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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatisierten Verbinden zweier Bauteile gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile in einem Fügebereich gemäß Anspruch 14.
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Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) wie glas- oder kohlefaserverstärkte Harzsysteme haben erhebliche Vorteile hinsichtlich ihrer gewichtsbezogenen Festigkeit und Steifigkeit. Sie kommen daher nicht nur im Bereich der Flugzeug-, PKW- oder Fahrrad-Konstruktion zum Einsatz, sondern können gleichermaßen bei der Schiffskonstruktion oder bei der Konstruktion von beliebigen anderen Bauteilen, insbesondere dort, wo leichte Rahmenstrukturen benötigt werden, verwendet werden. Die Verbindungsstelle oder Fügestelle zwischen zwei oder mehr FVK-Bauteilen stellt regelmäßig eine Schwachstelle dar. Zur Herstellung von leichten Tragwerken, so z. B. von Rahmenstrukturen, weisen die FVK-Bauteile häufig ein gekrümmtes Profil, insbesondere ein Rohrprofil auf. Beim Fahrradrahmenbau werden beispielsweise Rohre stumpf aneinander geklebt und zur Verbesserung der optischen Erscheinung der Verbindungsstelle mit einer Faserlage manuell überlaminiert. Um eine höhere Festigkeit solcher Verbindungen zu erzielen, müssen die Rohre entweder mit einem zusätzlichen Knotenelement versehen oder in Monocoque-Bauweise, d. h. ohne Fügestellen bei gleichzeitig hohen Werkzeugkosten, hergestellt werden. Bei Faserverbundwerkstoffen auf der Basis duromerer Systeme wie Harz scheiden thermische Fügeverfahren grundsätzlich aus. Daher herrschen zur Verbindung zweier oder mehrerer FVK-Bauteile üblicherweise noch Technologien aus dem Metallbereich vor. Ein Beispiel hierfür sind klassische Nietverbinder, Schrauben, Inlays oder auch Klebeverbindungen. Das Kleben weist große Streuungen in seinen Festigkeitswerten auf und ist daher als sichere Verbindungsmethode von FVK-Bauteilen ungeeignet. Deshalb kommt eine Klebeverbindung von FVK-Bauteilen bislang nur in Kombination mit mindestens einem weiteren Fügeverfahren wie z. B. Schrauben oder Nieten zum Einsatz. Bei diesen Fügeverfahren wird jedoch immer die Faserstruktur der zu verbindenden FVK-Bauteile zerstört. Die Probleme beim Verbinden zweier Bauteile treten jedoch nicht nur beim Einsatz faserverstärkter Kunststoffe auf. Vielmehr ergeben sich auch bei der Verbindung von Metallprofilen, insbesondere Aluminiumprofilen Schwachstellen. Beim Schließen einer geschlossenen Rahmenstruktur mittels Schweißen ist es beispielsweise nicht möglich, die Schweißnaht in einem Zug herzustellen. Vielmehr muss mindestens einmal ausgesetzt und „umgegriffen” werden, wodurch eine Schwachstelle in dem Rahmen resultiert.
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Insgesamt bilden Fügestellen besonders bei FVK-Bauteilen entweder eine strukturelle Schwachstelle oder sie sind nur durch einen entsprechend hohen Aufwand mit einer ausreichenden Festigkeit und Steifigkeit zu realisieren. Bei der letzteren Variante ist die Verbindung üblicherweise nur durch eine – dem Leichtbaugedanken widerstrebende – entsprechend schwere Aufdickung der Fügestelle zur realisieren.
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Aus dem Stand der Technik ist eine automatisierte oder teilautomatisierte Verbindung von derartigen Bauteilen, insbesondere FVK-Bauteilen nicht bekannt.
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Die
DE 10 2008 022 337 A1 zeigt und beschreibt ein teilautomatisiertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Umwickeln von Kabeln oder Kabelsträngen mit mit Befestigungselementen bestückten Bändern.
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In der
DE 296 04 730 U1 ist ein aus Metallrohren aufgebauter Fahrradrahmen offenbart, bei dem die Verbindungsstellen am Rahmen mit einer Hülle aus faserverstärktem Kunststoff in Art von Hülsen verstärkt sind.
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Aus der
DE 1 914 895 A ist es bekannt, Rohrformstücke für z. B. Druckleitungen an T-förmigen Verbindungsstellen zum Korrosionsschutz mit harzimprägnierten Fäden in kreuzweiser Anordnung zu Umwickeln.
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Die Dokumente
US 2002/0054968 A1 ,
US 2010/0052203 A1 und
US 2005/0037195 A1 befassen sich mit der Herstellung bzw. dem Verbinden von Axialrohren aus FVK.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Bauteile sowie eine daraus resultierende Verbindung dieser Bauteile zu schaffen, die eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht aufweist.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird eine Vorrichtung zum automatisierten Verbinden zweier oder mehrerer Bauteile in deren Fügebereich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist eine rotierende Wickeleinrichtung, insbesondere in Form eines kreissegmentartigen Rotors auf, der zum Führen eines Gewebebandes entlang von Wickelpfaden und zum Erzeugen einer gewickelten Knotenverbindung im Fügebereich der beiden Bauteile ausgebildet ist.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt also darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das für andere Zwecke an sich bekannte Wickeln (z. B. Fasernasswickeln) eines Gewebebandes in vorteilhafter Weise als Fügeverfahren zum Verbinden zweier oder mehrerer Bauteile, insbesondere von FVK-Bauteilen, durchzuführen. Dies wird dadurch bewirkt, dass die rotierende Wickeleinrichtung derart um den Fügebereich zweier zu verbindender Bauteile rotieren kann und dabei ein Gewebeband entlang von Wickelpfaden führen bzw. wickeln kann, dass eine gewickelte Knotenverbindung im Fügebereich der beiden Bauteile entsteht. Lastprüfungen der mit der gewickelten Knotenverbindung versehenen Fügestelle haben gezeigt, dass das Faserwickeln als Fügetechnologie hervorragend geeignet ist und Fügestellen mit sehr hoher Festigkeit und geringem Gewicht vollkommen zerstörungsfrei – d. h. ohne Schwächung an den Verbindungsstellen durch mechanische Bearbeitung – erzeugt werden können. Durch die bevorzugte kreissegmentartige Ausgestaltung eines Rotors ist es ferner möglich zwei (FVK-)Bauteile ohne die Generierung von mechanischen Schwachstellen miteinander zu verbinden, die Teil einer geschlossenen Rahmenstruktur sind. Dies ist insbesondere für den Automobilbau von Vorteil, wo der Einsatz von leichten Tragwerken als Rahmen (Space Frame) zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit in vorteilhafter Weise in der Lage, einen Faserwickelprozess als Fügeverfahren zur zerstörungsfreien Verbindung zweier Bauteile durchzuführen. Durch entsprechende Steuer- und Regeleinrichtungen kann die durch die Vorrichtung erzeugte gewickelte Knotenverbindung u. a. in ihrer Dicke, Spannkraft, Lage und flächenmäßigen Verteilung angepasst werden, so dass insbesondere auch im Bereich erhöhter Spannungen der Fügestelle eine optimierte Knotenverbindung realisiert werden kann. Die Vorrichtung kann auf diese Weise für nahezu jegliche Art von Bauteilen, insbesondere im Hinblick auf deren Dimensionierung, Lage und Lastanwendung zum Einsatz kommen. Insgesamt erlaubt das Umwickeln der beiden Bauteile eine formschlüssige Verbindung mit sehr hohen Festigkeiten und Steifigkeiten. Weiterhin ist diese Verbindung durch ihren einfachen Spannungsverlauf leicht zu berechnen und durch Variation der Wickelparameter in gewissen Grenzen einstellbar. Bei den Wickelparametern handelt es sich insbesondere um die Vorspannkraft des Gewebebandes, den Imprägniergrad des Gewebebandes sowie den Ablegepfad, d. h. den Wickelpfad des Gewebebandes auf den Bauteilen in deren Fügebereich. Die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung sind dadurch einstellbar und an verschiedene Bauteile flexibel anpassbar.
