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Die Erfindung betrifft eine Flechtvorrichtung zum Überflechten eines entlang einer Förderrichtung zu transportierenden Flechtkerns. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Flechtverfahren sowie ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes geflochtenes, profilartiges Preform.
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Heute auf dem Markt erhältliche Rotationsflechtmaschinen basieren zumeist noch auf den bereits zu Anfang des vergangenen Jahrhunderts von Guido Horn in Berlin-Weißensee entwickelten Schnellflechtmaschinen (siehe Prospekt ”Schnellflechtmaschinen (System Horn)” der Fa. Spezialmaschinenbau, Veröffentlichungsdatum 1/52;
DE 317 415 A ,
DE 324 669 A und
DE 178 305 A ). Bei diesen Schnellflechtmaschinen nach dem System ”Horn” laufen ein innerer und äußerer Satz von Spulenträgern kreisförmig um eine feststehende Hohlachse der Maschine um. Unter ”Spulenträger” ist hier und im Folgenden eine Vorrichtung zu verstehen, an welcher eine Spule mit Fadenmaterial um ihre Längsachse drehbar gelagert werden kann. Zusätzlich kann der Spulenträger zur Gewährleistung einer konstanten Fadenspannung mit einer Fadenlängenregulierung ausgerüstet sein.
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Die Funktionsweise einer typischen Schnellflechtmaschine nach dem System ”Horn” ist in der beigefügten 3b dargestellt. Der Flechtvorgang läuft in einer gedachten Hohlkugel 1 ab. Der Mittelpunkt der Hohlkugel 1 ist der Flechtpunkt P. Spulenträger (Fadenspeicher) kreisen auf einem Breitengrad auf der Kugeloberfläche um den Flechtpunkt P. Jeder Faden hat somit vom Spulenträger bis zum Flechtpunkt P die gleiche Länge (Kugelradius), sodass sich zur Einhaltung einer gleichmäßigen Geflechtqualität ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Fadenablauf einstellt. Beim Flechtvorgang laufen die Schussfäden 6 in entgegengesetzter Richtung der Kettfäden 7. Die Schussfäden 6 bewegen sich auf einem festen Breitengrad, während die Kettfäden 7 von einem tiefer gelegenen Breitengrad zu einem höher gelegenen Breitengrad und wieder zurück vom höher gelegenen Breitengrad zum tiefer gelegenen Breitengrad um den Schussfaden-Breitengrad in einer oszillierenden Auf- und Abbewegung schwingen. Somit entsteht die notwendige Bindung der Kett- und Schussfäden 6, 7, um das Geflecht 18 zu erzeugen.
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Zur Geflechtablage wird zumeist ein beliebig eigensteifer Flechtkern senkrecht zur Flechtebene eingeführt und in Förderrichtung durch den Flechtring 17 der Flechtmaschine bewegt. Durch das Zusammenziehen des Geflechtes 18 auf der Oberfläche wird der Kern fixiert.
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Grundsätzlich ist aber auch die Fertigung von sogenannten Rundgeflechten ohne Flechtkern (hohle Schlauchgeflechte) möglich.
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Je nach der Orientierung der Fäden wird zwischen biaxialer und triaxialer Flechtware unterschieden. Das einfache biaxiale Rundgeflecht 18 besteht aus den eigentlichen Flechtfäden, die theoretisch zwischen 0° und 90°, praktisch zwischen 20° und 80° abgelegt werden können (siehe 1b und 2b). Beim Auseinanderziehen verhält sich diese biaxiale Flechtware elastisch, wobei die resultierende Längenänderung eine gleichzeitige Änderung des Querschnittes zur Folge hat. Bekannt ist zudem triaxial aufgebaute Flechtware, bei der dem vorgenannten Effekt durch das Einbringen von sogenannten ”Stehfäden” (oder auch ”Zettelfäden”) in 0°-Orientierung entgegengewirkt wird. Stehfäden verlaufen entlang der Strukturhauptachse. Jedoch nehmen Stehfäden nicht aktiv am Geflecht teil.
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Bei bekannten Umlauf(rad)flechtmaschinen nach dem System ”Horn” (siehe zum Beispiel
DE 199 25 941 B4 ) wird der innere Spulenträgersatz (Fadenspeicher für Schussfäden) auf einer kreisförmigen Bahn um die Maschinenachse geführt und mittels Kegelzahnrädern angetrieben. Der äußere Spulenträgersatz (Fadenspeicher für Kettfäden) rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung zum inneren Spulenträgersatz. Die Fäden der äußeren Spulenträger werden durch jedem äußeren Spulenträger zugeordnete, um die Maschinenachse entgegen den inneren Spulenträgern auf einem festen Zahnkranz abrollende Kegelzahnräder (Umlaufräder) derart herumgeführt, dass durch das Abrollen der Umlaufräder auf dem Zahnkranz und durch an den Rändern der Kegelzahnräder angebrachte Führungsösen die Fäden eine zykloidenförmige Bahn beschreiben. Die Fäden der inneren Spulenträger werden direkt über an den Spulenträgern angebrachte Führungsrollen abgezogen. Umlauf(rad)flechtmaschinen ermöglichen es, gleichmäßige Geflechte mit einer Bindung 1 über 1, 2 über 1 oder 3 über 1 zu erzeugen. Die Fäden gelangen weitgehend torsionsfrei zum Flechtpunkt, so dass auch biegeempfindliche Materialien wie Aramide problemlos verarbeitet werden können.
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Bei Hebelflechtmaschinen nach dem System ”Horn” (siehe zum Beispiel
DE 10 2011 112 660 A1 ) wird der innere Spulenträgersatz (Fadenspeicher für Schussfäden) auf einer kreisförmigen Bahn um die Maschinenachse geführt und mittels Kegelzahnrädern angetrieben. Der äußere Spulenträgersatz (Fadenspeicher für Kettfäden) rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung zum inneren Spulenträgersatz. Im Gegensatz zu den Umlauf(rad)flechtmaschinen werden die Fäden der äußeren Spulenträger durch jedem äußeren Spulenträger zugeordnete Fadenhebel entlang einer sinusähnlichen Verlegekurve geführt. Zur Erzeugung des Bewegungsverlaufs des Fadenhebels wird dieser zum einen in einer Kurvenführung eines feststehenden äußeren Nutkurvenrings und zum anderen beweglich am Kettfadenrotor gelagert. Die Kurvenführung bewirkt, dass sich der Fadenhebel oszillierend auf und ab bewegt und somit den Faden über bzw. unter den Schussfaden verlegt.
