DE102015214076B3

DE102015214076B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen

Info

Publication number: DE102015214076B3
Application number: DE102015214076.8A
Authority: DE
Inventors: Gregor Daun; Ingo Windeler; Jan Wucherpfennig
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2035-07-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen umfassend eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes (9) durch die Vorrichtung, mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Faserspule (1), die einen Spulenkern aufweist, um den eine Faser (5) gewickelt ist, wobei die Faser dazu vorgesehen ist, auf der Oberfläche des Werkstücks (9) abgelegt zu werden, und mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung (7), die die von der Faserspule (1) abgewickelte Faser (5) auf das Werkstück (9) lenkt, wobei der Spulenkern der Faserspule (1) eine Durchgangsbohrung aufweist, durch die das Werkstück (9) geführt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strangwickelanlage, die mehrere der genannten Vorrichtungen umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen in einer solchen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen umfassend eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes durch die Vorrichtung, mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Faserspule, die einen Spulenkern aufweist, um den eine Faser gewickelt ist, wobei die Faser dazu vorgesehen ist, auf der Oberfläche des Werkstücks abgelegt zu werden, und mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung, die die von der Faserspule abgewickelte Faser auf das Werkstück lenkt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strangwickelanlage, die mehrere der genannten Vorrichtungen umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen in einer solchen Vorrichtung.
Faserverstärkte Werkstoffe (Faserverbundwerkstoffe) enthalten als wesentliche Komponenten Fasern als Verstärkungsmaterial und ein Matrixsystem, in das die Fasern eingebettet sind. Typischerweise basieren die Fasern auf Glas, Kohlenstoff, Aramid oder Nylon. Als Matrixsysteme kommen meist duroplastische Polymere, beispielsweise Polyesterharze, Vinylesterharze oder Epoxidharze, oder thermoplastische Polymere wie Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene zum Einsatz.
Zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim typischen Strangziehverfahren (Pultrusionsverfahren) werden die Fasern von Spulen abgerollt, mit dem Matrixsystem getränkt oder anderweitig benetzt, in die gewünschte Profilform gebracht und ausgehärtet. Dabei können die Fasern selbst die Profilform bilden oder sie können auf einen Grundkörper aufgebracht werden. Das Verfahren wird üblicherweise kontinuierlich durchgeführt, indem das durch die getränkten Fasern gebildete Werkstück kontinuierlich durch die Anlage gezogen wird.
Beim sogenannten Filament Winding-Verfahren werden die Fasern ebenfalls von Spulen abgerollt und mit dem Matrixsystem getränkt oder anderweitig benetzt. Hierbei handelt es sich allerdings um ein diskontinuierliches Verfahren, bei dem ein zu ummantelnder Kern oder Grundkörper rotiert und die Fasern durch eine axiale Hin- und Herbewegung solange auf das Werkstück geführt und auf dieses aufgewickelt werden, bis die gewünschte Dicke der Faser-Kunststoff-Schicht erreicht ist.
Das Pullwinding-Verfahren stellt eine Kombination des Strangziehens und Filament Winding dar. Ein strangförmiges Werkstück wird durch die Anlage gezogen, während Faserspulen um das Werkstück rotieren, die Fasern getränkt oder benetzt werden und die benetzten Fasern auf dem Werkstück abgelegt werden (z. B. DE 10 2012 018 804 A1 , DE 10 2011 100 546 A1 , DE 10 2011 018 420 A1 ). Dabei kann die Benetzung auch erst auf dem Werkstück stattfinden. Das strangförmige Werkstück kann ein vorgeformter Grundkörper sein, beispielsweise ein Rohr, es kann aber auch durch Fasern gebildet werden, die in einer ersten Stufe z. B. im Strangziehverfahren in eine Profilform gebracht werden.
Je nach herzustellendem Strangprofil ist das Pullwinding-Verfahren besonders wirtschaftlich, da es die kontinuierliche Fertigung des Strangziehens mit der Flexibilität des Filament Winding, insbesondere im Hinblick auf die Anzahl und Orientierung der einzelnen Lagen an Fasern, verbindet. Nachteilig an diesem Verfahren ist allerdings, dass durch die Rotation der Faserspulen, die üblicherweise auf Karussellen angebracht sind, im Betrieb hohe Fliehkräfte entstehen. Dies führt zu hohen mechanischen Belastungen und Verschleiß der Anlage sowie zu Sicherheitsproblemen hinsichtlich des Schutzes der Anlagenbediener vor sich eventuell lösenden Spulen. In der Praxis wird diesem Problem begegnet, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Karussells oder die Anzahl und Größe der Faserspulen auf dem Karussell begrenzt werden. Beide Maßnahmen bedeuten eine Beschränkung der Herstellkapazität der Anlage.
