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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfaser zur Bildung einer Verstärkungslage eines Faserhalbzeuges, wie sie aus der
US 5099744 A bekannt ist, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird.
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Zur Herstellung von Faserhalbzeugen können grundsätzlich Flechtverfahren oder Wickelverfahren eingesetzt werden. Bei Flechtverfahren werden mittels Flechtmaschinen Flechtkerne, die dem herzustellenden Bauteil seine spätere Form verleihen, mit geeigneten Flechtfasern oder Flechtfäden, beispielsweise Kohlenstofffasern, umflochten.
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Bei einem herkömmlichen Flechtvorgang nehmen Klöppel die Flechtfadenspulen auf und werden auf Führungsbahnen relativ zueinander derart bewegt, dass geflechtbildende Überkreuzungen entstehen. Die Klöppel weisen dabei unterschiedliche Umlaufrichtungen um den Flechtkern auf. Beim Rundflechten sind die Führungsbahnen zwei gegenläufige konzentrische Kreisbahnen um einen zu beflechtenden Kern.
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Üblicherweise wird der Flechtkern, beispielsweise mittels eines Roboterarmes, relativ zu dem feststehenden Flechtmaschinenrumpf bewegt, wobei sich die Fasern von den Faserspulen abspulen und nach einer Umlenkung an einem Flechtring und über entsprechende Überkreuzungen an dem Flechtpunkt auf dem Flechtkern abgelegt werden. Je nach gewünschtem Aufbau des Faserhalbzeugs und/oder der einzelnen Flechtlagen können Verstärkungsfäden und/oder Stützfäden aus Kohle-, Glas-, Armid-, Kevlarfasern und/oder Thermoplastfäden hinzugeführt werden.
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Aus der
DE 10 2004 017 311 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbund-Halbzeugen mittels Rundflechttechnik bekannt. Dabei wird ein Flechtkern mit Flechtfäden beflochten, die über konzentrisch um den Flechtkern in unterschiedliche Richtung umlaufende Klöppel abgespult werden. Hierbei sind die Klöppel einer Umlaufrichtung mit Verstärkungsfäden oder -fasern und die Klöppel der entgegengesetzten Laufrichtung zumindest teilweise mit Stützfäden oder -fasern bestückt. Die Stützfäden bestehen zumindest teilweise aus Thermoplastfäden. Der Flechtkern kann mehrmals beflochten werden, wobei jeweils unidirektionale Einzellagen auf den Flechtkern abgelegt werden. Vor dem Ablegen einer weiteren Einzellage kann die zuvor abgelegte Einzellage durch Schmelzen der Thermoplastfäden fixiert werden.
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Ferner ist aus der
DE 101 15 953 A1 eine Flechtmaschine mit einer Umlenkung von scherempfindlichen Flechtfasern zwischen den Klöppeln und dem Flechtkern bekannt, wobei die Umlenkung mittels eines inneren Flechtringes und eines äußeren Flechtringes bewerkstelligt wird. Hierbei sind die beiden Flechtringe konzentrisch zueinander und in einer Richtung quer zur Förderrichtung des Flechtkerns axial beweglich angeordnet und führen periodische Hubbewegungen aus. Die Hubbewegungen können gegenphasig ausgeführt werden, das heisst, dass während einer Bewegung des einen Flechtringes in eine Richtung, beispielsweise nach oben, sich der andere Flechtring in eine entgegengesetzte Richtung, beispielsweise nach unten, bewegt. Nach Umlenkung der Flechtfäden an den beiden Flechtringen, werden die Flechtfäden dem Flechtkern zugeführt und auf diesem abgelegt.
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Es hat sich als nachteilig herausgestellt, dass insbesondere bei der Erzeugung triaxialer Geflechte über sogenannte Stehfäden bei deren Einbindung die Fasern onduliert werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Faserhalbzeugs reduziert werden. Weiterhin besteht der Nachteil, dass derartige Stehfäden nur in begrenzter Anzahl entsprechend der Anzahl der Flügelräder und nicht lückenlos positioniert werden können. Des Weiteren können bandförmige Materialien nicht über den Flechtprozess in das Geflecht eingearbeitet werden.
