WO2012136391A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faservorformlingen, die insbesondere eine vorstufe bei der herstellung von faserverstärkten kunststoff-bauteilen darstellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faservorformlingen, die insbesondere eine vorstufe bei der herstellung von faserverstärkten kunststoff-bauteilen darstellen Download PDF

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WO2012136391A1 PCT/EP2012/051287 EP2012051287W WO2012136391A1 WO 2012136391 A1 WO2012136391 A1 WO 2012136391A1 EP 2012051287 W EP2012051287 W EP 2012051287W WO 2012136391 A1 WO2012136391 A1 WO 2012136391A1
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rovings
yarns
grippers
yarn
yarn transfer
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PCT/EP2012/051287
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Marco Göttinger
Michael Kaiser
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Voith Patent Gmbh
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    • B29C70/207—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in a single direction, e.g. roofing or other parallel fibres the structure being shaped to form a three-dimensional configuration arranged in parallel planes of fibres crossing at substantial angles

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for the production of fiber preforms, which in particular constitute a precursor in the production of fiber-reinforced plastic components, the apparatus having a plurality of unwinding stations for providing a plurality of yarns or rovings, a plurality of grippers, each having one or more yarns or rovings on its Beginning, and having at least a first forming tool, each gripper being reciprocally movable on a path between a maximum position and a picking position, and wherein the picking position is provided at a yarn transfer point and closer to the unwinding station than the maximum position.
  • the invention relates to a process for the production of fiber preforms which, for example, represent a precursor in the production of fiber-reinforced plastic components, in particular using a device according to the invention, which has the following process steps in succession:
  • Fiber-reinforced plastic consists of matrix material, which among other things gives the rigidity and of fibers, which are embedded in the matrix material and which among other things provide the tensile strength. Fiber-reinforced plastic is used especially for heavily loaded components, which should still be as light as possible. Since the fibers impart no strength in the transverse direction, the fibers must be aligned so that their longitudinal direction coincides as well as possible with the respective loading direction. To achieve this, the fibers often have to be laid in different directions. The better and more precisely the fiber layer is adapted to the load, the better the component will be. For components made of fiber-reinforced plastic, there are numerous manufacturing processes. For the production of large numbers of well-applicable methods, however, there are currently only with rotationally symmetrical or plate- or strand-shaped components by winding or plate or extrusion.
  • Both for the production of the fiber preforms and for the impregnation and / or curing of the components molding tools can be used according to the desired component shape, on or in which the Faservorform ling or the component is placed and / or pressed.
  • the fiber preforms have sufficient dimensional stability for further processing, they are provided with small amounts of adhesive or binder and fixed after the three-dimensional draping, for example by drying or by heating and cooling.
  • the fiber preforms are usually created by superimposing and fixing of prefabricated and pre-bonded flat semi-finished products.
  • Such semi-finished products are for example tapes or fabrics, scrims or nonwovens in which a multiplicity of individual yarns or rovings are already woven, sewn or glued into a flat structure.
  • a yarn is referred to when using so-called continuous fibers, ie when the fibers are unwound from a coil or a ball.
  • Numerous yarns that are untwisted simultaneously from a spool or from a ball are called yarn bundles or roving.
  • the rovings can consist of up to several ten thousand single yarns, which are also called filaments.
  • the required individual parts are cut from the flat semifinished product, which is usually available as a roll product, according to a kind of pattern, as is known from DE 10 2008 011 658 A1. Then they are placed over a mold and connected or pressed together. An example of the production of such semi-finished products by gluing or sewing is also shown in DE 10 2008 01 1 658 A1. Often, however, a high proportion of manual activities is necessary.
  • a device for the mechanical production of simple one-dimensionally curved preforms with sections of semifinished products, which are held in a cassette and then deposited on a core, is known from DE 10 2008 042 574 A1. More complex shapes can not yet be produced mechanically.
  • Fiber preforms for more complex components Another possibility for producing fiber preforms for more complex components is automated fiber laying.
  • narrow bundles of yarns or bundles of yarn bundles are guided back and forth by a fiber laying head over the molding tool, and deposited, pressed and fixed next to and above one another.
  • a complex robot-like control of the fiber laying head is necessary.
  • the production speed is still relatively slow, as the heads often have to travel long distances and successive narrow fiber bundles are used.
  • they have a very long and complicated yarn tracking from the creel to the multi-axis moving laying head.
  • the object of the invention is to provide an apparatus and a method for the production of Faservorform lingen, so that more complex, high-quality structures can be easily automated, but flexible in the shape and fiber orientation, faster and cheaper to manufacture.
  • the object is achieved by the device with the features according to claim 1. Further advantageous features are mentioned in the dependent claims.
  • the device is characterized in that one or more rewinding devices are provided, with which yarns or rovings which have been dispensed into the area between the yarn transfer points and the first mold can be at least partially withdrawn into the area between yarn transfer points and unwinding stations and / or the unwinding stations can be wound up.
  • one or more rewinding devices are provided, with which yarns or rovings which have been dispensed into the area between the yarn transfer points and the first mold can be at least partially withdrawn into the area between yarn transfer points and unwinding stations and / or the unwinding stations can be wound up.
  • the device is thereby designed so that deposition rates of more than 2 kg / min or even more than 3 kg / min of yarn or roving material can be achieved. Furthermore, both the unwinding stations and the yarn guide can remain stationary by the grippers. Since the usual flat semi-finished products are dispensed with and the fiber preform is draped and produced directly from yarns or rovings, the material costs are much lower than known processes. Due to the parallelization, a short production time can nevertheless be achieved. The flat semi-finished products are quite expensive due to the prefabrication. In the case of strongly three-dimensional components, the use of large-area semi-finished products also entails the risk of wrinkling.
  • the rewind means may be formed, for example, by the yarn dispensers or by the unwind stations, if a direction reversed drive or clutch is provided. But they can also be a separate device. Instead of being rewound onto the bobbins or bobbins, the withdrawn yarn length may also be stored by a corresponding extension of the yarn path, for example, by shifting yarn guide elements until further use.
  • the feeding of the device with yarns or rovings takes place from the unwinding stations.
  • the unwinding stations can be designed, for example, as a so-called creel.
  • the yarns or rovings can be drawn from bobbins or bobbins.
  • Each yarn transfer point receives yarn or rovings from one or more unwind stations.
  • a separating device which can separate the yarns or rovings between a forming tool and the grippers, and / or a separating device which can separate the yarns or rovings between a forming tool and the yarn transfer points.
  • each gripper has its own maximum position and is assigned to its own yarn transfer point, so that the grippers are individually movable on essentially parallel paths. This results in simple yarn paths and rewinding is easily possible. It is advantageous if the grippers can take various individual intermediate positions in their path and if they can hold the respective beginnings of the yarns or rovings at these intermediate positions. This results in the separation of the yarns or rovings between gripper and mold less waste.
  • the device according to the invention is designed so that the individual grippers can each be moved on a substantially linear path from the pickup position to the maximum position. This results particularly simple thread guides with low friction. For more complicated yarn guides, braiding of the yarns can hinder rewinding.
  • the invention can be used particularly advantageously if at least 5 grippers, preferably at least 10 grippers, more preferably at least 20 grippers, are present, in particular if the grippers have a clamping width of 10 to 500 mm, preferably 20 to 200 mm, and / or if all Grippers together have a total clamping width of at least 1 m, preferably of at least 2 m, more preferably of at least 3 m.
  • the first and / or a second forming tool can be brought between the yarn transfer points and at least some of the grippers, in particular so that thereby the yarns or rovings are draped over the forming tool.
  • a control of the yarn tensions of the yarns or rovings may be provided.
  • the yarns are deflected by the forming tool and the yarn tension would change uncontrollably.
  • the yarn tension By controlling the yarn tension during the manufacturing process and in particular during draping can be controlled. This is important, as the yarns or rovings must not be overloaded, but on the other hand should not be too loose in order to achieve optimum structural strengths.
  • the fibers can only be applied largely without tension.
  • the yarn when depositing with a fiber laying head, the yarn must be placed according to the three-dimensionality of the shape with exactly calculated yarn excess length in the form of loops or the like, so that the yarns then during draping, ie when entering or closing the molds, have the stretched length.
  • the yarn tension control is important, even if several grippers when clamping the yarns or rovings at different intermediate positions, in particular close and along an outer contour of a molding tool, stand. Later, this results in little waste of expensive fiber material.
