-
Die Erfindung betrifft eine Fasertemperiereinrichtung zum Temperieren eines kontinuierlich geförderten quasiendlosen Fasermaterials, das zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ebenso einen Vorrichtung zum Applizieren eines quasiendlosen Fasermaterials mit einer Fasertemperiereinrichtung sowie eine Faserlegeanlage mit einer solchen Fasertemperiereinrichtung hierzu. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperieren eines kontinuierlich geförderten quasiendlosen Fasermaterials.
-
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff sind verschiedene Verfahren bekannt. Sehr häufig muss dabei ein Fasermaterial, das Bestandteil eines Faserverbundwerkstoffes ist, auf eine formgebende Werkzeugoberfläche abgelegt werden, um so die spätere Bauteilform bzw. Bauteilgeometrie bilden zu können. Durch das Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials wird dann das Faserverbundbauteil hergestellt. Das Einbringen des Matrixmaterials kann nach dem Ablegen des Fasermaterials auf dem Werkzeug erfolgen oder bereits bei dessen Herstellung, so dass ein bereits vorimprägniertes Fasermaterial (sogenannte prepregs) auf dem Werkzeug abgelegt werden.
-
Bei der Herstellung einer Preform, d.h. im weitesten Sinne das Bilden einer Vorform aus Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, kommen neben diskontinuierlichen Verfahren auch kontinuierliche Verfahren zum Einsatz, bei denen ein Faserendlosmaterial von einem Fasermagazin bzw. Fasermaterialspeicher kontinuierlich hin zu einer Verarbeitungseinheit transportiert bzw. gefördert wird. Die Verarbeitungseinheit kann bspw. eine Umformeinheit sein, mit der sich bspw. längliche Profile herstellen lassen. Die Verarbeitungseinheit kann aber auch ein Ring zur Herstellung geflochtener Faserstränge, bspw. Schläuche, sein. Die Verarbeitungseinheit kann aber auch ein Faserablegekopf sein, mit dem das kontinuierlich geförderte Faserendlosmaterial auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche abgelegt wird. Das auf die formgebende Werkzeugoberfläche abgelegte Fasermaterial bildet dann die Preform.
-
Nicht selten ist es hierbei wünschenswert, wenn während der kontinuierlichen Förderung des quasiendlosen Fasermaterials dieses entsprechend temperiert werden kann, um so bspw. ein thermisch aktivierbares Bindermaterial zu aktivieren oder die sogenannten Prepregs auf eine gewünschte Verarbeitungstemperatur aufzuheizen. So ist bspw. aus der
DE 10 2011 102 950 A1 ein Legekopf und ein Verfahren zur Herstellung von Textilvorformlingen aus Carbonfasern bekannt, wobei der Legekopf eine Ablegerolle und eine Umlenkrolle aufweist die jeweils ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Förderstrecke zwischen den beiden Elektroden einen Heizabschnitt bilden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden kann ein Stromfluss in den Carbonfasern innerhalb des Heizabschnittes bewirkt werden, sodass sich die Carbonfasern nach Art einer Widerstandsheizung erwärmen.
-
Aus der
WO 02/30657 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Kompositplatten bekannt, wobei hier Anpressrollen vorgesehen sind, die das flächige Fasermaterial zusammenpressen. Die Anpressrollen weisen eine elektrische Kontaktfläche auf, sodass durch Anlegen einer Spannung an zwei Anpressrollen ein Stromfluss in dem Fasermaterial bewirkt werden kann, wodurch die Platten erwärmt und entsprechend verklebt werden können.
-
Aus der
DE 10 2013 208 426 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Carbonfasersträngen bekannt, wobei die Carbonfaserstränge durch Elektroden kontaktiert werden, so dass das zwischen den Elektroden definierte Fasermaterial Teil eines Stromkreises ist. Durch Bestromen des Stromkreises wird dabei das Fasermaterial temperiert. Der Abstand der Elektroden kann dabei mithilfe eines Linearmotors verändert werden.
-
Aus der
DE 10 2012 019 915 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines Faservorformlings zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, wobei eine Greifvorrichtung vorgesehen ist, die Zuschnitte des Fasermaterials greift und einspannt und so zu einem Ablageort transportiert.
-
Aus der
EP 2 821 198 A1 ist schließlich ein Faserhalbzeug-Ablegekopf bekannt, mit dem Fasermaterial mithilfe von Elektroden bestrombar ist, während das Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird.
-
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem der Energieeintrag bei der kontinuierlichen Temperierung von Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils besser kontrolliert werden kann und an die Randbedingungen des Verarbeitungsprozesses angepasst werden kann.
-
Die Aufgabe wird mit der Fasertemperiereinrichtung gemäß Anspruch 1, der Vorrichtung gemäß Anspruch 9, der Faserlegeanlage gemäß Anspruch 10 sowie dem Verfahren zum Temperieren gemäß Anspruch 13 erfindungsgemäß gelöst.
-
Gemäß Anspruch 1 wird eine Fasertemperiereinrichtung zum Temperieren eines kontinuierlich geförderten quasiendlosen Fasermaterials zur Herstellung eines Faserverbundbauteils entlang einer Förderstrecke in Förderrichtung vorgeschlagen, wobei die Fasertemperiereinrichtung mindestens ein mit einer elektrischen Energiequelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung verbindbares elektrisches Kontaktelement aufweist. Dieses elektrische Kontaktelement ist dabei zum elektrischen Kontaktieren des Fasermaterials ausgebildet, wenn das quasiendlose Fasermaterial in Förderrichtung gefördert wird.
