DE102016208620A1

DE102016208620A1 - Vorrichtung zum Spreitzen eines Faserbündels, insbesondere eines Carbon-Faserbündels

Info

Publication number: DE102016208620A1
Application number: DE102016208620.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Reich
Original assignee: Lindauer Dornier GmbH
Current assignee: Lindauer Dornier GmbH
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2017-11-23
Also published as: TW201809387A; WO2017198572A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Spreizen zumindest eines Faserbündels 2, insbesondere eines Carbon-Faserbündels, beschrieben, welche ein Spreizmodul 1 aufweist, welches einen Streichbalken 3 aufweist, welcher bzgl. seiner Längsachse 4 quer zur Zuführrichtung des zu spreizenden Faserbündels 2 angeordnet ist und auf welchen mittels eines Aktuators 5 eine Schwingung aufbringbar ist. Das zumindest eine Faserbündel 2 wird in einem definierten Umschlingungswinkel über eine auf dem Streichbalken 3 ausgebildete Wirkfläche geführt. Der Streichbalken 3 weist eine Einspannung 6 auf, welche versetzt zur Längsachse 4 des Streichbalkens 3 angeordnet ist und zusammen mit einem zwischen der Einspannung 6 und dem Streichbalken 3 angeordneten zweigeteilten elastischen Element 8 ein Schwingsystem 7 bildet. Das Schwingsystem 7 ist so ausgebildet, dass die dem Streichbalken 3 aufgeprägte Schwingung mit ihrer Amplitude im Wesentlichen nur in eine definierte Richtung vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht auf die Spreizebene des Faserbündels 2 ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spreizen eines Faserbündels, insbesondere eines Carbon-Faserbündels, mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Die Faserbündel werden als sogenannte Kabel oder Rovings von Spulen geliefert und weisen eine Vielzahl von Filamenten auf. Innerhalb einer Harzmatrix sind es lediglich die Filamente aus den Faserbündeln, welche bei einem späteren fertigen Komposit-Bauteil die Trageigenschaften bestimmen. Aus Kostengründen und aus Gründen einer gleichmäßigen Belastungsmöglichkeit der Bauteile wird versucht, die zu Kabeln oder Strängen zusammengefassten Filamente so zu spreizen, dass beispielsweise auch mehrere zunächst nebeneinander angeordnete Faserbündel zu einer im Wesentlichen geschlossenen Bahn gespreizt werden. Daher werden die Faserbündel mittels Vorrichtungen zum Spreizen auf ein niedrigeres Flächengewicht bei gleichmäßiger Verteilung der Filamente in der Fläche gespreizt. Diese Vorrichtungen weisen ein Spreizmodul mit einem Streichbalken oder einer Streichwalze auf, über welchen bzw. über welche die zu spreizenden Faserbündel geführt und dabei gespreizt werden. Es ist ebenfalls bekannt, dass mittels eines Aktuators auf den Streichbalken bzw. die Streichwalze eine Schwingung aufbringbar ist, so dass über eine Wirkfläche, welche den Kontaktbereich der Faserbündel an der Oberfläche des Streichbalkens oder der Streichwalze definiert, das Faserbündel spreizbar ist. Durch die dem Streichbalken bzw. der Streichwalze aufgeprägte Schwingung gelingt es, die Faserbündel, welche auch als Filamentbündel bezeichnet werden, noch effektiver zu spreizen, als dies bei Vorrichtungen mit Walzensystemen ohne aufgeprägte Schwingung gelingt.
So sind in EP 1 172 191 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Spreizen von Faserbündeln für sogenannte „Prepregs” beschrieben. Sogenannte Prepregs sind mit einer Harzmatrix getränkte, gespreizte Faserbündel aufweisende Elemente. Für die Herstellung ist bei der bekannten Vorrichtung bzw. bei dem bekannten Verfahren ein Abzug von mehreren Faserbündeln von mehreren Vorratswalzen über einen Vorwärmer zu einem der eigentlichen Spreizung dienenden Walzensystem erforderlich, von wo die gespreizten Faserbündel einer Harzimprägniervorrichtung zur Herstellung der Prepregs zugeführt werden. Die mehreren Walzen des Walzensystems werden von den Faserbündeln abwechselnd teilweise umschlungen, wobei eine feststehende Walze in eine definierte Vibration versetzt wird. In der sich daran anschließenden Harzimprägniervorrichtung werden die gespreizten Faserbündel sozusagen in ihrer gespreizten Form fixiert. Zur Vergleichmäßigung der Spannungsvariation, welche auf die Faserbündel wirken, ist in der Regel eine Tänzerrolle vorgesehen. Diese führt zwar gewisse Spannungsausgleichsbewegungen durch, weist aber eine undefinierte und relativ große Bewegung in mehrere Richtungen auf, da sie keine feste und definierte Lagerung aufweist.
In US 5 371 92 ist ein Rollensystem zum Zuführen von Faserbündeln zu einer Nadelmaschine beschrieben, bei welchem zum Spannungsausgleich eine Zuführwalze mit einer freihängenden und demzufolge nicht geführten Zugfeder verbunden ist.
In EP 1 174 533 B1 soll das Spreizen durch Anregen einer Walze, über welche das zu spreizende Faserbündel geführt ist, in deren axialer Richtung erzielt werden.
In EP 0 292 266 A2 ist eine Vorrichtung zum Spreizen eines Faserbündels einschließlich der Herstellung so genannter Prepregs beschrieben. Das zu spreizende Faserbündel wird über eine Walzenanordnung geführt und durch mehrfache Umlenkungen allmählich gespreizt. In dem Walzensystem ist zumindest eine Rolle vorgesehen, welcher eine Schwingung aufgeprägt wird, um das Spreizen zu unterstützen. Diese vibrierende Spreizwalze ist federnd derart gelagert, dass sie die Funktion einer Tänzerwalze ausübt bzw. entsprechend der elastischen Federcharakteristik der Federlagerung sich relativ frei im Raum bewegen kann. Diese vibrierende Spreizwalze ist in einem Behälter für Pulverharz vorgesehen, in welchem das gespreizte Faserbündel mit Harz beschichtet wird, welches in einem nachfolgenden Heizofen zur Herstellung der Prepregs vorfixiert wird. Zwar ist angesprochen, dass die Schwingungsrichtung vorzugsweise senkrecht auf die Kontaktfläche beim Überstreichen des Faserbündels über diese Rolle gerichtet sein soll, es wird jedoch herausgestellt, dass dies nicht so wichtig ist. Die federnde Lagerung führt jedoch dazu, dass eine definierte Richtung der Schwingung seitens der vibrierenden Spreizwalze auf das zu spreizende Faserbündel nicht ausgeübt werden kann. Dadurch leidet die Qualität des Spreizvorganges.