  • the resulting strong deflections of the yarns or rovings can be controlled only with a control of the yarn tensions.
  • a separating device which can separate the yarns or rovings between the first and / or a second forming tool and the grippers, and / or a separating device which can separate the yarns or rovings between the first and / or a second forming tool and the yarn transfer points , intended.
  • a separator for the yarns or rovings is provided between a forming tool and the yarn transfer points, which is adapted to separate the yarns or rovings close to an outer contour of the first and / or a second mold, in particular closer to the mold than at the yarn transfer points.
  • each rewinding device in particular each unwinding station or each group of unwinding stations, is assigned its own coupling and / or braking device, which are preferably designed such that each rewinding device, in particular each unwinding station or each group of unwinding stations, has different lengths withdraw from yarns or rovings. Especially with very strong three-dimensional shapes fall on different issued yarn lengths.
  • one or more sensors are provided which can detect the positions of the beginnings of the yarns or rovings in the area of the yarn transfer points. This can be used to detect when the beginnings are at the desired position for picking up with the gripper and when the rewinding must be stopped.
  • sensors may be camera-based, other optical, electrical or mechanical sensors. It is also conceivable to use a yarn tension measurement as a sensor.
  • one or more spreaders are provided in the area of the yarn transfer points, in particular as a kind of comb with one or more rows of prongs. As a result, the individual yarns or rovings are kept clean in their course both during dispensing and when rewinding.
  • the spreader can also be provided with a clamping or braking device and the spreader can also be movable along the yarn paths or gripper paths. For example, a certain yarn tension for rewinding can be maintained.
  • each unwinding station or each group of unwinding stations at least one device for measuring the respective yarn tensions, which is arranged in the area of the yarn transfer point and / or between the unwinding station and the yarn transfer point and which is preferably designed as a ring force sensor at a deflection point. This ensures that each yarn or roving bundle has controlled yarn tension and can be controlled individually or in small groups.
  • a plurality of unwinding stations preferably a maximum of ten, particularly preferably a maximum of six, can be combined to form a group which has only one yarn tension control.
  • each unwinding station or group of unwinding stations is assigned its own coupling and / or braking device. Furthermore, the yarn tensions for each unwinding station can be controlled individually. As a result, a common drive can be provided at the unwinding stations or the yarn transfer points for the delivery of the yarns. The individual clutch and / or brake devices control then the appropriate yarn tension or separate and connect the drive with yarns.
  • the first and / or a second molding tool can be equipped with a heating device and / or a pressing device.
  • a heating device and / or a pressing device By increasing the temperature or pressure, an existing binder can be activated, so that the yarns or rovings are fixed in the predetermined shape and connected to one another first to a layer and then to the fiber preform.
  • a binder material for example, threads or nonwovens, which consist at least partially of thermoplastic or adhesive, are draped with. As a result, the binder material necessary for fixing is applied directly to the fiber material.
  • the binder material can also be introduced by hybrid threads, which also contain binder material in addition to fiber material, or by coating or spraying the yarns or rovings.
  • the binder material may also be applied, for example sprayed, onto a forming tool after draping the yarns and rovings.
  • a certain stability is achieved for the application of another layer of yarns or rovings or for the further processing of the fiber preform.
  • a pre-activation of the binder material already when dispensing the yarns or rovings should be dispensed with, as this would prevent the rewinding.
  • the method is characterized in that, after the separation, the yarns or rovings which have been dispensed into the area between the yarn transfer points and the first mold are at least partially drawn back into the area between yarn transfer points and unwinding stations and / or at the unwinding stations.
  • the yarns or rovings can be fixed in a dimensionally stable manner after and / or during draping, in particular by activation of binder material, and preferably by heating and / or pressing.
  • the fixing takes place separately and / or after the last layer in each layer.
  • the yarns or rovings can be separated during separation and close to and along an outer contour of the first or a second mold. Furthermore, it is advantageous that the positions of the beginnings of the yarns or rovings in the region of the yarn transfer points are detected with one or more sensors. The retraction of the yarns or rovings is then stopped at a certain signal from the sensor. Preferably, for each unwinding station or for each group of unwinding stations, a separate detection of the beginnings of the yarns or rovings takes place.
  • Draping is the forming or shaping of yarns or rovings with the aid of a molding tool. Draping may be accomplished in one or more stages by moving the molding tool or dies simultaneously or sequentially into the plyed or roving ply.
  • the yarn tensions during draping can be kept essentially constant, preferably at the values which are present at the beginning of draping, and more preferably at the same value. That is to say, the yarn tensions, when the yarns or rovings are stretched, are brought to the desired values, in particular all to the same value, brought and then they are kept constant during draping or reshaping.
  • the yarn tensions are measured in the area of the yarn transfer points and / or between the unwinding stations and the yarn transfer points.
  • the method is carried out several times in succession for depositing a plurality of layers of yarns or rovings on the first mold. This can be done within a device according to the invention or the mold is transported after placing and fixing the one layer and the rewinding of the yarns or rovings in one or more other devices according to the invention, in each of which a further layer of yarns or rovings launched by the inventive method becomes.
  • Fig. 1a side view while gripper yarns or rovings fetches
  • Fig. 1b shows top view while gripper yarns or rovings
  • Fig. 2a side view after tensioning the yarns or rovings
  • Fig. 2b Top view after tensioning the yarns or rovings
  • FIG. 3b shows a plan view after a first draping step of the first layer.
  • Fig. 4b top view after a second Drapier intimid the first layer
  • Fig. 5a side view after the separation of the yarns or rovings
  • Fig. 5b top view after the separation of the yarns or rovings
  • FIGS. 8a-c shows a top view after a second draping step of the second layer and in FIGS. 8a-c a further preferred embodiment of the device according to the invention in various method steps:
  • Fig. 8a top view after application of the first layer
  • Fig. 8c top view after applying yet another layer.
  • the device is suitable for this purpose or the device performs the following method steps successively or partly parallel to one another:
  • fibers such as carbon (carbon), glass, or aramid or other fibers may be used.
  • a matrix material for the fiber-reinforced plastic are, for example, thermoplastic or thermosetting plastic, epoxy resin, other plastic (polymers) or other resin in question.
  • the binder material may be thermoplastic or adhesive.
  • hybrid yarn or hybrid roving It can either already be present as hybrid yarn or hybrid roving, ie individual fibers or yarns are made of binder material, or it can be spanned together with the yarns or rovings from the gripper or it is applied or sprayed onto the draped yarns or rovings.
  • Fig. 1a and 1b the basic structure of the device can be seen.
  • the provision of the yarns or rovings takes place via a multiplicity of unwinding stations, in which the fiber material is provided in the form of bobbins or yarn bobbins (so-called bobbins) and which are arranged in several rows 1, 2 next to one another, one behind the other or one above the other.
  • the coils may also, as shown in Fig. 1a, form an upper and a lower row.
  • the beginnings of the yarns or rovings 20 are shown schematically only in the respectively used area for the unwinding stations 3,4 used. All other beginnings are threaded to the corresponding yarn transfer points 14, so that they can be detected by the associated grippers in the pick-up positions 9.
  • the grippers 5 are shown in their maximum positions 8, which in this case also correspond to the starting positions.
  • the clamping width of a gripper is b and the total clamping width of all grippers is B. Even if only equal width gripper are shown, of course, grippers with different widths are possible.
  • the grippers do not necessarily have their maximum and pickup positions in a line.
  • the second mold is in plan view not shown. And a corresponding movement or lowering device for the second mold is not shown separately.
  • a gripper 6 is in pick-up position and fetches the yarns or rovings corresponding to its arrangement in the device by grasping their beginnings.
  • the gripper is closed by a guide device 7, e.g. a linkage or a piston, movable.
  • the grippers can move individually, but only linearly and on parallel paths next to each other between the pick-up position and the maximum position, thus enabling simple automation and fast parallel movement.
  • several unwinding stations can be combined into one group and assigned to a gripper.
  • a gripper can grab several yarns or rovings together. In any case, at least as many unwinding stations as grippers should be provided.
  • Fig. 2 a and 2 b represent the spanned yarns or rovings 21, which the gripper 10 has pulled out by the method in its intermediate position. This can be assisted by actively powered unwinding.
  • the intermediate position is close to the outer contour of the molds or near the later position of the outer contour when the molds are brought into their draping position.
