-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von multidirektionalen
Faden- oder Fasergelegen, insbesondere für die Verstärkung dreidimensionaler, dünnwandiger
Werkstücke
aus Kunststoffen oder Harzen, wobei eine Zahl endloser Fäden oder Faserstränge einander
kreuzend übereinander
auf einem Ablegegrund abgelegt und anschließend miteinander verbunden
werden.
-
Eine
Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung multiaxialer (auch multidirektionaler)
Faden- oder Fasergelege ist u. a. durch die US-Patentschrift 3,761,345
bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden über zwei kontinuierlich bewegbare
Transportketten mit Haken, in Zick-Zack-Lagen endlose Fadenscharen in wechselnden
Richtungen geführt und
eingehangen. Die einzelnen Zick-Zack-Lagen bestehen aus zwischen
den Transportketten überwiegend
gestreckten Fadenscharen, die auf unterschiedliche Winkel zu den
Transportketten ausgerichtet sind.
-
Die
Legeanordnungen für
unterschiedliche Winkel sind entlang der Transportketten hintereinander
angeordnet. Auf eine der zuerst vorgelegten Fadenlagen mit gestreckten
Fadenscharen können auch
Faden- oder Faserschichten mittels umlaufend rotierender Fadenführer aufgebracht
werden. Die durch die umlaufend rotierenden Fadenführer (auch Umlauffadenführer genannt)
zyklisch und lose aufgelegten schlingenförmigen Fadenlagen werden von
einer weiteren, später
gelegten und deswegen darüberliegenden
Schicht aus gestreckten Fäden
eingeschlossen. Auch diese Schicht ist in Zick-Zack-Form zwischen
den Haken der genannten Transportketten gespannt.
-
Das
so gebildete Fadengelege wird unmittelbar nach seiner Vollendung – dem Bewegungsrythmus
der Transportketten angepasst – zunächst durch sog.
Nadelvorgänge
verdichtet und anschließend nach
Art einer Kettenwirkmaschine durch eine Vielzahl von Maschenstäbchen derart
miteinander verwirkt, dass das Fadengelege bis zu seiner Weiterverarbeitung
stabilisiert bleibt.
-
Ein
derartiges Fadengelege ist als Halbzeug für großflächige, wenig gekrümmte oder
verformbare Teile vorgesehen. Es wird mit Kunstharz oder mit geeigneten
Kunststoffen getränkt
und gemeinsam mit diesen zu dem gewünschten Werkstück verarbeitet. Die
auf diese Weise hergestellten, plattenförmigen Teile sind für großflächige Teile
wie Flugzeugrümpfe, Schiffsplanken
u. ä. geeignet.
Solche Teile haben bei einer geringen Masse eine extreme Festigkeit.
-
Als
Nachteil ist zu vermerken, dass derartige Halbzeuge wegen der gestreckten
Lage und der extrem hohen Festigkeit der Fadenscharen eine Verformung
nach Art des Tiefziehens selbst mit geringen Tiefen und größeren Radien
nicht zulassen.
-
Ein ähnliches
Verfahren zur Herstellung multiaxialer Fadengelege ist u. a. durch
die
DE 197 26 831
A1 bekannt geworden. Bei dieser Anordnung werden – ähnlich wie
vorn beschrieben – Fadenschichten
mit paralleler und gestreckter Ausrichtung der Einzelfäden in jeweils
einer Schicht zwischen den beiden Transportketten aufgespannt und
geführt. Auch
in diesem Fall werden die Einzelfäden der verschiedenen Fadenscharen
und Fadenschichten mit hoher Spannung zwischen den Transportketten
gehalten und der Wirkstelle einer Kettenwirkmaschine zugeführt.
-
Alle übereinander
ausgebildeten Schichten werden durch die Nadeln der Wirkbarre einer
Kettenwirkmaschine durchdrungen und mittels Maschenverbund in der
vorgelegten Ausrichtung aneinander gehalten. Als besonderer Nachteil
dieser Anordnung ist der extrem große Platzbedarf für die Legeanordnungen
hinter der Kettenwirkmaschine zu bewerten.
-
Die
an den Haken der Transportketten wirkenden Zugkräfte durch die einzelnen Fadensysteme erreichen
bei den üblichen
Gelegebreiten solche Größenordnungen,
dass sich die Haken verformen. Eine gleichmäßige Spannung der Einzelfäden ist dann
nicht mehr gewährleistet.
-
Das
auf dieser Anlage hergestellte Fadengelege ist nicht für das Verstärken von
dreidimensionalen, dünnwandigen,
und meist unregelmäßig profilierten
Werkstücken
einsetzbar. Die gleichmäßig gespannten,
sehr fest miteinander verbundenen und sehr stabilen Einzelfäden lassen
sich nicht faltenfrei über
derartige Werkstücke
und deren Herstellungsformen legen oder gar Tiefziehen. Das Anpassen
an diese Formen erfordert ein hohes Maß an Handarbeit. Dieses Verfahren
ist damit für
die rationelle Gestaltung großer
Serien von dreidimensionalen dünnwandigen
Teilen nicht geeignet.
-
Durch
die
DE 30 03 666 A1 wurde
ein Verfahren aufgezeigt, mit dem einzelne, unterschiedlich geformte
Fadengelege mit unterschiedlicher Ausrichtung der Armierungsfäden hergestellt
werden können.