In WO 2014/100586 A1 ist eine Vibrationsspreizeinrichtung zum Spreizen von unidirektionalen Fasern beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung besteht aus einem System mehrerer Walzen, von denen der eigentliche Spreizbalken entweder in der Mitte oder an den Längsenden und in der Mitte oder nur an den Enden mittels Aktuatoren schwingungsbeaufschlagt wird. Der Spreizbalken ist an seinen Endbereichen mittels Halterungen eingespannt, welche steif oder nachgiebig sein können, insbesondere aus Gummi ausgebildet sein sollen. Bei einer steifen Ausbildung sind die auf den Streichbalken aufzubringenden Amplituden der Schwingung von vornherein stark beschränkt. Eine solche Ausbildung ist eher für hochfrequente Schwingungen kleinster Amplituden geeignet. Bei der Ausbildung der Halterungen aus Gummi führt dies bei einer Schwingungsanregung des Streichbalkens zu einer nicht definierten Richtung der Schwingungsamplitude im Raum, was nachteilig für die Erzielung guter Spreizergebnisse ist. Bei diesem bekannten Stand der Technik ist zwar angesprochen, dass die Vibrationsanregung in Längsrichtung des Streichbalkens oder senkrecht zu dem Streichbalken oder als eine Kombination davon ausgeprägt sein kann. Wie dies mit einem Gummipuffer erreicht werden soll, ist jedoch nicht beschrieben.
Bei den bekannten Vorrichtungen werden zur Lagerung der eingesetzten Schwingsysteme, wofür häufig Kolben, Vibratoren oder Vibrationsmotoren eingesetzt werden, Elastomerbauteile, d. h. sogenannte Gummipuffer, eingesetzt. Nachteilig bei diesen Elastomerbauteilen ist deren geringe Steifigkeit und die Tatsache, dass sie sich nicht präzise ausrichten lassen. Auch verlieren sie über eine relative kurze Betriebszeit an Formbeständigkeit, was mit einer Alterung des eingesetzten Elastomermaterials zusammenhängt. Besonders nachteilig bei den für die bekannten Systeme eingesetzten Elastomerbauteilen ist jedoch, dass damit definierte Schwingungsebenen und Steifigkeiten weder einstellbar noch erzielbar sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile der Elastomermaterialien und zur Erzielung einer relativ hohen Steifigkeit und einer möglichst genauen Ausrichtgenauigkeit der einzelnen Komponenten zueinander sind bei den Lagerungssystemen der bekannten Bauart in konventioneller Weise gleit- oder kugellager-geführte Systeme eingesetzt. Diese verschleißen jedoch bei den für den Spreizvorgang erforderlichen Schwingungen hoher Frequenzen und kleiner Amplituden in relativ kurzer Zeit.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zum Spreizen eines Faserbündels bereitzustellen, mittels welcher die einzelnen Elemente der Vorrichtung in definierten Richtungen eine definierte Steifigkeit aufweisen, sehr genau zueinander und bezüglich der zu spreizenden Faserbündel ausrichtbar sind, welche keinen Alterungsprozessen wie bei Elastomermaterialien unterliegen und welche demzufolge keinen Verlauf der gespreizten einzelnen Faserbündel zulassen, mithin eine qualitativ hochwertige Spreizung der Faserbündel zuverlässig über lange Zeiträume ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Spreizen eines Faserbündels mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zum Spreizen von Faserbündeln, und zwar insbesondere von Carbon-Faserbündeln. Die zu spreizenden Faserbündel liegen in der Regel in der Art von Rovings vor und sind auf Vorratsspulen aufgewickelt, von denen sie zum Zwecke des Spreizens abgewickelt werden. Das Spreizen der Rovings dient dazu, ein geringeres Flächengewicht und eine bessere Homogenisierung der Filamente in den späteren sogenannten Kompositwerkstoffen zu gewährleisten. Die gespreizten Faserbündel werden entweder in mehreren Schichten mit jeweils unidirektionaler Ausrichtung übereinander abgelegt und anschließend beispielsweise durch Nähstationen oder Wirkstationen fixiert oder werden verwebt, wodurch bereits die entsprechende Fixierung gegeben ist. Diese sogenannten trockenen Vorprodukte werden vor ihrem unmittelbaren Einsatz durch Tränken mit einer Harzmatrix zu sogenannten Prepregs weiterverarbeitet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Spreizmodul mit zumindest einem Streichbalken auf, welcher bezüglich seiner Längsachse quer zur Zuführrichtung des zu spreizenden Faserbündels angeordnet ist. Das bedeutet, dass das zu spreizende Faserbündel oder die zu spreizenden Faserbündel über den Streichbalken geführt werden. Dabei überstreicht das Faserbündel den Streichbalken auf seiner Oberfläche über eine dort ausgebildete Wirkfläche in einem definierten Umschlingungswinkel. Die Wirkfläche ist dabei die Fläche, welche den Kontaktbereich des gespreizten Faserbündels auf dem Spreizbalken darstellt. In das – in der Wirkfläche den Spreizbalken berührend – überstreichende Faserbündel wird zum Zwecke des Spreizens die an den Spreizbalken übertragene Schwingung eingeleitet. Zur Spreizung des Faserbündels ist auf den Streichbalken mittels eines Aktuators eine Schwingung aufbringbar. Erfindungsgemäß ist ein Schwingsystem vorgesehen, welches den Streichbalken und eine zur Längsachse des Streichbalkens versetzt angeordnete Einspannung aufweist. Dieses Schwingsystem weist zwischen dem Streichbalken und der Einspannung ein elastisches Element auf, das so ausgebildet ist, dass die Schwingung, welche dem Streichbalken mittels des Aktuators aufgeprägt ist, mit ihrer Amplitude im Wesentlichen nur in eine definierte Richtung schwingt. Diese definierte Richtung ist vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht auf die Wirkfläche des Faserbündels ausgerichtet. Sie kann jedoch variieren, und zwar vorzugsweise so, dass sie innerhalb der Wirkfläche aber vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu dieser auf dem Streichbalken liegt. Das elastische Element ist so ausgebildet bzw. so anpassbar, dass es in Richtung der Schwingungsamplitude elastisch federnd, zumindest in der orthogonal dazu verlaufenden Richtung steif ausgebildet ist.