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Vorzugsweise ist der kreissegmentartige Rotor in einem kreissegmentartigen oder C-förmigen Stator in einer Rotationsrichtung beweglich gelagert. Durch die Kreissegmentform sowohl des Rotors als auch des Stators ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewickelte Knotenverbindungen in geschlossenen Rahmenstrukturen zu erzeugen. Damit die Vorrichtung in eine Rahmenstruktur eingreifen kann, müssen der Rotor und der Stator in einem Anfangszustand so relativ zueinander positioniert sein, dass die Öffnungen der Kreissegmente miteinander fluchten. In dieser Position lässt sich ein Fügebereich zweier oder mehrerer Bauteile im Wirkbereich der Vorrichtung positionieren. Zum Entfernen der Vorrichtung von dem Fügebereich bzw. zum Entfernen des Fügebereichs aus der Vorrichtung müssen der Rotor und der Stator wiederum die fluchtende Position der Kreissegmentöffnungen einnehmen. Zur Erzeugung der gewickelten Knotenverbindung im Fügebereich ist der Rotor vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet, dass er sich in dem Stator um eine Rotationsachse drehen kann. Um eine Drehbewegung des Rotors in dem Stator zu gewährleisten, ist der Rotor vorzugsweise so ausgebildet, dass er eine Öffnung des Kreissegments des Stators überbrücken kann. Das den Rotor bildende Kreissegment sollte folglich einen Kreisbogen aufweisen, der länger ist als der Kreisbogen der Kreissegmentöffnung des Stators.
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Der Rotor kann an seiner der Rotationsachse zugewandten Innenseite eine vorzugsweise austauschbar gelagerte Gewebeband-Vorratsspule aufweisen, auf der das abzuwickelnde Gewebeband aufgewickelt ist. Ausgehend von der Vorratsspule wird das Gewebeband vorzugsweise über eine ebenfalls an der Innenseite des Rotors angeordnete Spanneinheit zum Spannen des Gewebebandes geführt. Durch die Spanneinheit wird gewährleistet, dass ein Reißen des Gewebebandes bei Ausüben einer ruckartigen Zugkraft auf dasselbe verhindert wird, indem die Kraft abgefedert bzw. abgebremst wird. Die Spanneinheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich die Spannkraft des Gewebebandes und damit die Steifigkeit der gewickelten Knotenverbindung einstellen lassen. Ausgehend von der Spanneinheit wird das Gewebeband vorzugsweise durch eine Imprägniereinheit zum Tränken des Gewebebandes mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit einer duromeren Flüssigkeit wie Harz, geführt. Vorzugsweise wird das Gewebeband im Bereich der Imprägniereinheit durch geeignete Umlenkelemente im Wesentlichen in Richtung einer Rotationsachse des Rotors, d. h. quer zur Rotationsrichtung geführt. Hierdurch kann die Imprägniereinheit wesentlich kleiner bauen. Auch die Abmessungen, insbesondere der Radius der erfindungsgemäßen Vorrichtung können dadurch insgesamt kleiner ausfallen. Darüber hinaus wird durch die kleinere Dimensionierung der Imprägniereinheit die Gefahr reduziert, dass während einer Drehbewegung des Rotors Imprägnierflüssigkeit ausläuft. Durch die Imprägniereinheit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, einen Fasernasswickelprozess durchzuführen, bei dem die resultierende gewickelte Knotenverbindung aus einem Faserverbundwerkstoff, aufweisend ein Fasermaterial (Gewebeband) und eine Kunststoff-Matrix (Imprägnierflüssigkeit), ausgebildet ist. Vorzugsweise weist der Rotor darüber hinaus eine Führungseinheit zum Führen des Gewebebandes entlang der Wickelpfade auf, die vorzugsweise ein oder mehrere Fadenführungsrolle(n) und/oder Ringfadenauge(n) aufweist. Ausgehend von der Führungseinheit wird das Gewebeband auf dem zu verbindenden Fügebereich zweier Bauteile platziert und entlang der Wickelpfade auf den zwei Bauteilen abgewickelt.
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Die Gewebeband-Vorratsspule, die Spanneinheit, die Imprägniereinheit (optional) und die Führungseinheit werden vorzugsweise in der vorgenannten Reihenfolge hintereinander in einer Rotationsrichtung an der Innenseite des Rotors angeordnet und rotieren bei einer Drehbewegung des Rotors um die Rotationsachse herum. Bei einer ausreichend hohen Rotationsgeschwindigkeit der Imprägniereinheit drücken die entstehenden Zentrifugalkräfte die Imprägnierflüssigkeit derart radial nach außen, dass ein Auslaufen der Flüssigkeit während der Rotation vermieden werden kann.