Es stellte sich die Aufgabe, bekannte Anlagen und Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen dahingehend weiterzubilden, dass die konzeptionell bedingte Herstellkapazität erhöht wird, ohne Kompromisse im Hinblick auf die Anlagensicherheit eingehen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen gemäß Anspruch 1, eine Strangwickelanlage gemäß Anspruch 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6, 8 und 9 angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen umfasst eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes durch die Vorrichtung, mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Faserspule, die einen Spulenkern aufweist, um den eine Faser gewickelt ist, wobei die Faser dazu vorgesehen ist, auf der Oberfläche des Werkstücks abgelegt zu werden, und mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung, die die von der Faserspule abgewickelte Faser auf das Werkstück lenkt. Erfindungsgemäß weist der Spulenkern der Faserspule eine Durchgangsbohrung auf, durch die das Werkstück geführt ist.
Als „Strangprofil” wird hier und im Folgenden das fertig umwickelte Werkstück bezeichnet, währen der Begriff „Werkstück” in allen Stadien des Durchlaufens der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Das Werkstück kann vorab auf eine bestimmte Länge zugeschnitten sein, es kann aber auch als Schlauchware in zunächst unbestimmter Länge der Vorrichtung zugeführt werden. Das Querschnittsprofil des Werkstücks kann über seine Länge konstant oder variabel sein. Beschränkt ist das Querschnittsprofil lediglich dadurch, dass seine größte Ausdehnung kleiner sein muss als der Querschnitt der Durchgangsbohrung des Spulenkerns der Faserspule. Das Werkstück kann hohl oder kompakt sein. Dabei kann es sich – wie oben zum Pullwinding-Verfahren beschrieben – um einen vorgeformten Grundkörper handeln oder um ein Gebilde aus Fasern, die in einer ersten Stufe in eine Profilform gebracht worden sind.
Als Strangachse wird die Achse bezeichnet, die sich dadurch ergibt, dass das Werkstück durch die Vorrichtung gezogen wird. Vorzugsweise wird das Werkstück innerhalb der Vorrichtung nicht umgelenkt, sodass sich pro Vorrichtung nur eine definierte Strangachse ergibt.
Ziehvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise Raupenabzug, Schrittgreifer, Geradeaus-Ziehmaschinen, Riemenscheiben oder Rollenziehanlagen.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens eine Faserspule, die einen Spulenkern aufweist, um den eine Faser gewickelt ist. Der Spulenkern weist eine Durchgangsbohrung auf, durch die das Werkstück geführt ist. Zur Abwicklung der Faser im Betrieb rotiert die Faserspule um das Werkstück. Im Vergleich zum Stand der Technik des Pullwinding-Verfahrens, bei dem die Faserspule auf einem Karussell angebracht ist, das seinerseits um das Werkstück rotiert, werden konstruktionsbedingt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Fliehkräfte und das Trägheitsmoment der Faserspule in Bezug auf die Strangachse deutlich reduziert.
Wenn im Folgenden von Eigenschaften der Faserspulen (im Plural) die Rede ist, sind damit ebenso Eigenschaften der mindestens einen Faserspule gemeint.
Die Faserspulen können unterschiedlich ausgestaltet sein, beispielsweise im Hinblick auf ihre Abmessungen und das Fassungsvermögen an Faser, die auf der Spule aufgewickelt ist. In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden schmale Faserspulen eingesetzt, bei denen das Verhältnis des maximalen Außendurchmessers zur axialen Breite der Faserspule größer als zwei ist.
Vorzugsweise ist die Durchgangsbohrung zentrisch im Spulenkern angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Faserspulen um die Strangachse erlaubt hinsichtlich der Anzahl an Faserspulen einen modularen und erweiterbaren Aufbau. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind mindestens zwei Faserspulen mit Durchgangsbohrungen entlang der Strangachse hintereinander angeordnet, und es ist eine Umlenkeinrichtung vorhanden, über die die von den jeweiligen Faserspulen abgewickelten Fasern zur Führungseinrichtung geführt sind.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die mindestens eine Faserspule oder mehrere Faserspulen auf einer antreibbaren Hohlwelle angeordnet, und das Werkstück ist durch die Hohlwelle geführt. Im Fall von mehreren Faserspulen dient die Hohlwelle als gemeinsame Lagerung der Faserspulen.
Vorzugsweise sind die einzelnen Faserspulen relativ zur Hohlwelle beweglich gelagert. Dies ermöglicht unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten der Faserspulen in Abhängigkeit des Durchmessers der noch vorhandenen Faserwicklung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Hohlwelle starr gelagert, und die Faserspulen sowie die Führungseinrichtung sind auf der Hohlwelle antreibbar gelagert.