Der wesentliche Vorteil dieses erfindungsgemäßen Schwingsystems der Vorrichtung besteht nun darin, dass über die Dimensionierung und geometrische Auslegung des elastischen Elements nicht nur eine exakte und wiederholbare Amplitude und Frequenz einer Schwingung einstellbar und auf den Streichbalken ausübbar ist, es ist darüber hinaus auch möglich, die Schwingungsamplitude in eine gewünschte definierte Richtung wirken zu lassen. Vorzugsweise ist diese Richtung eine Richtung, welche senkrecht zur Laufrichtung des zu spreizenden Faserbündels ist. Dabei wird unter senkrecht zur Faserlaufrichtung verstanden, dass diese Schwingungsamplitude vorzugsweise senkrecht zur und damit auf die Wirkfläche des Faserbündels gerichtet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass von einer senkrechten Ausrichtung für definierte Anwendungsfälle eine abweichende Richtung der Schwingungsamplitude einstellbar ist. Die Wirkrichtung der Schwingungsamplitude liegt vorzugsweise innerhalb der Wirkfläche auf dem Streichbalken.
Vorzugsweise ist die Einspannung so ausgebildet, dass sie Federkräfte des elastischen Elementes aufnehmen kann. Derartige Einspannungen sind Einspannungen, bei welchen eine Seite des elastischen Elementes im Sinne einer mechanischen festen, vorzugsweise elastische Kräfte aufnehmenden Einspannung fest eingespannt ist, während die andere Seite die elastische Schwingung nach entsprechender Anregung ausführt und an den Streichbalken überträgt, vorzugsweise über ein zwischengeschaltetes Übertragungselement. Das elastische Element ist vorzugsweise als je ein Bauelement an jeder Seite des Streichbalkens mit jeweiliger Einspannung ausgebildet, kann aber auch einteilig als ein einziges Bauelement ausgebildet sein. Ebenso können auch mehr als zwei elastische Elemente vorgesehen sein.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein seitliches Verlaufen einer gespreizten Bahn zumindest weitgehend vermieden wird, und zwar ebenso wie eine für ein späteres Komposit-Endprodukt schädliche Gassenbildung zwischen Filamenten des gespreizten Faserbündels.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass das elastische Element von der Längsachse des Streichbalkens bzw. der Längsachse des von dem zu spreizenden Faserbündel überstrichenen Elementes insoweit lageentkoppelt ist, als es nicht mit dieser Längsachse zusammenfällt. Abgesehen davon, dass bei derartigen hohen Frequenzen und geringen Amplituden auf ansonsten relativ rasch verschleißende Gleit- oder Wälzlager gänzlich verzichtet werden kann, wird auch auf den Einsatz von Elastomeren als sogenannte Gummipuffer verzichtet, so dass eine nahezu verschleißfreie Lagerung vorliegt. Verschleißfrei ist in diesem Zusammenhang auch als einer Alterung nicht unterliegend anzusehen, jedenfalls solange, wie eine entsprechende Dauerfestigkeit bei der Dimensionierung berücksichtigt worden ist.
Vorzugsweise ist das elastische Element eine Feder, welche als Torsionsstab oder als eine Blattfeder ausgebildet ist. Der Torsionsstab einschließlich seines Übertragungselementes zum Streichbalken wie auch das als Blattfeder ausgebildete elastische Element sind dabei in Richtung der Amplitude der Schwingung elastisch federnd bzw. biegeelastisch, jedoch zumindest in der dazu orthogonal verlaufenden Richtung steif bzw. biegesteif ausgebildet. Das elastische Element gibt also sozusagen die Schwingungsebene frei und blockiert alle anderen oder zumindest eine davon verschiedene, wobei die Schwingungsebene die Wirkfläche schneidet. Dadurch ist es möglich, die Richtung der Amplitude der Schwingung bezüglich einer Spreizebene des Faserbündels beim Überstreichen der Wirkfläche des zum Spreizmodul gehörenden Streichbalkens genau zu definieren und je nach Anwendungsfall auszurichten. Vorzugsweise wird die Richtung der Schwingung senkrecht auf die Spreizebene des Faserbündels eingestellt. Dies ist beispielsweise durch Dimensionierung des Widerstandsmoments eines zwischen dem elastischen Element und dem Streichbalken vorhandenen Übertragungselementes möglich. Vorzugsweise ist der Torsionsstab oder die Blattfeder aus einem federelastischen Material, insbesondere aus Metall, insbesondere aus Federstahl, ausgebildet.
Die Spreizebene stellt die Ebene dar, welche das Faserbündel bei erfolgtem Spreizen aufspannt. Beim Überstreichen der gekrümmten Oberfläche des Streichbalkens ergibt sich eine der Krümmung von dessen Oberfläche entsprechend gekrümmte Spreizfläche, welche in einem Walzensystem oder nach einem solchen wieder zu einer definitionsgemäßen ebenen Fläche, der Spreizebene, wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Element so angeordnet und gehalten, dass die von dem elastischen Element bewirkten Federkräfte über das Übertragungselement auf beide Längsenden des Streichbalkens wirken. Dadurch wird eine vergleichsmäßigte Einleitung der elastischen Schwingungen, angeregt durch den Aktuator, auf den Streichbalken realisiert. Die Übertragungselemente sind vorzugsweise unmittelbar an den Enden des Streichbalkens befestigt bzw. mit diesen verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Übertragungselemente von den Enden des Streichbalkens entfernt in Richtung auf dessen Mitte an diesem angebracht sind.
Vorzugsweise ist das als Torsionsstab ausgebildete elastische Element einteilig ausgebildet, wobei durch eine mittige Halterung die Federkraft vom elastischen Element symmetrisch auf die beiden Längsenden des Streichbalkens ausgeübt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass das elastische Element zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet ist. Bei einer einteiligen Ausbildung wird der Montageaufwand verringert, während bei einer zwei- oder mehrteiligen Ausbildung die Montage gegebenenfalls einfacher durchgeführt werden kann. Durch geeignete Wahl des Querschnitts des elastischen Elements wird nicht nur ein gezieltes Schwingungsverhalten erreicht bzw. definiert; es wird auch die Eigenfrequenz des Schwingungssystems gezielt beeinflusst. Über die Masse des Streichbalkens kann diese auch oder zusätzlich beeinflusst werden. Bei entsprechender Wahl der Anregungsfrequenz des Aktuators können somit gezielt Resonanzen des Schwingsystems vermieden werden.
Gemäß einer Weiterbildung verläuft die Richtung der Schwingungsamplitude des Streichbalkens auf einer Kreisbahn mit einem Radius, welcher dem Abstand der Längsachse des Streichbalkens zu der parallel dazu verlaufenden Längsachse der Einspannung entspricht. Zwar handelt es sich bei der in seitlicher Ansicht vorhandenen Kreisbahn der durch die Schwingungsamplitude sich ergebenden Bewegung des Streichbalkens um eine geometrische Kreisbahn. Wegen der geringen Amplitude für die zur Spreizung erforderlichen Schwingung des Streichbalkens kann jedoch von einer in einer nicht gekrümmten Fläche, d. h. in einer Ebene liegenden Schwingungsamplitude, zumindest in vertretbar genauer näherer Betrachtung, ausgegangen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der Streichbalken als Streichwalze, dabei insbesondere als Rolle, ausgebildet. Dies ist vor allen Dingen dann von Vorteil, wenn der Streichbalken bzw. die Streichwalze vorzugsweise bezüglich seiner bzw. ihrer Längsachse drehbar ist. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Drehbewegung steuerbar ausgebildet ist. Durch die steuerbar drehbare Ausbildung der Streichwalze ist es möglich, zusätzlich zur Schwingung eine Relativbewegung der Streichwalze zu der des gespreizten Faserbündels beim Überstreichen derselben in dessen Laufrichtung zu realisieren. Über diese Relativbewegung kann über den zusätzlichen Reibungseinfluss zwischen Wirkfläche der Streichwalze bzw. des Streichbalkens und dem gespreizten oder in Spreizung befindlichen Faserbündel zum weiteren Spreizen ein positiver Einfluss auf das Spreizen ausgeübt werden.