-
Das elektrische Kontaktelement wirkt dabei mit einem ebenfalls das Faserendlosmaterial während der kontinuierlichen Förderung kontaktierenden Gegenkontaktelement derart zusammen, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das elektrische Kontaktelement bzw. Gegenkontaktelement ein Stromfluss in dem Fasermaterial bewirkt wird. Das elektrische Kontaktelement kontaktiert somit das quasiendlose Fasermaterial in einer Art und Weise, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das elektrische Kontaktelement und an das Gegenkontaktelement ein Stromfluss in dem Fasermaterial in dem Abschnitt, der durch die Kontaktierung des elektrischen Kontaktelementes einerseits und dem Gegenkontaktelement andererseits gebildet wird, bewirkt wird.
-
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das elektrische Kontaktelement und das Gegenkontaktelement wird somit in dem quasiendlosen Fasermaterial im Heizabschnitt innerhalb der Förderstrecke ein Stromfluss bewirkt, der in Art einer Widerstandsheizung zu einer Erwärmung des kontinuierlichen geförderten, quasiendlosen Fasermaterials im Heizabschnitt führt.
-
Ein quasiendloses Fasermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Fasermaterial, das zumindest teilweise elektrisch leitfähig ist, um einen entsprechenden Stromfluss bewirken zu können, der aufgrund des elektrischen Widerstandes zu einer Erwärmung des Fasermaterials im bestromten Abschnitt führt. Ein solches quasiendloses Fasermaterial kann bspw. ein Kohlenstofffasermaterial (bspw. CFK) sein. Denkbar ist aber auch, dass ein Fasermaterial verwendet wird, das grundsätzlich nicht leitend ist und durch zusätzliche elektrische Leiter (bspw. Metallfäden) elektrisch leitfähig gemacht wurde.
-
Unter einem quasiendlosen Fasermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren insbesondere ein bandförmiges, meist flächiges Material verstanden, das nicht endlos im mathematischen Sinne ist, sondern ein Anfang und ein Ende aufweist. Das Verhältnis zwischen Länge des Fasermaterials einerseits und Dicke bzw. Breite des Fasermaterials andererseits ist dabei sehr groß, sodass die Länge des Faserendlosmaterials die Breite bzw. die Dicke des Faserendlosmaterials um ein Vielfaches übersteigt. So kann bspw. die Länge des Fasermaterials mehrere hundert Meter, aufweisen, während die Breite des Fasermaterials nur wenige Zentimeter, bspw. weniger als 100 Zentimeter, vorzugsweise weniger als 50 Zentimeter, vorzugsweise weniger als 20 Zentimeter beträgt, besonders vorzugsweise weniger als 3 cm. Das bandförmige Fasermaterial ist dabei so ausgebildet, dass es für eine kontinuierliche Förderung geeignet ist. Dabei muss nicht zwangsläufig das Fasermaterial aus quasiendlosen Fasern bestehen. Sehr häufig kommen ¼" Tapes zum Einsatz, aber auch 1" oder ½" Tapes.
-
Unter einer kontinuierlichen Förderung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei verstanden, dass das quasiendlose Fasermaterial zumindest eine gewisse Zeitdauer gefördert wird. Bei der Faserablage auf einem Werkzeug im Fiber Placement Verfahren wird auch von einer kontinuierlichen Förderung gesprochen, auch wenn zwischendurch die Förderung gestoppt und der Faserlegekopf neu ausgerichtet werden muss. Die kontinuierliche Förderung bezieht sich dann auf das kontinuierliche Ablegen des Fasermaterials.
-
Die Fasertemperiereinrichtung weist des Weiteren mindestens ein Führungselement auf, an dem das quasiendlose Fasermaterial bei der kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung kontaktbehaftet entlang geführt wird, sodass das Führungselement einen Teil der Förderstrecke bildet, bei dem das Fasermaterial bspw. seine Richtung wechselt. Ein solches Führungselement kann bspw. eine Walze oder Rolle sein, an der das Fasermaterial mit einem entsprechenden Umschlingungswinkel herumgeführt wird.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Führungselement innerhalb des bestrombaren Heizabschnittes angeordnet ist und bewegbar ausgebildet ist. Die Bewegung des Führungselementes kann dabei bspw. mit Hilfe eines Linearmotors erfolgen.
-
Erfindungsgemäß ist das Führungselement dabei derart bewegbar ausgebildet, dass die Länge des bestrombaren Heizabschnittes veränderbar ist, und zwar während der kontinuierlichen Förderung des Fasermaterials und während der Bestromung des Heizabschnittes.