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Hebelflechtmaschinen ermöglichen es, gleichmäßige Geflechte mit einer Bindung 2 über 2 zu erzeugen.
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Primär kommen bei diesen speziellen Hebelflechtmaschinen nach dem System ”Horn” Metallfäden zum Einsatz, die besondere Eigenschaften bei ihrer Verarbeitung aufweisen. Typische Produkte sind Kabel mit Cu-Geflecht als Außenleiter oder Schläuche mit Stahlgeflecht zur Verstärkung der Struktur. Der technologische Vorteil des Systems ”Horn” liegt in der gänzlichen Vermeidung von Verdrillungen des Flechtmaterials bei der Kettfadenverlegung. Der Kettfaden wird entlang einer speziellen Verlegekurve geführt, die das gegeneinander Verwinden der einzelnen Fasern im Flechtmaterial verhindert. Eine typische Hebelflechtmaschine nach dem System ”Horn” wird abhängig von Produkt- und Anlagenkonfiguration bei maximal 185 U/min betrieben. Die Ausbringungsmenge ist zusätzlich vom Flechtwinkel und der zugehörigen Flechtsteigung abhängig.
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Die heutige Herausforderung besteht darin, das Einsatzgebiet der Rotationsflechtmaschinen nach dem System ”Horn” zu erweitern und sich somit des Vorteils der verdrillungsfreien Kettfadenverlegung nicht nur bei der bekannten Herstellung von Schläuchen und Kabelarmierungen, sondern auch bei der Herstellung anderer Profile und langgestreckter Bauteile zu bedienen.
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Ein noch unzureichend von Rundflechtverfahren erschlossenes Gebiet stellt hierbei die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundmaterialien, insbesondere von Hochleistungsfaserverbund-Profilstrukturen dar. Solche Bauteile finden in den verschiedensten Bereichen der Technik, insbesondere in der Luftfahrt- und Automobilindustrie zunehmende Verbreitung. Beispielsweise werden Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern eingesetzt, um gegenüber bisher üblicherweise verwendeten Metallteilen leichtere, gleichzeitig aber mindestens ebenso stabile Bauteile herzustellen. Bei derzeitigen Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile wird zumeist ein aus (Kohlenstoff- oder anderen) Fasern gebildetes textiles Halbzeug zunächst flächig ausgelegt und erst anschließend die spätere Bauteilform herausgeschnitten. Dabei entsteht eine große Menge an Verschnitt sowie die Herausforderung des belastungsgerechten Preformings. Textile Halbzeuge bei automatisierter Fertigungsweise ideal belastungsgerecht herzustellen, erweist sich als sehr schwierig.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffteiles, bei dem bzw. bei der die Faserverstärkung durch Umflechten eines Kerns ausgebildet und das Fasergeflecht mit Kunstharz getränkt wird, ist aus der
EP 2 189 273 A1 bekannt.
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Eine Rotationsflechtvorrichtung zur Herstellung eines Filamentschlauches ist aus der
US 2013/0092012 A1 bekannt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demzufolge darin, eine Flechtvorrichtung und ein entsprechendes Flechtverfahren zum Überflechten eines entlang einer Förderrichtung zu transportierenden Flechtkerns anzugeben, die die Herstellung eines Rundgeflechtes erlauben, welches belastungsgerecht in verschiedenen Gebieten (zum Beispiel auch als Strukturbauteil im Flugzeug- oder Fahrzeugbau) zum Einsatz kommen kann.
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Gelöst wird die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Flechtvorrichtung zum Überflechten eines entlang einer Förderrichtung zu transportierenden Flechtkerns, umfassend:
- – mindestens einen ersten Spulenträgersatz und mindestens einen zweiten Spulenträgersatz, wobei zumindest einer der beiden Spulenträgersätze entlang einer Kreisbahn bewegbar ist, wobei zwischen den beiden Spulenträgersätzen beim Überflechten des Flechtkerns eine Relativbewegung ausführbar ist, und wobei durch die Relativbewegung die von den Spulenträgern der beiden Spulenträgersätze jeweils abgezogenen Fäden als sich kreuzende Schussfäden um den Flechtkern ablegbar sind,
- – mindestens einen dritten, ortsfest angeordneten Spulenträgersatz, und
- – mindestens ein Stellelement, wobei die beim Überflechten des Flechtkerns von den Spulenträgern des dritten Spulenträgersatzes abgewickelten Fäden durch das mindestens eine Stellelement in eine oszillierende Auf- und Abbewegung versetzbar und dabei als Kettfäden unter Ausbildung einer Bindung abwechselnd über und unter die Kreuzungsstellen der Schussfäden verlegbar sind.
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Der kinematische Aufbau der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung umfasst demzufolge in einer Minimalkonfiguration drei interagierende Spulenträgersätze. Durch die Relativbewegung zwischen dem ersten und zweiten Spulenträgersatz werden zwei einander kreuzende Lagen von Schussfäden erzeugt. Durch den dritten (stationären) Spulenträgersatz werden Kettfäden bereitgestellt, die durch das zugeordnete Stellelement in eine oszillierende Bewegung versetzt und dabei über bzw. unter die Kreuzungsstellen der Schussfäden verlegt werden und so zur Ausbildung von Bindungen führen.
