DE60105084T2

DE60105084T2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines quadratischen Rohres aus Faserverbundkunststoff

Info

Publication number: DE60105084T2
Application number: DE60105084T
Authority: DE
Inventors: Toru Kasai; Akiyoshi Sugawara; Makoto Okamoto
Original assignee: Jamco Corp
Current assignee: Jamco Corp
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2021-05-03
Also published as: EP1157811A3; JP3357342B2; US20020000295A1; US6601627B2; ES2225345T3; EP1157811A2; EP1157811B1; DE60105084D1; JP2001328130A

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines quadratischen Rohres aus einem leichten, hoch stabilen faserverstärkten Kunststoff zur Verwendung in einem Flugzeug, oder eines quadratischen Rohres aus faserverstärktem Kunststoff, das als Konstruktionsmaterial verwendet wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein herkömmliches Verfahren zum Formen eines Rohrs aus Faserverbundkunststoff wird als Pultrusionsverfahren bezeichnet, bei welchem ein Fasermaterial zunächst mit einem Harz imprägniert wird, bevor es in eine erwärmte Form überführt wird, so dass das Harz aushärtet. Diese herkömmliche Verfahren begrenzt jedoch den Anteil des Fasergehalts im Material, und die Faserorientierung im Material gerät leicht durcheinander, so dass es schwierig ist, ein geformtes Produkt mit einer hohen Qualität herzustellen. Andererseits kann ein aus einem Prepreg-Material (mit Harz imprägnierte und anschliessend halb gehärtete Faser) einen höheren Faseranteil aufweisen, und die Faserorientierung kann gleichförmig sein, so dass das Produkt dazu verwendet wird, hochfeste Teile herzustellen, wie sie in Flugzeugen und dergleichen verwendet werden.
Ein herkömmliches Verfahren zum Formen eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff (siehe z. B. JP-A-1208123) umfallt die Anwendung einer Form-Trennbehandlung an einer metallischen quadratischen Säule, die als Kern verwendet wird, Schichten einer vorbestimmten Anzahl von Prepreg-Blättern auf den Kern, und Herstellen der gewünschten Form in einem Autoklav. Wenn jedoch die Länge des gewünschten Produktes groß ist, muß der Autoklav und die Einrichtung zum Herausziehen der metallischen quadratischen Säule nach dem Härten des Materials ebenfalls groß sein, so dass eine größere Anlage erforderlich ist.
Ein weiteres Verfahren zum Formen des quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff umfaßt die Verwendung eines Rohrs aus Silikonkautschuk oder dergleichen als Kern, und nach dem Schichten des Prepreg-Materials auf das Rohr wird das beschichtete Material in eine äußere Form verbracht, und es wird ein innerer Luftdruck auf das Material ausgeübt, so dass die gewünschte Form erzeugt wird. Bei dem zweiten Verfahren ist nur eine kleine Zugkraft erforderlich, doch es muß eine äußere Form hergestellt werden, und das Verfahren wirft ein weiteres Problem auf, das mit der Beständigkeit des Rohrs aus Silikonkautschuk verbunden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch welche sich kontinuierlich mit hoher Qualität ein quadratisches Rohr unter Verwendung eines Prepreg-Materials formen läßt, welches Rohr in einem Flugzeug oder dergleichen verwendet werden kann, und welches eine kleinere Anzahl äußerer Anlagen erfordert.