-
Durch die Veränderung der Länge des Heizabschnittes wird auch die Länge des Fasermaterials innerhalb des Heizabschnittes verändert, sodass die Länge des bestromten Fasermaterials veränderbar ist. Durch die Veränderung der Länge des bestrombaren Fasermaterials kann dabei der elektrische Streckenwiderstand des Heizabschnittes insgesamt verändert werden, sodass bei einer kontinuierlichen Förderung des quasiendlosen Fasermaterials die Temperierung nicht nur über die angelegte elektrische Spannung geregelt werden kann, sondern auch durch den elektrischen Streckenwiderstand des Fasermaterials als weiteren Regelparameter, wodurch die Temperierung sehr genau eingestellt und sehr schnell an sich ändernde Prozessparameter während des jeweiligen zugrunde gelegten Verarbeitungsprozesses angepasst werden kann.
-
Der Heizabschnitt kann dabei das geförderte quasiendlose Fasermaterial allein oder zumindest teilweise auch das bereits abgelegte Fasermaterial umfassen.
-
Dabei kann das mindestens eine Führungselement innerhalb des bestrombaren Heizabschnittes so bewegt werden, dass die Länge des bestrombaren Heizabschnittes zunimmt bzw. vergrößert wird, wodurch die bestrombare Fasermaterialstrecke zunimmt und hierdurch der Streckenwiderstand erhöht wird. Umgekehrt kann das Führungselement innerhalb des bestrombaren Heizabschnittes so bewegt werden, dass die Länge des bestrombaren Heizabschnittes verringert wird bzw. verkleinert wird, wodurch die Länge des zu bestromenden Fasermaterials verkleinert und der Streckenwiderstand des Heizabschnittes verringert wird.
-
Hierdurch lässt sich bspw. die Aufheizrate (Kelvin/Zeit) anpassen, sodass hierdurch auch auf sich ändernde Randbedingungen des dahinterliegenden Verarbeitungsprozesses Rücksicht genommen werden kann.
-
Das Bewegen des mindestens einen Führungselementes geschieht dabei so, dass das quasiendlose Fasermaterial in dem Heizabschnitt von einem ersten Zustand bzw. einem ersten Fasermaterialverlauf hin zu einem zweiten Zustand bzw. zweiten Fasermaterialverlauf verändert wird. Ist der Beginn und das Ende des Heizabschnittes durch weitere Führungselemente und/oder elektrische Kontaktelemente begrenzt und wird das Fasermaterial dazwischen aufgespannt, so bedeutet eine Bewegung des mindestens einen Führungselementes zur Veränderung der Länge des bestrombaren Heizabschnittes eine Bewegung des mindestens einen Führungselementes gegenüber diesen anderen Führungselementen bzw. elektrischen Kontaktelementen.
-
Unter der Formulierung „innerhalb des Heizabschnittes“ wird nicht nur die Strecke der Förderstrecke des quasiendlosen Fasermaterials verstanden, die durch das elektrische Kontaktelement einerseits und einem Gegenkontaktelement andererseits gebildet wird, sondern schließt auch den Beginn und das Ende des Heizabschnittes mit ein. Ein elektrisches Kontaktelement am Beginn bzw. am Ende des Heizabschnittes ist somit definitionsgemäß innerhalb des Heizabschnittes angeordnet.
-
Dabei kann das mit dem Gegenkontaktelement zusammenwirkende elektrische Kontaktelement an dem bewegbar ausgebildeten Führungselement angeordnet sein, sodass das mindestens eine Führungselement und das elektrische Kontaktelement eine Einheit bilden. Mit einer Bewegung des bewegbar ausgebildeten Führungselementes wird somit ebenfalls auch das elektrische Kontaktelement bewegt, wodurch die entsprechende Längenänderung des Heizabschnittes bewirkt werden kann.
-
Denkbar ist aber auch, dass das elektrische Kontaktelement von dem bewegbar ausgebildeten Führungselement getrennt innerhalb der Förderstrecke angeordnet ist, sodass das bewegbar ausgebildete Führungselement zwischen dem elektrischen Kontaktelement einerseits und dem Gegenkontaktelement andererseits angeordnet und durch Bewegen eine entsprechende Längenänderung des Heizabschnittes bewirkt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Fasertemperiereinrichtung wenigstens zwei Führungselemente auf, wobei ein erstes Führungselement das elektrische Kontaktelement aufweist, sodass das quasiendlose Fasermaterial elektrisch kontaktiert wird, wenn das Fasermaterial in Förderrichtung gefördert und an dem ersten Führungselement entlang geführt wird, wobei das erste Führungselement mit dem elektrischen Kontaktelement mit dem ebenfalls mit dem Fasermaterial elektrisch kontaktierten Gegenkontaktelement zur Bildung des Heizabschnittes zusammenwirkt. Vorteilhafter Weise kann das Gegenkontaktelement ebenfalls ein Führungselement sein, das ein elektrisches Kontaktelement als Gegenkontaktelement aufweist. Das Gegenkontaktelement kann aber auch anderweitig bereitgestellt werden, bspw. in Form einer elektrisch leitfähigen Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges.
-
Des Weiteren ist ein zweites Führungselement in dieser Ausführungsform vorgesehen, das innerhalb des bestrombaren Heizabschnittes angeordnet ist, genauer gesagt zwischen dem elektrischen Kontaktelement einerseits und dem Gegenkontaktelement andererseits, und darüber hinaus kein elektrisches Kontaktelement zur Bildung eines Heizabschnittes aufweist. Das zweite Führungselement ist somit innerhalb des bestrombaren Heizabschnittes angeordnet und derart bewegbar ausgebildet, dass die Länge des bestrombaren Heizabschnittes durch die Bewegung des zweiten Führungselementes veränderbar ist.
