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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn, wobei der Wickeldorn um seine Längsachse rotierbar ist und die Fasern mittels wenigstens einer Fadenführung auf dem Wickeldorn ablegbar sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn.
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Auf dem Gebiet der Urananreicherung sind verschiedene Verfahrensprinzipien zur Trennung eines Gasgemisches aus U-235 und U-238 bekannt. Von industrieller Bedeutung ist beispielsweise das Zentrifugenverfahren, bei dem Gasultrazentrifugen mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten eingesetzt werden, um das leichtere Uranisotop U-235 in dem eingespeisten Gasgemisch anzureichern. Die in derartigen Gaszentrifugen eingesetzten Rotoren werden beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt. Die dazu verwendeten CFK-Rohre werden herkömmlicherweise auf Wickelmaschinen hergestellt, die auf dem Drehbankprinzip beruhen. Dabei wird ein Wickeldorn auf einem Maschinenbett in Rotation versetzt, wobei das Maschinenbett mit einer Drehbank zu vergleichen ist. Die in Harz getränkten Fasern werden mittels einer auf einem Verfahrschlitten befindlichen Fadenführung auf dem Wickeldorn abgelegt. Der Verfahrschlitten mit der Fadenführung wird dabei entlang dem rotierenden Wickeldorn bewegt und der Faserstrang mit einem geeigneten Fadenauge abgelegt. Dabei können im Wickelbauteil unterschiedliche Faserwinkel von 0-90° zur Wickelachse erzeugt werden.
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Bekannt sind ferner in Portalbauweise konstruierte Wickelmaschinen. Hierbei werden die Fadenführungen, welche sich bei Bettmaschinen unter oder hinter dem Wickeldorn befinden, über dem Wickeldorn positioniert. Dies hat den Vorteil, dass herunter tropfendes Harz die Führungssysteme nicht verschmutzen kann. Nachteilig bei den bekannten Maschinenprinzipien sind jedoch die bewegten Fadenführungssysteme auf einem verfahrbaren Schlitten, da diese beim Betrieb der Maschine nicht zugänglich sind.
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Sind die Spulenständer mit den Fasern ebenfalls auf dem Verfahrschlitten montiert, müssen ferner sehr große Massen bewegt werden. Werden dagegen fest stehende Spulensysteme eingesetzt, ändern sich die Faserabzugsbedingungen ständig in Abhängigkeit von der Position des Verfahrschlittens zum Spulenständer, was aufwändige Konstruktionen zur Realisierung einer konstanten Fadenspannung erfordert.
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Je spezialisierter die Wickelprozesse für Bauteile werden, desto spezieller werden auch die damit verbundenen Wickelmaschinenprinzipien. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift
US 4,172,562 A eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Wickeln von mehreren Fasern auf einen Wickeldorn. Dabei wird ein Ringfadenauge eingesetzt, mit welchem alle für die jeweilige Wicklung notwendigen Fasern ringförmig auf den Wickeldorn geleitet werden. Dabei kann die Wicklung durch die Rotation und Längsbewegung des Dornes und/oder des Ringfadenauges bewirkt werden.
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Die US-Patentanmeldung
US 2003/0051795 offenbart ferner eine Wickelvorrichtung, bei welcher nicht der Dorn rotiert, sondern ein darum angeordneter Ring aus Wickelköpfen. Dabei kann der Dorn axial durch den Wickelring oder der Wickelring entlang eines fest stehenden Wickeldornes bewegt werden. Bekannt ist aus der US-Patentschrift
US 4,384,913 ferner ein Wickelprinzip, bei dem ein Ringfadenauge fest steht, während ein Wickeldorn axial durch das Ringfadenauge geführt wird.
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Darüber hinaus offenbart die Patentschrift
DE 197 36 575 C2 eine Kunststoffwalze und ein Verfahren zur Herstellung derselben, bei dem ein rotierender Wickeldorn mit verschiedenen Lagen aus Fasern bewickelt wird, wobei die einzelnen Faserlagen unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Rotationsachse des Wickeldorns aufgebracht werden.
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Die bekannten Verfahren mit ringförmigen Wickelkopfanordnungen, durch welche ein rotierender Dorn bewegt wird, eignen sich jedoch nicht zur Herstellung von Wickelrohren mit wenigstens zwei Lagen mit unterschiedlichen Wickelwinkeln. Wenigstens zwei Lagen mit Fasern unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse des Wickeldornes sind jedoch insbesondere bei der Herstellung von Rotoren für Gasultrazentrifugen erforderlich, um ein CFK-Rohr herzustellen, das den besonderen Anforderungen im Zentrifugenbetrieb standhält.