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Der Stator führt keine Rotationsbewegung aus. Nichtsdestotrotz ist er vorzugsweise beweglich bezüglich zweier Bauteile gelagert, die in der Vorrichtung, d. h. in dem Rotor anordenbar sind. Insbesondere ist der Statur derart beweglich gelagert, dass seine Winkellage relativ zu den beiden Bauteilen verändert werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung so aufgebaut ist, dass sie Wickelpfade realisieren kann, die im Wesentlichen entlang geodätischer Bahnen auf den beiden in der Vorrichtung befindlichen Bauteilen verlaufen, wobei unter einer geodätischen Bahn die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten Oberfläche verstanden wird. Der Verlauf der Wickelpfade entlang geodätischer Bahnen kommt also dann in Betracht, wenn die zu verbindenden Bauteile zumindest teilweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Eine Abweichung von dieser Bahn führt bei gekrümmten Oberflächen zu einem Abrutschen des Gewebebandes und dem Verlust der eingestellten Zugspannung des Gewebebandes, was in einer reduzierten Steifigkeit der gewickelten Knotenverbindung resultiert. Lediglich die herrschende Reibung zwischen dem imprägniertem Gewebeband und der Bauteil-Oberfläche erlaubt eine geringfügige Abweichung von einem Geodäten. Diese Reibung hängt jedoch wesentlich vom verwendeten duromeren System und der Beschaffenheit der Fügepartner, d. h. der beiden Bauteile ab.
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Der Stator wirkt vorzugsweise derart mit einer Steuerung zusammen, dass seine Position und insbesondere seine Winkellage bezüglich zweier Bauteile in Abhängigkeit von vorbestimmten, insbesondere computergenerierten Wickelpfaden bestimmt wird. Die beiden Bauteile können während der Erzeugung der gewickelten Knotenverbindung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine externe Befestigungsvorrichtung fixiert sein. Die Position des Stators lässt sich während des Wickelprozesses vorteilhafterweise verändern, so dass verschiedene Wickelpfade zur Ausbildung der gewickelten Knotenverbindung während eines einzigen Anwendungsprozesses der Vorrichtung erzeugt werden können. Auch können die Wickelpfade auf diese Weise an beliebige Bauteile individuell angepasst werden. Der Rotor wirkt vorzugsweise ebenfalls mit einer Steuerung zusammen, und zwar derart, dass seine Drehgeschwindigkeit steuerbar und/oder regelbar ist.
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Bei dem Gewebeband handelt es sich vorzugsweise um ein so genanntes Roving, d. h. ein Faserbündel, insbesondere um ein Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffaserbündel. Das Gewebeband weist vorzugsweise einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt auf und umfasst mehrere parallel angeordnete Filamente (Endlosfasern). Die Länge des auf der Gewebeband-Vorratsspule aufgewickelten Gewebebandes ist vorzugsweise auf die vorbestimmte benötigte Menge an Gewebeband für eine bestimmte zu erzeugende gewickelte Knotenverbindung abgestimmt. Andererseits ist es denkbar, dass die Vorrichtung über eine automatische Schneidvorrichtung verfügt, zum Abschneiden des Gewebebandes nach dem Fertigstellen der gewünschten gewickelten Knotenverbindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus wenigstens einen Sensor aufweisen, der den Abstand zwischen dem Stator und/oder dem Rotor zu den beiden Bauteilen überwacht, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung im Wirkbereich derselben angeordnet sind. Die Sensoren stellen somit sicher, dass es nicht zu Kollisionen zwischen Teilen der Vorrichtung, insbesondere drehenden Teilen wie dem Rotor und den zu umwickelnden Bauteilen kommt.
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Der fertig gewickelte Knoten umfasst das gewickelte, mit Imprägnierflüssigkeit getränkte Gewebeband, welches zur Fertigstellung noch einen Aushärtungsprozess benötigt. Hierzu ist vorzugsweise eine Wärmequelle zum Aushärten der fertig gewickelten Knotenverbindung vorgesehen. Diese kann in die Vorrichtung, beispielsweise als Zusatzelement des Rotors, integriert sein. Auf diese Weise kann die gewickelte Knotenverbindung unmittelbar nach ihrer Fertigstellung beschleunigt aushärten. Alternativ können auch separate Wärmequellen, beispielsweise eine UV-Lampe, beheizbare Halbschalenwerkzeuge oder dergleichen zur Anwendung kommen, um ein optimales Oberflächenergebnis der gewickelten Knotenverbindung zu erhalten.
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Bei den Bauteilen, für welche die vorliegende Vorrichtung verwendet werden kann, kann es sich um ein leichtes Tragwerk handeln, umfassend ein Verstärkungsmaterial aus Fasern und eine Kunststoff-Matrix, insbesondere um Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfasern in Verbindung mit einem duromeren System, insbesondere mit einem Harzsystem. Weiterhin kann zumindest eines der beiden Bauteile ein zumindest teilweise gekrümmtes Profil aufweisen und insbesondere als Rund- bzw. Rohrprofil ausgebildet sein.
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Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch auf Metallprofile, insbesondere auf Aluminiumprofile, die als Rohrprofile ausgebildet sein können, anwendbar. Die zu umwickelnden Bauteile bilden somit einen Wickelkern, um den das imprägnierte Gewebeband gewickelt wird.
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Die Spannung des Gewebebandes ist vorzugsweise mittels der Spanneinheit einstellbar. Durch eine entsprechende Variation der Gewebebandspannung können die Eigenschaften der Fügestelle, wie die Steifigkeit, eingestellt werden. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, auch nach der Herstellung der Einzelteile einer gesamten Baugruppe noch gezielte Steifigkeiten an den Verbindungspunkten der Einzelteile zu verleihen. Die Vorrichtung kann jedoch nicht nur eine unterschiedliche Gewebebandspannung für unterschiedliche Anwendungsfälle erzeugen, sondern darüber hinaus lässt sich die Anzahl der Umwicklungen und damit die Dicke der gewickelten Knotenverbindung sowie der Winkel der Wickelpfade bezüglich der Fügestelle flexibel an den jeweiligen Lastfall anpassen.