Bevorzugt befindet sich innerhalb der Hohlwelle ein Schutzrohr, durch das das Werkstück geführt ist. Das Schutzrohr schirmt das Werkstück von den rotierenden Teilen der Vorrichtung ab und beugt dadurch möglichen Beeinträchtigungen des Werkstücks vor. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der das Schutzrohr an einem Ende starr befestigt ist, sodass es selbst keine Rotationsbewegung ausführen kann. Der Einsatz eines Schutzrohres ist sowohl bei einer Vorrichtung mit Hohlwelle wie bei einer Vorrichtung ohne Hohlwelle gleichermaßen vorteilhaft.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung, die die von der Faserspule abgewickelte Faser auf das Werkstück lenkt. Bei mehreren von der Faserspule oder den Faserspulen kommenden Fasern lenkt die Führungseinrichtung bevorzugt alle Fasern auf das Werkstück. Die Führungseinrichtung dient dazu, die Fasern in einem vorgegebenen Winkel auf dem Werkstück abzulegen. Dieser Winkel ist von mehreren Parametern abhängig, vorrangig von dem Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit, mit der das Werkstück durch die Vorrichtung gezogen wird, und der Winkelgeschwindigkeit, mit der die Führungseinrichtung um die Strangachse rotiert. Außerdem werden der Ablagepunkt und damit das Ablagemuster von dem Abstand zwischen der bereits anhaftenden Faser und dem letzten Berührungspunkt der Faser mit der Führungseinrichtung beeinflusst.
Die Führungseinrichtung kann unterschiedlich gestaltet sein und kann mehrere Einzelbauteile umfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung einen Ring, über den die Fasern geführt sind. Die Fasern können dabei lose über den Ring geführt sein. Der Ring kann in seiner Mantelfläche und/oder seiner Stirnfläche Bohrungen aufweisen, durch die die Fasern geführt sind. Diese Ausführung ist für manche Anwendungen bevorzugt, da im Vergleich zur losen Führung die Fasern auf bestimmte Austrittspunkte über den Ringumfang verteilt festgelegt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung mindestens zwei Ringe, deren Außendurchmesser unterschiedlich sind. Die Ringe können ineinander oder hintereinander angeordnet sein. Die Fasern werden derart über die mindestens zwei Ringe geführt, dass sich aufgrund der Reibung eine Faserspannung einstellt, was einer definierten Ablage der Fasern auf dem Werkstück und einem hohen Faservolumenanteil zuträglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Führungseinrichtung fest mit der Hohlwelle verbunden, sodass die Winkelgeschwindigkeit der Führungseinrichtung derjenigen der Hohlwelle entspricht.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eine weitere Faserspule in radialer Richtung hinter einer anderen Faserspule und relativ zu dieser drehbar angeordnet. Diese radiale Hintereinanderschaltung von Faserspulen erlaubt es, die Anzahl an zur Verfügung stehenden Fasern pro axialem Längenabschnitt zu erhöhen. Vorzugsweise sind alle derart hintereinander geschalteten Faserspulen konzentrisch zur Strangachse angeordnet.
In einer Fortbildung dieser Anordnung ist bevorzugt mindestens eine weitere Führungseinrichtung drehbar um die Strangachse angeordnet ist, die die von der weiteren Faserspule abgewickelte Faser auf das Werkstück lenkt. Die weitere Führungseinrichtung kann synchron mit der ersten Führungseinrichtung betrieben werden. Alternativ kann die weitere Führungseinrichtung auch asynchron zur ersten Führungseinrichtung betrieben werden, sowohl im Hinblick auf die Winkelgeschwindigkeit als auch die Drehrichtung. Dadurch lässt sich in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Mustern der Ablage der Fasern auf dem Werkstück realisieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der mindestens einen Faserspule und der Führungseinrichtung eine um die Strangachse drehbare Tränkeinrichtung angeordnet, die Mittel zur Führung der Fasern durch die Tränkeinrichtung und Mittel zur Benetzung der Fasern mit einer Flüssigkeit aufweist.