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Die bekannten Maschinenprinzipien haben den Vorteil, dass sie universell eingesetzt werden können. Sollen auf einer Maschine beispielsweise CFK-Rohre mit unterschiedlichen Abmessungen, Fasern oder Laminataufbauten hergestellt werden, kann dies auf den bekannten Wickelvorrichtungen realisiert werden. Die bekannten Vorrichtungen bringen jedoch Nachteile mit sich, zu denen insbesondere die große Verschmutzung mit Harz und die damit verbundene aufwändige Reinigung zählen. Ferner ist der Wickelprozess aufgrund der bewegten Fadenführungen schwer zu kontrollieren.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn bereitzustellen, die eine einfache Kontrolle des Wickelvorgangs ermöglicht, wobei ... die Vorrichtung nur eine geringe Verschmutzung mit Harz erfahren soll und die Restverschmutzung leicht zu entfernen ist. Die Vorrichtung soll sich dabei zur Herstellung von CFK-Rohren für Zentrifugenrotoren eignen, welche wenigstens zwei Lagen mit Fasern unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse des Bauteils aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn bereitzustellen, das die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und sich zur Herstellung von CFK-Rohren für Zentrifugenrotoren eignet, die wenigstens zwei Lagen mit Fasern unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse des Bauteils aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-6. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 8-10.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn sieht vor, dass der Wickeldorn um seine Längsachse rotierbar ist und die Fasern mittels wenigstens einer Fadenführung auf dem Wickeldorn ablegbar sind. Die Vorrichtung weist einen Schlitten auf, auf welchem der Wickeldorn montierbar ist, wobei der Schlitten in einem Maschinenbett in Richtung der Längsachse des Wickeldornes verfahrbar ist und der Wickeldorn auf dem Schlitten rotierbar ist. Die Vorrichtung umfasst einen Antrieb, mit welchem der Wickeldorn in Rotation versetzt und der Schlitten mit dem rotierenden Wickeldorn in einem ersten Bereich der Vorrichtung entlang einer ersten Fadenführung verfahrbar ist. Der Schlitten ist mit dem Wickeldorn in einem zweiten Bereich der Vorrichtung entlang einer zweiten Fadenführung verfahrbar, wobei die jeweilige Fadenführung während des Wickelvorgangs fest positioniert ist.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine Steuerung zum mehrmaligen Verfahren des Schlittens entlang einer Fadenführung auf. Die Bewegung des Schlittens ist durch die Steuerung in Richtung der Längsachse des Wickeldornes terminierbar und umkehrbar, sobald eine vorbestimmte Position des Schlittens im Bezug zur Fadenführung erreicht ist.
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Im ersten Bereich der Vorrichtung mit der ersten Fadenführung sind die Fasern unter einem ersten Winkel α zur Längsachse des Wickeldornes auf den Wickeldorn aufbringbar, während die Fasern im zweiten Bereich mit der zweiten Fadenführung unter einem zweiten Winkel β zur Längsachse des Wickeldornes aufbringbar sind. Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden Winkel α und β voneinander und der Winkel α zur Längsachse des Wickeldornes liegt zwischen 0-45°, so dass eine Kreuzwicklung bzw. Helixwicklung entsteht. Der Winkel β zur Längsachse des Wickeldornes liegt zwischen 45-90°, so dass im zweiten Bereich der Vorrichtung eine Umfangswicklung gewickelt wird. Zum Aufbringen der Fasern als Umfangswicklungen können im zweiten Bereich zwei Fadenführungen vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung umfasst ferner wenigstens ein fest stehendes Tränkbad zum Tränken der Fasern in Harz und wenigstens ein fest stehendes Spulensystem zum Abrollen der Fasern.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Wickeln von Fasern auf einen Wickeldorn, bei dem der Wickeldorn um seine Längsachse rotiert und die Fasern mittels wenigstens einer Fadenführung auf dem Wickeldorn abgelegt werden. Der rotierende Wickeldorn wird in einem ersten Bereich der Wickelvorrichtung mittels eines Schlittens entlang einer ersten Fadenführung verfahren, um eine oder mehrere Lagen Fasern unter einem ersten Winkel α zur Längsachse des Wickeldornes aufzubringen. Die Rotation des Wickeldornes stoppt, und das Faserband wird abgetrennt. Daraufhin wird der Wickeldorn durch einen Antrieb im Maschinenbett der Wickelvorrichtung axial in einen zweiten Bereich der Wickelvorrichtung verfahren und der Wickeldorn wieder in Rotation versetzt. Der Wickeldorn wird in dem zweiten Bereich der Wickelvorrichtung entlang einer zweiten Fadenführung verfahren, um eine oder mehrere Lagen Fasern unter einem zweiten Winkel β zur Längsachse des Wickeldornes aufzubringen, wobei sich die beiden Winkel α und β unterscheiden. Das Verfahren kann mehrmals wiederholt und so ein zylindrischer Hohlkörper mit mehreren Lagen Fasern unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse des Wickeldornes erzeugt werden. Die Fasern bestehen vorzugsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
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Durch die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung und das zugehörige Verfahren können wesentliche Nachteile bekannter Wickelvorrichtungen vermieden werden. Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass das jeweils im Einsatz befindliche Fadenführungssystem während des Wickelprozesses einfach überwacht und kontrolliert werden kann. Da die Fadenführung fest steht, kann sie von einem Bediener der Maschine kontrolliert werden, was bei einem auf einem Verfahrschlitten bewegten Fadenauge nur sehr schwer möglich ist. Ferner ist keine aufwändige Fadenregulierung erforderlich, da der Abstand vom Spulensystem zur Fadenführung stets konstant ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die geringe Verschmutzung der Vorrichtung mit herabtropfendem oder spritzendem Harz auch bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten. Durch die geringe Verschmutzung der Vorrichtung ergeben sich ferner nur kurze Reinigungszeiten, wo-... durch der Ausnutzungsgrad der Maschine erhöht wird. Durch die zwei getrennten Bereiche der Vorrichtung ergibt sich außerdem die Möglichkeit, die Fadenführung für die Helix- oder Umfangswicklung während des Wickelprozesses der jeweils anderen Faserlage zu reinigen und zu warten.
