DE10060379B4 - Verfahren zur Herstellung von multidirektionalen Faden- oder Fasergelegen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von multidirektionalen Faden- oder Fasergelegen, insbesondere für die Verstärkung dreidimensional, gewölbt ausformbarer, dünnwandiger Werkstücke aus Kunststoffen oder Harzen,
wobei eine Zahl endloser Fäden oder Faserstränge einander kreuzend in zwei oder mehreren Schichten nacheinander auf einem Ablegegrund oder auf einer vorher aufgebrachten Schicht gelegt und vorfixiert wird und
wobei das vorfixierte Faden- oder Fasergelege in einem Werkzeug räumlich ausgeformt wird und in eben diesem Werkzeug gemeinsam mit dem Kunststoff oder dem Harz aushärtet,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Ablegegrund und/oder auf vorher gelegten Fadenschichten, in Verbindung mit dem Ablegevorgang für die Ausbildung einer Schicht, Fäden fixierende Mittel in Form von Sprühnebel oder in Form von bei niedrigeren Temperaturen schmelzbaren einzelnen, verteilten Fasern oder Partikeln in die Ablegezone eingebracht und/oder dort aktiviert werden,
dass die Fäden und/oder Faserstränge in jeder Schicht einzeln oder in Gruppen zyklisch, wellen- und/oder schlingenförmig, fortschreitend, entlang unterschiedlich wählbar gerichteter...

Description

  • 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

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung von multidirektionalen Faden- oder Fasergelegen, insbesondere für die Verstärkung dreidimensional, gewölbt ausformbarer, dünnwandiger Werkstücke aus Kunststoffen oder Harzen, wobei eine Zahl endloser Fäden oder Faserstränge einander kreuzend in zwei oder mehreren Schichten nacheinander auf einem Ablegegrund oder auf einer vorher aufgebrachten Schicht gelegt und vorfixiert wird und wobei das vorfixierte Faden- oder Fasergelege in einem Werkzeug räumlich ausgeformt wird und in eben diesem Werkzeug gemeinsam mit dem Kunststoff oder dem Harz aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ablegegrund und/oder auf vorher gelegten Fadenschichten, in Verbindung mit dem Ablegevorgang für die Ausbildung einer Schicht, Fäden fixierende Mittel in Form von Sprühnebel oder in Form von bei niedrigeren Temperaturen schmelzbaren einzelnen, verteilten Fasern oder Partikeln in die Ablegezone eingebracht und/oder dort aktiviert werden, dass die Fäden und/oder Faserstränge in jeder Schicht einzeln oder in Gruppen zyklisch, wellen- und/oder schlingenförmig, fortschreitend, entlang unterschiedlich wählbar gerichteter Bahnen, spannungsfrei und ohne zusätzlichem Druck auf dem Ablegegrund und/oder auf vorher gelegten Fadenschichten mit den fixierenden Mitteln abgelegt werden und dass ein auf das dünnwandige, dreidimensionale Werkstück abgestimmter Flächenabschnitt des Faden- oder Fasergeleges in der Form des Werkzeuges bei Anwesenheit von fließförmigen Kunststoffen oder Harzen unter gegenseitiger Verschiebung der Fäden, Fasern und/oder Schichten des Geleges dreidimensional ausgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadengelege in regelmäßigen Bahnen hergestellt wird, dass aus den Bahnen des Fadengeleges die Flächenabschnitte in vorgegebenen Abmessungen und Konturen zugeschnitten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faden- oder Fasergelege in Form von Flächenabschnitten mit vorgegebenen, unregelmäßigen Konturen und unterschiedlicher Dicke hergestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Ablegegrund (10) aus einem Fadengelege (101, 102) mit zwischen Transportketten (71, 72) oder in Kettrichtung (Arbeitsrichtung X) gespannten und gestützten Fäden begrenzbarer Festigkeit besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auflegen einer Schicht ein schmelzfähiges Harz oder ein schmelzfähiger Kunststoff in Form eines Sprühnebels als Fäden fixierendes Mittel auf den Ablegegrund oder einer vorher gelegten Schicht aufgebracht wird und dass dieses Harz oder der Kunststoff demjenigen Werkstoff entspricht, der den Charakter des künftigen Werkstückes bestimmt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Fäden oder Faserstränge als Fäden fixierende Mittel Fasern oder Partikel aus leicht schmelzbarem Material mitführen und dass in der Legezone eine Erwärmung des Fadengeleges erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinsten mittleren Radien der zyklischen Legungsbilder zwischen 10 und 80 mm und die Fadenlänge eines Legungszyklus zwischen 80 und 200 mm vorgegeben werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Fäden oder Faserstränge vor dem Ablegen in Wellen- oder Schlingenform texturiert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Schicht Fadenscharen eines Fadenlegers (z. B. 51) in Arbeitsrichtung (X) fortschreitend wellenförmig (z. B. Wellengelege 3a, 3b, 3c, 3d) vorgelegt werden, dass das Fadengelege (1) mittels mindestens zwei, in Arbeitsrichtung (X) im Abstand hintereinander angeordneter, voneinander unabhängig bewegbarer Fadenleger (51, 42, 43; 41, 52, 53) gebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden einer Schicht innerhalb eines Legungszyklus schlingenförmig mittels umlaufend geführter Fadenleger (411, 422, 432) abgelegt werden, dass mehrere Fadenleger (422, 432) über die Breite des Fadengeleges (1) verteilt angeordnet sind und dass die umlaufend geführten Fadenleger (411, 422, 432) einzeln oder gemeinsam in Bahnen quer und längs zur Arbeitsrichtung geführt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden im Bereich der Fadenleger (411, 422, 432) in Richtung des Ablegegrundes (10) gefördert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadengelege (1) zwischen zwei, im definierten Abstand voneinander geführten Transportbändern unter Wärmezuführung kalibriert und schließlich abgekühlt zwischengespeichert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadengelege (1) der Wirkstelle einer Kettenwirkmaschine (9) zugeführt und dort mittels elastischer Gewirkebindungen (Trikot) und/oder unter Verwendung elastischer Fäden verdichtet und fixiert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadengelege (1; A) durch die Variation der Bewegung des/der Fadenleger in unterschiedlichen Bahnen mit Abschnitten (A1, A2, A3; C1, C2 ) unterschiedlicher Dichte ausgebildet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Fadengeleges (1) in streifenförmigen Bereichen reduziert ist und dass das fixierte Fadengelege (1) in Bereichen geringerer Dichte in Arbeitsrichtung in einzelne Streifen getrennt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder eines überwiegend aus Schlingen gebildeten Fadengeleges (Schlingengelege 2) vor dem endgültigen Formgebungsvorgang umgeschlagen und anschließend fixiert werden.
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