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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft die Verstärkung von Halbzeugen und Bauteilen mittels textiler Stoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess, ein Verfahren zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess sowie eine Maschine zur Verstärkung eines Bauteils, insbesondere in dessen Dickenrichtung.
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TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
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Aufgrund ihres guten Verhältnisses von Steifigkeit bzw. Festigkeit zu Dichte finden in der Luft- und Raumfahrt Kernverbunde einen breiten Anwendungsbereich. Sie werden im Allgemeinen aus einer oberen und unteren Deckschicht bzw. -lage gebildet, zwischen welchen sich zur Erhöhung der Steifigkeit eine Kernstruktur befindet.
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Ein Beispiel einer solchen weitläufig bekannten Kernstruktur stellen Wabenmaterialien dar, welche vertikal zu der oberen und unteren Deckschicht verlaufende Zellen mit hexagonalem Querschnitt aufweisen.
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Eine andere mögliche Struktur sind Schaumstoffe. Das spezifische mechanische Potenzial von Schaumstoffen ist aber im Vergleich zu Wabenstrukturen niedriger. Dennoch sind Schaumstoffe vor allem bei der Bauteilherstellung sowie im Bereich der erweiterten Bauteileigenschaften aufgrund ihrer Multifunktionalität für die Anwendung in Kernverbunden für strukturelle Luftfahrtanwendungen von Interesse. Daher wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, wie die mechanischen Eigenschaften der Schaumstoffe erhöht werden können, ohne einen zu großen Zuwachs bei der Dichte zu verzeichnen. Mittels Nähtechnik, Einbringung von Pins oder ähnlichen Verfahren wird lokal der Kern verstärkt, ohne das Gewicht der Struktur stark zu erhöhen. Zudem besteht bei verschiedenen Verfahren die Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften der Kernstruktur durch lokale Variation der Pindichte und des Pinwinkels auf den Anwendungsfall maßzuschneidern. Neben den für die Statik interessanten mechanischen Eigenschaften weisen diese Kernstrukturen zusätzlich noch eine Eigenschaft auf, die für den Impact bzw. die Größe des Impactschadens sehr interessant ist. Bei verstärkten Schaumstoffen wurde in mehreren Untersuchungen eine rissstoppende Wirkung aufgezeigt.
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Es wurde dabei sowohl experimentell als auch mittels Finiter Elemente Analyse (FEM-Analyse) das Energieabsorptionsvermögen von verstärkten Schaumstoffen unter Druckbelastung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine Dickenverstärkung das Energieabsorptionsvermögen stark gesteigert werden kann. Ein maßgeblicher Achtungspunkt dafür ist, dass der Abstand der Verstärkungselemente kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Faltungen, die bei einem unverstärkten Kernverbund gleichen Aufbaus entstehen.
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Hinsichtlich der Verstärkung mittels versteifter Pins lässt sich weiterhin Folgendes sagen:
Es konnte ein neuer Kernwerkstoff entwickelt werden, welcher den Eigenschaften einer 48 kg/m3 Honigwabe entspricht und dabei 10% an Gewicht einspart. Dieser neue Kern besteht aus einem leichten Trägerschaum, der mit dünnen Pins verstärkt wird, um die strukturellen Eigenschaften zu verbessern. Bei dem verstärkenden Halbzeug handelt es sich um dünne, stabförmige Elemente beliebigen Querschnitts. Voraussetzung ist, dass sie über eine ausreichende Eigensteifigkeit verfügen, da sie sonst nicht verarbeitet werden können. Die verwendeten Pins können einen Durchmesser von 0,279 mm bis 0,711 mm haben. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Werkstoffeigenschaften können die Pins aus allen drei Materialklassen kommen, beispielsweise aus FVK, Titanlegierungen, Glas, Nicalon oder Quarz.
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Für einen Konstrukteur ist es gerade bei Faserverbundhalbzeugen von besonderer Bedeutung, die Möglichkeit zu haben, durch Variation der lokalen Pindichte, Pinlänge, Pindurchmesser und des Pinwinkels einen für jede Anwendung optimalen Kern zu konzipieren. Die möglichen Winkel erstrecken sich von senkrechten Pins für besondere druckbeanspruchte Bauteilregionen bis hin zu einem Winkel zwischen 20 bis 30 Grad für Schubverstärkungen. Durch Veränderung der Pindichte in den Materialrichtungen W und L ist dem Konstrukteur die Möglichkeit gegeben, sowohl einen isotropen Werkstoff mit einem Festigkeitsverhältnis von der L zu der W-Richtung von 1:1 einzusetzen, als auch einen anisotropen Kern im Verhältnis 2:1 oder 4:1 zu konstruieren und zu verwenden.