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Das erfindungsgemäße Wickelkonzept ermöglicht so einen maximalen Ausnutzungsgrad der Wickelvorrichtung mit einer minimalen Faserschädigung bei Abzug und Fadenführung von der Faserspule bis hin zum Fadenauge. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich speziell zur Herstellung von Bauteilen mit stets gleichem Laminataufbau und gleicher Geometrie, wobei hohe Bauteilanforderungen erfüllt werden können. Die Erfindung bringt somit insbesondere bei der Herstellung von Rohren bzw. Teilrohren für Rotoren von Gaszentrifugen diverse Vorteile mit sich.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildung 1.
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In der 1 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist einen Wickeldorn 20 auf, welcher auf einem verfahrbaren Schlitten 40 montiert ist. Der Wickeldorn ist durch einen nicht dargestellten Antrieb in Rotation versetzbar, wobei der Antrieb ferner den Schlitten 40 entlang mehrerer Fadenablegepunkte 30, 31 und 32 entlangfährt. Der Wickeldorn wird auf dem Schlitten zwischen zwei drehbar gelagerte Befestigungen gespannt, welche den Dorn in Drehung versetzen, während er entlang den Fadenablegepunkten verfahren wird.
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Der Schlitten 40 ist durch den Antrieb im Maschinenbett 11 verfahrbar, wobei das Maschinenbett in zwei Bereiche unterteilt ist. In einem ersten Bereich werden die Fasern in Form von Helix- bzw. Kreuzwicklungen aufgebracht, wobei die Fasern unter einem Winkel α von etwa 0-45° zur Längsachse des Wickeldornes abgelegt werden. Dieser Bereich ist in 1 beispielhaft links dargestellt und die Fasern 21 werden in diesem Bereich mit einer ersten Fadenführung 30 auf den Dorn gewickelt. Dabei kann der Dorn zur Erzeugung einer Faserlage vorzugsweise mehrmals an dem Fadenauge 30 vorbeigeführt werden, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, welche die Bewegung des Schlittens terminiert und umkehrt, sobald der Schlitten eine bestimmte Position im Bezug zur Fadenführung 30 erreicht hat. Der erste Bereich der Vorrichtung ist somit wenigstens so lang, dass der Dorn eingespannt und einmal in der gesamten Länge entlang der Fadenführung 30 geführt werden kann.
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Die aufzubringenden Fasern 21 werden vorzugsweise von einem Spulensystem abgerollt und durch ein Tränkbad geführt, welches mit einem Harz gefüllt ist. Das Tränkbad befindet sich in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hinter dem Maschinenbett, jedoch mit einem möglichst geringen Abstand zu der Fadenführung 30. Durch den geringen Abstand kann der Reinigungsaufwand der gesamten Vorrichtung weiter reduziert werden. Das Fadenspulensystem befindet sich vorzugsweise ebenfalls hinter dem Maschinenbett und ist frei zugänglich. So kann auch bei einer Fadenablagestörung während des Wickelprozesses eingegriffen werden, ohne dass der Wickelprozess unterbrochen werden muss. Zur Einstellung einer gewünschten Fadenspannung können bekannte Rollenanordnungen eingesetzt werden. Auch das Abstreifen von Harz von den getränkten Fasern kann durch herkömmliche Abstreifer erfolgen. Unterhalb der jeweiligen Fadenablegepunkte befinden sich weitere Harzabstreifer, die überschüssiges Harz unmittelbar von dem Wickelkörper entfernen. Die Abstreifer bewegen sich dabei vorzugsweise nicht mit dem Schlitten, sondern sind fest stehend mit der Vorrichtung verbunden, so dass sie sich stets unterhalb eines Fadenablegepunktes befinden. Das überschüssige Harz läuft vorzugsweise direkt in einen stationär darunter angebrachten Harzauffangbehälter. Durch diese Maßnahme kann die Verschmutzung der Maschine ebenfalls reduziert werden.