Tränkeinrichtungen zur Benetzung von Fasern sind aus den klassischen Pullwinding-Verfahren bekannt, beispielsweise durch Betropfen oder Besprühen der Fasern oder durch Benetzen der trockenen Fasern, indem sie auf ein bereits getränktes Werkstück aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Tränkeinrichtung mindestens ein um die Strangachse rotierendes Bauteil sowie mindestens ein ortsfest angeordnetes Bauteil. Besonders bevorzugt weist diese Tränkeinrichtung im Inneren eine Form auf, in der sich ein Tränkmittelfilm ausbilden kann, sodass eine definierte Benetzung der Fasern sichergestellt werden kann. Beispiele derartiger vorteilhafter Ausgestaltungen sind in 6 und 7 wiedergegeben.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Strangwickelanlage, bei der mindestens zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen modular hintereinander angeordnet sind, sodass ein aus der ersten Vorrichtung austretendes strangförmiges Werkstück durch die zweite Vorrichtung geführt wird. Es ist nicht erforderlich, dass jede Vorrichtung eine eigene Zieheinrichtung umfasst. Die Strangwickelanlage insgesamt weist aber mindestens eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes auf.
Je nach Anforderung an das fertige Strangprofil ist es erforderlich, unterschiedliche Faserarten oder Faserstärken in unterschiedlicher Orientierung und Lagenstärke auf das zu umwickelnde Werkstück aufzubringen. Gegebenenfalls ist auch der Einsatz verschiedener Tränkmittel erforderlich. Der modulare Aufbau der erfindungsgemäßen Strangwickelanlage ermöglicht es, diese Anforderungen zu erfüllen und mit wenigen Vorrichtungen eine Vielzahl an unterschiedlichen Strangprofilen herzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Strangwickelanlage sind aufeinander folgende Vorrichtungen derart eingerichtet, dass die Drehrichtung der jeweiligen Führungseinrichtungen und/oder das Verhältnis zwischen Winkelgeschwindigkeit und axialer Geschwindigkeit des Werkstücks unterschiedlich sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strangwickelanlage ist mindestens eine Umlenkvorrichtung zwischen zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen angeordnet, die das aus der ersten Vorrichtung austretende Werkstück umlenkt, sodass die Strangachse der zweiten Vorrichtung nicht parallel zur Strangachse der ersten Vorrichtung ist. Dadurch werden eine flexible Anordnung der einzelnen Vorrichtungen sowie eine optimale Ausnutzung des zu Verfügung stehenden Raumes ermöglicht.
In einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist die Vorrichtung als Modul in einem Gehäuse aufgenommen, beispielsweise in eine Rahmenkonstruktion. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung mehrerer Vorrichtungs-Module nebeneinander oder übereinander in Form eines stapelbaren Baukastensystems.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen, bei dem ein strangförmiges Werkstück mittels einer Zieheinrichtung durch eine Vorrichtung gezogen wird, mindestens eine Faser vom Spulenkern mindestens einer drehbar um die Strangachse angeordneten Faserspule abgewickelt wird und von der Faserspule kommend über mindestens eine drehbar um die Strangachse angeordnete Führungseinrichtung auf das Werkstück gelenkt und auf dem Werkstück abgelegt wird, wobei das Werkstück durch eine Durchgangsbohrung im Spulenkern der mindestens einen Faserspule geführt wird.
Üblicherweise umfasst ein faserverstärktes Strangprofil eine Vielzahl an Lagen von Fasern. Die Herstellung derartiger Strangprofile lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf mehrere Arten bewerkstelligen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das zu umwickelnde Werkstück durch mehrere hintereinandergeschaltete Vorrichtungen gezogen, wobei in jeder Vorrichtung mindestens eine Lage an Fasern aufgebracht wird. Dieses Verfahren wird als „kontinuierlich” bezeichnet und eignet sich insbesondere für sogenannte „Endlosware”, die erst als fertiges Strangprofil auf ein definiertes Maß abgelängt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein vorab auf eine bestimmte Länge begrenztes Werkstück mehrfach durch eine oder mehrere Vorrichtungen gezogen, um die Vielzahl an Lagen von Fasern aufzubringen. Dieses Verfahren wird als „diskontinuierlich” bezeichnet.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des diskontinuierlichen Verfahrens sind mindestens zwei Zieheinrichtungen vorhanden, um die Richtung, in die das Werkstück gezogen wird, möglichst schnell wechseln zu können. Weiterhin ist die Führungseinrichtung derart gestaltet, dass die von der mindestens einen Faserspule kommenden Fasern sowohl in die eine als auch in die andere Richtung auf dem Werkstück abgelegt werden können.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Pullwinding-Anlagen sind die Faserspulen bezüglich der Strangachse exzentrisch auf einem Karussell angeordnet. Je mehr Faserspulen vorhanden sind und je größer das Faser-Fassungsvermögen der einzelnen Faserspulen ist, umso größer sind die Zentrifugalkräfte, die im Betrieb auf die Anlage wirken. Wie eingangs erwähnt begrenzt dies die Herstellkapazität bekannter Anlagen. Im Gegensatz dazu werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zentrifugalkräfte, die auf die Faserspulen wirken, sowie das Massenträgheitsmoment der Faserspulen signifikant reduziert. Dadurch lassen sich die Herstellkapazität entsprechend steigern sowie die Masse der Anlage verringern.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Gefahr, die von den rotierenden Faserspulen nach dem Stand der Technik ausgeht, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden wird, da sich hier keine Faserspulen während der Rotation aus ihrer Halterung lösen können.