Auf einer Platte mit erheblichen Abmessungen und einer Vielzahl
gleichmäßig verteilter
Bohrungen werden entlang der Konturen eines herzustellenden Halbzeuges
Haltestifte eingebracht. Ein in alle Richtungen bewegbarer Fadenführer legt
unterschiedlich ausgerichtete Fadengruppen über die gewünschte Fläche und um die genannten Stifte
herum zu einem mehrschichtigen Fadengelege. Dieses Fadengelege wird
anschließend
für den
Weitertransport fixiert und von den genannten Stiften abgehoben.
-
Die
Verwendung derartiger Fadengelege für die Stabilisierung dreidimensionaler,
dünnwandiger Teile
ist – ebenso
wie in den vorgenannten Fällen – nicht
möglich,
weil sich die einzelnen gestreckten Fäden des Fadengeleges nicht
oder nur sehr ungenügend
in eine andere räumliche
Form bringen lassen. Auch hier ist das Anbringen von Falten oder
keilförmigen
Ausschnitten, die die Form bzw. die Festigkeit des Werkstückes nachteilig
beeinflussen, unvermeidbar. Eine Verfomung nach der Art des Tiefziehens
ist völlig
ausgeschlossen.
-
In
dem gleichen Dokument wird auch vorgeschlagen, gewölbte Fadenlagen
herzustellen. In diesem Fall werden die genannten Stifte auf einer
gewölbten
Fläche
angeordnet, so dass die dann aufgebrachten Fadenlagen eben diese
gewölbte
Form annehmen und dann später
auch dreidimensionale dünnwandige
Werkstücke
aus Kunststoff oder Harz verstärken
können,
ohne dass es zu einer unerwünschten
Faltenbildung kommt. Auch diese Art der Herstellung von Fadengelegen
zur Verstärkung
dreidimensional geformter Werkstücke
ist für
viele Einsatzzwecke ungeeignet.
-
Die
Produktivität
bei der Herstellung dieser Fadengelege ist wegen des Einsatzes nur
eines einzigen Fadenführers äußerst gering.
Die Herstellung von großen
Stückzahlen
ist mit einem zu hohen Aufwand verbunden. Nachteilig ist weiterhin,
dass für
jedes Werkstück
unterschiedliche Grundplatten vorzusehen sind, in denen die Stifte
zur Führung
des Fadengeleges eingebracht werden können. Die Halbzeuge sind regelmäßig nur
für einen
ganz bestimmten Zweck einsetzbar. Weiterführende Tiefziehvorgänge sind
auch mit einem solchen Fadengelege nicht möglich.
-
Durch
die
DE 1 127 860 A1 und
die
GB 1 220 204 sind
Verfahren zur Herstellung von mittels Klebstoff verbundenen Fadengelegen
bekannt. Die Faser- oder Fadenscharen werden in unterschiedlichen Bögen unter
Anwesenheit eines Klebstofffilmes gleichzeitig in den Klemmspalt
eines Walzenpaares geführt.
Der Klebstoff verteilt sich in alle Hohlräume zwischen Fasern. Unter
dem hohen Druck im Klemmspalt bildet sich eine feste und endgültige Klebeverbindung
aus, die in einem kontinuierlichen Prozess unmittelbar danach unter
Wärmezuführung aushärtet. Ein
Umformen eines so hergestellten Flächengebildes in einer dreidimensionalen
Form ist, wenn überhaupt,
nur unter Ausbildung von Falten und bei einer erheblichen Zahl von
Faden- oder Faserbrüchen
möglich.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
multidirektionaler Fadengelege vorzuschlagen, das vorzugsweise zu einem
Halbzeug führt,
das mit einfachen technischen Mitteln in einer vorgegebenen, ggf.
gewölbten
Ebene (Ablegegrund) mit vorgegebenen Konturen hergestellt oder nach
einem Zuschneidvorgang in jede beliebige dreidimensionale Form – vorzugsweise
durch eine Art Tiefziehvorgang – gebracht
werden kann. Die dabei entstehenden Verstärkungseigenschaften sind auch
nach dem Verformungsvorgang in multidirektionaler Form zu gewährleisten.
Die damit hergestellten Teile sollen gleichmäßig dünnwandig, faltenfrei und frei
von gebrochenen Fäden
oder einzubringenden Kerben ausgestaltbar sein und eine hohe Festigkeit
in allen Richtungen gewährleisten.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte nach Anspruch 1 gelöst. Das
Ablegen der Fäden
und/oder Faserstränge
in räumlich
begrenzten, in sich fortschreitend geschlossenen Figuren, die sich
mehr oder weniger regelmäßig wiederholen
und gegenseitig kreuzen, gestattet es, Fadengelege für die Verstärkung dreidimensionale
Formen nahezu beliebig zu gestalten. Das nur fein verteilt aufgebrachte
fixierende Mittel und das spannungs- und druckfreie Ablegen der
Faden- oder Faserschichten ermöglicht
im letzten Arbeitsschritt des Umformens das gegenseitige Verschieben
aneinander haftender Fasern oder Fäden unter der Anwesenheit fließfähiger Kunststoffe
oder Harze. Das Gelege bildet bei tiefziehartigem Umformen keine
Falten aus. Fäden oder
Fasern können
bei entsprechender Ablage ihre Position ändern ohne zu reißen.