  • Binder material 18, for example in the form of binder threads or binder webs, can also be stretched by the gripper together with the yarns or rovings. There may also be an upper and a lower row of unwind stations, as shown, so that the binder material is stretched between the upper and lower groups of yarns or rovings.
  • the binder material When pulling out, the binder material can be preactivated in the area of the yarn transfer points 14, in particular by a heating device, so that the yarns or rovings are already somewhat fixed to one another at the beginning of draping.
  • a spreading device can be provided in the area of the yarn transfer points, which can be designed as a kind of comb with one or more rows of tines. This ensures that the yarns or rovings lie next to each other and do not slip laterally during draping.
  • the spreader may also be displaceable along the yarn paths or along the gripper paths. Another possibility for a yarn tension measuring device 13 is shown.
  • Draping is the forming or shaping of yarns or rovings with the aid of a molding tool. Draping may be accomplished in one or more stages by moving the molding tool or dies simultaneously or sequentially into the plyed or roving ply. During draping, it is advantageous to regulate the yarn tensions, in particular to keep them constant. That is, as much yarn or roving is dispensed as is necessary for draping at the corresponding location of the forming tool. To achieve this, brake and clutch devices can be provided. Preferably, each unwinding station or each group of unwinding stations is assigned a corresponding control. This prevents the yarns or rovings from being overloaded or loosely laid. The yarn tensions can also be measured by suitable measuring devices in the area of the yarn transfer points and / or between the unwinding stations and the yarn transfer points. The value of the yarn tensions is preferably between 1 and 50 N / m 2 .
  • Figs. 3 a and 3 b the state after the first draping is shown. From the lift table 17, the first mold 15 'was moved to the draping position. As a result, the yarns or rovings 22 are deflected and draped over the forming tool 15 '. The gripper 10 fixes the beginnings of the yarns near the outer contour of the molding tool 15 '. After this step, binder material or rovings can alternatively or additionally be applied or sprayed onto the yarns or rovings. In the next step, the yarns or rovings are further draped using the second die 16 'that has been moved to its draping position (FIGS. 4 a and 4 b).
  • the molds can also be pressed together and one, preferably the second, or both molds can be heated, so that the binder material is activated and the yarns or rovings are dimensionally stable fixed to a layer. Simultaneously with or after fixing the yarns or rovings are separated on both sides of the molds, ie between gripper and mold and between yarn transfer points and mold.
  • the separator may be connected to the first or second mold. It is advantageous if the separation takes place at least on the side of the yarn transfer points close to the mold. As a result, there is little waste of expensive fiber material and less reworking of the fiber preform is necessary.
  • the separated yarns or rovings 23 can be withdrawn and wound up again by means of a rewinding device or temporarily stored by appropriate yarn guidance.
  • the rewinding takes place in such a way that again starts of the yarns or rovings in the area of the yarn transfer points 14 come to lie so that they can be picked up by the grippers without too much waste material being produced. Sensors can be used to record the beginnings.
  • Fig. 6 a and 6 b show the first and second mold 15, 16 in a rotated position. Here they were turned 90 °. But it is also another angle of rotation, for example, about 30 °, 45 °, 60 °, or a tilt possible. Preferably, the Rotation angle between 10 and 170 °. This depends on how and with which fiber orientation the further layer of yarns or rovings is to be applied.
  • the yarns or rovings of the further layer are stretched to an intermediate position of the grippers and draped by moving the first and second dies 15 ', 16' to the draping position.
  • Figures 7a and 7b show the device after the yarns or rovings have been severed.
  • the use of grippers 1 1 are in an intermediate position. For non-rectangular molds or other angles of rotation, the grippers 1 1 can also stand on various intermediate positions.
  • the further layer of yarns or rovings and possibly of binder material can also be fixed dimensionally stable by heating and / or pressing and connected to the first layer. Together they form the fiber preform ling 28.
  • a further embodiment is shown, as for example in the production of fiber preform lingen for hoods can be used.
  • the used grippers 10.1 are at an intermediate position, the unnecessary grippers 5.1 are in the maximum position 8.1.
  • On the first mold 15.1 a first layer of yarns or rovings is draped and fixed. The second mold is not shown.
  • the stocking of the yarns or rovings takes place in the unwinding stations 1 .1, 2.1.
  • a binder material supply 19.1 and the yarn transfer points 14.1 are present.
  • the application of one or more further layers can take place in the same device or in one or more further devices according to the invention, to which the first molding tool is transferred together with the first layer.
  • Fig. 8b another layer 26.1 is draped onto the rotated forming tool.
  • the used grippers 1 1 .1 are along the outer contour of the mold and make it as accurate as possible. Narrower or different width grippers can be used for even more precise adjustment.
  • Fig. 8 c shows how yet another layer was applied.
  • the used grippers 12.1 are again along the outer contour. After fixing the layers together form the Faservorform ling 28.1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Faservorformlingen (28), die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff - Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen (3,4), mehrere Greifer (5,5.1), und wenigstens ein erstes Formwerkzeug (15) aufweist, wobei jeder Greifer (5,5.1) auf einem Pfad zwischen einer Maximalposition (8,8.1) und einer Abholposition (9,9.1) hin und her bewegbar ist, wobei die Abholposition (9,9.1) an einer Garnübergabestelle (14,14.1) vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation (3,4) ist als die Maximalposition (8,8.1), wobei eine oder mehrere Rückspuleinrichtungen vorgesehen sind, mit der Garne oder Rovings, die in den Bereich zwischen Garnübergabestellen (14,14.1) und erstem Formwerkzeug (15) ausgegeben wurden, zumindest teilweise zurückgezogen werden können in den Bereich zwischen Garnübergabestellen (14,14.1) und Abwickelstationen (3,4) und/oder an den Abwickelstationen (3,4) aufgewickelt werden können.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen darstellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings, mehrere Greifer, die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings an ihrem Anfang greifen können, und wenigstens ein erstes Formwerkzeug aufweist, wobei jeder Greifer auf einem Pfad zwischen einer Maximalposition und einer Abholposition hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition an einer Garnübergabestelle vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation ist als die Maximalposition.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Faservorformlingen, die beispielsweise eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen darstellen, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches folgende Verfahrensschritte nacheinander aufweist:
- Spannen von Garnen oder Rovings mithilfe mehrerer Greifer
- Drapieren der Garne oder Rovings über ein erstes Formwerkzeug
- Abtrennen der Garne oder Rovings. Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Matrixmaterial, das u.a. die Steifigkeit ergibt und aus Fasern, die in das Matrixmaterial eingebettet sind und die u.a. die Zugfestigkeit liefern. Faserverstärkter Kunststoff wird besonders für hochbelastetete Bauteile verwendet, die trotzdem noch möglichst leicht sein sollen. Da die Fasern in Querrichtung keine Festigkeit vermitteln, müssen die Fasern so ausgerichtet sein, dass ihre Längsrichtung mit der jeweiligen Belastungsrichtung möglichst gut übereinstimmt. Um das zu erreichen, müssen die Fasern oft in verschiedene Richtungen gelegt werden. Je besser und genauer die Faserlage an die Belastung angepasst ist, umso besser wird das Bauteil sein. Für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff gibt es zahlreiche Herstellverfahren. Für die Produktion von großen Stückzahlen gut anwendbare Verfahren gibt es derzeit allerdings nur bei rotationssymmetrischen oder platten- bzw. strangförmigen Bauteilen durch Wickeln oder Platten- bzw. Strangpressen.
