet und in eine Matrix eingebettet.
Nach einem Aushärtungsschritt entstehen Halbzeuge, die
als dünne Lage auf eine Rolle aufgewickelt werden. Bei
der Verarbeitung werden diese Lagen entsprechend der Bauteilkontur
zugeschnitten und vorwiegend von Hand Schicht für Schicht
in ein Werkzeug laminiert. Anschließend erfolgt die Aushärtung
unter Druck und Temperatur in einem Autoklaven. Die entstehenden
Bauteile weisen ein sehr hohes Leichtbaupotential auf, die Fertigung
ist jedoch sehr aufwändig und teuer. Seit mehreren Jahrzehnten
beschäftigt die Werkstoff-Forscher daher die Frage, wie
Fasern belastungsgerecht, dreidimensional und von ihrer Kontur her
möglichst nahe an der endgültigen Kontur des Bauteiles
in einem automatisierten Prozess angeordnet werden.
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Um
Faserverbundstrukturen mit entsprechend dem Kraftfluss angeordneten
Fasern herzustellen, hat man bisher neben Prepregs für
ausgewählte Anwendungen sogenannte Preforms als textile
Halbzeuge gefertigt. Dabei handelt es sich um meist zwei- oder dreidimensionale
Gebilde mit belastungsgerecht ausgelegter Faserausrichtung. Bisher werden
hierzu mit Mitteln der Textiltechnik Endlosfasern in Belastungsrichtung
verlegt und mit Mitteln der Textiltechnik, in der Regel durch Vernähen,
Stricktechniken oder dergleichen, vorfixiert. Beispiele für Vorrichtungen
und Verfahren zum Herstellen solcher Preforms finden sich in der
DE 30 03 666 A1 ,
der
DE 196 24 912 ,
der
DE 197 26 831
A1 sowie der
DE
100 05 202 A1 .
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Jedoch
sind die bekannten Verfahren zum Herstellen von Preforms kompliziert
in der Anwendung und der Prozesstechnik. Insbesondere bei solchen
Bauteilen, wo gekrümmte Kraftflusslinien mit variierender
Dichte zu erwarten sind, ist mit den bisher bekannten Methoden die
Herstellung eines entsprechend kraftflussgerechten ausgelegten Bauteiles
nicht möglich. Insbesondere können die Fasern nicht
beliebig entlang definiert gekrümmter Bahnen orientiert
werden, und der Fasergehalt lässt sich nicht lokal variieren.
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Zum
Herstellen der textilen Halbzeuge werden in den oben erläuterten
bisher bekannten Preform-Herstellverfahren sogenannte Rovings zu
der textilen Vorform verwoben. Beispielsweise kommen 12 k-Rovings
mit 12000 Einzelfilamenten zum Einsatz. Eine gleichmäßig
Durchdringung solcher Rovings mit dem Material der Matrix ist sehr
schwierig zu bewerkstelligen. Auch gibt es am Ort der Rovings hohe
Faserkonzentrationen und dazwischen einen nur geringen Faseranteil,
so dass es schwierig ist, den Faseranteil lokal entsprechend den
individuellen Anforderungen an das Bauteil zu variieren.
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In
der Textiltechnik sind bereits seit längerem für
ganz andere Anwendungsgebiete verschiedene Spreiztechniken zum Aufspreizen
von Faserfilamentbündeln bekannt. So zeigt
4 eine
Prinzipskizze eines bereits aus der
DE 715801 A bekannten alten mechanischen Spreizprinzips.
Hier durchläuft ein Faserstrang
14 nacheinander
eine gebogene Stange
76 und dann eine gerade Stange
78.
Die Kombination aus einer geraden und einer gebogenen Stange sorgt bei
in
4 dargestellten, grundsätzlich bekannten Radiusspreizern
dafür, dass die auf die Faser wirkende Zugkraft umgeleitet
wird. Es wirkt nun auch eine Kraft, die die Faser auf die gebogene
Stange presst. An der höchsten Stelle der Auslenkung wirkt
auf die Filamente die höchste Kraft. Mit zunehmender Entfernung
von dieser Steile wird die Kraft geringer. Das heißt, Filamente
können der Belastung ausweichen, wenn sie auf der gebogenen
Stange nach außen wandern. Dabei hängt es jedoch
von der Zugkraft auf die Faser, der Reibung zwischen Faser und Stange, der
Position der Stangen zueinander und von der Biegung der Stange ab,
wie das Spreizergebnis aussieht. Bei einer extremen Biegung ist
die Differenz der wirkenden Kräfte zwischen der höchsten
Stelle und einer Außenposition so groß, dass die
Oberflächenreibung der Stange keine Rolle mehr spielt.
Die Filamente werden schlagartig nach außen wandern, d.
h. der Faserstrang
14 würde abrutschen oder sich spalten.
Ist die Biegung zu gering, dann fällt das Spreizverhältnis
zu niedrig aus. Damit ist das Spreizergebnis sehr unregelmäßig,
es ergibt sich eine unregelmäßige Faserverteilung.
Insbesondere hängt das Spreizergebnis sehr stark von der
Materialqualität ab.
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Ausgehend
von dem vorerwähnten Stand der Technik ist es somit Aufgabe
der Erfindung, eine Spreizvorrichtung sowie ein Spreizverfahren
zum Aufspreizen von Faserfilamentbündeln zu einem flachen
Faserstrang zu schaffen, bei der die Materialqualität einen
geringeren Einfluss auf das Spreizergebnis hat.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Spreizvorrichtung nach dem beigefügten
Anspruch 1 sowie ein Verfahen nach dem Anspruch 12 gelöst.
Eine vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens
sind in dem Anspruch 13 angegeben.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Spreizverfahren und der
erfindungsgemäßen Spreizvorrichtung werden Probleme
mit der Materialqualität von aufzuspreizenden Faserfilamentbündeln
gelöst, indem das Faserfilamentbündel immer wieder
neu auf wenigstens eine konvex gebogene Spreizkante aufgesetzt wird.
Hierzu weist die Spreizvorrichtung wenigstens eine konvex gebogene
Spreizkante auf, die sich mit wenigstens einer Richtungskomponente
senkrecht zur Längserstreckung des Faserfilamentbündels
relativ zu diesem so bewegt, dass dieses auf die konvex gebogene
Spreizkante unter Spannung aufgelegt wird und sich anschließend
wieder mit wenigstens einer Richtungskomponente senkrecht von dem Faserfilamentbündel
wegbewegt, so dass sich dieses von der Spreizkante löst.
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Bei
einem als bevorzugte Verwendung der Spreizvorrichtung vorgesehenen
Verfahren zum Herstellen einer Preform mit kraftflussgerecht ausgelegter
Faserver bundstruktur lässt sich eine Preform dadurch herstellen,
dass zunächst ein Faserfilamentbündel, vorzugsweise
ein Roving, flach aufgespreizt wird. Von diesem aufgespreizten Faserfilamentbündel
wird dann ein Faserbandstück, in der folgenden Beschreibung
auch Patch genannt, vorzugsweise mit vordefinierter Länge,
abgeschnitten. Anschließend wird das Faserbandstück
mittels einer Legevorrichtung aufgenommen und an einer vordefinierten
Position platziert. Dort wird das Faserbandstück mittels eines
Bindermaterials fixiert. Das Abschneiden, Verlegen und Fixieren
von Faserbandstücken wird wiederholt, wobei die Faserbandstücke
an unterschiedlichen vordefinierten Positionen platziert und fixiert werden.
Dies erfolgt vorzugsweise derart, dass aus den mehreren aneinander
und/oder an eventuelle weitere Bestandteile der Preform fixierten
Patchen die gewünschte Preform mit entsprechend kraftflussgerechter
Faserorientierung gebildet wird. Es lässt sich dadurch
zum Beispiel auch ein Bereich einer konventionell hergestellten
Preform gezielt verstärken, beispielsweise indem an besonders
belasteten Stellen Patches kraftflussgerecht abgelegt werden.
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Allgemein
gesehen ermöglicht ein solches Verfahren, das auch Fiber-Patch-Preforming-Technologie
genannt werden kann, durch einen speziellen Legeprozess das positionsgenaue
Aufbringen kurzer Faserstücke (Patches). Über
die Orientierung und Anzahl der Faserstücke können
die geforderten Eigenschaften der Preform erfüllt werden.
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Mit
der Erfindung lässt sich ein Faserfilamentbündel,
insbesondere ein Roving, besonders flach und gleichmäßig
aufspreizen. Bei Verwendung in dem vorgenannten Verfahren sind damit
Aufdickungen oder sonstige unerwünschte Faserkonzentrationen
vermeidbar, und die Einzelfilamente lassen sich besser in die Matrix
einbetten. Die Erfindung ist aber auch für andere Einsatzzwecke
verwendbar, wo eine flache und gleichmäßige Aufspreizung
von aus einzelnen Fasern gebildeten Faserbündeln wünschenswert
ist.