Vorzugsweise ist der Aktuator zur Erzeugung der Schwingung baryzentrisch in Längsrichtung des Streichbalkens angeordnet. Vorzugsweise ist es auch möglich, dass anstelle eines zentralen Aktuators zumindest zwei Teilaktuatoren mit vorzugsweise synchronisierter Anregung vorgesehen sind, deren resultierende Anregung baryzentrisch auf den Streichbalken wirkt. Die jedenfalls baryzentrische Anordnung der resultierenden Anregung des Aktuators bzw. der Aktuatoren auf den Streichbalken dient der besonders bevorzugten gleichmäßigen Einleitung der Schwingung in den Streichbalken bzw. in die Streichwalze, um eine hohe Qualität der Spreizung bei gleichmäßigem Flächengewicht der Filamente der jeweiligen Faserbündel bzw. in der Ebene des zu einer geschlossenen Fläche gespreizten Faserbündels zu bewirken.
Das Spreizmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise mit einer derartigen Breite versehen, dass zumindest zwei Faserbündel gleichzeitig spreizbar sind, welche derartig spreizbar sind, dass am Auslauf des Spreizmoduls eine im Wesentlichen geschlossene Faserlage vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass mehr als zwei Faserbündel mittels des Spreizmoduls gleichzeitig gespreizt werden, so dass beim Spreizmodul letztlich dessen Breite für das Spreizen der Faserbündel im Wesentlichen voll ausgenutzt werden kann.
Vorzugsweise weist das Spreizmodul einen Streichbalken auf, welcher bezüglich seiner Drehzahl über einen Antrieb so steuerbar ist, dass dessen Umfangsgeschwindigkeit von der Zuführgeschwindigkeit des zumindest einen Faserbündels abweicht. Wenn die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Oberfläche des Streichbalkens bzw. der Streichwalze bewegt, und die Laufgeschwindigkeit des Faserbündels beim Überstreichen des Streichbalkens relativ zueinander voneinander abweichen, kann über die Geschwindigkeitsdifferenz eine zusätzliche Unterstützung für den eigentlichen Spreizvorgang eingestellt werden. Vorzugsweise ist der Antrieb zur Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit des drehbaren Streichbalkens über einen die tatsächliche Breite des gespreizten Faserbündels messenden Sensor gesteuert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Spreizmodul eine Gruppe von Rollen auf, welche in zumindest zwei voneinander beabstandeten Ebenen derart angeordnet sind, dass die Faserbündel im Wesentlichen zickzack-förmig um die Rollen herumgeführt sind, wobei der Streichbalken in diese Gruppe integriert ist. Unter „zickzack-förmig” ist dabei zu verstehen, dass das zu spreizende Faserbündel bei den oberen Rollen über deren nach oben weisende Wirkflächen und bei den untenliegenden Rollen über deren nach unten weisende Wirkflächen abwechselnd geführt sind.
Vorzugsweise ist das Spreizmodul zweifach in der Art einer Doppelanordnung ausgebildet. Dabei ist die zu spreizende Anzahl von Faserbündeln hälftig über jeweils einen des in der Doppelanordnung vorgesehenen Streichbalkens geführt, so dass zwischen den jeweils auf dem jeweiligen Streichbalken von den Faserbündeln fadenspannungsbedingt ausgeübten Kräften ein Kraftausgleich erfolgt. Diese Doppelanordnung mit gegenläufigem Überstreichen von gegenüberliegend angeordneten Streichbalken führt zu einer Vereinfachung der Konstruktion, da der Streichbalken keine die beim Überstreichen auf ihn ausgeübten Kräfte gesondert aufnehmen bzw. eine dazu erforderliche Konstruktion erfordert, sondern dass sich die Kräfte von beiden Streichbalken gegenseitig im Wesentlichen aufheben.
Bei vorzugsweise vorhandener zweifacher Doppelanordnung sind die Faserbündel in sich räumlich kreuzender Weise dem jeweiligen Streichbalken zuführbar, wobei im Bereich von deren Kreuzung Führungseinrichtungen vorgesehen sind, welche einen gegenseitigen Kontakt der sich kreuzenden Faserbündel vermeiden. Dies ist erforderlich, weil die feinen Filamente, aus welchen die Faserbündel bestehen, im Falle eines Aneinanderreibens leicht brechen und – abgesehen von erhöhtem Abrieb – sich dabei aufstellen würden. Dies kann zu Fehlern in der ausgespreizten Ebene der Faserbündel führen, was bei den späteren Komposit-Bauteilen zu Fehlern in der Tragfähigkeit führen könnte.