Die Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Einrichtung zum sequenziellen Laminieren eines Trennfilms und eines Prepreg-Blattes, die so geschnitten sind, dass sie vorbestimmte Breiten aufweisen, auf ein quadratisches Rohr aus Aluminium mit einem äußeren Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser des zu formenden quadratischen Rohrs, eine Vor-Ausdehnungs-Einrichtung, die vor einer Form zum Ausdehnen des laminierten Prepreg-Materials in radialer Richtung angeordnet ist, so dass dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Produktes entspricht, und einer Heißpresse, die entsprechend der Bewegung einer Ziehvorrichtung geöffnet und geschlossen wird. Die Ziehvorrichtung bewegt das geformte Produkt über eine vorbestimmte Länge, wenn die Heißpresse geöffnet wird. Das quadratische Aluminiumrohr, das als Kern funktioniert, wird in Richtung der Ziehvorrichtung aus der Heißpresse gezogen und von einer Einrichtung getragen, die das Kernstück selbst während des Formvorgangs entnehmen kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht der Schichtungseinrichtung für Prepreg-Blätter;
3 ist eine erläuternde Darstellung des Kerns der Schichtungseinrichtung der Prepreg-Blätter;
4 ist eine erläuternde Darstellung der Vor-Ausdehnungs-Einrichtung;
5 ist eine erläuternde Darstellung, die die Anordnung der Heißpreßeinrichtung, des Nachhärtungsofens, der Klammereinrichtung und der Zieheinrichtung zeigt;
6 ist eine erläuternde Darstellung, die den Kern der Zieheinrichtung darstellt; und
7 ist ein Diagramm, das den zeitlichen Betriebsablauf der Einrichtungen darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine erläuternde Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die insgesamt mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff ist mit einem langen Kernelement 10 ausgestattet, dessen äußerer Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des herzustellenden quadratischen Rohrs. Der Kern 10 dient zum Schichten einer erforderlichen Anzahl von Prepreg-Blättern auf seiner Außenseite, und die Länge des Kerns ist so bemessen, dass die Prepreg-Blätter darauf geschichtet werden können.
Tatsächlich muß die Länge des Kerns ungefähr 10 m betragen, so dass der Kern aus einem Leichtmetall wie etwa Aluminium bestehen muß, und seine Enden werden durch Stützen unterstützt. Schichtungseinrichtungen 20, 30, 40 und 50 sind in 90-Grad-Abständen um den Kern 10 herum angeordnet.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Aufbaus der Vorrichtung zum Laminieren von Prepreg-Blättern, und 3 ist eine erläuternde Ansicht des Kerns.
Die Einrichtungen 20 und 30 zum Laminieren der Prepreg-Blätter sind jeweils über und unterhalb des Kerns 10 angeordnet, der so ausgerichtet ist, dass seine zwei gegenüberliegenden Ecken in der vertikalen Richtung angeordnet sind. Die Einrichtungen 40 und 50 zum Laminieren von Prepreg-Blättern sind horizontal angeordnet, während der Kern 10 in der Mitte zwischen zwei Einrichtungen positioniert ist.
Die Einrichtung 20 zum Laminieren von Prepreg-Blättern, die oberhalb des Kerns 10 angeordnet ist, umfaßt mehrere Stationen 21 und 22.
Jede Station hat den gleichen Aufbau. Die erste Station 21 ist mit zwei Stützrollen 21a zum Stützen der Prepreg-Blätter versehen. Jede Stützrolle umfaßt eine Film-Aufnahmerolle, die den entfernten Film aufwickelt, der auf der Oberfläche des klebrigen Prepreg-Blattes haftet. Das zugeführte Prepreg-Blatt hat eine Breite entsprechend zwei der vier Seiten des quadratischen säulenförmigen Kerns.
Das zugeführte Prepreg-Blatt wird durch eine zylindrische erste Rolle 21c geführt, so dass die Mitte des Blatts an einer Ecke des Kerns 10 angeordnet ist und der mittlere Bereich auf die Kante des Kerns durch eine zweite Rolle 21d gedrückt wird. Eine dritte Rolle 21e schichtet das gesamte Prepreg-Blatt auf die Oberfläche des Kerns 10.
Nach dem Schichten des Prepreg-Blatts auf die Oberfläche des Kerns 10 wird ein Film, der als Trennfilm bezeichnet wird, der Oberfläche des Kerns 10 zugeführt, welcher zum Entfernen des fertigen quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff vom Kern 10 dient. Der Trennfilm, der von Stützrollen 61 und 62 abgezogen wird, die an die Stütze 12 des Kerns 10 montiert sind, wird durch Führungsrollen 61a und 62a auf die Oberfläche des Kerns 10 geschichtet.