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Die dreidimensionale Fadenablage bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt vorteilhafterweise mit geringer Ondulation. Zur Bindungserzeugung muss lediglich das dem dritten Spulenträgersatz zugeordnete mindestens eine Stellelement eine oszillierende Führungsbewegungsaufgabe erfüllen, um den Kettfaden verdrillungsfrei abzulegen. Die vom ersten und zweiten Spulenträgersatz bereitgestellten Schussfäden können hingegen ondulationsfrei mit hoher Geschwindigkeit von den entsprechenden Spulenträgern quasi abgewickelt werden. Somit kann die Maschinenleistung gegenüber bekannten Rotationsflechtmaschinen erhöht werden und in Kombination mit einer kontinuierlichen Kerndurchführung wird eine Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine serientaugliche kontinuierliche Produktionsanlage möglich.
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Zudem wirkt sich die geringe Ondulation vorteilhaft auf die strukturmechanischen Eigenschaften des durch die erfindungsgemäße Flechtvorrichtung hergestellten Rundgeflechtes aus. Die geringe Ondulation führt nämlich dazu, dass die positiven Eigenschaften der Fasern, zum Beispiel eine hohe Zug- und Drucksteifigkeit bzw. eine hohe Zug- und Druckfestigkeit, im Gegensatz zu stärker ondulierten, mit konventioneller Flechttechnik hergestellten Rundgeflechten besser ausgenutzt werden können. So kann bedingt durch den geringen Ondulationsgrad eine ideale Belastungsverteilung und optimale Verstärkungswirkung erzielt werden. Neben den verbesserten mechanischen Kennwerten kann aufgrund der geringen Ondulation zudem eine bessere Drapierbarkeit des Rundgeflechtes erreicht werden.
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Des Weiteren kann dadurch, dass die Kettfäden von einem separaten, ortsfest angeordneten Spulenträgersatz abgezogen werden, die zwecks Bindungserzeugung notwendige oszillierende Auf- und Abbewegung der Kettfäden hinsichtlich ihrer mathematischen Beschreibung und ihrer Einordnung ins Gesamtsystem deutlich vereinfacht werden. Die engen geometrischen sowie zeitlichen Restriktionen in Bezug auf die Verlegebewegung der Kettfäden können demzufolge sicherer eingehalten werden, als es bei bekannten Hebelflechtmaschinen der Fall ist. Hier wird aufgrund der beweglichen Lagerung des Fadenhebels am Kettfadenrotor die Oszillationsbewegung mit einer Drehbewegung des Rotors überlagert. Dies macht es sehr schwierig, die Bewegungscharakteristik des Fadenhebels numerisch abzubilden und somit genau den strengen Anforderungen der Kettfadenverlegekurve anzupassen. Demzufolge ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur eine höhere Maschinenleistung, sondern auch eine höhere Qualität der durch sie hergestellten Produkte erreichbar.
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Gleichzeitig wird mit den drei auf dem Flechtkern abgelegten Fadensystemen ein triaxiales Rundgeflecht erzeugt, dessen mindestens drei Fadensysteme – im Gegensatz zu bekannten triaxialen Geflechten mit sogenannten ”Stehfäden” – aus mindestens zwei natürlichen Unidirektionalfadensystemen (Schussfadensystemen) bestehen, sodass ein Geflecht von hoher Gleichmäßigkeit und hoher strukturmechanischer Festigkeit gebildet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung sind die mindestens drei Spulenträgersätze und das mindestens eine Stellelement in ringförmiger Anordnung um den Flechtkern vorgesehen.
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Die ringförmige Anordnung ermöglicht große Schwenk- bzw. Kippwinkel bei der gesteuerten Bewegung des Flechtkerns durch den Flechtpunkt. Dadurch wird es möglich, flexible Bauteilquerschnitte durch den Flechtpunkt zu führen und eine kontinuierliche Fadenablage selbst bei großen Konturänderungen in Längsrichtung zu realisieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Flechtvorrichtung einen ringförmigen Träger, der den zu überflechtenden Flechtkern ringförmig umgibt, wobei der ringförmige Träger an seinem Umfang die mindestens drei Spulenträgersätze und das mindestens eine Stellelement aufweist.
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Im Mittelpunkt des ringförmigen Trägers ist der Flechtkern angeordnet, auf den geflochten wird und der dabei parallel zur Mittelachse des Trägers bewegt werden kann, sodass je nach Bedarf eine oder mehrere Lagen Geflecht übereinander hergestellt werden können. Optional werden die Fäden über einen Flechtring (Flechtauge) auf den Kern umgelenkt.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Achsen der Spulenträger quer zur Mittelachse des ringförmigen Trägers verlaufen.
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Beispielsweise können die Spulenträger radial zur Mitte der Flechtvorrichtung gerichtet sein. So tritt eine Umlenkung des Fadenmaterials nicht auf und eine schädigungsarme Produktion des geflochtenen Preforms wird begünstigt. Solch eine Produktion kann zusätzlich durch ein speziell angepasstes reibungsarmes Fadenführungssystem mit Leitblechen garantiert werden.
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Des Weiteren sind der mindestens eine erste und/oder der mindestens eine zweite Spulenträgersatz vorzugsweise entlang einer zur Förderrichtung des zu überflechtenden Flechtkerns konzentrisch verlaufenden Kreisbahn bewegbar.
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Die den Flechtkern umkreisende Bewegung des ersten und/oder zweiten Spulenträgersatzes führt bei einer gleichzeitig stattfindenden translatorischen Bewegung des Flechtkerns in Förderrichtung dazu, dass die von den Spulenträgern abgewickelten Schussfäden helixartig mit einer einstellbaren Steigung um den Umfang des Flechtkerns gelegt werden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Spulenträgersatz in zueinander entgegengesetzten Richtungen, entlang jeweils zur Förderrichtung des zu überflechtenden Flechtkerns konzentrisch verlaufenden Kreisbahnen bewegbar.
