DE102004060674A1

DE102004060674A1 - Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings

Info

Publication number: DE102004060674A1
Application number: DE200410060674
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.-Ing. Weimer
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: DE102004060674B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil, umfassend folgende Schritte: a) loses, flächiges Ablegen (2; 4) einer Faseranordnung (F1, F2) auf einem flächigen Transportbandsystem (T; T1, T2) und im Wesentlichen vollflächiges Abstützen der abgelegten Faseranordnung (F1, F2) durch das Transportbandsystem (T; T1, T2); b) Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung (F1, F2) auf (aber nicht nur) dem Transportbandsystem (T2) zur Bildung eines flächigen, handhabbaren Faser-Vorformlings. Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil.

Die DE 101 56 875 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Faser-Verstärkungsstruktur für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil. Die Struktur besteht aus in mindestens einer Ebene ein- oder mehrlagig orientiert abgelegten Fasern bzw. Faserscharen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Drapierung der Faser-Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung im Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bildung von Drapiertixpunkten und/oder Drapierflächen sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Faser-Verstärkungsstruktur eingebracht werden. Diese Verfahren betrifft die Beeinflussung der Faser-Verstärkungsstruktur durch spezielle Versteifungen, jedoch nicht die Art und Weise des Lagenaufbaus der Faser-Verstärkungsstruktur.

Aus der DE 100 05 202 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil bekannt. Die Vorrichtung umfasst zwei in einem Abstand parallel zueinander angeordnete, zahnriemenartige Transportgatter, die eine Transportstrecke definieren. Zwischen jeweils gegenüberliegende Zähne der beiden Transportgatter werden Faserbündel gespannt, die sich im Wesentlichen quer über die Transportstrecke erstrecken und eine Fasergrundstruktur bilden. Die Breite dieser Fasergrundstruktur ist durch den gegenseitigen Abstand der zwei zahnriemenartigen Transportgatter fest vorgegeben. Die Faseranordnung und Faserorientierung der Grundstruktur wiederum wird durch die Zahnanordnung und die Aufspannrichtung der für die Grundstruktur verwendeten Faserbündel zwischen den jeweiligen Zähnen bestimmt. Auf diese Fasergrundstruktur werden mittels sogenannter Legeeinheiten, die oberhalb der Transportstrecke und der Fasergrundstruktur angeordnet sind, weitere Faserbündel abgelegt. Diese weiteren Faserbündel können hierbei bereichsweise oder aber flächig in im Wesentlichen beliebiger Anordnung auf der Fasergrundstruktur positioniert werden. Mit Hilfe einer oder mehrerer den Legeeinheiten nachgeschalteten Vernähstationen werden die abgelegten Faserbündel dann mit der Fasergrundstruktur vernäht.

Dieses vorbekannte Verfahren besitzt jedoch diverse Nachteile. So muss zunächst in sehr aufwendiger Art und Weise die Fasergrundstruktur hergestellt werden. Die Faserorientierung dieser Fasergrundstruktur ist auch nicht frei wählbar, da die Faserorientierung, wie schon erwähnt, durch die Anordnung der Zähne des Transportgatters bestimmt ist. Zudem ist die Breite der Fasergrundstruktur durch den gegenseitigen Abstand der Transportgatter fest vorgegeben und somit nicht veränderbar.

Es ist also erforderlich, die Fasergrundstruktur stets über die gesamte Breite der Transportstrecke aufzubauen und darauf zusätzliche Faseranordnungen zu applizieren, so dass letztendlich eine Vorform des herzustellenden Faser-Vorformlings entsteht, der integraler Bestandteil der bahnförmigen, großflächigen Fasergrundstruktur ist. Die Größe des Faser-Vorformlings und die von ihm eingenommene Grundfläche beträgt in der Regel jedoch nur einen Bruchteil der Oberfläche der gesamten Fasergrundstruktur. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Vorform des herzustellenden Faser-Vorformlings aus dem nicht verwendbaren Teil der Fasergrundstruktur herauszulösen. Dies geschieht durch Ausstanzen oder Ausschneiden des Faser-Vorformlings aus der Fasergrundstruktur. Erst durch diese aufwendige Nachbearbeitung entsteht der fertige, flächige, handhabbare Faser-Vorformling bzw. dessen Kontur.