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Die Pindichte kann bis zu einem Wert von 208 kg pro m3 gesteigert werden. Da der Schaum in erster Linie nur eine Trägerfunktion hat, wäre es aus Gewichtsgründen optimal den Schaum nach dem Prozess aus dem Sandwich zu entfernen. Dieser Vorgang ist möglicherweise aber relativ aufwändig, so dass in jedem Anwendungsfall die Gewichtsersparnis den Kosten gegenübergestellt werden muss. Nachteilig zum aktuellen Zeitpunkt ist der hohe Preis der Produkte, bedingt durch die langen Herstellungszeiten. Dadurch werden diese so hergestellten verstärkten Bauteile bis jetzt nur in Nischenanwendungsbereichen eingesetzt.
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In
DE 10 2007 033 869 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von abgelängten Rovings von einem Endlosroving sowie eine Maschine zur Verstärkung eines textilen Halbzeugs mit einer derartigen Vorrichtung beschrieben. Dabei ist diese Vorrichtung dazu ausgeführt mit dem Endlosroving eine Schlaufe zu bilden, welche mittels einer Schneideeinrichtung ablängbar ist.
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Die
WO 2009/053129 beschreibt eine Zweiseiten-Einnadel-Unterfaden-Nähtechnik zur Verstärkung von Kernverbund-Strukturen mit Hilfe einer Armierungsvorrichtung. Dabei werden zeitlich getrennt ein Durchgangsloch und eine Armierungsstruktur im Kernmaterial eingebracht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte vollautomatisierte Bereitstellung abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving anzugeben.
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Es ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess, ein Verfahren zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess sowie eine Maschine zur Verstärkung eines Bauteils in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen die Vorrichtung, das Verfahren und die Maschine.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich angegeben. Dabei weist die Vorrichtung eine Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung, eine Schlaufen-Aufspanneinrichtung sowie eine erste, eine zweite und eine dritte Klemmeinrichtung auf. Dabei gibt die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung eine Form einer zu bildenden Schlaufe vor. Weiterhin sind die Schlaufen-Aufspanneinrichtung und die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung zur Ausführung einer Relativbewegung zueinander ausgeführt, wodurch der Endlosroving durch die Aufspanneinrichtung auf die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung aufspannbar ist. Die drei Klemmeinrichtungen sind zur Fixierung des Endlosroving ausgeführt und die drei Klemmeinrichtungen sind unabhängig voneinander ansteuerbar, wodurch ein kontinuierliches sequenzielles Bereitstellen einer Vielzahl abgelängter Rovings ermöglicht ist. Unter dem Begriff „Relativbewegung” zwischen der Schlaufen-Aufspanneinrichtung und der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung sollen im Kontext der Erfindung kinematisch äquivalente Ausführungsformen subsumiert sein, bei denen der Endlosroving auf die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung aufspannbar ist. Demnach kann also die Schlaufen-Aufspanneinrichtung um die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung rotiert werden oder auf die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung in einer stationären Schlaufen-Aufspanneinrichtung rotiert werden. Dabei kann die Trajektorie der Relativbewegung eine Kreisform, eine Ellipsenform, eine Rechteckform oder auch eine Kombination aus diesen haben.
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Dabei kann die erste und dritte Klemmeinrichtung beispielsweise als Doppelklemmung ausgeführt sein. Die Doppelklemmung kann beispielsweise aus einem starren Mittelteil bestehen, gegen welches die beweglichen Klemmbacken ober- und unterhalb den Roving drücken. Die Ansteuerung kann beispielsweise aufgrund des Platzangebots erfolgen. Auf einer Drehachse kann über beispielsweise Exzenter die Präzision in der Ansteuerbarkeit und der erforderlichen Geschwindigkeit geregelt und gesteuert werden. Dabei kann beispielsweise eine Übersetzung von 1:2 zu der Einrichtung eingebaut werden, welche die Relativbewegung durchführt. Dies kann zum Beispiel eine rotierende Schlaufen Aufspanneinrichtung sein.
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Die zweite Klemmeinrichtung kann vorzugsweise ebenfalls aus einer festen Einheit bestehen, gegen die ein bewegliches Teil den Roving quetscht. Hier kann beispielsweise Übersetzung von 1:1 zum Einsatz kommen. Die Teile 105 und 119 sind exemplarisch als Drehteile (Pilze) ausgeführt. Die Klemmflächen können für einen besseren Halt zusätzlich strukturiert oder gummiert sein oder eine spezielle Oberflächenrauhigkeit aufweisen.
