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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung mit einem Führungsauge (Schleppfadenauge) zur Führung von Fäden, Fadenbündeln, Fasern oder Streifen für Wickelprozesse bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile wie bspw. Tanks, zylindrische Körper, Rohre etc. werden häufig hergestellt, indem eine Faserverstärkung auf einen Kern aufgewickelt wird und diese Faserverstärkung vorher oder anschließend mit einem Matrixmaterial getränkt wird, das anschließend ausgehärtet wird. Als Faserverstärkung kommen häufig Glasfasern, Kohlefasern, aber auch metallische oder mineralische Fasern oder Kunststoffasern zum Einsatz.
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Diese Faserverstärkung wird als Roving bezeichnet. Unter Roving werden im Folgenden sowohl Einzelfasern als auch eine Reihe paralleler Fasern oder ein Band verstanden, bei dem die parallelen Fasern untereinander fixiert sind, bspw., indem das Band geflochten, vernäht oder als sonstiges Textil ausgeführt ist oder indem die Fasern auf einem Trägermaterial aufgeklebt oder die Fasern untereinander verklebt oder auf sonstige Weise in ihrer Lage untereinander fixiert sind. Der Roving wird entweder unmittelbar vor dem Aufbringen auf den Kern hergestellt oder von einer oder Vorratsvorrichtung abgewickelt und dem Aufbringen auf den Kern zugeführt. Bevorzugt werden die Rovings zugekauft und als Halbzeug der Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Die Rovings können einzeln oder zu mehreren gleichzeitig oder aufeinanderfolgend auf den Kern aufgewickelt oder geflochten werden.
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Beim Zuführen der Rovings werden diese im Stand der Technik durch eine Öse oder ein Führungsauge geführt und bilden einen Strang, der auf den Kern geführt wird, welcher dabei rotiert und eine in Richtung der Rotationsachse fortschreitende Bewegung ausführt. Andere bekannte Vorrichtungen sehen vor, dass das Führungsauge gegenüber dem rotierenden Kern eine fortschreitende Bewegung ausführt. Auch das Herumführen des Führungsauges um einen nicht rotierenden Kern ist bekannt.
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Als problematisch hat sich insbesondere das Bewickeln eines Kernes erwiesen, der nicht ausschließlich zylindrisch ist, sondern der eine Oberflächentopologie aufweist, die einen starken radialen Anstieg der Faserführung beim Bewickeln erfordert.
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Starre Führungsaugen haben hier das Problem, dass der Roving unter Umständen unterschiedlich starken Kräften an seinen beiden Kanten ausgesetzt ist. Dies kann zu unerwünschter Faltenbildung oder gar einem Umschlagen oder Verrutschen des Rovings im Führungsauge führen.
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Die
US 4,511,423 beschreibt eine Konstruktion, in der ein beweglich angeordnetes Führungsauge (delivery ring 13) eingesetzt wird. Das Führungsauge liegt in einer Ebene, die zu den beiden Rotationsachsen des Kerns parallel ist. Darüber hinaus ist das Führungsauge in diese Ebene verschiebbar ausgeführt. Es wird als besonders vorteilhaft bezeichnet, dass eine Rotation des Führungsauges vermieden werden kann. Die Bewegung des Führungsauges wird mittels eines Arms durchgeführt, der elektronisch gesteuert wird. Dies führt zu einer aufwendigen Konstruktion, die dennoch nicht auf die unmittelbaren Kraftverhältnisse am Führungsauge reagieren und ein Verrutschen des Rovings vermeiden kann.
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Die
US 3,146,962 schlägt ein kreisförmiges Führungsauge vor, dass in Richtung, der Rotationsachse des Kerns und parallel zu dieser bewegt werden kann. Darüber hinaus weist die Konstruktion eine Parallelogramm-Hebelkonstruktion auf, die gewährleisten soll, dass an den Enden des Kerns, wo eine komplizierte Richtungsänderung notwendig ist, der Austrittspunkt des Rovings aus dem Führungsauge, stets dem Auflagepunkt auf dem Kern vorauseilt. Eine derartige Konstruktion ist immer von der gerade bewickelten Kernform abhängig und muss für jede neue Kernform entsprechend angepasst werden.