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Als
Filamentbündel, welches mit der Spreizvorrichtung aufgespreizt
wird, wird vorzugsweise ein Roving, insbesondere ein Kohlenstoff-Roving
verwendet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Spreizvorrichtung ist insbesondere
ein breiteres Aufspreizen der einzelnen Filamente eines Rovings
als mit bisher bekannten Techniken möglich. In vorteilhafter
Ausgestaltung lässt sich so ein möglichst flaches
Faserband aus möglichst wenigen Lagen nebeneinanderliegender
einzelner Filamente zur Verfügung stellen. In einer Ausgestaltung
weist die Spreizvorrichtung hierzu eine Spreizeinrichtung und eine
nachgeschaltetete Lockerungseinrichtung auf.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der dargestellten Zeichnungen näher
erläutert. Darin zeigt:
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1 eine
schematische Übersichtsdarstellung über eine Vorrichtung
zur Herstellung einer Preform zwecks Herstellung kraftflussgerechter
Faserverbundstrukturen;
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1a eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung
von 1 an einer durch eine strickpunktierter Linie
angedeuteten Trennebene;
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2 eine
schematische Darstellung einer bei der Vorrichtung gemäß 1 verwendbaren
Abrollvorrichtung zum Abrollen eines in der Vorrichtung gemäß 1 verarbeitbaren
Faserfilamentbündels;
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3 eine
schematische perspektivische Darstellung eines in der Abrollvorrichtung
von 2 verwendbaren Positionssensors sowie ein Diagramm von
dessen Kennlinie;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer an sich bekannten Spreizvorrichtung
zur Erläuterung des Wirkungsprinzips einer in der Vorrichtung
gemäß 1 eingesetzten Spreizung eines
Faserfilamentbündels;
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5 eine
perspektivische schematische Darstellung einer bei der Vorrichtung
von 1 verwendbaren Spreizeinrichtung;
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6a eine
schematische Seitenansicht einer bei der Vorrichtung von 1 verwendbaren
Lockerungseinrichtung;
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6b eine
schematische Darstellung des Wirkungsprinzips der Lockerungseinrichtung
von 6a;
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7 eine
schematische Seitenansicht einer bei der Vorrichtung von 1 verwendbaren
Bebinderungseinrichtung;
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8 eine
schematische Seitenansicht von bei einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Herstellung einer Preform eingesetzten Kombination
aus Schneidvorrichtung und Legevorrichtung;
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9/10 schematische
Darstellungen des Wirkungsprinzips der Schneidvorrichtung von 8;
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11 eine
schematische Darstellung von vorgegebenen Bahnen zur Ablage von
Fasern durch eine der Vorrichtungen gemäß 1 oder 8;
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12 eine
Reihe von durch die Vorrichtung gemäß 1 abgelegten
Faserbandstücken
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13 eine
schematische Darstellung einer mit einer der Vorrichtungen gemäß 1 oder 8 herstellbaren
Preform;
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14 eine
schematische Querschnittsansicht durch einen bei der Legevorrichtung
von 8 oder 1 verwendbaren Legekopf;
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15 eine
Unteransicht auf den Legekopf von 14 und;
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16 eine detailliertere schematische perspektivische
Darstellung der Legevorrichtung aus 8.
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In 1 ist
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Preform-Herstellvorrichtung
in der Übersicht dargestellt. Mit dieser Preform-Herstellvorrichtung lässt
sich ein kompliziertes textiles Halbzeug mit kraftflussgerecht verlaufenden
Faserfilamenten zur Herstellung von Faserverbundstrukturen selbst
bei kompliziertem Aufbau des Halbzeugs in einfacher Weise herstellen.
Derartige textile Halbzeuge werden Preforms genannt. Die Herstellung
dieser Preforms erfolgt in der Vorrichtung gemäß 1 aus
mittels Bindermaterial fixierten einzelnen kurzen Faserstücken,
die zuvor von einem speziell vorbearbeiteten Faserfilamentstrang
oder Faserband abgeschnitten worden sind. Die Preform-Herstellvorrichtung
lässt sich somit in eine Aufbereitungsgruppe 12 zur
Aufbereitung des Faserbandes 14 und in eine Schneid- und Legegruppe 16 zum
Abschneiden von Faserbandstücken und Verlegen derselben
aufteilen. Mit einer strichpunktierten Linie ist die mögliche
Trennung 15 zwischen diesen Gruppen 12 und 16 angedeutet.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Schneid- und
Legegruppe 16; ein zweites Ausführungsbeispiel
einer solchen Schneid- und Legegruppe 16 ist in 8 dargestellt.
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Zunächst
wird anhand der 1 der Gesamtaufbau sowie das
Wirkungsprinzip der Preform-Herstellvorrichtung 10 erläutert,
wonach dann anhand der weiteren Figuren deren einzelne Baugruppen
erläutert werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich, weist die Preform-Herstellvorrichtung 10 eine
Abrollvorrichtung 18, eine Spreizvorrichtung 20,
eine Bebinderungsvorrichtung 22, eine Schneidvorrichtung 24,
eine Transporteinrichtung 26, eine Legevorrichtung 28 sowie
ein Vorform 30 auf. Diese Einzelvorrichtungen 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 sind
jeweils für sich verkehrsfähig und auch ohne die
jeweils anderen Vorrichtungen zum Erfüllen ihrer Einsatzzwecke
verwendbar. Die hiesige Offenbarung um fasst daher auch die jeweiligen
Vorrichtungen 12, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 jeweils
einzeln und alleine.
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Die
Abrollvorrichtung 18 dient zum Liefern eines Faserfilamentstranges,
beispielsweise eines Rovings 32. Die Abrollvorrichtung 18 ist,
wie dies im folgenden noch näher erläutert ist,
derart ausgebildet, dass ein verdrehfreies Abrollen des Rovings 32 ermöglicht
ist. Zum Herstellen von kohlefaserverstärkten (CFK) Bauteilen
wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kohlenstoff-Roving
verwendet.
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Die
Spreizvorrichtung 20 dient zum möglichst breiten
Aufspreizen der einzelnen Filamente des Rovings 32, um
so ein möglichst flaches Faserband 14 aus möglichst
wenigen Lagen nebeneinanderliegender einzelner Filamente zur Verfügung
zu stellen. Hierzu weist die Spreizvorrichtung 20, wie dies
nachfolgend noch näher erläutert wird, eine Spreizeinrichtung 34 und
eine Lockerungseinrichtung 36 auf.
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Die
Bebinderungsvorrichtung 22 dient dazu, Filamente des Faserbandes 14 und/oder
einzelne Faserbandstücke davon mit einem Bindermaterial 38 zu
versehen, das zum Fixieren der Faserbandstücke in der Preform
dient. In der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist die Bebinderungsvorrichtung 22 Teil der Aufbereitungsgruppe 12 und
wird so zum Versehen des aufgespreizten Faserbandes 14 mit Bindermaterial 38 verwendet.
In nicht dargestellten Ausführungsformen der Preform-Herstellvorrichtung 10 lässt
sich zusätzlich oder alternativ eine Bebinderungsvorrichtung 22 der
Schneid- und Legegruppe 16 zuordnen, um dann die bereits
abgeschnittenen Faserstücke mit Bindermaterial 38 zu
versehen.
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Die
Schneidvorrichtung 24 ist zum Abschneiden von Stücken
definierter Länge von dem Faserband 14 (Faserstücke)
ausgebildet. Die einzelnen Faserbandstücke werden im folgenden
als Patches 40, 40', 40'' bezeichnet.
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Die
Transporteinrichtung 26 dient zum Vereinzeln der Patches 40 und
zum Transportieren derselben zu der Legevorrichtung 28.
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Die
Legevorrichtung 28 ist derart ausgebildet, dass sie einzelne
Patches 40 erfassen kann und an vordefinierte Positionen,
hier an der Vorform 30 platzieren können. Die
Vorform 30 dient dazu, der Preform 42 eine vorgegebene
dreidimensionale Flächengestaltung zu geben.
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Die
Preform-Herstellvorrichtung 10 weist weiter eine hier mehrere
Steuerungen 44a, 44b aufweisende Steuerungsvorrichtung 44 auf,
die die Einzelvorrichtungen 12, 18, 20, 22, 26, 30 derart
steuert, dass nach Art einer Patchwork-Decke aus oder mit den einzelnen
Patches 40 die Preform 42 gebildet wird.
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Mit
der Preform-Herstellvorrichtung 10 lässt sich
somit folgendes Herstellverfahren zum Herstellen einer Preform 42 für
eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur automatisch durchführen:
Zunächst
wird ein in Form des Rovings 32 vorliegendes Faserfilamentbündel
gespreizt und mit dem in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
thermisch aktivierbaren Bindermaterial 38 versehen. Das
so zur Verfügung gestellte bebinderte Faserband 14 wird anschließend
in die Stücke definierter Länge – Patches 40 – geschnitten.