Weiterhin lässt sich die Anzahl der Spulen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur geringem Umbauaufwand den geforderten Gegebenheiten anpassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit deutlich flexibler einstellbar als bekannte Pullwinding-Anlagen, bei denen die Anzahl der Faserspulen aufgrund der Gestaltung des Karussells festgelegt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten.
Es zeigen:
1: Karussell mit Faserspulen gemäß Stand der Technik
2: Ansicht und Längsschnitt eines Karussells gemäß 1
3: Beispiele erfindungsgemäßer Anordnungen von Faserspulen
4: Beispiel einer einzelnen erfindungsgemäßen Faserspule
5: Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit vier Faserspulen
6: Varianten einer Tränkeinrichtung
7: Variante einer Tränkeinrichtung
8: Vergleich der Zentrifugalkräfte
9: Vergleich der Massenträgheitsmomente
Bezugszeichenliste

1: Faserspule
3: Karussell
5: Faser/Fasern
7: Führungseinrichtung
9: Werkstück
11: Faservorrat auf der Faserspule
13: Hohlwelle
15: Lagerbock
17: Durchführung
19: Rahmen für Faserspulen
21: Umlenkrollen/Umlenkungen
23: Grundkörper der Tränkeinrichtung
25: Zuleitung
27: Innenkörper der Tränkeinrichtung
29: Tränkrollen
31: Abstreifer

1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Anlage zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen nach dem Pullwinding-Verfahren gemäß dem Stand der Technik. In diesem Beispiel sind zehn Faserspulen 1 jeweils unabhängig voneinander drehbar auf der Stirnfläche eines Karussells 3 angeordnet. Die von den Spulen abgewickelten Fasern 5 werden über eine Führungseinrichtung 7 auf das zu umwickelnde Werkstück 9 gelenkt, das durch eine zentrale Öffnung im Karussell geführt ist. Das Werkstück 9 wird in dieser Darstellung von links nach rechts durch die Anlage gezogen, während das Karussell 3 in der dargestellten Pfeilrichtung angetrieben wird. Das Verhältnis zwischen der axialen Geschwindigkeit des Werkstücks und der Winkelgeschwindigkeit des Karussells bestimmt den Winkel, unter dem die Fasern auf dem Werkstück abgelegt werden. In 1 nicht dargestellt sind die Benetzung der Fasern, z. B. durch eine Tränkeinrichtung, sowie weitere Bestandteile der Anlage.
In 2 sind eine Draufsicht auf das Karussell sowie ein Längsschnitt dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine Faserspule abgebildet ist.
3 zeigt beispielhaft zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen. In beiden Fällen umfasst die Vorrichtung eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes 9 durch die Vorrichtung in der durch die Pfeile angezeigten Richtung. Die Zieheinrichtung selbst ist in 3 nicht dargestellt. Weiterhin umfassen beide Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesem Beispiel jeweils zehn Faserspulen 1, die um die Strangachse drehbar angeordnet sind. Im oben dargestellten Beispiel handelt es sich um schmale Faserspulen 1 mit großem Durchmesser, im unten dargestellten Beispiel um breite Faserspulen 1 mit kleinem Durchmesser. Die Faserspulen 1 rotieren in der durch die Pfeile angezeigten Richtung um die Strangachse, wobei die auf den Faserspulen befindlichen Fasern 5 abgewickelt werden. Die Fasern 5 werden zu einer um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung 7 geführt, die die Fasern 5 auf das Werkstück 9 lenkt und dort ablegt. Im oben in 3 dargestellten Beispiel umfasst die Führungseinrichtung 7 zwei konzentrische Ringe, über die die Fasern 5 von den Faserspulen kommend zunächst von außen nach innen und dann wieder nach außen umgelenkt werden. Im unten dargestellten Beispiel umfasst die Führungseinrichtung 7 nur einen Ring. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen wird das zu umwickelnde Werkstück 9 durch Durchgangsbohrungen in den Spulenkernen der Faserspulen 1 geführt.