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Die
US 3,367,586 beschreibt eine Wickelvorrichtung, bei der ein Roving durch ein Führungsauge auf einen rotierenden Kern geführt wird. Um bestimmte Fadenbahnen auf dem Kern zu erreichen, ist das Führungsauge beweglich ausgeführt. Es kann eine Bewegung senkrecht zur Rotationsachse des Kerns ausführen. Nicht beseitigt wird dabei die Gefahr des Verrutschens des Rovings an den Enden des Kerns.
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Gegenstand der
US 5,301,885 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Helikopterteilen mit unidirektionaler Faserverstärkung. Ein bewegliches Führungsauge führt Rovings um Stifte an den Enden der Helikopterteile herum, so dass 8-förmige Fadenführungen entstehen. Diese Spezialanwendung ist zur Herstellung von unidirektional verstärkten Bauteilen geeignet, jedoch nicht, um Bauteile mit zylindrischer Grundform und einer Verstärkung, die wesentlich in Umfangsrichtung orientiert ist, herzustellen.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Führungsauge für das Wickeln von Rovings auf Kerne vorzuschlagen, dass auch bei einem wechselnden Anstieg der Fadenablage auf dem Kern (bspw. an den Enden des Kerns) eine gleichmäßige Ablage gewährleistet und insbesondere das Umschlagen, Zusammenschieben oder Verrutschen des Rovings verhindert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Führungsanordnung auf, die mindestens aus einem Führungsauge und optional einem Halteabschnitt besteht. Weiterhin optional ist einen Gegengewicht vorgesehen.
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Das Führungsauge liegt in einer vorzugsweise senkrechten Ebene, die parallel zur Rotationsachse des zu bewickelnden Kernes ausgerichtet ist. Die Abweichung der Ebene in der das Führungsauge liegt von der Senkrechten, ist in jede Richtung bevorzugt kleiner als 30°, besonders bevorzugt kleiner als 15° und ganz besonders bevorzugt kleiner als 5°, so das die Ebene somit im wesentlichen senkrecht verläuft. Im Arbeitsprozess erfolgt eine Relativbewegung zwischen Kern und Führungsauge, bei dem das Führungsauge dem Auflagepunkt des Rovings auf dem Kern vorauseilt und, abhängig von der Stärke des Vorauseilens, den Ablagewinkel auf dem Kern vorgibt. Der Roving wird dabei unter mechanischer Spannung von einem vorgeschalteten Herstellungsprozess oder einem Vorratsträger zum Kern geführt und dabei vom Führungsauge umgelenkt.
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Die erfindungsgemäße Führungsanordnung ist beweglich ausgeführt. Es kann eine Bewegung des Führungsauges auf einem Kreisbahnabschnitt in der genannten senkrechten (unter Berücksichtigung der genannten Abweichungen) Ebene ausführt werden. Dazu ist das Führungsauge bevorzugt an einem Halteabschnitt angeordnet, der vom Rotationsmittelpunkt des Kreisbahnabschnittes zum Führungsauge führt. Die Rotationsachse, die durch den Rotationsmittelpunkt führt, ist bevorzugt senkrecht zur Rotationsachse des zu bewickelnden Kernes ausgerichtet (ohne diese zwangsläufig zu schneiden). Darüber hinaus steht die Rotationsachse senkrecht auf der Ebene, in der das Führungsauge beweglich ist (Abweichung von dieser Senkrechten bevorzugt kleiner als 15°, besonders bevorzugt kleiner als 5° und ganz besonders bevorzugt kleiner als 3°). Der Halteabschnitt ist im Rotationsmittelpunkt drehbar gelagert. Am Halteabschnitt und/oder direkt am Führungsauge greift eine rücktreibende Kraft an, die dafür sorgt, dass, wenn das Führungsauge aus einer Mittellage abgelenkt wird, dieses bestrebt ist, sich in die Mittellage zurück zu bewegen. Bevorzugt ist der Rotationsmittelpunkt an einer Trägerplatte angeordnet, die somit die Führungsanordnung im Rotationsmittelpunkt aufnimmt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läuft das Führungsauge in einer Führung (bspw. einem Schienensysten, dass das Führungsauge auf seiner Kreisbahn führt und dazu das Führungsauge oberhalb und unterhalb hält).