Die Patches 40 werden vereinzelt und zu der Legevorrichtung 28 transportiert. Die
Legevorrichtung 28 platziert jedes Patch 40 an
einer jeweils vordefinierten Position 46 an der Vorform 30 und
presst das Patch 40 auf die Vorform 30 auf.
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Mit
der Preform-Herstellvorrichtung 10 lässt sich
somit eine Fiber-Patch-Preforming-Technologie durchführen,
die durch einen speziellen Legeprozess das positionsgenaue Aufbringen
kurzer Faserstücke ermöglicht. Über die
Orientierung und Anzahl der Faserstücke können
die geforderten Eigenschaften der Preform 42 erfüllt
werden. Dadurch können Fasern entlang definiert gekrümmter
Bahnen orientiert werden; und der Fasergehalt kann lokal variieren.
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Durch
die Ablage gespreizter, kurz geschnittener Faserbandstücke – Patches 40 – können
kraftflussoptimierte Preformen 42 hergestellt werden. Ein Faserschneidwerk 48 schneidet
die speziell vorgefertigten, bebinderten Faserbänder 14 in
kurze Stücke, und über übergibt diese
an ein Vakuumfließband 50 der Transporteinrichtung 26.
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Die Übergabe
der Patches 40 von dem Vakuumfließband 50 an
einen Legekopf 52 der Legevorrichtung 28 erfolgt
fliegend über eine Kombination aus Ansaug- und Abblasmodulen.
Der Legekopf 52 heizt den Patch 40 während
des Transports zum Ablegeort auf und aktiviert dadurch das Bindematerial 38.
Der Legekopf 52 presst den Patch 40 auf die vordefinierte
Stelle und löst sich dann mit einem Abblasimpuls. Der Legekopf 52 kehrt
danach in die Ausgangsposition zurück.
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Diese
Technologie erlaubt die vollautomatische Produktion von komplexen
Faser-Preformen. Parameter wie Fasergehalt, Faserorientierung und Kurvenradien
können weitgehend variiert werden.
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In
den hier dargestellten Ausführungsformen werden zum Herstellen
der Preformen 42 gespreizte Kohlenstofffasern anstatt textiler
Halbzeuge verwendet. Die Länge der Fasern ist sehr kurz
(wenige Zentimeter) im Vergleich zu vorkonfektionierten Gelegen, die
Langfasern verwenden. Durch eine spezielle Positionierung der Kurzfasern – in
den Patches 40 – können ähnlich
hohe mechanische Kennwerte wie bei Langfaserverbunden erreicht werden.
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Die
Kurzfasern können relativ exakt entlang komplexer Kraftflusspfade
gelegt werden. Bei zuvor zum Herstellen von solchen Preformen eingesetzten textilen
Zuschnitten können nur Vorzugsorientierungen eingestellt
werden. Dadurch können mit der hier dargestellten Technologie
extreme geometrische Formen dargestellt werden. Das Herstellverfahren
ist vollautomatisiert und es können Dickenvariationen innerhalb
einer Preform und/oder veränderte Faservolumengehalte erhalten
werden.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der
Preform-Herstellvorrichtung 10 wird in der Schneid- und
Legegruppe 16 als Faserschneidwerk 48 ein Laser 54 verwendet,
der prozessorgesteuert exakt relativ zu dem Faserband 14 bewegbar ist.
Weiter ist in 1 als Legemechanik 184 zur
Bewegung des Legekopfes 52 ein Roboterarm angedeutet. Die
Vorform 30 ist exakt und definiert relativ hierzu bewegbar
und drehbar, um verschiedene komplexe 3D-Strukturen von Preformen 42 einfach erzeugen
zu können.
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Zusammenfassend
ist ein Grundgedanke der hier vorgestellten Ausführungsform
der Fiber-Patch-Preforming-Technologie, Kohlenstofffaser-Rovings 32 möglichst
breit aufzuspreizen, mit Binderpulver zu beschichten und mit einer
neuen Schneidtechnik in definiert lange Stücke, sogenannte Patches 40,
zu schneiden. Diese Patches 40 werden dann von der speziellen
Legevorrichtung 28 aufgenommen, an eine vordefinierte Position
platziert und mittels dem Bindermaterial 38 fixiert. Damit
sind verschiedenste Bauteilgeometrien und Faserarchitekturen erzeugbar.
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Bei
dem hier dargestellten Herstellprozess werden gespreizte Fasern
eingesetzt. Eine Faserspreizung bildet eine Grundlage dafür,
lokale Ansammlungen von Faserenden innerhalb des späteren
Verbundwerkstoff zu vermeiden, da diese Spannungskonzentrationen
verursachen und schlimmstenfalls zum Bauteilversagen führen
könnten. Durch eine Spreizung reduziert sich die Dicke
des Rovings 32. Damit können mehr durchgängige
Fasern in den Einflussbereich eines Faserende gelangen und Spannungsspitzen
kompensieren. Des weiteren wird bei überlappenden Ablegen
die Stufe am Schnittende eines Rovings 32 reduziert. Eine
solche Stufe könnte bei einem ungespreizten Roving bis
zu 250 μm hoch sein und würde zur Auslenkung der
darüber liegenden Kohlenstofffaser aus der Kraftflussrichtung führen.
Zusätzlich könnte dort eine harzreiche Zone entstehen,
die sich negativ auf die Festigkeit des Materials auswirkt.
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Um
eine Spreizung möglichst wirksam durchzuführen,
sollten Verdrehungen des Roving 32 vermieden werden, da
querlaufende Filamente einen gespreizten Roving wieder einschnüren
könnten. Die Spannung innerhalb des Roving 32 sollte
im gespreiztem Zustand konstant sein, da durch Spannungsunterschiede
die Spreizbreite und Spreizqualität beeinflusst werden
könnte.
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Die
Abrollvorrichtung 18, die im folgenden anhand der 2 näher
erläutert wird, dient dazu, einen Roving 32 von
einer Vorratsspule 56 ohne Verdrehung anliefern zu können
und die Pendelbewegung des Rovings 32 beim Abzug von der
Vorratsspule 56 auszugleichen. Die Abrollvorrichtung 18 weist
hierzu eine bewegliche Lagerung 58 der Vorratsspule 56 derart
auf, dass sich die Vorratsspule 56 entsprechend der Lage
des gerade abzurollenden Bereiches des Roving 32 nachbewegt,
so dass die Abrollposition möglichst konstant bleibt.
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Hierzu
weist die Lagerung 58 einen entlang einer Linearführung 60 gelagerten
Schlitten 62 auf. Der Schlitten 62 ist mittels
Schrittmotoren und in dem hier dargestellten Beispiel mittels einer
Antriebsspindel in Richtung der Drehachse der Vorratsspule 56 bewegbar.
Die Bewegung des Schlittens 62 wird von einem Motor 66 mit
integrierter Steuerung angetrieben. Ein Sensor 68 beobachtet
die aktuelle Position 70 des Rohlings 32 und steuert
damit die Drehbewegung des Motors 66.
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Als
Sensor 68 dient hierzu eine ortsauflösende Fotodiode 72,
die in 3 zusammen mit ihrer Kennlinie dargestellt ist.
Eine Diodenzeile der Fotodiode 72 registriert den Schatten
des Roving 32 und gibt die Position über eine
Verstärkerschaltung (nicht explizit dargestellt) als Analogsignal
aus. Der Mittelpunkt eines Schattens entspricht ortsabhängig
einen bestimmten Spannungswert. Das Analogsignal wird als bipolares
Spannungssignal an die Steuerung des Motors 66 übergeben,
wobei 0 Volt der Sensormitte entspricht. Zusätzlich wird
der Sensor 68 mit einem IR-LED-Scheinwerfer bei einer bestimmten
Frequenz, beispielsweise 10 KHz, angeblitzt, um eine Beeinflussung
des Messsignals durch Umgebungslicht zu verhindern. Dieser Sensor 68 ist
auf die speziellen Anforderungen einer die Lage des Roving 32 auf
der Vorratsspule 56 kompensierenden Abrollung optimiert
und erlaubt noch weiterer Einstellungen, wie zum Beispiel Mittelpunktverschiebung
und Biegeanpassung. Die Kombination aus ortsauflösender Fotodiode 72 und
gesteuertem Servomotor 66 hat den Vorteil, dass die Gegenbewegung
in Abhängigkeit der aktuellen Bewegungsgeschwindigkeit
des Rovings 32 ausgelöst wird. Bei langsamen Abzugsgeschwindigkeiten
werden relativ langsame Kompensationsbewegungen ausgelöst,
während hohe Abzugsgeschwindigkeiten entsprechend schnelle Gegenbewegungen
auslösen. Dadurch wird der Roving 32 weitgehend
schwingungsfrei als flaches Bändchen 74 abgerollt.