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Zur Realisierung eines optimalen, individuell angepassten gewickelten Knotens wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise mit einem geeigneten Computerprogramm zusammen. Dieses kann ein Verfahren ausführen, bei dem eine gewickelte Fügeverbindung vor der Realisierung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung individuell ausgelegt und gestaltet wird und zwar mit Blick auf eine konkrete zu verstärkende Fügestelle zwischen zwei Bauteilen. Diese Auslegung und Gestaltung erfolgt vorzugsweise mittels einer so genannten Finite-Elemente-Simulation, mit der ein 3D-Modell des individuellen Fügebereichs computergestützt erzeugt werden kann. Auf dessen Grundlage können dann für verschiedene, auf die Fügestelle wirkende Lastfälle die in der Fügestelle bzw. im Fügebereich entstehenden Lastpfade simuliert werden. Anhand der identifizierten Lastpfade höchster Spannung können dann die Wickelpfade auf den Bauteilen entsprechend berechnet werden, auf denen das Gewebeband abgelegt werden muss, um eine optimale Verstärkung der am stärksten beanspruchten Bereiche der Verbindungsstelle zu erhalten. Die Eigenschaften des Gewebebandes können auf diese Weise optimal genutzt werden. Die computergenerierten Wickelpfade können dann in die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung übergeben werden, auf deren Grundlage die Wickelung des Gewebebandes um die jeweilige Verbindungsstelle herum durchgeführt wird.
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Mit der erfinderischen Vorrichtung kann voll- oder teil-automatisiert eine gewickelte Knotenverbindung zur Verbindung zweier Bauteile in einem Fügebereich hergestellt werden, ohne dass durch z. B. mechanische Bearbeitung für das Einsetzen von Schrauben, Nieten o. ä. an der Fügestelle eine Schwächung in Kauf genommen werden muss. Die auf der Vorrichtung erzeugte Knotenverbindung weist ein Gewebeband auf, welches um die beiden zu verbindenden Bauteile herum entlang von Wickelpfaden vorzugsweise in mehreren Lagen verläuft, wobei die Wickelpfade im Wesentlichen auf geodätischen Bahnen angeordnet sind. Durch die Anordnung der Wickelpfade auf geodätischen Bahnen – der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten Oberfläche – wird erreicht, dass die gewickelte Knotenverbindung auf einer gekrümmten Oberfläche eine optimale Steifigkeit aufweist. Eine Abweichung von dieser Bahn führt zu einem Abrutschen des Gewebebandes und dem Verlust ihrer vorher eingestellten Zugspannung, was zu einer reduzierten Steifigkeit führt. Vorzugsweise verläuft die Knotenverbindung über Spannungszonen des Fügebereichs der beiden Bauteile, die bei einer Lasteinwirkung auf eine Fügestelle zwischen den beiden Bauteilen einer erhöhten Spannung ausgesetzt sind. Die Bestimmung dieser Zonen erhöhter Spannung kann beispielsweise durch eine Simulation verschiedener Lastfälle, insbesondere mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode, erfolgen.
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Die beiden Bauteile sind vorzugsweise so formschlüssig miteinander verbunden, dass eines der beiden Bauteile eine Fügestelle in einem Profilend- oder Profilmittenbereich zur Verbindung mit dem jeweils anderen der beiden Bauteile aufweist. Die Fügestelle kann auf verschiedene Art und Weise, beispielsweise durch Umformen oder durch sonstige materialbearbeitende Verfahren hergestellt sein. Entscheidend ist, dass die Fügestelle einen Formschluss im Fügebereich der beiden Bauteile ermöglicht. Dieser kann beispielsweise durch Aufweiten oder Ausfräsen eines Endbereichs eines Bauteils derart erfolgen, dass der aufgeweitete oder gefräste Teil an das Profil des jeweils anderen Bauteils angepasst wird. In dem Überlappungsbereich, d. h. in dem Berührungsbereich der beiden Bauteile gilt es dann, die Wickelpfade entlang geodätischer Bahnen anzuordnen. Zusätzlich zu der gewickelten Knotenverbindung kann vorgesehen sein, dass zur vorläufigen Positionierung der beiden Bauteile zueinander zunächst eine Klebeverbindung an der Fügestelle vorgesehen ist, welche die Handhabung der Bauteile erleichtert.
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Vorzugsweise ist zumindest eines der beiden Bauteile als leichtes Tragwerk ausgebildet und umfasst folglich ein Verstärkungsfasermaterial und eine Kunststoff-Matrix, insbesondere Kohle-, Aramid- oder Glasfasern und ein duromeres System, insbesondere ein Harzsystem. Zumindest eines der beiden Bauteile kann ein zumindest teilweise gekrümmtes Profil, insbesondere ein Rohrprofil aufweisen. Weiterhin handelt es sich bei dem Gewebeband vorteilhafterweise um ein Faserbündel, d. h. um ein so genanntes Roving, bei dem es sich um ein Glas-, Aramid- oder Kohlefaserbündel handeln kann. Die beiden Bauteile können Teil eines geschlossenen Rahmens sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Gewebeband mit einem duromeren System, insbesondere mit Harz getränkt ist, so dass die gewickelte Knotenverbindung letztendlich aus einem Faserverbund-Kunststoff ausgebildet sein kann.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile in einem Fügebereich durch Herstellen einer gewickelten Knotenverbindung vorgeschlagen. Das Verfahren zeichnet sich durch ein automatisiertes Wickeln eines Gewebebandes im Fügebereich entlang von Wickelpfaden um die Bauteile herum aus, wobei die Wickelpfade im Wesentlichen auf geodätischen Bahnen verlaufen können.
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Dadurch, dass das Gewebeband in automatisierter Weise entlang von Wickelpfaden um die Bauteile herumgeführt wird, die vorzugsweise auf geodätischen Bahnen auf einer gekrümmten Oberfläche der Bauteile verlaufen, ist eine besonders feste und optimale Herstellung einer gewickelten Knotenverbindung gewährleistet. Die Knotenverbindung ist darüber hinaus an verschiedene Anwendungsfälle individuell anpassbar.
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Das Verfahren kann darüber hinaus den weiteren Schritt des Herstellens einer Fügestelle an mindestens einem der beiden Bauteile zum Verbinden der beiden Bauteile in dem Fügebereich aufweisen. Das Herstellen einer Fügestelle wird dabei vor dem Wickeln des Gewebebandes um die Bauteile herum bewerkstelligt. Die Fügestelle kann an einem Profilende oder einer Profilmitte des jeweiligen Bauteils angeordnet sein und vorzugsweise so hergestellt sein, dass ein Formschluss an einem Bereich des jeweils anderen Bauteils erzeugt wird. Durch die Fügestelle wird somit ein Formschluss zwischen den beiden Bauteilen derart erzeugt, dass die Bauteile sich in Überlappungsbereichen berühren, die es zu umwickeln gilt. Vor dem Wickeln kann eine provisorische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen im Bereich der Fügestelle hergestellt sein, die insbesondere durch Kleben im Bereich der Fügestelle realisierbar ist.