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Das Führungsauge weist eine annähernd ovale oder ellipsenförmige Form auf. Der Halteabschnitt liegt dann in Verlängerung der kleinen Halbachse der Ellipse in Richtung Rotationsmittelpunkt. Von besonderer Bedeutung ist der vom Rotationsmittelpunkt weiter entfernte Abschnitt des Führungsauges. Durch das Führungsauge und auf diesem weiter entfernten Abschnitt gleitet der Roving (Gleitabschnitt des Führungsauges), wird umgelenkt und zum Kern geführt. Der Krümmungsradius dieses Gleitabschnittes erreicht höchstens im virtuellen Schnittpunkt des weiter entfernten Abschnitts mit der gedachten Verlängerung des Halteabschnittes einen Krümmungsradius, der dem Radius des Kreisbahnabschnittes entspricht, ist ansonsten jedoch stets kleiner als dieser. Dies bewirkt, dass der Roving, der ständig unter mechanischer Spannung steht, im Führungsauge in diesem virtuellen Schnittpunkt, also mittig, läuft und beim Verlassen dieser mittigen Lage eine auslenkende Kraft auf das Führungsauge ausübt. Der dem Gleitabschnitt gegenüber liegende Bereich des Führungsauges kann von der oben beschriebenen ovalen oder ellipsenförmigen Form abweichen. Er kann gerade oder sogar ins Innere des Führungsauges gekrümmt sein. Wichtig ist, dass dieser Abschnitt die Bewegung des Rovings nicht beeinträchtigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Führungsauge außerhalb des Gleitabschnittes eine Schlitzung auf, durch die der Roving in das Führungsauge eingelegt werden kann, ohne die Faserführung unterbrechen zu müssen.
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Wenn sich der Querschnitt des zu bewickelnden Kernes verändert, verändert sich auch die Fadenspannung der Einzelfäden des Rovings. Insbesondere werden die Fäden an einer Kante des Rovings stärker gespannt, als an der anderen. Die kann zu ungleichmäßiger Ablage des Rovings, zum Verrutschen oder sogar Umschlagen des Rovings in einem Führungsauge nach dem Stand der Technik führen. Die erfindungsgemäße Führungsanordnung erfährt jedoch durch die zunehmende Fadenspannung im Führungsauge an einer Kante des Rovings eine Kraftwirkung, durch die sie aus ihrer Mittellage abgelenkt wird. Das Führungsauge bewegt sich auf dem Kreisbahnabschnitt, bis der Kraftunterschied (Unterschied in der Fadenspannung an den Rovingkanten) bis auf das Maß der rücktreibenden Kraft, die auf das Führungsauge wirkt, reduziert ist. Auf diese Weise wird der Unterschied in der Fadenspannung über die Breite des Rovings gesehen reduziert. Dies führt vorteilhaft dazu, dass der Roving nicht zum Umschlagen oder Zusammenrutschen neigt. Mit der erfindungsgemäßen Führungsanordnung können daher breitere Rovings verarbeitet werden. Weiterhin ist die Fadenspannung auf dem Kern über die gesamte Breite des Rovings ähnlich, so dass die Gefahr eines Verrutschens auf dem Kern geringer ist.
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Die rücktreibende Kraft, die bevorzugt am Halteabschnitt angreift, wird in einer ersten einfachen Ausführungsform dadurch erzeugt, dass der Halteabschnitt über den Rotationsmittelpunkt hinaus verlängert ist und dort ein Gegengewicht trägt. Der Halteabschnitt ist dabei in Mittellage vertikal ausgerichtet. Aufgrund des Gegengewichtes versucht die Führungsanordnung sich stets senkrecht, mit dem Führungsauge oberhalb oder unterhalb (je nachdem, ob das Gewicht des Gegengewichtes größer oder kleiner als das des Führungsauges ist) des Rotationsmittelpunktes auszurichten. Wenn das Führungsauge unterhalb des Rotationsmittelpunktes angeordnet ist, kann in einer ganz besonders einfachen Ausführungsform sogar auf das Gegengewicht verzichtet werden, da dann das Führungsauge aufgrund seines Gewichtes selbst danach strebt, sich unterhalb des Rotationsmittelpunktes in Mittellage zu begeben.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, am Halteabschnitt oder aber direkt am Führungsauge Federn angreifen zu lassen, die die Führungsanordnung bei Auslenkung zurück in die Mittelposition bewegen.
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Darüber hinaus sind weitere technische Lösungen zur Ausübung der rücktreibenden Kraft denkbar. Beispielhaft seien hier genannt:
- – der Einsatz einer Torsionsfeder im Rotationsmittelpunkt,
- – die Verwendung einer Gasdruckvorrichtung, etc.