Am Ende der Abrollvorrichtung 18 umläuft der Roving 32 in
einer S-förmigen Bewegung zwei Röllchen 75,
hier zwei taillierte Edelstahlröllchen, die zusätzlich
letzte Schwingungen beruhigen. Die Abrollvorrichtung 18 lässt
sich anders als in 1 dargestellt auch vollkommen
autonom von den übrigen Baugruppen betreiben und benötigt im
Grunde nur eine Energieversorgung, beispielsweise einen Stromanschluss.
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Der
Roving 32 durchläuft im Anschluss an die Abrollvorrichtung 18 eine
Spreizstrecke in der Spreizvorrichtung 20.
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Die
Spreizvorrichtung 20 weist, wie oben bereits erwähnt,
zunächst die Spreizeinrichtung 34 auf, die genauer
in 5 dargestellt ist und deren Wirkungsprinzip zunächst
anhand der 4 erläutert wird.
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines bereits aus der
DE 715801 A bekannten alten
mechanischen Spreizprinzips. Hier durchläuft ein Faserstrang
14 nacheinander
eine gebogene Stange
76 und dann eine gerade Stange
78.
Die Kombination aus einer geraden und einer gebogenen Stange sorgt
bei in
4 dargestellten, grundsätzlich bekannten
Radiusspreizern dafür, dass die auf die Faser wirkende Zugkraft
umgeleitet wird. Es wirkt nun auch eine Kraft, die die Faser auf
die gebogene Stange presst. An der höchsten Stelle der
Auslenkung wirkt auf die Filamente die höchste Kraft. Mit
zunehmender Entfernung von dieser Stelle wird die Kraft geringer.
Das heißt, Filamente können der Belastung ausweichen, wenn
sie auf der gebogenen Stange nach außen wandern. Dabei
hängt es jedoch von der Zugkraft auf die Faser, der Reibung
zwischen Faser und Stange, der Position der Stangen zueinander und
von der Biegung der Stange ab, wie das Spreizergebnis aussieht.
Bei einer extremen Biegung ist die Differenz der wirkenden Kräfte
zwischen der höchsten Stelle und einer Außenposition
so groß, dass die Oberflä chenreibung der Stange
keine Rolle mehr spielt. Die Filamente werden schlagartig nach außen
wandern, d. h. der Roving
32 würde abrutschen
oder sich spalten. Ist die Biegung zu gering, dann fällt
das Spreizverhältnis zu niedrig aus.
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Aufgrund
dessen ist der in 4 dargestellte Radiusspreizer
für die industrielle Bearbeitung von Rovings 32 zur
Aufbereitung für die Preform-Herstellung in industriellem
Maßstab nicht geeignet. Insbesondere würden Fehler
im Roving 32, wie zum Beispiel Verdrehungen, Spalte oder
Faltungen zum Abrutschen oder zum Spalten im gespreizten Material führen.
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Die
in 5 dargestellte Spreizeinrichtung 34 löst
Probleme mit der Materialqualität von Rovings oder von
sonstigen aufzuspreizenden Faserfilamentbündeln, indem
der Roving 32 bzw. das Faserfilamentbündel immer
wieder neu auf wenigstens eine konvex gebogene Spreizkante aufgesetzt
wird. Hierzu weist die Spreizeinrichtung 34 wenigstens
eine konvex gebogene Spreizkante 80 auf, die sich mit wenigstens
einer Richtungskomponente senkrecht zur Längserstreckung
des Rovings 32 oder des sonstigen Faserfilamentbündels
relativ zu diesem so bewegt, dass dieses auf die konvex gebogene
Spreizkante 80 unter Spannung aufgelegt wird und sich anschließend
wieder mit wenigstens einer Richtungskomponente senkrecht von dem
Roving 32 oder dem Faserfilamentbündel wegbewegt,
so dass sich dieses von der Spreizkante 80 löst.
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Die
wenigstens eine Spreizkante 80 ist in praktischer Ausgestaltung
an einem radialen Vorsprung 82 an einer Drehwelle 84 ausgebildet.
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Bei
der bevorzugten Ausgestaltung gemäß dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei Kanten, von denen
wenigstens eine als konvex gebogene Spreizkante 80 ausgebildet
ist, von entgegengesetzten Richtungen auf den Roving 32 bzw.
das Faserfilamentbündel zu bewegbar. Bei dem Ausführungsbeispiel
sind hierzu zwei Drehwellen 84, 86 mit radialen
Vorsprüngen 82 vorgesehen, wobei sich die Drehwellen 84, 86 gegenläufig
zueinander drehen.
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Neben
ersten radialen Vorsprüngen 82, an denen konvex
gebogene Spreizkanten 80 ausgebildet sind, sind in bevorzugter
Ausgestaltung auch noch zweite radiale Vorsprünge 88 vorgesehen,
welche mit geradlinigen Kanten 90 auslaufen. Dadurch ist
eine Spreizvorrichtung geschaffen, bei der sich wenigstens eine
konvex gebogene Spreizkante 80 und wenigstens eine geradlinige
Kante 90 von entgegengesetzten Richtungen aus auf das Roving 32 oder
das Filamentbündel zu bewegen können, bis der
Roving 32 bzw. das Filamentbündel ähnlich
der in 4 dargestellten Weise zwischen den Kanten 80, 90 gespreizt
wird. Die Kanten 80, 90 sind auch zur Entlastung
des Rovings 32 bzw. des Faserfilamentbündels wieder
in entgegengesetzter Richtung zurückführbar.
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Besonders
einfach ist dies bei der Ausgestaltung gemäß 5 dadurch
realisiert, dass an den gegenläufig, hier mittels eines
Zahnradgetriebes 92, angetriebenen Drehwellen 84, 86 mehrere,
die radialen Vorsprünge 82, 88 bildende
Flügel 94 ausgestaltet sind, die sich im wesentlichen
in axialer Richtung erstrecken und an deren radial äußersten
Bereiche die Kanten 80 oder 90 ausgebildet sind.
Dabei folgt auf einen Flügel 94 mit der geradlinigen
Kante 90 in Umfangsrichtung ein Flügel mit der
konvex radial nach außen gebogenen Spreizkante 80 und
daraufhin wieder ein Flügel 94 mit geradliniger
Kante 90 u. s. w.
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In
einer anderen Ausgestaltung sind die Kanten sämtlicher
Flügel 94 als konvex radial nach außen
gebogene Spreizkanten 80 ausgestaltet. Durch die Anordnung
an sich gegenläufig bewegenden Bewegungsorganen, bei dem
Ausführungsbeispiel die beiden Drehwellen 84, 86,
werden die Fasern jeweils zwischen zwei gegenläufig gebogenen
Spreizkanten 80 aufgespreizt.
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Auf
diese Art und Weise ist die Spreizeinrichtung 34 sozusagen
als Flügelspreizer ausgebildet, der für eine immer
wieder erneute Auflage des Rovings 32 auf Spreizkanten 80 sorgt.
Zusätzlich wird eine Schlichte auf dem Roving 32 oder
dem Faserfilamentbündel durch die wechselseitige Biegung
aufgebrochen, und die Filamente 100 können sich
unabhängig voneinander bewegen.
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In
der Spreizvorrichtung
20 folgt auf die als Flügelspreizer
ausgebildete Spreizeinrichtung
34 in Förderrichtung
des Rovings
32 weiter die Lockerungseinrichtung
36,
die in der hier vorgestellten Ausgestaltung als Saugkammer nach
dem sogenannten Fukui-Prinzip ausgestaltet ist. Die Saugkammer
96 kann
von der Art sein, wie sie in der
US-A-6 032 342 beschrieben ist. Der aufgelockerte
und vorgespreizte Roving
32 wird dabei von einem starken
laminaren Luftstrom
98 in die Saugkammer
96 gezogen.
Die einzelnen Filamente
100 werden von Luft umströmt und
können relativ leicht übereinander gleiten. Des weiteren
kann die Saugkammer
96 leichte Schwankungen in der Spannung
des Rovings
32 ausgleichen.
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Bei
der Herstellung von Kunststofffasern werden die Filamentbündel
oftmals frei geführt und durch Ösen geleitet.
Dabei können sich Teile der Filamente 100 um den
Rest des Bündels drehen und zu Rovingeinschnürungen
schon bei der Herstellung führen. Nach dem Aufwickeln auf
eine Roving-Spule sind diese Fehler zunächst kaum sichtbar,
da das Filamentbündel flach aufgezogen wird. Nach der Auflockerung
der Filamentbündel in der Spreizeinrichtung 34 sind
querlaufende Rovingteile jedoch deutlich sichtbar. Dieser Effekt
kann zu Lücken und Verschiebungen im Roving 32 führen,
die die Spreizqualität negativ beeinflussen.