Da beim Überstreichen der zu spreizenden Faserbündel über die Wirkflächen der jeweiligen Streichbalken Abrieb entstehen kann, ist weiter vorzugsweise vorgesehen, dass die Streichbalken mit Absaugdüsen oder Absaugschlitzen versehen sind, und zwar vorzugsweise sowohl im Zulaufbereich der Faserbündel auf den Streichbalken als auch im Ablaufbereich von diesem. Das direkte Absaugen von Abrieb und kleinen Filamentteilchen verhindert eine allmähliche Verschmutzung des Spreizmoduls weitestgehend. Vorzugsweise erfolgt diese Funktionsintegration der Absaugvorrichtungen direkt im Bereich der durch die Faserbündel überstrichenen Wirkflächen am tangentialen Übergang von der Warenbahn zu dieser Wirkfläche.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung werden nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele auf Basis der beigefügten Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1a einen sogenannten Vibrationsbalken für eine Tape-Spreizanlage gemäß dem Stand der Technik;
1b eine Seitenansicht in Längsrichtung des Vibrationsbalkens gemäß 1a;
2a eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem geteilten Torsionsstab als elastischem Element eines Schwingsystems;
2b eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem einstückigen, zwischen den Übertragungselementen liegenden Torsionsstab als elastischem Element des Schwingungssystems;
2c eine Vorrichtung gemäß 2b, jedoch mit einem einstöckigen, zwischen und außerhalb von den Übertragungselementen sich erstreckenden Torsionsstab als elastischem Element des Schwingungssystems;
3a eine Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Vorrichtung gemäß 2 um vorgelagerte und nachgelagerte Rollen ergänzt ist;
3b die Vorrichtung gemäß 3a in Seitenansicht in prinzipieller Darstellung;
4 der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung gemäß 2, jedoch als Doppelanordnung zur Kompensation der in den jeweiligen Streichbalken durch die Faserbündel eingeleiteten Kräfte;
5 eine Tandemanordnung einer Vorrichtung gemäß 4 mit zwischen beiden Vorrichtungen über Kreuz geführten Faserbündeln;
6a eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Blattfeder als elastischem Element;
6b die Vorrichtung gemäß 6a in Seitenansicht;
7a eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel nach 6a, jedoch mit Torsionsstab als elastischem Element und zusätzlichen Dämpfungsgliedern;
7b die Vorrichtung gemäß 7a in Seitenansicht;
8a die Vorrichtung gemäß 7 mit einer Blattfeder als elastischem Element anstelle des Torsionsstabes gemäß 7;
8b die Vorrichtung gemäß 8a in Seitenansicht;
9 eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Vorrichtung gemäß 7a, jedoch ohne Dämpfungselemente, in Tandemanordnung zu einer Doppelanordnung hintereinander vorgesehen sind; und
10 eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem die in Tandemanordnung gemäß 9 vorgesehenen zwei einzelnen Vorrichtungen zu einer einzigen Vorrichtung verbunden sind.
In 1 ist ein bekanntes Spreizmittel 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Dieses Spreizmittel 1 weist einen Streichbalken 3 auf, über welchen ein zu spreizendes Faserbündel in der Art eines Rovings geführt ist. Das in 1 nicht dargestellte Faserbündel überstreicht dabei die obere gekrümmte Oberfläche des Streichbalkens 3 in einer ebenfalls nicht gekennzeichneten Wirkfläche. Das bedeutet, dass das zu spreizende Faserbündel die gekrümmte Oberfläche über einen definierten Umschlingungswinkel des Streichbalkens überstreicht. Dieser Streichbalken weist einen mittig angeordneten Schwingungsaktuator 5 auf, zu welchem beidseitig jeweils eine Linearführung 21 angeordnet und mit dem Streichbalken 3 verbunden ist. Die Linearführungen 21 beschränken die freie Schwingbarkeit der in den Endbereichen bzw. Längsenden 12 des Streichbalkens 3 vorgesehenen Elastomerelemente. Bezüglich der Mitte des Streichbalkens, bezogen auf seine Längsrichtung, ist der Aktuator 5 symmetrisch angeordnet. An den äußeren Enden, d. h. den jeweiligen Längsenden 12, ist der Streichbalken 3 mittels der Elastomerelemente, welche in Form von Gummipuffern 20 ausgebildet sind, abgestützt. Diese Gummipuffer 20 nehmen die durch den Aktuator 5 auf den Streichbalken 3 ausgeübten Schwingungen auf. Die an den Längsenden 12 des Streichbalkens 3 angeordneten Gummipuffer 20 schwingen im Rahmen ihrer Gestaltung in unterschiedliche Richtungen bzw. in unterschiedliche Ebenen. Wegen der relativ hohen Schwingungsfrequenzen bei moderaten Schwingungsamplituden von ca. 1 mm altert das Gummimaterial, so dass sich im Laufe des Betriebs die Schwingungsbedingungen für das zu spreizende Faserbündel ändern und wiederholbare gute Ergebnisse nur noch allenfalls eingeschränkt erzielbar sind. Diese bekannte Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in Seitenansicht in 1 b dargestellt. Erkennbar ist, dass aus Gründen der Veranschaulichung das Faserbündel 2 den Streichbalken 3 in einer Umschlingung 22 von 180° überstreicht.
In 2a ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eines Spreizmoduls 1 in Form eines Schwingsystems 7 dargestellt, bei welchem die Lagerung des Streichbalkens an seinen Längsenden 12 an einen Ort gelegt ist, welcher parallel zur Längsachse 4 des Streichbalkens 3 gelegt ist. Die Einspannung 6 des Streichbalkens 3 ist damit von dem eigentlichen Streichbalken 3 sozusagen lageentkoppelt. Dazu ist die Einspannung 6 an ein Ende eines als elastisches Element 8 ausgebildeten Torsionsstabes 10 gelegt, wobei die Schwingungen von an beiden Längsenden 12 des Streichbalkens im Wesentlichen starr verbundenen Übertragungselementen 23 an den Streichbalken 3 übertragen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 2 weist also ein Schwingsystem 7 auf, welches das zwischen der Einspannung 6 und dem Streichbalken 3 angeordnete elastische Element 8, 10 aufweist. Das elastische Element kann aus demselben Material gefertigt sein wie der Streichbalken, z. B. aus Federstahl. Es kann jedoch als Kompositbauteil z. B. aus Federstahl und Gummi ausgebildet sein, nicht aber ausschließlich aus einem Elastomer bzw. aus einem Gummi. Vorzugsweise besteht das elastische Element aus einem metallischen Werkstoff, aus Faserverbundwerkstoffen oder aus einer Kombination davon. Zum einen werden dadurch Alterungsvorgänge, welche ansonsten bei einem Elastomer – wie vorstehend beschrieben – vorhanden sind, im Wesentlichen ausgeschlossen. Zum anderen ist eine derartige Entkopplung der Einspannung 6 des elastischen Elementes 8 von den Längsenden 12 des Streichbalkens 3 dahingehend ausgesprochen vorteilhaft, dass die Lagerung des Streichbalkens nahezu verschleißfrei realisiert ist.
Der als elastisches Element 8 fungierende Torsionsstab 10 an beiden Seiten des Streichbalkens 3 ist für eine dynamische wechselnde Belastung ausgelegt. Durch die dem Fachmann bekannte geometrische Auslegung und Dimensionierung können die Steifigkeit in Richtung der Schwingung und die Ausrichtgenauigkeit bezüglich der Einbaulage hochgenau definiert werden. Die im Wesentlichen verschleißfreie Lagerung ist vor allen Dingen dann anzunehmen, wenn das elastische Element 8 entsprechend auf Dauerwechselfestigkeit ausgelegt ist. Unter verschleißfrei ist dabei zu verstehen, dass zwischen den Bauteilen des Schwingsystems keine mechanische Reibung stattfindet.
In 2b ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung gemäß 2a mit einem Torsionsstab als elastischem Element beschrieben, wobei der Torsionsstab zwischen den beiden Übertragungselementen, zwischen welchen der Streichbalken angeordnet ist, vorgesehen ist. Gegenüber 2b ist zusätzlich ein Dämpfungselement 26 vorgesehen, mittels welchem ebenfalls Einfluss auf die Eigenfrequenz des Schwingsystems genommen werden kann.