In 4 ist ein Beispiel einer Ausführungsform einer Faserspule in der Draufsicht (links) und im Längsschnitt (rechts) dargestellt. Die Faserspule 1 ist auf einer antreibbaren Hohlwelle 13 angeordnet, durch die das Werkstück 9 geführt ist. Neben der Faserspule 1 mit dem Spulenkern befindet sich eine Führungseinrichtung 7, die die vom Spulenvorrat 11 abgewickelte Faser 5 über eine Öffnung auf das Werkstück 9 lenkt
In 5 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit vier Faserspulen 1 wiedergegeben. Eine Hohlwelle 13, durch die das Werkstück 9 in Pfeilrichtung gezogen wird, ist in einem Lagerbock 15 drehbar gelagert. Auf der Hohlwelle ist ein Rahmen 19 für Faserspulen 1 angeordnet und fest mit der Hohlwelle 13 verbunden. Innerhalb des Rahmens 19 sind vier Faserspulen 1 angeordnet, die einzeln relativ zur Hohlwelle 13 drehbar sind. Die von den jeweiligen sich auf den Faserspulen befindlichen Faservorräten 11 kommenden Fasern 5 werden über Umlenkrollen 21 geführt, die ortsfest an dem Rahmen 19 angebracht sind. In der bezüglich der Ziehrichtung des Werkstücks austrittsseitigen Stirnseite der Hohlwellenlagerung sind Durchführungen 17 vorhanden, durch die die Fasern 5 von den Faserspulen kommend zur – nicht dargestellten – Führungseinrichtung und über diese auf das Werkstück gelenkt werden.
Als Faserspulen können neben den auf Spulenkerne gewickelten Spulen auch kernlose Spulen auf nachträglich eingebrachten hohlen Spannkernen verwendet werden.
Bei den oben geschilderten beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Fasern nach außen von den Faserspulen abgewickelt, die Faserspulen haben also einen sogenannten Außenabzug. Von der Erfindung umfasst sind allerdings auch Vorrichtungen mit Faserspulen mit Innenabzug, bei denen die Faser nach innen, zum Mittelpunkt der Faserspule hin abgewickelt wird. In bevorzugten Ausführungsformen dieser Art sind auf der Hohlwelle oder um die Hohlwelle herum Spannelemente, z. B. Spannbacken oder Spannrollen, angebracht, die von der Hohlwelle weg in Richtung auf die Innenseite der Faserspule drücken. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fasern in aufgewickeltem Zustand verbleiben und nicht zur Mitte in Richtung der Hohlwelle fallen. Zudem wird dadurch eine erwünschte Faserspannung erreicht. Mit dem Abwickeln der Fasern vergrößert sich der Innendurchmesser der verbleibenden Faserwicklung in den Spulen. Die Spannelemente sind derart ausgelegt, dass sie sich der Veränderung des Durchmessers anpassen und entsprechend weiter nach außen drücken. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Spannelemente mittels Federn gegen die Hohlwelle abgestützt sind. Die Faserspulen sind auch in dieser Ausführungsform gegenüber der Hohlwelle drehbar angeordnet, vorzugsweise dadurch, dass die Spannelemente über ein Lager gegen die Hohlwelle abgestützt sind, z. B. ein Gleitlager, Rollen- oder Kugellager.
6 zeigt zwei Varianten einer bevorzugten Ausführungsform einer Tränkeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils im Längsschnitt. Die Tränkeinrichtung ist zwischen den nicht dargestellten Faserspulen und Führungseinrichtung angeordnet. Die von den Faserspulen kommenden Fasern 5 werden also getränkt, bevor sie über die Führungseinrichtung auf das Werkstück gelenkt werden. Beide Varianten der Tränkeinrichtung umfassen einen äußeren Grundkörper 23 sowie einen Innenkörper 27, der gegenüber dem Grundkörper drehbar ist.
Bevorzugt ist der Innenkörper 27 mit der Hohlwelle verbunden, sodass er sich mit dieser dreht. In der rechts dargestellten Variante ist der Grundkörper 23 ortsfest, wohingegen in der links dargestellten Variante auch der Grundkörper 23 drehbar gelagert ist. Im Längsprofil weist der Grundkörper 23 an den Stirnseiten einen kleineren Innenquerschnitt auf als in der Mitte. Wie in den Zeichnungen schematisch angedeutet, ist das Längsprofil des Grundkörpers 23 der Größe und Form des Innenkörpers 27 angepasst, sodass sich zwischen dem Grundkörper und dem Innenkörper ein Spalt ergibt. Über eine Zuleitung 25 wird in beiden Fällen ein Tränkmittel in die Tränkeinrichtung eingebracht, vorzugsweise in den Spalt zwischen Grundkörper und Innenkörper.