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Um
ein möglichst homogenes Spreizbild zu erreichen, wird bei
einer nicht expliziten dargestellten Ausführungsform der
Erfindung eine mehrstufige Spreizung vorgesehen, bei der das Spreizverhältnis stufenweise
gesteigert wird. Hierzu ist zunächst eine erste Spreizeinrichtung 34 und
eine erste Lockerungseinrichtung 36 zum Spreizen des Rovings 32 auf
ein erstes Breitenmaß, beispielsweise auf einen Wert zwischen
8 und 16 mm, vorgesehen. Danach folgt eine weitere Stufe mit einer
weiteren Spreizeinrichtung 34 und einer weiteren Lockerungseinrichtung 36 mit
größeren Abmaßen als die ersten Spreizeinrichtung
und die erste Lockerungseinrichtung, um so eine Spreizung auf eine
größere Breite, beispielsweise einen Wert zwischen
20 und 35 mm durchzuführen.
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Danach
liegt der Roving 32 als breites dünnes Band, das
Faserband 14, vor.
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Im
weiteren Verlauf wird dieses Faserband 14 noch mit einer
geringen Menge des Bindermaterials 38 ausgerüstet.
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Theoretisch
liegen bei einem perfekt gespreizten, 30 mm breiten 12 k-Roving
nur noch drei Filamente übereinander. Dabei wurde ein Durchmesser
der Filamente 100 von 7 μm und eine höchste
Packungsdichte angenommen. In der Realität weist ein Roving 32 jedoch
immer Spreizfehler auf, die stellenweise zu dickeren Bereich und
damit zu einer höheren Anzahl von Filamentenden führen
können.
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Das
Versehen des so aufgespreizten Rovings
32 mit Bindermaterial
38 wird
in der in
7 vom Prinzip her dargestellten
Bebinderungsvorrichtung
22 durchgeführt. Die Bebinderungsvorrichtung
22 ist
vom Grundprinzip her nach Form eines Pulverstreuers ausgebildet,
wie er beispielsweise in der
US-A-3
518 810 , der
US-A-2
489 846 , der
US-A-2 394
657 , der
US-A-2
057 538 oder der
US-A-2
613 633 beschrieben ist. Er hat demnach einen Trichter
102,
an dessen Ausgang eine mit radialen Erhebungen
104 versehene
Walze
106 vorbeiläuft.
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Die
Walze 106 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine gerändelte Stahlwalze, die mit ihrer rauen Oberfläche
den Pulvertransport übernimmt. Diese Walze 106 wird
ihrerseits von einer Ausbürstwalze 108 bearbeitet,
die das pulverförmige Bindermaterial 38 von der
Walze 106 entfernt und auf das darunter vorbeilaufenden
Faserband 14 streut.
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Zwischen
dem Faserband 14 und dem Auftragmechanismus kann eine Spannung
U angelegt sein, so dass sich das Pulver, wie bei einer Pulverlackbeschichtung,
elektrostatisch an das Faserband 14 anlegt.
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Die
Transport-Walze 106 sowie die Ausbürstwalze 108 sind
durch zwei getrennte Elektromotoren 110 und 112 angetrieben,
um die Streuparameter möglichst frei einstellen zu können.
Die Steuerung erfolgt über eine Steuereinrichtung 114,
die Teil der Steuerungsvorrichtung 44 sein kann.
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Um
zu vermeiden, dass das Pulver an Engstellen blockieren und Maschinenteile
verklemmen kann, ist der Trichter 102 nicht am Rest der
Bebinderungsvorrichtung 22 fest fixiert, sondern an einem Halter 116 gehalten,
der Ausgleichsbewegungen zulässt. Ein Vorteil des Halters 116 ist
dabei, dass der Trichter 102 im laufenden Betrieb schwingen
kann und das Pulver automatisch nach unten gerüttelt wird.
Das Pulver wird in genau dosierbarer Menge auf die Oberfläche
des darunter mit einer definierten Geschwindigkeit, beispielsweise
im Bereich von 3 bis 6 m/min, durchlaufenden Rovings 32 aufgestreut. Überschüssiges
Pulver fällt am Roving 32 vorbei in einem Auffangbehälter
(nicht dargestellt) und kann später wieder in den Prozess
eingeführt werden.
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Messungen
haben gezeigt, dass die aufgestreute Menge an Bindermaterial nahezu
linear zu der Drehgeschwindigkeit der Walze 106 abhängt.
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Die
Bebinderungsvorrichtung 22 weist weiter noch eine Heizeinrichtung 118 auf,
um die Pulverpartikel des bei Heiztemperaturen schmelzenden Bindermaterials 38 an
die Oberfläche der Filamente 100 zu fixieren.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform weist die Heizeinrichtung 118 eine
ca. 100 bis 500 mm lange Heizstrecke auf. Die bevorzugte Ausgestaltung der
Heizeinrichtung 118 ist mit Heizstrahlern, hier mit Infrarot-Heizstrahlern 120 ausgestattet.
Die Heizleistung der Heizeinrichtung 118 kann durch die
Steuereinrichtung 114 genau eingestellt werden.
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Die
Binderpartikel werden leicht angeschmolzen und binden sich an die
Faseroberfläche.
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Danach
kann – wie dies in 1a angedeutet
ist – das fertige Faserband 14 auf eine spezielle Filmspule 121 aufgerollt
werden und für eine spätere Verwendung zwischengelagert
werden.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
das so speziell vorgefertigte Faserband 14 der Schneidvorrichtung
zugeführt, wo es in die Patches 40, 40', 40'' aufgeteilt
wird und anschließend mittels der Legevorrichtung 28 verlegt
wird.
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1a zeigt
eine Ausführung mit getrennten Gruppen 12, 16 unter
Verwendung der Filmspulen 121 als Beispiel für
eine Zwischenlagerung. Die Gruppen 12, 16 könnten
so auch an getrennten Produktionsstandorten stehen.
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In 8 ist
eine zweite Ausführungsform der Schneid- und Legegruppe 16 näher
dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung gemäß 8 weist
die Schneidvorrichtung 24 ein Faserschneidwerk 122 mit einer
Messereinrichtung 124 und einer Gegenwalze 126 sowie
mit wenigstens einer oder, wie hier dargestellt, mehreren Förderwalzen 128 auf.
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Die
Messereinrichtung 124 lässt sich abhängig
von der Drehgeschwindigkeit der Gegenwalze 126 und/oder
der Förderwalzen 128 zum Abschneiden von Patches 40 mit
definierter Länge betätigen.
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Insbesondere
weist die Messereinrichtung 124 einen (nicht näher
dargestellten) Kupplungsmechanismus auf, der einen Antrieb der Messereinrichtung 124 mit
einem Antrieb für die Walzen 126, 128 kuppelt.
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Die
Messereinrichtung 124 ist in dem dargestellten Beispiel
mit einer Messerwalze 130 versehen, die als radialer Vorsprung
wenigstens eine, hier mehrere Messerkanten 132 aufweist.
Die Messerwalze 130 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weiter durch die nicht näher dargestellte Kupplungseinrichtung
so an den Antrieb der Gegenwalze 126 koppelbar, dass sich
die Messerkanten 132 mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit
wie die Oberfläche der Gegenwalze 126 bewegen.
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Die
in 8 und in größeren Einzelheiten
in 9 dargestellte Schneidvorrichtung weist demnach
ein Kupplungsschneidwerk 134 auf, bei dem zwei Paare von
Förderwalzen 128 und eine gummierte Gegenwalze 126 mittels
eines nicht näher dargestellten Motors über ein
zentrales formschlüssiges Getriebe, beispielsweise über
einen Zahnriemen (nicht dargestellt) angetrieben wird. Die Förderwalzen 128 ziehen
ein Endlosfaserband – hier insbesondere das aufgespreizte
Faserband 14 – ein und leiten es über
die in gleicher Geschwindigkeit drehende Gegenwalze 126.
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Über
der Gegenwalze 126 steht ein Messerbalken 136 in
Warteposition. Soll ein Schnitt ausgeführt werden, kuppelt
eine elektromagnetische Kupplung den Messerbalken 136 in
die Schneidwerksbewegung ein. Im Berührpunkt haben der
Messerbalken 136 und die Gegenwalze 126 die gleiche
Drehgeschwindigkeit. Das zu schneidende Material wird durch eine
Messerklinge 138 gebrochen. Danach wird der Messerbalken 136 ausgekuppelt
und mit einer Bremseinrichtung, beispielsweise mit einer elektromagnetischen
Bremse – nicht dargestellt-, angehalten. Das zweite Paar
Förderwalzen 128 transportiert die Zuschnitte
ab.
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Das
Kupplungsschneidwerk 134 ermöglicht den verzugsfreien
Zuschnitt gespreizter Faserbänder. Der Schnitttakt, bzw.
die Schnittlänge kann dabei computergesteuert im laufenden
Betrieb verändert werden.