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Bevorzugt verfügt die Vorrichtung über die Möglichkeit, die Position des Führungsauges zu fixieren. Dies erfolgt bevorzugt durch mindestens zwei Schrauben, die links und rechts des Haltabschnittes oder des Führungsauges eingeschraubt sind und als Anschlag dienend so die Bewegung verhindern. Weitere Möglichkeiten sehen bspw. eine Schraube vor, die durch den Haltabschnitt hindurch auf der Trägerplatte der Führungsanordnung eingreift und eine Bewegung unmöglich macht.
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Bevorzugt ist die Trägerplatte höhenverstellbar ausgeführt, so dass die Führungsanordnung an unterschiedliche Kerndurchmesser angepasst werden kann. Dies kann vorzugsweise mittels einer Höhenverstellung erfolgen, die dazu dient, vor dem Wickelprozess das Führungsauge in der benötigten Höhe zu fixieren. Diese Höhenverstellbarkeit kann in einer einfachen Ausführungsform durch Feststellschrauben in Montageplatten, die beidseitig der Trägerplatte angeordnet sind und in denen die Trägerplatte in ihrer Höheneinstellung fixiert werden kann. Möglich ist jedoch ebenfalls eine maschinell gesteuerte bzw. automatische Höhenverstellung. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann die Höhenverstellung während des Wickelprozesses maschinell an den sich ändernden Kerndurchmesser angepasst werden, so dass die Rotationsmöglichkeit des Führungsauges dem Ausgleich kleinerer Höhenvariationen des Kernes dient.
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Figuren
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsanordnung in schematischer Darstellung. 1 zeigt die Frontansicht. Das Führungsauge (1) weist annähernd die Form einer eingedrückten Ellipse auf. Der vom Rotationsmittelpunkt weiter entfernte Abschnitt (11) des Führungsauges weist den elliptisch geformten Gleitabschnitt (12) auf. Dem Gleitabschnitt liegt der gerade (eingedrückte Ellipsenseite) Bereich (13) gegenüber. Das Flechtauge (1) ist auf dem Halteabschnitt (2) angeordnet, der sich senkrecht nach unten zum Rotationsmittelpunkt (3) und durch diesen hindurch erstreckt. Der Halteabschnitt (2) endet im Gegengewicht (4), dass schwerer als das Führungsauge (1) ausgeführt ist (wobei angenommen wird, dass sich die Halteabschnitte oberhalb und unterhalb des Rotationsmittelpunktes (3) gewichtsmäßig aufheben – wenn nicht wäre die zusätzliche Kraft zu berücksichtigen) und das Führungsauge oberhalb des Rotationsmittelpunktes (3) hält. Der Rotationsmittelpunkt (3) findet sein Gegenstück in der Trägerplatte (5). Diese Trägerplatte ist an den beiden Montageplatten (6) mittels der Halteschrauben (61) befestigt. Die Trägerplatte (5) weist darüber hinaus links und rechts des Halteabschnitts (2) zwei Schraubenlöcher (51) auf, mittels derer, bei eingedrehten Schrauben, der Halteabschnitt (2) durch die Köpfe dieser Schrauben an einer Drehung um den Rotationsmittelpunkt (3) gehindert wird.
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In der 2 ist die Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 dargestellt. Hier ist besonders gut die Höhenverstellbarkeit erkennbar. Nach dem Lösen der Feststellschrauben (62) (an beiden Montageplatten (6)), können die Montageplatten (6) in der Höhe verstellt werden, indem die Schrauben in den Langlöchern (63) gleiten. Beim Erreichen der beabsichtigten Höhe werden die Schauben (62) wieder fixiert.
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3 zeigt die gesamte Vorrichtung in perspektivischer Ansicht zur Verdeutlichung des Aufbaus und des Funktionsprinzips.
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Ausführungsbeispiel
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Die Vorrichtung besitzt eine Breite von 100 mm und ist in der Höhe gegenüber der Wickelmaschine um 100 mm verstellbar. Die Vorrichtung besteht aus zwei Baugruppen, die erste Baugruppe dient der Montage und Positionierung an der Wickelmaschine und stellt auch das Lager für die zweite Baugruppe dar. Bei der zweiten Baugruppe handelt es sich um die eigentliche Führungsanordnung. Diese ist frei drehbar auf der Achse des Rotationsmittelpunktes (3) befestigt, welche in der Trägerplatte (5) gelagert ist. Die Trägerplatte (5) der Führungsanordnung ist aus nichtrostendem Edelstahl gefertigt. Die Führungsanordnung besteht aus nichtrostendem Chromedelstahl und besitzt ein Gegengewicht mit einer Masse von 120 g.