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Durch zwei gegenläufige konzentrische Kreisbahnbewegungen um den zu überflechtenden Flechtkern wird erreicht, dass sich die Schussfäden der Spulenträger in positiver Drehrichtung mit denen der negativen Drehrichtung überkreuzen. Somit ergeben sich beim Umflechten des Flechtkerns zwei übereinander angeordnete Lagen von helixartigen Schussfäden, die sich in unterschiedliche Richtungen erstrecken und folglich zwischen sich Kreuzungsstellen bilden. Vorteilhafterweise sind die beiden gegenläufigen Kreisbahnbewegungen des ersten und zweiten Spulenträgersatzes aber mit keinerlei weiteren Bewegungen überlagert, da die Bindung nicht durch diese gegenläufigen Kreisbahnbewegungen, sondern erst durch die vom separaten dritten Spulenträgersatz abgezogenen und vom Stellelement oszillierend eingeführten Kettfäden verwirklicht wird.
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Weiter weist die Kreisbahn, entlang welcher sich der mindestens eine erste und/oder der mindestens eine zweite Spulenträgersatz bewegen, bevorzugt Fächer zur Verlegung der von den Spulenträgern des mindestens einen dritten Spulenträgersatzes abgezogenen Fäden durch oszillierende Auf- und Abbewegung auf.
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Somit können die Kettfäden aufgrund der vom Stellelement erzeugten oszillierenden Auf- und Abbewegung während der Überflechtung des Flechtkerns in die zwischen den Schussfäden vorgesehenen Fächer eingeführt werden, um so die gewünschte Bindung zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die durch das mindestens eine Stellelement bewirkte oszillierende Auf- und Abbewegung gezielt steuerbar, um dadurch die Bindungsstruktur zu variieren.
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Eine Änderung der durch das Stellelement erzeugten oszillierenden Auf- und Abbewegung der Kettfäden führt zu einer Änderung der Anzahl der Bindungen zwischen den Kett- und Schussfäden. Durch eine gezielte Steuerung der Oszillationsbewegung kann somit eine gewünschte Bindungsstruktur eingestellt werden. Die strukturmechanischen Eigenschaften eines Geflechtes hängen wiederum entscheidend von der Bindungsstruktur ab, sodass durch die Steuerung der Oszillationsbewegung indirekt auf diese Eigenschaften Einfluss genommen werden kann. Zudem ist die textiltechnologische Bindungsstruktur ausschlaggebend für die Schadenstoleranz der Geflechte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die oszillierende Auf- und Abbewegung der von den Spulenträgern des mindestens einen dritten Spulenträgersatzes abgezogenen Fäden durch mindestens ein nichtlinear angetriebenes Fadenstellelement und mindestens eine gestellfeste Führung erzeugt.
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In vorteilhafter Weise kann das Fadenstellelement ortsfest an dem den Flechtkern umgebenden ringförmigen Träger angebracht sein. Somit wird die oszillierende Auf- und Abbewegung der vom dritten Spulenträgersatz abgezogenen Kettfäden von der rotatorischen Bewegung der vom ersten und zweiten Spulenträgersatz abgezogenen Schussfäden getrennt. Die feste Anordnung des Fadenstellelements mit Trennung von oszillatorischer und rotatorischer Bewegung erleichtert die Berechnung bzw. Simulation und somit Einstellung der Flechtvorrichtung, wodurch optimale Flechtergebnisse erzielt werden können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Flechtkern durch ein Profil oder langgestrecktes Bauteil ausgebildet ist, das einen rotationssymmetrischen, in Förderrichtung variablen Querschnitt aufweist, und sieht weiter vor, dass die Flechtvorrichtung eine steuerbare Verstelleinrichtung umfasst, die den Innendurchmesser der Flechtvorrichtung auf den jeweiligen Querschnitt des Profils oder langestreckten Bauteils am Ablagepunkt der Fäden abstimmt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit die Möglichkeit zur definierten Flechtfadenablage auf inkonstanten Querschnitten von Flechtkernen. So können Profile und langgestreckte Bauteile überflochten werden, die entlang ihrer Längserstreckung unterschiedlichste Querschnittssprünge oder -übergänge aufweisen. Die Aufgabe, die Flechtverhältnisse auch bei variierendem Durchmesser des Flechtkerns konstant zu halten, kann durch eine steuerbare Verstelleinrichtung gelöst werden, die einen Innendurchmesser der Flechtvorrichtung, insbesondere den Innendurchmesser eines zur Fadenführung vorgesehenen Flechtrings verstellt und an das jeweilige aktuelle Profil des Flechtkerns am Ablagepunkt der Fäden anpasst. Durch dieses Prinzip wird es ermöglicht, flexible Bauteilquerschnitte durch den Flechtpunkt zu führen und dennoch eine kontinuierliche Fadenablage bei großen Konturänderungen in Längsrichtung zu realisieren.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Flechtvorrichtung eine über eine Steuereinheit ansteuerbare Transporteinrichtung zum kontinuierlichen Transport des Flechtkerns in Förderrichtung.
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Dabei kann die Transporteinrichtung einen Roboterarm aufweisen, der außerhalb des ringförmigen Trägers der Flechtvorrichtung angeordnet ist und der mit dem Flechtkern zum Beispiel derart verbunden ist, dass dieser einen Endabschnitt der Flechtkerns abschnittsweise mit einem Greifer umgreift.
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Bevorzugt trägt jeder Spulenträger des mindestens einen ersten und/oder des mindestens einen zweiten Spulenträgersatzes eine Spule von Unidirektionalfadenmaterial, während jeder Spulenträger des mindestens einen dritten Spulenträgersatzes eine Spule von Flechtfadenmaterial trägt.
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Durch die Verwendung des Schussfadens aus Unidirektionalfadenmaterial ist es möglich, die gewünschten physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Dichtigkeit, Verformbarkeit, Packbarkeit oder Temperaturbeständigkeit, einzustellen, ohne dass die strukturelle Festigkeit des Rundgeflechtes wesentlich benachteiligt wird, da die Festigkeit des Rundgeflechtes überwiegend durch den Kettfaden aus dem im Vergleich zum Unidirektionalfaden-material festeren und stabileren Flechtfadenmaterial bereitgestellt wird.
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Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, Spulenträger des mindestens einen ersten und/oder des mindestens einen zweiten und/oder des mindestens einen dritten Spulenträgersatzes jeweils durch Vorratsspulen mit Fadenmaterial zu versorgen.