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Unter einem „Bauteil” und „zu verstärkendes Bauteil” soll weiterhin im Kontext der vorliegenden Erfindung nicht nur jegliche Fasergelege, Fasergewebe und Faserfilze, aber insbesondere auch Schäume, beispielsweise PMI-Hartschaumstoffe oder PVC-Schaumstoffe oder PU-Schaumstoffe subsumiert sein. Jedoch beschränkt sich das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des Verfahrens und der Maschine nicht auf diese Stoffe. Dabei wird der Begriff „zu verstärkendes Halbzeug” analog zu „zu verstärkendes Bauteil” verwendet.
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Mit „Roving” und „Endlosroving” sind Bündel von Fasern, insbesondere aus Glas, Aramid oder Kohlenstoff gemeint, aber auch einzelne Fasern und Garne sollen vorliegend unter dem Begriff Roving subsumiert sein. Die Rovings können auch mit einer Harzmatrix vorimprägniert sein.
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Mit anderen Worten wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels der Schlaufen-Aufspanneinrichtung auf Grund der Relativbewegung, die beispielsweise eine Rotation sein kann, eine Schlaufe um die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung gelegt, wobei diese Schlaufe mittels der drei Klemmeinrichtungen an drei Stellen unabhängig voneinander geklemmt werden kann. Diese unabhängige Dreifach-Klemmung in Verbindung mit der Aufspann-Automatik, die durch die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und die Schlaufen-Aufspanneinrichtung gegeben ist, ermöglicht einen fehlerfreien und kontinuierlichen vollautomatisierten Bereitstellungsvorgang mehrerer Rovings nacheinander.
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Diese Vorrichtung, welche für ein Einseitennähverfahren eingesetzt wird, bei welchem lediglich ein Faden (Roving) auf der Unterseite des zu verstärkenden Bauteils vorhanden ist, ermöglicht es, durch die erfindungsgemäße Bereitstellung der abgelängten Rovings an der Unterseite des zu verstärkenden Bauteils, dass eine Nadel von der Oberseite des Halbzeuges noch ohne Roving das Halbzeug durchsticht. Die Vorrichtung ermöglicht es durch vollautomatisierte Bereitstellung einer Vielzahl abgelängter Rovings auf der Unterseite, dass diese Rovings kontinuierlich und sequenziell durch eine Nadel einzeln und nacheinander aufgenommen werden und jeweils in einer Rückwärtsbewegung der Nadel in das Durchgangsloch eingezogen werden. Anschließend kann die Schlaufe des Rovings, welcher sich noch an der Nadel befindet, an der Oberseite des Halbzeuges geöffnet werden.
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Mit anderen Worten ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen fehlerfreien kontinuierlichen Prozessablauf, indem sie den Endlosroving, also das Textil, an drei Punkten unabhängig klemmt. Durch Fixierung des Endlosrovings an der ersten Klemmeinrichtung wird der Anfang des Rovings fixiert, so dass der Anfang beim Ausführen einer Relativbewegung zwischen der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und der Schlaufen-Aufspanneinrichtung fest fixiert ist. Dabei ist in den nachfolgenden Figuren, beispielsweise in 1, zu sehen, dass sich bei dieser Ausführung der Relativbewegung eine Schlaufe um die Schlaufenform-Vorgabeeiririchtung bildet. Nach einer kompletten Ausführung der Relativbewegung, beispielsweise nach einer vollständigen Rotation, hat der Endlosroving die zweite Klemmeinrichtung erreicht. Somit sind zunächst Anfangs- und Endpunkt des Rovings fixiert. Um zu vermeiden, dass nach dem Schneiden mit einem Messer, welches durch die Vorrichtung bereitgestellt werden kann, der Roving aus der Spule gleitet, wird er zusätzlich in der Klemmeinrichtung fixiert. Dabei ist es von zentraler Bedeutung für die Erfindung, dass die Klemmeinrichtungen separat steuerbar sind.
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Sind alle drei Klemmeinrichtungen geschlossen, so kann mittels eines Messers oder einer anderen Schneidevorrichtung der Endlosroving an gewünschter Stelle durchtrennt werden. Nach Abzug des in Schlaufenform vorliegenden Rovings durch die Nadel bildet das Ende des Endlosrovings in der Klemmeinrichtung den Anfang für einen neuen Zyklus oder Umlauf, wobei dann die letzte Klemmung wieder in der ersten Klemmeinrichtung erfolgt. Dabei ist mit dem Begriff neuer Umlauf ein vollständiger Zyklus beschrieben, in welchem ein einzelner abgelängter Roving mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in abgelängter Form bereitgestellt werden kann.
