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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Faserwerkstoff.
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Angesichts steigender Rohstoff- und Energiekosten werden Carbonfasern aufgrund ihrer mechanischen und funktionellen Eigenschaften zunehmend als Substitutionsmaterialien traditioneller Werkstoffe nachgefragt. Carbonfaserverstärkte Strukturbauteile weisen eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf. Dabei werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt und seitens der Automobilindustrie hohe Anforderungen an die Qualität und die Verarbeitungsmerkmale der aus den Carbonfasern zu fertigenden Bauteile gestellt.
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Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile, insbesondere faserverstärkter Strukturbauteile, kommen Verfahren zum Einsatz, in denen zunächst ein mit einem Bindermaterial versehenes Faserhalbzeug in einem Preform-Werkzeug zu einem Faservorformling (Preform) geformt wird; durch Wärmeeinwirkung im Preform-Werkzeug wird das Bindermaterial aktiviert und auf diese Weise die dreidimensionale Form des Preforms fixiert. Hierbei wird beispielsweise die Faserorientierung des Faservorformlings festgelegt. Das Preform wird anschließend mit Hilfe eines Infusionsverfahrens (beispielsweise resin transfer moulding (RTM) oder vacuum assisted resin infusion (VARI)) mit einem Harz infiltriert, das dann durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird. Die Beheizung des Faserhalbzeugs bzw. des Faservorformlings erfolgt üblicherweise mittels einer Heizvorrichtung, die im Preform-Werkzeug bzw. im Infusionswerkzeug integriert ist.
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Unter dem Begriff „Faserwerkstoff“ soll dabei ein beliebiger textiler Ausgangsstoff verstanden werden, dessen Fasern mit einem härtbaren Bindermaterial versehen werden. Aus diesem Faserwerkstoff wird ein flächenförmiges textiles Gebilde, insbesondere ein Gewebe, Gestricke, Geflecht etc. hergestellt und in eine dreidimensionale Form gebracht. Diese dreidimensionale Form wird dann durch einen Härtungsprozess fixiert, bei dem das Bindermaterial aktiviert wird. Herkömmlicherweise erfolgt diese Härtung in einem Formwerkzeug. Das textile Gebilde, das das Ausgangsmaterial zur Herstellung des Preforms bildet, wird typischerweise durch ein Webverfahren hergestellt werden. Ein solches textiles Gebilde insbesondere als flächige Fasermatte vorliegen, die vor der Umformung im Preform-Werkzeug in die gewünschte Form beschnitten wird.
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Problematisch bei der dreidimensionalen Umformung flächiger Fasermatten ist oftmals, dass sich bei der Drapierung Falten bilden können, die die Qualität des fertigen Bauteils beinträchtigen. Außerdem ist die Drapierung in automatisierten Prozessschritten nur aufwendig umzusetzen. Weiterhin besteht oft der Wunsch, ausgewählte Bereiche des zu fertigenden Bauteils mit Verstärkungen, Anbindungselementen, etc. zu versehen oder das Bauteil in einer solchen Weise zu gestalten, dass bestimmte anisotrope Zugfestigkeiten etc. gegeben sind. Um dies zu ermöglichen, wurden Verfahren zum dreidimensionalen Weben von Faserwerkstoffen entwickelt. So sind beispielsweise aus
DE 10 2011 088 472 B3 Verfahren zum 2D-Weben und zum 3D-Weben beschrieben, unter deren Verwendung eine Kastenstruktur aus Faserverbundwerkstoff hergestellt werden kann. Mit Hilfe der dort dargestellten Verfahren können insbesondere auch Bereiche des Faserkonstrukts in unterschiedlicher Dicke gewoben werden. Aus
DE 602 21 236 ist eine dreidimensionale Vorformling-Webstruktur bekannt, bei der durch ein komplexes mehrlagiges Webverfahren eine Schicht-zu-Schicht-Verzahnung erreicht wird.