2c entspricht dem gemäß 2b, wobei der Torsionsstab als elastisches Element ebenfalls – wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 2b – einteilig ausgebildet ist, jedoch zwischen den Übertragungselementen 23 und außerhalb von diesen verläuft. Dieser Torsionsstab 10 ist in seinem Durchmesser so gewählt, dass eine bestimmte Torsionssteifigkeit erzielt wird. Diese Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz des Schwingsystems kann auch über die Länge des Torsionsstabes beeinflusst werden. Mit derartigen Ausgestaltungen kann bezüglich der Konstruktionen bezüglich der Dimensionierung des elastischen Elementes gezielt auf die Schwingungscharakteristik Einfluss genommen werden. Vor allen Dingen kann mit der Dimensionierung verhindert werden, dass das Schwingsystem bei den Frequenzen, welche für die Spreizung auf den Spreizbalken aufgeprägt werden sollen, nicht in die Nähe oder gar in eine Resonanz läuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 2a ist in prinzipieller Darstellung in Draufsicht in 3a und in Seitenansicht in 3b dargestellt, wobei gegenüber der in 2 dargestellten Ausbildung noch dem Streichbalken jeweils eine zusätzliche Rolle 17 vor – und nachgelagert ist. Die Rolle 17 vor dem Streichbalken wie auch die Rolle 17 nach dem Streichbalken sind Umlenkrollen für das Faserbündel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel nehmen diese Rollen nicht an der Spreizung des Faserbündels 2 teil. Die Rollen dienen lediglich dazu, das Faserbündel beim Überstreichen der vor dem Streichbalken angeordneten Rolle 17 zu stabilisieren und abzuflachen, so dass die spreizende Wirkung mit dem Streichbalken 3 erreicht werden kann. In der Draufsicht ist ersichtlich, wie beim Überstreichen des Streichbalkens 3 das Faserbündel 2 von einer Ausgangsbreite auf eine Endbreite gespreizt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Faserbündel dem Streichbalken 3 als wesentlichem Element des Spreizmoduls 1 zuzuführen, so dass nach Verlassen des Streichbalkens 3 die mehreren gespreizten Faserbündel zu einer geschlossenen Lage von gespreiztem Fasermaterial ausgebildet sind.
Prinzipiell kann der Streichbalken als feststehende Einrichtung betrieben werden, wobei unter feststehend nicht-rotierend verstanden wird. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Streichbalken an beiden Seiten jeweilige Antriebe (nicht dargestellt) auf, so dass der Streichbalken in Rotation versetzt werden kann. An beiden Seiten des Streichbalkens 3 sind außerdem Dämpfungselemente 26 vorgesehen. Wenn die gesteuerte Rotation des Streichbalkens von der Rotation der Rollen 17 abweicht, mithin eine Änderung der Umfangsgeschwindigkeit des Streichbalkens gegenüber der der Rollen 17 vorhanden ist, so kann diese Änderung der Umfangsgeschwindigkeit ebenfalls zu einer zusätzlichen Vergleichmäßigung und Spreizung des Faserbündels 2 beitragen. Der hauptsächliche Effekt der Spreizung des Faserbündels wird jedoch dadurch erreicht, dass die Streichwalze 3 über Übertragungselemente 23 mit beidseitig je einem elastischen Element 8 verbunden ist, welches bei diesem Ausführungsbeispiel als Torsionsstab 10 ausgebildet ist, und darüber mit einer Schwingung beaufschlagt wird. Dieser jeweilige Torsionsstab 10 ist in einer nicht dargestellten jeweiligen Einspannung 6 gehalten, wohingegen sein der Einspannung gegenüberliegendes Ende mit dem Übertragungselement 23 verbunden ist. Die Längsachse des Torsionsstabes 10 verläuft parallel zur Längsachse 4 des Streichbalkens, d. h. zwischen der Einspannung und dem Streichbalken weist das Schwingsystem des Spreizmoduls 1 ein elastisches Element 8 auf, welches von dem Streichbalken 3 lageentkoppelt ist. In Richtung der schwingungsbedingten Auslenkung des Streichbalkens 3 ist das Übertragungselement 23 steif bzw. biegesteif ausgebildet, so dass die Bewegung des Torsionsstabes bei aufgeprägter Torsionsschwingung direkt dazu führt, dass sich die Längsachse des Streichbalkens 3 auf einer Kreisbahn bewegt, dessen Radius der Länge des Übertragungselementes 23 entspricht.
Diese Auslenkung ist in prinzipieller Darstellung in 3b gezeigt. In dieser Seitenansicht ist erkennbar, dass bei einer Schwingungsanregung des Streichbalkens 3 durch einen Aktuator 5, was durch den Doppelpfeil unterhalb des Streichbalkens angedeutet ist, sich dessen Längsachse auf einer Kreisbahn 18 bewegt. Aus 3b ist erkennbar, dass das Übertragungselement in Richtung der Auslenkung des Streichbalkens durch die aufgeprägte Schwingung auf der Kreisbahn 18 relativ unverformt bleibt, weil die elastische Schwingung und die elastische Deformation vom Torsionsstab 10 als elastischem Element 8 ausgeübt werden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spreizmoduls in Form eines Schwingsystems dargestellt, welches zwei Streichbalken 3 in gegenüberliegender Anordnung aufweist. Beide Streichbalken 3 sind zu einer sogenannten Doppelanordnung zusammengefasst, wobei die Schwingungsanregung über ein für beide Streichbalken 3 jeweils gemeinsam an jeder Seite jeweils vorgesehenes Übertragungselement 23 mit dem elastischen Element 8 in Form eines Torsionsstabes erfolgt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Torsionsstäbe 10 zu beiden Seiten der Vorrichtung in den zwischen den beiden Übertragungselementen 23 vorhandenen Raum nach innen geführt, wobei die Torsionsstäbe 10 an ihren nach innen weisenden Enden jeweils eine Einspannung 6 aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Torsionsstäbe, sofern der Platz an der Maschine, für welche das Spreizmodul 1 eingesetzt werden soll, es zulässt, nach außen gerichtet sind. Die im vorliegenden Fall feststehenden, d. h. nicht-rotierenden Streichbalken 3 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass die beim Spreizen durch die jeweiligen Faserbündel 2 auf das Spreizmodul 1 ausgeübten Kräfte im Wesentlichen kompensiert werden. Die Streichbalken 3 sind an ihren äußeren Oberflächen gekrümmt ausgebildet und weisen sowohl im Zulaufbereich als auch im Ablaufbereich des Spreizmoduls Absaugdüsen auf, welche auch als Absaugschlitze bzw. Absaugschlitzdüsen ausgebildet sein können. Die Absaugung dient dazu, Abrieb von den Faserbündeln beim Überstreichen der Streichbalken direkt am Ort des Entstehens zu entfernen, damit dieser Abrieb mit dem das Spreizmodul 1 durchlaufenden Faserbündel nicht mittransportiert wird.