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Die Fäden werden von den Vorratsspulen möglichst ohne Verdrehung und Vorbeschädigungen abgezogen. Den Vorratsspulen können zudem Fadenspannungscontroller nachgeschaltet sein, um die Fäden mit einer vorgebbaren konstanten Fadenspannung abzuziehen, die für eine optimale Streckung der Fasern sorgen soll, um ein vollständiges oder teilweises Abheben des Rundgeflechtes vom Kern an Kernkrümmungen oder an Querschnittsänderungen des Kerns zu verhindern.
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Weiterhin wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Flechtverfahren zum Überflechten eines entlang einer Förderrichtung zu transportierenden Flechtkerns gelöst, umfassend:
- – Abziehen von Fäden von den Spulenträgern mindestens eines ersten Spulenträgersatzes und von den Spulenträgern mindestens eines zweiten Spulenträgersatzes, wobei zumindest einer der beiden Spulenträgersätze entlang einer Kreisbahn bewegt wird, und wobei zwischen den beiden Spulenträgersätzen eine Relativbewegung derart ausgeführt wird, dass die von den Spulenträgern der beiden Spulenträgersätze jeweils abgezogenen Fäden als sich kreuzende Schussfäden um den Flechtkern abgelegt werden, und gleichzeitiges
- – Abziehen von Fäden von den Spulenträgern mindestens eines dritten, ortsfest angeordneten Spulenträgersatzes, wobei die Fäden durch mindestens ein Stellelement jeweils in eine oszillierende Auf- und Abbewegung versetzt werden und dabei als Kettfäden unter Ausbildung einer Bindung abwechselnd über und unter die Kreuzungsstellen der Schussfäden verlegt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Produktivität bei der Herstellung von Rundgeflecht-Prefoms aufgrund geringer Ondulation durch das quasi Abwickeln der Schussfadensysteme und die Bindungserzeugung durch ein separates Kettfadensystem deutlich erhöhen. Zudem zeichnet sich das Verfahren in vorteilhafter Weise durch wenig Verschnitt (Abfall), durch eine kostengünstige Preformfertigung aufgrund der direkten Verwendung von Rovings, durch die Realisierbarkeit geometrisch komplexer Profilstrukturen, durch die Herstellbarkeit von Strukturen mit nahezu beliebiger Krümmung, durch die nahezu unbegrenzte Formenvielfalt in der Querschnittsform der Struktur (rund, elliptisch, dreieckig oder rechteckig; geschlossene oder offene Profile), wobei sich die Querschnittsform über die Struktur hinweg verändern kann, sowie durch wenige Handhabungsschritte in der Preformherstellung und damit eine hohe Prozessstabilität aus.
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Mögliche Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren bestehen in der kontinuierlichen und automatisierten Fertigung von Preforms im Flugzeug- und Fahrzeugbau mit speziellen variierenden Querschnitten sowie in der Fertigung von konfektionierten Dichtungen mit konturadaptiver Fadenablage.
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Weiter stellt die Erfindung ein geflochtenes, profilartiges Preform, insbesondere Preform für den Flugzeug- oder Fahrzeugbau, zur Verfügung, welches durch das Überflechten eines Profils oder eines langgestreckten Bauteils mit einem in Förderrichtung variablen Querschnitt nach einem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Geflochtene Preforms mit verschiedensten geometrischen Formfaktoren und unterschiedlichsten Flechtkernmaterialien (Schaum, Metall, Wachs, Blasformen etc.) können beispielsweise als Strukturbauteile in der Karosserie aber auch im Fahrwerk von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden die Erfindung und der Stand der Technik anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1a und 1b jeweils in einer schematischen Draufsicht die Fadenführung und -ablage bei einer erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung und bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Hebelflechtmaschine,
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2a und 2b jeweils in einer schematischen Schnittansicht senkrecht zur Flechtebene die Fadenführung und -ablage bei der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung nach 1a und bei der aus dem Stand der Technik bekannten Hebelflechtmaschine nach 1b,
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3a und 3b Flechtvorgang in einer gedachten Hohlkugel bei einer erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung und bei einer bekannten Schnellflechtmaschine nach dem System ”Horn”.
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Anhand der Zeichnungen soll der erfindungswesentliche Fadenverlegemechanismus während des Überflechtprozesses verdeutlicht werden. Demzufolge sind die Zeichnungen in schematisierter Weise auf den erfindungswesentlichen Bereich der Fadenführung und -ablage der jeweiligen Flechtvorrichtung beschränkt. Alle erfindungsunwesentlichen Vorrichtungsteile (wie Gestell- oder sonstige Leitelemente) sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt worden.
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Der Hebelflechtmaschine nach dem Stand der Technik und der Flechtvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung gemein ist, dass zur Ausführung eines Überflechtprozesses ein Flechtkern K in einer zur Flechtebene E senkrechten Förderrichtung 3 durch die jeweilige Flechtmaschine bzw. -vorrichtung hindurch gezogen wird. Die Flechtachse A stimmt dabei mit der Achse des vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Flechtkerns K überein. Üblicherweise wird der Flechtkern K, beispielsweise mittels eines Roboterarms oder einer sonstigen Transporteinrichtung, relativ zu dem feststehenden Flechtmaschinenrumpf in Förderrichtung 3 durch die Flechtmaschine bewegt, wobei sich die Flechtfäden von den entsprechenden Spulenträgern abspulen und nach einer Umlenkung an einem (nicht dargestellten) Flechtring über entsprechende Überkreuzungen an dem Flechtpunkt P auf dem Flechtkern K abgelegt werden.
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Zudem verlaufen sowohl bei der konventionellen Hebelflechtmaschine als auch bei der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung die Spulenachsen jeweils in einer zur Flechtachse A senkrechten Ebene, um Umlenkungen der abgespulten Fäden und somit Faserschädigungen während des Überflechtprozesses zu minimieren.