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Das Fadenauge 30 zur Aufbringung der Kreuzwicklungen ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Faden vor Ablage auf dem Wickeldorn unter einer beweglichen Rolle 33 verläuft, deren Längsachse in einem Winkel zur Längsachse des Dornes angeordnet ist. Da es sich bei den verwendeten Fasern 21 oftmals um dünne Bänder handelt, können diese Faserbänder mit der Rolle 33 gleichmäßig unter einem Winkel auf den Dorn aufgebracht werden. Das Fadenauge 30 wird von einer Steuerung so angesteuert, dass es sich bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung des Schlittens 40 und damit des Dornes 20 leicht absenkt. So wird das Ende des Dornes bewickelt, ohne dass es zu Falten oder Überwürfen kommt. Ferner dreht sich die Rolle 33 um 90°, so dass das Faserband 21 nun in der anderen Richtung auf den Dorn ablegbar ist. Im ersten Bereich der Vorrichtung können so eine oder mehrere Lagen von Kreuzwicklungen auf den Dorn 20 aufgewickelt werden.
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Nach Fertigstellung der Kreuzwicklung wird die Rotation des Dornes 20 gestoppt, das Faserband 21 abgetrennt und der Schlitten 40 mit dem Dorn in den zweiten Bereich der Vorrichtung verfahren. Im zweiten Bereich, welcher in 1 beispielhaft rechts dargestellt ist, werden mit einer zweiten Fadenführung 31 eine oder mehrere Lagen Fasern in Form von Umfangswicklungen aufgebracht. Das Maschinenbett 11 hat somit eine entsprechende Länge, um sowohl die Kreuzwicklungen als auch die Umfangswicklungen in einer Vorrichtung ausführen zu können. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Vorrichtung die doppelte Länge des Schlittens 40 aufweist, sondern es ist ausreichend, wenn die zweite Fadenführung 31 in einem Abstand neben der ersten Fadenführung 30 angeordnet ist. Damit die Fadenführungen beim Wickelprozess im jeweils anderen Bereich frei zugänglich sind, kann es jedoch vorteilhaft sein, das Maschinenbett wenigstens in der doppelten Länge des Schlittens 40 auszuführen.
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Zur Aufbringung der Umfangswicklung im zweiten Bereich der Vorrichtung ist wenigstens eine zweite Fadenführung 31 vorgesehen, durch welche Faserbänder auf dem Dorn abgelegt werden. Vorzugsweise befinden sich im zweiten Bereich jedoch zwei Fadenführungen 31 und 32, welche zur gleichzeitigen Aufbringung von Fasern in einem Winkel β von etwa 45-90° zur Wickelachse ausgebildet sind. Da das Faserband 21 für eine Umfangswicklung vorzugsweise nahezu in einem Winkel von 90° zur Wickelachse aufgebracht wird, können die Fadenführungen 31 und 32 als einfache Rollen ausgebildet sein, welche die Faser ohne weitere Führung auf dem Dorn ablegen.
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Während der Aufbringung der Umfangswicklung ist die Fadenführung 30 der Helixlage frei zugänglich und kann beispielsweise gereinigt oder gewartet werden. Der Dorn wird mehrmals entlang der Fadenführungen 31 und 32 verfahren und der Faden nach Beendigung der Längswicklung abgetrennt. Daraufhin wird der Schlitten 40 mit dem Dorn 20 vorzugsweise erneut in den ersten Bereich der Vorrichtung verfahren und wie beschrieben eine zweite Lage Kreuzwicklungen aufgebracht. Beim Aufbringen dieser Helixlage kann wiederum die Fadenführung der Umfangswicklung gereinigt und gewartet werden.
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Der Vorgang der abwechselnden Aufbringung von Kreuz- und Umfangswicklungen in den beiden Bereichen der Vorrichtung kann wiederholt werden, bis ein Bauteil mit einer geforderten Dicke und einem gewünschten Laminataufbau hergestellt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wickelmaschine
- 11
- Maschinenbett
- 20
- Wickeldorn
- 21
- Faser, Faden, Fadenband
- 30,31,32
- Fadenführung, Fadenauge, Fadenablegepunkt
- 33
- Rolle einer Fadenführung
- 40
- Schlitten