Unterhalb der gekrümmten Oberfläche des Streichbalkens 3 ist jeweils ein Absaugkanal 25 vorgesehen. Im Innern der Doppelanordnung des Streichbalkens 3 ist ein Aktuator 5 vorgesehen. Dabei kann pro Streichbalken 3 ein separater Aktuator vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass ein einzelner Aktuator durch entsprechende Steuerung beide Streichbalken 3 mit der für die Spreizung des Faserbündels erforderlichen Schwingung beaufschlagt.
In 5 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Tandemanordnung der Vorrichtung als Doppelanordnung gemäß 4 dargestellt. insoweit sind gleiche Bezugsziffern in 4 und in 5 verwendet. In 5 ist der Kräfteausgleich dargestellt, welcher sich ergibt, wenn ein Faserbündel über den oberen Streichbalken und ein weiteres Faserbündel 2 über den unteren Streichbalken läuft. Das Faserbündel 2, welches über den oberen Streichbalken 3 läuft, übt eine Kraft F1 auf diesen aus, während das Faserbündel 2, welches über den unteren Streichbalken 3 läuft, eine Kraft F2 auf diesen ausübt. Werden die Faserbündel mit annähernd gleicher Spannung über die jeweiligen Streichbalken geführt, so heben sich die Kräfte F1 und F2 auf. Bei einer derartigen Kraftkompensation ergibt sich eine verbesserte Justierung und Einstellung des Spreizmoduls innerhalb der Maschine, für welche die Aufspreizung der Faserbündel in einer sehr gleichmäßigen Art und Weise realisiert werden soll. Durch die Tandemanordnung von zwei derartigen Doppelanordnungen werden die jeweiligen Faserbündel vorzugsweise über Kreuz geführt. Die Kreuzung 15 der zwei Faserbündel 2 ist dabei so ausgebildet, dass zwei nicht dargestellte Führungseinrichtungen für die jeweiligen Faserbündel verhindern, dass diese beim Überkreuzen bzw. in ihrem Kreuzungsbereich sich berühren, um zusätzlichen Abrieb von den Faserbündel zu vermeiden. Die prinzipielle Funktion des jeweiligen Spreizmoduls entspricht dabei derjenigen, welche zu 4 bereits erläutert worden ist. Die Kraftkompensation durch das gegenüberliegende Anordnen zweier Streichbalken führt zu einem sehr gleichmäßigen Spreizergebnis über die gesamte Breite des Streichbalkens bzw. der Streichbalken.
Die in 5 nicht dargestellten Absaugdüsen bzw. Absaugschlitze sind vorzugsweise am Rand der Wirkfläche, d. h. am tangentialen Übergang von der Warenbahn zur Wirkfläche, angeordnet.
In 6a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt, bei welchem das elastische Element 8 in Form einer Blattfeder 11 ausgebildet ist. Die Blattfeder 11 ist dabei so ausgebildet, dass sie in Richtung der aufzuprägenden Schwingung elastisch ist, in der senkrecht dazu liegenden Richtung jedoch im Wesentlich steif bzw. biegesteif ist. Dies wird über das in der zur Schwingungsvorrichtung senkrechten Richtung höhere Widerstandsmoment durch die im Querschnitt rechteckig ausgebildete Blattfeder realisiert. Das Faserbündel 2 wird über eine Umschlingung 22 über einen definierten Teil der Oberfläche des Streichbalkens 3 geführt. In 6b ist eine Seitenansicht in prinzipieller Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 6a gezeigt. Im Innern des Streichbalkens 3 ist der die Schwingungsbeaufschlagung realisierende Aktuator 5 dargestellt. Mit den das elastische Element darstellenden Blattfedern 11 verbunden sind beidseitig des Streichbalkens Dämpfungselemente angeordnet, welche vorzugsweise einstellbar sind, um eine gezielte Schwingungsamplitude und Frequenz für eine optimale Spreizung des Faserbündels beim Überstreichen der Streichbalken 3 zu erreichen.
7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 das elastische Element als Torsionsstab ausgebildet ist. Insoweit ähnelt dieses Ausführungsbeispiel dem gemäß 2, jedoch mit der demgegenüber zusätzlich vorgesehenen Anordnung von zwei Dämpfungselementen 26. Die prinzipielle Wirkung und Funktion sowie der prinzipielle Aufbau dieses Spreizmoduls entsprechen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
In 8a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, dessen Seitenansicht in prinzipieller Darstellung in 8b gezeigt ist. Als elastisches Element 8 ist wiederum eine Blattfeder 11 vorgesehen, welche zusätzlich Dämpfungselemente linksseitig und rechtsseitig des Streichbalkens 3 aufweist. Im Innern des Streichbalkens 5 ist wiederum der Aktuator 5 angeordnet. Die Blattfeder ist nun so ausgebildet, dass sie bezogen auf die Darstellung gemäß 8a entsprechend der Länge der Blattfeder bezüglich ihrer Längsachse auf einer Kreisbahn bewegt werden kann, so dass sich darüber eine Schwingung aufprägen lässt, deren Schwingungsamplitude im Wesentlichen in nur eine Richtung weist, wobei sich diese Richtung auf der in 8a angegebenen Kreisbahn bewegt. Der Umschlingungsbereich 22 ist wiederum wie auch in den Ausführungsbeispielen gemäß 6a und 7a eingezeichnet. Da die Eigenschwingung des Spreizmoduls in der Regel niedriger ist als der Erregungsfrequenzbereich der Aktuatoren 5, ist es für zahlreiche Anwendungen sinnvoll, Dämpfungselemente 26 zu installieren, um sicherzustellen, dass das System nicht undefiniert schwingt bzw. nicht in den Resonanzbereich gelangt. Das Dämpfungselement 26 dient also der Abstimmung zwischen Erregerfrequenz des Aktuators und der Eigenfrequenz des Schwingsystems.
Der Aktuator kann – wie dargestellt – im Innern im Zentrum des als Streichwalze ausgebildeten Streichbalkens 3 angeordnet sein; er kann jedoch auch jeweils am Hebel angeordnet sein.
Den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass das Spreizmodul mit seiner Einspannung in der durch den Aktuator vorgegebenen Schwingungsrichtung elastisch federnd bzw. biegeelastisch mit einer definierten Federrate und damit Eigenschwingfrequenz dimensioniert ist. In dazu orthogonaler Richtung zur Schwingungsrichtung ist das Spreizmodul im Verhältnis zur Schwingungsrichtung steif bzw. biegesteif dimensioniert, so dass eine symmetrische und gleichmäßige Führung des zu spreizenden Faserbündels erreicht wird. Dadurch ist gewährleistet, dass eine gleichmäßige Spreizung des Faserbündels über die gesamte Breite seiner Spreizung, d. h. in der Spreizebene erreicht wird.