-
Die
Grundstruktur der Verstärkung
wird nur unwesentlich beeinträchtigt.
Die gewünschte
hohe Festigkeit entsteht nach dem endgültigen Aushärten des Kunststoffes oder
des Harzes.
-
Mit
der Arbeitsweise nach Anspruch 1 ist es auch möglich, die einzubringenden
Verstärkungen
je nach den Erfordernissen weitgehend unterschiedlich zu gestalten.
Auch die Kombination mit gestreckt verlegten Fadenschichten ist
möglich,
wenn sie den Tiefziehvorgang nicht behindern.
-
Die
Verwendung von ebenen Zuschnitten aus einer erfindungsgemäß vorfixierten
Bahn nach Anspruch 2 ermöglicht
ein rationelles Herstellen auch großer Stückzahlen unterschiedlich geformter
Werkstücke
aus ein und demselben Halbzeug.
-
Die
Modifizierung des Verfahrens nach Anspruch 3 eignet sich in besonderer
Weise für
großflächige Werkstücke mit
unregelmäßigen Konturen,
mit größeren Öffnungen
und mit unterschiedlich belasteten oder belastbaren Abschnitten.
-
Verwendet
man als unteren Abiegegrund gemäß Anspruch
4 ein Fadengelege mit zwischen den Transportketten oder in Kettrichtung
gespannten, vorzugsweise dünnen
Fäden begrenzter
oder später während des
Umformvorganges begrenzbarer Festigkeit, kann der Transport vom
Fadenleger zu der Maschine, die den Zuschnitt des Fadengeleges bewirken
soll zuverlässig
und kontinuierlich gewährleistet
werden. Die Festigkeit der hierfür
verwendbaren Fäden
sollte so gewählt
werden, dass sie einerseits ihrer Tragefunktion als Ablegegrund
gerecht werden und dass sie andererseits bei einem Verformungsvorgang,
der meist bei höheren
Temperaturen stattfindet, platzen oder sich verformen. Auf diese
Weise behindern sie den Verformungsprozess nicht.
-
Die
Lagesicherung der bognen- oder schlingenförmigen Fäden oder Faserstränge auf
dem Abiegegrund oder auf vorher gelegten Schichten während des
Legevorganges mit schmelzfähigen
Stoffen – nach
Anspruch 5 – führt zu einem
qualitativ hochwertigen Werkstück.
-
Die
Verwendung von sog. Schmelzfasern oder eingebrachten Partikeln aus
leicht schmelzbaren Stoffen – nach
Anspruch 6 – erlaubt
den Verzicht auf Sprühanordnungen
im Bereich bewegter Maschinenteile (Lieferwerk und umlaufende Fadenführer). Heizvorrichtungen
behindern mechanisch bewegte Teile weniger als Sprühvorrichtungen
für aushärtbare,
flüssige
Partikel.
-
Die
in Anspruch 7 definierte Größe der zyklischen
Legungsbilder ist in der Mehrzahl der Anwendungsfälle ausreichend
zur Sicherung der erforderlichen Festigkeit. Zum Einen ermöglichen
sie das konturengetreue Gestalten der Fadengelege in drei Dimensionen
an sich. Zum Anderen tragen sie zur Erhaltung der gelegten Form
der Legungsbilder auf ihrer Unterlage unter Berücksichtigung der Eigenschaft der
Fäden,
dass diese sich im spannungslosen Zustand strecken, bei. Schließlich erlauben
solche Größenverhältnisse
der Legungsbilder auch die nötige Verformbarkeit
des Fadengeleges.
-
Werden
die Fäden
und/oder Faserstränge – nach Anspruch
8 – vor
dem Ablegen in Schlingen- oder Wellenform texturiert, kann man mit
zusätzlich reduziertem
Vorrichtungsaufwand für
viele Einsatzfälle
die notwendige multiaxiale Struktur des Fadengeleges sichern. Auf
diese Weise lassen sich auch kleinere Bögen der Fäden realisieren.
-
Das
Aufbringen der Fadengelege mit den Verfahrensschritten nach Anspruch
9 ermöglicht
es, Fadengelege mit geringsten technischen Aufwendungen hinsichtlich
der Vorrichtungen und auf kleinstem Raum herzustellen. Die Festigkeitseigenschaften
dieser Fadengelege sind nahezu gleichwertig denen, die auf herkömmlichen
Multiaxialmaschinen mit gestreckten Fäden oder Fasersträngen in
jeder Schicht erreicht wurden. Halbzeuge dieser neuen Art lassen
sich auch und mit besonderen Vorteilen für wenig verformbare ebene Platten
für Schiffsplanken, Propeller
oder Karosserieteile von Flugzeugen oder Fahrzeugen verwenden.
-
Die
Art und Weise der Legung nach Anspruch 10 gestattet es, z. B. in
Karosserieteilen, beliebige Ausnehmungen in dem Fadengelege vorzusehen
und somit die Verstärkung
der effektiven Fläche
nach Form und Größe anzupassen.
Die Verwendung von Lieferwerken im Bereich der Fadenleger gestattet
eine Ablage der Faserstränge
oder Fäden mit
einer hohen Präzision
auch dann, wenn die gesamte Anlage aus irgendwelchen Gründen diskontinuierlich
arbeitet.