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1b und 2b zeigen den Verlegemechanismus bei einer konventionellen Hebelflechtmaschine. Diese ist mit zwei Spulenträgersätzen, einem ersten Spulenträgersatz mit mehreren Spulenträgern 1 zum jeweiligen Abziehen eines Schussfadens 6 und einem zweiten Spulenträgersatz mit mehreren Spulenträgern 2 zum jeweiligen Abziehen eines Kettfadens 7 ausgerüstet.
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Damit am Ablagepunkt P des Flechtkerns K ein Geflecht 18 gebildet werden kann, erfüllen die Spulenträger 1, 2 der beiden Spulenträgersätze hinsichtlich Anordnung und Kinematik bestimmte Bedingungen.
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Die Spulenträger 1 für die Schussfäden 6 und die Spulenträger 2 für die Kettfaden 7 sind zunächst jeweils ringförmig um die zentrale Flechtachse A in zwei zueinander in Richtung der Flechtachse A versetzten Ebenen angeordnet. Vorzugsweise sind die Spulenträger 1, 2 hierzu auf einem (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten) ringförmigen Träger montiert. Sowohl die Spulenträger 1 für die Schussfäden 6 als auch die Spulenträger 2 für die Kettfaden 7 sind dabei durch entsprechende Antriebseinheiten entlang einer geschlossenen Kreisbahn um die Flechtachse A herum bewegbar.
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Während des Überflechtprozesses führen die Spulenträger 1 für die Schussfäden 6 eine Kreisbahnbewegung in einer festgelegten (gemäß 1b nach rechts, gemäß 2b in die Zeichnungsebene hinein weisenden) Drehrichtung um die Flechtachse A herum aus. Gleichzeitig führen die Spulenträger 2 für die Kettfaden 7 eine Kreisbahnbewegung in einer zu den Schussfäden 8 entgegensetzen (gemäß 1b nach links, gemäß 2b aus der Zeichnungsebene heraus weisenden) Drehrichtung um die Flechtachse A herum aus.
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Diese zueinander entgegengesetzten Kreisbahnbewegungen der Spulenträger 1, 2 für die Schuss- und Kettfaden 6, 7 sind jedoch nicht ausreichend, um eine Bindung von Schuss- und Kettfaden 6, 7 und somit die Bildung eines Geflechts 18 am Ablagepunkt P zu erreichen. Zur geflechtbildenden Bindung muss der Kettfaden 7 vielmehr zusätzlich zu der um die Flechtachse A gerichteten Kreisbahnbewegung eine im Wesentlichen parallel zur Flechtachse A des Flechtkerns K gerichtete sinusähnliche Auf- und Abbewegung zur Fachbildung beim Flechten ausführen.
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Der Kettfaden 7, der von dem um die Flechtachse A rotierenden Spulenträger 2 abgezogen wird, wird hierzu gemäß 1b und 2b durch die Öse 5 eines sogenannten Fadenhebels 4 (oder Schwingungshebels) geführt. Zur Erzeugung einer sinusähnlichen Verlegekurve für den Kettfaden 7 ist der Fadenhebel 4 über ein entsprechendes Eingriffsglied in einer feststehenden Kurvenführung 16 des ringförmig um den Flechtkern K angeordneten Trägers der Hebelflechtmaschine gelagert. Diese Kurvenführung 16 bewirkt, dass sich der Fadenhebel 4 während der Kreisbahnbewegung periodisch wiederkehrend auf und ab bewegt, wodurch der Kettfaden 7 in eine entsprechende oszillierende Bewegung versetzt wird. Diese oszillierende Bewegung ermöglicht es wiederum, dass der Kettfaden 7 am Ablagepunkt P abwechselnd unter bzw. über den Schussfaden 6 springt, und erzeugt somit die für die Geflechtbildung notwendige Bindung von Schuss- und Kettfaden 6, 7.
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Ein nicht dargestellter Fadenlängenregulierungsmechanismus sorgt dafür, dass die Schuss- und Kettfaden 6, 7 immer gespannt bleiben, was insbesondere für die Kettfaden 7 aufgrund des sich durch die Sinusbewegung des Fadenhebels 4 ständig verändernden Abstands zwischen dem Abzug vom Spulenträger 2 und dem Ablagepunkt P notwendig ist.
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Nachteilhafterweise muss bei der bekannten Hebelflechtmaschine nach 1b und 2b der Fadenhebel 4 nicht nur in der Kurvenführung 16 des ringförmigen Trägers (zwecks Erzeugung der oszillatorischen Auf- und Abbewegung für den Kettfaden 7) gelagert sein, sondern muss außerdem noch die rotatorische Bewegung des Spulenträgers 2 für den Kettfaden 7 begleiten. Aus diesem Grund ist der Fadenhebel 4 zusätzlich beweglich am Kettfadenrotor gelagert. Infolge der Überlagerung der Rotationsbewegung der Kettfaden-Spulenträger 2 mit der oszillatorischen Auf- und Abbewegung des Fadenhebels 4 ergibt sich für den Kettfaden 7 eine hochkomplexe, schwer zu beherrschende zykloidenförmige Verlegekurve.
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1a und 2a zeigen schematisch in einer Draufsicht und in einer senkrecht zur Flechtebene E verlaufenden Schnittansicht eine erfindungsgemäße Flechtvorrichtung im Bereich der Fadenzuführung und -ablage auf dem Flechtkern K. Zur Erzeugung eines gleichmäßigen, hochfesten Rundgeflechts 19 umfasst die erfindungsgemäße Flechtvorrichtung drei Spulenträgersätze.
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Der erste und zweite Spulenträgersatz sind jeweils aus mehreren Spulenträgern 8, 9 zusammengesetzt. Wie bereits in der bekannten Hebelflechtmaschine gemäß 1b und 2b der Fall, sind diese beiden Spulenträgersätze auf zwei zueinander in Richtung der Flechtachse A versetzten Ebenen angeordnet. Zudem sind sowohl die Spulenträger 8 des ersten Spulenträgersatzes als auch die Spulenträger 9 des zweiten Spulenträgersatzes jeweils auf einer kreisförmigen Bahn um die Flechtachse A herum bewegbar.