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Um das Einlegen in die zweite und dritte Klemmeinrichtung örtlich zu steuern, kann beispielsweise an das Messer ein Schieber angebracht sein, welcher den Roving einmal in die erste und einmal in die dritte Klemmeinrichtung positioniert. Dies ist detaillierter in der nachfolgenden 7 zu sehen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung folgt die Relativbewegung in einer Arbeitsebene und die erste und dritte Klemmeinrichtung befinden sich in senkrechter Richtung zu der Arbeitsebene im Wesentlichen übereinander.
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Dabei können die erste und dritte Klemmeinrichtung exakt übereinander liegen. Jedoch können diese auch um kleine Winkel versetzt sein.
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Um eine möglichst schnelle und fehlerfreie Bereitstellung der gewünschten abgelängten Rovings für die von oben durch das Halbzeug durchstechende Nadel bereitstellen zu können, können die erste und dritte Klemmeinrichtungen senkrecht übereinander angeordnet sein. Dabei bezieht sich die senkrechte Ausrichtung in Bezug auf die Arbeitsebene, welche durch die Relativbewegung festgelegt wird. Im Beispiel einer Rotation bildet die Rotationsebene, in welcher die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und die Schlaufen-Aufspanneinrichtung relativ zueinander rotieren die Arbeitsebene.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine Positioniereinrichtung auf, wobei die Positioniereinrichtung zur wahlweisen Positionierung des Endlosrovings in der ersten und dritten Klemmeinrichtung ausgeführt ist.
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Mittels einer Positioniereinrichtung kann der Endlosroving, welcher durch die Aufspanneinrichtung hin zu jeweils den Klemmeinrichtungen transportiert wird, derart umgelenkt werden, dass er in die gewünschte Klemmeinrichtung positioniert wird. Dies kann als indirektes Einlegen des Endlosrovings in die Klemmeinrichtungen bezeichnet werden. Damit können verschiedene Geometrien an Klemmeinrichtungen innerhalb einer rotierenden Mechanik realisiert werden, ohne dass die äußere Mechanik, welche durch die Schlaufen-Aufspanneinrichtung gebildet wird verändert werden muss. Dies bedeutet eine erhöhte Flexibilität, da ein und dieselbe äußere Mechanik, für verschiedene Schlaufenform-Vorgabeeinrichtungen und verschiedene Anordnungen der drei Klemmeinrichtungen verwendet werden können.
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In einem nächsten, zweiten Zyklus, nachdem der bereits abgelängte Roving des ersten Zyklus mittels der Nadel in das darüber befindliche Halbzeug bereits eingezogen wurde und nach vollständiger, zweiter Durchführung der Relativbewegung, die zum erneuten, zweiten Aufspannen des Endlosrovings um die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung geführt hat, bewegt sich der Schieber beim Bereitstellungsprozess des zweiten Rovings nun derart, dass der Endlosroving in den anderen der beiden sich übereinander befindenden Klemmeinrichtungen eingelegt und geklemmt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine Einlegeeinrichtung auf, wobei die Einlegeeinrichtung zum Einlegen des Rovings in eine Nadel ausgeführt ist.
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Gemäß einem werteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Einlegeeinrichtung zu einer Bewegung auf die Nadel zu ausgeführt, wodurch der Roving zur späteren Entnahme durch die Nadel in die Nadel einlegbar ist.
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Dabei kann die Einlegeeinrichtung als beweglicher Finger ausgeführt sein, um welchen der Endlosroving während eines Aufspannvorgangs gelegt wird. Nach einer Bewegung des beweglichen Fingers auf die Nadel zu, wodurch der Roving in eine Aufnahmeeinrichtung in der Nadel aufgenommen wird, ist es möglich den Roving in das vorher durch die Nadel gebildete Durchgangsloch zurückzuziehen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die bewegliche Einlegeeinrichtung als zumindest eine bewegliche Schranke ausgeführt, wobei die bewegliche Schranke von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist, wobei die bewegliche Schranke in der ersten Position die Schlaufe temporär vorgespannt hält und wobei die bewegliche Schranke in der zweiten Position die Schlaufe derart freigibt, dass die Schlaufe in die Nadel eingelegt wird.