-
Eine
zuverlässige
Ausrichtung der Fäden
auf ihrer Unterlage gewährleistet
man durch den Einsatz von Lieferwerken nach Anspruch 11.
-
Fügt man in
die Fäden
oder Faserstränge auch
schmelzfähige
Fasern ein, kann man mit den Verfahrensschritten nach Anspruch 12
das Halbzeug in der Herstellungsebene auf einfache Weise kalibrieren
und verdichten. Das so aus dem Fadengelege hergestellte Flächengebilde
bzw. Halbzeug ist für
Zuschneide- und Transportvorgänge
ausreichend stabilisiert und kann beim Zusammenwirken mit der Form des
Spritzwerkzeuges zuverlässig
gehandhabt werden.
-
Die
Art der Verfestigung nach den Arbeitsschritten gemäß Anspruch
13 macht es möglich,
eine hohe Stabilität
der vorläufigen
Fixierung des Halbzeuges bei Transport und Zuschnitt zu gewährleisten.
Die elastischen Fäden
des Gewirkes müssen beim
Tiefziehvorgang nicht unbedingt zerplatzen. Das elastische Gewirke
folgt im erheblichen Maß dem
Verformungsvorgang des Halbzeuges. Nur bei extremer Verformung werden
einzelne Fäden
des Gewirkes platzen ohne den gleichmäßigen Aufbau der Verstärkung zu
beeinträchtigen.
-
Das
Fadengelege nach Anspruch 14 ermöglicht
es auch innerhalb eines Teiles oder eines Werkstückes unterschiedliche Grade
der Verstärkung
entsprechend dem Einsatzzweck der Werkstücke vorzusehen. Zur Automatisierung
eines nachfolgenden Zuschnittes kann man das großflächig hergestellte Fadengelege
vorzugsweise nach dem Verdichten und Fixieren in Längsstreifen
trennen und dadurch den Zuschneideprozess rationalisieren.
-
Die
Ausführung
nach Anspruch 15 modifiziert die Gestaltung des Verfahrens nach
Anspruch 14 für
ausgewählte
Einsatzzwecke.
-
Benötigt man
eine hohe Festigkeit auch in den Randbereichen eines Werkstückes, empfiehlt sich
die Vorgehensweise nach Anspruch 16.
-
Die
Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die dazu gehörigen
Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Grundform eines Fadengeleges mit
einer Vielzahl einander überlappender
Schlingen und eine vereinfachte Darstellung des Legers und der Legezone
in einer Seitenansicht,
-
2a, b, c Grundformen
der Schlingen und Wellengelege,
-
3a bis f unterschiedliche Schlingenlegeformen
und Winkelorientierungen,
-
4 das Prinzip einer Schlingenlegung
mit sich spiralförmig
verlagernden Bahnen und eine Darstellung der damit erzeugten unterschiedlichen Schichtdicken,
-
5 ein grobes Schema einer
ersten Anlage für
die Herstellung eines Fadengeleges in zwei Ansichten, wobei der
Ablegegrund von einer Schar endloser Kettfäden gebildet ist,
-
6 eine Anlage ähnlich der
Anlage nach 5, bei der
der Ablegegrund durch zick-zack-förmig zwischen Transportketten
gelegte Schussfadenscharen gebildet ist,
-
7 eine Darstellung eines
Werkstückes mit
unterschiedlichen Verstärkungsbereichen
und unregelmäßigen Konturen
,
-
8 ein nach dem Legevorgang
tiefgezogenes, schalenförmiges
Werkstück,
-
9 ein kappenförmiges Werkstück mit unterschiedlich
verstärkten
Bereichen,
-
10 ein mehrschichtiges,
unregelmäßiges Fadengelege
im Schnitt,
-
11 ein einschichtiges Fadengelege
mit einer Deckschicht aus Schnitzeln,
-
12 ein einschichtiges Fadengelege
mit umgeschlagenen Rändern,
-
13 ein auf einem dreidimensional
gewölbten
Ablagegrund aufgelegtes Fadengelege und
-
14 vier unterschiedliche
Fadengelege, die sich aus unterschiedlichen Wellengelegen zusammensetzen.
-
Das
in 1 gezeigte Fadengelege 1 wird mittels
umlaufendem Fadenführer
gelegt. Dem umlaufenden Fadenführer 422 sind
ein Lieferwerk 423 und ein entsprechender Antrieb 424 zugeordnet.
Dieser umlaufende Fadenführer 422 wird
von oben nach unten in mäanderförmigen Bahnen 20 geführt und legt
durch die Überlagerung
dieser unterschiedlichen Bewegungen zyklisch Fadenschlingen auf
dem Ablagegrund 10 ab, die einander überlappen und erzeugt in der
Summe ein Fadengelege 1 unterschiedlicher Dichte und Dicke.
-
Die
so erzeugten Fadenlagen und Schichten 11 werden in einem
folgenden Arbeitsgang mit Kunststoff oder Harz getränkt und
härten
anschließend meist
unter Druck in einer Form zu einem festen Gebilde aus. Solange der
Kunststoff oder das Harz noch in einem wachsförmigen Zustand verformbar ist, kann
man dieses Fadengelege, dessen Schlingen und Lagen gegeneinander
verschiebbar sind, auch durch einen Präge- oder Gießvorgang nach dem Prinzip des
Tiefziehens in dreidimensionale dünnwandige Teile einformen.