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Soll aus einem solchen komplexen dreidimensionalen gewebten Gebilde ein faserverstärktes Strukturbauteil gefertigt werden, so ergibt sich die Problematik, das Gebilde in einer solchen Weise in ein Preformwerkzeug bzw ein Infusionswerkzeug einzulegen, dass daraus ein qualitativ hochwertiges Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften entsteht. Aufgrund der komplexen Geometrie des gewebten Gebildes erfordert dies viele teilweise auch manuelle Arbeitsschritte, was die Herstellung eines solchen Faserverbundbauteils schwierig, teuer und zeitintensiv macht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Faserwerkstoff vorzuschlagen, mit dessen Hilfe die oben genannten Probleme umgangen werden können. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe solche Faserformkörper hergestellt werden können.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zunächst aus dem Faserwerkstoff mittels einer Textiltechnik in einer Konfektioniereinheit ein textiles Gebilde hergestellt wird. Das textile Gebilde ist mit einem Bindermaterial versehen, wobei das Bindermaterial entweder vor der textilen Verarbeitung auf den Faserwerkstoff aufgebracht worden sein kann oder während oder nach der textilen Verarbeitung auf den Faserwerkstoff aufgebracht wird. Das textile Gebilde wird anschließend in einem Verformungsschritt in vorgegebener Weise dreidimensional geformt, und die dadurch erzeugte Verformung des textilen Gebildes wird durch Aktivierung des Bindermaterials fixiert. Die Aktivierung des Bindermaterials erfolgt dabei erfindungsgemäß iterativ. Unter einer „iterativen“ Aktivierung soll dabei verstanden werden, dass das Bindermaterial schrittweise in einigen ausgewählten Bereichen des textilen Gebildes aktiviert (und die Form des Gebildes dadurch in diesen Bereichen fixiert) wird, bevor eine Aktivierung/Fixierung in anderen Bereichen des textilen Gebildes erfolgt.
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Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Preforming-Verfahren, bei denen Fasermatten in einem Preforming-Werkzeug in einem einzigen Prozessschritt formfixiert werden, erfolgt die Fixierung somit im erfindungsgemäßen Verfahren bereichsweise bzw. abschnittsweise. Dabei wird ein ausgewählter Bereich des textilen Gebildes zunächst durch eine Umformung in die gewünschte Form gebracht und dann durch die Aktivierung des Bindermaterials fixiert. Dabei können insbesondere benachbarte Bereiche in einer solchen Abfolge geformt und fixiert werden, dass eine Faltenbildung der Fasermatten wirksam unterbunden wird. Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also darin, das textile Gebilde unmittelbar nach seiner Herstellung schrittweise und lokal zu härten und beim Härtevorgang die bereits ausgehärteten Bereiche so positionieren, dass der zu härtende Teil des textilen Gebildes in der richtigen/gewünschten Position/Ausrichtung ist. Die bereits ausgehärteten Bereiche stabilisieren dabei die dreidimensionale Form der bereits fertiggestellten Bereiche und unterstützen so den Umformprozess.
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Vorteilhafterweise erfolgt die iterative Aktivierung des Bindermaterials prozessbegleitend, also in zeitlicher Überlappung zur textiltechnischen Herstellung des textilen Gebildes, so dass das aus der Konfektioniereinheit austretende textile Gebilde bereichsweise umgeformt und fixiert wird, während sich andere Bereich des Gebildes noch im Herstellungsprozess in der Konfektioniereinheit befinden. Dies ermöglicht insbesondere die Herstellung von dreidimensional geformten Faserverbund-Formkörpern in einem Durchlaufbetrieb, bei dem das aus der textiltechnischen Anlage austretende textile Gebilde - eventuell mit einem gewissen zeitlichen bzw. räumlichen Versatz - prozessbegleitend umgeformt und fixiert wird. Dabei kann insbesondere seitens der Fixiereinheit Einfluss auf die Konfektioniereinheit genommen werden, indem die Textilspannung in bestimmten Bereichen höher oder geringer eingestellt wird; auf diese Weise kann beispielsweise Faltenbildung und/oder interne Spannungen im textilen Gebilde unterbunden oder zumindest reduziert werden. Diese Textilspannung kann ebenso auch für das Positionieren/Ausrichten des textilen Gebildes verringert werden, sodass ein „Drehen“ des Gebildes ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise erfolgt auch die Umformung des textilen Gebildes in zeitlicher Überlappung mit der Fixierung des Bindermaterials. Dabei wird das textile Gebilde beispielsweise lokal in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht und durch Aktivierung des im textilen Gebilde enthaltenen Bindermaterials lokal gehärtet. Der auf diese Weise ausgehärtete Bereich ist damit in der gewünschten Form fixiert und bildet so eine Stütze für weitere Bereiche, die umgeformt und fixiert werden sollen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umformung des textilen Gebildes und die Fixierung der umgeformten Bereiche synchron mit der Herstellung des textilen Gebildes erfolgen. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Prozess aus Herstellung, Umformung und Fixierung erreicht werden. Durch eine geeignete aufeinander abgestimmte Steuerung des textiltechnischen Herstellungsprozesses, der Umformung und der Fixierung kann so auf einer einzigen Anlage eine Vielzahl verschiedener Formkörper im Durchlaufbetrieb hergestellt werden. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität und eine Automatisierbarkeit des Gesamtprozesses. Im Vergleich zu herkömmlichen Preformingverfahren, bei denen ein textiles Gebilde in einem geometrisch festen Preformingwerkzeug umgeformt und fixiert werden, können auf diese Weise Geometrieanpassung erheblich erleichtert und auch Kleinstserien wirtschaftlich hergestellt werden.