-
Eine derartige Ausführungsform ist bspw. dann vorteilhaft, wenn das elektrische Kontaktelement an einem ersten Führungselement innerhalb eines Faserlegekopfes angeordnet ist, während das Gegenkontaktelement bspw. durch die Andruckrolle, die in Förderrichtung nach dem ersten Führungselement vorgesehen ist, oder durch eine elektrisch leitfähige Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges gebildet wird, wobei dann das zweite Führungselement zur Veränderung der Länge des gebildeten Heizabschnittes zwischen dem ersten Führungselement mit dem elektrischen Kontaktelement einerseits und dem Gegenkontaktelement andererseits angeordnet und zur Längenänderung vorgesehen ist. Die elektrischen Kontaktelemente einschließlich das Gegenkontaktelement sind dabei an nicht bewegbaren Einheiten angeordnet, dass grundsätzlich den komplexen Aufbau eines Faserlegekopfes vereinfacht.
-
Die bei einer Längenänderung entstehenden Zugkräfte bzw. Materiallosen werden dabei in der Regel mit Hilfe eines Ausgleichsystems bzw. einer Ausgleicheinrichtung kompensiert, wobei eine derartige Ausgleichseinrichtung vorteilhafter Weise innerhalb des Fasermaterialspeichers angeordnet ist. Eine solche Ausgleichseinrichtung kann bspw. in Form eines Tänzersystems realisiert werden, sodass bei Längenänderungen des Heizabschnittes das Tänzersystem diese Längenänderung entsprechend kompensiert, um unnötige Zugkräfte bzw. Materiallosen im gesamten Förderprozess und in der gesamten Förderstrecke zu vermeiden.
-
In einer weiteren alternativen, oder auch zusätzlichen Ausführungsform, weist die Fasertemperiereinrichtung ein erstes Führungselement auf, an dem ein erstes elektrisches Kontaktelement angeordnet ist, und ein zweites Führungselement auf, an dem ein zweites elektrisches Kontaktelement angeordnet ist, das ein mit dem ersten elektrischen Kontaktelement zusammenwirkendes Gegenkontaktelement bildet. Die elektrischen Kontaktelemente der beiden Führungselemente sind dabei so ausgebildet, dass sie das quasiendlose Fasermaterial elektrisch kontaktieren, wenn das Fasermaterial in Förderrichtung gefördert wird, wobei eines der beiden Führungselemente oder beide Führungselemente so bewegbar ausgebildet sind, dass die Länge des durch die elektrischen Kontaktelemente gebildeten Heizabschnittes veränderbar ist, wenn das entsprechende Führungselement bewegt wird.
-
Durch eine Bewegung beider Führungselemente kann die maximale mögliche Längenveränderung des Heizabschnittes erhöht werden, während der Bewegungsraum eines jeden Führungselementes relativ knapp bemessen sein kann. Hierdurch kann der bspw. in einem Faserlegekopf zur Verfügung gestellte Bauraum optimal ausgenutzt werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist ein drittes elektrisches Kontaktelement vorgesehen, welches ebenfalls ausgebildet ist, das quasiendlose Fasermaterial elektrisch innerhalb der Förderstrecke zu kontaktieren, wenn das Fasermaterial in Förderrichtung gefördert wird, wobei das dritte elektrische Kontaktelement gegenüber dem ersten und dem zweiten Kontaktelement feststehend angeordnet ist und somit nicht durch eine Bewegung eine Längenänderung eines Heizabschnittes bewirken kann. Dabei wird zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontaktelement ein erster Heizabschnitt und zwischen dem zweiten und dem dritten elektrischen Kontaktelement ein zweiter Heizabschnitt gebildet.
-
Ist das erste Führungselement mit dem ersten elektrischen Kontaktelement bewegbar ausgebildet, so kann durch eine Bewegung des ersten Führungselementes die Länge des ersten Heizabschnittes verändert werden, während die Länge des zweiten Heizabschnittes unverändert bleibt. Dies ist bspw. dann besonders vorteilhaft, wenn sich aufgrund des Verarbeitungsprozesses, bspw. bei der Faserablage, eine Längenänderung des zweiten Heizabschnittes ergibt, die nicht auf eine Bewegung der Führungselemente zurückzuführen ist, sodass durch eine Bewegung des ersten Führungselementes und eine Längenänderung des ersten Heizabschnittes die Längenänderung des zweiten Heizabschnittes angepasst bzw. kompensiert werden kann, um so einen im Wesentlichen gleichen Streckenwiderstand in dem ersten Heizabschnitt und dem zweiten Heizabschnitt einzustellen (gleicher Streckenwiderstand innerhalb einer vorgegebenen Toleranz).
-
Denkbar ist aber auch, dass auch das zweite Führungselement bewegbar ausgebildet ist, sodass durch eine Bewegung des zweiten Führungselementes gleichzeitig sowohl die Länge des ersten Heizabschnittes als auch die Länge des zweiten Heizabschnittes verändert werden kann. Soll bspw. eine nicht durch die Bewegung der Führungselemente hervorgerufene Längenänderung des zweiten Heizabschnittes kompensiert werden, so reicht hierfür eine Bewegung des zweiten Führungselementes in entsprechender Art und Weise so aus, dass die Länge beider Heizabschnitte im Wesentlichen gleich ist und somit der Streckenwiderstand beider Heizabschnitte ebenfalls im Wesentlichen gleich ist.