Die im Werkstück
eingefügten
schlingenförmigen
Fasern oder Fäden
geben dem Werkstück
auch bei sehr kleinen Querschnitten eine sehr hohe Festigkeit. Falten
oder Einkerbungen in dem Fadengelege sind bei der Umformung in drei Dimensionen
nicht erforderlich.
-
Mögliche Grundbestandteile
einer Legung sind in den einzelnen Bildern a), b) und c) der 2 dargestellt. Im Bild a)
der 2 ist eine Schlingenlegung
dargestellt, bei der sich der Umlauffadenführer 422 als Einheit entlang
der Bahn 20 bewegt. Ein einzelner Zyklus einer solchen
Schlingenlegung ist links durch eine stärker gezeichnete Schlinge 21 angezeigt.
Das Bild b) dieser 2 zeigt
ein Wellengelege 31, 32 mit zwei unterschiedlich
quer zur Arbeitsrichtung changierend gesteuerten Fadenführern, deren Zyklen
unterschiedlich und ggf. in sich variabel sein können. Durch eine entsprechende,
gegenseitig versetzte Anordnung der Fadenführer und ihrer Bahnen 310, 320 kann
man unterschiedlich dicke und gerichtete Schichten erzeugen. Die
Bahnen dieser Wellengelege verlaufen entweder parallel zur Arbeitsrichtung
X oder in einem dazu geneigten Winkel.
-
Das
Bild c) zeigt eine Kombination von wellenförmigen Gelegen 33, 35, 36,
deren Bahnrichtungen sowohl in Schuss- Y als auch in Arbeitsrichtung X
ausgerichtet sein kann. Die Wellengelege 33 verlaufen überwiegend
in Arbeitsrichtung X, während die
Wellengelege 35, 36 überwiegend entlang von Bahnen
geführt
werden, die sich etwa in Schussrichtung Y erstrecken.
-
Die 3 zeigt in den Bildern a
bis f unterschiedliche Varianten von Schlingenlegungen. In diesem
Fall führt
der Umlauffadenführer
ovale Umlaufbewegungen aus. Die längere Achse des Ovals kann auf
unterschiedliche Weise zur Bewegungsbahn 20 des Fadenführers als
Einheit ausgerichtet sein. Die jeweilige Ausrichtung der Winkelorientierung
wird bestimmt durch die voraussichtliche künftige Belastungsrichtung des
Fadengeleges 1 bzw. des später daraus hergestellten Werkstückes.
-
Die 4 zeigt im Bild a) die Gestaltung
der Bahn 20' eines
ovalen Schlingengeleges 2'.
Die Bahn 20' ist
hier spiralförmig
angeordnet und verlagert sich in eine vorgegebene wählbare Richtung
Z.
-
Im
Bild b) der 4 ist gezeigt,
wie bei dieser Anordnung unterschiedliche Dicken d1, d2 des Fadengeleges
entstehen. Durch eine entsprechende Steuerung der Verlagerung kann
man Werkstücke mit
Rippenstrukturen in einer oder mehreren Richtungen auf einem Ablegegrund 10 herstellen.
-
5 zeigt stark schematisiert
eine Anlage zur Herstellung von Fadengelegen 1, die überwiegend
als Bahn gleicher Breite entsteht. Den unteren Ablagegrund 10 bildet
eine Kettfadenschar 101, die von einem Kettbaum 7 gesteuert
unter Erhaltung einer entsprechenden Spannung abgezogen wird und im
Bereich der Wirkstelle einer Kettenwirkmaschine 9 gemeinsam
mit dem zwischenzeitlich gebildeten Fadengelege 1 verfestigt
wird.
-
An
Stelle der Kettenwirkmaschine 9 kann jede andere Verfestigungseinheit
angebracht werden, die geeignet ist, das Fadengelege 1 in
der vorgelegten Form so lange zu fixieren, bis es nach weiteren
Arbeitsgängen
gemeinsam mit dem Kunststoff oder Harz in die gewünschte Form
gebracht werden kann.
-
Dem
Kettbaum 7 ist unmittelbar ein schwingender Fadenleger 51 nachgeordnet,
der auf die gespannten Kettfäden 101 wellenförmige Fadenlagen ablegt.
Der Mehrfachfadenführer 511 ist
beiderseits des Arbeitsbereiches auf Schwinghebeln 512, 513 gelagert.
Unterhalb dieses Fadenlegers 51 befindet sich ein umlaufendes
Transportband 8 mit einer Vielzahl von Nadeln an seinem
Umfang. Diese Nadeln durchgreifen die Gassen zwischen den einzelnen Kettfäden (101)
und sichern die wellenförmig
abgelegten Fadenlagen. Haben diese Fadenlagen ihre stabile Lage
erreicht, werden die Nadeln nach unten aus der Schar der Kettfäden 101 bewegt.
-
Eine
von einem Sprühbalken 61 in
feinsten Partikeln aufgebrachte klebrige Masse, die vorzugsweise
eine gleiche oder ähnliche
Zusammensetzung hat wie der später
das Fadengelege 1 einschließende Kunststoff oder das Harz,
sichert den Zusammenhalt des bisher gelegten Fadengeleges 1 und
schafft die Voraussetzung, dass die nachfolgend aufgebrachten, spannungslos
abgelegten Schlingen- 2 oder Wellengelege 3 ihre
Lage beim Legevorgang im Wesentlichen beibehalten.
