DE10037540A1 - Technik zum Herstellen eines Faserverbundgegenstandes - Google Patents
Technik zum Herstellen eines FaserverbundgegenstandesInfo
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Abstract
Ein komplexer Gegenstand, wie bspw. ein Holm für ein Rotorblatt für ein Schwenkrotor-Luftfahrzeug wird aus Faserverbundmaterialien gefertigt. Nicht gekürzte Faserstreifen werden entlang der Länge des Holms ausgelegt, um die Anzahl der in dem Holm verwendeten Fasern mit voller Länge zu maximieren. Querschnittsflächen entlang der Länge des Holms können sich sowohl hinsichtlich der Form als auch der Größe ändern. Die Fasern werden so ausgelegt, daß sie diese verschiedenen Formen ergeben und ausbilden. Die Stellen für die Fasern werden durch Festlegen der Lage der Streifen für jeden Querschnitt und anschließendes Verbinden korrespondierender Punkte bestimmt, um zu spezifizieren, wo die Streifen abgelegt werden müssen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Gegenständen
unter Verwendung von Faserverbundmaterialien und genauer eine Technik zum
Formen eines Gegenstandes, wie z. B. eines Abschnitts eines Rotorblatts für ein
Luftfahrzeug, mit einer Querschnittsform, die entlang der Länge des
Gegenstandes variiert.
Aufgrund von Überlegungen hinsichtlich z. B. Gewicht und Festigkeit erfahren
Faserverbundmaterialien in zunehmenden Maße bei High-Tech-Strukturen
Verwendung, wie z. B. bei Teilen von Luftfahrzeugen. Sie finden zunehmend
Verwendung bei Luftfahrzeugteilen, wie bspw. Tragflächen, Rotorblättern und
ähnlichen Teilen.
Die Ausgestaltung derartiger Teile ist ziemlich komplex und führt zu Strukturen, die
nicht einfach herzustellen sind. Ein Beispiel einer solchen Struktur stellen Blatt-
Komponenten für einen Helikopter-Rotor oder einen Flugzeugpropeller dar.
Derartige Blätter weisen oftmals eine vorrangig lasttragende Struktur auf, die
typischerweise entlang der Vorderkante des Blattes ausgebildet ist. Eine solche
Struktur wird hierin als Holm bezeichnet. Für einige Luftfahrzeugtypen,
insbesondere Helikopter-Rotoren und Rotoren für Schwenkrotor-Luftfahrzeuge, ist
die Form des Holms vergleichsweise komplex.
Bspw. kann ein Holm für ein Rotorblatt eines Schwenkrotor-Luftfahrzeug eine
Länge im Bereich von fünfzehn bis dreißig Fuß aufweisen. Entlang der Länge des
Holms verändert sich die Querschnittsfläche sowie die Querschnittsform. Zudem
weist der Holm für aerodynamische Zwecke eine Verdrehung auf.
Zahlreiche Techniken zum Herstellen von Holmen unter Verwendung von
Faserverbundmaterialien sind verfügbar, jedoch sind die Techniken aus dem
Stand der Technik nicht immer für bekannte Gegenstände geeignet. Bspw.
verwendet eine Technik zum Herstellen eines Holms für ein Rotorblatt eines
Schwenkrotor-Luftfahrzeug die Ausbildung des Gegenstandes in zwei Stücken.
Eine Oberhälfte und eine Unterhälfte werden jeweils getrennt voneinander auf
einer entsprechend ausgebildeten Form geformt und dann auf einer weiteren
entsprechend geformten Form zusammengefügt. Das Verbinden der beiden Teile
schließt üblicherweise ein Verformen der beiden ursprünglich gebildeten Hälften
mit ein. Derartige Techniken neigen dazu, teuer sowohl hinsichtlich der
Montagezeit und -arbeit als auch hinsichtlich der zum Herstellen des Produkts
benötigten Werkzeuge zu sein.
Um die Festigkeit und Steifigkeit des Produkts zu verbessern, ist es
wünschenswert, daß so viele Fasern mit voller Länge wie möglich entlang des
Holms ausgelegt werden. Wegen der Komplexität der Form des Holms kann sich
dies bei Verwendung bekannter Techniken als schwierig erweisen.
Es wäre wünschenswert, eine Technik zum Herstellen komplexer Formen, wie z. B.
Rotorholmen für Rotorblätter bei Schwenkrotor-Luftfahrzeugen, und ein daraus
resultierendes Produkt anzugeben. Es wäre wünschenswert, daß die Technik
vergleichsweise kostengünstig hinsichtlich sowohl Herstellungs- als auch
Werkzeugkosten ist sowie eine akkurate Reproduktion einer angestrebten
komplexen Form ermöglicht.