Gemäß der Ausführungsform aus 1 sind zwei Sätze von Einrichtungen 21 und 22 zum Laminieren von Prepreg-Blättern oberhalb des Kerns 10 angeordnet, und zwei Sätze von Einrichtungen 31 und 32 zum Laminieren von Prepreg-Blättern sind unterhalb des Kerns 10 angeordnet.
In ähnlicher Weise sind zwei Sätze von Einrichtungen 41, 42 und 51, 52 zum Laminieren von Prepreg-Blättern auf den linken und rechten Seiten des Kerns 10 angeordnet.
Wie soeben erläutert, umfaßt der Querschnitt des quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff acht Lagen von Prepreg-Blättern, die auf jede Seite geschichtet sind.
Ein Trennfilm wird auf die Außenseite der Prepreg-Blätter aufgebracht, die durch die Einrichtung zum Laminieren von Prepreg-Blättern in die Form eines quadratischen Rohrs geschichtet sind. Der Trennfilm, der den Zuführungsrollen 71 und 72 entnommen wird, wird auf die Oberfläche der Prepreg-Blätter durch Führungsrollen 71a und 72a aufgelegt.
Die in der Form des quadratischen Rohrs laminierten Prepreg-Blätter werden in eine Heißpreßeinrichtung 100 überführt. Vor dieser Heißpreßbehandlung werden die laminierten Blätter durch eine Vorausdehnungseinrichtung 80 befördert.
4 ist eine erläuternde Darstellung des Aufbaus dieser Vorausdehnungseinrichtung 80.
Die Vorausdehnungseinrichtung 80, die mit dem Endbereich des Kerns 10 verbunden ist, umfaßt einen Luftsack 82 und ein Band 84 aus rostfreiem Stahl, das außen am Luftsatz 82 angebracht ist und mit einem Heißpreßkern 90 verbunden ist. Der Heißpreßkern 90 hat einen geringfügig größeren Durchmesser als der Kern 10, der zum Laminieren der Prepreg-Blätter verwendet wird, und der Durchmesser des Kerns 90 entspricht dem Innendurchmesser des herzustellenden quadratischen Rohrs.
Die Prepreg-Blätter, die in die Form eines quadratischen Rohrs auf den Kern 10 zum Schichten der Prepreg-Blätter geschichtet sind, sind noch nicht ausreichend zusammengepreßt, und es können Luftblasen zwischen den geschichteten Blättern vorhanden sein.
Die Vorausdehnungseinrichtung 80 übt eine Ausdehnungskraft oder Spannung vom Inneren des laminierten Körpers aus Prepreg-Blättern aus und vervollständigt die Lamination der Blätter.
Das Stahlband 84 ist keilförmig mit erweiterten Enden angebracht, und der innere Luftsack 82 kann sich ausdehnen und sich zusammenziehen.
Das Werkstück (quadratisches Rohr) aus Prepreg-Blättern wird schrittweise durch eine weiter unten erläuterte Zieheinrichtung in die Heißpreßeinrichtung gezogen.
Entsprechend der schrittweisen Bewegung des Werkstücks wird Luft durch einen Luftkanal 92 in den Luftsack 82 eingeführt.
Der mit Luft gefüllte Luftsack 82 drückt das quadratische Rohr von innen durch das Stahlband 84 nach außen.
Diese Druckkraft erweitert zwangsweise den Innendurchmesser des quadratischen Rohrs. Dieser Vorausdehnungsvorgang verleiht dem laminierten Körper aus Prepreg-Blättern, der anschließend zum Heißpreßkern 90 geschickt wird, eine größere Stabilität.
5 ist eine erläuternde Darstellung des Aufbaus einer Heißpresse 100, eines Nachhärtungsofens 110, welcher einen zusätzlichen Heizofen darstellt, einer Arbeitsklemmeinrichtung 120 und einer Zieheinrichtung (Zieher) 130 zum Ziehen des Produktes.
