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Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Verbundbauteils.
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Verbundbauteile, insbesondere Faserverbundbauteile gewinnen in jüngerer Zeit insbesondere für Verkehrsmittel, wie Flugzeuge und Automobile, zunehmend an Bedeutung, da die Verkehrsmittel mit Hilfe solcher Faserverbundbauteile mit geringerem Gewicht hergestellt werden können. Als Fasern werden in zunehmendem Maße Kohlenstofffäden beziehungsweise -fasern eingesetzt.
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Ein Problem, das sich insbesondere bei der Großserienfertigung solcher Faserverbundbauteile stellt, liegt in den hohen erforderlichen Taktzeiten zur Herstellung der Bauteile sowie in erheblichen Materialverlusten bei dem Zuschnitt der Faserverbundbauteile aus den jeweiligen Halbzeugen.
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In der
DE 10 2008 040 282 A1 , von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist eine Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Verbundbauteils bekannt, bei der ein Führungselement, das quer zu einer Bewegungsrichtung der Fäden beabstandete Durchlässe für die Fäden aufweist, um eine senkrecht zu einer Ebene, in der sich die Fäden bewegen, gerichtete Achse schwenkbar ist. Bei einer Verschwenkung des Führungselements ändert sich der Abstand zwischen den Durchlässen und damit die Dichte, mit der die Fäden auf einer Unterlage abgelegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Führungsvorrichtung zum Führen einer Mehrzahl von Fäden zur Herstellung eines Verbundbauteils zu schaffen, die bei einfachem Aufbau ein hohes Maß an Flexibilität der Einstellung des Abstandes zwischen den Durchlässen ermöglicht, so dass die jeweilige Fadendichte flexibel an die Anforderungen des Verbundbauteils angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Führungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Das Führungselement ist durch eine einfache Schraubenfeder gebildet, zwischen deren Windungen hindurch die Fäden laufen. Die axiale Weite der Zwischenräume zwischen den Windungen bzw. die Ganghöhe der Schraubenfeder insgesamt oder bereichsweise kann mittels einer Verstelleinrichtung verstellt werden.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Figuren stellen dar:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils,
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2 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung, gesehen in Richtung II-II der 1,
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3 eine Aufsicht auf einen Teil der Vorrichtung gemäß 2,
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4 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 2 und
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5 bis 11 Beispiele von mit der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung ermöglichten Faseranordnungen.
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Gemäß 1 weist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils eine Fadenvorratsstation 10, eine Fadenführungsstation 12, eine Trägermaterialvorratsstation 14, eine Fügestation 16, eine Schneidestation 18 und ein Formstation 20 auf.
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In der Fadenvorratsstation ist eine Vielzahl von Fäden auf Vorratsrollen gelagert. Die verschiedenen Fäden können unterschiedliche Stärke oder mechanische Eigenschaften haben und aus unterschiedlichen Materialen bestehen. In der vorliegenden Anmeldung wird zwischen dem Begriff Faser und dem Begriff Faden nicht streng unterschieden. Normalerweise enthält ein Faden mehrere Fasern. Bei synthetischen Fäden, beispielsweise Glasfasern oder Kohlefasern, ist dies jedoch nicht zwingend, da die einzelne Faser als ein Faden extrudiert sein kann.
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In der Trägermaterialvorratsstation 14 ist ein Trägermaterial, beispielsweise eine Folie, ein Vlies oder ein Textil auf einer Vorratsrolle gelagert.
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Die Fügestation 16 enthält zwei in gegenseitiger Anlage befindliche Fügewalzen 22, die für eine Drehung in entgegengesetzten Richtungen drehangetrieben sind. Weiter enthält die Fügestation 16 eine Heizvorrichtung 24.