Komplexere hochwertige 3-D-Strukturen lassen sich dagegen nur sehr aufwändig herstellen, da das Herstellen der benötigten Faservorform linge schwierig, langsam und teuer ist. Hochwertige Strukturen werden meist mit Endlosfasern hergestellt. Bei vielen Verfahren werden zunächst Faservorformlinge entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Bauteilform, sogenannte Preforms hergestellt, die überwiegend aus Fasern bestehen, welche oft in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, um die notwendigen Faserrichtungen zu erzielen. Anschließend werden die Faservorformlinge dann mit dem Matrixmaterial getränkt oder bestrichen, manchmal noch gepresst und zuletzt ausgehärtet. Sowohl für das Herstellen der Faservorformlinge als auch für das Tränken und/oder Aushärten der Bauteile können Formwerkzeuge entsprechend der gewünschten Bauteilform benutzt werden, auf oder in die der Faservorform ling oder das Bauteil gelegt und/oder gepresst wird. Damit die Faservorformlinge eine ausreichende Formstabilität für die Weiterverarbeitung aufweisen, werden sie mit kleinen Mengen Kleber oder Binder versehen und nach dem dreidimensionalen Drapieren fixiert, z.B. durch Trocknung oder durch Erhitzen und Abkühlen. Die Faservorformlinge werden meist durch Übereinanderlegen und Fixieren von vorgefertigten und vorverbundenen flächigen Halbzeugen erstellt. Solche Halbzeuge sind etwa Tapes oder Gewebe, Gelege oder Vliese, bei denen eine Vielzahl von einzelnen Garnen oder Rovings bereits zu einem flächigen Gebilde verwebt, vernäht oder verklebt sind. Von einem Garn spricht man bei Verwendung sogenannter Endlosfasern, d.h. wenn die Fasern von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden. Zahlreiche Garne, die unverdreht gleichzeitig von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden, nennt man Garnbündel oder Roving. Dabei können die Rovings aus bis zu mehreren Zehntausend Einzelgarnen, die auch Filamente genannt werden, bestehen.
Die benötigten Einzelteile werden aus dem flächigen Halbzeug, welches meist als Rollenware zur Verfügung steht, nach einer Art Schnittmuster zugeschnitten, wie es auch aus DE 10 2008 011 658 A1 bekannt ist. Dann werden sie über ein Formwerkzeug gelegt und miteinander verbunden oder verpresst. Ein Beispiel für die Herstellung solcher Halbzeuge durch Verkleben oder Vernähen zeigt ebenfalls DE 10 2008 01 1 658 A1 . Häufig ist trotz allem ein hoher Anteil manueller Tätigkeiten notwendig. Eine Vorrichtung zur maschinellen Herstellung von einfachen eindimensional gekrümmten Vorformlingen mit Abschnitten aus Halbzeug, die in einer Kassette vorgehalten und dann auf einem Kern abgelegt werden, ist aus DE 10 2008 042 574 A1 bekannt. Komplexere Formen sind maschinell noch nicht herstellbar.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Faservorform lingen für komplexere Bauteile ist das automatisierte Faserlegen. Dabei werden schmale Garnbündel oder Bänder aus Garnbündeln von einem Faserlegekopf über dem Formwerkzeug hin und her geführt, und dabei nebeneinander und übereinander darauf abgelegt, angepresst und fixiert. Für komplexere Bauteile ist eine aufwändige roboterartige Steuerung des Faserlegekopfes notwendig. Auch bei Einsatz von zwei, drei oder sogar vier Faserlegeköpfen parallel ist die Fertigungsgeschwindigkeit noch relativ langsam, da die Köpfe oft lange Wege zurücklegen müssen und da sukzessive mit schmalen Faserbündeln gearbeitet wird. Des Weiteren haben sie eine sehr lange und komplizierte Garnnachführung vom Spulengatter zum mehrachsig bewegten Legekopf. Eine solche Garnnachführung in Schläuchen mit speziellen Führungsklingen, um ein Verdrehen der Rovings zu verhindern, ist beispielsweise in US 2008/0202691 A1 dargestellt. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Faservorform lingen zu schaffen, so dass auch komplexere, hochwertige Strukturen leichter automatisierbar, aber flexibel in der Form und Faserausrichtung, schneller und kostengünstiger gefertigt werden können. Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass eine oder mehrere Rückspuleinrichtungen vorgesehen sind, mit der Garne oder Rovings, die in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und erstem Formwerkzeug ausgegeben wurden, zumindest teilweise zurückgezogen werden können in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und Abwickelstationen und/oder an den Abwickelstationen aufgewickelt werden können. Dadurch wird unnötiger Verschnitt, wie er insbesondere bei Verwendung von flächigen Halbzeugen in großem Umfang anfällt, vermieden, da bereits ausgegebenes aber nicht benötigtes Fasermaterial rückbevorratet und wieder verwendet werden kann. Der Herstellprozess wird dadurch einfacher und schneller und kann parallelisiert erfolgen, und zusätzlich kann er besonders flexibel an verschiedene Bauteilformen angepasst werden. Besonders beim seriellen Herstellen stark dreidimensional gestalteter Faservorform linge kommen die Vorteile zum Tragen. Somit können mehrere Garne oder Rovings gleichzeitig, schnell und kontrolliert nebeneinander aufgespannt werden. Die Vorrichtung ist dadurch so ausgestaltet, dass Ablegeraten von mehr als 2 kg/min oder sogar mehr als 3 kg/min an Garn- oder Rovingmaterial erreicht werden können. Weiterhin können sowohl die Abwickelstationen als auch die Garnführung durch die Greifer ortsfest bleiben. Da auf die sonst üblichen flächigen Halbzeuge verzichtet wird und statt dessen direkt aus Garnen oder Rovings der Faservorform ling drapiert und hergestellt wird, sind die Materialkosten gegenüber bekannten Verfahren viel niedriger. Durch die Parallelisierung kann trotzdem eine kurze Herstellzeit erreicht werden. Die flächigen Halbzeuge sind aufgrund der Vorfertigung recht teuer. Bei stark dreidimensionalen Bauteilen besteht bei der Verwendung von großflächigen Halbzeugen zudem noch die Gefahr von Faltenbildung. Bei kleinflächigen steigt andererseits der Aufwand für das Zuschneiden und Verbinden der Einzelteile. Die Rückspuleinrichtungen können beispielsweise durch die Garnausgabeeinrichtungen oder durch die Abwickelstationen gebildet werden, wenn ein Antrieb oder eine Kupplung mit Richtungsumkehr vorgesehen wird. Sie können aber auch eine separate Einrichtung darstellen. Anstatt eines Rückaufwickeln auf die Spulen oder Garnknäuels (Bobbins) kann die zurückgezogene Garnlänge auch durch eine entsprechende Verlängerung des Garnweges zum Beispiel durch Verschieben von Garnführungselementen bis zur weiteren Verwendung gespeichert werden. Die Beschickung der Vorrichtung mit Garnen oder Rovings erfolgt von den Abwickelstationen. Die Abwickelstationen können beispielweise als sogenanntes Spulengatter ausgeführt sein. Dabei können die Garne oder Rovings von Spulen oder aus Garnknäuels (Bobbins) gezogen werden. Jede Garnübergabestelle bekommt Garne oder Rovings von einer oder von mehreren Abwickelstationen. Bevorzugt ist noch eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen einem Formwerkzeug und den Greifern trennen kann, und/oder eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen einem Formwerkzeug und den Garnübergabestellen trennen kann, vorgesehen. Bevorzugt hat jeder Greifer eine eigene Maximalposition und ist einer eigenen Garnübergabestelle zugeordnet, so dass die Greifer jeweils einzeln auf im Wesentlichen zueinander parallelen Pfaden bewegbar sind. Dadurch ergeben sich einfache Garnwege und das Rückspulen ist problemlos möglich. Von Vorteil ist es, wenn die Greifer verschiedene individuelle Zwischenpositionen auf ihrem Pfad einnehmen können und wenn sie die jeweiligen Anfänge der Garne oder Rovings an diesen Zwischenpositionen festhalten können. Dadurch entsteht beim Abtrennen der Garne oder Rovings zwischen Greifer und Formwerkzeug auch weniger Verschnitt.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgeführt, dass die einzelnen Greifer jeweils auf einem im Wesentlichen linearen Pfad von der Abholposition zur Maximalposition bewegt werden können. Dadurch ergeben sich besonders einfache Garnführungen mit geringer Reibung. Bei komplizierteren Garnführungen kann ein Verflechten der Garne das Rückspulen behindern.
Vorteilhaft anwenden lässt sich die Erfindung besonders, wenn mindestens 5 Greifer, bevorzugt mindestens 10 Greifer, besonders bevorzugt mindestens 20 Greifer vorhanden sind, insbesondere wenn die Greifer eine Klemmbreite von 10 - 500 mm, bevorzugt von 20 - 200 mm aufweisen und/oder wenn alle Greifer zusammen eine Gesamtklemmbreite von mindestens 1 m, bevorzugt von mindestens 2 m, besonders bevorzugt von mindestens 3 m aufweisen.
In der Vorrichtung kann das erste und/oder ein zweites Formwerkzeug zwischen die Garnübergabestellen und zumindest einige der Greifer gebracht werden, insbesondere so, dass dadurch die Garne oder Rovings über das Formwerkzeug drapiert werden.