Auf diese Weise entsteht jedoch ferner ein extrem hoher Verschnitt und damit auch ein sehr hoher Faserwerkstoff-Verbrauch bzw. ein hohes Faserabfallvolumen. Auch ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, die Kontur der Fasergrundstruktur an die Kontur des herzustellenden flächigen Faservorformlings anzupassen. Überdies ist es schwierig bzw. in bestimmten Anwendungsfällen unmöglich, eine gewünschte Topographie des Faser-Vorformlings mit einer bestimmten Faserorientierung herzustellen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellen eines flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil zu schalten, mit dem/der eine bessere Ausnutzung des Faserwerkstoffs erzielt, auf einfache und effektive Art und Weise eine dem herzustellenden Faser-Vorformling angepasste Kontur und/oder Topographie erreicht, und die Faserorientierung im herzustellenden Vorformling frei eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dieses Verfahren zum Herstellen eines (trockenen) flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil, umfasst folgende Schritte: a) Loses, flächiges Ablegen einer Faseranordnung auf einem flächigen Transportbandsystem und im Wesentlichen vollflächiges Abstützen der abgelegten Faseranordnung durch das Transportbandsystem; b) Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung auf (aber nicht an !) dem Transportbandsystem zur Bildung eines flächigen, handhabbaren Faser-Vorformlings.

Unter einer Faseranordnung sind im Sinne der Erfindung Fasern, Faserscharen, Fasergarn, Rovings, unidirektionale Faserbänder, jedoch auch großflächigere Fasergebilde, wie z.B. Fasermatten einschließlich Fasergeweben und -gewirken, sowie vorgefertigte Faserwerkstoff-Verstärkungselemente für lokale Verstärkungen zu verstehen, sowie Mischformen daraus. Das Ablegen kann entweder manuell, teilautomatisiert oder aber auch vollautomatisiert, z.B. mit einem programmgesteuerten Legeroboter oder dergleichen, erfolgen. Das Transportbandsystem trägt und unterstützt die lose abgelegte Faseranordnung sowohl während des Ablegens als auch während des vorzugsweise anschließenden Fixierens. Diese Abstützen bzw. Tragen der Faseranordnung erfolgt bereits ab der ersten Faserlage nicht nur partiell oder punktuell, sondern vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig. Das Transportbandsystem besitzt ein oder mehrere Transportbänder, die vorzugsweise eine vollständig geschlossene Transportbandoberfläche aufweisen. Das Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung erfolgt entsprechend prozessabhängiger und/oder bauteilgeometriebezogener Parameter. Vorzugsweise wird das Fixieren sequentiell durchgeführt.
festhalten

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bereits die erste Lage einer Faseranordnung (z.B. zur Bildung einer "Fasergrundstruktur") in einer beliebigen Anordnung bzw. mit einer beliebigen Faserorientierung auf dem Transportbandsystem abgelegt werden. Darüber hinaus lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontur des herzustellenden Faser-Vorformlings bereits während des Ablegens der Faseranordnung abbilden. Dies gestattet es nicht nur, die Faserbündel bauteil- und/oder prozessgerecht anzuordnen, sondern auch, den zur Verfügung stehenden Faserwerkstoff optimal auszunutzen. Die Faseranordnungen können hierbei derart abgelegt werden, dass die von ihnen überdeckte Grundfläche bereits im Wesentlichen der Grundfläche des herzustellenden Faser-Vorformlings entspricht. Auf diese Weise sind keine aufwendigen Nachbearbeitungsmaßnahmen wie Ausschneiden oder Ausstanzen aus einer großflächigen Fasergrundstruktur erforderlich. Vielmehr kann bereits im ersten Verfahrensstadium ein endkonturengenauer Faser-Vorformling angefertigt werden. Somit wird ein hoher Verschnitt, ein hoher Faserwerkstoff-Verbrauch und ein großes Faserabfallvolumen vermieden, und der zur Verfügung stehende Faserwerkstoff kann optimal ausgenutzt werden.

Darüber hinaus ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, bereits vor dem Fixieren der Faseranordnung eine dem herzustellenden Faser-Vorformling angepasste, genaue Topographie aufzubauen. Denn die gewünschte Topographie lässt sich im Bedarfsfall schon beim losen Ablegen der Faseranordnung vorbestimmen. Ebenso ist es natürlich möglich, bei der Herstellung einer gewünschten Topographie zunächst einige der abgelegten Faseranordnungen zu fixieren und dann erst auf der teilweise oder vollständig fixierten Faseranordnung weitere Faseranordnungen für eine bestimmte Topographie aufzubauen. Da die zur Herstellung des Faser-Vorformlings verwendeten abgelegten Faseranordnungen in jedem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen vollflächig auf dem Transportbandsystem aufliegen bzw. von diesem unterstützt und getragen werden, ist ein loses Ablegen der Faseranordnungen ausreichend. Infolge der besagten Abstützung lassen sich die lose abgelegten Faseranordnungen auch zu anderen Positionen am Transportbandsystem transportieren, ohne dass eine Verschiebung oder Desorientierung der durch das lose Ablegen erzielten Faserorientierung und/oder Topographie erfolgt.

Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren daher einen sehr flexiblen, wirtschaftlichen und an unterschiedlichste Faser-Vorformlingformen, -Konturen und -Topographien anpassbaren Herstellungsprozess.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 14.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

Diese Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Faser-Vorformlings für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil, umfasst: eine Ablegeeinrichtung zum losen Ablegen einer Faseranordnung in Form eines flächigen Transportbandsystems; und eine dem Transportbandsystem zugeordnete und mit dem Transportbandsystem zusammenwirkende Fixierungseinrichtung zum Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung auf (aber nicht an !) dem Transportbandsystem zur Bild des flächigen Faser-Vorformlings.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Wesentlichen die gleichen Vorteile zu erzielen, die bereits weiter oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 16 bis 24.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine schematische, seitliche, teilweise geschnittene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
2 eine Draufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mehrlagigen Faser-Vorformling,
3 eine Draufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte, flächig abgelegte, noch nicht fixierte Faseranordnungs-Struktur;
4 eine schematische Draufsicht auf einen wesentlichen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform; und
5 eine schematische, seitliche Perspektivansicht eines wesentlichen Teilbereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren werden zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche Bauteile und Komponenten auch mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, sofern keine weitere Differenzierung erforderlich oder sinnvoll ist.
In der 1 ist eine schematische, seitliche, teilweise geschnittene Perspektiv-Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen, rechteckigen Faser-Vorformlings V für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil dargestellt. Diese Vorrichtung ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Die Vorrichtung umfasst ein Transportbandsystem T, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei in Serie geschaltete Transportbänder T1, T2 umfasst. Jedes Transportband T1, T2 besitzt eine vollständig geschlossene Transportbandoberfläche. Die Transportbänder T1, T2 fungieren als Ablegeeinrichtung zum losen Ablegen einer Faseranordnung auf die Transportbandoberfläche, wie nachfolgend noch detaillierter erläutert werden wird. Das erste, in der 1 linke Transportband T1 fungiert ausschließlich als Ablegeeinrichtung, während dem zweiten Transportband T2 weitere Zusatzfunktionen zugeordnet sind. Das erste und das zweite Transportband T1, T2 sind über eine Übergabe-Schnittstelle S hinweg voneinander räumlich getrennt. Wie durch Doppelpfeile an den Transportbändern T1, T2 angedeutet ist, können diese rotatorisch vor und zurück bewegt werden. Die Haupttransportrichtung N verläuft in der Darstellung nach 1 von links nach rechts.
Oberhalb des ersten Transportbandes T1 ist eine erste Faseranordnungs-Speichereinrichtung in Form einer ersten Abrolleinrichtung 2 angeordnet, auf der eine erste flächige, unidirektionale Faseranordnung F1, deren Faserrichtung parallel zur Haupttransportrichtung H verläuft, aufgewickelt ist. Der ersten Abrolleinrichtung 2 ist in Haupttransportrichtung H des ersten Transportbandes T1 eine zweite Abrolleinrichtung 4 angeordnet, auf der eine zweite, flächige unidirektionale Faseranordnung F2 aufgewickelt ist, deren Faserorientierung quer zur Haupttransportrichtung H verläuft.