-
Das feststehende dritte Kontaktelement kann bei dieser Ausführungsform bspw. eine Andruckrolle eines Faserlegekopfes bzw. eine elektrisch leitfähige Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges sein.
-
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist die Fasertemperiereinrichtung ein erstes, zweites und ein drittes Führungselement auf, wobei an dem ersten Führungselement ein erstes elektrisches Kontaktelement, an dem zweiten Führungselement ein zweites elektrisches Kontaktelement und an dem dritten Führungselement ein drittes elektrisches Kontaktelement angeordnet ist. Die elektrischen Kontaktelemente sind dabei an den Führungselementen so angeordnet und hergerichtet, dass sie mit dem quasiendlosen Fasermaterial elektrisch kontaktieren, wenn das Fasermaterial in Förderrichtung gefördert wird.
-
Ausgehend von dem zweiten Führungselement ist das erste Führungselement entgegen der Förderrichtung in Bezug auf die Förderstrecke beabstandet zu dem zweiten Führungselement angeordnet, während das dritte Führungselement in Förderrichtung in Bezug auf die Förderstrecke von dem zweiten Führungselement beabstandet angeordnet ist. Mit anderen Worten, das zweite Führungselement ist innerhalb eines zwischen dem ersten und dem dritten Führungselement gebildeten Förderstreckenabschnitt angeordnet, wobei das an dem zweiten Führungselement angeordnete zweite elektrische Kontaktelement als Gegenkontaktelement ausgebildet ist, sodass sich zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontaktelement ein erster Heizabschnitt und zwischen dem zweiten und dem dritten elektrischen Kontaktelement ein zweiter Heizabschnitt ausbildet.
-
Des Weiteren ist das zweite Führungselement so ausgebildet, dass es gegenüber dem ersten und dem dritten Führungselement bewegbar ausgebildet ist, während das erste und das dritte Führungselement unbeweglich sind. Durch das Bewegen des zweiten Führungselementes gegenüber dem ersten und dritten Führungselement kann dabei sowohl die Länge des ersten Heizabschnittes als auch die Länge des zweiten Heizabschnittes durch eine einzige Bewegung des zweiten Führungselementes verändert werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung hierzu ist die Anordnung des ersten, zweiten und dritten Führungselementes in Art eines Tänzersystems angeordnet, sodass die Länge des ersten und des zweiten Heizabschnittes im Wesentlichen gleich sind (innerhalb einer vorgegebenen Toleranz), wobei bei einer Bewegung des zweiten Führungselementes die Längenänderung für jeden bestrombaren Heizabschnitt gleich ist. Hierdurch lässt sich der Streckenwiderstand beider Heizabschnitte simultan um einen gleichen Wert erhöhen oder verringern.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Steuern der Bewegung eines der Führungselemente oder mehrere Führungselemente gleichzeitig zum Verändern der Länge des jeweiligen Heizabschnittes ausgebildet ist. Eine derartige Ansteuerung der Bewegung kann bspw. in Abhängigkeit von Eingangsparametern des Förderprozesses oder eines dem Förderprozess zugrunde liegenden Verarbeitungsprozesses erfolgen, bspw. in Abhängigkeit von Längen anderer Heizabschnitte, den gemessenen Widerständen oder Temperaturen.
-
Die Steuereinheit kann des Weiteren auch dazu eingerichtet sein, die an die elektrischen Kontaktelemente mittels der elektrischen Energiequelle anzulegende elektrische Spannung zu steuern, sodass bei einer Veränderung der Länge eines Heizabschnittes auch die angelegte elektrische Spannung angepasst werden kann. Hierdurch lässt sich der Energieeintrag in das Fasermaterial sehr fein anpassen und regeln.
-
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst, wobei die Vorrichtung zum Applizieren eines quasiendlosen Fasermaterials auf ein Werkzeug oder ein werkzeugähnliches Bauelement vorgesehen ist. Die Vorrichtung weist eine Fasermaterial-Bereitstellungseinrichtung auf, um kontinuierlich ein quasiendloses Fasermaterial bereitzustellen. Außerdem weist die Vorrichtung eine Appliziereinrichtung auf, um das abzulegende Faserendlosmaterial auf das Werkzeug oder das werkzeugähnliche Bauelement zu applizieren.
-
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung nunmehr eine Temperiereinrichtung wie vorstehend beschrieben auf. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Gegenkontaktelement ebenfalls innerhalb der Vorrichtung angeordnet ist, sodass dieses auch außerhalb der Vorrichtung, bspw. in Form einer elektrisch leitfähigen Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges, ausgebildet sein kann.
-
Die Vorrichtung kann bspw. ein Faserlegekopf zum Legen von kontinuierlich bereitgestellten, quasiendlosem Fasermaterial sein, wobei die Appliziereinrichtung dann eine Andruckeinrichtung, bspw. eine Andruckrolle ist. Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung in dem Faserlegekopf integriert.