Weiterhin kann eine Regelung der Garnspannungen der Garne oder Rovings vorgesehen sein. Beim Hineinfahren eines Formwerkzeuges in die gespannte Garn- oder Rovinglage werden die Garne vom Formwerkzeug ausgelenkt und die Garnspannung würde sich unkontrolliert ändern. Durch die Regelung kann die Garnspannung während des Herstellvorgangs und insbesondere auch während des Drapierens kontrolliert werden. Das ist wichtig, da die Garne oder Rovings nicht überbelastet werden dürfen, andererseits aber auch nicht zu lose liegen sollen, um optimale Bauteilfestigkeiten zu erreichen. Bei Verwendung von flächigen Halbzeugen können die Fasern dagegen nur weitgehend ohne Spannung aufgebracht werden. Und beim Ablegen mit einem Faserlegekopf muss das Garn entsprechend der Dreidimensionalität der Form mit genau berechneter Garnüberlänge in Form von Schlaufen oder ähnlichem abgelegt werden, damit die Garne dann beim Drapieren, d.h. beim Hinein- oder Zusammenfahren der Formwerkzeuge, die gespannte Länge haben. Durch die Regelung der Garnspannungen kann auf die normalerweise notwendige Berechnung der Legebahnen, die kompliziert und zeitaufwändig ist, verzichtet werden. Wichtig ist die Garnspannungsregelung auch wenn mehrere Greifer beim Aufspannen der Garne oder Rovings auf verschiedenen Zwischenpositionen, insbesondere nahe und entlang einer Außenkontur eines Formwerkzeuges, stehen. Später ergibt sich dadurch nur wenig Verschnitt an teurem Fasermaterial. Die dadurch allerdings auftretenden starken Auslenkungen der Garne oder Rovings können nur mit einer Regelung der Garnspannungen beherrscht werden.
Bevorzugt ist eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen dem ersten und/oder einem zweiten Formwerkzeug und den Greifern trennen kann, und/oder eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen dem ersten und/oder einem zweiten Formwerkzeug und den Garnübergabestellen trennen kann, vorgesehen.
Insbesondere ist eine Trenneinrichtung für die Garne oder Rovings zwischen einem Formwerkzeug und den Garnübergabestellen vorgesehen, die geeignet ist, die Garne oder Rovings nahe an einer Außenkontur des ersten und/oder eines zweiten Formwerkzeuges zu trennen, insbesondere näher am Formwerkzeug als an den Garnübergabestellen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass jeder Rückspuleinrichtung, insbesondere jeder Abwickelstation oder jeder Gruppe von Abwickelstationen, eine eigene Kupplungs- und/oder Bremseinrichtung zugeordnet ist, die bevorzugt so ausgeführt sind, dass jede Rückspuleinrichtung, insbesondere jede Abwickelstation oder jede Gruppe von Abwickelstationen, unterschiedliche Längen von Garnen oder Rovings zurückziehen kann. Besonders bei sehr stark dreidimensionalen Formen fallen unterschiedliche ausgegebene Garnlängen an.
Besonders bevorzugt sind einer oder mehrere Sensoren vorgesehen, die die Positionen der Anfänge der Garne oder Rovings im Bereich der Garnübergabestellen erfassen können. Damit kann erkannt werden, wann die Anfänge an der gewünschten Position für das Aufnehmen mit den Greifer sind und wann der Rückspulvorgang gestoppt werden muss. Solche Sensoren können kamera-basiert, andere optische, elektrische oder mechanische Sensoren sein. Denkbar ist auch eine Garnspannungsmessung als Sensor einzusetzen. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine oder mehrere Spreizeinrichtungen im Bereich der Garnübergabestellen vorgesehen sind, insbesondere als eine Art Kamm mit einer oder mehreren Reihen an Zinken ausgebildet. Dadurch werden die einzelnen Garne oder Rovings sowohl beim Ausgeben als auch beim Rückspulen sauber in ihrer Bahn gehalten. Sie sorgen dafür, dass die Garne oder Rovings möglichst flächendeckend nebeneinander liegen bzw. aufgespannt sind und auch beim Drapieren nicht seitlich verrutschen. Zusätzlich kann die Spreizeinrichtung auch mit einer Klemm- oder Bremseinrichtung versehen sein und die Spreizeinrichtung kann auch entlang der Garnwege oder Greiferpfade bewegbar sein. So kann zum Beispiel eine gewisse Garnspannung für das Rückspulen aufrecht erhalten werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, jeder Abwickelstation oder jeder Gruppe von Abwickelstationen wenigstens eine Einrichtung zur Messung der jeweiligen Garnspannungen zuzuweisen, welche im Bereich der Garnübergabestelle und/oder zwischen der Abwickelstation und der Garnübergabestelle angeordnet ist und welche bevorzugt als Ringkraftaufnehmer an einer Umlenkstelle ausführt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass jedes Garn- oder Roving-Bündel kontrollierte Garnspannung hat und entsprechend einzeln oder in kleinen Gruppen geregelt werden kann.
Mehrere Abwickelstationen bevorzugt maximal zehn, besonders bevorzugt maximal sechs können zu einer Gruppe zusammengefasst sein, die nur eine Garnspannungsregelung aufweisen. Um ausreichend flexibel zu sein, sollten mindestens so viele Abwickelstationen oder Gruppen von Abwickelstationen vorhanden sein, wie Greifer vorhanden sind.
Vorteilhafterweise ist jeder Abwickelstation oder jeder Gruppe von Abwickelstationen eine eigene Kupplungs- und/oder Bremseinrichtung zugeordnet. Weiterhin können die Garnspannungen für jede Abwickelstation einzeln geregelt werden. Dadurch kann ein gemeinsamer Antrieb an den Abwickelstationen oder den Garnübergabestellen für die Ausgabe der Garne vorgesehen sein. Die einzelnen Kupplungs- und/oder Bremseinrichtungen steuern dann die entsprechende Garnspannung bzw. trennen und verbinden den Antrieb mit Garnen.
Weiterhin kann das erste und/oder ein zweites Formwerkzeug mit einer Heizeinrichtung und/oder einer Anpresseinrichtung ausgestattet sein. Durch Temperatur- oder Druckerhöhung kann ein in der Lage vorhandener Binder aktiviert werden, so dass die Garne oder Rovings in der vorgegebenen Form fixiert und miteinander zunächst zu einer Lage und dann zum Faservorform ling verbunden werden. Als Bindermaterial können beispielsweise Fäden oder Vliese, die zumindest teilweise aus Thermoplast oder Klebstoff bestehen, mit drapiert werden. Dadurch wird gleich mit dem Fasermaterial auch das zum Fixieren nötige Bindermaterial aufgebracht. Das Bindermaterial kann auch durch Hybridfäden, die neben Fasermaterial auch Bindermaterial enthalten, oder durch Beschichten oder Besprühen der Garne oder Rovings eingebracht werden. Das Bindermaterial kann auch nach dem Drapieren der Garne und Rovings über einem Formwerkzeug aufgebracht, zum Beispiel aufgesprüht werden. Durch das Fixieren einer Lage von Garnen oder Rovings wird eine gewisse Stabilität erreicht für das Aufbringen einer weiteren Lage von Garnen oder Rovings oder für das Weiterverarbeiten des Faservorform lings. Auf eine Voraktivierung des Bindermaterials bereits beim Ausgeben der Garne oder Rovings sollte verzichtet werden, da dies das Rückspulen verhindern würde.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen entsprechend Anspruch 12, insbesondere in Verbindung mit einer Vorrichtung nach einem der Vorrichtungsansprüche, gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale für das Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass nach dem Abtrennen, die Garne oder Rovings, die in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und erstem Formwerkzeug ausgegeben wurden, zumindest teilweise zurückgezogen werden in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und Abwickelstationen und/oder an den Abwickelstationen aufgewickelt werden. Die dadurch erzielten Vorteile entsprechen den bei der Vorrichtung bereits genannten.
Damit die drapierten Garne oder Rovings die gewünschte Form behalten, können nach und/oder während des Drapierens die Garne oder Rovings formstabil fixiert werden, insbesondere durch eine Aktivierung von Bindermaterial, und bevorzugt durch Erwärmen und/oder Pressen. Für die Fertigstellung oder Weiterbearbeitung der Faservorformlinge kann es vorteilhaft sein, wenn das Fixieren bei jeder Lage separat und/oder nach der letzten Lage erfolgt.
