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Aufgabe der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien; wobei dieses System auf dem technischen Gebiet von Systemen zum Formen von Stapeln von Prepregverbundmaterialien angewendet wird, insbesondere in dem Bereich von Systemen für eine kontinuierliche Herstellung von Profilen dieser Stapel.
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Dieses System strebt ein Automatisieren des Prozesses zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien an, die aus verschiedenen physikalischen Einheiten und Stufen ausgebildet sind, wobei die Anzahl an Einheiten und Stufen hochgradig flexibel sind, um komplexe Geometrien dieser Stapel an Verbundmaterialien zu formen.
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Hintergrund der Erfindung
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Einleitend ist bekannt, dass aus gestapelten Verbundmaterialien erhaltene Stücke, wie beispielsweise jene, die aus Kohlenstofffaserblättern oder Glasfasern, die mit Kunststoff (sogenannter Prepreg) vorimprägniert sind, geformt worden sind, weitgehend in der Industrie angewendet werden, wie beispielsweise bei in der Luftfahrindustrie verwendeten Komponenten inklusive (Längsversteifungen) Stringer, Versteifungselemente und Strukturverstärkungen. Diese Komponenten sind durch ihr geringes Gewicht und ihre hohe mechanische Festigkeit (hoher spezifischer Widerstand) gekennzeichnet.
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Eine der vorhandenen Technologien zum fortlaufenden Formen von Verbundlaminaten ist auf ein System aus Walzen und Dorn (Rollwalzen) gegründet, das ursprünglich zum Herstellen von Metallabschnitten gedacht war. Metallrollen pressen das Verbundmaterial gegen die Oberfläche des Dorns, der das Verbundmaterial verdichtet und ihm die Form des Dorns verleiht. Das erlangte Teil wird dann in einem Autoklav ausgehärtet.
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Die Druckschrift
US 7249943 B2 offenbart eine Vorrichtung zum Formen von Versteifungselementen und anderen Verstärkungselementen aus Verbundstoffen mit einer Basis, deren oberer Abschnitt ein Längsdorn mit einer Form ist, die dem daran angeordneten Laminat verliehen wird, und einer oder einigen Rollen, die in einer oder mehreren Stützen so eingebaut sind, dass die Rollen über den Verbundstoff rollen (walzen), wobei sie ihn gegen den Dorn pressen, um dieses zu formen, und das Verbundteil mit der erwünschten Geometrie zu erlangen, das zu einer Aushärtung bereit ist. Die Walzoberfläche der Rollen hat einen Aufbau, die zu dem Querschnitt des Dorns komplementär ist. Obgleich diese Vorrichtung ein Herstellen von geraden Strukturabschnitten mit Änderungen im Hinblick auf die Dicke und Biegungen gestattet, ist sie nicht dazu in der Lage, komplexere Geometrien wie beispielsweise Geometrien mit Änderungen in der Ebene zum Überwinden von Hindernissen (Sicken, Stoßfugen), verdrehte Geometrien etc. herzustellen.
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Darüber hinaus ist es sogar zum Erlangen von einfachen geometrischen Formen wie beispielsweise Komponenten mit einem omegaförmigen Querschnitt, es erforderlich, dass es mehrere Rollen gibt, die sämtlich mit deren jeweiligen Druckeinstellsystemen versehen sind, was den Aufbau derartiger Systeme kompliziert und kostspielig gestaltet und aufgrund des Auftretens von Faltungen (Knittern) beim Einwirken der Rollen auf den Verbundstoff die Qualität des Teils gefährdet.
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Der Hauptnachteil dieser bekannten Systeme ist deren Unfähigkeit, Laminate mit unterschiedlichem Querschnitt auszubilden, da diese Geometrieänderungen ein Ändern der Rollen mit sich bringen.
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Um diese Nachteile zu überwinden, ist ein in PCT/
EP2011/069330 beschriebenes System von der gleichen Anmelderin wie der vorliegenden Anmeldung gestaltet worden, wobei dieses Dokument zum Zeitpunkt der Anmeldung der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht war.