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Die
Bremsvorrichtung (nicht explizit dargestellt) sorgt dafür,
dass die Messerwalze 130 immer arretiert ist, wenn die
Kupplung nicht eingeschaltet ist. Der Kupplungs- und Bremsvorgang
läuft über ein gemeinsames Wechslerrelais (nicht
dargestellt), daher sind die Störungen durch Programmfehler
ausgeschlossen. Eine nicht weiter dargestellter Sensoreinrichtung,
beispielsweise ein induktiver Näherungsschalter, registriert
die Position der Messer und sorgt für eine Bremsung der
Messer in waagerechter Position. Wird von der angeschlossenen Steuerung,
beispielsweise der Steuerungsvorrichtung 44, ein Schnittbefehl
ausgelöst, kuppelt die Messerwalze 130 ein, beschleunigt
und führt einen Schnitt aus. Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel
vorgesehen, die Messerwalze 130 in diesem Moment die gleiche Umfangsgeschwindigkeit
hat wie die Gegenwalze 126, wird die Messerklinge 138 nicht
verbogen, und es ergibt sich eine wesentlich längere Messerstandzeit,
vergleichbar einem einfachen Stoßmesser. Nach dem Schnittvorgang
wird die Messerwalze 130 ausgekuppelt und an der gleichen
Position wie zu Beginn abgebremst und gehalten. Die Schnittlänge
wird in einer Steuerungssoftware programmiert.
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10 zeigt
den schematischen Ablauf der Schneidwerksteuerung. Wie aus 10 ersichtlich, wird
abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerks
der Schnitttakt vorgegeben. Die minimale Schnittlänge ergibt
sich aufgrund der Dimensionen von Messerwalze 130 und Gegenwalze 126 und liegt
beispielsweise in der Größenordnung der Breite des
aufgespreizten Faserbandes 14. Die maximale Schnittlänge
ist theoretisch unbegrenzt.
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Bei
beiden hier vorgestellten Ausführungsformen der Schneid-
und Legegruppe 16 werden die Patches 40, 40', 40'' nach
der Schneidvorrichtung 24 an die Transporteinrichtung 26 weitergegeben,
die die Patches 40, 40', 40'' mit einer
größeren Transportgeschwindigkeit als die Fördergeschwindigkeit des
Faserbandes 14 zu der oder in der Schneidvorrichtung 24 von
der Schneidvorrichtung 24 weg transportiert. Hierdurch
werden die Patches 40, 40', 40'' vereinzelt
und mit genügend großem Abstand zueinander versehen.
Die Transporteinrichtung 26 ist mit einer Halteeinrichtung,
die die Patches 40, 40', 40'' an der
Transporteinrichtung festhält, und mit einer Übergabeeinrichtung
versehen, die die Patches 40, 40', 40'' an
den Legekopf 52 der Legevorrichtung 28 übergibt.
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Die
Festhalteeinrichtung und die Übergabeeinrichtung sind hier
in Form des Vakuumfließbandes 50 realisiert. Eine
großvolumige Saugkammer 140 verteilt die Saugleistung
einer nicht näher dargestellten Unterdruckquelle, beispielsweise
eines Sauggebläses, über die gesamte Transporteinrichtung 26. Ein
mit vielen durchgängigen Poren versehenes, beispielsweise
ein Polypropylenband, wird über ein die Saugkammer 140 bedeckendes
Lochblech 142 geführt.
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Die
Transporteinrichtung 26 wird durch eine Ankopplung an eine
Fördereinheit der Schneidvorrichtung 24 angetrieben.
In dem hier dargestellten Beispiel ist das Vakuumfließband 50 an
das formschlüssige Getriebe, welches die Förderwalzen 128 und
die Gegenwalze 126 antreibt, gekoppelt. Dabei sorgt ein
entsprechendes Übersetzungsverhältnis, beispielsweise
ein Übersetzungsverhältnis von 1 zu 2, für
einen genügend großen Abstand zwischen den Patches 40, 40', 40''.
Am Ende der Transportstrecke liegt eine Saug-Abblaskammer 144,
die mit einem pneumatischen Vakuummodul betrieben wird. Solange
ein Faserstück – Patch 40 – über
die Saug-Abblaskammer 144 geführt wird, befindet
sich diese im Saugbetrieb. Wenn der Legestempel an einer vorgegebenen Übergabeposition 146 steht,
wird im richtigen Moment ein Abblasimpuls ausgelöst, der
den Patch 40 auf den Legekopf 52 befördert.
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Der
Legekopf 52 saugt den Patch 40 an, heizt ihn auf
und transportiert ihn mit vorbestimmter Orientierung an seine vorbestimmte
Position.
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Dabei
werden, wie dies in 11 dargestellt ist, die Patches 40, 40', 40'' entlag
vorbestimmter gekrümmter Bahnen 148 auf der Vorform 30 abgelegt. Bei 150 sind
entlang dieser gekrümmter Bahnen 148 mit entsprechender
Orientierung verlegte Patches und deren Überlappung angedeutet.
In den Überlappungsbereichen werden die Patches 40 durch
das durch den Legekopf 52 erwärmte Bindermaterial 38 aneinander
fixiert.
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Mit
der in 1 dargestellten Schneidvorrichtung unter Verwendung
des Lasers 54 (oder eines sonstigen Strahlschneidverfahrens)
lassen sich aber auch kompliziertere Schneidkantenformen erzeugen.
In 12 ist eine besonders vorteilhafte Schneidkantenform
mit komplementär zueinander konvex bzw. konkav gekrümmten
Schneidkanten 152, 154 dargestellt. Die entgegengesetzt
gerichteten Schneidkanten 152, 154 an jedem Patch 40 sind kreisbogenförmig
gekrümmt. Dadurch lassen sich die Schneidkanten 152, 154 hintereinanderliegender Patches 40, 40', 40'' auch
bei Abwinkelung der Patches 40, 40', 40'' zueinander
ganz eng nebeneinanderliegen, ohne dass Lücken oder Aufdickungen
entstehen. Auf diese Weise können mit einer gleichbleibenden
dichten Anlage von Faserstücken auch engere Krümmungsradien
der Bahnen 148 mit entsprechenden Faserorientierungen belegt
werden. Die Fixierung der Patches 40, 40', 40'' kann
durch Überlappung mit benachbarten oder darüber
liegenden oder darunter liegenden Patches (nicht dargestellt) erfolgen.
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Auf
diese Art und Weise lassen sich auch sehr komplizierte Preforms 42 darstellen,
wie sie beispielsweise in 13 angedeutet
sind. Hier ist nach Art eines Patchworks mit den kurzen Faserstücken eine
Preform 192 für eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur
für einen Fenstertrichter, beispielsweise für
einen Rumpf eines Luft- oder Raumfahrtgerätes, ausgebildet.
Die Patches 40, 40', 40'' sind entsprechend
der Kraftflusslinien orientiert.
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Die
dargestellte Ringform lässt sich prozesstechnisch beispielsweise
durch eine definiert drehbare Vorform 30 erreichen, wie
dies durch die Pfeile 156 in 1 dargestellt
ist.
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Anhand
der 14–16 wird
nun noch die Legevorrichtung 28 und deren Legekopf 52 der
in 8 näher dargestellten Ausführungsform
der Schneid- und Legegruppe 16 weiter erläutert.
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Der
Legekopf 52 soll die Funktion erfüllen, ein Faserstück
oder Patch 40, 40', 40'' aufzunehmen und
zu der jeweils nächsten vorbestimmten Position 46 an
der Vorform 30, wo ein Patch 40, 40', 40'' verlegt
werden soll, zu transportieren. Für diesen Zweck hat der
Legekopf 52 eine Festhaltevorrichtung. Wenngleich auch
andere Festhaltevorrichtungen denkbar sind, so ist in dem hier dargestellten
Beispiel zwecks einfacher Aufnahme des Patches von der Transporteinrichtung 26 die
Festhalteeinrichtung als Saugeinrichtung 158 ausgebildet.
-
Weiter
ist es vorteilhaft, wenn das Bindermaterial 38, mit dem
der aufgenommene Patch 40 versehen ist, während
des Transports mit dem Legekopf 52 aktiviert wird. Hierfür
weist der Legekopf 52 eine Aktivierungsvorrichtung zum
Aktivieren des Bindermaterials 38 auf. Die Aktivierungsvorrichtung
ist je nach verwendetem Bindermaterial ausgebildet. Wird z. B. ein
durch ein Additiv aktivierbares Bindermaterial verwendet, dann weist
der Legekopf eine Einrichtung zur Zugabe dieses Additivs auf. In
einer anderen, hier nicht näher dargestellten Ausgestaltung
wird gleich aktives Bindermaterial, wie beispielsweise ein Klebstoff,
erst während des Transport des Patches am Legekopf zugeführt.
Bei einer solchen Ausgestaltung weist der Legekopf eine Einrichtung
zur Zugabe des Bindermaterials auf. Zur Verwendung in der zuvor
erläuterten Preform-Herstellvorrichtung 10, die thermisch
aktivierbares Bindermaterial 38 verwendet, ist die Aktivierungseinrichtung
bei der dargestellten Ausführungsform als Heizeinrichtung 160 ausgebildet.