Die Heißpreßeinrichtung 100 erhitzt und preßt das Prepreg-Blattmaterial, das in der Form eines quadratischen Rohrs laminiert ist, für einen vorbestimmten Zeitraum von außen unter Verwendung einer erhitzten Form, so dass das Aushärten des thermofixierenden Harzes begünstigt wird, mit dem das Blattmaterial imprägniert ist.
Der Heißpreßkern 90 durchstößt die Form der Heißpreßeinrichtung 100 und ragt am anderen Ende heraus.
Die Heiztemperatur und die Heizzeit werden geeignet entsprechend der Eigenschaften des Prepreg-Blattmaterials gewählt.
Das heißgepreßte und geformte quadratische Rohrprodukt wird dann in den Nachhärtungsofen 110 übertragen. Der Nachhärtungsofen 110 erhitzt das durchlaufende quadratische Rohr über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg auf eine vorbestimmte Temperatur, so dass das Aushärten des thermofixierenden Harzes in dem Prepreg-Blatt abgeschlossen wird.
Die Klemmeinrichtung 130, die an dem Ausgangsende des Nachhärtungsofens 110 vorgesehen ist, ergreift und fixiert den kontinuierlich beförderten quadratischen Rohrkörper. Auf das Prepreg-Blattmaterial, das dem Prepreg-Blatt-Laminatkern zugeführt wird, wird eine Spannung ausgeübt, die das Material in Richtung der Zuführungsrolle zieht. Hierdurch wird das laminierte Prepreg-Blattmaterial kontinuierlich nach hinten in Richtung der Zuführungsrolle gezogen. Die Klemmeinrichtung hält das quadratische Rohrprodukt entgegen dieser Rückkehrkraft.
Die Zieheinrichtung 130 ist mit einer Einrichtung zum Ergreifen des quadratischen Rohrprodukts und zur Rückwärts-Vorwärts-Bewegung in Pfeilrichtung ausgestattet. Eine hydraulische Kraftquelle wird dazu eingesetzt, die Rückwärts-Vorwärts-Bewegung zu erzeugen.
6 zeigt den Aufbau eines Ziehkerns, der mit der Zieheinrichtung ausgestattet ist.
Die Zieheinrichtung 130 umfaßt einen nicht dargestellten Greifarm, der das hergestellte quadratische Rohr P₁ aus Faserverbundkunststoff von außen ergreift. Um zu verhindern, dass das quadratische Rohr P₁ aus Faserverbundkunststoff durch die Greifkraft kollabiert, wird ein Ziehkern 150 verwendet.
Der Ziehkern 150 umfaßt ein Kernelement 152, das sich durch Luft ausdehnen oder zusammenziehen kann, und das Kernelement 152 kann sich mit Hilfe einer Walze 154 gemeinsam mit dem Produkt bewegen.
Das Kernelement 152 wird durch eine Feder 156 zurück in seine Ausgangsposition gebracht.
Wenn die Zieheinrichtung 130 das quadratische Rohr P₁ aus Faserverbundkunststoff durch den Greifer ergreift und das Rohr in der axialen Richtung zieht, bewegt sich das Kernelement 152 des Ziehkerns 150 gemeinsam mit der Zieheinrichtung 130.
Wenn der Ziehvorgang abgeschlossen ist und die Zieheinrichtung 130 zurückgekehrt ist, wird das Kernelement 152 ebenfalls durch die Feder 156 zurück in seine Ausgangsposition gebracht.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das den zeitlichen Ablauf des Betriebs der vorliegenden Erfindung zeigt.
Während die Form der Heißpreßeinrichtung geschlossen ist und Hitze und Druck auf das Prepreg-Blattmaterial ausgeübt werden, dehnt die Vorausdehnungseinrichtung 80 das Prepreg-Blattmaterial auf einen vorbestimmten quadratischen Rohrdurchmesser.
Während des Heißpreßvorgangs ergreift die Arbeits-Klemmeinrichtung 120 das Werkstück. Währenddessen ist die Klemme der Zieheinrichtung geöffnet. Wenn ein Schritt des Heißpreßvorgangs abgeschlossen ist, wird die Form der Heißpresse geöffnet, die Arbeitsklemme gelöst, und die Zieheinrichtung wird betätigt, um das Werkstück für eine vorbestimmte Strecke herauszuziehen. Der Ziehkern folgt dieser Bewegung.