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Dieses Dokument beschreibt die Anwendung einer pneumatischen Abdeckung mit einem mit Druck beaufschlagten Fluid in ihrem Inneren, die das Laminat gegen einen Dorn drückt, um es zu formen.
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das in PCT/
EP2011/069330 beschriebene System zu verbessern, wodurch eine Reihe an Vorteilen erzielt werden, die nachstehend erläutert sind.
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Die
US 5078821 offenbart eine mobile Vorrichtung für ein vollständiges Konsolidieren von Lagen aus einem Material, das thermoplastische Eigenschaften aufzeigt, zum Formen eines Verbundstoffes aus den Lagen auf einem Substrat mit komplexer Kontur (komplexer Außenform). Diese Vorrichtung sieht ein Erwärmen bis in den Schmelztemperaturbereich des thermoplastischen Materials, ein Aufbringen eines ausreichenden Drucks auf die Lagen, um ein Fließen des Kunststoffs zu einem Zeitpunkt zu bewirken, der zum Erzielen eines vollständigen Konsolidierens der Lagen ausreichend ist, und ein schnelles Abkühlen der Struktur vor, um eine Delamination (ein Abschälen) oder eine andere Nicht konsolidierende Wirkung zu verhindern.
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Beschreibung der Erfindung
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Dieses System zum Formen von Stapeln aus Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, die vorstehend dargelegten Nachteile zu beseitigen, während weitere Vorteile aufgezeigt werden, die nachstehend beschrieben sind.
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Das System zum Formen von gestapelten Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung weist folgendes auf:
- - eine Form, die einen Querschnitt definiert, der an einem Stapel an Verbundmaterialien vorzusehen ist, die auf dieser Form angeordnet sind, um einen geformten Stapel zu erlangen (herzustellen);
- - eine Gegenform, die zusammen mit der Form den geformten Stapel formt und herstellt, und
- - verformbare Übergangselemente, die einen von einem Anfangsquerschnitt sich unterscheidenden Querschnitt, der vorzugsweise flach ist, an einem ihrer Enden und dem Endabschnitt, der durch die Form an dem anderen Ende definiert ist, annehmen (sich daran anpassen).
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Die Übergangselemente sind oberhalb und unterhalb des Stapels der Verbundmaterialien positioniert, wodurch eine Düse definiert wird, die flexibel ist und auf verschiedene Geometrien anwendbar ist.
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Vorteilhafterweise sind die Gegenform oder das gestapelte Verbundmaterial oder die Übergangselemente in Längsrichtung entlang des Systems bewegbar.
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Vorzugsweise bewirken die Übergangselemente ein Bereitstellen von Wärme.
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Vorteilhafterweise ist die Gegenform adaptiv (anpassungsfähig), und gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Gegenform durch ein flexibles Behältnis ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann das flexible Behältnis, das die Gegenform ausbildet, einen Füllstoff aufweisen, wie beispielsweise eine Vielzahl an Partikeln.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Übergangselemente aus Membranen oder Gewebestoffen ausgebildet sein.
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Außerdem hat, sofern dies erwünscht ist, die Form einen sich ändernden transversalen Querschnitt entlang ihrer Länge.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Übergangselemente aus einer Vielzahl an Längsstäben zusammengesetzt, und die Form und die Gegenform bestehen aus Stützen, die in einem der Enden der Längsstäbe angeordnet sind.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind diese die Form ausbildenden Längsstäbe unterhalb des gestapelten Verbundmaterials positioniert, und die Längsstäbe, die die Gegenform ausbilden, sind oberhalb des gestapelten Verbundmaterials angeordnet.
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Das System der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile:
- Die Übergangselemente definieren eine Düse, die in Abhängigkeit von der verwendeten Form und verwendeten Gegenform flexibel und an verschiedene Geometrien anpassbar ist.
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Dies ermöglicht eine Änderung der Geometrie während des Formens des Laminats, um Laminate mit einem sich ändernden Querschnitt entlang ihrer Länge zu erhalten. Zu diesem Zweck müssen die Form und die Gegenform eine beliebig sich ändernde (beliebig verstellbare) Geometrie haben.