-
Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit einer Faserlegeanlage gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Faserlegeanlage zum automatisierten Legen von quasiendlosem Fasermaterial auf einem Werkzeug ausgebildet ist. Hierzu weist die Faserlegeanlage einen Bewegungsautomaten auf, an dessen einem Ende der kinematischen Kette als Endeffektor ein Faserlegekopf angeordnet ist. Außerdem weist die Faserlegeanlage einen Fasermaterialspeicher auf, der zum Bereitstellen des quasiendlosen Fasermaterials, das entlang einer Förderstrecke von dem Fasermaterialspeicher zu einer Andruckeinrichtung des Faserlegekopfes gefördert wird, vorgesehen ist. Außerdem ist ein Werkzeug vorgesehen, das eine formgebende Werkzeugoberfläche aufweist. Erfindungsgemäß weist die Faserlegeanlage innerhalb der Förderstrecke eine Fasertemperiereinrichtung wie vorstehend beschrieben auf, bspw. integriert in den Faserlegekopf.
-
Vorteilhafter Weise bildet dabei ein Teil der formgebenden Werkzeugoberfläche ein elektrisches Kontaktelement, bspw. in Form eines Gegenkontaktelementes, sodass bei Ablage von elektrisch leitfähigem Fasermaterial auf die formgebende Werkzeugoberfläche das Faserendlosmaterial mit dem elektrischen Kontaktelement der formgebenden Werkzeugoberfläche elektrisch kontaktiert wird.
-
Darüber hinaus ist vorteilhafter Weise eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Steuern der Bewegung eines oder mehrerer Führungselemente zum Verändern der Länge des jeweiligen Heizabschnittes und/oder zum Steuern der an die elektrischen Kontaktelemente mittels der elektrischen Energiequelle anzulegenden elektrischen Spannung in Abhängigkeit von einer Anzahl von bereits abgelegten Fasermateriallagen ausgebildet ist.
-
Darüber hinaus wird die Aufgabe auch mit einem Verfahren gemäß Anspruch 13 zum Temperieren eines kontinuierlich geförderten quasiendlosen Fasermaterials zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Temperiervorrichtung in einem Faserlegekopf nach einer ersten Ausführungsform;
- 2a, 2b schematische Darstellung der Temperiervorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform;
- 3 schematische Darstellung einer Temperiervorrichtung nach einer dritten Ausführungsform.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung der Temperiervorrichtung 10, mit der ein kontinuierlich gefördertes Fasermaterial 11 in Förderrichtung RF gefördert und dabei temperiert werden soll. Die in 1 gezeigte Temperiervorrichtung 10 ist dabei Bestandteil eines übergeordneten Faserlegekopfes (nicht dargestellt), um das quasiendlose Fasermaterial 11 auf einem Formwerkzeug 12 ablegen zu können.
-
Der Einfachheit halber wird nachstehend die elektrische Energiequelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung nicht dargestellt und durch die bekannten Symbole + und - als positive angelegte Spannung und negativ angelegte Spannung in der schematischen Darstellung ersetzt. Das Gegenkontaktelement hat dabei immer eine zu den anderen elektrischen Kontaktelementen verschiedene elektrische Spannung. Die in den Figuren verwendeten Symbole + und - sind dabei auch jeweils wechselseitig vertauschbar. Die elektrische Energiequelle kann dabei sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom bereitstellen.
-
In der 1 ist des Weiteren eine Andruckrolle 20 dargestellt, die Bestandteil des Faserlegekopfes ist und das Faserendlosmaterial 11 auf das Formwerkzeug 12 drückt und dort schlussendlich ablegt.
-
Wie in 1 zu erkennen ist, wird auf dem Formwerkzeug 12 eine mehrlagige Preform 13 aufgebaut, die aus mehreren Lagen abgelegten Fasermaterials besteht. Dabei nimmt mit jeder abgelegten Lage Fasermaterial die Dicke der Preform 13 zu, d.h. der Abstand zwischen der Andruckrolle 20 und dem Formwerkzeug 12 vergrößert sich.
-
Die Temperiereinrichtung 10 weist des Weiteren ein erstes Führungselement 21 auf, an dem das quasiendlose Fasermaterial 11 kontaktbehaftet entlang geführt wird. Mit Hilfe des ersten Führungselementes 21 wird dabei eine Umlenkung des Fasermaterials 11 in Richtung eines zweiten Führungselementes 22 bewirkt, wobei mit Hilfe des zweiten Führungselementes 22 eine Umlenkung des Fasermaterials in Richtung der Andruckrolle 20 bewirkt wird. Mit Hilfe der Andruckrolle 20 wird das Fasermaterial 11 schließlich auf das Formwerkzeug 12 bzw. die bereits dort abgelegten Fasermaterialien der herzustellenden Preform 13 aufgedrückt und abgelegt.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist das erste Führungselement 21 ein erstes elektrisches Kontaktelement 31 auf, das an dem Umfang des als Rolle ausgebildeten ersten Führungselementes 21 in Form eines elektrischen Kontaktes bzw. einer elektrischen Kontaktelektrode 31 angeordnet ist. Das erste Führungselement 21 ist somit im Ausführungsbeispiel der 1 damit gleichzeitig auch ein erstes elektrisches Kontaktelement 31 zur elektrischen Kontaktierung des Faserendlosmaterials 11.