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Die Umformung des textilen Gebildes erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Manipulatoren, die als bewegliche Stempel, Greifer etc. ausgestaltet sein können. Diese Manipulatoren können insbesondere mit Hilfe von Industrierobotern positioniert und betätigt werden. Weiterhin können Werkzeuge zum Einsatz kommen, die aus einer Vielzahl beweglicher Druckstempel, Niederhalter etc. bestehen. Durch eine geeignete Programmierung der Manipulatoren kann das textile Gebilde in vielfältiger Weise umgeformt werden, um automatisiert Faserformkörper unterschiedlichster Geometrien herzustellen. Weiterhin kann die Programmierung der Manipulatoren schnell modifiziert werden, um Änderungen in der Geometrie der herzustellenden Formkörper zu erreichen. Die Programmierung könnte auch während des Gesamtprozesses erfolgen - es könnten also Modifikationen oder eine Programmierung vorgenommen werden, solange der Faserformkörper noch nicht an den zu ändernden Bereich gelangt ist. Zusätzlich oder alternativ könnte die Programmierung/Modifikation zwischen der Herstellung einzelner Faserformkörper erfolgen.
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Das textile Gebilde kann insbesondere ein Gewebe sein, das mit Hilfe eines Webverfahrens hergestellt wurde. Gewebe sind flächige Gebilde, die aus zwei Fadensystemen, Kettfäden und Schussfäden bestehen, die sich mustermäßig kreuzen. Die Kettfäden verlaufen in Längsrichtung des Gewebes, parallel zur Gewebekante, und die Schussfäden in Querrichtung, parallel zum Geweberand. Neben der Herstellung einfacher flächiger Gewebe sind aus dem Stand der Technik auch Webverfahren bekannt, mit deren Hilfe Faserkonstrukte unterschiedlicher Dicke gewoben werden können. Weiterhin sind komplexe mehrlagige Webverfahren mit Schicht-zu-Schicht-Verzahnung und Verfahren zum Weben in 3 Dimensionen bekannt. Durch Verwendung einer geeigneten Webtechnik kann somit ein weites Spektrum textiler Gebilde hergestellt werden.
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Das auf diese Weise gewebte textile Gebilde kann dann beispielsweise bereichsweise oder unmittelbar nach jedem Webschritt lokal gehärtet werden, und beim Härtevorgang kann der bereits gewobene und gehärtete Bereich in einer solchen Weise positioniert werden, dass der neu zu härtende Bereich in der richtigen Position/Ausrichtung ist. Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung komplexer gewebter und dreidimensional geformter Strukturen aus einem Faserwerkstoff.
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Die Aktivierung des Bindermaterials kann insbesondere durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere durch Infrarotstrahlung erfolgen. Dabei wird der zu fixierende Bereich des textilen Gebildes mit Hilfe einer Infrarotquelle erhitzt. Handelt es sich beim Bindermaterial um einen thermoplastischen Werkstoff, insbesondere ein thermoplastisches Pulver, so wird er durch die Wärme geschmolzen, erstarrt bei Abkühlung und fixiert dabei die lokale Form des textilen Gebildes. Handelt es sich beim Bindermaterial um einen Duroplasten, so wird durch die Wärmeeinwirkung eine Vernetzungsreaktion ausgelöst, durch die die Form fixiert wird.