Aus den genannten Gründen wird, in Übereinstimmung mit der Erfindung, ein
komplexer Gegenstand, wie z. B. ein Holm für ein Rotorblatt eines Schwenkrotor-
Luftfahrzeuges, aus Faserverbundmaterialien gefertigt. Ungekürzte Faserstreifen
werden entlang der Länge des Holms ausgelegt, um die Anzahl der bei dem Holm
verwendeten Fasern mit voller Länge zu maximieren. Querschnittsflächen entlang
der Länge des Holms können sich sowohl hinsichtlich der Form als auch
hinsichtlich der Fläche ändern. Die Fasern werden so ausgelegt, daß sie diesen
variablen Formen entsprechen und diese bilden. Die Orte für die Fasern werden
bestimmt, indem Orte für die Streifen für jeden Querschnitt bestimmt werden und
dann zusammengehörige Punkte verbunden werden, um festzulegen, wo die
Streifen abgelegt werden sollen.
Die neuen Merkmale, die als die Eigenschaften der Erfindung angesehen werden,
sind in den anhängenden Ansprüchen zum Ausdruck gebracht. Die Erfindung
selbst sowie ein bevorzugter Verwendungsmodus und weiter Ziele und Vorteile der
Erfindung werden jedoch am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende
ausführliche Beschreibung eines veranschaulichenden Ausführungsbeispiels
verstanden werden, wenn sie zusammen mit den beigelegten Zeichnungen
gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts eines Luftfahrzeuges,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Rotorblattholms inklusive ausgesuchter
Querschnitte desselben,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht von mehreren der in Fig. 2 gezeigten Querschnitte,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen Querschnitts,
Fig. 5 eine weitere Ansicht eines einzelnen Querschnitts,
Fig. 6 eine Ansicht von mehreren Querschnitten, welche die Anordnung eines
einzelnen Faserstreifens entlang des Holms zeigt und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm, welches ein bevorzugtes rechnergestütztes Verfahren
zum Festlegen der Befehle an eine automatisierte Faser-
Anordnungsmaschnie zum Herstellen des bevorzugten Holms darstellt.
Die folgende Beschreibung veranschaulicht die Anwendung der Technik der
vorliegenden Erfindung, um eine Komponente eines Rotorblatts für ein
Schwenkrotor-Luftfahrzeug zu bilden. Diese Blattkomponente, die hier als Holm
bezeichnet wird, weist eine vergleichsweise komplexe Form auf, die unter
Verwendung der Techniken der Erfindung verwirklicht wird. Es wird von einem
Fachmann verstanden werden, daß viele andere Teile mit abweichenden
komplexen Formen unter Verwendung der unten erläuterten Techniken hergestellt
werden können.
Fig. 1 zeigt ein aerodynamisches Blatt 10, welches zur Verwendung bspw. als
Rotorblatt an einem Schwenkrotor-Luftfahrzeug geeignet ist. Ähnliche Blätter
können bei Helikoptern oder anderen Luftfahrzeugen verwendet werden. Wie es
auf diesem Gebiet bekannt ist, wird ein lasttragender Abschnitt des Blattes 12, der
die Vorderkante bildet, hergestellt, um für die Hauptfestigkeit und -steifigkeit des
Blattes zu sorgen. Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird die
lasttragende Komponente des Blatts als Holm bezeichnet, der als eine
Komponente eines Rotorblatts für ein Schwenkrotor-Luftfahrzeug verwendet wird.
Wie in Fig. 1 erkannt werden kann, erstreckt sich der Holm 12 allgemein von
einem Ausgangsende 14 bis zu einem Spitzenende 16 des Blatts. Die
Außenfläche des Blatts 10 ist glatt und entsprechend den Erfordernissen des
Luftfahrzeuges, bei dem es verwendet wird, aerodynamisch geformt. Wie es für
Blätter dieser Art typisch ist, in Fig. 1 aber nicht dargestellt ist, ändert sich das
Blatt nicht nur hinsichtlich der Größe und der Form, wenn man ausgehend von
dem Ursprung zur Spitze fortschreitet, sondern weist eine Verdrehung zum
effizienteren Erzeugen eines Auftriebs auf.
Die Herstellung derartiger Blätter kann sich als extrem teuer und komplex
gestalten. Insbesondere ist der lasttragende Holm 12 ein teures und kritisches
Bauteil. Mit zunehmender Verwendung von Faserverbundmaterialien bei der
Ausbildung derartiger Holme sind noch komplexere Formen möglich. Dies
ermöglicht es, den Holm besser zu konfigurieren, damit er die Anforderungen des
Luftfahrzeuges, für das er verwendet wird, erfüllt.