-
im
vorliegenden Beispiel folgt diesem Sprühbalken 61 ein Fadenleger 42.
Dieser hat einen Rahmen 421, in dem, über die Breite des Geleges
verteilt, Umlauffadenführer 422 angeordnet
sind. Der gesamte Rahmen wird hier beispielsweise entlang einer rechteckigen
oder sich kreuzenden Bahn 20'' geführt. Diese
Bahn 20'' kann man je
nach der gewünschten Struktur
und Form des Fadengeleges 1 unterschiedlich gestalten.
Man kann die einzelnen Umlauffadenführer 422 mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten antreiben oder auch völlig stillsetzen.
-
Nach
einem weiteren Sprühvorgang
am Sprühbalken 62 ist
ein weiterer Fadenleger 43 mit Umlauffadenführern 432 vorgesehen.
Der Rahmen 431 wird hier ausschließlich quer zur Arbeitsrichtung X
schwingend bewegt. An der Kettenwirkmaschine 9 wird das
so hergestellte Fadengelege 1 in an sich bekannter Weise
durch einen vorzugsweise elastischen Maschenverbund verfestigt.
Die Elastizität
des Maschenverbundes kann man durch die Verwendung elstischen Fadenmaterials
oder durch eine bestimmte Legung (z. B. Trikot) erreichen.
-
Beabsichtigt
man aus dem so hergestellten Fadengelege 1 räumlich gestaltete
Hohlkörper
herzustellen, dann werden aus dem vorverfestigten bahnförmigen Fadengelege 1 auf
herkömmliche
Weise Zuschnitte erzeugt, die dann in die Spritz- oder Pressform
unter Beigabe entsprechender Kunststoffe oder Harze in die endgültige Form
gebracht werden. Die Zuschnitte brauchen keine Reserven für Falten
und keine keilförmigen
Ausnehmungen erhalten.
-
Bei
dem hierbei auftretenden Verformungsvorgang wird das Fadengelege 1 nicht
zerstört.
Es bilden sich auch keine Fasten aus. Die einzelnen zyklisch gelegten
Fadenabschnitte verlagern sich im Werkstück gegeneinander und sorgen
dafür,
dass quasi eine gleichmäßige Verstärkung in
allen Wandabschnitten bis zum Abschluss des Formgebungsvorganges
gegeben ist.
-
Die
so hergestellten Werkstücke
haben bei einer sehr geringen Eigenmasse eine hohe Festigkeit. Die
während
der Herstellung des Fadengeleges verwendeten Kettfäden 101 zur
Bildung des ersten Ablegegrundes 10 sollten hinsichtlich
ihrer Stärke und
Festigkeit so gewählt
werden, dass sie beim Formgebungsvorgang reißen oder unter Einwirkung der
Wärme beim
Formgebungsvorgang plastisch verformt werden. Dadurch behindern
sie den Formgebungsvorgang nicht mehr.
-
Ebenso
können
an der Kettenwirkmaschine 9 Wirkfäden verwendet werden, die bei
dem Formgebungsvorgang brechen oder sich strecken können.
-
Die 6 zeigt eine ähnliche
Anlage, wie sie in Bezug auf 5 beschrieben
wurde. Der erste Ablegegrund 10 wird hier durch Schussfadenscharen 102 gebildet,
die in herkömmlicher
Weise zwischen zwei Transportketten 71, 72 in
Zick-Zack-Lagen gespannt werden. Auf dieses erste Fadengelege 102 wird
durch den Fadenleger 41 ein Schlingengelege mit Hilfe eines
umlaufenden Mehrfachfadenführers 411 aufgebracht.
Der Mehrfachfadenführer 411 wird durch
Kurbeln 412, 413 unter Beibehaltung seiner Lage
zur Abzugsrichtung X umlaufend angetrieben. Die Lager der Kurbeln 412, 413 sind
zusätzlich
nach einem beliebigen Programm versetzbar, so dass man eine nach
bestimmten Gesetzmäßigkeiten
aufgebaute erste Schicht aus schlingenförmigen Lagen herstellen kann.
Eine unter dem Fadengelege 102 angeordnete Sauganordnung
oder eine oberhalb angeordnete Düsenanordnung
(nicht dargestellt) kann neben der Schwerkraft für eine ausreichende Haftung des
Schlingengeleges 2 auf dem Ablegegrund 10 sorgen.
-
Nach
dem Aufbringen der ersten Schicht bringt ein Sprühbalken 64 – wie bereits
oben beschrieben – feinste
Partikel einer klebenden Flüssigkeit
auf diese erste Schicht auf. Ein folgender Fadenleger 52,
ausgestattet mit einem Mehrfachfadenführer 521 legt ein
wellenförmiges
Fadengelege 3 in einer zweiten. Schicht auf. Diese Schicht
wird ebenfalls durch einen Sprühbalken 63 mit
einer klebrigen, punktförmig
verteilten Masse beaufschlagt. Damit sind die Voraussetzungen gegeben,
dass ein weiterer Fadenleger 53 mit seinem Mehrfachfadenführer 531 ein
weiteres Wellengelege 3 aufbringen kann.