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Die Spulenträger 8, 9 des ersten und zweiten Spulenträgersatzes dienen jeweils dem Abziehen von Schussfäden 11, 12. Um die Schussfäden 11, 12 dieser beiden Spulenträgersätze in unterschiedlichen Richtungen auf den Flechtkern K abzulegen und somit die Ausbildung sich überlappender Kreuzungsstellen zwischen den Schussfäden 11, 12 zu ermöglichen, weisen die Kreisbahnbewegung der Spulenträger 8 des ersten Spulenträgersatzes und die Kreisbahnbewegung der Spulenträger 9 des zweiten Spulenträgersatzes zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen auf. Die entgegengesetzten Drehrichtungen der beiden Kreisbahnbewegungen sind anhand der Bewegungspfeile in 1a und der Symbole in 2a (Kreis mit Kreuz = in die Zeichnungsebene hinein weisende Bewegung; Kreis mit Punkt = aus der Zeichnungsebene heraus weisende Bewegung) verdeutlicht.
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Durch die entgegengesetzten Kreisbahnbewegungen des ersten und zweiten Spulenträgersatzes werden die Schussfäden 11, 12 am Flechtpunkt P in zwei übereinander liegenden Lagen mit zueinander entgegengesetzten Flechtwinkeln (= Winkel der Fäden 11, 12 zur Flechtachse A) um den Flechtkern K herum abgelegt. Somit sind zwischen den übereinander liegenden Schussfäden 11, 12 des ersten und zweiten Spulenträgersatzes jeweils Kreuzungsstellen gebildet.
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Im Gegensatz zur konventionellen Hebelflechtmaschine kommt es jedoch durch die vom ersten und zweiten Spulenträgersatz abgezogenen Fäden 11, 12 nicht zur Ausbildung von Bindungen, da die Spulenträger 8, 9 dieser beiden Spulenträgersätze reine Kreisbahnbewegungen ausführen und die Fäden 11, 12 nicht mit einer zusätzlichen oszillatorischen Bewegungskomponente in Flechtachsenrichtung beaufschlagt werden. Demzufolge liegen die Fäden 11, 12 des ersten und zweiten Spulenträgersatzes an allen Kreuzungsstellen in jeweils gleicher Reihenfolge übereinander. Eine bindungserzeugende Verkreuzung (d. h. ein abwechselndes Unter- und Überlaufen) der Fadensysteme des ersten und zweiten Spulenträgersatzes liegt aber nicht vor.
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Zur Erzeugung von Bindungen muss daher noch ein zusätzliches drittes Fadensystem, nämlich ein sich mit den beiden Schussfadensystemen verbindendes Kettfadensystem auf den Flechtkern K abgelegt werden. Erfindungsgemäß werden die Kettfäden 13 hierzu kontinuierlich von mindestens einem nicht umlaufenden, sondern ortsfest angeordneten Spulenträger 10 abgezogen. Diese stationären Spulenträger 10 für die Kettfäden 13 sind dabei bevorzugt wie die gegenläufig zueinander rotierenden Spulenträger 8, 9 für die Schussfäden 11, 12 an einem die Flechtachse A ringförmig umgebenden Träger befestigt.
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Der vom stationären Spulenträger 10 abgezogene Kettfaden 13 wird von einem (beispielweise mit einer gestellfesten Kurvenführung gekoppelten) Stellelement 14 jeweils in eine nichtlineare oszillatorische Auf- und Abbewegung versetzt. Durch diese oszillatorische Auf- und Abbewegung, die eine vorwiegend in und entgegengesetzt zur Förderrichtung 3 weisende Bewegungskomponente besitzt, wird der Kettfaden 13 jeweils abwechselnd unterhalb und oberhalb der am Ablagepunkt P zwischen den Schussfäden 11, 12 gebildeten Kreuzungsstellen verlegt. Daraus resultiert ein triaxiales Geflecht 19 mit zwei Schuss- und einem Kettfadensystem.
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Wie aus der Draufsicht nach 1a ersichtlich, sind zwischen den in entgegengesetzten Richtungen um die Flechtachse A rotierenden Spulenträgern 8, 9 des ersten und zweiten Spulenträgersatzes Fächer 15 zum Eintrag der Kettfäden 13 vorgesehen, wobei sich die Fächer 15 jeweils parallel zur Flechtachse A unterhalb und oberhalb der Flechtebene E erstrecken. Bei der gegenläufigen Rotation der beiden Schussfaden-Spulenträgersätze um die Flechtachse A erreicht der ortsfest angeordnete Spulenträger 10 für den Kettfaden 13 jeweils nacheinander die verschiedenen Fächer 15 zwischen den Schussfaden-Spulenträgern 8, 9. Der Eintrag des Kettfadens 13 in die Fächer 15 zwischen den Schussfaden-Spulenträgern 8, 9 erfolgt dabei derart, dass von Fach 15 zu Fach 15 eine unterschiedlich gerichtete Bewegung parallel zur Flechtachse A ausgeführt wird. Erreicht der Kettfaden 13 ein Fach 15, so springt der Kettfaden 13 gemäß 1a unter Einwirkung des Stellelements 14 zum Beispiel von einer (in Flechtachsenrichtung gesehen) unterhalb der Flechtebene E befindlichen Ebene auf eine (in Flechtachsenrichtung gesehen) oberhalb der Flechtebene E befindliche Ebene. Erreicht der Kettfaden 13 das nächste Fach 15, so springt der Kettfaden 13 wieder zurück von der Ebene oberhalb der Flechtebene E auf die Ebene unterhalb der Flechtebene E. Beim nächsten Fach 15 kehrt sich diese Bewegung wieder um, sodass von Fach 15 zu Fach 15 ein alternierendes Hin- und Herspringen des Kettfadens 13 stattfindet.