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Die
US 5099744 offenbart eine Flechtmaschine mit einem ringförmigen Rotor, an dem mehrere Spulen mit schwenkbaren Armelementen befestigt sind.
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In der
DE 101 15 953 A1 ist eine Flechtmaschine beschrieben, die einen inneren und einen äußeren Flechtring aufweist, wobei die Flechtringe periodische Hubbewegungen ausführen.
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Die
DE 22064 A offenbart eine Maschine zum Flechten mehrerer Strähnen mit einem Gestell, auf dem Lager sitzen, von denen Röhren zum Zuführen der Strähnen zum Flechtpunkt wegführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verstärkungsfasern möglichst ondulationsfrei in den Herstellungsprozess für ein Faserhalbzeug einzubringen. Ferner soll eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeugs angegeben werden, wobei auch Fäden, Bänder oder Hilfsstoffe in den Herstellungsprozess eingebracht werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Grundsätzlich lassen sich die erfindungsgemäßen Vorrichtungen für Flechtverfahren oder Wickelverfahren einsetzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfaser zur Bildung einer Verstärkungslage eines Faserhalbzeuges umfasst eine Zuführeinrichtung zum Zuführen der Verstärkungsfaser in Richtung auf das Faserhalbzeug und eine Trägereinheit zur Positionierung und Ausrichtung der Zuführeinrichtung relativ zum Faserhalbzeug, wobei die Zuführeinrichtung fest oder bewegbar an der Trägereinheit gelagert ist.
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Die Zuführeinheit kann je nach der geometrischen Form des zuzuführenden Materials geeignet ausgebildet werden, so dass auch bandförmige Elemente aus Verstärkungsfasern zugeführt werden können. Durch die Ausbildung einzelner Einheiten kann eine genaue Abstimmung zur Bildung des Geflechts erzielt werden. So können unterschiedliche Bereiche der Mantelfläche oder Abschnitte entlang der Längsrichtung eines Flecht- oder Wickelkerns mit einem unterschiedlichen Faser- oder Lagenaufbau hergestellt werden. Die Zuführeinrichtung umfasst mehrere Zuführeinheiten, die über den Umfang der Trägereinheit verteilt angeordnet sind.
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Die Länge der Zuführeinheit ist variabel. Beispielsweise kann die Zuführeinheit durch ein Rohrelement gebildet sein, das vorzugsweise in seiner Längsrichtung teleskopartig verkürzbar oder verlängerbar ist. Die Länge der Zuführeinheit bzw. des Rohrelementes richtet sich insbesondere nach dem Abstand der Vorrichtung, insbesondere der Trägereinheit, von der Mantelfläche des Kerns und nach der geometrischen Ausgestaltung der Mantelfläche des Kerns.
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Die kombinierte Anordnung von Zuführeinrichtung und Trägereinheit ist in bevorzugter Ausgestalung derart ausgestaltet, dass die Zuführeinrichtung wahlweise fest oder bewegbar gelagert ist, d. h. es besteht die Möglichkeit die Zuführeinrichtung in einer bestimmten Position und Ausrichtung fixiert zu halten und bei Bedarf diese Position und Ausrichtung zu verändern und vorzugsweise in einer neuen Position und Ausrichtung zu fixieren.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Zuführungssystem geschaffen, das insbesondere als Ergänzung für eine bestehende Flecht- oder Wickelmaschine dient, wobei die Vorrichtung einfach in die bestehende Maschine integriert werden kann. Die Anordnung des Zuführungssystems erfolgt beispielsweise benachbart zu etwaig vorhandenen Flechtringen einer Flechtvorrichtung, insbesondere bei einer Rundflechtmaschine, so dass die zusätzlich eingebrachten Verstärkungsfasern direkt, ohne chemische Fixierung oder mittels Bindertechnik, von dem durch den Flechtprozess entstehenden textilen Geflecht gehalten und fixiert werden.
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Bei einer beweglichen Anbindung der Zuführeinrichtung an die Trägereinheit kann sehr exakt auf Veränderung der Form des Flechtkerns reagiert werden.