Um besonders wenig Verschnitt zu bekommen, können beim Abtrennen die Garne oder Rovings nahe und entlang einer Außenkontur des ersten oder eines zweiten Formwerkzeuges getrennt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass mit einem oder mehreren Sensoren die Positionen der Anfänge der Garne oder Rovings im Bereich der Garnübergabestellen erfasst werden. Das Zurückziehen der Garne oder Rovings wird dann bei einem bestimmten Signal des Sensors gestoppt. Bevorzugt erfolgt für jede Abwickelstation oder für jede Gruppe von Abwickelstationen eine eigene Erfassung der Anfänge der Garne oder Rovings.
Unter Drapieren wird das Umformen bzw. in Form bringen der Garne oder Rovings mithilfe eines Formwerkzeuges verstanden. Das Drapieren kann in einer oder in mehreren Stufen erfolgen, indem das oder die Formwerkzeuge gleichzeitig oder nacheinander in die Lage aus aufgespannten Garnen oder Rovings hineinbewegt werden.
Weiterhin können die Garnspannungen während des Drapierens im Wesentlichen jeweils konstant gehalten werden, bevorzugt auf den Werten, die bei Beginn des Drapierens vorliegen, und besonders bevorzugt auf einem gleichen Wert. Das heißt die Garnspannungen werden beim Aufspannen der Garne oder Rovings für die Lage auf die gewünschten Werte, insbesondere alle auf den gleichen Wert, gebracht und dann werden sie während des Drapierens bzw. Umformens konstant gehalten.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Garnspannungen im Bereich der Garnübergabestellen und/oder zwischen den Abwickelstationen und den Garnübergabestellen gemessen werden.
Bei einer seriellen Herstellung kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren mehrmals nacheinander für das Ablegen mehrerer Lagen von Garnen oder Rovings auf dem ersten Formwerkzeug durchgeführt wird. Dies kann innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen oder das Formwerkzeug wird nach dem Auflegen und Fixieren der einen Lage und dem Rückspulen der Garne oder Rovings in eine oder mehrere weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen weitertransportiert, in denen jeweils eine weitere Lage an Garnen oder Rovings nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgelegt wird.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Sie zeigen in den Figuren 1 a - 7 b eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei verschiedenen Verfahrensschritten:
Fig. 1a Seitenansicht während Greifer Garne oder Rovings holt
Fig. 1b Draufsicht während Greifer Garne oder Rovings holt
Fig. 2a Seitenansicht nach Spannen der Garne oder Rovings
Fig. 2b Draufsicht nach Spannen der Garne oder Rovings
Fig. 3a Seitenansicht nach einem ersten Drapierschritt der ersten Lage
Fig. 3b Draufsicht nach einem ersten Drapierschritt der ersten Lage
Fig. 4a Seitenansicht nach einem zweiten Drapierschritt der ersten Lage
Fig. 4b Draufsicht nach einem zweiten Drapierschritt der ersten Lage
Fig. 5a Seitenansicht nach dem Abtrennen der Garne oder Rovings
Fig. 5b Draufsicht nach dem Abtrennen der Garne oder Rovings
Fig. 6a Seitenansicht nach Drehen der Formwerkzeuge und während Greifer Garne oder Rovings für die zweite Lage holen Fig. 6b Draufsicht nach Drehen der Formwerkzeuge und während
Greifer Garne oder Rovings für die zweite Lage holen
Fig. 7a Seitenansicht nach einem zweiten Drapierschritt der zweiten Lage
Fig. 7b Draufsicht nach einem zweiten Drapierschritt der zweiten Lage und in den Figuren 8 a - c eine weitere bevorzugte Ausfühungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei verschiedenen Verfahrensschritten:
Fig. 8a Draufsicht nach Aufbringen der ersten Lage
Fig. 8b Draufsicht nach Aufbringen einer weiteren Lage
Fig. 8c Draufsicht nach Aufbringen noch einer weiteren Lage.
Nachfolgend werden die Figuren und die Ausführungsbeispiele detaillierter beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens ist die Vorrichtung geeignet dazu bzw. werden von der Vorrichtung die folgenden Verfahrensschritte nacheinander oder teilweise parallel zueinander ausgeführt:
- Bereitstellen der Garne oder Rovings und eventuell des Bindermaterials
- Greifen der benötigten Garne oder Rovings und eventuell des Bindermaterials
- Spannen der benötigten Garne oder Rovings durch entsprechendes Positionieren der Greifer
- Erstes Drapieren über ein erstes Formwerkzeug
- Zweites Drapieren mit einem zweiten Formwerkzeug
- Fixieren der Lage aus Garnen oder Rovings
- Abtrennen der Garne oder Rovings auf beiden Seiten der Formwerkzeuge
- Rückspulen der ausgegebenen und nicht benötigten Garne oder Rovings
- Öffnen der Formwerkzeuge
- Drehen und/oder Weitergeben eines Formwerkzeuges mit der aufgebrachten Lage
Wiederholung des Ablaufes für das Aufbringen weiterer Lagen in derselben Vorrichtung oder in einer oder mehreren weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen bis zur Fertigstellung des Faservorform lings. Als Fasermaterial für die Garne oder Rovings können Fasern z.B. aus Kohlenstoff (Carbon), Glas, oder Aramid oder andere Fasern verwendet werden. Und als Matrixmaterial für den faserverstärkten Kunststoff kommen z.B. thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff, Epoxidharz, anderer Kunststoff (Polymere) oder anderes Harz in Frage. Als Bindermaterial kann thermoplastischer Kunststoff oder Klebstoff verwendet werden. Es kann entweder bereits als Hybridgarn oder Hybrid-Roving vorliegen, d.h. einzelne Fasern oder Garne sind aus Bindermaterial, oder es kann zusammen mit den Garnen oder Rovings vom Greifer mit aufgespannt werden oder es wird auf die drapierten Garne oder Rovings aufgebracht oder aufgesprüht.
In Fig. 1a und 1b ist der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung zu sehen. Die Bereitstellung der Garne oder Rovings erfolgt über eine Vielzahl von Abwickelstationen, in denen das Fasermaterial in Form von Spulen oder Garnknäuel (sogenannte Bobbins) bereitgestellt wird, und die in mehreren Reihen 1 ,2 nebeneinander, hintereinander oder übereinander angeordnet sind. Die Spulen können auch, wie gezeigt in Fig.1 a eine obere und eine untere Reihe bilden. Die Anfänge der Garne oder Rovings 20 sind nur im jeweils benutzten Bereich für die benutzten Abwickelstationen 3,4 schematisch dargestellt. Auch alle anderen Anfänge werden zu den entsprechenden Garnübergabestellen 14 eingefädelt, so dass sie von den zugehörigen Greifern in den Abholpositionen 9 erfasst werden können. So etwas bezeichnet man zusammen auch als Spulengatter. Auf der anderen Seite sind die Greifer 5 in ihren Maximalpositionen 8, die in diesem Fall auch den Ausgangspositionen entsprechen, dargestellt. Die Klemmbreite eines Greifers ist b und die Gesamtklemmbreite aller Greifer ist B. Auch wenn nur gleichbreite Greifer dargestellt sind, so sind selbstverständlich auch Greifer mit unterschiedlichen Breiten möglich. Die Greifer müssen auch nicht unbedingt ihre Maximal- und Abholpositionen in einer Linie haben. Weiterhin sind ein erstes Formwerkzeug 15 auf einem Hubtisch 17 und ein zweites Formwerkzeug 16, das als Haube ausgeführt ist, in Abfahrposition also außerhalb der Pfade der Greifer dargestellt. Das zweite Formwerkzeug ist in der Draufsicht nicht dargestellt. Und eine entsprechende Bewegungs- oder Absenkeinrichtung für das zweite Formwerkzeug ist auch nicht extra dargestellt. Weiterhin gibt es einen Bindermaterialvorrat 19, der beispielsweise zwischen den Reihen der Abwickelstationen angeordnet sein kann.