Dem zweiten Transportband T2 ist eine Fixierungseinrichtung in Form einer Vernähstation N zugeordnet. Die Vernähstation N ist zumindest in Transportrichtung des zweiten Tarnsportbandes T2 sowie quer dazu beweglich angeordnet. Die bewegliche Nähstation N besitzt einen oberen Maschinenteil N1, der sich quer über das zweite Transportband T2 erstreckt und einen Nähkopf 6 sowie ein Oberfadensystem aufweist. Des Weiteren verfügt die Vernähstation N über einen unteren Maschinenteil mit einem Unterarm-Support N2, welcher ein Unterfadensystem enthält. Wie in der 1 erkennbar ist, erstreckt sich der Unterarm-Support N2 quer zur Transportrichtung des zweiten Transportbandes T2 und unterhalb dessen oberer Transportbandebene E2. Damit dieser Unterarm-Support N2 nicht mit dem Trum 8 des zweiten Transportbandes T2 kollidiert, verfügt dieses über eine verfahrbare Rollenanordnung. Diese Rollenanordnung verfügt im vorliegenden Fall über vier an einem Schlitten 18 angeordnete Rollen 10, 12, 14, 16. Über diese Rollen 10, 12, 14, 16 verläuft ein Trum-Bereich, der eine Transportbandschlaufe bildet, die unterhalb der Transportbandebene E2 einen Hohlraum 20 oder eine Einbuchtung für den Unterarm-Support N2 formt.
Der Schlitten 18 mit seiner Rollenanordnung 10–16 ist sowohl im Stillstand des zweiten Transportbandes T2 als auch in einem Zustand, in dem sich das zweite Transportband T2 bewegt, in Haupttransportrichtung H sowie in entgegengesetzter Richtung beweglich, wie durch Doppelpfeile in der 1 angedeutet ist. Auf diese Weise kann der für den Unterarm-Support N2 benötigte Freiraum einer jeweiligen aktuellen Position der Vernähstation N entsprechend mitgeführt werden. Eine auf dem zweiten Transportband T2 abgelegte Faseranordnung kann daher mit Hilfe der Vernähstation N vernäht werden, wobei sich der Unterarm-Support N2 unterhalb der Faseranordnung in dem Hohlraum 20 bzw. der Einbuchtung erstreckt. Die Faseranordnung wird dann von dem zweiten Transportband T2 und der Oberseite des Unterarm-Supports N2 abstützt. Das Transportband T2 und der Unterarm-Support N2 wirken also für einen Vernähvorgang zusammen.
Wie aus der 1 außerdem hervorgeht, ist einer jeweiligen Abrolleinrichtung 2, 4 eine Schneideinrichtung 22, 24 zum Abschneiden der betreffenden Faseranordnung F1, F2 und eine Sensoreinrichtung 26, 28 zugeordnet. An dem in 1 rechten Ende des zweiten Transportbands T2 ist optional eine bewegliche Greifereinrichtung 30 für lose abgelegte und/oder bereits fixierte Faseranordnungen angeordnet. Die Greifereinrichtung 30 ist in diesem Beispiel von dem zweiten Transportband T2 über die Übergabe-Schnittstelle S hinweg zu dem ersten Transportband T1 und zurück verfahrbar. Die Greifereinrichtung 30 ist vorzugsweise mit einer Halteeinrichtung (nicht gezeigt) zum temporären Festhalten von Faseranordnungen ausgestattet. Mit dieser Greifereinrichtung 30 sind in Verbindung mit den Transportbändern T1, T2 bei Bedarf zusätzliche Transportfunktionen ausführbar.
Es wird nun das mit dieser Vorrichtung durchführbare erfindungsgemäße Verfahren beschrieben werden.
Mit Hilfe der ersten Abrolleinrichtung 2 wird die erste Faseranordnung F1 lose und flächig auf dem ersten Transportband T1 abgelegt. Hierbei stützt das erste Transportband T1 die abgelegte erste Faseranordnung F1 vollflächig ab. Das Ablegen erfolgt in diesem Beispiel in einem Zustand, in dem sich das erste Transportband T1 in Haupttransportrichtung H bewegt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, die Faseranordnung F1 während eines Stillstandes des Transportbandes T1 abzulegen. Dies kann z. B. dann geschehen möglich, wenn die erste Abrolleinrichtung 2 beweglich ausgebildet wird. Grundsätzlich erfolgt das lose Ablegen der Faseranordnung F1 durch Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Abrolleinrichtung 2 und dem Transportband T1. Die Relativbewegung kann auch durch eine Abwickelbewegung oder ein aktives Abziehen der Faseranordnung F1 von der Abrolleinrichtung 2 bewirkt oder unterstützt werden. Die Sensoreinrichtung 26 überwacht während des Ablegens z.B. die Ablegeposition, die Spannung des von der Abrolleinrichtung 2 laufenden ersten Faseranordnung F1 und bestimmt ggf. eine vorbestimmte Abschneideposition für die Schneideinrichtung 22. Nach dem Ablegen bzw. noch während des Ablegens wird die erste Faseranordnung F1 mittels der Schneideinrichtung 22 auf eine gewünschte Länge abgeschnitten.
Das lose Ablegen wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel diskontinuierlich, d.h. hier schrittweise durchgeführt. Je nach Ausgestaltungsform bzw. Größe- und Längserstreckung der ersten Faseranordnung F1 bzw. des herzustellenden Faser-Vorformlings V ist jedoch auch ein kontinuierliches Ablegen realisierbar.