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Mit diesem Zuführungssystem können als Verstärkungsfasern beispielsweise auch Bänder (z. B. Rovings) oder Hilfsstoffe eingebracht werden. Bevorzugt werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Bauteillängsrichtung orientierte Verstärkungsfasern zur Bildung einer Verstärkungslage eingebracht. Die zusätzlich eingebrachte Verstärkungslage kann das geflochtene Bauteil in Längsrichtung verstärken. Unter Hilfsstoffen sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beispielsweise Trennfolien, Klebevliese, Schaumlagen usw. zu verstehen. Der Begriff „Verstärkungsfaser” umfasst sowohl einzelne Fasern als auch Halbzeuge (z. B. Faserlagen).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Zuführeinrichtung verschiebbar und/oder drehbar an der Trägereinheit gelagert sein. Insbesondere kann die Zuführeinrichtung um eine quer zur Förderrichtung des Faserhalbzeugs orientierte Achse, die vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung ausgerichtet ist, drehbar eingerichtet sein. Die Beweglichkeit hinsichtlich einer Verschiebung kann insbesondere in eine Richtung parallel zur Förderrichtung oder quer hierzu ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Zuführeinheit ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei das erste Ende mittelbar oder unmittelbar an der Trägereinheit gelagert ist und das zweite Ende als freies Ende ausgebildet ist. Über eine entsprechende Positionierung und Ausrichtung des zweiten Endes kann die Zuführrichtung geeignet festgelegt werden. Für den Fall, dass der Kern eine entlang seiner Längsrichtung variable Querschnittsform aufweist, kann durch entsprechende Veränderung der Position des zweiten Endes der Mantelfläche des Kerns gefolgt werden.
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Ferner kann die Zuführeinheit einen Lagerkörper mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung aufweisen, wobei die Verstärkungsfaser durch die Eintrittsöffnung geleitet und durch die Austrittsöffnung zugeführt wird. Beispielsweise kann der Lagerkörper gelenkig an der Trägereinheit gelagert und die Zuführeinheit fest an dem Lagerkörper angebracht sein. Auf diese Weise ist die Zuführeinrichtung beziehungsweise Zuführeinheit drehbar an der Trägereinheit gelagert.
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Vorteilhafterweise umfasst die Zuführeinheit eine Aufspreizeinheit und/oder eine Ablageeinheit, insbesondere ein Fadenauge. Mit der Ablageeinheit kann eine verbesserte, ondulationsfreie Ablage der Faser auf dem Kern erreicht werden. Mit der Aufspreizeinheit kann beispielsweise ein zuzuführendes Band aus Verstärkungsfasern in Streifen aufgeteilt und dann die Streifen in den Flecht- oder Wickelprozess eingebracht werden.
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Zweckmäßigerweise ist die Trägereinheit um das Faserhalbzeug herum positionierbar, insbesondere ringförmig oder eckig, ausgebildet. Insbesondere kann die Trägereinheit als Ring bzw. Befestigungsring ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Trägereinheit mit der Zuführeinrichtung nahe an einem bestehenden Flechtring der vorhandenen Flechtvorrichtung positioniert werden. Die geometrische Form der Trägereinheit und/oder der Zuführeinrichtung ist vorzugsweise an die Form des zu erzeugenden Faserhalbzeuges bzw. des Flechtkerns angepasst.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Umlenkeinheit zur Umlenkung der Verstärkungsfaser und zur Bestimmung des Zuführwinkels in Richtung auf das Faserhalbzeug vorgesehen. Hierzu kann die Trägereinheit und/oder die Zuführeinrichtung die Umlenkeinheit umfassen. Mit anderen Worten können Trägereinheit und Umlenkeinheit zusammen als einstückiges Bauteil ausgebildet sein.
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Um die Verstärkungsfaser an einer vorbestimmten Stelle abzulängen, kann eine Trenneinrichtung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist die Trenneinrichtung in die Zuführeinrichtung integriert, beispielsweise durch Ausbildung einer Trennkante an einer Öffnung der Zuführeinheit.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Vorschubeinrichtung zum Einbringen der Verstärkungsfaser in die Zuführeinrichtung und/oder zum Vorschieben der Verstärkungsfaser in der Zuführeinrichtung vorgesehen. Die Vorschubeinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass sie einen Luftstrom zum Einbringen in die Zuführeinrichtung und/oder zum Vorschieben der Verstärkungsfaser in der Zuführeinrichtung bereitstellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges umfasst wenigstens eine Zuführeinheit zum Zuführen einer Grundfaser zur Bildung eines Faserhalbzeugs und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Zuführen einer Verstärkungsfaser zur Bildung einer Verstärkungslage des Faserhalbzeuges, wobei die Zuführeinheit in einer vorbestimmten Relativposition zu der Trägereinheit der Vorrichtung angeordnet ist.