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Wenn das textile Gebilde elektrisch leitfähige Fasern (z.B. Carbonfasern) enthält, dann kann die Aktivierung des Bindermaterials auch durch elektrischen Strom erfolgen. Dabei werden ausgewählte elektrisch leitfähige Fasern des textilen Gebildes an eine Stromquelle angeschlossen. Im Bereich von Kreuzungspunkten der bestromten Fasern findet dabei eine Erwärmung statt. Die Stromstärke wird so gewählt, dass die Temperatur im Bereich der Kreuzungspunkte so hoch ist, dass das Bindermaterial aufschmilzt bzw. vernetzt wird und die dortige dreidimensionale Form des textilen Gebildes fixiert.
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Die Aktivierung des Bindermaterials kann auch auf chemischem Weg, insbesondere durch das Aufbringen eines entsprechend wirkenden Stoffes, beispielsweise in der Art eines Härters, erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers umfasst eine Konfektioniereinheit mit einer textiltechnischen Anlage, in der aus einem Faserwerkstoff ein textiles Gebilde hergestellt wird. Die textiltechnische Anlage kann insbesondere eine Webmaschine, beispielsweise eine Einphasen-Webmaschine, sein.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Fixiereinheit zur iterativen räumlichen Fixierung des aus der textiltechnischen Anlage austretenden textilen Gebildes.
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Die Fixiereinheit enthält vorteilhafterweise eine Umformeinheit, mit deren Hilfe das aus der textiltechnischen Anlage austretende textile Gebilde in vorgegebener Weise räumlich geformt werden kann, bevor die auf diese Weise geschaffene Form dauerhaft fixiert wird.
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Diese Umformeinheit kann eine Vielzahl von gesteuert und/oder geregelt bewegbaren und aktivierbaren Manipulatoren umfassen, insbesondere Greifer, Zangen, Stempel, etc., die auf das aus der textiltechnischen Anlage austretende textile Gebilde einwirken. Um eine gute Zugänglichkeit und hohe Flexibilität bei der Umformung des textilen Gebildes zu erreichen, können zumindest einige der Manipulatoren mit Hilfe von Industrierobotern geführt und betätigt werden. Auch ein direkter Einsatz eines Roboters als Manipulator ist denkbar.
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Die Fixiereinheit umfasst weiterhin eine Aktivierungseinheit zur Aktivierung des im textilen Gebilde enthaltenen Bindermaterials. Die Aktivierungseinheit kann beispielsweise eine elektromagnetische Strahlungsquelle umfassen. Wenn das textile Gebilde elektrisch leitfähige Fasern (oder Drähte) umfasst, dann kann die Aktivierungseinheit auch eine elektrische Stromquelle umfassen, mit deren Hilfe ausgewählte Fasern/Drähte bestromt werden können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Formkörpers aus einem Faserwerkstoff;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Formkörpers der 1;
- 3a - 3f eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Faserwerkstoff;
- 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Formkörper 52 aus einem Faserwerkstoff 50. Als Faserwerkstoff 50 kann beispielsweise ein Kohlenstofffaser-Roving verwendet werden. Der Formkörper 52 besteht aus einem flächigen textilen Gebilde 54, das durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Webverfahren hergestellt und anschließend verformt wurde. Das textile Gebilde 54 ist somit ein Gewebe 54' mit ineinander verwobenen Kettfäden 55 und Schussfäden 56 aus Faserwerkstoff 50. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei in 1 nur einzelne der Kett- und Schussfäden 55, 56 dargestellt.
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Der Formkörper 52 ist ein formsteifes Gebilde, das zwei domartige Wölbungen 58 aufweist. Ein solcher Formkörper 52 kann beispielsweise als Preform zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteils verwendet werden. In diesem Fall wird der Formkörper in einem Folgeschritt mit Hilfe eines Infusionsverfahrens (beispielsweise resin transfer moulding (RTM) oder vacuum assisted resin infusion (VARI)) mit einem Harz infiltriert, das dann durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird.
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Zur Herstellung des Formkörpers der 1 kommt eine Vorrichtung 10 zum Einsatz, die in 2 in einer schematischen Darstellung gezeigt ist. Die Vorrichtung 10 umfasst eine schematisch angedeutete Konfektioniereinheit 12 mit einer Webmaschine 13, mittels derer das Gewebe 54' hergestellt wird. Im Inneren der Webmaschine 13 sind einige der Kettfäden 55 schematisch angedeutet.