-
Weiter
ist es vorteilhaft, wenn der Legekopf 152 das Patch 40, 40', 40'' sicher
auch an kompliziertere dreidimensionale Flächengestaltungen
der Vorform 30 anbringen kann. Hierzu ist der Legekopf 52 mit
einer Presseinrichtung 162 versehen, die zum Anpressen
des transportierten Patches 40 an unterschiedliche Flächengestaltungen
geeignet ist. Die Presseinrichtung 162 weist in bevorzugter
Ausgestaltung eine flexible Oberfläche 164, an
der das Patch 40 mittels der Festhalteeinrichtung festgehalten
werden kann, auf. Die flexible Oberfläche 164 ist
weiter bevorzugt an einem elastischen Trägerelement 166 ausgebildet.
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14 zeigt
einen Querschnitt durch einen Legestempel 168 des Legekopfs 52,
welcher die Festhalteeinrichtung, die Aktivierungseinrichtung und die
Presseinrichtung vereinigt. Der in 14 dargestellte
Legestempel 168 weist somit die Saugeinrichtung 158,
die Heizeinrichtung 160 sowie die Presseinrichtung 162 mit
der flexiblen Oberfläche 164 an dem elastischen
Trägerelement 166 auf.
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15 zeigt
eine Unteransicht auf die flexible Oberfläche 164.
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Mit
dem Legestempel 168 können bei der Fiber-Patch-Preforming
Technologie (FPP) bebinderte und in definierte Geometrien geschnittene
Faserstücke (Patches) entsprechend eines Legeplan (beispielsweise
des in 11 wiedergegebenen Legeplans)
positionsgenau abgelegt werden. Der Legestempel 168 ist
eine zentrale Komponente der Ablegetechnik und kann auch in anderen
geometrischen Variationen verwendet werden. Es sind z. B. quaderförmige
oder rollenförmige Legestempel denkbar.
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Bei
dem konkreten Ausführungsbeispiel gemäß 14 ist
der Legestempel 168 als Silikonstempel ausgebildet. Die
Oberflächenanpassung des Silikonstempels ähnelt
der Tampon-Drucktechnik. Jedoch erfolgt hier die entsprechende Anwendung
auf einen technologisch völlig verschiedenem Gebiet.
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Der
Legestempel 168 ist in der Lage, Faserzuschnitte über
eine integrierte Ansaugung – Saugeinrichtung 158 – schnell
und schonend aufzunehmen und an einem definierten Ablageort zu transportieren. Während
des Transports heizt eine in die Kontaktfläche – flexible
Oberfläche 164 – integrierte Heizung – Heizeinrichtung 160 – das
Material auf und aktiviert dadurch ein Bindemittel – Bindermaterial 38 – auf dem
Faserzuschnitt. Der Faserzuschnitt wird auf die Oberfläche
gepresst, wobei sich das weiche Stempelmaterial der Oberflächengeometrie
anpasst. Wenn sich der Legestempel 168 von der Oberfläche entfernt,
wird ein Abblasimpuls ausgelöst, das Bindermaterial 38 gekühlt,
und das Fasermaterial verbleibt am Ablageort.
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Der
Legestempel 168 ermöglicht die Herstellung von
Fiber-Patch-Preformen 42.
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In
der 14 ist das elastische Trägerelement 166 – elastischer
Druckkörper – mit einer Luftverteilung 170 dargestellt,
die Teil der Saugeinrichtung 158 ist. Der nicht dargestellte
Teil der Saugeinrichtung 158 ist mit üblichen
Pneumatikquellen und pneumatischen Steuerungen (nicht dargestellt)
versehen. Weiter ist die flexible Oberfläche 164 als
elastische Heizfläche 172 mit Ansaug- und Abblaskanälen 174 dargestellt.
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Das
elastische Trägerelement 166 sitzt auf einer Kupplungsplatte 4,
die mit lösbaren Befestigungselementen (nicht dargestellt)
zur Befestigung des Legestempels 168 an einer Positioniereinrichtung 176 (siehe 16) versehen ist.
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Weiter
ist ein Thermoelement 178 als Steuerungsteil der Heizeinrichtung 160 vorgesehen.
Eine hochflexible Stromleitung 180 verbindet das Thermoelement 178 mit
der elastischen Heizfläche 172.
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In 15 ist
die Saugfläche – flexible Oberfläche 164 – mit
den Ansaug- und Abblaskanälen 174 dargestellt.
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Im
Folgenden wird die Anwendung des Legestempels 168 sowie
weitere Details der Legevorrichtung 28 anhand deren Verwendung
in der Preform-Herstellvorrichtung 10 näher erläutert.
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Bei
der hier vorgestellten Fiber-Patch-Preforming-Technologie werden
einzelne Faserpatches 40 zu einer dreidimensionalen Preform 42, 192 angeordnet.
Hierzu setzt eine geeignete Legetechnik den Aufbauplan in die Realität
um. Die Legevorrichtung 28 übernimmt die bebinderten
und geschnittenen Faserpatches 40 vom Vakuumfließband 50,
das der Schneidvorrichtung 24 zugeordnet ist, und platziert die
Faserpatches 40 in möglichst schnellem Takt auf eine
Oberfläche. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Faserpatches 40, 40', 40'' auf eine
Oberfläche der Vorform 30 abgelegt.
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Dabei
sollen die Patches 40, 40', 40'' zur
Bildung einer stabilen Preform 42 auf die formgebende Oberfläche
gepresst werden. Der Legestempel 168 soll dabei möglichst
weich sein, um sich mit gleichmäßiger Kraft einer
dreidimensionalen Oberfläche anpassen zu können.
Weiter ist für die hier dargestellte Ausgestaltung vorteilhaft,
dass kurz vor dem Ablegen eine bestimmte Wärmemenge zur
Aktivierung des Bindermaterials 38 zur Verfügung
gestellt werden kann. Hierfür ist die flexible Oberfläche 164 mit
der Heizeinrichtung 160 ausgestattet, die die mechanischen
Eigenschaften des Stempelmaterials möglichst wenig beeinflusst. Ähnlich
wie bei dem Vakuumfließband 50 ist auch beim Legestempel 168 eine
flächige Fixierung der filigranen Faserpatches 40 vorteilhaft.
Hierfür hat die flexible Oberfläche 164 auch
eine Ansaugfunktion.
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Die
Herstellung des Legestempels 168 lehnt sich an die Herstellung
von Tampon-Druckstempel aus der Drucktechnik an. Für die
Herstellung von Tampon-Druckstempel existieren eine Reihe von Spezialsilikonen,
die den andauernden mechanischen Wechselbelastungen lange Zeit widerstehen können.
Aus diesen Silikonen wird ein Silikonkautschuk ausgewählt,
der den zusätzlichen Anforderungen aufgrund der Heizeinrichtung 160 sowie
des Kontakts mit Bindermaterial 38 möglichst gut
entspricht. Da in den Legestempel 168 eine Heizung integriert
wird, wurden Versuche zur Temperaturstabilität des Stempelmaterials
gemacht. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Legestempel 168 Dauertemperaturen
bis zu 200°C ertragen kann. Ein Weichmacher für den
Silikonwerkstoff wird entsprechend diesen Anforderungen ausgewählt.
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Um
die Ablegefläche des Legestempels 168 beheizen
zu können, sind verschiedene Heizeinrichtungen 160 einsetzbar.
Es kommen z. B. elektrische Heizungen, Flüssigkeitskreisläufe
oder Heißluft in Frage. Fertigungstechnisch am einfachsten
ist die Variante einer elektrischen Heizeinrichtung 160 umzusetzen.
Dies bietet gleichzeitig die Möglichkeit sehr hoher Heizleistungen
mit exakter Temperatureinstellung.
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Um
die Flexibilität des elastischen Trägerelements 166 nicht
zu beeinflussen, sind die Stromleitungen 180 vorteilhafterweise
mittels eines Kohlenstofffasergarns gebildet. Die hohe Flexibilität
eines solchen Garns führt nicht zu einer Versteifung der
flexiblen Oberfläche 164. Weiter hält
eine solche Faser auch mehrere 100.000 Lastzyklen aus.
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Die
Wärmeleiffähigkeit des elastischen Trägerelements 166 lässt
sich durch Beimischung von Wärmeleitmitteln in das Silikon
steigern.
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Beispielsweise
besitzt die flexible Oberfläche bei einem Wärmeleitmittel-Anteil
von ca. 10–30 Gewichtsprozent eine ausreichende Wärmeleiffähigkeit, so
dass ein Heizelement der Heizeinrichtung 160 und die flexible
Oberfläche 164 auf annähernd gleicher Temperatur
gehalten werden können.
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In
die flexible Oberfläche 164 des Legestempels 168 wurden
die Ansaug- und Abblaskanäle 174 integriert, die
im Inneren des Legestempels 168 über eine Kammer 182 zusammenführen.
In der Kammer 168 ist ein Saugfließ (nicht dargestellt)
eingelegt, welches ein Kollabieren beim Aufdrücken des
Legestempels 168 verhindert.