Die lose abgelegte erste Faseranordnung F1 wird von dem ersten Transportband T1 über die Übergabe-Schnittstelle S hinweg auf das zweite Transportband T2 befördert. Dort wird die erste Faseranordnung F1 mittels der Vernähstation N entsprechend bauteil- und prozessspezifischen Anforderungen vernäht und dadurch fixiert. Es wird somit eine größere, handhabbare Faseranordnungs-Einheit gebildet. Beim Vernähen werden vorzugsweise nur soviel Nähte wie unbedingt nötig angebracht. Das Vernähen der lose abgelegten ersten Faseranordnung F1 erfolgt auf dem zweiten Transportband T2. Hierbei wird jedoch keine Näh-Verbindung zwischen dem zweiten Transportband T2 und der zu fixierenden lose abgelegten Faseranordnung F1 hergestellt. Während des Vernähens kann die lose abgelegte Faseranordnung F1 mit Hilfe einer Festhalteeinrichtung jedoch temporär festgehalten werden. Diese Festhalteeinrichtung ist in der 1 nicht dargestellt.
Das Vernähen kann neben dem reinen Fixieren auch dazu dienen, in der Faseranordnung oder dem daraus hergestellten Vorformling V z.B. bestimmte Drapierlinien oder Drapierzonen zu definieren, lokale Zusatzverstärkungen zu bilden, freie Ränder zu säumen, um ein Ausfransen zu verhindern. Ferner kann es besonders im Falle mehrlagiger Faseranordnungen dazu dienen, vorkompaktierte Faserbereiche herzustellen oder weiche Übergängen an Randebereichen aufeinanderliegender Faserlagen zu erzielen. Des Weiteren kann durch die gezielte Anbringung von Nähten (oder anderen Fixierungen) ein gewünschtes Verformungsverhalten der Faseranordnung bzw. des Vorformlings erzielt werden, um z.B. eine dreidimensionale Verformung bzw. mehrfach gekrümmte Flächen entsprechend einem herzustellenden Bauteil zu realisieren.
Nach dem Vernähen wird die vernähte erste Faseranordnung F1 in diesem Ausführungsbeispiel auf einem freien Teilbereich des zweiten Transportbandes T2 zwischengelagert.
Noch während die erste Faseranordnung F1 vernäht wird (oder auch in einem diesem Vorgang nachfolgenden Schritt), wird die zweite flächige Faseranordnung F2 von der zweiten Abrolleinrichtung 4 auf das erste Transportband T1 lose abgelegt und mittels der Schneideinrichtung 24 auf ein benötigtes Maß abgeschnitten. Auch diese zweite Faseranordnung F2 wird auf das zweite Transportband T2 befördert und dort in analoger Art und Weise vernäht. Zur Bildung eines z.B. zweilagigen Faser-Vorformlings V können die erste und zweite vernähte Faseranordnung F1, F2 dann manuell oder vorzugsweise automatisiert (z.B. mittels der o.g. Greifereinrichtung 30) aufeinander gelegt und wiederum zu einer größeren Einheit vernäht werden. Dies kann ebenfalls auf dem zweiten Transportband T2 mit Hilfe der Vernähstation N geschehen. Dadurch entsteht gleichzeitig eine vorbestimmte Topographie des herzustellenden Faser-Vorformlings V.
2 zeigt eine Draufsicht auf einen nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten flächigen, zweilagigen Faser-Vorformling V mit einer einfachen rechteckigen Kontur. Dieser Faser-Vorformling V kann als Einheit gehandhabt und weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird der Faser-Vorformling V z.B. mittels des zweiten Transportbandes T2 zu einer nachfolgenden Bearbeitungsstation (in den Figuren nicht gezeigt) weitertransportieren.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Herstellungsweise des flächigen Faser-Vorformlings V ist es auch möglich, bereits auf dem ersten Transportband T1 eine mehrlagige Faseranordnung bzw. Faseranordnungs-Topographie herzustellen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass mit Hilfe der Vorrichtung nach 1 sequentiell mehrere lose Faseranordnungen F1, F2 ... Fn mehrlagig bzw. geschichtet aufgebaut werden. So kann z.B. zunächst eine erste Faseranordnung F1 von der ersten Abrolleinrichtung 2 entnommen und lose und flächig auf dem ersten Transportband T1 abgelegt werden. Anschließend wird eine zweite Faseranordnung F2 von der zweiten Abrolleinrichtung 4 entnommen und lose und flächig auf die bereits auf dem ersten Transportband T1 liegende erste Faseranordnung F1 abgelegt. Dann wird die so erzeugt lose Faseranordnungs-Struktur über die Übergabe-Schnittstelle S hinweg auf das zweite Transportband T2 überführt. Und die aufeinanderliegenden Faseranordnungen F1, F2 werden mit Hilfe der Vernähstation N in einem Arbeitsgang gemeinsam vernäht.