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Für den Fall, dass eine Nadel mit einer Hakenöffnung verwendet wird, welche nach einem Durchstechen des zu verstärkenden Bauteils von den Klemmeinrichtungen wegzeigt, so kann mittels folgendem Einlegeverfahren ein schnelles und fehlerfreies Entnehmen des geschnittenen Rovings durch die Nadel bereitgestellt werden:
Mittels dieses Ausführungsbeispiels kann der Roving zum Bilden der Schlaufe um den Haken gelegt werden und kann durch die Bewegung der Fasern direkt eingezogen werden. Zu beachten ist dabei, dass oberhalb der Spule, auf dem sich der Endlosroving befindet, der Endlosroving zur Schlaufenbildung passieren muss. D. h. dass die Nadel erst nach dem Durchgang des Rovings an der Position, an welcher sich die Nadel nach dem Einstechen befindet, stechen kann. Dies ist deutlich in den 3 und 4 zu sehen und beschrieben. Da die Schlaufe aufgrund ihrer Vorgespanntheit an der Vorderseite dann schon den Aufnahmepunkt oder Einhängepunkt, also den Punkt, an welchem der Haken die Schlaufe aufnimmt, passiert hätte, kann zumindest eine oder auch zwei bewegliche Schranken, beispielsweise links und rechts vom späteren Nadelhaken, die Schlaufe temporär vergrößert halten. Ist der Nadelhaken auf Position zur Aufnahme des Rovings, nachdem die Nadel durchstochen hat, so kann die bewegliche Schranke bzw. die beweglichen Schranken nach hinten wegfahren, wodurch sich die Schlaufe selbst durch die vorhandene Fadenspannung in den Haken einlegt.
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Durch trichterförmige Gestaltung des Einhängepunktes, also jenes Punktes der Vorrichtung, an welchem die Nadel den Roving aufnimmt, kann zusätzlich eine sehr präzise Positionierung des Nadelhakens erfolgen, dessen Position durch auf den sehr dünnen Nadelschaft im Schaumstoff auftretende Kräfte leicht abweichen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die bewegliche Einlegevorrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer beweglichen Einlegeeinrichtung, die zur Ausführung einer Bewegung ausgeführt ist, wodurch der Roving in die Nadel eingelegt wird; und einer beweglichen Einlegeeinrichtung, die als zumindest eine bewegliche Schranke ausgeführt ist, wobei die bewegliche Schranke von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist, wobei die bewegliche Schranke in der ersten Position die Schlaufe temporär vorgespannt hält, und wobei die bewegliche Schranke in der zweiten Position die Schlaufe derart freigibt, dass die Schlaufe in die Nadel eingelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung aus zumindest zwei der drei Klemmeinrichtungen und der beweglichen Einlegevorrichtung.
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Wie beispielsweise der nachfolgenden 7 entnommen werden kann, wird die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung hier durch das Polygon bestimmt, welche als Eckpunkte die erste Klemmeinrichtung, die zweite Klemmeinrichtung, die dritte Klemmeinrichtung und die Einlegevorrichtung aufweist. Im gezeigten Beispiel der 7 ergibt sich hierdurch ein nahezu dreieckförmiger Bereich, um welchen ein Endlosroving aufgrund der Relativbewegung, hier eine Rotation herumgespannt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die erste und die dritte Klemmeinrichtung bewegliche, ansteuerbare Komponenten auf, wobei durch eine Bewegung dieser Komponenten in Verbindung mit der Relativbewegung zwischen der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und der Schlaufen-Aufspanneinrichtung der Roving in die jeweilige Klemmeinrichtung vollautomatisch einlegbar ist.
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Mit anderen Worten bewegt sich der Endlosroving im ortsfesten Bezugssystem der drei Klemmeinrichtungen aufgrund der Relativbewegung auf die jeweilige Klemmeinrichtung zu und mittels einer Bewegung der beweglichen Komponenten der Klemmeinrichtung kann beispielsweise ein Spalt geöffnet werden, um den herannahenden Endlosroving aufzunehmen. Beim Schließen dieser beweglichen Komponente wird der Endlosroving in Eingriff mit der Klemmeinrichtung gebracht und somit fixiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und die Schlaufen-Aufspanneinrichtung derart ausgeführt, dass eine Rotationsbewegung relativ zueinander ausführbar ist, wodurch der Endlosroving nacheinander in die erste, zweite und dritte Klemmung einlegbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich angegeben. Dabei weist das Verfahren in einem ersten Zyklus die folgenden Schritte auf: Klemmen des Endlosrovings in einer ersten Klemmeinrichtung, Ausführen einer Relativbewegung zwischen einer Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und einer Schlaufen-Aufspanneinrichtung, Klemmen des Endlosrovings in einer zweiten und dritten Klemmeinrichtung, wobei alle drei Klemmeinrichtungen unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Weiterhin weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Schneiden des Endlosrovings und Lösen der ersten und zweiten Klemmeinrichtung bei gleichzeitig fortdauerndem Klemmen durch die dritte Klemmeinrichtung, wodurch der Endlosroving für ein nächstes Bereitstellen eines weiteren geschnittenen Rovings bereits in einer ersten Klemmeinrichtung geklemmt bereitgestellt ist, auf.