Fig. 2 zeigt eine Strichzeichnung eines Holms 12, der bei einem Rotorblatt für ein
Schwenkrotor-Luftfahrzeug verwendet werden kann. In der Zeichnung in Fig. 2
sind mehrere Querschnitte 18-40 für den Holm 12 dargestellt. Aus diesen
Querschnitten können mehrere Merkmale des Holms 12 auf einfache Weise
abgelesen werden.
Ein in Fig. 2 klar gezeigtes Merkmal besteht darin, daß der Holm 12 entlang
seines Querschnitts kein Vollmaterial ist. Statt dessen ist der Holm aus Gründen
des Gewichts und der Festigkeit hohl ausgebildet. Er ist typischerweise "D"-förmig
und so konstruiert, daß er die Vorderkante des Rotorblatts bildet und einen
hauptsächlichen Halt für den Rest des Blatts bietet. Aus den Querschnitten der
Fig. 2 kann ebenfalls einfach erkannt werden, daß die Formen der verschiedenen
Querschnitte 18-40 längs der Länge des Holms nicht gleich sind. Bei diesem Holm
12 weisen die Querschnitte nahe dem Ursprungsende 14 eine vergleichsweise
konstante Dicke auf. Im Gegensatz dazu haben weisen die Querschnitte nahe
dem Spitzenende 16 ein größeres Volumen entlang der Vorderkante des Holms
auf.
Der Holm 12 des bevorzugten Ausführungsbeispiels erfüllt verschiedene Regeln
hinsichtlich der technischen Konstruktion. Eine für die vorliegende Erfindung
relevante Regel ist, daß die Querschnittsfläche des Holms niemals ansteigt, wenn
man ausgehend von dem Ursprung zu der Spitze hin fortschreitet. Folglich ist das
Volumen des zur Ausbildung des Spitzenendes des Holms erforderlichen Materials
weniger als das am Ursprungsende erforderliche Material. Im Zusammenhang mit
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezeichnet der Ausdruck
"Querschnittsfläche" die Querschnittsfläche des Holms, in der Material anzutreffen
ist; der hohle, eingeschlossene Innenbereich des Holms wird nicht als Teil der
Querschnittsfläche angesehen.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht von fünf der Querschnitte 22-30 aus Fig. 2.
Wie in Fig. 3 gesehen werden kann, ist die Dicke des Holms entlang der oberen
und der unteren Fläche im wesentlichen konstant. In den Figuren ist der Holm 12
so ausgerichtet, daß die obere Fläche des Holms rechts und die untere Fläche des
Holms links liegt. Wenn der Holm in Richtung von der Vorderkante zur Hinterkante
kürzer wird, steigt die Menge des an der Vorderkante benötigten Materials an.
Somit ist die Menge des Material an der Vorderkante des ersten in Fig. 3
gezeigten Querschnitts im wesentlichen dieselbe wie entlang der oberen und der
unteren Flächen, während die in dem fünften Querschnitt aus Fig. 3 gezeigte
Menge deutlich größer ist.
Fig. 4 und 5 zeigen, zusammen betrachtet, dieses Merkmal noch weiter. Die
Fig. 4 und 5 sind nicht in demselben Maßstab gezeichnet, wobei Fig. 4 in
etwa doppelt so groß wie Fig. 5 ist. Wie aus einem Vergleich dieser beiden
Figuren erkannt werden kann, weist die Querschnittsfläche des Holms an der
Stelle, an der der Querschnitt 20 aus Fig. 4 genommen wurde, überall in etwa die
gleiche Dicke auf. Im Gegensatz dazu weist der Holm in dem Querschnitt 40 aus
Fig. 5 eine stark vergrößerte Vorderkante 42 auf, um aerodynamische
Konstruktionskriterien zu Erfüllen. Bei diesen beiden Figuren weisen die obere
bzw. die untere Fläche 46 bzw. 44 des Holms 12 im wesentlichen dieselbe Dicke
auf.
Eine bevorzugte Technik zum Herstellen der gewünschten Struktur wird nun im
Detail beschrieben werden. Das bevorzugte Verfahren wird im Zusammenhang mit
seiner Verwendung bei einer Viper 1200 Faser-Anordnungsmaschine, zu beziehen
über Cincinnati, beschrieben. Dieselbe Technik kann jedoch auf jeder anderen
Maschine verwendet werden, welche die unten beschriebenen Fähigkeiten besitzt.