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Im Folgenden wird ein beispielhafter Aufbau der Fadenführungsstation 12 erläutert:
Gemäß 2, die eine Ansicht der Fadenführungsstation 12 in Richtung der Pfeile II-II in 1 zeigt, erstreckt sich quer zur Bewegungsrichtung von der Fadenvorratsstation 10 abgewickelten Fäden 26 eine Schraubenfeder 28, zwischen deren Windungen 29 sich die Fäden 26 hindurch bewegen, so dass die Zwischenräume zwischen den Windungen 29 Durchlässe für die Fäden 26 bilden.
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Die Fäden 26 sind in 2 mit großem Durchmesser dargestellt, der bei kleinen Windungsabständen der Schraubenfeder verformt wird. Üblicherweise weisen die Fäden einen kleineren Durchmesser derart auf, dass er beim Durchtritt durch die Schraubenfeder nicht oder nur gering verformt wird.
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Die Schraubenfeder 28 ist an einer Halteeinrichtung aufgehängt, die durch ein Spannseil 30 gebildet ist, das zwischen ortsfesten Konsolen 32 eingespannt ist. Das Spannseil 30 erstreckt sich durch die Schraubenfeder 28 längs deren gesamter axialen Länge hindurch. Die Schraubenfeder ist an ihren axialen Enden an jeweils einer Halterung 34 beziehungsweise 36 befestigt. Die Halterungen 34 und 36 sind auf Schlitten 38, 40 angebracht, von denen wenigstens einer in axialer Richtung der Schraubenfeder 28 bewegbar ist. In ihrem unteren Bereich wird die Schraubenfeder axial von einer Fadenauflagestange 41 durchragt.
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Wie aus 3 ersichtlich, die eine Aufsicht auf Teile der Führungsvorrichtung gemäß 2 darstellt, ist neben den Schlitten 38 und 40 ein weiterer Schlitten 42 axial beweglich geführt. Der Schlitten 42 weist ein Innengewinde auf, das mit einem Außengewinde einer Gewindestange 44 kämmt, die in ortsfesten Lagerböcken 46 drehbar gelagert ist und mittels eines Elektromotors 48 drehantreibbar ist. Von dem Schlitten 42 ragt ein Finger 50 in die Schraubenfeder 28 ein, so dass der Finger 50 bei einer Bewegung in axialer Richtung in Anlage an eine Windung 29 der Schraubenfeder 28 kommt. Durch Verstellen des Abstandes zwischen den Halterungen 34 und 36 ändert sich die Ganghöhe der Schraubenfeder 28, d. h. der Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen 29, in gleichmäßiger Weise, das heißt der Abstand zwischen den Fäden 26, der der Ganghöhe der Schraubenfeder 28 entspricht, ändert sich über die gesamte Länge der Schraubenfeder 28 gleichmäßig. Mittels der axialen Stellung des Schlittens 42 kann die Ganghöhe der Schraubenfeder inhomogen verändert werden, das heißt, wenn im Beispiel der 2 und 3 der Schlitten 42 derart nach rechts bewegt wird, dass der rechts des Fingers 50 angeordnete Teilbereich der Schraubenfeder 28 gestaucht wird und der links des Fingers befindliche Teil der Schraubenfeder 28 gedehnt wird, ist die Ganghöhe der Schraubenfeder 28 linksseitig des Fingers 50 größer als rechtsseitig des Fingers 50, wodurch sich die Abstände zwischen den Fäden 26 entsprechend ändern.
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Je nach Anwendung und Bedarf können mehrere unabhängig voneinander bewegliche Schlitten 42 vorgesehen sein, die mit zugehörigen Fingern 50 an axial voneinander benachbarten Stellen in die Schraubenfeder 28 eingreifen. Die jeweiligen Finger 50 können eine jeweilige Windung 29 der Schraubenfeder 28 auch unmittelbar umgreifen, so dass diese Windung jeder Bewegung des Fingers 50 unmittelbar folgt.