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Um die Festigkeit der entstehenden gewickelten Knotenverbindung zu erhöhen, kann das Gewebeband vor dem Wickeln mit einer Flüssigkeit getränkt werden, insbesondere mit einem duromeren System, beispielsweise aus Harz. Nach dem Wickeln des Gewebebandes in dem Fügebereich der beiden Bauteile kann das Gewebeband ausgehärtet werden, insbesondere durch eine Wärmeeinwirkung auf das Gewebeband.
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Zur automatisierten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise eine Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen sein, die mit einer Steuerung zusammenwirkt, welche die auszuführenden Wickelpfade enthält. Die individuellen optimalen Wickelpfade, die je nach Bauteilart und Anwendungsfall unterschiedlich sein können, werden zum Beispiel durch ein computergestütztes System simuliert, insbesondere indem Spannungszonen des Fügebereichs bei unterschiedlichen Lasteinwirkungen auf die Fügestelle zwischen den beiden Bauteilen ermittelt werden, die im Falle einer Lasteinwirkung einer erhöhten Spannung ausgesetzt sind. In Abhängigkeit von den ermittelten Spannungszonen können dann die Wickelpfade an die Steuerung übergeben und das Gewebeband entsprechend dieser Wickelpfade um die beiden Bauteile herum gewickelt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung zum automatisierten Verbinden zweier Bauteile gemäß der Erfindung;
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2 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum automatisierten Verbinden zweier Bauteile gemäß der Erfindung;
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3a eine schematische Seitendarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Wickelposition;
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3b eine schematische Seitendarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten Wickelposition;
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3c eine schematische Seitendarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer dritten Wickelposition;
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3d eine schematische Seitendarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer vierten Wickelposition;
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4a eine schematische Darstellung der Lastpfade bei Ausüben einer Zugkraft auf die Verbindung zwischen zwei Bauteilen;
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4b eine schematische Darstellung der Lastpfade bei Ausüben einer Biegekraft auf die Verbindung zwischen zwei Bauteilen;
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4c eine schematische Darstellung der Lastpfade bei Ausüben einer Schubkraft auf die Verbindung zwischen zwei Bauteilen;
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4d eine schematische Darstellung der Bestimmung des optimalen Wickelwinkels;
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5 CAD-Darstellung eines Wickelpfades in einem Fügebereich zweier Bauteile;
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6 eine perspektivische Detaildarstellung der Gewebeband-Vorratsspule, der Spanneinheit und der Imprägniereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7 eine vergrößerte Detaildarstellung der Imprägniereinheit gemäß 6;
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8 eine noch weiter vergrößerte Detaildarstellung der Imprägniereinheit gemäß der Erfindung, und
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9 eine Abbildung einer fertig gewickelten Knotenverbindung zwischen zwei Bauteilen.
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Die 1 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung 1 zum automatisierten Verbinden zweier im Wirkbereich 2 der Vorrichtung 1 befindlichen Bauteile, die in der 1 nicht dargestellt sind. Die Vorrichtung 1 umfasst eine rotierende Wickeleinrichtung, die bei der in 1 gezeigten Ausführungsform als kreissegmentartiger Rotor 3 ausgebildet ist. Der Rotor 3 ist also im Wesentlichen C-förmig ausgebildet und umfasst folglich ein Kreissegment 3a und eine radiale Öffnung 3b, die jeweils einen Kreisbogen beschreiben. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse RA innerhalb eines Stators 5 drehbar gelagert. Im Betrieb der Vorrichtung 1 befindet sich etwa im Bereich der Rotationsachse RA ein Fügebereich zweier zu verbindender Bauteile.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist der Stator 5, wie der Rotor, kreissegmentartig ausgebildet und weist folglich ebenfalls eine C-förmige Ausgestaltung mit einem Kreissegment 5a und einer radialen Öffnung 5b auf, die jeweils einen Kreisbogen beschreiben. Der Rotor 3 ist also konzentrisch zu dem Stator 5 angeordnet und erfüllt die Funktion eines Schlittens, der innerhalb des Stators 5 in einer Rotationsrichtung RR drehbar gelagert ist. Hierzu weist der Stator 5 an seiner Innenseite, d. h. an seiner der Rotationsachse RA zugewandten Seite ein geeignetes Lager auf. Zur Erzeugung einer Drehbewegung des Rotors 3 relativ zu dem Stator 5 sind geeignete Antriebsmittel vorgesehen. Diese können beispielsweise elektrisch bzw. magnetisch, insbesondere nach Art eines Linearmotors oder auch mechanisch über Zahnräder, Rollen, Ketten oder dergleichen Antriebsmechanismen ausgebildet sein.
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Wie in der 2 besonders gut erkennbar ist, kann der Stator 5 an einem Roboter 7 angebracht sein. Der Roboter kann über eine in den Figuren nicht gezeigte Steuerung verfügen, mittels derer nicht nur die Drehgeschwindigkeit des Rotors 3 gesteuert und/oder geregelt werden kann, sondern die darüber hinaus eine Verlagerung des Stators 5 in alle Raumrichtungen bewirken und damit optimal in einen beliebigen Produktionsprozess integriert werden kann. Der Roboter 7 kann mittels der Steuerung auch die Winkellage des Stators 5 bezüglich von Bauteilen verändern, die im Wirkbereich 2 der Vorrichtung 1 angeordnet sind. Eine Bewegung des Stators 5 ist damit in Richtung des Pfeils 9 beispielsweise durch eine Drehbeweglichkeit um eine Drehachse D oder durch eine Schwenkbewegung des Roboterarms möglich. Auch ist es denkbar, dass der Stator 5 zumindest in gewissen Grenzen in Richtung des Pfeils 11, d. h. also in Richtung der Rotationsrichtung RR, beweglich gelagert ist. Mittels der Steuerung kann auch der Rotor 3 in eine Drehbewegung um die Rotationsachse RA versetzt und die Geschwindigkeit des Rotors 3 gesteuert bzw. geregelt werden.