Ebenso ist es jedoch möglich, ähnlich wie bei der ersten, oben beschriebenen Verfahrensvariante zunächst nur die erste Faseranordnung F1 lose abzulegen und mittels der Vernähstation N durch Vernähen zu fixieren und dann eine lose zweite Faseranordnung F2, die wiederum auf dem ersten Transportband T1 vorbereitet wurde, auf diese auf dem Transportband T2 wartende, bereits vernähte zweite Faseranordnung F2 abzulegen und durch Vernähen an dieser zu fixieren.
Alle zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten sind selbstverständlich auch für mehr als zwei Faseranordnungs-Lagen in analoger Weise ausführbar. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren in dem obigen Beispiel anhand eines einfachen, rechteckigen Faser-Vorformlings V beschrieben wurde, ist es natürlich auch für Faser-Vorformlinge V mit weitaus komplexeren Konturen und Topographien geeignet.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte, komplexere, flächig abgelegte, noch nicht fixierte Faseranordnungs-Struktur F_S, die zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings V verwendbar ist. Anders als bei den in 1 und 2 gezeigten Varianten werden zum Aufbau dieser Faseranordnungs-Struktur F_S schmale unidirektionale Faserbänder oder Rovings als Faseranordnungsmaterial verwendet. Auch die in 3 dargestellte Faseranordnungs-Struktur F_S wurde durch loses, flächiges Ablegen der jeweiligen Faserbänder aufgebaut. Hierbei wurde zunächst eine erste Lage von nebeneinander angeordneten, gleichgerichteten Faserbändern B1 erzeugt, die entsprechend der Kontur K des herzustellenden Faser-Vorformlings jeweils auf ein vorbestimmte Länge abgeschnitten und nebeneinander abgelegt wurden.
Die Kontur K ist in der 3 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Auf diese durch die Faserbänder B1 gebildete erste Faserlage wurden anschließend eine zweite und eine dritte Faserlage durch jeweils lose abgelegte Faserbänder B2 und B3 erzeugt. Die Anordnung dieser zusätzlichen Faserbänder B2, B3 erfolgte wiederum entsprechend der gewünschten Kontur K bzw. Teilkontur, in Abhängigkeit der im späteren Faserverbundwerkstoff-Bauteil auftretenden Belastungsrichtungen sowie in Abhängigkeit einer vorbestimmten Topographie des herzustellenden Faser-Vorformlings. Gemäß 3 wurde auf diese Weise eine multidirektionale bzw. multiaxiale lose, mehrlagige Faseranordnung-Struktur F_S angefertigt. Diese Faseranordnungs-Struktur F_S kann auch als „geordneter loser Faserhaufen" bezeichnet werden. Dieser Faserhaufen kann nachfolgend wiederum durch z.B. Vernähen fixiert werden, so dass sich ein flächiger, endkonturengenauer, handhabbarer Faser-Vorformling mit einer vorbestimmten Topographie ergibt. Auch bei der Variante nach 3 ist es natürlich grundsätzlich möglich, die einzelnen Faserbänder B1, B2, B3 vor dem Aufbau der jeweils nächsten Faseranordnungs-Lage zu vernähen. Ebenso lassen sich einzelne, bereits vernähte Lagen nochmals mit weiteren bereits vernähte Lagen zusammennähen.
In der 4 ist eine schematische Draufsicht auf einen wesentlichen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Aus dieser Zeichnung geht wiederum die Anordnung von zwei Faseranordnungs-Speichereinrichtungen in Form von Abrolleinrichtungen 2, 4 oberhalb eines ersten Transportbandes T1 hervor. Anders als in der Ausführungsform nach 1 sind bei dieser Variante die Rollenachsen A1, A2 der ersten und zweiten Abrolleinrichtung 2, 4 jedoch nicht parallel, sondern rechtwinklig zueinander angeordnet. Genauer gesagt, erstreckt sich die Rollenachse A1 der ersten Abrolleinrichtung 2 quer über das Transportband T1 bzw. verläuft rechtwinklig zu Haupttransportrichtung H, während sich die Rollenachse A2 der zweiten Abrolleinrichtung 4 längs zum Transportband T1 bzw. parallel zur Haupttransportrichtung H erstreckt. Auf diese Weise kann eine erste Faseranordnung F1 in Haupttransportrichtung N lose auf das Transportband Ta abgelegt werden. Entsprechend der vorher beschriebenen Konstruktion erfolgt eine Ablage der zweiten Faseranordnung F2 dann quer zur Haupttransportrichtung H, wie in der 4 angedeutet ist. Sofern die Rollenachse A2 der zweiten Abrolleinrichtung in einem anderen Winkel α zur Längsrichtung bzw. Haupttransportrichtung N des Transportbandes T1 angeordnet wird, kann die zweite Faseranordnung F2 auch in einem beliebigen Winkel auf das Transportband T1 bzw. eine darauf bereits abgelegte Faseranordnung abgelegt werden. Gleiches gilt für die erste Abrolleinrichtung 2.