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Die Funktion der bisher beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Zwischen einem Walzenpaar 62 (1) hindurch werden aus der Fadenvorratsstation 10 nebeneinander angeordnete Fäden 26 mittels der Fügewalzen 22 der Fügestation 16 abgezogen und durch die Fadenführungsstation 12 hindurch bewegt. In der Fügestation 16 werden die Fäden 26 mit von der Trägermaterialvorratsstation 14 abgezogenem Trägermaterial 64 zusammengefügt, wobei die den Fäden 26 zugewandte Seite des Trägermaterials 64 beispielsweise mit einem thermoplastischen Harz beschichtet ist. In der Heizvorrichtung 24 wird der Verbund aus Trägermaterial 64 und auf das Trägermaterial 64 aufgebrachten Fasern 26 erhitzt, so dass ein stabiler und nach Abkühlen teilweise ausgehärteter Verbund entsteht, der von einem Transportwalzenpaar 66 weiter transportiert wird und die Schneidstation 18 durchläuft, in der ggfs. für die herzustellenden Faserverbundbauteile nicht benötigte Randbereiche abgeschnitten werden. Die flachen Faserverbundbauteilzuschnitte werden von einem weiteren Transportwalzenpaar 68 in die Formstation 20 weiter transportiert, in der sie zu dreidimensionalen Faserverbundbauteilen 70 umgeformt werden, deren Ränder gegebenenfalls von einer weiteren Schneidstation zugeschnitten werden können. In der Faserführungsstation 12 können die seitlichen Abstände zwischen den Fäden 26 bzw. die Abstände zwischen den auf dem Trägermaterial 64 abgelegten Fäden durch zweckentsprechende Steuerung des Elektromotors 48 (4) sowie von Antrieben der Schlitten 38, 40 in vorbestimmter Weise verändert werden. Zur Steuerung der Antriebsvorrichtungen, Schneideinrichtungen, Heizeinrichtungen usw. dient eine elektronische Steuereinrichtung 72, in die Steuerprogramme eingebbar sind, entsprechend denen die gesamte Vorrichtung gesteuert wird. Die Fadenauflagestange 41 bildet eine Auflage für die Fäden 26, die deren Unterseite vor einer Berührung mit der Schraubenfeder 28 schützt. Die Fadenauflagestange 41 muss nicht innerhalb der Schraubenfeder 28 angeordnet sein, sondern kann auch deren unterem Ende unmittelbar benachbart angeordnet sein oder kann bei entsprechender Oberfläche der Schraubenfeder ganz fehlen.
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Die 5 bis 10 zeigen Beispiele von Möglichkeiten der Ablagerung der Fäden 26 auf einer Basisfolie. Dabei ist die Bewegungsrichtung der Fäden jeweils gemäß den Figuren von unten nach oben.
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Gemäß 5 wird durch symmetrische Verstellung des Abstandes zwischen beiden Halterungen 34 und 36 (Bewegen beider Halterungen aufeinander zu) der seitliche Abstand zwischen den Fäden 26 in symmetrischer Weise vermindert.
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Bei der Ausführungsform gemäß 6 bleibt die gemäß 1 linke Halterung 36 unverändert und wird die rechte Halterung 34 in Richtung auf die linke Halterung bewegt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 7 bleiben die Halterungen 34 und 36 unverändert und sind zwei Finger 50 vorgesehen, die in einen mittleren Zwischenraum zwischen den Windungen eingreifen und beide voneinander weg und anschließend wieder aufeinander zu bewegt werden. Auf diese Weise entsteht ein zentraler runder Bereich 74, der nicht mit Fasern 26 belegt ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 8 werden beide Halterungen 34 und 36 nach rechts bewegt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 9 wird ein mittlerer Durchlass zwischen zwei Fingern in axialer Richtung der Schraubenfeder 28 hin und her bewegt, so dass ein durch diesen Zwischenraum durchlaufender Faden 26a mäanderförmig abgelegt wird. Die jeweils den mittleren Windungen benachbarten Windungen werden mittels entsprechender Finger ortsfest gehalten, so dass die dem mäanderförmig abgelegten Faden 26a benachbarten Fäden 26 weiterhin geradlinig abgelegt werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß 10 entspricht das Ablagemuster der gestrichelt eingezeichneten Fäden 26 dem der 9, wobei im Bereich einer Einschnürung 74 der Abstand zwischen den Halterungen 34 und 36 zusätzlich vermindert ist. Über den Fäden 26 sind zwei Fadensysteme 26c und 26d mittels zweier weiterer beispielsweise mit Schraubenfedern arbeitenden Führungsvorrichtungen abgelegt, wobei bei Ablage des Musters 26c die zugehörige Schraubenfeder insgesamt von rechts nach links oberhalb der die Fäden 26 ablegenden Schraubenfeder bewegt wird und die die Fäden 26d ablegende Schraubenfeder ebenfalls oberhalb der die Fäden 26 ablegenden Schraubenfeder angeordnet ist und an der die Fäden 26c ablegenden Schraubenfeder seitlich vorbeibewegt werden kann.