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Zur automatisierten Verbindung zweier Bauteile in einem Fügebereich weist die Vorrichtung 1 eine in 1 erkennbare Gewebeband-Vorratsspule 13 auf, auf der ein Gewebeband 23 (in der 1 nicht dargestellt), insbesondere ein so genanntes Roving, bei dem es sich beispielsweise um ein Glas-, Aramid- oder Kohlefaserbündel handeln kann, aufgewickelt ist. Weiterhin ist eine Spanneinheit 15 vorgesehen, die zum Spannen und Abbremsen des auf der Gewebeband-Vorratsspule 13 aufgewickelten Gewebebandes 23 dient. Mit der Spanneinheit 15 können die Faserspannung einer gewickelten Knotenverbindung eingestellt und ruckartige Zugkräfte auf das Gewebeband abgefedert werden, so dass ein Reißen des Gewebebandes vermieden wird. Der Rotor 3 umfasst außerdem eine Imprägniereinheit 17 zum Tränken des Gewebebandes mit einer Flüssigkeit. Bei dieser Imprägnierflüssigkeit kann es sich beispielsweise um ein Harzsystem handeln. Schließlich ist noch eine Führungseinheit 19 vorgesehen, die zum Führen des Gewebebandes entlang von Wickelpfaden auf den Bauteilen ausgebildet ist und in Umfangsrichtung des Rotors 3 gesehen an einem Ende des Kreissegments 3a nahe der Öffnung 3b angeordnet ist. Die Führungseinheit 19 kann eine oder mehrere Führungsrollen und/oder Ringfadenaugen aufweisen. In der 1 ist noch eine zusätzliche Führungsrolle 21 erkennbar, die zur Überführung des Gewebebandes von der Imprägniereinheit 17 zur Führungseinheit 19 dient.
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Die Vorrichtung 1 kann über zusätzliche Einrichtungen, insbesondere Sicherheitseinrichtungen wie Sensoren oder eine Wärmequelle zur Fertigstellung der gewickelten Knotenverbindung aufweisen, die in der 1 jedoch nicht dargestellt sind.
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Die Gewebeband-Vorratsspule 13, die Spanneinheit 15, die Imprägniereinheit 17 und die Führungsrolle 19 sind an der Innenseite des Rotors 3, d. h. an der der Rotationsachse RA zugewandten Seite und in der vorgenannten Reihenfolge hintereinander in der Rotationsrichtung RR angeordnet.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Imprägniereinheit 17 nicht notwendigerweise vorhanden ist. Vielmehr ist es auch möglich, die Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Trockenwickelverfahrens auszubilden, bei welchem das Gewebeband ohne vorherige Imprägnierung auf den Wickelkern, vorliegend also auf den Fügebereich zweier Bauteile gewickelt und erst anschließend mit einem duromeren Material, insbesondere mit einem Harz, versehen, insbesondere besprüht und somit imprägniert wird.
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Die Gewebeband-Vorratsspule 13 kann eine Spule mit Innenabzug oder mit Außenabzug sein. Durch das Eintauchen des Gewebebandes in die Imprägniereinheit 17 wird das Gewebeband mit Harz überzogen. Das Gewebeband kann anschließend durch einen Imprägnierflüssigkeitabstreifer geleitet werden, um das Gewebeband von überschüssiger Flüssigkeit zu befreien.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren werden nun anhand der 3a bis 3d näher erläutert. Die 3a zeigt eine schematische Seitendarstellung der Vorrichtung 1 in einer ersten Wickelposition des Rotors 3. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung zu den vorhergehenden Figuren verwiesen wird.
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In der in 3a gezeigten Position des Rotors 3, in welcher die Öffnung 3b des Rotors 3 mit der Öffnung 5b des Stators 5 fluchtet, lassen sich Bauteile 25 und 27 im Wirkbereich 2 der Vorrichtung 1 positionieren und werden auf diese Weise von dem Rotor 3 umgeben. Wenn sich die beiden Öffnungen 5b und 3b also überlappen, kann die Vorrichtung 1 in eine geschlossene Rahmenstruktur eingreifen oder wieder aus einer solchen entfernt werden. Vor der Positionierung in der Vorrichtung 1 müssen die beiden Bauteile bereits in geeigneter Weise miteinander in der korrekten Verbindungsposition gehalten werden, indem sie beispielsweise miteinander verklebt oder gesteckt werden.
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Wie in der 3a erkennbar ist, wird ein Gewebeband 23 ausgehend von der Gewebeband-Vorratsspule 13, durch die Spanneinheit 15, die Imprägniereinheit 17, die Führungsrolle 21 und die Führungseinheit 19 geführt. Von der Führungseinheit 19 aus erstreckt sich das Gewebeband 23 zu zwei Bauteilen 25 und 27, die im Wirkbereich 2 der Vorrichtung 1 angeordnet sind. Zur besseren Handhabung der Bauteile sind diese an der Fügestelle vorzugsweise bereits verklebt oder gesteckt. Das Gewebeband 23 wird auf den Bauteilen im Fügebereich 29 abgelegt. Da das Gewebeband 23 mit der Imprägnierflüssigkeit getränkt ist, haftet es auf den Bauteilen.
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Das Gewebeband 23 wird nun ausgehend von der in 3a gezeigten Position um die Bauteile 25 und 27 im Fügebereich 29 herumgewickelt. Hierzu dreht sich der Rotor 3 in Richtung der Rotationsrichtung RR um die Rotationsachse RA und damit um die Bauteile 25 und 27 herum. Dadurch rotieren die an der Innenseite des Rotors befestigten Elemente um die Rotationsachse RA. Durch die Rotation wird das Gewebeband 23 von der Gewebeband-Vorratsspule 13 abgewickelt und durch das Imprägnierbad 17 gezogen. In den 3c und 3d wird der Rotor 3 noch weiter in der Rotationsrichtung RR verdreht, so dass nach einer vollständigen Umdrehung des Rotors 3 das Gewebeband 23 entlang eines vorgegebenen Wickelpfades einmal um die Bauteile 25 und 27 herumgewickelt wurde.
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Die in den 3a bis 3d gezeigte Vorgehensweise wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Wicklungen um die Bauteile 25 und 27 herum gewickelt ist bzw. bis das auf der Gewebeband-Vorratsspule 13 aufgewickelte Gewebeband 23 verbraucht ist. Zur Realisierung von unterschiedlichen Wickelpfaden wird der Stator während des Wickelprozesses bezüglich der Bauteile verlagert. Die Zahl der Wicklungen, die Wickelpfade und die Ausmaße des Wickelbereichs können in Abhängigkeit von dem zu wickelnden Fügebereich und der zu erreichenden Steifigkeit und Festigkeit der gewickelten Knotenverbindung variieren. Die Wickelpfade und die Dimensionierung (der Winkelbereich) des gewickelten Knotens werden maßgeblich bestimmt durch die Führung des Gewebebandes 23 in dem Rotor 3 und die Positionierung des Stators 5 relativ zu den Bauteilen 25 und 27. Die Bauteile 25 und 27 werden vorzugsweise durch eine externe Vorrichtung gehalten, die Teil eines Produktionsprozesses einer Rahmenstruktur oder dergleichen sein kann. Die Vorrichtung 1 kann dann insbesondere mit Hilfe des Roboters 7 in den laufenden Produktionsprozess eingreifen.