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Dies ermöglicht ein Formen von Laminaten mit variabler Dicke und Zusammensetzung. Somit können die Laminate aus einem sich ändernden Querschnitt und ohne gerade Geometrie ausgebildet werden.
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Dadurch wird ermöglicht, dass das Einziehen (Threading) des Laminats im Inneren der Düse automatisch ausgeführt werden kann, da die Düse und der Anfangsabschnitt des Laminats gleichzeitig ausgebildet werden können. Das heißt, das Laminat kann zwischen den beiden Übergangselementen die gesamte Zeit des Formens der Düse mit der Form und der schließlichen Gegenform flach sein, sodass der Anfangsabschnitt des Laminats bereits in der Düse teilweise ausgebildet und eingezogen wird.
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Ein wichtiger Vorteil des Formens an dem Dorn durch Rollen, unabhängig davon ob steif, elastisch, aufblasbar oder mit Partikulat ist, dass die Übergangselemente durch Reibung eine Traktion (Zugkraft) erzeugen, die das Laminat festzieht (spannt, strafft) und das Auftreten von Knitterungen (Falten) verhindert, die im Falle von Rollen ausgebildet werden können und in dem Laminat verbleiben können, wenn durch die Rollen gepresst wird.
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Insbesondere sind im Hinblick auf das vorstehend aufgezeigte nicht veröffentlichte Dokument PCT/
EP2011/069330 folgende Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielbar:
- - die Übergangselemente regulieren die Temperatur perfekt;
- - die Übergangselemente üben eine Traktionskraft (Zugkraft) über das gesamte Laminat aus, was das Ausbilden von Faltungen (Knitterungen) verhindert;
- - die Übergangselemente ermöglichen ein Bearbeiten bei einer kalten Werkzeuganordnung, da lediglich der für das Formen verwendete Bereich erwärmt wird, was die innewohnenden Probleme thermischer Ausdehnung und Kontraktion begrenzt, womit Knitterungen (Faltungen) und/oder der Bedarf an einer Anwendung von Materialien mit hohen Kosten und bestimmten Komponenten des Systems der vorliegenden Erfindung vermieden wird, während außerdem eine Verringerung des Energieverbrauchs ermöglicht wird;
- - die Übergangselemente können durch Rollen vervollständigt werden, müssen dies aber nicht;
- - für Laminate mit gerader Mantellinie ermöglichen die Übergangselemente ein Formen von Düsen ohne die Notwendigkeit, dass die Länge des Dorns die gleiche wie die Länge der Laminate ist;
- - Es wird ein Ausführen des Formens mit Standardelementen ermöglicht, die nicht auf eine spezifische Geometrie maßgeschneidert sind.
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Figurenliste
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Zur Vervollständigung der Beschreibung und zum besseren Verständnis der Charakteristika der Erfindung ist als Teil der Beschreibung ein veranschaulichender und die Erfindung nicht einschränkender Satz an Zeichnungen beigefügt, in denen Folgendes gezeigt ist:
- Die 1 bis 3 zeigen perspektivische Ansichten des Systems zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Stufen des Formens eines Stapels gezeigt sind;
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Variante des Systems zum Formen von Stapeln von Verbandmaterialien der vorliegenden Erfindung als eine Alternative des ersten Ausführungsbeispiels;
- Die 5 bis 7 zeigen perspektivische Ansichten des Systems zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Stufen zum Formen eines Stapels gezeigt sind;
- 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Variante des Systems zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung gemäß einer Alternative des zweiten Ausführungsbeispiels;
- Die 9 bis 12 zeigen perspektivische Ansichten des Systems zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die Stufen zum Formen eines Stapels gezeigt sind.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbespiele der Erfindung
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Systems zum Formen von Stapeln von Verbundmaterialien gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße System eine Form 1, beispielsweise einen länglichen Dorn 1 auf. Diese Form hat eine komplexe Geometrie, beispielweise eine Form eines Ω, wobei es sich hierbei um eine Form handelt, die dem Stapel 2 aus Verbundmaterial verliehen werden soll, der auf der Form 1 (an der rechten Seite in 1 bis 3) angeordnet ist.