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Bezug nehmend auf die 2 und 4 ist die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung mit einer Schussfadenablageeinrichtung versehen, die zwei an den Halterungen 34 und 36 angebrachte Schussvorbringerräder 80 aufweist, die um eine parallel zur Achse der Schraubenfeder 28 verlaufende Achse mittels nicht dargestellter Motoren drehantreibbar sind. Die Schussvorbringerräder 80 weisen an ihrem Umfang radial vorstehende, vorzugsweise spitz zulaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Mitnehmer 82 auf, die einen oberhalb der Schraubenfeder 28 längs der Schraubenfeder über die Halterungen 34, 36 hinaus zugeführten Schussfaden 84 erfassen, im Laufe ihrer Drehung nach unten mitnehmen und auf den Fäden 26 ablegen. Der Schussfaden wird in an sich bekannter Weise von einem Zuführarm 86 eines Zuführschlittens 88 zugeführt, der von einer Antriebseinrichtung längs einer sich quer über die Anordnung erstreckenden Führungsschiene 90 hin und her bewegt wird.
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Durch die Anbringung der Schussvorbringerräder 80 an den Halterungen 34 und 36 wird erreicht, dass sich die Breite, über die der Schussfaden 84 mäanderförmig über den Fäden 26 abgelegt wird, selbsttätig an die axiale Länge der Schraubenfeder 28 und damit die Breite, über die die Fäden 26 abgelegt werden, anpasst, so dass beispielsweise bei einer Einschnürung 74 gemäß der 10 der Schussfaden 84 selbsttätig derart abgelegt wird, dass sich die Breite der mäanderförmigen Ablage des Schussfadens 84 an die Breite der abgelegten Fäden 26 anpasst.
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11 zeigt ein Beispiel eines Ablagemusters des Schussfadens 84 (gestrichelt gezeichnet) auf der Fadenschar bzw. den Fäden 26. Im Bereich A und zunächst im Bereich B haben die Halterungen 34 und 36 einen konstanten Abstand. Im Übergangsbereich zwischen den Bereichen B und C wird eine der Halterungen in Richtung auf die andere bewegt, so dass die Ablagebreite der Fäden 26 im Bereich C ein Minimum annimmt. Anschließend wird die bewegte Halterung in ihre Ausgangslage zurückbewegt, so dass im Bereich D die ursprüngliche Ablagebreite wieder erzielt wird. Die Ablagebreite des mäanderförmig abgelegten Schussfadens 84 passt sich der Ablagebreite der Faden 26 selbsttätig an. Der Abstand zwischen zwei benachbarten quer über die Fäden 26 abgelegten Bereichen des Schussfadens 84 kann durch Veränderung der Drehzahl der Schussvorbringerräder 80 und daran angepasst der Frequenz, mit der der Zuführschlitten 88 hin und her bewegt wird, verändert werden. Wenn die Schussvorbringerräder 80 mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden, und der Schussfaden dadurch nicht gleichzeitig auf beiden Seiten der Fadenschar abgelegt wird, kann der Schussfaden schräg zu den Fäden 26 abgelegt werden, wie im Bereich D dargestellt.