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Das Gewebe 54' ist mit einem thermoplastischen Bindermaterial versehen, das mehrfach thermisch aktivierbar ist, unter Wärmeeinwirkung weich wird und nach Abkühlung wieder erstarrt. Im erwärmten Zustand ist das Bindermaterial somit umformbar, bei Abkühlung wird die durch die Umformung eingeprägte Form „eingefroren“. Das Bindermaterial kann beispielsweise im Zuge oder unmittelbar nach der Herstellung des Gewebes 54' in der Webmaschine 13 in Form eines thermoplastischen Pulvers auf das Gewebe 54' aufgetragen werden; alternativ kann der Faserwerkstoff der Kettfäden 55 und/oder der Schussfäden 56 bereits im Vorfeld des Webprozesses mit dem Bindermaterial versehen worden sein.
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Das Gewebe 54' hat beim Verlassen der Webmaschine 13 (Bereich 60) eine formschlaffe flächige Gestalt, was durch eine gestrichelte Darstellung der Kett- und Schussfäden 55, 56 symbolisiert ist. Nach Verlassen der Webmaschine 13 gelangt das formschlaffe Gewebe 54' in eine Fixiereinheit 14, in der es in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht und fixiert wird. Die Fixiereinheit 14 umfasst eine Umformeinheit 16, mittels derer das aus der Webmaschine 13 austretende Gewebe 54' dreidimensional umgeformt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll dem Gewebe 54' die domartige Wölbung 58 eingeformt werden. Hierzu umfasst die Umformeinheit 16 mehrere Manipulatoren 17, die im vorliegenden Fall durch einen beweglichen Stempel 20 und mehrere Greifer 21 gebildet sind. Die Greifer 21 fassen das Gewebe 54' seitlich und straffen es (Pfeile 21), während der von unten her einwirkende Stempel 20 das Gewebe 54' mittig ausbeult (Pfeil 22). Das Gewebe 54' wird also mit Hilfe der Greifer 21 über den Stempel 20 gezogen, und durch die gleichzeitige Krafteinwirkung des Stempels 20 und der Greifer 21 (Pfeile 22, 23) wird das Gewebe 54' in die gewünschte Form gebracht. Um bei einer starken Ausbeulung und Umformung eine Verschiebung der Fasern im Gewebe 54' zu minimieren, sind die Kettfäden 55 in der Webeinheit 13 in einer solchen Weise flexibel aufgehängt, dass sie bei starker (lokaler) Ausübung von Zugkräften durch die Umformeinheit 16 nachgeben können. Die Spannung der Kettfäden 55 kann dabei in einer solchen Weise geregelt oder gesteuert eingestellt werden, dass einerseits eine geforderte Dichtigkeit und Stabilität des Gewebes 54' erreicht wird, andererseits aber ein gewisses Spiel vorhanden ist, um Faltenbildung des Gewebes 54' bei der Umformung zu vermeiden.
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Ist in einem ausgewählten Bereich des Gewebes 54' die gewünschte dreidimensionale Gestalt erreicht worden, so wird diese Gestalt mit Hilfe einer in der Fixiereinheit 14 integrierten Aktivierungseinheit 18 permanent fixiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aktivierungseinheit 18 eine Infrarotquelle 18', mit deren Hilfe die ausgewählten Bereiche des Gewebes 54' erwärmt werden können. Durch die Erwärmung wird das im Gewebe 54' enthaltene thermoplastische Bindermaterial geschmolzen und erstarrt beim Abkühlen in der durch die Umformeinheit 16 in das Gewebe 54' eingeformten Gestalt, wodurch diese dreidimensionale Gestalt „eingefroren“ und somit fixiert wird.
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In einem weiter von der Webmaschine 13 entfernten Bereich 62 des Gewebes 54' ist diese Gestalt bereits „eingefroren“, was durch eine durchgezogene Darstellung der Kett- und Schussfäden symbolisiert ist. In diesem Bereich 62 ist das in einem früheren Prozessschritt umgeformte Gewebe 54' bereits in der umgeformten Gestalt fixiert, es bedarf also keiner Manipulatoren 17 mehr, um das Gewebe 54' in diesem Bereich 62 in Form zu halten. Beim Fortschreiten des Webprozesses wird das durch die Webmaschine 13 hergestellte Gewebe 54' also in Richtung der Fixiereinheit 14 transportiert, wird dort lokal umgeformt und formfixiert und anschließend weitertransportiert (Pfeilrichtung 24). In 2 ist eine Momentaufnahme gezeigt, in der einige Bereiche 60 des Gewebes 54' bereits formfixiert sind, während andere Bereiche 60 noch biegeschlaff und unverformt vorliegen.