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Dabei wird der weitere, zweite Roving in einem zweiten Zyklus bereitgestellt, der sich unterbrechungsfrei an die Bereitstellung des ersten Rovings anschließt. Diese vollautomatisierte Bereitstellung einer Vielzahl abgelängter Rovings an der Unterseite des zu verstärkenden Bauteils ermöglicht es ein entsprechendes Einseiten-Nähverfahren an einem Bauteil vollautomatisiert durchzuführen.
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Auf Grund des anfänglichen Einstechens der Nadel noch ohne den Roving wird nur ein minimales Durchgangsloch erzeugt, wodurch ein zu breites Durchgangsloch im Vergleich zu einem Zweiseit-Nähverfahren vermieden wird. Dadurch können spätere Einschlüsse von beispielsweise Harz reduziert werden. Dies kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des zu verstärkenden Bauteils bewirken.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren einen zweiten Zyklus auf, wobei der Zyklus die folgenden Schritten aufweist: Bereitstellen eines zweiten geschnittenen Rovings mittels Wiederholen der Schritte des vorangegangenen Ausführungsbeispiels und wobei das Klemmen des Endlosrovings in der ersten Klemmeinrichtung im zweiten Zyklus durch das Verwenden der andauernden Klemmeinrichtung der dritten Klemmeinrichtung aus dem ersten Zyklus ersetzt wird.
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Mit anderen Worten wird der Roving in einem ersten Schritt zwischen die beweglichen Teile der ersten Klemmeinrichtung geklemmt. Nach einer Durchführung der Relativbewegung, durch beispielsweise eine ganze Umdrehung bei einer Rotation einer Spindel um die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung, hat der Roving die zweite Klemmung erreicht. Somit sind zunächst Anfangs- und Eckpunkt fixiert. Um zu verhindern, dass nach dem Schneiden mit dem Messer der Roving aus der Spule gleitet, wird er zusätzlich in der dritten Klemmeinrichtung fixiert. Da alle Klemmeinrichtungen separat gesteuert sind, können in einem ersten Schritt alle drei Klemmeinrichtungen geschlossen gehalten werden. Nach dem Abzug der Schlaufe durch das Zurückziehen der Nadel bildet das Ende in der dritten Klemmeinrichtung den Anfang für einen neuen analogen Bereitstellungsprozess, wobei dann die letzte Klemmung wieder in der ersten Klemmeinrichtung erfolgt.
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Um das Einlegen in die erste und dritte Klemmeinrichtung zu steuern, ist im Anschluss an das Messer, welches den Roving zwischen beispielsweise der ersten und der zweiten Klemmeinrichtung schneidet, ein Schieber angebracht, welchen den Roving beispielsweise einmal nach oben und einmal nach unten hin zur ersten Klemmeinrichtung bzw. hin zur dritten Klemmeinrichtung umlenkt. Dieses Ausführungsbeispiel kann der 7 entnommen werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: Einlegen des Rovings in eine Nadel, wobei das Einlegen mittels einer beweglichen Einlegeeinrichtung erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin die Schritte auf: Ausführen einer Bewegung durch die Einlegeeinrichtung auf die Nadel zu bei gleichzeitigem Transportieren des Rovings und Einlegen des Rovings in die Nadel hinein.