-
Ein zweites elektrisches Kontaktelement 32 wird dabei durch die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 12 gebildet, bspw. durch eine elektrisch leitfähige Werkzeugoberfläche. Das Formwerkzeug 12 mit seiner elektrisch leitfähigen Oberfläche als zweites elektrisches Kontaktelement 32 ist somit das mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 zusammenwirkende Gegenkontaktelement 30, um so einen Stromfluss in einem Bereich des Fasermaterials zu bewirken.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird ausgehend von dem ersten Führungselement 21 mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 entlang des quasiendlosen Fasermaterials 11 über das zweite Führungselement 22 hin zur Andruckrolle 20 und dann durch die mehreren Lagen bereits abgelegten Fasermaterials der Preform 13 bis zum Gegenkontaktelement 30 ein Heizabschnitt 40 gebildet, in dem durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 und dem Gegenkontaktelement 30 ein Stromfluss bewirkt werden kann.
-
Basierend auf dem Stromfluss und dem elektrischen Widerstand des Fasermaterials innerhalb des Heizabschnittes 40 wird das Fasermaterial 11 im Heizabschnitt 40 temperiert, d.h. erwärmt bzw. aufgeheizt, wobei der Energieeintrag insbesondere abhängig ist von der Länge des Heizabschnittes 40 sowie der angelegten elektrischen Spannung. Die Länge des Heizabschnittes 40 hat dabei Einfluss auf den Streckenwiderstand, wodurch der Energieeintrag mitbestimmt wird.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 weist das zweite Führungselement 22 kein elektrisches Kontaktelement auf und ist darüber hinaus, wie in 1 durch die Pfeile gezeigt, in die durch die Pfeile definierten Richtungen bewegbar ausgebildet, sodass die Länge des Heizabschnittes 40 vergrößert oder verringert werden kann. Das zweite Führungselement 22 ist dabei insbesondere gegenüber dem ersten Führungselement 21 sowie der Andruckrolle 20 bewegbar ausgeführt, d.h. das zweite Führungselement 22 kann gegenüber dem ersten Führungselement 21 und der Andruckrolle 20 eine Relativbewegung ausführen. Nicht gemeint ist hierbei die Bewegung des zweiten Führungselementes 22 basierend auf einer Gesamtbewegung des Faserlegekopfes in einer absoluten Betrachtungsweise.
-
Bei einem kontinuierlichen Ablegeprozess, so wie er in 1 schematisch angedeutet ist, nimmt die Dicke der Preform 13 mit zunehmender Anzahl der Lagen abgelegten Fasermaterials zu. Hierdurch ergibt sich der Effekt, dass bei der Konstellation des Ausführungsbeispiels der 1, bei der das Formwerkzeug das Gegenkontaktelement 30 bildet, sich die Länge des Heizabschnittes 40 auch ohne Bewegung des zweiten Führungselementes 22 vergrößert, da mit zunehmender Anzahl abgelegter Fasermaterialien der Preform 13 die Dicke der Preform 13 zunimmt und sich somit der Abstand zwischen dem Andruckpunkt der Andruckrolle 20 und dem Formwerkzeug 12 vergrößert. Mit Zunahme der Anzahl der abgelegten Fasermaterialien wird jedoch der Gesamtwiderstand des Heizabschnittes 40 insgesamt größer (meist überproportional zu der Längenzunahme), da mit jeder Lage ein weiterer Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Lagen hinzukommt, der den Gesamtwiderstand des Heizabschnittes beeinflusst.
-
Mittels des bewegbaren zweiten Führungselementes 22 kann nun der Heizabschnitt 40 in der Förderstrecke so angepasst werden, dass die Länge des Heizabschnittes 40 in der Förderstrecke des Faserendlosmaterials 11 verringert wird, sodass der Gesamtwiderstand des Heizabschnittes 40, der sich aus dem Heizabschnitt in der Förderstrecke einerseits und dem Heizabschnitt zwischen der Andruckrolle 20 und dem Formwerkzeug 12 andererseits bestimmt, mit Zunahme der Lagenanzahl im Wesentlichen gleichbleibt.
-
Oder anders formuliert, durch eine Bewegung des zweiten Führungselementes 22 kann der Streckenwiderstand zwischen dem ersten Führungselement 21 und der Andruckrolle 20 im Andruckpunkt an den steigenden Streckenwiderstand zwischen dem Andruckpunkt der Andruckrolle 20 und dem Formwerkzeug 12 angepasst werden, sodass der Gesamtstreckenwiderstand im Wesentlichen gleichbleibt.
-
Mittels der Bewegung des zweiten Führungselementes 22 lässt sich darüber hinaus auch die Heizrate (bspw. K/s) beeinflussen, so dass bspw. bei Start/Stopp Vorgängen die Heizrate im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn sich die Länge des Heizabschnittes 40 an die vorherrschende Fördergeschwindigkeit des Fasermaterials anpasst.
-
Die 2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Temperiereinrichtung 10, bei dem das erste Führungselement 21 sowie das zweite Führungselement 22 jeweils ein elektrisches Kontaktelement aufweisen, nämlich das erste Führungselement 21 das erste elektrische Kontaktelement 31 und das zweite Führungselement 22 ein zweites elektrisches Kontaktelement 32. Des Weiteren ist ein drittes elektrisches Kontaktelement 33 vorgesehen, das durch die elektrisch leitfähige Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 12 gebildet wird.