Die Fasern 5 werden über erste Umlenkungen 21a auf den Innenkörper 27, durch den Spalt und weiter zur Führungseinrichtung geführt. Die austrittsseitige Umlenkung kann beispielsweise wie in der links dargestellten Variante durch eine entsprechende Formgebung des Grundkörpers 23 erfolgen oder wie in der rechts dargestellten Variante über zweite Umlenkungen 21b. Aufgrund der rotatorischen Bewegung des Innenkörpers 27 bildet sich nach Zuleitung des Tränkmittels in dem Spalt ein Tränkmittelfilm, der vorzugsweise die gesamte Mantelfläche des Innenkörpers benetzt. Da die Fasern 5 direkt über diese Mantelfläche geführt sind, nehmen die Fasern auf ihrem Weg durch die Tränkeinrichtung Tränkmittel auf.
7 zeigt eine weitere Variante einer bevorzugten Ausführungsform einer Tränkeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in jeweils teilgeschnittener Längsansicht (links) und Draufsicht (rechts). Wie die Tränkeinrichtungen gemäß 6 ist auch die in 7 dargestellte Tränkeinrichtung zwischen den nicht dargestellten Faserspulen und Führungseinrichtung angeordnet. Auf der Hohlwelle 13, durch die das Werkstück 9 geführt ist, sind Tränkrollen 29 befestigt, deren Drehachse senkrecht zur Strangachse verläuft. Um die Hohlwelle 13 mit den Tränkrollen 29 herum ist ein feststehender Grundkörper 23 der Tränkeinrichtung angeordnet. Im Längsprofil weist der Grundkörper 23 an den Stirnseiten einen kleineren Innenquerschnitt auf als in der Mitte. Wie im Längsschnitt (links) erkennbar, ist das Längsprofil des Grundkörpers 23 der Größe und Form der Tränkrollen 29 angepasst, sodass sich zwischen dem Grundkörper und den Tränkrollen ein Spalt ergibt, der vorzugsweise gleichmäßig ausgebildet ist. In diesen Spalt wird über eine im Grundkörper vorhandene Zuleitung 25 Tränkmittel eingebracht.
Die Fasern 5 werden über erste Umlenkungen 21a auf die Tränkrollen 29 und von dort über zweite Umlenkungen 21b zur Führungseinrichtung geführt. Die Umlenkungen bewirken eine Faserspannung, die ihrerseits eine Drehung der Tränkrollen 29 verursacht. Die Tränkrollen müssen daher nicht aktiv angetrieben werden. In Drehrichtung der Tränkrollen befinden sich am Austritt des Spaltes, der zwischen Tränkrollen und Innenoberfläche des Grundkörpers 23 gebildet ist, Abstreifer 31. Zur Benetzung der Fasern mit dem Tränkmittel wird dieses über die Zuleitung 25 in den Spalt eingebracht. Da sich die Tränkrollen mit der Hohlwelle 13 mitdrehen, bildet sich aufgrund der Fliehkräfte ein Tränkmittelfilm innerhalb des Spaltes zum Grundkörper. Die Tränkrollen nehmen aus diesem Film Tränkmittel auf und transportieren es in Richtung des Spaltaustritts. Dort sorgen die Abstreifer 31 für eine gleichmäßige Belegung der Tränkrollen mit dem Tränkmittel, das anschließend auf die über die Rollen geführten Fasern 5 übertragen wird.
Die 8 und 9 verdeutlichen die Vorteile, die die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber bekannten Pullwinding-Anlagen mit einem Karussell an Faserspulen aufweisen. In 8 ist die Zentripetalbeschleunigung (normiert auf die Erdbeschleunigung) über die Drehzahl für unterschiedliche Konfigurationen an Faserspulen aufgetragen. Die Zahlenangabe auf der Ordinatenachse entspricht also dem jeweiligen Vielfachen der Erdbeschleunigung. Bei bekannten Pullwinding-Anlagen steigt die Zentrifugalkraft mit zunehmender Anzahl an Faserspulen und mit zunehmender Drehzahl stark an. Das ist darin begründet, dass die Faserspulen auf den Karussellen bezüglich der Strangachse exzentrisch angeordnet sind, und die Zentripetalbeschleunigung maßgeblich vom Abstand der Massepunkte zur Drehachse abhängt.
Die dargestellten Werte ergeben sich für folgende Konfiguration: Standard-Glasfaserspulen mit einem Spulenaußendurchmesser von 30 cm sind gleichmäßig und so eng wie möglich auf einer Kreisbahn auf einem Karussell verteilt angeordnet, und zwar in der jeweils grafisch angegebenen Anzahl von 1, 2, 4, 6 und 8 Faserspulen. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich ein Radius R dieser Kreisbahn, der im Zusammenspiel mit der Rotationsfrequenz (Anzahl an Umdrehungen) n die Zentripetalbeschleunigung nach folgender Formel bestimmt: a_zp = 4·π²·n²·R
Normiert auf die Erdbeschleunigung ergibt sich beispielsweise für eine Anordnung mit sechs Faserspulen (zweite Kurve von oben) bei einer Rotationsfrequenz von 4 Umdrehungen pro Sekunde eine ca. 19-fache Erdbeschleunigung.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen ist die Zentripetalbeschleunigung gleich null, unabhängig von der Anzahl der koaxial hintereinander angeordneten Faserspulen.