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3a - 3f zeigen in einer schematischen Darstellung einen Verfahrensablauf 30 zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Faserwerkstoff 50. In der Konfektioniereinheit 12 erfolgt (kontinuierlich oder schrittweise) die textiltechnische Herstellung eines textilen Gebildes 54 (Verfahrensschritt 32, 3a). Das aus der Konfektioniereinheit 12 austretende textile Gebilde 54 ist zunächst biegeschlaff, was durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Das textile Gebilde 54 gelangt in die Fixiereinheit 14 und wird dort zunächst mit Hilfe einer Umformeinheit 16 umgeformt, wobei als Umformwerkzeug symbolisch ein Stempel 20' dargestellt ist (Verfahrensschritt 34, 3b). Der mittels des Stempels 20' umgeformte Bereich des textilen Gebildes 54 wird anschließend in diesem umgeformten Zustand mit Hilfe der Aktivierungseinheit 18 fixiert (Verfahrensschritt 36, 3c). Dabei wird ein im textilen Gebilde 54 enthaltenes Bindermaterial beispielsweise mit unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung gehärtet, wodurch das textile Gebilde 54 in diesem Bereich nun biegesteif ist und die durch den Stempel 20' eingeformte Wölbung „eingefroren“ ist. Der fixierte Teil 62' des textilen Gebildes 54 ist in 3c durch eine durchgezogene Linie angedeutet.
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Durch die Konfektioniereinheit 12 wird nun ein weiterer Abschnitt von biegeschlaffem textilem Gebilde 54 hergestellt (Verfahrensschritt 32, 3d), das in die Fixiereinheit 14 gelangt und unter Verwendung eines weiteren Stempels 20" umgeformt wird (Verfahrensschritt 34, 3e). Der mittels dieses Stempels 20" umgeformte Bereich des textilen Gebildes 54 wird anschließend wiederum in diesem umgeformten Zustand mit Hilfe der Aktivierungseinheit 18 fixiert (Verfahrensschritt 36, 3f). 3a - 3f zeigen somit einen Verfahrensablauf 30, in dem die Herstellung (Schritt 32), Umformung (Schritt 34) und Formfixierung (Schritt 36) des textilen Gebildes 54 bereichsweise und schrittweise nacheinander erfolgen. Vorteilhafterweise können aber die Verfahrensschritte zeitlich überlappen, so dass beispielsweise die Herstellung (Schritt 32) kontinuierlich erfolgt und Umformung (Schritt 34) und Formfixierung (Schritt 36) synchronisiert zur Herstellung (Schritt 32) erfolgen. Weiterhin können auch Umformung (Schritt 34) und Formfixierung (Schritt 36) zeitlich überlappen, indem z.B. das biegeschlaffe Gewebe 54 mit Hilfe von Manipulatoren 17 kontinuierlich verformt wird (Schritt 34) und die Fixierung (Schritt 36) abschnittsweise synchron hierzu erfolgt.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kommt zur Herstellung eines Formkörper 52" ein Verfahren zum Einsatz, bei dem der Prozessschritt der Herstellung des Gewebes 54' (Schritt 32) kontinuierlich mit den Prozessschritten Umformung (Schritt 34) und Fixierung (Schritt 36) überlappt: Ein kontinuierlich aus der Webmaschine 13 austretendes Gewebe 54" wird hier mit Hilfe von Manipulatoren 17, die die Gestalt von robotergeführten Greifern haben, nicht nur gespannt und umgeformt, sondern dreidimensional im Raum drapiert. Die Kettfäden 55 (von denen in 4 nur wenige dargestellt sind) verlaufen hierbei immer linear, das eigentliche „Verdrehen“ des aus dem Gewebe 54" geformten Objekts wird von den Manipulatoren 17 übernommen. Mit Hilfe der Aktivierungseinheit 18 werden ausgewählte Bereiche des von den Manipulatoren 17 geformten Gewebes 54" kontinuierlich und synchronisiert mit dem Austritt des Gewebes 54" aus der Webmaschine 13 fixiert. Die auf diese Weise fixierten Bereiche 62" sind in 4 gepunktet dargestellt. Mit Hilfe des in 4 gezeigten Verfahrens können beliebig dreidimensional geformte Formkörper 52" hergestellt werden, die insbesondere Hinterschneidungen aufweisen können oder sogar als räumlich geschlossene Hohlkörper ausgestaltet sein können. Die Herstellung solcher Formkörper 54" ist unter Verwendung herkömmlicher Preformingverfahren, bei denen das Gewebe 54" in ein festes Werkzeug eingelegt und als Ganzes umgeformt und fixiert wird, nicht möglich.