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Das System der vorliegenden Erfindung weist ebenfalls die Übergangselemente 4 auf, die Wärme bereitstellen können. Die Funktion dieser Übergangselemente 4 ist es, eine Düse zu definieren, die flexibel und auf verschiedene Geometrien anpassbar (an diese anwendbar) ist.
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Im Falle des Bereitstellens von Wärme haben sie auch die Funktion zum Erwärmen des Stapels 2 und eines Ausführens eines Vorformens bei diesem. Der Stapel kann verschiedene Arten an Materialien wie beispielweise thermisch aushärtende Materialien, die bei einer Temperatur von 80 °C geformt werden und/oder thermoplastische Materialien aufweisen, die bei einer Temperatur von ungefähr 300 °C geformt werden.
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Die Übergangselemente 4 sind in diesem Fall oberhalb und unterhalb des Stapels 2 angeordnet und können durch Membranen oder Gewebestoffe ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Übergangselemente 4 Gewebestoffe, wie beispielweise thermische Abdeckungen (Mäntel).
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Es ist hierbei zu beachten, dass es wichtig ist, dass die Übergangselemente 4 anpassbar sind, was bedeutet, dass sie sich an die durch die Form 1 definierte Form anpassen können.
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Das System der vorliegenden Erfindung weist außerdem eine Gegenform 3 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel auch flexibel oder anpassbar ist, das heißt sie passt sich auch an die durch die Form 1 definierte Form an.
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Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel besteht die Gegenform 3 aus einem Behältnis, wie ein Balg oder eine Blase, das oder die einen Füllstoff wie beispielweise Partikel, Bleikugeln, magnetische Partikel oder mit Druck beaufschlagte Luft oder eine Kombination aus diesen enthalten kann. Die Funktion dieser Füllstoffe aus Partikeln ist es, ein besseres Anpassen der Gegenform 3 an die durch die Form 1 definierte komplexe Form zu ermöglichen, insbesondere dann, wenn kleine Radiusdimensionen definiert werden. Es ist hierbei zu beachten, dass die Dimensionen (Maße) der Partikel, sofern sie vorhanden sind, der komplexen Form entsprechen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gegenform 3 entlang der Form 1 bewegbar, wie dies in 1 bis 3 gezeigt ist.
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Der Prozess zum Formen des Stapels 2 geschieht wie folgt:
- Zunächst (sh. 1) wird der Stapel der Form 1 in Längsrichtung angeordnet, wobei die Übergangselemente 4 oberhalb und unterhalb des Stapels 2 positioniert sind, wodurch in einem derartigen Fall dem Stapel 2 eine geeignete Temperatur zum Erwärmen und Vorformen verliehen wird.
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Die Übergangselemente 4 müssen außerdem ausreichend gespannt sein, um ein Auftreten von Falten (Knitterungen) zu vermeiden und damit sie sich perfekt an die durch die Form 1 definierte Form anpassen. Die anfängliche Geometrie wird durch zwei flache Stahlplatten 5 verliehen, die an der Vorderseite der Übergangselemente angeordnet sind.
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Wenn der Stapel 2 einmal bei der geeigneten Temperatur ist (sh. 2), wird die Gegenform 3 entlang der Form 1 in der durch den Pfeil in 3 gezeigten Richtung bewegt. Wenn die Gegenform auf den Übergangselementen angeordnet ist, presst sie ihre Enden gegen die Form und erzwingt, dass sie ihre Geometrie anpassen, womit die Übergangsdüse so ausgebildet wird, dass in ihr das Ende des Stapels eingezogen wird, wie dies in 2 gezeigt ist. Somit ist die Übergangsdüse mit dem innenliegenden Ende des Laminats 2 konform gestaltet und auch der Übergang von diesem ist angepasst und in die Düse eingezogen.
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Danach wird der Satz, der die Düse ausbildet, entlang des Stapels und des Dorns bewegt, um den Stapel entlang seiner gesamten Länge (2') zu formen, wie dies in 3 gezeigt ist.