Der Holm wird auf einem Werkzeug geformt, welches eine der Form des hohlen
Innenbereich des fertigen Holms entsprechende Form aufweist. Die obere und die
untere Fläche des Holms sowie dessen Vorderkante werden auf der
Werkzeugeinrichtung in ihren abschließenden Konfigurationen ausgebildet. Die
Hinterkante des Holms ist zu dem Zeitpunkt, zu dem es auf der
Werkzeugeinrichtung ausgebildet wird, offen und wird verschlossen und
abgedichtet, nachdem der Holm von dem Werkzeug entfernt worden ist. Die
Hinterkante des Holms 12 liegt allgemein ungefähr senkrecht zu einer Profilsehne
des Holms, die sich von der Vorderkante bis zu der Hinterkante des Blatts
erstreckt.
Zunächst wird eine Lage Fasermaterials, wie z. B. Glasfasern, über dem
Werkzeug abgelegt. Diese Schicht weist über die Arbeitsfläche des Werkzeuges
eine konstante Dicke auf. Danach folgt, in Übereinstimmung mit der Erfindung, das
Ablegen einer Schicht, welche das Volumen und die Dicke des Holms bestimmt.
Vorzugsweise werden Glasfaserstreifen einzeln entlang der Länge des Holms
aufgelegt. Wenn sie in der oben beschriebenen Viper 1200 Maschine verwendet
werden, können diese Streifen eine Breite von bis zu eineinhalb Zoll aufweisen in
Schritten von je ein Achtel Zoll. Jeder Streifen weist eine Dicke von 0,018 Zoll auf.
Ein Übereinanderschichten dieser Streifen bestimmt ein Volumen proportional zu
der Anzahl der aufgelegten Faserstreifen.
Das Ziel beim Auflegen der Faserstreifen ist es, die Anzahl der zum Aufbauen des
Holms verwendeten Streifen mit voller Länge zu maximieren. Dies maximiert die
Festigkeit und Steifigkeit des resultierenden Holms. Zudem ist es zu bevorzugen,
die Breite eines jeden Streifens zu maximieren, wo es möglich ist. Folglich ist ein
einzelner Streifen mit einer Breite von eineinhalb Zoll gegenüber zwei Streifen mit
einer zusammengesetzten Breite von eineinhalb Zoll zu bevorzugen. Zudem ist ein
einziger Streifen mit einer Länge von zehn Fuß entlang des Holms gegenüber zwei
getrennten Streifen mit einer Gesamtlänge von zehn Fuß zu bevorzugen.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren des bevorzugten Ausführungsbeispiels
werden die Streifen einzeln über das Werkzeug und über darunterliegenden
Schichten abgelegt, wobei an dem Ursprung des Holms entlang der Hinterkante
begonnen wird. Die Art und Weise, in der die Streifen anfangs abgelegt werden,
kann am besten im Zusammenhang mit dem Querschnitt 20 aus Fig. 4 gesehen
werden. In Fig. 4 bezeichnet jede der Markierungen 50-56 und der verbleibenden
nicht numerierten Markierungen einen Punkt, an dem die Mitte eines Streifens
durch diesen Querschnitt verläuft. Die Streifen werden aufeinanderfolgend
abgelegt, von der offenen (Hinter-)Kante des Querschnitts aus in Richtung der
Vorderkante fortschreitend.
Eine bevorzugte Reihenfolge zum Ablegen der Faserstreifen ist die folgende. Vier
Streifen werden gemeinsam an der Hinterkante der unteren Fläche abgelegt, um
die erforderliche Dicke bei den Markierungen 50 auszubilden. Die nächsten vier
Streifen werden an der Hinterkante auf der oberen Fläche bei den Markierungen
52 abgelegt. Dann werden vier Streifen angrenzend an die ersten vier Streifen
abgelegt, in Richtung der Vorderkante bei den Markierungen 54, gefolgt von vier
Streifen bei den Markierungen 56. Dieses abwechselnde Muster wird fortgesetzt,
bis alle Streifen an ihren definierten Stellen abgelegt sind.
Andere Muster zum Ablegen der Streifen können verwendet werden. Abhängig
von der speziellen Anwendung können einige Muster geeignet sein, andere
hingegen nicht. Ein anderes nützliches Muster ist es, mit dem Ablegen von vier
Streifen, wie oben beschrieben, an der Vorderkante zu beginnen. Das Muster des
Ablegens der Streifen schreitet dann rückwärts fort zu den Hinterkanten der
oberen und unteren Flächen, vorzugsweise auf ähnliche Weise abwechselnd, wie
zuvor beschrieben. Andere Muster können nützlich sein und werden einem
Fachmann klar werden.
Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen. Dort ist ein nahe der Spitze des Holms
genommener Querschnitt 40 gezeigt, der den Effekt des Fortschreitens der
Streifen hin zu der Vorderkante zeigt. Hier beginnen, wie in Fig. 4, die Streifen
mit einer Breite von eineinhalb Zoll. Da der Holm nahe der Spitze in Richtung von
der Vorderkante hin zu der Hinterkante viel kürzer ist, werden nur etwa drei Reihen
von Streifen benötigt, um die obere und die untere Fläche 46, 44 des Holms zu
bestimmen. Die verbleibenden Streifen werden auf der Vorderkante
aufgeschichtet, um das dort erforderliche zusätzliche Volumen zu erhalten. Wie in
Fig. 5 dargestellt, werden Streifen in einer größeren Anzahl auf der Vorderkante
aufgestapelt, um deren erforderliche Form auszubilden.
Die ersten auf der Vorderkante aufgelegten Steifen 58 sind ungefähr eineinhalb
Zoll breit, jedoch werden nachfolgende Streifen 60 schmaler. Nahe des
Vorderendes der Vorderkante 62 werden sie sehr schmal. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel können die Streifen bis zu minimal 1/8 Zoll schmal werden,
was die Maschine noch liefern kann.
Um die Auflageorte der Streifen zu bestimmen, ist es notwendig, das Volumen des
Holms an verschiedenen Stellen zu bestimmen. Dies wird durch Bestimmen der
Querschnittsfläche der verschiedenen Querschnitte erreicht. Fig. 4 und 5
stellen diese Bestimmungsmaßnahmen dar.
Beginnend mit den von den für die Konstruktion des Holms verantwortlichen
Personen bereitgestellten Querschnitten des Holms wird ein Satz von versetzten
Kurven auf jedem Querschnitt angeordnet. Die Kurven repräsentieren die Dicke
der die Form bestimmenden Schicht. Einzelne Schichten von Faserstreifen werden
verwendet, um die erforderliche Dicke aufzubauen. Diese Schichten sind in den
Fig. 4 und 5 gezeigt, und die durch die Kurven repräsentierte Dicke der
Schichten korrespondiert zu der Dicke der Faserstreifen. Die Anzahl der zum
Ausfüllen des Volumens der die Form bestimmenden Schicht benötigten Kurven
hängt selbstverständlich von der Dicke der die Form bestimmenden Schicht an
verschiedenen Orten ab. Das gezeigte Ausführungsbeispiel erfordert vier
Schichten von Faserstreifen für die obere und die untere Fläche. Ein Plazieren der
Kurven auf dem Querschnitt ist unter Verwendung bekannter CAD-Software
einfach zu verwirklichen.
Jeder Querschnitt wird dann einzeln berücksichtigt, und die Faserstreifen werden
plaziert. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, werden unter Verwendung der CAD-
Software Markierungen angeordnet, um die Positionen der Mittellinien der
Faserstreifen zu bezeichnen.
Wenn die Mittelpunkte für alle Querschnitte angeordnet sind, ist es schließlich
notwendig, zusammengehörige Punkte auf den Querschnitten zu verbinden. Ein
Punkt aus jedem Querschnitt bestimmt einen einzelnen Faserstreifen, und Punkte
werden nacheinander von jedem der Querschnitte genommen, um die Positionen
verschiedener zum Ausbilden der formgebenden Schicht verwendeter
Faserstreifen zu bestimmen. Da der nächste verfügbare Punkt verwendet wird, um
jeden Streifen festzulegen, neigen die Streifen dazu, zu der Vorderkante nahe der
Spitze des Holms zu wandern.
Fig. 6 zeigt, wie ein einzelner Streifen 62 von der unteren Fläche zu der
Vorderkante des Holms wandert. Diese steht veranschaulichend für die Art und
Weise, in der sämtliche Streifen, die an der Vorderkante enden, abgelegt werden.
Nahe dem Ursprungsende 14 des Holms bildet der Streifen einen Teil der unteren
Fläche, wobei sich seine Mittellinie an dem Punkt 64 befindet. Ungefähr auf der
Mitte entlang der Länge des Holms bildet derselbe Streifen 62 noch immer einen
Teil der unteren Fläche, wie durch die Mittellinie am Punkt 66 gezeigt ist.
Nahe der Spitze des Holms jedoch ist die Länge des Holms von der Vorderkante
zur Hinterkante viel kürzer. Zu dieser Zeit wird der Streifen 62 auf die Vorderkante
aufgelegt, wobei die obere und die untere Fläche nahe der Spitze bereits
vervollständigt sind. In dreidimensionaler Darstellung neigt der Streifen dazu,
einen Abschnitt einer Spiralen auszubilden, wenn er von dem Ursprung
ausgehend in Richtung der Spritze abgelegt wird.