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Rein beispielhaft wird die Erfindung vorliegend anhand zweier zu verbindender Bauteile 25 und 27 erläutert, die, wie in der 5 dargestellt, T-förmig miteinander verbunden und als Rundprofile, insbesondere als Rohrprofile ausgebildet sind. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch auf Fügebereiche zwischen mehr als zwei Bauteilen anwenden. Die 5 macht deutlich, dass das Bauteil 25 senkrecht auf das andere Bauteil 27 steht und an seinem dem Bauteil 27 zugewandten Ende eine Fügestelle 28 aufweist, die zur Bildung eines Formschlusses mit dem Bauteil 27 an die Form des Mittenbereichs des Bauteils 27 angepasst ist. Hierzu kann das Ende eines herkömmlichen Bauteils 25 entsprechend umgeformt sein oder speziell für den jeweiligen Verbindungsfall individuell angepasst, beispielsweise im Spritzgussverfahren, hergestellt werden. Beispielsweise kann das Ende des Bauteils 25 an einem Ende derart ausgefräst sein, dass es sich auf das andere Bauteil 27 aufstecken lässt. Entscheidend ist, dass die Fügestelle, d. h. der Berührungsbereich zwischen den Bauteilen 25 und 27 einen geeigneten Überlappungsbereich schafft, der eine Umwickelung der beiden Bauteile 25 und 27 entlang von Wickelpfaden 26 ermöglicht, um in einem Fügebereich 29 eine in 5 schematisch dargestellte gewickelte Knotenverbindung 30 zu schaffen. Als Fügebereich 29 wird vorliegend der Bereich der Fügestelle 28 und ein sich darüber hinaus erstreckender Bereich verstanden, in dem die Wickelpfade 26 verlaufen können. Es handelt sich somit um einen Bereich in der näheren Umgebung der Verbindungsstelle der beiden Bauteile 25 und 26.
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Eine fertig gewickelte Knotenverbindung 30 ist in der 9 gezeigt. Gut erkennbar ist dort, dass das Gewebeband 23 in mehreren Lagen im Fügebereich 29 entlang der in 5 gezeigten Wickelpfade 26 verläuft.
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Die 5 macht noch deutlich, dass die Wickelpfade 26 symmetrisch bezüglich der Fügestelle 28 bzw. bezüglich des Fügebereichs 29 verlaufen. Je nach Anwendungsfall und Bauteilart können die Wickelpfade und damit die gewickelte Knotenverbindung 30 jedoch auch unsymmetrisch angeordnet sein. Darüber hinaus wird deutlich, dass sich die Wickelpfade 26 an der Fügestelle 28 überlappen. Durch diese Überschneidungen kann eine besonders steife Verbindung im Bereich der Fügestelle 28 geschaffen werden. In der Vorrichtung 1 wird während eines Wickelprozesses zunächst ein erster Bereich rechts oder links des in 5 gezeigten Bauteils 25 gewickelt. Anschließend wird der Stator 5 derart bezüglich der Bauteile verschwenkt, dass der Bereich auf der jeweils anderen Seite gewickelt werden kann.
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Insgesamt erzeugt die Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung eine gewickelte Knotenverbindung 30 im Fügebereich 29 zweier Bauteile 25 und 27, indem das Gewebeband 23 von der Gewebeband-Vorratsspule 13 durch die Rotation abgezogen wird, durch die Spanneinheit 15 in Verbindung mit einer Bremse auf Spannung gebracht wird, im Imprägnierbad in der Imprägniereinheit 17 mit Harz = Imprägnierflüssigkeit 41 imprägniert und schließlich um die zu verbindenden Bauteile 25 und 27 gewickelt wird. Um den Wickelbereich zu bestimmen, d. h. die Dimensionierung der gewickelten Knotenverbindung 30, wird vor dem Wickelvorgang vorzugsweise die optimale Gewebebandlage auf den Bauteilen bestimmt. Diese optimale Gewebebandlage unterliegt Beschränkungen durch die Bauteilgestalt, Designvorgaben und der Kinematik der Wickelbewegung, wobei Kollisionen zwischen dem Rotor/Stator und den Bauteilen verhindert werden müssen. Die Wickelpfade 26 des Gewebebandes 23 werden daher vorzugsweise für jeden Fügebereich 29 individuell bestimmt und die Vorrichtung 1 aufgrund der berechneten Wickelpfade entsprechend gesteuert.
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Um jeden Fügebereich 29 zweier oder mehrerer Bauteile optimal an ihren jeweiligen Lastfall anzupassen, werden die Lastpfade in dem individuellen Fügebereich identifiziert. Hierbei wird der jeweilige Fügebereich durch eine Finite-Elemente-Simulation dargestellt und die Lastpfade in den Bauteilen für verschiedene Lastfälle bestimmt. Die 4a, 4b und 4c zeigen jeweils die simulierten Lastpfade desselben Fügebereichs der beiden T-förmig verbundenen Bauteile 25 und 27 für verschiedene Lastfälle. So ist in der 4a z. B. eine Beanspruchung des Fügebereichs auf Zug in Richtung des Pfeils 31 dargestellt. Mit Hilfe der Simulation können dann Bereiche maximaler Spannung bestimmt werden, wie in den 4a bis 4c gezeigt ist. Bereiche, in denen eine niedrigere Spannung im jeweiligen Lastfall zu verzeichnen ist, werden aus der Darstellung entfernt und es verbleiben die Zonen maximaler Spannung, im Folgenden als Spannungszonen 37 bezeichnet, nämlich die mit Dreiecken versehenen Oberflächen.
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In der 4b sind die resultierenden Lastpfade in einem Lastfall gezeigt, bei dem das Bauteil 25 entlang des Pfeils 33 gebogen wird. In der 4c hingegen wird eine Schubkraft in Richtung des Pfeils 35 auf das Bauteil 25 ausgeübt. Wie in der 4d beispielhaft anhand des Lastfalls gemäß 4b (Biegung) gezeigt ist, kann anhand der Spannungszonen 37 der Wickelwinkel α bestimmt werden. Dadurch kann der Bereich bestimmt werden, den das Gewebeband 23 im Fügebereich 29 bedecken muss, um eine optimale Fügung zwischen dem Bauteil 25 und dem Bauteil 27 durch die gewickelte Knotenverbindung 30 zu erzeugen.