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Gemäß einem werteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin die Schritte auf: Halten des Rovings in einem vorgespannten Zustand durch eine bewegliche Schranke in einer ersten Position, Eintauchen der Nadel in einen Bereich der Einlegeeinrichtung und Bewegen der Schranke von der ersten Position in eine zweite Position, wodurch der Roving entspannt wird und die Nadel eingelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Maschine zur Verstärkung eines Bauteils angegeben, insbesondere in dessen Dickenrichtung (z), insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich. Dabei weist die Maschine eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche auf. Weiterhin weist die Maschine eine Nadel auf, welche eine Spitze aufweist, die mit einer Öse zur Aufnahme des abgelängten Rovings versehen ist. Weiterhin weist die Maschine einen Aufnahmebereich auf, in welchen das Bauteil flächig zwischen die Nadel und die Vorrichtung einlegbar ist, wobei die Nadel in einem ersten Arbeitsschritt der Maschine das Bauteil durchdringt und ein Durchgangsloch in diesem ausbildet, und in einem zweiten Arbeitsschritt der Maschine die Öse den abgelängten Roving aus einem Entnahmebereich der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung mittig aufnimmt, und in einem dritten Arbeitsschritt den sich doppelt legenden Roving in das Durchgangsloch der zu verstärkenden Halbzeuges einzieht.
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Mit anderen Worten ist es mit dieser Maschine möglich, den direkten Übergang zwischen nacheinander ablaufenden Schritten zur Herstellung von mehreren abgelängten Rovings zu erreichen. Dabei werden die Rovings an der Unterseite des zu verstärkenden Bauteils durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgelegt und anschließend zur Durchführung des beschriebenen Einseiten-Nähverfahrens als einzelner Faden in das zu verstärkende Bauteil zurückgezogen, um mechanische Verbesserungen in dem Werkstoff zu generieren.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” und „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit dem Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 bis 5 zeigen schematische, zweidimensionale Darstellungen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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6 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer Nadel zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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7 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens mit Verfahrensschritten S1 bis S5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die 1 bis 5 zeigen eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Bereitstellen mehrerer abgelängter Rovings definierter Länge von einem Endlosroving in einem kontinuierlichen Prozess. Diese Vorrichtung wird zur Verstärkung von Bauteilen oder Halbzeugen eingesetzt, welche mittels Stoffe, beispielsweise mittels textiler Stoffe, verstärkt werden. Dabei weist die Vorrichtung eine Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung 103 und eine Schlaufen-Aufspanneinrichtung 104 auf. Weiterhin weist die Vorrichtung eine erste Klemmeinrichtung 105, eine zweite Klemmeinrichtung 106 und eine dritte Klemmeinrichtung 107 auf. Dabei ist die dargestellte Ebene dieser Draufsicht die Arbeitsebene, die durch die Rotation 109 definiert wird. Das sich die zweite und dritte Klemmeinrichtung in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zu dieser gezeigten Ebene übereinander befinden, ist die dritte Klemmeinrichtung 107 nicht zu sehen, da sie sich unterhalb von 105 befindet.
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Dabei gibt die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung eine Form einer zu bildenden Schlaufe vor, welche Schlaufe während einer Relativbewegung 109 zwischen der Schlaufen-Aufspanneinrichtung und der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung gebildet wird. Während dieser Relativbewegung 109 wird der Endlosroving auf die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung derart aufgespannt, dass er mittels der ersten, der zweiten und der dritten Klemmeinrichtung fixiert werden kann. Dabei sind die drei Klemmeinrichtungen unabhängig voneinander ansteuerbar, wodurch insgesamt ein kontinuierliches sequenzielles Bereitstellen einer Vielzahl abgelängter Rovings ermöglicht wird, ohne dass menschliches Eingreifen von Nöten ist.
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Mit anderen Worten ist eine vollautomatische Bereitstellung abgelängter Rovings definierter und gewünschter Länge einer Unterseite eines zu verstärkenden Halbzeuges in vollautomatisierter Weise möglich.
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Diese Vorrichtung, die sich vorzugsweise unterhalb des Halbzeuges, welches zu verstärken ist, befindet, besteht in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einer rotierenden Außeneinheit und einem festen Innensystem. Die rotierende Außeneinheit ist als Schlaufen-Aufspanneinrichtung 104 bezeichnet. Durch eine rotierende Bewegung des Außensystems, welche ab 2 dargestellt ist, wird der Roving verspannt. Erfolgt eine weitere Rotation, wie sie in 3 und 4 zu sehen ist, legt sich eine Schlaufe 108 um die festen Bezugspunkte der Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung. Die Schlaufe legt sich somit um das fixierte Innensystem, welches aus zumindest den drei Klemmeinrichtungen 105, 106 und 107 und der Einlegeeinrichtung 111 besteht. Hat der Endlosroving 102, wie in 4 gezeigt, den Nadeleinstichpunkt 116 passiert, so kann die Nadel einstechen und den Roving in den Haken aufnehmen, was in der rechts dargestellten Vergrößerung 4a innerhalb der 4 gezeigt ist.