-
Die
Kettewirkmaschine 9 verfestigt das ihr vorgelegte Fadengelege 1' aus der unteren
Lage 102, einem Schlingengelege 2 und zwei weiteren Wellengelegen 3 mit
einem elastischen bzw. flexiblen Maschenverbund. Wie bereits erwähnt, muss
die Verfestigung des Fadengeleges nicht unbedingt mittels Kettenwirkmaschine 9 erfolgen.
-
Fadengelege
mit schmelzfähigen
Bestandteilen in Form von Fasern oder Faserummantelungen oder einem
daran haftenden Pulver machen es möglich, dasselbe mittels Wärme in einem
vorgegebenen Raum zu fixieren oder zu kalibrieren. Man kann in diesem
Fall auch die Sprühbalken 61...65 durch Heizstäbe ersetzen.
-
In
den 7 bis 9 sind einige Werkstücke als Beispiele
dargestellt.
-
Die 7 zeigt eine Seitenwand
eines Kraftfahrzeuges. In Abhängigkeit
von der jeweiligen Funktion der Abschnitte sind darin unterschiedlich
dichte Fadengelege 1 eingebracht worden. Die Bereiche bei A1
erfordern eine durchschnittliche Festigkeit. Sie sind mit einer
mittleren Dichte des Fadengeleges ausgestattet. Besonderst stark
belasbare Abschnitte A2 kann man mit einer zusätzlichen Verstärkung versehen.
Andere Abschnitte wieder kommen, wie bei A3 gezeigt mit einer deutlich
reduzierten Verstärkung aus.
Verwendet man eine besondere Form eines Legers; z. B. einen Roboter
mit einem Legearm, kann man sowohl die Außenkonturen als auch bestimmte Öffnungen
wie für
Fenster und Türen
bereits beim Legevorgang begrenzen. Die Vorteil besteht in einer deutlichen
Materialeinsparung.
-
Die 8 zeigt ein schalenförmiges Werkstück B, das
in dieser oder einer ähnlichen
Form herzustellen ist und oft einer starken Belastung ausgestetzt
wird. Dieses Werkstück
wird regelmäßig aus
einem ebenen Halbzeug hergestellt. Das Halbzeug ist hier meist eine
vorfixierte Bahn aus Fadengelege 1. Durch einen Zuschnitt
wird die Größe des in
das Werkzeug zu legenden Fadengeleges 1 bestimmt. Das Fadengelege
kann bereits mit Kunststoff oder Harz – ähnlich einem sog. "Prepreg" – getränkt sein, wobei sich dieser
in einem wachsähnlichen
Zustand befindet, wenn der Zuschnitt in das Werkzeug eingebracht
wird. Im Werkzeug härtet
dann das Werkstück unter
dem Einfluss von Druck und Hitze aus.
-
Ein ähnliches
Anwendungsbeispiel zeigt die 9.
Hat ein solches Teil C relativ kleine Abmessungen, kann dasselbe
auch aus einem besonders strukturierten flachen Fadengelege hergestellt
werden.
-
Übersteigt
die Größe dieses
Teiles C bestimmte Abmessungen, dann ist es zweckmäig das Fadengelege
bereits auf einem sphärisch
gewölbten Ablegegrund 103 (Vgl. 13) auszubilden und vorzufixieren.
Der Able gegrund 103 braucht dabei noch nicht genau den
Endabmessungen des fertigen Werkstückes entsprechen. Ein an einem
Roboterarm angebrachter Fadenleger (nicht dargestellt) der vorzugsweise
Schlingenlegungen 2 aufbringt, kann Gerüstelemente aus dickerem Fadengelege
C1 und Füllflächen aus
weniger dichtem Fadengelege C2 vorlegen.
-
Gerade
bei derartigen Teilen tritt durch die beliebige Gestaltung der Gelegedicke
ein deutlicher Vorteil hinsichtlich der Materialökonomie ein. Auch deutliche
Gewichtseinsparungen sind möglich.
Das macht sich insbsondere an Kfz-Teilen und an Teilen von Flugzeugen
besonders vorteilhaft bemerkbar.
-
Die 10 bis 13 zeigen noch einmal besondere Strukturen
von Fadengelegen im Querschnitt.
-
In 10 wird auf eine Kettfadenschar 101 als
erste Schicht 11 ein Schlingengelege 2 aufgebracht.
Die zweite Schicht 12 wird von einem flachen Wellengelege 3 gebildet.
Ihr folgt in einer dritten Schicht 13 ein Schlingengelege 2.
Schießlich
wird das so erzeugte Fadengelege 1' durch eine Deckschicht 14 abgeschlossen,
die hier aus einem Wellengelege besteht.
-
11 zeigt ein partiell dichter
gestaltetes Fadengelege 1'', das z. B.
im Bereich eines Holmes gelegt werden kann. Zur Verbesserung der
Oberflächenstruktur
werden fallend Faserschnitzel gleichmäßig verteilt aufgebracht und
in den Werkstückverbund
mit eingefügt.
-
Die 12 zeigt ein flaches Gelege,
bei dem die dünneren
Randzonen des Geleges nach innen umgeschlagen werden, um so zu einer
gleichen Gelegedicke auch in den Randbereichen beizutragen. Man
kann damit die Schichtdicke in den Randbereichen korrigieren.