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Die Trägerplatte (5) besitzt zwei M6 Gewindebohrungen (51) mit einem Abstand von 36 mm zueinander. Um die Rotation der Führungsanordnung zu reduzieren (±23,5°) werden in die Gewindebohrungen (51) Innensechskantschrauben eingeschraubt, welche als Anschlag dienen. Die Führungsanordnung besitzt eine Länge von 118 mm und Dicke von 8 mm. Die Führungsanordnung gliedert sich in drei Funktionsbereiche. Der erste Funktionsbereich ist das Führungsauge (1) an welches sich der zweite Bereich (Halteabschnitt (2)) anschließt, der den Rotationsmittelpunkt (3) aufweist. Durch die Position des Rotationsmittelpunktes (3) werden Hebelarme von Führungsauge (1) und Gegengewicht (4) definiert. Der Halteabschnitt (2) hat eine Breite von 15 mm und bestimmt damit den Auslenkungswinkel des Führungsanordnung bei montierten Innensechskantschrauben. Der dritte Bereich ist das Gegengewicht (4).
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Das Führungsauge (1) hat eine Öffnungsbreite von 50 mm und eine Öffnungshöhe von 15,5 mm. Die obere Kante (Gleitabschnitt (12)) besitzt eine gekrümmte Kontur mit einem Radius von 50 mm, zu den Randbereichen verändert sich der Radius der Kontur von 50 mm auf 10 mm dann auf 28,35 mm und geht in einen 5 mm Radius über, der die untere mit der oberen Kontur verbindet. Der Gleitabschnitt (12) und bei dieser Ausführungsform auch die restliche Kontur wird beidseitig mit einem 4 mm Radius verrundet.
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Die Lagerung der Führungsanordnung wird durch ein Kugellager, das in der Trägerplatte (5) verspannt ist, und eine mit der Führungsanordnung verschraubten Achse realisiert.
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Ein Verfahren zur Fertigung einer Antriebswelle unter Einsatz des erfindungsgemäßen Führungsanordnung sieht die folgenden Schritte vor:
- 1. Montage der Vorrichtung mit Montage- und Positionierungsteil und Führungungsanordnung an der Wickelmaschine
- 2. Einspannen des Wickelkerns in die Wickelmaschine
- 3. Ausrichten des Führungsauges (1) bezüglich der Höhe zur Mittelachse des Wickelkerns
- 4. Spulenbaum mit Rovingspule bestücken (Roving: 5 mm breit, 24000 Filamente, ohne Verdrehung, Kohlenstofffaser)
- 5. Roving von der Spule abziehen und durch die Fadenführungselemente bis zum Führungsauge (1) führen
- 6. Roving durch das Führungsauge (1) führen und an den Wickelkern befestigen.
- 7. CNC Programmierung der Wickelmaschine starten und Wicklung beginnen
- 8. 45° Wicklung mit frei pendelnder Führungsanordnung
- 9. 88° Wicklung mit eingeschränkt pendelnder Führungsanordnung
- 10. CNC Programm beendet → befestigen des Rovings an dem Vorformling
- 11. Roving nahe des Vorformling abschneiden
- 12. Wickelkern mit Vorformling ausspannen
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungsauge
- 11
- der vom Rotationsmittelpunkt weiter entfernte Abschnitt des Führungsauges
- 12
- Gleitabschnitt
- 13
- der dem Gleitabschnitt gegenüber liegende Bereich des Führungsauges
- 2
- Halteabschnitt
- 3
- Rotationsmittelpunkt
- 4
- Gegengewicht
- 5
- Trägerplatte
- 51
- Schraubenlöcher zum Fixieren der Trägerplatte
- 6
- Montageplatten
- 61
- Halteschrauben der Trägerplatte an den Montageplatten
- 62
- Feststellschrauben
- 63
- Langlöcher für die Höhenverstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4511423 [0007]
- US 3146962 [0008]
- US 3367586 [0009]
- US 5301885 [0010]