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5 zeigt den Abschluss der Schlaufenbildung, wobei sich in diesem Zustand die Rotationsmechanik mit der Schlaufen-Aufspanneinrichtung nahezu in der Ausgangsstellung befindet. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung in ihre Ausgangsstellung zurückgekehrt. Bevor die Nadel eine Rückwärtsbewegung durchführt, welche in 6 dargestellt ist, wird der Roving mittels eines Messers abgelängt.
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Auf der Oberseite des zu verstärkenden Bauteils oder Halbzeuges (hier nicht gezeigt) befindet sich in definiertem Abstand über der Oberfläche ebenfalls eine Schneideinrichtung, mit der die Schlaufe geöffnet werden kann, so dass die Nadel wieder leer ist und der Vorgang von vorne beginnen kann. Anfallende Schnittreste können mittels einer Saugeinrichtung entfernt werden. Dabei kann die Saugeinrichtung auch Teil der Vorrichtung bzw. der Maschine sein.
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Um einen fehlerfreien Ablauf zur Bereitstellung mehrerer Rovings zu garantieren, wird der Endlosroving an drei Punkten geklemmt. Im ersten Schritt wird der Textilanfang fixiert, so dass dieser beim Rotieren der Schlaufen-Aufspanneinrichtung 104 um die Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung 103 fixiert ist. Wie in dem schematischen Ablauf, der in den 1 bis 5 zu sehen ist, bildet sich dabei eine Schlaufe. In einem nächsten Schritt wird das Endlostextil erneut geschnitten, so dass die Schlaufe die gewünschte Länge hat. Vor dem Schneiden sind dabei der Endpunkt und der neue Anfangspunkt zu fixieren.
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6 zeigt eine Nadel 112, welche in Kombination mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet werden kann. Dabei weist die Nadel eine Spitze auf, die mit einer Öse zur Aufnahme des abgelängten Rovings versehen ist. Die Spitze ist dabei mit 113 und die Öse mit 114 bezeichnet.
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7 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei weist die Vorrichtung eine Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung 103 auf, welche sich im Inneren der um sie rotierenden Schlaufen-Aufspanneinrichtung 104 befindet. Mittels der drei Klemmungen 105, 106 und 107 kann der Endlosroving 102 derart fixiert werden, dass beim Lösen der ersten und zweiten Klemmeinrichtung bei gleichzeitig fortdauerndem Klemmen durch die dritte Klemmeinrichtung der Endlosroving für ein nächstes Bereitstellen eines weiteren geschnittenen Rovings bereits in einer ersten Klemmeinrichtung geklemmt bereitgestellt werden kann.
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Mit anderen Worten wird der Roving mittels der in 7 gezeigten Vorrichtung 100 in einem ersten Schritt zwischen bewegliche Teile der Klemmeinrichtung 105 geklemmt. Nach einer Umdrehung hat der Endlosroving 102 die zweite Klemmeinrichtung 106 erreicht. Somit sind zunächst Anfangs- und Endpunkt fixiert. Um zu verhindern, dass nach dem Schneiden mit dem Messer 115 der Roving aus der Spule gleitet, wird er zusätzlich in der dritten Klemmeinrichtung 107 fixiert. Alle Klemmungen sind dabei separat steuerbar. Sind alle drei Klemmeinrichtungen geschlossen, wird geschnitten. Nach dem Abzug der Schlaufe durch die Nadel 112 bildet das Ende der dritten Klemmeinrichtung 107 den Anfang für einen neuen Umlauf, wobei dann die letzte Klemmung wieder in der ersten Klemmeinrichtung 105 erfolgt. Um das Einlegen in die Klemmeinrichtungen 105 und 107 zu steuern, ist im Anschluss an das Messer noch eine Positioniereinrichtung 110 vorhanden, welche den Roving einmal nach unten und anschließend nach oben in die gewünschte Klemmeinrichtung lenkt.
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8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens mit Verfahrensschritten S1 bis S5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: S1 Klemmen des Endlosrovings in einer ersten Klemmeinrichtung, S2 Ausführen einer Relativbewegung zwischen einer Schlaufenform-Vorgabeeinrichtung und einer Schlaufen-Aufspanneinrichtung, S3 Klemmen des Endlosrovings in einer zweiten und dritten Klemmeinrichtung, S4 Schneiden des Endlosrovings und S5 Lösen der ersten und zweiten Klemmeinrichtung bei gleichzeitig fortdauerndem Klemmen durch die dritte Klemmeinrichtung.