-
Das
Fadengelege 1''' in 13 wird
vorteilhafit für
gewölbeartige
Werkstücke
verwendet. Auf einem gewölbten
Ablegegrund 103 werden mittels dreidimensional bewegbarem
Fadenleger die gewünschen
Schichten und Figuren aufgelegt. Mit dieser Maßnahme reduziert man die Größe des notwendigen
Tiefziehvorganges bei Teilen mit größeren Abmessungen.
-
Die 14 zeigt nochmals vier Beispiele
von unterschiedlichen Fadengelegen 1a, 1b, 1c, 1d.
-
Jeweils
oberhalb jedes Geleges sind die Grundformen der Bewegungen des Fadenlegers
jedes Fadensystems und damit die Wellenformen der verlegten Schichten
dargestellt.
-
Das
erste Fadengelege 1a setzt sich aus Fadensystemen 3a1, 3a2. 3a3 und 3a4 zusammen.
In diesem Fadengelege 1a überwiegen die Fäden in der Ausrichtung
zwischen +/–22,5° und +/–45° zur Arbeitsrichtung
X.
-
In
dem zweiten Fadengelege 1b sind die Fadensysteme 3b1 und 3b2 enthalten,
die etwa den Fadensystemen 3a1 und 3a2 entsprechen.
Bei diesem Fadengelege liegt die Hauptbelastungsrichtung bei +/–22,5° zur Arbeitsrichtung
X.
-
Das
dritte Fadengelege 1c besteht nur aus den Fadensystemen 3c1 und 3c2 die
etwa den Fadensystemen 3a3 und 3a4 entsprechen.
Die Hauptbelastungsrichtung liegt bei etwa +/–45° zur Arbeitsrichtung X.
-
Das
vierte Fadengelege 1d besteht aus zwei Fadensystempaaren 3d1 und 3d2,
die gemeinsam nahezu kreisbogenförmig
geschlossene Wellengelege erzeugen. Die Überlagerung führt zu dem
Fadengelege 1d. Wir erkennen deutlich, dass in nahezu allen
Richtungen geschlossene gerichtete Belastungslinien entstanden sind.
So hergestellte Erzeugnisse haben in der Wandebene solcher Teile
eine nahezu homogene Festigkeit.
-
- 1,
1', 1''
- Fadengelege
- 1a,
1b, 1c, 1d
- Fadengelege
- 10
- Ablegegrund
- 101
- Kettfadenschar
- 102
- Schussfadengelege
- 103
- Ablegegewölbe (sphärische Ablegefläche)
- 11
- 1.
Schicht (Schlingengelege)
- 111,
112
- Falte
- 12
- 2.
Schicht (Wellengelege)
- 13
- 3.
Schicht (Schlingengelege)
- 14
- Deckschicht
(Wellengelege)
- 15
- Deckschicht
(Schnitzel)
- 2,
2'
- Schlingengelege
(allgemein)
- 20,
20', 20''
- Bahn
- 21
- Schlinge
(Zyklus)
- 3,
3'
- Wellengelege,
allgemein
- 3a,
3b, 3c, 3d
- Wellengelege
(angehangene Ziffern bezeichnen
-
- unterschiedliche
Fadensysteme der Wellengelege)
- 31
- Wellengelege
(in Kettrichtung)
- 310
- Bahn
- 31a
- Zyklus
- 32
- Wellengelege
- 320
- Bahn
- 32a
- Zyklus
- 33
- Wellengelege
- 330
- Bahn
- 33a
- Zyklus
- 35
- Wellengelege
(in Schussrichtung)
- 350
- Bahn
- 35a
- Zyklus
- 36
- Wellengelege
(in Schussrichtung)
- 360
- Bahn
- 36a
- Zyklus
- 41
- Fadenleger
- 410
- Rahmen
- 411
- Mehrfachfadenführer, schwingend
- 412
- Kurbel
- 413
- Kurbel
- 42
- Fadenleger
- 421
- Führungsrahmen
- 422
- Umlauffadenführer
- 423
- Lieferwerk
- 424
- Antrieb
- 43
- Fadenleger
- 431
- Führungsrahmen
- 432
- Umlauffadenführer
- 433
- Lieferwerk
- 51
- Fadenleger
- 511
- Mehrfachfadenführer
- 512
- Schwinge
- 513
- Schwinge
- 52
- Fadenleger
- 521
- Mehrfachfadenführer
- 53
- Fadenleger
- 351
- Mehrfachfadenführer
- 61,
62, 63, 64
- Sprühbalken
- 7
- Kettbaum
- 71,
72
- Transportketten
- 73
- Schussfadenführer
- 8
- Nadelband
- 9
- Kettenwirkmaschine
- A
- Werkstück
- A1
- Bereiche,
verstärkt
- A2
- Bereiche,
doppelt verstärkt
- A3
- minimale
Verstärkung
- A4
- Ausnehmungen
- B
- Werkstück, schalenförmig
- B1
- Tiefe
- C
- Werkstück, kalottenförmig
- C1
- stark
verstärkte
Bereiche
- C2
- gering
verstärkte
Bereiche
- X
- Arbeitsrichtung
- Y
- Schussrichtung
- Z
- Richtung
- d1,
d2
- Dicke