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Bei der vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges handelt es sich vorzugsweise um eine Flechtvorrichtung. Die Anordnung des Zuführungssystems gemäß der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erfolgt bei einer solchen Flechtvorrichtung beispielsweise benachbart zu vorhandenen Flechtringen für die Zuführung der Grundfaser.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zuführeinheit derart in Relativposition zu der Trägereinheit angeordnet, so dass die Verstärkungsfaser und die Grundfaser während der Herstellung des Faserhalbzeuges im Wesentlichen in einem Punkt entlang einer Längsrichtung des Faserhalbzeuges aufeinander treffen oder in einem vorbestimmten Abstand entlang der Längsrichtung voneinander aufeinander treffen.
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Mit den beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen können verbesserte mechanische Eigenschaften der einzubringenden Verstärkungsfasern und des gesamten Faserhalbzeugs erzielt werden. Weiterhin können die einzuflechtenden oder einzuwickelnden Bestandteile lückenlos gruppiert werden, wodurch beispielsweise Verstärkungsfasern in großer Anzahl positioniert werden können.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Trägereinheit in Form eines Befestigungsringes ausgebildet sein und mit einer beliebigen Anzahl von Zuführeinheiten in Form von Fadenzuführungselementen über den Umfang des Ringes verteilt ausgestattet sein. Dadurch kann eine über den Umfang des Flechtkerns geschlossene Verstärkungslage erzeugt werden oder an bestimmten Bereichen über den Umfang des Flechtkernes ein definierter Fadeneintrag ermöglicht werden. Hierbei können die Fadenzuführungselemente in Länge und Eintragwinkel variabel bzw. gelenkig ausgeführt sein, so dass die Zuführung der Fäden auch bei variablen Querschnitten des Fadenkerns gewährleistet ist. Weiterhin können am Austritt der Fadenzuführungselemente Fadenaugen angebracht sein, die eine homogene Fadenablage sowie ein Aufspreizen der Verstärkungsfäden erlauben. Schließlich kann das variable Zuführungssystem auch derart gestaltet sein, dass bandförmige Produkte eingebracht werden können. Hierfür können sowohl vorkonfektionierte Verstärkungsbänder, als auch bandförmige Hilfsstoffe, wie beispielsweise Bindervliese, Trennfolien oder Sandwichkernelemente verwendet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen schematisch:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfaser in das Faserhalbzeug, und
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2 eine Ansicht von vorne auf die Anordnung gemäß 1.
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Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges mit wenigstens einer Zuführeinheit zum Zuführen einer Grundfaser 16 zur Bildung des Faserhalbzeugs und eine Vorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfaser 14 in das Faserhalbzeug. Die kombinierte Anordnung der beiden Vorrichtungen stellt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Flechtvorrichtung, insbesondere eine Rundflechtvorrichtung, dar, mit der eine Flechtlage aus den Grundfasern 16 und eine Verstärkungslage aus den Verstärkungsfasern 14 zur Bildung des Faserhalbzeuges verarbeitet werden.
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Das Faserhalbzeug wird durch Flechten der Grundfaser 16 auf eine Mantelfläche 12 eines Flechtkerns 10 und durch Zuführen der Verstärkungsfaser 14 gebildet. Der Flechtkern 10 weist eine, in seiner Längsrichtung L betrachtet, veränderliche Mantelfläche 12 auf. Um den Flechtkern 10 entlang seiner Längsrichtung L vollständig beflechten zu können, wird dieser entlang einer Förderrichtung F durch die Flechtvorrichtung transportiert.