In den meisten Fällen sind die Flächen der Querschnitte nahe der Spitze kleiner
als nahe dem Ursprung des Holms. Dieser Tatsache wird Rechnung getragen,
indem die zuletzt abgelegten Streifen sich nicht über die gesamte Länge des
Holms erstrecken. Folglich werden sich die in einem ersten Durchgang abgelegten
Streifen über die gesamte Länge des Holms erstrecken, jedoch werden die in dem
letzten Durchgang abgelegten Streifen irgendwo vor der Spitze enden. Die exakte
Länge der späteren Streifen hängt ab von den Spezifikationen für die
Querschnittsfläche nahe der Spitze.
Die Querschnittsflächen nahe der Spitze werden zusätzlich verkleinert durch
Verringern der Breite der abgelegten Streifen. Die Kombination aus einigen
dünneren Streifen nahe der Spitze des Holms zusammen mit der geringeren
Anzahl von Streifen, die sich hin zu der Spitze erstrecken, führt zu einer
Querschnittsfläche, die kleiner ist als nahe dem Ursprung.
Wenn alle Streifen gemäß der vorliegenden Erfindung abgelegt worden sind,
werden zusätzliche Schichten von konstanter Dicke vorzugsweise oben auf den
beschriebenen formgebenden Schichten ausgebildet. Diese äußeren Schichten
führen zu einer fertigen Oberfläche des Holms. Wenn der Holm auf dem Werkzeug
vollständig ausgebildet worden ist, wird er abgenommen und an der Hinterkante
wie im Stand der Technik bekannt verschlossen. Später wird er ausgehärtet und
an dem restlichen Blatt befestigt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Schritte des Verfahrens werden vorzugsweise auf einem digitalen
Allzweckrechner durchgeführt. Ein beliebiges der weithin erhältlichen CAD-
Programme, wie z. B. ICAD, erhältlich von Knowledge Technologies International,
ist geeignet, wenn es so programmiert ist, daß es die oben beschriebene Prozedur
durchführen kann. Ein Programm-Code zum Berechnen und Festlegen der Orte
für die Faserstreifen in Übereinstimmung mit der folgenden Beschreibung, wird in
Verbindung mit dem CAD-System verwendet, um einen zur Verwendung durch die
numerische Steuereinheit in der Faser-Anordnungsmaschine geeigneten Code zu
erzeugen. Der erzeugte Code bringt die Faser-Anordnungsmaschine dazu, die
Faserstreifen automatisch und reproduzierbar an den korrekten Stellen
anzuordnen.
Die zum Einbinden des bevorzugten Verfahrens in dem Computer
durchzuführenden Schritte sind vergleichsweise einfach und in Fig. 7 dargestellt.
Zu Anfang wird eine Festlegung des Holms erzeugt und von der Software 70
empfangen. Die Erzeugung derartiger Festlegungen in dreidimensionalen CAD-
Systemen ist allgemein bekannt und bildet keinen Bestandteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Festlegung des Holms beinhaltet
verschiedene Querschnitte des Holms an verschiedenen Stellen. Diese
Querschnitte reichen aus, um den Holm in drei Dimensionen vollständig zu
bestimmen.
Wenn die Festlegung des Holms empfangen wurde, berechnet das Verfahren des
bevorzugten Ausführungsbeispiels die Mittelliniendurchgänge der Faserstreifen für
jeden Querschnitt zu der Festlegung des Holms 72. Diese Berechnung bezieht das
Auslegen der Streifen in benachbarten Reihen, wie es oben beschrieben ist, mit
ein. Die Anzahl der Durchgänge von abzulegenden Streifen hängt ab von der
Dicke der fomrgebenden Schicht, wie oben beschrieben. Diese Berechnung kann
unter Anwendung der Möglichkeiten irgendeines geeigneten CAD-Systems
durchgeführt werden.
Im allgemeinen berücksichtigt diese Prozedur jeden Faserstreifen in aufeinander
folgender Abfolge, beginnend von der Hinterkante der oberen und unteren
Flächen. Bei gegebener zu füllender Fläche für jeden Querschnitt und der Fläche
des Streifens kann der Streifen an der erforderlichen Stelle durch eine einfache
automatisierte Prozedur angeordnet werden. Die Querschnittsfläche eines jeden
Streifens ist einfach gleich dem Produkt seine Dicke und seiner Weite. Wenn die
erforderliche Position der Streifen für einen Querschnitt bestimmt worden ist, wird
die Prozedur für die verbleibenden Querschnitte wiederholt.
Wenn alle Streifenmittellinien auf allen Querschnitten verteilt worden sind, werden
die Mittellinien eines jeden Streifens über die Querschnitte verbunden 74. Dies
führt zu der Anordnung des Streifens entlang der Front des Holms.