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Zur
Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen ist es vorteilhaft,
wenn die flexible Oberfläche 164 aus einem flexiblen
Material mit antistatischen Eigenschaften gebildet ist.
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Im
Folgenden wird noch anhand der 16 die
Ablegemechanik der Legevorrichtung 28 näher erläutert.
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Die
in 16 wiedergegebene Legemechanik 184 dient
zur Bewegung des Legestempels 168, um Faserpatches 40 von
der Schneidvorrichtung 24 zur vordefinierten Position 46 zu
transportieren. Die Legemechanik 184 erlaubt einen schnellen
Legetakt und einen einstellbaren Ablegewinkel.
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Wie
zuvor erläutert, wird der Patch 40 berührungslos
vom Vakuumfließband 50 auf den Legestempel 168 übergeben.
Dazu löst die Steuerungsvorrichtung 44 nach einer
eingestellten Verzögerungszeit in Abhängigkeit
eines Schnittbefehls einen Abblasimpuls der Saug/Abblaskammer 144 des
Vakuumfließbandes 50 aus. Der Patch 40 wird über
einen wenige Millimeter (ca. 0,5 – 10 mm) Luftweg auf den
saugenden Legestempel 168 übertragen. Danach beginnt
der Bewegungsablauf der Legemechanik 184.
-
Die
Legemechanik 184 weist einen ersten translatorischen Antrieb
zum Transport des Legestempels 168 von der Aufnahmeposition
zu einer Position oberhalb der vorgegebenen Position auf. Dieser
erste Antrieb ist bei der dargestellten Ausfüh rungsform
der Legemechanik 184 als waagerechter Pneumatikzylinder 186 ausgeführt.
Dieser waagerechte Pneumatikzylinder 186 kann den Legestempel 168 von
seiner Aufnahmeposition über die Ablegestelle verschieben.
Ein zweiter Antrieb, hier in Form eines senkrechten Pneumatikzylinders 188,
presst den Legestempel 168, vorzugsweise mit einstellbarem
Druck, auf die Oberfläche.
-
Während
des Verschiebevorganges wird die Stempelfläche permanent
auf einer einstellbaren Temperatur gehalten, damit der Binder seine
Klebrigkeit aktivieren kann. Sobald der Patch 40 die Oberfläche
berührt, kühlt das Bindermaterial 38 ab
und wird fest. Gesteuert von der Steuerungsvorrichtung 44 wird
dann ein Abblasimpuls in der Saugeinrichtung 158 des Legestempels 168 ausgelöst;
der Legestempel löst sich hierdurch und fährt
anschließend zurück in seine Ausgangsposition.
Dabei sind die trennenden Eigenschaften des Silikons von Vorteil,
weil kein Bindermaterial 38 am Stempel verbleibt.
-
Über
einen dritten Antrieb, der bei dem Ausführungsbeispiel
in Form eines Schrittmotors 190 mit Keilwellensystem 191 ausgebildet
ist, kann der Legestempel 168 gedreht werden. Somit können
auch Spuren aus schrägen Patches 40 erzeugt werden, ohne
dass der gesamte Legekopf (z. B. Legestempel 168 mit Legemechanik 184)
gedreht werden muss.
-
Um
einen wirtschaftlichen Legeprozess zu erreichen, wurde eine sehr
hohe Taktrate von mehr als zwei Legevorgängen pro Sekunde
geplant. Beispielsweise werden fünf Legevorgänge
pro Sekunde oder mehr durchgeführt. Bei einer Patchlänge
von 60 mm und unter Verwendung eines 12 k-Rovings, kommt man so
zu einem theoretischen Faserdurchsatz von 14,4 gr/min. Möchte
man beispielsweise einen Quadratmeter mit Faserpatches 40 in
der Dicke eines Biaxialgeleges (ca. 500 gr/qm) belegen, so würde
die Preform-Herstellvorrichtung 10 dafür ca. 35
Minuten benötigen. Kürzere Zeiten können
durch Verwendung von mehreren Legevorrichtungen 28, beispielsweise
unter Verwendung von mehreren Robotern, erreicht werden, die gemeinsam
an einer Oberfläche arbeiten.
-
Aufgrund
der derzeit noch relativ niedrigen erreichbaren Geschwindigkeiten
ist die FPP-Technik in der derzeit vorgestellten Form insbesondere
für die Verstärkung anderer Preform-Typen sowie
für dünnwandige und komplexe Bauteile geeignet.
So ist z. B. an die Verstärkung von Lochrändern
auf Mulitaxialgelegen oder Geweben zu denken. Ein Fenstertrichter,
dessen Preform 192 in 13 dargestellt
ist, würde sich ebenfalls sehr dünnwandig und
mit definierter Faserlage herstellen lassen.
-
Für
bestimmt Preformtypen werden weniger Freiheitsgrade an einer FPP-Anlage – Preform-Herstellvorrichtung 10 – benötigt.
Sollen z. B. nur Verstärkungsprofile hergestellt werden,
dann können die einzelnen Baugruppen vereinfacht und zur
einer Produktionslinie zusammengefasst werden. Nicht verwendete
Baugruppen können weggelassen werden, oder die Vorrichtung
kann in mehrere Baueinheiten unter Zwischenlagerung des Halbzeugmaterials
getrennt werden.
-
Dadurch
können sowohl die Anlagenkosten gesenkt werden, als auch
die Produktivität erhöht werden.
-
- 10
- Preform-Herstellvorrichtung
- 12
- Aufbereitungsgruppe
- 14
- Faserstrang
- 16
- Schneid-
und Legegruppe
- 18
- Abrollvorrichtung
- 20
- Spreizvorrichtung
- 22
- Bebinderungsvorrichtung
- 24
- Schneidvorrichtung
- 26
- Transporteinrichtung
- 28
- Legevorrichtung
- 30
- Vorform
- 32
- Roving
- 34
- Spreizeinrichtung
- 36
- Lockerungseinrichtung
- 38
- Bindermaterial
- 40,
40', 40''
- Patch
(Abschnitte von einem Faserband; Faserbandstücke)
- 42
- Preform
- 44
- Steuerungsvorrichtung
- 46
- vordefinierte
Position
- 48
- Faserschneidwerk
- 50
- Vakuumfließband
- 52
- Legekopf
- 54
- Laser
- 56
- Vorratsspule
- 58
- Lagerung
- 60
- Linearführung
- 62
- Schlitten
- 64
- Antriebsspindel
- 66
- Motor
- 68
- Sensor
- 70
- Position
- 72
- Fotodiode
- 74
- flaches
Bändchen
- 75
- Röllchen
- 76
- gebogene
Stange
- 78
- gerade
Stange
- 80
- Spreizkante
- 82
- erster
radialer Vorsprung
- 84
- Drehwelle
- 86
- Drehwelle
- 88
- zweiter
radialer Vorsprung
- 90
- geradlinige
Kante
- 92
- Zahnradgetriebe
- 94
- Flügel
- 96
- Saugkammer
- 98
- laminarer
Luftstrom
- 100
- Filamente
- 102
- Trichter
- 104
- radiale
Erhebungen
- 106
- Walze
- 108
- Ausbürstwalze
- 110
- Elektromotor
- 112
- Elektromotor
- 114
- Steuereinrichtung
- 116
- Halter
- 118
- Heizeinrichtung
- 120
- IR-Heizstrahler
- 122
- Faserschneidwerk
- 124
- Messereinrichtung
- 126
- Gegenwalze
- 128
- Förderwalze
- 130
- Messerwalze
- 132
- Messerkanten
- 134
- Kupplungsschneidwerk
- 136
- Messerbalken
- 138
- Messerklinge
- 140
- Saugkammer
- 142
- Lochblech
- 144
- Saug/Abblaskammer
- 146
- Übergabeposition
- 148
- gekrümmte
Bahnen
- 150
- überlappende
Patches
- 152
- Schneidkante
- 154
- Schneidkante
- 156
- Bewegbarkeit
der Vorform – mehrdimensional –
- 158
- Saugeinrichtung
- 160
- Heizeinrichtung
- 162
- Presseinrichtung
- 164
- flexible
Oberfläche
- 166
- elastisches
Trägerelement
- 168
- Legestempel
- 170
- Luftverteilung
- 172
- elastische
Heizfläche
- 174
- Ansaug-
und Abblaskanäle
- 175
- Kupplungsplatte
- 176
- Positioniereinrichtung
- 178
- Thermoelement
- 180
- Stromleitung
- 182
- Kammer
- 184
- Legemechanik
- 186
- waagerechter
Pneumatikzylinder (erster Antrieb)
- 188
- senkrechter
Pneumatikzylinder (zweiter Antrieb)
- 190
- Schrittmotor
(dritter Antrieb)
- 191
- Keilwellensystem
- 192
- Fenstertrichterpreform
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3003666
A1 [0006]
- - DE 19624912 [0006]
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