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Durch das vorbeschriebene vom Stellelement 14 erzeugte Hin- und Herspringen des Kettfadens 13 in den Fächern 15, kommt der Kettfaden 13 abwechselnd unter- und oberhalb der sich in der Flechtebene E befindenden Kreuzungsstellen zwischen den beiden Schussfäden 11, 12 zum Liegen. Durch eine Steuerung des oszillatorischen Bewegungsverlaufs des Kettfaden-Stellelements 14 kann auf die erzeugte Bindungsstruktur Einfluss genommen werden. Insbesondere kann je nachdem, ob gemäß 1a ein Springen des Kettfadens 13 zwischen den Ebenen unter- und oberhalb der Flechtebene E in jedem Fach 15, jedem zweiten Fach 15, jedem dritten Fach 15 usw. erfolgt, die Anzahl der Bindungen zwischen den Schuss- und Kettfadensystemen variiert werden. So kann gezielt eine gewünschte Bindungsstruktur (zum Beispiel eine Bindung 1 über 1, 2 über 1 oder 3 über 1) eingestellt werden.
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Im Gegensatz zu bekannten mit sogenannten ”Stehfäden” durchzogenen triaxialen Geflechten nehmen im erfindungsgemäß erzeugten Geflecht 19 alle drei Fadensysteme an der Bindung und somit aktiv am Geflecht 19 teil. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges und hochfestes triaxiales Rundgeflecht 19 erzeugt.
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Zudem kann aufgrund der Trennung von rotatorischer Bewegung der Schussfaden-Spulenträger 8, 9 und oszillatorischer Auf- und Abbewegung der Stellelemente 14, die Durchsatzleistung der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung gegenüber konventionellen Rundflechtmaschinen gesteigert werden. Insbesondere können aufgrund der reinen Kreisbahnbewegung die Schussfäden 11, 12 von den jeweiligen Spulenträgern 8, 9 quasi abgewickelt werden, was vorteilhafterweise mit einer hohen Abzugsgeschwindigkeit erfolgen kann.
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Zudem ist im erfindungsgemäß hergestellten Rundgeflecht 19 im Vergleich zu bekannten Rundgeflechten 18 nur eine minimale Ondulation vorhanden, da nur eines der drei beteiligten Fadensysteme, nämlich das vom Stellelement 14 bewegte Kettfadensystem eine Ondulation aufweist, während die beiden übrigen Schussfadensysteme gestreckt in das Geflecht 19 einlaufen und somit quasi keine Ondulation besitzen. Die Vorteile dieser geringen Ondulation liegen in einer höheren Schadenstoleranz im Vergleich zu stark ondulierten Geflecht-architekturen.
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Da die Kettfäden 13 in der erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung jeweils von einem ortsfest angeordneten Spulenträger 10 abgezogen werden, lässt sich zudem der Bewegungsablauf des zugeordneten Stellelements 14 einfacher berechnen und ggf. simulieren, als es bei der konventionellen Hebelflechtmaschine der Fall ist, wo die Kettfadenverlegekurve eine rotatorische Bewegungskomponente (bedingt durch die Kreisbahnbewegung der Kettfaden-Spulenträger 2) und eine oszillatorische Bewegungskomponente (bedingt durch die Auf- und Abbewegung des Fadenhebels 4) aufweist. Zudem wirken erfindungsgemäß auf den Kettfaden 13 aufgrund der fehlenden rotatorischen Bewegungskomponente geringere Belastungen ein, sodass Faserschädigungen und Qualitätseinbußen vorgebeugt werden kann.
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3a und 3b zeigen den Flechtvorgang in einer gedachten Hohlkugel 1 bei einer erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung (3a) und bei einer Schnellflechtmaschine nach dem System ”Horn” (3b). Der Mittelpunkt der Kugel 1 ist jeweils der Flechtpunkt P. Spulenträger (Fadenspeicher) kreisen jeweils auf einem Breitengrad auf der Kugeloberfläche um den Flechtpunkt P. Jeder Faden hat somit vom Spulenträger bis zum Flechtpunkt P die gleiche Länge (Kugelradius), wodurch sich ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Fadenablauf einstellt.
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Beim Flechtvorgang in einer konventionellen Schnellflechtmaschine des Systems ”Horn” gemäß 3b laufen die Schussfäden 6 in entgegengesetzter Richtung der Kettfäden 7 um den Flechtring 17 (bzw. das Flechtauge) herum. Die Schussfäden 5 bewegen sich auf einem festen Breitegrad, während die Kettfäden 6 abwechselnd von einem höher gelegenen zu einem tiefer gelegenen und von einem tiefer gelegenen wieder zurück zu einem höher gelegenen Breitengrad um den Schussfaden-Breitengrad auf- und abschwingen, sodass eine Bindung der Fäden 6, 7 gebildet wird, um das Geflecht 18 entstehen zu lassen.
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Beim Flechtvorgang in einer erfindungsgemäßen Flechtvorrichtung gemäß 3a laufen die beiden Schussfäden 11, 12 in entgegengesetzten Richtungen jeweils auf einem festen Breitengraden um den Flechtring 17 herum. Der Kettfaden 13 führt hingegen lediglich eine translatorische Auf- und Abbewegung von einem Breitengrad unterhalb der bei Schussfäden-Breitengrade zu einem Breitengrad oberhalb der beiden Schussfäden-Breitengrade und umgekehrt aus, um die für die Geflechtbildung notwendige Bindung der Schuss- und Kettfäden 11, 12, 13 zu erzeugen. Durch die Trennung von rotatorischer Bewegung der beiden Schussfäden 11, 12 einerseits und translatorischer Auf- und Abbewegung des Kettfadens 13 andererseits entfällt vorteilhafterweise eine komplexe, schwer zu handhabende Kettfadenverlegekurve, wie sie sich in der konventionellen Flechtmaschine gemäß 3b infolge der Überlagerung der rotatorischen Bewegung mit der translatorischen Auf- und Abbewegung einstellt.
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Im Ergebnis werden somit durch die erfindungsgemäße Flechtvorrichtung sowohl in wirtschaftlicher Hinsicht dank höchster Produktivität, als auch in qualitativer Hinsicht dank genau einstellbarer und schonender Kettfadenführung im Vergleich zu konventionellen Rotationsflechtmaschinen deutliche Vorteile erzielt.