Korrespondierende Stellen in jeder Querschnittsfläche werden für einen einzelnen
Streifen bestimmt. Somit kann bspw. der erste festgelegte Streifen für die auf der
Innenseite gelegene Schicht die am nächsten zu der Hinterkante der oberen
Fläche gelegenen Mittelpunkte verwenden. Der zweite bestimmte Streifen würde
sich dann aus den entsprechenden Abschnitten der unteren Fläche ergeben. Der
nächste zu bestimmende Streifen ergäbe sich aus dem zweiten Satz von
Mittellinien entlang der Hinterkante der unteren Fläche, gefolgt von den
entsprechenden Punkten für die obere Fläche. Auf diese Weise werden alle Sätze
von Mittelliniendurchgängen miteinander verbunden, um die zu verwendenden
Streifen festzulegen.
Wenn man sich der Spitze des Holms nähert, werden weniger
Mittelliniendurchgänge benötigt, um den Raum des erforderlichen Querschnitts
auszufüllen. Das bedeutet, daß einer oder mehrere Streifen vor dem betrachteten
Querschnitt enden. Der Streifen wird einfach an dem letzten Punkt, für den er
einen definierten Mittelliniendurchgang aufweist, abgeschnitten.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Faserstreifen in einer
irgendwie schrittweisen Art und Weise bewegt, wenn ihre Mittellinien ausgelegt
werden. Die Schrittgröße ist dieselbe, wie die Breite des Streifens, bei dem
vorliegenden Beispiel eineinhalb Zoll. Dies bedeutet, daß die Anfangsberechnung
der Mittellinien der Streifen zu einem scharfen Schritt von eineinhalb Zoll zwischen
Querschnitten führen kann - die nur einen Bruchteil eines Zolls auseinanderliegen
können. Diese Schritte müssen geglättet werden, so daß es zu einer graduellen
Bewegung der Mittellinie des Bandes hin zu der Vorderkante des Holms kommt.
Unter Verwendung irgendeines in dem CAD-Programm verfügbaren Polygonzug-
Verfahrens werden die Mittellinien erneut berechnet, um eine glatte
Kurvenverbindung mit bester Anpassung an den Durchgängen durch die
Querschnitte des Holms zu erhalten 76.
Eine Reihe von Mittelliniendurchgängen im Raum, die für einen einzelnen
Faserstreifen verwendet werden, wird berechnet 78 als ein Satz von Punkten, die
durch die Faser-Anordnungsmaschine erreicht werden müssen, während sie ein
kontinuierliches Faserband zuführt. Damit der Faserstreifen nicht relativ zu der
Oberfläche des Holms verdreht wird, ist es notwendig, einen Normalenvektor für
jeden Durchtrittspunkt zu berechnen und anzugeben 78. Unter Verwendung
dieses Vektors richtet die Steuerung den Streifen-Ausgabekopf so aus, daß der
Faserstreifen flach gegen die zuvor ausgelegten Schichten des Holms ausgelegt
wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein Satz von Anweisungen erzeugt, um das
Steuerelement des Faserstreifen-Ausgebers anzutreiben 80. Die erhältliche
Information beinhaltet alle Durchgangspunkte der Streifenmittellinien. An jedem
der Punkte sind die Lage und die Ausrichtung (bestimmt über den
Normalenvektor) eines jeden Punkts bekannt. Die Abfolge der zur Festlegung
eines jeden Streifens verwendeten Punkte ist angegeben. Schließlich ist die Breite
des Streifens an jedem Punkt bekannt. Diese Daten werden der Steuerung in einer
Datei beigegeben, so daß sie die Faserstreifen, wie im Stand der Technik bekannt,
aufbringen kann. Das für diese Datei zu verwendende Format hängt von dem
durch die Steuerung erwarteten Format ab und ist einem Fachmann bekannt.
Abwandlungen der beschriebenen Technik werden einem Fachmann offensichtlich
werden. Bspw. ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit
Konstruktionsregeln beschrieben worden, die eine niemals ansteigende
Querschnittsfläche bedingen, wenn man sich von dem Ursprung bis zur Spitze des
Holms bewegt. Die Technik kann jedoch einfach für Konstruktionen verwendet
werden, die diese Regel nicht erfüllen. Wenn beide Enden eines resultierenden
Produkts eine größere Querschnittsfläche als in der Mitte aufweisen, können die
Fasern ausgehend von beiden Enden zu der Mitte ausgelegt werden. Wenn die
Querschnittsfläche mehrere Male ansteigt und abfällt, werden kürzere
Faserstreifen erforderlich sein, und sie werden von einem von den Enden
abweichenden Startpunkt aus abgelegt werden.