Ein Greifer 6 befindet sich in Abholposition und holt die seiner Anordnung in der Vorrichtung entsprechenden Garne oder Rovings, indem er deren Anfänge greift. Der Greifer ist durch eine Führungsvorrichtung 7, z.B. ein Gestänge oder einen Kolben, verschiebbar. Die Greifer können sich einzeln, aber nur linear und auf parallelen Pfaden nebeneinander zwischen Abhol- und Maximalposition bewegen, dadurch ist eine einfach Automatisierung und eine schnelle parallele Bewegung möglich. Es können wie dargestellt mehrere Abwickelstationen zu einer Gruppe zusammengefasst und einem Greifer zugeordnet werden. Ein Greifer kann mehrere Garne oder Rovings zusammen greifen. Auf jeden Fall sollten mindestens so viele Abwickelstationen wie Greifer vorgesehen sein.
Fig. 2 a und 2 b stellen die aufgespannten Garne oder Rovings 21 dar, die der Greifer 10 durch das Verfahren in seine Zwischenposition herausgezogen hat. Das kann durch ein aktiv angetriebenes Abwickeln unterstützt werden. Die Zwischenposition befindet sich nahe an der Außenkontur der Formwerkzeuge bzw. nahe der späteren Lage der Außenkontur, wenn die Formwerkzeuge in ihre Drapierposition gebracht sind. Zusammen mit den Garnen oder Rovings kann auch Bindermaterial 18, beispielsweise in Form von Binderfäden oder Bindervliesen, vom Greifer mit aufgespannt werden. Es kann auch wie dargestellt eine obere und eine untere Reihe von Abwickelstationen geben, so dass das Bindermaterial zwischen der oberen und der unteren Schar von Garnen oder Rovings aufgespannt wird. Beim Herausziehen kann das Bindermaterial im Bereich der Garnübergabestellen 14, insbesondere durch eine Heizeinrichtung, voraktiviert werden, so dass die Garne oder Rovings gleich beim Beginn des Drapierens schon etwas aneinander fixiert sind. Außerdem kann im Bereich der Garnübergabestellen eine Spreizeinrichtung vorgesehen sein, die als eine Art Kamm mit einer oder mehreren Reihen von Zinken ausgeführt sein kann. So wird gewährleistet, dass die Garne oder Rovings flächendeckend nebeneinander liegen und auch beim späteren Drapieren nicht seitlich verrutschen. Die Spreizeinrichtung kann auch entlang der Garnwege oder entlang der Greiferpfade verschiebbar sein. Dargestellt ist noch eine Möglichkeit für eine Garnspannungsmesseinrichtung 13.
Unter Drapieren wird das Umformen bzw. in Form bringen der Garne oder Rovings mithilfe eines Formwerkzeuges verstanden. Das Drapieren kann in einer oder in mehreren Stufen erfolgen, indem das oder die Formwerkzeuge gleichzeitig oder nacheinander in die Lage aus aufgespannten Garnen oder Rovings hineinbewegt werden. Während des Drapierens ist es von Vorteil die Garnspannungen zu regeln, insbesondere konstant zu halten. D.h. es wird soviel Garn oder Roving ausgegeben, wie für das Drapieren an der entsprechenden Stelle des Formwerkzeuges notwendig ist. Um das zu erreichen können Bremsund Kupplungseinrichtungen vorgesehen sein. Bevorzugt ist jeder Abwickelstation oder jeder Gruppe von Abwickelstationen eine entsprechende Regelung zugeordnet. Damit wird verhindert, dass die Garne oder Rovings überbelastet oder zu lose verlegt werden. Die Garnspannungen können auch durch geeignete Messeinrichtungen im Bereich der Garnübergabestellen und/oder zwischen den Abwickelstationen und den Garnübergabestellen gemessen werden. Bevorzugt liegt der Wert der Garnspannungen zwischen 1 und 50 N/m2.
In den Fig. 3 a und 3 b ist der Zustand nach dem ersten Drapieren dargestellt. Vom Hubtisch 17 wurde das erste Formwerkzeug 15' in die Drapierposition bewegt. Dadurch werden die Garne oder Rovings 22 ausgelenkt und über das Formwerkzeug 15' drapiert. Der Greifer 10 fixiert die Anfänge der Garne nahe der Außenkontur des Formwerkzeuges 15'. Nach diesem Schritt kann alternativ oder zusätzlich Bindermaterial auf die Garne oder Rovings aufgebracht oder aufgesprüht werden. Im nächsten Schritt werden die Garne oder Rovings mithilfe des zweiten Formwerkzeuges 16', das in seine Drapierposition bewegt wurde, weiter drapiert bzw. umgeformt (Fig. 4 a und 4 b). Durch das Zusammenwirken der beiden Formwerkzeuge, zwischen denen sich die Lage an Garnen oder Rovings befindet, ist eine genaue Formgebung möglich. Die Formwerkzeuge können auch zusammengepresst werden und eines, bevorzugt das zweite, oder beide Formwerkzeuge können beheizt sein, so dass das Bindermaterial aktiviert wird und die Garne oder Rovings formstabil zu einer Lage fixiert werden. Gleichzeitig mit oder nach dem Fixieren werden die Garne oder Rovings an beiden Seiten der Formwerkzeuge abgetrennt, also zwischen Greifer und Formwerkzeug und zwischen Garnübergabestellen und Formwerkzeug. In einer Ausführungsform kann die Trenneinrichtung mit dem ersten oder zweiten Formwerkzeug verbunden sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Trennung zumindest auf der Seite der Garnübergabestellen nahe am Formwerkzeug erfolgt. Dadurch fällt wenig Verschnitt an teurem Fasermaterial an und es ist weniger Nachbearbeitung des Faservorform lings nötig.
Die abgetrennten Garne oder Rovings 23 können über eine Rückspuleinrichtung wieder zurückgezogen und aufgewickelt oder über entsprechende Garnführung zwischengespeichert werden. Das Rückspulen erfolgt so, dass wieder Anfänge der Garne oder Rovings im Bereich der Garnübergabestellen 14 so zu liegen kommen, dass sie von den Greifern abgeholt werden können, ohne dass allzu viel Verschnittmaterial anfällt. Zur Erfassung der Anfänge können Sensoren eingesetzt werden.
In Fig. 5a und 5 b sind die Garne oder Rovings bereits zurückgespult oder an der Garnübergabestelle abgeschnitten worden, so dass sich wieder Anfänge an den Garnübergabestellen befinden. An den Greifern entsteht auch nur wenig Verschnitt 24 an Fasermaterial , da sie jeweils nahe und entlang der Außenkontur der Formwerkzeuge positioniert waren und nur soviel Garn aufgespannt haben, wie auch gebraucht wurde. Die Formwerkzeuge 15, 16 werden wieder in ihre Abfahrposition gebracht. Auf dem ersten Formwerkzeug verbleibt die erste geformte Lage 25.
Fig. 6 a und 6 b zeigen das erste und zweite Formwerkzeug 15, 16 in gedrehter Lage. Hier wurden sie um 90° gedreht. Es ist aber auch ein anderer Drehwinkel beispielsweise etwa 30°, 45°, 60°, oder eine Kippung möglich. Bevorzugt liegt der Drehwinkel zwischen 10 und 170°. Das richtet sich danach, wie und mit welcher Faserorientierung die weitere Lage an Garnen oder Rovings aufgebracht werden soll. Die benötigten Greifer 6' sind in der Abholposition, um die Anfänge 20 der benutzten Garne oder Rovings zu greifen.
Dann werden die Garne oder Rovings der weiteren Lage aufgespannt bis zu einer Zwischenposition der Greifer und drapiert, indem das erste und das zweite Formwerkzeug 15', 16' in die Drapierposition gefahren werden. Fig. 7 a und 7 b zeigen die Vorrichtung nachdem die Garne oder Rovings abgetrennt wurden. Die benutzen Greifer 1 1 stehen in einer Zwischenposition. Bei nicht rechteckigen Formwerkzeugen oder anderen Drehwinkeln können die Greifer 1 1 auch auf verschiedenen Zwischenpositionen stehen. Die weitere Lage aus Garnen oder Rovings und eventuell aus Bindermaterial kann ebenfalls durch Erwärmen und/oder Pressen formstabil fixiert und mit der ersten Lage verbunden werden. Zusammen bilden sie den Faservorform ling 28.