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Die beispielhaft beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann die Schraubenfeder 28 zwischen mehreren Spannseilen aufgehängt sein, wodurch sichergestellt ist, dass die radiale Weite der Windungen auch bei deren axialer Verschiebung unverändert bleibt. Für die Verschiebung der Halterungen 34 und 36 sowie des oder der Finger 50 können unterschiedlichste Antriebsvorrichtungen verwendet werden. Es müssen nicht alle dargestellten Walzenpaare drehangetrieben sein. Einzelne Walzenpaare, beispielsweise das Walzenpaar 62, können entfallen oder es können weitere Walzenpaare vorgesehen sein. Das Walzenpaar 62 dient im dargestellten Beispiel lediglich der einwandfreien Einleitung der Fäden 26 in die Fadenführungsstation 12. Die Heizvorrichtung 24 kann durch eine Mehrzahl beheizter Walzen gebildet sein, zwischen denen sich der Verbund aus Basisfolie beziehungsweise Trägermaterial 64 und Fäden 26 hindurch bewegt. Die Schneidstation 18 kann hinter der Formstation 20 angeordnet sein. Die Schneidstation und Formstation können sich jeweils um die Länge des Zuschnitts beziehungsweise des Formkörpers mit dem Verbund mitbewegen und dann an die jeweilige Ausgangsstelle zurückkehren, so dass während des Schneidens und Formens keine Unterbrechung des Betriebs der Fügestation 16 erforderlich ist.
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Die Erfindung eignet sich zur Herstellung weitgehend aller Arten von Verbundbauteilen. Das Trägermaterial kann eine Folie aus thermo- oder duroplastischem Kunststoff sein. Es kann aber auch ein aus Fasern, beispielsweise Aramidfasern, Glasfasern, Fasern aus thermoplastischem Kunststoff und/oder aus Kohlefasern hergestelltes Vlies oder Textilmaterial sein, das gegebenenfalls mit Bindemitteln versetzt ist. Die Fasern beziehungsweise Fäden, die auf das Trägermaterial aufgebracht werden, können ebenfalls unterschiedlichster Art sein, wobei Kunststofffasern, Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern beziehungsweise Drähte usw. verwendet werden können. Die Fasern können in Form einzelner Fasern, in Form von Rovings, Monofilamenten (Drähten) usw. vorliegen. Zur Verbindung zwischen dem Trägermaterial und den Fäden kann das Trägermaterial mit einem thermoplastischen Kunststoff, Kleber usw. beschichtet sein. Bei duroplastischem Trägermaterial kann auf dieses beispielsweise unmittelbar vor dem Einlauf in die Fügestation oder in der Fügestation ein Lösemittel aufgebracht werden. Die vorstehend beschriebenen Beispiele sind nicht abschließend, sondern weisen nur auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Erfindung hin.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fadenvorratsstation
- 12
- Fadenführungsstation
- 14
- Trägermaterialvorratsstation
- 16
- Fügestation
- 18
- Schneidstation
- 20
- Formstation
- 22
- Fügewalzen
- 24
- Heizvorrichtung
- 26
- Fäden
- 28
- Schraubenfeder
- 29
- Windung
- 30
- Spannseil
- 32
- Konsole
- 34
- Halterung
- 36
- Halterung
- 38
- Schlitten
- 40
- Schlitten
- 41
- Fadenauflagestange
- 42
- Schlitten
- 44
- Gewindestange
- 46
- Lagerbock
- 48
- Elektromotor
- 50
- Finger
- 62
- Walzenpaar
- 64
- Trägermaterial
- 66
- Transportwalzenpaar
- 68
- Transportwalzenpaar
- 70
- Faserverbundbauteil
- 72
- Steuereinrichtung
- 74
- Einschnürung
- 80
- Schussvorbringerrad
- 82
- Vorsprung
- 84
- Schussfaden
- 86
- Zuführarm
- 88
- Zuführschlitten
- 90
- Führungsschiene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040282 A1 [0004]