Dieses Herangehen kann erforderlich sein, wenn während oder nach der Fertigung
bspw. Gewichte oder andere Materialien in dem Holm angeordnet werden
müssen. Der Idealfall ist es, nur Fasern mit voller Länge zu verwenden, jedoch
wird ein größtmögliches Nahekommen an dieses Ziel im allgemeinen die wichtigen
physikalischen Eigenschaften des Holms verbessern.
Andere Variationen können verwendet werden, wenn die Ausrüstung zum
Anordnen der Fasern zu deren Handhabung imstande ist. Wenn die Ausrüstung
bspw. Faserstreifen von verschiedener Dicke ablegen kann, kann diesem
Rechnung getragen werden, wenn die ursprüngliche Plazierung der Streifen
ausgeführt wird. Jedoch kann dasselbe allgemeine Vorgehen wie oben
beschrieben verwendet werden.
Im allgemeinen weist die bevorzugte Technik das Verfahren zum Festlegen von
Punkten, wie bspw. Mittellinienpunkten für jeden Faserstreifen, bei einer Vielzahl
von Querschnitten einer komplexen Form auf. Ausreichend Punkte werden für
jeden Querschnitt bestimmt, um die erforderlichen Querschnittsflächen für diesen
Querschnitt auszufüllen. Die Punkte für die verschiedenen Querschnitte werden
dann zu Sätzen zusammengefaßt, mit einem Punkt pro Querschnitt, um die
anzuordnenden Faserstreifen festzulegen. Diese Sätze von Punkten werden dann
an die Steuerung für die Faser-Anordnungsmaschine gegeben, welche dann die
Form unter automatischer Steuerung ausbildet.
Die daraus resultierende Struktur wird aus so vielen Fasern mit voller Länge und
Breite wie möglich gebildet, was zu einer maximalen Festigkeit und Steifigkeit
führt. Die einzelnen Faserstreifen winden sich, soweit wie nötig, um die Front der
Form, um die bestimmten Volumina auszufüllen. Dies ermöglicht es, Formen zu
schaffen, die unter Verwendung bekannter Techniken nicht einfach oder gar nicht
gebildet werden können.
Die bevorzugte Technik führt zu Werkzeug- und Herstellungskosten, die deutlich
geringer sind als sie unter Verwendung bekannter Verfahren verwirklicht werden
können. Dies macht verbesserte komplexe Formen auf wirtschaftliche Weise
verfügbar, was die Leistung der unter Verwendung dieser Technik gefertigten
Produkte verbessert.
Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben worden ist,
wird ein Fachmann den Umfang der Erfindung, wie sie durch die nachfolgenden
Ansprüche definiert ist, verstehen.
Claims (2)
1. Verfahren zum Formen eines Faserverbund-Gegenstandes mit folgenden
Schritten:
Auswählen einer Vielzahl von den Gegenstand bestimmenden Querschnitten,
Festlegen einer Vielzahl von Punkten in jedem Querschnitt als Anordnungspunkte für einen Faserstreifen,
Gruppieren von Sätzen von Punkten, wobei pro Querschnitt ein Punkt genommen wird, um Anordnungen für durchgehende Faserstreifen zu bestimmen, und
Auflegen von Streifen auf einen Gegenstand an den gruppierten Sätzen von festgelegten Punkten.
Auswählen einer Vielzahl von den Gegenstand bestimmenden Querschnitten,
Festlegen einer Vielzahl von Punkten in jedem Querschnitt als Anordnungspunkte für einen Faserstreifen,
Gruppieren von Sätzen von Punkten, wobei pro Querschnitt ein Punkt genommen wird, um Anordnungen für durchgehende Faserstreifen zu bestimmen, und
Auflegen von Streifen auf einen Gegenstand an den gruppierten Sätzen von festgelegten Punkten.
2. Aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildeter Gegenstand mit:
einem länglichen aus einer Vielzahl durchgehender Faserstreifen gebildeten Körper,
wobei die Streifen sich über eine ausgesuchte Entfernung von einem Ende des Gegenstandes zu einem gegenüberliegenden Ende hin erstrecken, und wobei Querschnittsflächen des Gegenstandes nicht ansteigen, wenn man sich zum gegenüberliegenden Ende bewegt.
einem länglichen aus einer Vielzahl durchgehender Faserstreifen gebildeten Körper,
wobei die Streifen sich über eine ausgesuchte Entfernung von einem Ende des Gegenstandes zu einem gegenüberliegenden Ende hin erstrecken, und wobei Querschnittsflächen des Gegenstandes nicht ansteigen, wenn man sich zum gegenüberliegenden Ende bewegt.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Representative=s name: DENNEMEYER & ASSOCIATES S.A., 80336 MUENCHEN |
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