5 zeigt eine schematische, seitliche Perspektivansicht eines wesentlichen Teilbereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Faseranordnung F1 in Form eines Rovings mit Hilfe eines düsenartigen Abgabekopfes 32 abgelegt, der frei über das Transportband T1 beweglich ist. Der düsenartige Abgabekopf 32 gibt den Roving F1 im Wesentlichen punktuell ab und legt diesen lose auf das Transportband T1 ab. Der Düsenkopf 32 ist in drei Achsen beweglich, so dass der Roving F1 in einer beliebigen zweidimensionalen Anordnung auf das Transportband T1 abgelegt werden und eine der Umrissform des herzustellenden Faser-Vorformlings angepasste, vorbestimmte Kontur erzielt werden kann. Hierbei ist die Bildung komplexer Bahnformen einschließlich Schleifen oder dergl. (siehe 5) möglich. Fährt der Abgabekopf 32 über Bereiche des Transportbandes T1, auf denen zuvor bereits ein Rovingstrang abgelegt wurde, sowie kann eine vorbestimmte Faserstruktur-Topographie gebildet werden. Der Abgabekopf 32 weist eine Schneideinrichtung 34 auf, mit welcher der Roving F1 bei Bedarf auf eine vorbestimmte Länge abgeschnitten werden kann. Oberhalb des Abgabekopfes 32 ist eine Speichereinrichtung 36 für den Roving F1 angeordnet, die zusammen mit dem Abgabekopf 32 über das Transportband T1 bewegt wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, diese Roving-Speichereinrichtung 36 stationär, z.B. neben dem Transportband T1 anzuordnen und dem Abgabekopf 32 den Roving F1 von dort aus zuzuführen.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen des Schutzumfangs können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren vielmehr auch andere als die oben konkret beschriebene Ausgestaltungs- und Ausführungsformen aufweisen. Anstelle des oben beschriebenen Vernähens kann ein Fixieren der lose abgelegten Faseranordnungen) auch durch andere geeignete Fixierungsprozesse erfolgt, so z.B. auch stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere Verkleben, Verschweißen der Faseranordnung, sowie formschlüssiges Verbinden, d.h. neben dem besagten Vernähen, z.B. auch Heften, Tuften, Verklammern, oder dergleichen. Für bestimmte Anwendungsfälle ist vorgesehen, nur eine temporäre Fixierung herzustellen.
In einer weitere Verfahrensvariante ist vorgesehen, die lose abgelegte(n) Faseranordnungen) unmittelbar nach dem Ablegen zu verformen, insbesondere dreidimensional zu verformen. Ebenso ist es möglich, die Faseranordnungen) erst nach dem Fixieren zu verformen, insbesondere dreidimensional zu verformen. Auch eine entsprechende Verformung des fertigen flächigen Faser-Vorformlings ist möglich. Unter einer Verformung im Sinne dieses Absatzes ist insbesondere auch ein Falten und Drapieren zu verstehen.
Alternativ zu einer Vorrichtung, die mehrere Transportbänder T1, T2 aufweist, ist auch eine Variante realisierbar, die lediglich ein einzelnes Transportband besitzt. Diesem einzelnen Transportband können dann die Ablegeeinrichtung und die Fixierungseinrichtung gemeinsam zugeordnet sind. In mindestens einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Transportbänder auch durch bewegliche Ablagetische oder vergleichbare Ablageflächen ersetzt werden.
Es versteht sich, dass insbesondere die Anzahl der verwendeten Transportsysteme, Faseranordnungs-Speichereinrichtungen sowie Fixierungseinrichtungen und ihrer Zusatzkomponenten sowie deren Anordnung, Ausrichtung und Bewegung relativ zueinander entsprechend den bauteil- und prozessspezifischen Anforderungen variieren kann.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Faser-Vorformling kann in wenigstens einem Ausgestaltungsbeispiel zusätzliche flächige oder 3-dimensionale Verstärkungselemente, wie z.B. einen Sandwichkern aufweisen. Ein solcher Sandwichkern kann z.B. zwischen zwei benachbarte, Faseranordnungslagen positioniert werden, wobei die Faseranordnung mindestens einer dieser Lagen bereits fixiert sein sollte. Das Fixieren der zweiten Lage, z.B. durch Vernähren mit Bereichen der ersten Lage, kann z.B. auch dann erfolgen, wenn der Sandwichkern bereits auf die erste fixierte Faseranordnung aufgelegt ist.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Es bezeichnen:

2: Erste Abrolleinrichtung
4: Zweite Abrolleinrichtung
6: Nähkopf
8: Trum von T2
10–16: Rollen von 18
18: Schlitten
20: Hohlraum
22, 24: Schneideinrichtung
26, 28: Sensoreinrichtung
30: Greifereinrichtung
32: Düsenartiger Abgabekopf
34: Schneideinrichtung
36: Roving-Speichereinrichtung
α: Winkel
A1: Rollenachse von 2
A2: Rollenachse von 4
E2: Obere Transportbandebene von T2
F1: Erste Faseranordnung
F2: Zweite Faseranordnung
F_S: Faseranordnungs-Struktur
H: Haupttransportrichtung
K: Kontur
N: Vernähstation
N1: Oberer Maschinenteil von N
N2: Unterarm-Support von 2
S: Übergabe-Schnittstelle
T: Transportbandsystem Erste Transportband
T1: Erste Transportband
T2: Zweites Transportband
V: Verstärkungsfaser-Vorformling

Claims

Verfahren zum Herstellen eines flächigen Faser-Vorformlings (V) für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil, umfassend folgende Schritte: a) Loses, flächiges Ablegen einer Faseranordnung (F1, F2, F3) auf einem flächigen Transportbandsystem (T1, T2) und im Wesentlichen vollflächiges Abstützen der abgelegten Faseranordnung (F1, F2, F3) durch das Transportbandsystem (T1, T2); b) Fixieren (N, 6) der lose abgelegten Faseranordnung (F1, F2, F3) auf (aber nicht an !) dem Transportbandsystem (T1, T2) zur Bildung eines flächigen, handhabbaren Faser-Vorformlings (V).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablegen im Schritt a) während einer Bewegung des Transportbandsystems (T1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablegen im Schritt a) während eines Stillstands des Transportbandsystems (T1) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung (F1, F2, F3) durch einen Fixierungsprozess erfolgt, der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Fixierungsprozessen, umfassend: stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere Verkleben, Verschweißen der Faseranordnung, sowie formschlüssiges Verbinden, insbesondere Vernähen (N), Heften, Tuften der Faseranordnung.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer vorbestimmten Topographie des Faser-Vorformlings (V) im Schritt a) sequentiell eine lose mehrlagige Faseranordnung (F1, F2, F3) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer vorbestimmten Topographie des Faser-Vorformlings (V) auf eine bereits abgelegte und fixierte erste Faseranordnung (F1) eine weitere Lage einer losen zweiten Faseranordnung (F2) abgelegt und an der ersten Faseranordnung (F1) fixiert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) (sequentiell) eine multidirektionale und/oder multiaxiale lose mehrlagige Faseranordnungs-Struktur (F_S) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lose Ablegen im Schritt a) kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lose Ablegen im Schritt a) diskontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lose Ablegen der Faseranordnung (F1, F2) im Schritt a) durch Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Faseranordnungs-Speichereinrichtung (2; 4; 36) und dem Transportbandsystem (T1) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) durch die lose abgelegte Faseranordnung (F1, F2, F3) eine vorbestimmte und eine gewünschte Faser-Vorformling-Kontur abbildende Faseranordnungs-Kontur (K) erzeugt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lose abgelegte oder abzulegende Faseranordnung (F1, F2, F3) auf eine vorbestimmte Länge abgeschnitten (22, 24) wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lose abgelegte Faseranordnung (F1, F2, F3) unmittelbar nach dem Schritt a) verformt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fixierte Faseranordnung (F1, F2, F3) nach dem Schritt b) verformt wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Faser-Vorformlings (V) für ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil, umfassend: – eine Ablegeeinrichtung zum losen Ablegen einer Faseranordnung (F1, F2, F3) in Form eines flächigen Transportbandsystems (T; T1, T2); und – eine dem Transportbandsystem (T; T1, T2) zugeordnete und mit dem Transportbandsystem (T; T1, T2) zusammenwirkende Fixierungseinrichtung (N) zum Fixieren der lose abgelegten Faseranordnung (F1, F2, F3) auf (aber nicht an) dem Transportbandsystem (T2) zur Bild des flächigen Faser-Vorformlings (V).
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Transportbandsystems (T1) eine erste Faseranordnungs-Speichereinrichtung (2; 36) angeordnet ist, von der aus eine erste Faseranordnung (F1) auf das Transportbandsystem (T1) ablegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Transportbandsystems (T1) mindestens eine zweite Faseranordnungs-Speichereinrichtung (4) angeordnet ist, welche der ersten Faseranordnungs-Speichereinrichtung (2) in Transportrichtung (H) des Transportbandsystems (T1) nachgeschaltet ist und von der aus mindestens eine zweite Faseranordnung (F2) auf das Transportbandsystem (T1} oder eine darauf bereits befindliche erste Faseranordnung (T1) ablegbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportbandsystem (T) ein Transportband aufweist, dem sowohl die Ablegeeinrichtung als auch die Fixierungseinrichtung (N) gemeinsam zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportbandsystem (T) mindestens eine erstes Transportband (T1) aufweist, welches ausschließlich eine Ablegeeinrichtung für die lose abzulegende Faseranordnung (F1, F2, F3) bildet; und mindestens ein dem ersten Transportband (T1) über eine Übergabe-Schnittstelle (S) hinweg nachgeschaltetes zweites Transportband (T2), welchem die Fixierungseinrichtung (N) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer beweglichen Greifereinrichtung (30) für lose abgelegte und/oder bereits fixierte Faseranordnungen (F1, F2) verfügt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifereinrichtung (30) eine Halteeinrichtung zum temporären Festhalten von Faseranordnungen (F1, F2) aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Festhalteeinrichtung zum temporären Festhalten der lose abgelegten Faseranordnung (F1, F2, F3) während des Fixierens (N) besitzt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinrichtung eine bewegliche Vernähstation (N) für die lose auf eine Transportbandebene (E2) des Transportbandsystems (T2) abgelegte Faseranordnung (F1, F2, F3) aufweist; und das Transportbandsystem (T, T2) über eine mit der beweglichen Vernähstation (N) verfahrbare Rollenanordnung (10–16) verfügt, über die ein Trum-Bereich des Transportbandsystems (T2) verläuft, der eine Transportbandschlaufe bildet, die unterhalb der Transportbandebene (E2) und unterhalb der darauf abgelegten Faseranordnung einen Hohlraum (20) für einen Unterarm-Support (N2) der Vernähstation (N) bildet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen über das Transportbandsystem (T1) beweglichen düsenartigen Faseranordnungs-Abgabekopf (32) aufweist, mit dem die abzulegende Faseranordnung (F1) im Wesentlichen punktuell abgebbar und lose auf das Transportbandsystem (T1) ablegbar ist.