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Anschließend werden die Wickelpfade 26 des Gewebebandes 23 mittels eines computergestützten Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit von den identifizierten Lastpfaden bestimmt. Die Wickelpfade 26 werden im Bereich der Lastpfade so bestimmt, dass sie annähernd entlang geodätischer Bahnen – der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten Oberfläche – auf der gekrümmten Oberfläche der Bauteile 23 und 25 verlaufen. Die Wickelbahnen 26 können beispielsweise mittels einer CAD generierten 3D-Darstellung gemäß 5 wiedergegeben werden. Die resultierenden Wickelpfade 26 werden in eine Robotersteuerung überführt, die dann die Wickelparameter, insbesondere die Position des Stators 5 und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 sowie die Spannung des Gewebebandes 23 derart steuert, dass die für ein entsprechendes Bauteil optimierte gewickelte Knotenverbindung im Fügebereich zweier Bauteile entsteht. Um die vorbestimmten Wickelpfade 26, die wie gesagt je nach Anwendungsfall unterschiedlich sein können, durch die Vorrichtung 1 umsetzen zu können, ist, wie eingangs erläutert wurde, eine Bewegung des Stators 5 relativ zu dem Fügebereich 29 notwendig.
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Die 6 zeigt noch eine detaillierte perspektivische Darstellung des in dem Stator 5 gelagerten Rotors 3. Gut erkennbar ist in der 6 die in der Rotationsrichtung RR hintereinander angeordnete Gewebeband-Vorratsspule 13, die Spanneinheit 15 und die Imprägniereinheit 17.
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Die Imprägniereinheit 17 ist in der 7 und in der 8 vergrößert dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Imprägniereinheit 17 einen Behälter 39 zur Aufnahme der Imprägnierflüssigkeit 41, die insbesondere aus Harz gebildet ist, aufweist. Im Bereich der Imprägniereinheit 17 wird das Gewebeband 23 im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse RA des Rotors 3 geführt.
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Wie die 7 und 8 besonders deutlich machen, wird dies im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Umlenkung des Gewebebands 23 derart bewerkstelligt, dass das Gewebeband 23 zwischen dem Boden des Behälters 39 und zwei vorzugsweise zylindrischen und insbesondere identisch ausgebildeten Umlenkelementen geführt wird. Die Umlenkelemente sind vorzugsweise parallel angeordnet und vorliegend rein beispielhaft als zylindrische Bolzen 43a und 43b ausgebildet. Durch die Umlenkelemente wird das Gewebeband 23 in der Imprägniereinheit 17 in einer Rotationsachsenrichtung RA geführt. Hierzu wird das von der Spanneinheit 15 kommende Gewebeband 23 von einer ersten Führungsrolle F1 zunächst zu einem ersten Umlenkelement 43a geführt und durch dieses um 90° von der Rotationsrichtung RR in die Rotationsachsenrichtung RA umgelenkt. Ausgehend von dem ersten Umlenkelement 43a wird das Gewebeband 23 durch das Imprägnierbad zu dem zweiten Umlenkelement 43b geführt, wo es wiederum um 90° umgelenkt wird und zu einer zweiten Führungsrolle F2 geleitet wird. Die zweite Führungsrolle F2 ist dabei, bezogen auf die Rotationsrichtung RR, auf derselben Seite wie die erste Führungsrolle F1 der Imprägniereinheit 17 angeordnet. Ausgehend von der zweiten Führungsrolle F2 wird das Gewebeband 23 zu einer auf der gegenüberliegenden Seite der Imprägniereinheit 17 angeordneten dritten Führungsrolle F3 geführt. Die Umlenkelemente 43a und 43b ragen bei der in 7 und 8 gezeigten Ausführungsform zumindest bereichsweise in den Behälter 39 und die darin befindliche Imprägnierflüssigkeit 41 hinein.
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Die Längsachse L der Umlenkelemente 43a, 43b kann im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachsenrichtung RA ausgerichtet sein und kann darüber hinaus im Wesentlichen tangential zu der Rotationsrichtung RR bzw. zu der durch den Rotor 3 beschriebenen Kreisbahn angeordnet sein. Auf diese Weise baut die Imprägniereinheit 17 besonders kompakt.
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Insgesamt zeigt sich somit, dass die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise zerstörungsfrei eine gewickelte Knotenverbindung mit einer sehr hohen Festigkeit und Steifigkeit erzeugen kann. Die Erfindung lässt sich dabei auch auf geschlossene Rahmenstrukturen, wie beispielsweise einen PKW-Rahmen anwenden. Weiterhin können die Wickelparameter so eingestellt werden, dass eine individuell angepasste und folglich optimal gewickelte Knotenverbindung herstellbar ist. Dies ist besonders bei FVK-Bauteilen vorteilhaft, da sie jegliche Zerstörung der Fasern und damit Schwachstellen des Fügebereichs vermeidet. Durch die Variation der Wickelparameter, insbesondere die Lage der Wickelpfade und die Spannung des Gewebebandes ist die gewickelte Knotenverbindung darüber hinaus an verschiedene Fügebereiche verschiedener Bauteile hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Festigkeit anpassbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Wirkbereich
- 3
- Rotor
- 3a
- Kreissegment
- 3b
- Öffnung
- 5
- Stator
- 5a
- Kreissegment
- 5b
- Öffnung
- 7
- Roboter
- 9
- Pfeil
- 11
- Pfeil
- 13
- Gewebeband-Vorratsspule
- 15
- Spanneinheit
- 17
- Imprägniereinheit
- 19
- Führungseinheit
- 21
- Führungsrolle
- 23
- Gewebeband
- 25
- Bauteil
- 26
- Wickelpfad
- 27
- Bauteil
- 28
- Fügestelle
- 29
- Fügebereich
- 30
- gewickelte Knotenverbindung
- 31
- Pfeil
- 33
- Pfeil
- 35
- Pfeil
- 37
- Spannungszone
- 39
- Behälter
- 41
- Imprägnierflüssigkeit
- 43a
- erstes Umlenkelement
- 43b
- zweites Umlenkelement
- RA
- Rotationsachse
- RR
- Rotationsrichtung
- D
- Drehachse
- α
- Wickelwinkel
- L
- Längsachse
- F1
- erste Führungsrolle
- F2
- zweite Führungsrolle
- F3
- dritte Führungsrolle