In Fig. 8 a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wie sie zum Beispiel bei der Herstellung von Faservorform lingen für Motorhauben Verwendung finden kann. Die benutzten Greifer 10.1 stehen auf einer Zwischenposition, die nicht benötigten Greifer 5.1 sind in der Maximalposition 8.1. Auf dem ersten Formwerkzeug 15.1 ist eine erste Lage an Garnen oder Rovings drapiert und fixiert. Das zweite Formwerkzeug ist nicht dargestellt. Die Bevorratung der Garne oder Rovings erfolgt in den Abwickelstationen 1 .1 , 2.1. Weiterhin sind ein Bindermaterialvorrat 19.1 und die Garnübergabestellen 14.1 vorhanden.
Das Aufbringen einer oder mehrerer weiterer Lagen kann in derselben Vorrichtung erfolgen oder in einer oder mehreren weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen, an die das erste Formwerkzeug zusammen mit der ersten Lage übergeben wird. In Fig. 8 b ist eine weitere Lage 26.1 auf das gedrehte Formwerkzeug drapiert. Es sind der Übersicht halber nur ein paar Garne oder Rovings dargestellt. Die benutzten Greifer 1 1 .1 stehen entlang der Außenkontur des Formwerkzeuges und bilden es möglichst genau ab. Für eine noch genauere Anpassung können schmälere oder auch unterschiedlich breite Greifer eingesetzt werden.
Fig. 8 c zeigt wie noch eine weitere Lage aufgebracht wurde. Die benutzten Greifer 12.1 stehen wieder entlang der Außenkontur. Nach dem Fixieren bilden die Lagen zusammen den Faservorform ling 28.1 .
Bezugszeichenliste
I , 1 .1 ,2 , 2.1 Reihen von Abwickelstationen
3, 3', 4, 4' Abwickelstationen in Benutzung
5, 5.1 Reihe von Greifern
6, 6' Greifer in Abholposition
7, 7.1 , 7', 7.1 ' Führungsvorrichtung für Greifer
8, 8.1 Lage der Maximalpositionen
9, 9.1 Lage der Abholpositionen
10, 10.1 , 1 1 , } Greifer in Zwischenpositionen
I I .1 , 12, 12.1
13, 13' Messeinrichtung für Garn-Spannung
14, 14.1 Garnübergabestellen
(gegebenenfalls auch mit Spreizeinrichtung und/oder mit Einrichtung zur Bindervoraktivierung)
15 erstes Formwerkzeug in Abfahrposition
15', 15.1 erstes Formwerkzeug in Drapierposition
16 zweites Formwerkzeug in Abfahrposition
16' zweites Formwerkzeug in Drapierposition
17 Hubtisch
18 Bindermaterial
19, 19.1 Bindermaterialvorrat
20, 20' Anfänge der Garne oder Rovings
21 gespannte Garne oder Rovings
22 drapierte Garne oder Rovings
23, 23' abgetrennte Garne oder Rovings
24 Verschnitt
25 erste Lage von Garnen oder Rovings
26.1 , 27.1 weitere Lage von Garnen oder Rovings
28, 28.1 Faservorform ling
b Klemmbreite eines Greifers
Β Gesamtklemmbreite aller Greifer

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Herstellung von Faservorform lingen (28, 28.1 ), die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings und mehrere Greifer (5, 5.1 ), die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings an ihrem Anfang greifen können, und wenigstens ein erstes Formwerkzeug (15, 15', 15.1 ) aufweist, wobei jeder Greifer (5, 5.1 ) auf einem Pfad zwischen einer Maximalposition (8, 8.1 ) und einer Abholposition (9, 9.1 ) hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition (9, 9.1 )an einer Garnübergabestelle (14, 14.1 ) vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') ist als die Maximalposition (8, 8.1 )
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder mehrere Rückspuleinrichtungen vorgesehen sind, mit der Garne oder Rovings (23, 23'), die in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und erstem Formwerkzeug ausgegeben wurden, zumindest teilweise zurückgezogen werden können in den Bereich zwischen Garnübergabestellen (14, 14.1 ) und Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') und/oder an den Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') aufgewickelt werden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Greifer (5, 5.1 ) eine eigene Maximalposition (8, 8.1 ) hat und einer eigenen Garnübergabestelle (14, 14.1 ) zugeordnet ist und dass die Greifer (5, 5.1 ) jeweils einzeln auf im Wesentlichen zueinander parallelen Pfaden bewegbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die Greifer (10, 10.1 , 1 1 , 1 1 .1 , 12, 12.1 ) verschiedene individuelle Zwischenpositionen auf ihrem Pfad einnehmen können und dass sie die jeweiligen Anfänge der Garne oder Rovings an diesen Zwischenpositionen festhalten können.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Greifer (5, 5.1 ) jeweils auf einem im Wesentlichen linearen Pfad von der Abholposition (9, 9.1 ) zur Maximalposition (8, 8.1 ) bewegt werden können.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens 5 Greifer (5, 5.1 ), bevorzugt mindestens 10 Greifer (5, 5.1 ), besonders bevorzugt mindestens 20 Greifer (5, 5.1 ) vorhanden sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste und/oder ein zweites Formwerkzeug (15, 15', 15.1 , 16, 16') zwischen die Garnübergabestellen (14, 14.1 ) und zumindest einige der Greifer (10, 10.1 , 1 1 , 1 1 .1 , 12, 12.1 ) gebracht werden können, insbesondere so, dass dadurch die Garne oder Rovings (22) über das Formwerkzeug drapiert werden.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen dem ersten und/oder einem zweiten Formwerkzeug (15, 15', 15.1 , 16, 16') und den Greifern (10, 10.1 , 1 1 , 1 1 .1 , 12, 12.1 ) trennen kann, und/oder eine Trenneinrichtung, die die Garne oder Rovings zwischen dem ersten und/oder einem zweiten Formwerkzeug (15, 15', 15.1 , 16, 16') und den Garnübergabestellen (14, 14.1 ) trennen kann, vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Trenneinrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, die Garne oder Rovings nahe an einer Außenkontur des ersten und/oder eines zweiten Formwerkzeuges (15, 15', 15.1 , 16, 16') zu trennen, insbesondere näher am Formwerkzeug (15, 15', 15.1 , 16, 16') als an den Garnübergabestellen (14, 14.1 ).
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Rückspuleinrichtung, insbesondere jeder Abwickelstation (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') oder jeder Gruppe von Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4'), eine eigene Kupplungs- und/oder Bremseinrichtung zugeordnet ist, die bevorzugt so ausgeführt sind, dass jede Rückspuleinrichtung, insbesondere jede Abwickelstation oder jede Gruppe von Abwickelstationen, unterschiedliche Längen von Garnen oder Rovings zurückziehen kann.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass einer oder mehrere Sensoren vorgesehen sind, die die Positionen der Anfänge der Garne oder Rovings im Bereich der Garnübergabestellen (14, 14.1 ) erfassen können.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder mehrere Spreizeinrichtungen im Bereich der Garnübergabestellen (14, 14.1 ) vorgesehen sind, insbesondere als eine Art Kamm mit einer oder mehreren Reihen an Zinken ausgebildet.
12. Verfahren zur Herstellung von Faservorformlingen (28, 28.1 ), die beispielsweise eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Bauteilen darstellen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, welches folgende Verfahrensschritte nacheinander aufweist:
- Spannen von Garnen oder Rovings mithilfe mehrerer Greifer (5, 5.1 )
- Drapieren der Garne oder Rovings über ein erstes Formwerkzeug (15, 15', 15.1 )
- Abtrennen der Garne oder Rovings
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Abtrennen, die Garne oder Rovings (23, 23'), die in den Bereich zwischen Garnübergabestellen und erstem Formwerkzeug ausgegeben wurden, zumindest teilweise zurückgezogen werden in den Bereich zwischen Garnübergabestellen (14, 14.1 ) und Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') und/oder an den Abwickelstationen (1 , 1 .1 , 2, 2.1 , 3, 3', 4, 4') aufgewickelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet,
dass nach und/oder während des Drapierens die Garne oder Rovings formstabil fixiert werden, insbesondere durch eine Aktivierung von Bindermaterial (18), und bevorzugt durch Erwärmen und/oder Pressen.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Abtrennen die Garne oder Rovings nahe und entlang einer Außenkontur des ersten oder eines zweiten Formwerkzeuges (15, 15', 15.1 , 16, 16') getrennt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14
dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem oder mehreren Sensoren die Positionen der Anfänge der Garne oder Rovings im Bereich der Garnübergabestellen (14, 14.1 ) erfasst werden.
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