In 9 ist eine Tandemanordnung eines Ausführungsbeispiels angegeben, welches ähnlich dem gemäß 7 ist, wobei lediglich die Dämpfungselemente 26 weggelassen sind. Die grundsätzliche Wirkungsweise einer derartigen Tandemanordnung von zwei einzelnen Spreizmodulen, d. h. nicht einer Doppelanordnung gemäß 5, entspricht jedoch in ihrer Funktion derjenigen, welche in 5 beschrieben ist. Der Streichbalken 3 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist dabei als nicht-rotierender Streichbalken 3 ausgebildet und kann daher von einem Faserbündel oben und von einem anderen Faserbündel unten überstrichen werden, wobei diese beiden Faserbündel 2 sich in einem Bereich zwischen den beiden Streichbalken 3 an einem Kreuzungspunkt 15 kreuzen, um dann von unten nach oben bzw. von oben nach unten beim nachfolgenden Streichbalken 3 zu wechseln.
Eine leichte Modifikation dieses Ausführungsbeispiels gemäß 9 ist bei dem in 10 realisierten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die beiden in 9 einzeln in Tandemanordnung hintereinander angeordneten Spreizmodule zu einer einzigen Baueinheit miteinander verbunden sind. Die übrige Funktion und die übrigen Bauelemente entsprechen denen in 9, so dass diese nicht nochmals beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Spreizmodul
2: Faserbündel
3: Streichbalken
4: Längsachse Streichbalken
5: Aktuator
6: Einspannung
7: Schwingsystem
8: elastisches Element
9: Wirkfläche
10: Torsionsstab
11: Blattfeder
12: Längsende Streichbalken
13: Zulaufbereich Spreizmodul
14: Ablaufbereich/Auslauf vom Spreizmodul
15: Kreuzung Faserbündel
16: Absaugdüse/Absaugschlitz
17: Rolle
18: Kreisbahn
20: Gummipuffer
21: Linearführung
22: Umschlingung
23: Übertragungselement
25: Ansaugkanal
26: Dämpfungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1172191 A1 [0003]
US 537192 [0004]
EP 1174533 B1 [0005]
EP 0292266 A2 [0006]
WO 2014/100586 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zum Spreizen zumindest eines Faserbündels, insbesondere eines Carbon-Faserbündels, welche ein Spreizmodul (1) mit zumindest einem bezüglich seiner Längsachse (4) quer zur Zuführrichtung des zu spreizenden Faserbündels (2) angeordneten Streichbalken (3) aufweist, auf welchen mittels eines Aktuators (5) eine Schwingung aufbringbar ist, wobei das zumindest eine Faserbündel (2) in einem definierten Umschlingungswinkel über eine auf dem Streichbalken (3) ausgebildete Wirkfläche führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Streichbalken (3) und eine zur Längsachse (4) des Streichbalkens (3) versetzt angeordnete Einspannung (6) aufweisendes Schwingsystem (7) zwischen dem Streichbalken (3) und der Einspannung (6) ein elastisches Element (8) aufweist, welches so ausgebildet ist, dass die dem Streichbalken (3) aufgeprägte Schwingung mit ihrer Amplitude im Wesentlichen nur in eine definierte Richtung (im Wesentlichen senkrecht) auf die Wirkfläche (9) des Faserbündels (2) ausgerichtet und in Richtung der Amplitude der Schwingung elastisch federnd, zumindest in der dazu orthogonal verlaufenden Richtung steif ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (8) eine Feder ist, welche als ein Torsionsstab (10) oder als eine Blattfeder (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (8) so angeordnet und gehalten ist, dass von dem elastischen Element (8) bewirkte Federkräfte auf beide Längsenden (12) des Streichbalkens (3) wirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Torsionsstab (10) ausgebildete elastische Element (8) einteilig ausgebildet ist und eine mittige Halterung aufweist, deren vom elastischen Element (8) ausgeübten Federkräfte symmetrisch auf die beiden Längsenden (12) des Streichbalkens (3) wirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Schwingungsamplitude des Streichbalkens (3) auf einer Kreisbahn (18) mit einem Radius eines Abstandes der Längsachse (4) des Streichbalkens (3) zu einer durch die Einspannung (6) verlaufenden Einspannungs-Längsachse verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Streichbalken (3) bezüglich seiner Längsachse (4) drehbar, insbesondere steuerbar drehbar, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Streichbalken (3) als Streichwalze, insbesondere als Rolle (17), ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (5) in Längsrichtung (4) des Streichbalkens (3) baryzentrisch angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (5) zumindest zwei Teilaktuatoren aufweist, deren resultierende Anregung baryzentrisch auf den Streichbalken (3) wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizmodul (1) eine solche Breite aufweist, dass mindestens zwei Faserbündel (2) gleichzeitig spreizbar sind, wobei die Faserbündel (2) so spreizbar sind, dass am Auslauf (14) des Spreizmoduls (1) eine im Wesentlichen geschlossene Faserlage vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Streichbalken (3) bezüglich seiner Drehzahl über einen Antrieb so steuerbar ist, dass seine Umfangsgeschwindigkeit von der Zuführgeschwindigkeit des zumindest einen Faserbündels (2) abweicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizmodul (1) eine Gruppe von Rollen (17) aufweist, welche in zumindest zwei voneinander beabstandeten Ebenen derart angeordnet sind, dass die Faserbündel (2) im Wesentlichen zick-zack-förmig um die Rollen (17) herumgeführt sind, und in welche Gruppe der Streichbalken (3) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizmodul (1) zweifach in der Art einer Doppelanordnung derart ausgebildet ist, dass die zu spreizende Anzahl von Faserbündeln (2) hälftig über jeweils einen des in der Doppelanordnung vorgesehenen Streichbalkens (3) bei erfolgendem Kraftausgleich zwischen den jeweils auf dem jeweiligen Streichbalken (3) von den Faserbündeln (2) fadenspannungsbedingt ausgeübten Kräften geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel (2) in sich räumlich kreuzender Weise dem jeweiligen Streichbalken (3) zuführbar sind und in Führungseinrichtungen zumindest im Bereich von deren Kreuzung (15) – einen gegenseitigen Kontakt der sich kreuzenden Faserbündel (2) vermeidend – geführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Streichbalken (3) Absaugdüsen (16), insbesondere Absaugschlitze, im Zulaufbereich (13) und im Ablaufbereich (14) der Faserbündel (2) auf den Streichbalken (3) beziehungsweise von diesem zugeordnet sind.