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In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 erfolgt die Fixierung des umgeformten Gewebes 54, 54', 54" durch Erwärmung mit Hilfe einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, beispielsweise durch Infrarotstrahlung oder durch UV-Strahlung (wenn z.B. ein duroplastisches Harz als Bindermaterial verwendet wird).
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Sind zumindest einige der Kett- und Schussfäden elektrisch leitfähig, so kann die Erwärmung auch mittels elektrischen Stroms erfolgen. Dabei werden an ausgewählte Kettfäden 55 und Schussfäden 56 eine elektrische Spannung angelegt. Die Stromstärke wird in einer solchen Weise gewählt, dass im Bereich der Kreuzungspunkte der bestromten Fäden 55, 56 eine zur Aktivierung des Bindermaterials ausreichende Erwärmung erreicht wird; in diesen Bereichen wird das Bindermaterial also aufgeschmolzen und erstarrt nach Abkühlung in der durch die Manipulatoren eingeformten dreidimensionalen Gestalt. Durch die Wahl der bestromten Fasern kann der Bereich, in dem das Bindermaterial aktiviert werden soll, sehr genau definiert werden, so dass eine wohldefinierte lokale Härtung erfolgt.
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Die Aktivierung mittels elektrischen Stroms hat den Vorteil, dass auf diese Weise auch Fasergebilde gehärtet werden können, welche opak gegenüber elektromagnetischer Strahlung sind, die mit Hilfe einer Strahlungsquelle also nur oberflächengehärtet werden können. Im Unterschied zu einer Aktivierung mittels elektromagnetischer Strahlung können bei der Aktivierung mittels elektrischen Stroms allerdings nur solche Bereiche fixiert werden, in denen die Fasern in das Gewebe einbezogen sind (d.h. Kreuzungspunkte mit anderen Fasern aufweisen).
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Alternativ zu dem in den Ausführungsbeispielen beschriebenen thermoplastischen Bindermaterial kann ein duroplastisches Bindermaterial verwendet werden. Ein solcher duroplastischer Binder kann insbesondere in flüssiger Form auf die Fasern aufgetragen werden, bevor die Fasern zu dem textilen Gebilde 54 konfektioniert werden. Die Aktivierung des duroplastischen Binders erfolgt beispielsweise mit Hilfe von UV-Strahlung; in diesem Fall ist die Aktivierungseinheit als UV-Quelle ausgestaltet.
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In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 wurde die Erfindung anhand eines flächigen Gewebes 54, 54', 54" erklärt. Durch Verwendung eines 2,5-dimensionalen oder 3-dimensionalen Webverfahrens kann das Gewebe aber auch eine komplexere Gestalt haben, beispielsweise eine mehrlagige Konstruktion mit untereinander verbundenen Gewebeschichten, eine Kasten- oder Wabenstruktur etc. sein.
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Weiterhin kann anstelle des Gewebes auch ein beliebiges anderes Textil, beispielsweise ein gestricktes Textil, ein Filz, ein Geflecht etc. verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Konfektioniereinheit
- 13
- Webmaschine
- 14
- Fixiereinheit
- 16
- Umformeinheit
- 17
- Manipulator
- 18
- Aktivierungseinheit
- 20
- Stempel
- 21
- Greifer
- 22-24
- Pfeile
- 30
- Verfahrensablauf
- 32
- Verfahrensschritt Textiltechnik (Herstellung textilen Gebildes)
- 34
- Verfahrensschritt Umformung
- 36
- Verfahrensschritt Binderaktivierung
- 50
- Faserwerkstoff
- 52, 52'
- Formkörper aus Faserwerkstoff
- 54
- Textiles Gebilde
- 54'
- Gewebe
- 55
- Kettfäden
- 56
- Schussfäden
- 58
- Domartige Wölbungen
- 60
- Bereich nach Verlassen der Webmaschine (formschlaff)
- 62
- Fixierter Bereich des Gewebes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088472 B3 [0005]
- DE 60221236 [0005]