-
Das zweite elektrische Kontaktelement 32 ist dabei als Gegenkontaktelement ausgebildet, an das eine zu dem ersten Kontaktelement 31 und dritten Kontaktelement 33 verschiedene elektrische Spannung angelegt wird.
-
Zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 32 wird somit ein Abschnitt definiert, in dem ein Stromfluss in dem Fasermaterial 11 bewirkt wird, wenn eine entsprechende elektrische Spannung an dem ersten und zweiten elektrischen Kontaktelement angelegt wird. Demnach wird zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 32 ein erster Heizabschnitt 41 gebildet. Zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktelement 32 und dem dritten elektrischen Kontaktelement 33 des Formwerkzeuges 12 wird ebenfalls ein Stromfluss bei Anlegen einer elektrischen Spannung bewirkt, sodass hier ein zweiter Heizabschnitt 42 definiert wird.
-
Im Ausführungsbeispiel der 2a ist dabei der Streckenwiderstand des ersten Heizabschnittes identisch zu dem Streckenwiderstand des zweiten Heizabschnittes oder steht in einem festen Verhältnis zueinander. Nach mehreren abgelegten Faserlagen der Preform 13, wie dies in 2b gezeigt ist, verändert sich der Streckenwiderstand des zweiten Heizabschnittes 42 (zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktelement 32 und dem dritten elektrischen Kontaktelement 33), was in einem längeren Weg des Stromflusses einerseits und einer Zunahme des Gesamtkontaktwiderstandes zwischen den einzelnen Lagen Fasermaterial andererseits resultiert.
-
Um dies auszugleichen, ist das erste Führungselement 21 mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 bewegbar ausgebildet, sodass die Länge des ersten Heizabschnittes 41 vergrößert werden kann. Durch die Vergrößerung der Länge des ersten Heizabschnittes 41 wird auch der Streckenwiderstand des ersten Heizabschnittes 41 vergrößert, sodass eine Vergrößerung des Streckenwiderstandes des zweiten Heizabschnittes 42 durch eine Bewegung des ersten Führungselementes 21 und einer damit einhergehenden Vergrößerung des Streckenwiderstandes des ersten Heizabschnittes 41 kompensiert werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass beide Heizabschnitte 41 und 42 einen im Wesentlichen gleichbleibenden, ähnlichen (innerhalb einer Toleranz) oder in einem festen Verhältnis stehenden Streckenwiderstand aufweisen.
-
3 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Temperiereinrichtung in Art eines Tänzersystems angeordnet ist. Auch hierbei ist ein erstes, zweites und drittes elektrisches Kontaktelement 31, 32 und 33 vorgesehen, die jeweils an einem Führungselement 21, 22 und 23 angeordnet sind. Das elektrische Kontaktelement 32 an dem zweiten Führungselement 22 ist dabei wieder als Gegenkontaktelement ausgebildet. Das zweite Führungselement 22 weist dabei einen Umschlingungswinkel des Fasermaterials 11 auf, der größer ist als 90° und kleiner als 190° ist.
-
Die Führungselemente 21 und 23 sind dabei feststehend vorgesehen, während das Führungselement 22 bewegbar ausgebildet ist. Durch eine Bewegung des Führungselementes 22 an dem unteren Rand der 3 wird dabei der zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 31 und zweiten elektrischen Kontaktelement 32 gebildete erste Heizabschnitt 41 sowie der zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktelement 32 und dem dritten elektrischen Kontaktelement 33 gebildete zweite Heizabschnitt 42 simultan vergrößert, wodurch beide Heizabschnitte 41 und 42 durch eine einzige Bewegung des zweiten Führungselementes 22 in ihrer Länge veränderbar sind. Der Streckenwiderstand lässt sich somit für beide Heizabschnitte 41 und 42 gleichlaufend regeln.
-
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es darüber hinaus denkbar, dass das Führungselement 22 keine elektrischen Kontaktelemente aufweist und somit ein Stromfluss von dem Kontaktelement des ersten Führungselementes 21 zum Kontaktelement des zweiten Führungselementes 22 erzeugt wird. Durch eine Bewegung des zweiten Führungselementes 22 kann dabei der Streckenwiderstand der gesamten Heizstrecke verändert werden, wobei hier die Länge der Bewegung des zweiten Führungselementes 22 zu einer Verdoppelung der Gesamtlänge des Gesamtheizabschnittes führt. Hierdurch lassen sich große Längenänderungen durch einen kleinen Bewegungsraum abbilden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Temperiereinrichtung
- 11
- quasiendloses Fasermaterial
- 12
- Formwerkzeug
- 13
- Preform
- 20
- Andruckrolle
- 21
- erstes Führungselement
- 22
- zweites Führungselement
- 23
- drittes Führungselement
- 30
- Gegenkontaktelement
- 31
- erstes elektrisches Kontaktelement
- 32
- zweites elektrisches Kontaktelement
- 33
- drittes elektrisches Kontaktelement
- 40
- Heizabschnitt
- 41
- erster Heizabschnitt
- 42
- zweiter Heizabschnitt
- RF
- Förderrichtung