Die zuvor erwähnten Schritte werden wiederholt, um das quadratische Rohr aus Faserverbundkunststoff kontinuierlich herzustellen.
Das kontinuierlich hergestellte quadratische Rohr aus Faserverbundkunststoff wird durch eine nicht dargestellte Schneideinrichtung in vorbestimmte Längen geschnitten, so dass das gewünschte Produkt erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines quadratischen Rohrs aus Faserverbundkunststoff, durch welche Prepreg-Blätter in Form eines quadratischen Rohrs laminiert werden, wobei Behandlungen wie etwa Heißpressen und Nachhärten des Rohrs angewendet werden.
Erfindungsgemäß ist der Schichtungsvorgang der Prepreg-Blätter automatisiert, und ein quadratisches Rohr aus Faserverbundkunststoff mit hoher Qualität kann effizient hergestellt werden.

Claims

Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines quadratischen Rohres aus Faserverbundkunststoff unter Verwendung eines Prepreg, das heißt eines halb gehärteten, vorimprägnierten Materials, das gewonnen wird durch Imprägnieren eines Kohlefaser- oder Glasfasermaterials mit einem thermofixierenden Harz, welche Vorrichtung umfaßt eine Anzahl von Einrichtungen (20, 30, 40, 50) zur sequenziellen Laminierung einer notwendigen Anzahl von Prepreg-Blättern auf die Oberfläche eines Kerns (10) in der Form einer quadratischen Säule, der mit einem Trennfilm bedeckt ist, welcher Kern einen Außendurchmesser aufweist, der geringer ist als der Innendurchmesser des herzustellenden quadratischen Rohres; eine Einrichtung (61a, 62a, 71a, 72a) zum Aufbringen eines Trennfilms auf die äußere Schicht des laminierten Prepreg-Blattes; eine Einrichtung (80) zum Ausdehnen des Prepreg-Blattes in radialer Richtung, so dass der Innendurchmesser des Blattes dem Innendurchmesser des herzustellenden Rohres entspricht; eine Heißpreßeinrichtung (100) zum Aufbringen von Hitze und Druck auf die Prepreg-Blätter; einen Heizofen (110) zum zusätzlichen Heizen für die heißgepreßten Prepreg-Blätter; eine Einrichtung (130) zum Ziehen und Fixieren des durch die Prepreg-Blätter gebildeten quadratischen Rohres.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohres aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1, bei dem jedes der Prepreg-Blätter auf einen Kern in der Form einer quadratischen Säule auflaminiert wird, der eine Breite aufweist, die zwei nebeneinanderliegende äußere Oberflächen der quadratischen Säule abdeckt.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohres aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtungen zum Laminieren der Prepreg-Blätter auf die Oberfläche des Kerns in der Form einer quadratischen Säule außerhalb jeder Ecke des quadratischen Kerns positioniert sind, und dass jede Einrichtung mit einer Zufuhrhaspel ausgestattet ist zum Zuführen der Prepreg-Blätter und einer Rolle zum Biegen und Laminieren der Prepreg-Blätter auf die Oberfläche des Kerns.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohres aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Ziehen und Fixieren des quadratischen Rohres, das aus Prepreg-Blättern hergestellt ist, mit einem Gummirohr in der Form der quadratischen Säule, das innerhalb des geformten Rohres zu positionieren ist, zum Verhindern, dass das Rohr zusammenfällt, und dass das Rohr in der Lage ist, sich auszudehnen und zusammenzuziehen entsprechend der Fixierzeit des geformten Rohres.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Formen eines quadratischen Rohres aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum radialen Expandieren des inneren Durchmessers des herzustellenden quadratischen Rohres, die Heißpreßeinrichtung, die Zieh- und Fixiereinrichtung und die Expandier- und Kontraktionseinrichtung des Rohres, die in der Zieh- und Fixiereinrichtung enthalten sind, allesamt entsprechend zueinander gesteuert werden.