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Die Vorrichtung zum Zuführen der Verstärkungsfaser 14 umfasst eine Zuführeinrichtung 30 und eine Trägereinheit 50. Hierbei ist die Trägereinheit 50 in einer vorbestimmten Relativposition im Abstand A zu der Zuführeinheit angeordnet. Der Abstand A ist hierbei so gewählt, dass die Verstärkungsfaser 14 in der Längsrichtung L beabstandet zu der Grundfaser 16 auf die Mantelfläche 12 bzw. auf das schon teilweise ausgebildete Geflecht auftrifft.
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Die zur Zuführung, Ausrichtung und Ablage der Verstärkungsfaser 14 dienende Zuführeinrichtung 30 umfasst eine Vielzahl von Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34, 35, die über den Umfang der Trägereinheit 50 verteilt angeordnet sind.
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Jede der Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34, 35 weist einen Lagerkörper 36 auf, der an der Trägereinheit 50 gelagert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lagerkörper 36 kugelartig geformt und mit einem Hohlraum versehen. Der Lagerkörper 36 weist eine Eintrittsöffnung 37 und eine Austrittsöffnung 38 auf, durch die die Verstärkungsfaser 14 hindurch geführt wird.
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Die Trägereinheit 50 ist vorzugsweise als Ring bzw. Befestigungsring ausgebildet und um den Flechtkern 10 herum positioniert. Die Trägereinheit 50 dient zur Positionierung und Ausrichtung der Zuführeinrichtung 30 in einer geeigneten Position relativ zum Flechtkern 10, so dass die Verstärkungsfaser 14 und die Grundfaser 16 möglichst ondulationsfrei auf der Mantelfläche 12 abgelegt werden können. Die Trägereinheit 50 lagert die Zuführeinrichtung 30 derart, dass diese um eine senkrecht zur Zeichenebene und somit senkrecht zur Förderrichtung F bzw. Längsrichtung L verlaufende Drehachse drehbar ist. Anders ausgedrückt, ist die Zuführeinrichtung 30 über den Lagerkörper 36 bewegbar, insbesondere drehbar beziehungsweise schwenkbar, an der Trägereinheit 50 gelagert.
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Ferner weist jede der Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34 und 35 ein Rohrelement 40 mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf. Jedes Rohrelement 40 ist im Bereich des ersten Ende fest an dem Lagerkörper 36 angebracht. Das zweite Ende 38 ist als freies Ende ausgebildet und kann eine Ablageeinheit und/oder eine Aufspreizeinheit umfassen. Über das bezüglich aller drei Raumrichtungen in die gewünschte Position bringbare freie Ende 38 des Rohrelements 36 kann die Verstärkungsfaser 14 in geeigneter Weise auf dem Flechtkern 10 abgelegt werden.
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Die Rohrelemente 40 weisen jeweils eine Wandung und einen inneren Hohlraum auf, so dass die Verstärkungsfaser 14 durch den Lagerkörper 36 und das Rohrelement 40 zugeführt werden kann. Mit anderen Worten dient das Rohrelement 40 als Fadenzuführungselement für die Verstärkungsfaser 14.
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Die Rohrelemente 40 sind vorteilhafterweise in ihrer Länge variabel, so dass auf Querschnittsänderungen des Flechtkerns 10 entlang seiner Förderrichtung F reagiert werden kann. Vorzugsweise ist das Rohrelement 40 teleskopartig aufgebaut.
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Auf diese Weise kann eine weitgehend ondulationsfreie oder vollständig ondulationsfreie Ablage der Verstärkungsfaser 14 auf dem Flechtkern 10 beziehungsweise innerhalb des durch die Grundfaser 16 gebildeten Geflechts erreicht werden. Die Verstärkungsfaser 14 ist vorzugsweise in einem Winkel von 0° zur Längsrichtung L orientiert und verstärkt das Faserhalbzeug in seiner Längsrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flechtkern
- 12
- Mantelfläche
- 14
- Verstärkungsfaser
- 16
- Grundfaser
- 30
- Zuführeinrichtung
- 31
- Zuführeinheit
- 32
- Zuführeinheit
- 33
- Zuführeinheit
- 34
- Zuführeinheit
- 35
- Zuführeinheit
- 36
- Lagerkörper
- 37
- Eintrittsöffnung
- 38
- Austrittsöffnung
- 40
- Rohrelement
- 50
- Trägereinheit
- L
- Längsrichtung
- F
- Förderrichtung
- A
- Abstand