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In 4 ist eine Variante dieses ersten Ausführungsbeispiels gezeigt, bei der die Form 1 einen geänderten Abschnitt (einen geänderten Querschnitt) hat. In diesem Fall ändern, wenn die Übergangselemente 4 und die Gegenform 3 entlang der Form bewegt werden, die Übergangselemente 4 auch ihren Querschnitt entlang ihrer Länge aufgrund ihrer flexiblen und anpassfähigen Eigenschaft, und werden das Laminat 2 formen, wobei dieses an die verschiedenen Abschnitte (die unterschiedlichen Querschnitte) der Form 1 entlang ihrer gesamten Länge und auch an die Krümmungen, die diese aufzeigt, angepasst wird.
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In den 5 bis 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Systems der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur Vereinfachung sind in der Beschreibung des vorliegenden Ausführungsbeispiels die gleichen Bezugszeichen zum Bezeichnen äquivalenter Elemente verwendet werden.
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Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel verbleiben hierbei die Düse, die durch die Übergangselemente 4 definiert ist, die ebenfalls Mäntel sind, die Form 1 und die Gegenform 3 statisch (ortsfest) und das Laminat, das durch die Düse tritt, wird so gezogen, dass es flach geformt von einer Seite eintritt und an der anderen Seite geformt austritt.
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Das Ende des Laminats 2 ist zwischen den beiden Übergangselementen 4 im noch flachen Zustand angeordnet und diese werden so erwärmt, dass das Laminat 2 ebenfalls erwärmt wird. Dann wird das hintere Ende der Übergangselemente 4 begrenzt, wobei es zwischen der Form 1 und der Gegenform 3 gedrückt wird.
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Somit wird die Übergangsdüse mit dem Ende des Laminats 2 an der Innenseite ausgebildet und der Übergang wird ebenfalls in dem Laminat 2 angepasst. Dann wird das Laminat 2 so gezogen, dass es durch die Düse in dieser Wiese geformt so tritt, dass es erwärmt und geformt wird.
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In 8 ist eine Variante dieses Ausführungsbeispiels gezeigt, in der der Querschnitt der Form 1 und der Gegenform 3 geändert (anders gestaltet) ist.
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In den 9 bis 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur Vereinfachung sind in der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels die gleichen Bezugszeichen verwendet, um äquivalente Elemente zu bezeichnen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Übergangselemente 4 durch eine Vielzahl an Längsstangen ausgebildet und diese Stangen werden zum Formen einer flexiblen Düse in Betracht gezogen, da ihre Relativposition zwischen innen vertikal und transversal (quer) variiert werden kann, wie dies in den Zeichnungen ersichtlich ist. Auch muss in diesem Fall aufgezeigt werden, dass die Stangen einen Durchmesser haben, der dazu geeignet ist, dass er perfekt an die Form angepasst ist, die durch die Form 1 und die Gegenform 3 definiert ist.
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In diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die Form 1 und die Gegenform 3 durch Stützen ausgebildet, die an einem der Enden der Stangen angeordnet sind, die die Stützen der Form 1 unterhalb des Laminats 2 sind und die Stützen der Gegenform 3 oberhalb des Laminats 2 sind.
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Wie dies anhand der Pfeile in 12 gezeigt ist, sind die Stützen vertikal und seitlich (in Querrichtung) beweglich, um den Querschnitt des Laminats 2 zu definieren, der erwünscht ist.
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In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird das Formen des Laminats 2 ausgeführt, indem selbiges Laminat 2 gezogen wird, wie dies anhand des Pfeils in 11 gezeigt ist.
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Im Hinblick auf diese Beschreibung und den Satz an Zeichnungen dürfte für einen Fachmann verständlich sein, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl an Möglichkeiten innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können. Die vorliegende Erfindung ist gemäß einiger ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschreiben, jedoch ist für Fachleute offensichtlich, dass eine Vielzahl an Variationen in den bevorzugten Ausführungsbeispielen verwirklicht werden können, ohne den Umfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7249943 B2 [0005]
- EP 2011/069330 [0008, 0010, 0028]
- US 5078821 [0011]