9 zeigt einen Vergleich der Massenträgheitsmomente, die sich bei einer Rotation der Faserspulen um die Strangachse einstellen. Die schraffierten Blöcke geben die Werte für die erfindungsgemäße Vorrichtung wieder, die grauen Blöcke die Werte für aus dem Stand der Technik bekannte Karussell-Vorrichtungen, jeweils bei gleicher Anzahl an Faserspulen. Die auf der Ordinatenachse angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf Anordnungen mit Faserspulen mit einem Spulenaußendurchmesser von 30 cm und einer Masse von 30 kg pro Faserspule. Je höher die Anzahl an Faserspulen und damit der Herstellkapazität der Anlage, umso deutlicher fällt der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus.

Claims

Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Strangprofilen umfassend eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes (9) durch die Vorrichtung, mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Faserspule (1), die einen Spulenkern aufweist, um den eine Faser (5) gewickelt ist, wobei die Faser dazu vorgesehen ist, auf der Oberfläche des Werkstücks (9) abgelegt zu werden, und mindestens eine um die Strangachse drehbar angeordnete Führungseinrichtung (7), die die von der Faserspule (1) abgewickelte Faser (5) auf das Werkstück (9) lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern der Faserspule (1) eine Durchgangsbohrung aufweist, durch die das Werkstück (9) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Faserspulen (1) mit Durchgangsbohrungen entlang der Strangachse hintereinander angeordnet sind, und wobei eine Umlenkeinrichtung (21) vorhanden ist, über die die von den jeweiligen Faserspulen (1) abgewickelten Fasern (5) zur Führungseinrichtung (7) geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Faserspule (1) oder mehrere Faserspulen (1) auf einer antreibbaren Hohlwelle (13) angeordnet sind, und das Werkstück (9) durch die Hohlwelle (13) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich innerhalb der Hohlwelle (13) ein Schutzrohr befindet, durch das das Werkstück (9) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Führungseinrichtung (7) fest mit der Hohlwelle (13) verbunden ist, sodass bei einer Drehung der Hohlwelle (13) die Winkelgeschwindigkeit der Führungseinrichtung (7) derjenigen der Hohlwelle (13) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der mindestens einen Faserspule (1) und der Führungseinrichtung (7) eine um die Strangachse drehbare Tränkeinrichtung angeordnet ist, die Mittel zur Führung der Fasern durch die Tränkeinrichtung und Mittel zur Benetzung der Fasern mit einer Flüssigkeit aufweist.
Strangwickelanlage umfassend mindestens zwei Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die modular hintereinander angeordnet sind, sodass ein aus der ersten Vorrichtung austretendes strangförmiges Werkstück durch die zweite Vorrichtung geführt wird, und wobei die Strangwickelanlage mindestens eine Zieheinrichtung zum Ziehen eines strangförmigen Werkstückes aufweist.
Strangwickelanlage gemäß Anspruch 7, wobei aufeinander folgende Vorrichtungen derart eingerichtet sind, dass die Drehrichtung der jeweiligen Führungseinrichtungen und/oder das Verhältnis zwischen Winkelgeschwindigkeit und axialer Geschwindigkeit des Werkstücks unterschiedlich sind.
Strangwickelanlage gemäß Anspruch 8, wobei mindestens eine Umlenkvorrichtung zwischen zwei Vorrichtungen angeordnet ist, die das aus der ersten Vorrichtung austretende Werkstück umlenkt, sodass die Strangachse der zweiten Vorrichtung nicht parallel zur Strangachse der ersten Vorrichtung ist.
Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen, bei dem ein strangförmiges Werkstück (9) mittels einer Zieheinrichtung durch eine Vorrichtung gezogen wird, mindestens eine Faser (5) vom Spulenkern mindestens einer drehbar um die Strangachse angeordneten Faserspule (1) abgewickelt wird und von der Faserspule (1) kommend über mindestens eine drehbar um die Strangachse angeordnete Führungseinrichtung (7) auf das Werkstück (9) gelenkt und auf dem Werkstück abgelegt wird, wobei das Werkstück durch eine Durchgangsbohrung im Spulenkern der mindestens einen Faserspule (1) geführt wird.