DE102007012608B4 - Method and device for producing a preform for a force flow compatible fiber composite structure - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen einer Preform (42) für eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur, mit der folgenden Reihenfolge von Schritten:
a1) Bereitstellen eines flachen Faserbands (14),
c). Abschneiden eines Faserbandstückes (40, 40', 40'') von dem flachen Faserband (14),
e) Aufnehmen des Faserbandstückes (40, 40', 40'') an einer vorgegebenen Aufnahmeposition mittels einer Legevorrichtung (28),
f) Platzieren des Faserbandstückes (40, 40', 40'') an einer vordefinierten Position,
g) Fixieren des Faserbandstückes (40, 40', 40'') mittels eines Bindermaterials (38),
wobei die Schritte c) bis f) zum Platzieren und Fixieren weiterer Faserbandstücke (40, 40', 40'') an anderen vordefinierten Positionen wiederholt werden und wobei die Schritte e) und f) mittels eines Legekopfes (52) der Legevorrichtung (28) durchgeführt werden, der automatisch von der wenigstens einen Aufnahmeposition zu einer ersten vordefinierten Position zum Platzieren eines ersten Faserbandstückes (40) und zurück zu der oder einer von mehreren vorgegebenen Aufnahmepositionen zwecks Aufnahme eines zweitens Faserbandstückes (40') und dann...A method of manufacturing a preform (42) for a flow-compatible fiber composite structure, comprising the following sequence of steps:
a1) providing a flat sliver (14),
c). Cutting a sliver piece (40, 40 ', 40'') from the flat sliver (14),
e) picking up the fiber band piece (40, 40 ', 40'') at a predetermined picking position by means of a laying device (28),
f) placing the fiber band piece (40, 40 ', 40 ") at a predefined position,
g) fixing the fiber band piece (40, 40 ', 40'') by means of a binder material (38),
wherein steps c) to f) are repeated for placing and fixing further fiber ribbon pieces (40, 40 ', 40 ") at other predefined positions, and wherein steps e) and f) are performed by means of a laying head (52) of the laying device (28) automatically from the at least one pick-up position to a first predefined position for placing a first sliver piece (40) and back to the one or more predetermined pick-up positions to receive a second sliver piece (40 ') and then ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens bei der Herstellung kraftflussgerechter Faserverbundstrukturen. Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a method for producing a preform for a force flow Fiber composite structure. Furthermore, the invention relates to the use of such a process in the production of more power flow Composite structures. After all the invention relates to a device for carrying out the Process.
Beim Bau von Fahrzeugen aller Art, insbesondere beim Bau von Luft- und Raumfahrtgeräten, aber auch in anderen Industriezweigen, wie im Maschinenbau, gibt es immer mehr das Bedürfnis nach belastbaren und dennoch leichtgewichtigen und möglichst kostengünstigen Materialien. Insbesondere Faserverbundwerkstoffe bieten ein überragendes Leichtbaupotential. Das Prinzip besteht darin, dass insbesondere hochfeste und steife Fasern belastungsgerecht in einer Matrix eingebettet werden, wodurch Bauteile mit herausragenden mechanischen Eigenschaften entstehen, die mit bisherigen Techniken typischerweise 25% leichter als Aluminium und 50% leichter als Stahlstrukturen mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit sind. Ein Nachteil liegt in den hohen Werkstoffkosten und insbesondere in der aufwändigen, größtenteils manuellen Fertigung.At the Construction of vehicles of all kinds, especially in the construction of air and Spacecraft, but There are always other industries, such as mechanical engineering more the need after resilient, yet lightweight and possible inexpensive Materials. In particular fiber composite materials offer an outstanding lightweight construction potential. The principle is that in particular high-strength and rigid Fibers are embedded in a matrix according to stress, which Components with outstanding mechanical properties arise, those with previous techniques typically 25% lighter than aluminum and 50% lighter than steel structures with comparable performance are. A disadvantage lies in the high material costs and in particular in the elaborate, Mostly manual production.
Es gibt daher den Wunsch, eine automatisierte Herstellung zu schaffen, die eine maschinelle Anordnung der Fasern im Raum ermöglicht. Heutzutage zeichnen sich faserverstärkte Kunststoffe insbesondere bei Verwendung von gerichteten Langfasern, zum Beispiel Kohlenstofffasern, durch eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aus. Außerdem verfügen sie über ein hohes gewichtsspezifisches Energieaufnahmevermögen und gute Ermüdungseigenschaften.It There is therefore a desire to create an automated production, which allows a mechanical arrangement of the fibers in the room. These days, fiber-reinforced plastics are becoming increasingly popular when using oriented long fibers, for example carbon fibers, by a very high strength and rigidity at low weight. Furthermore feature she over a high weight-specific energy absorption capacity and good Fatigue properties.
Dies wird bislang dadurch erreicht, dass Endlosfasern belastungsgerecht in einer Matrix (beispielsweise Epoxidharz) eingefügt werden. Je nach Verstärkungsrichtung können anisotrope Werkstoffe entstehen, die richtungsabhängige mechanische Eigenschaften haben. So kann zum Beispiel ein Werkstoff in der Länge andere Eigenschaften aufweisen als in der Breite. Bei modernen Luft- und Raumfahrzeugen besteht bereits heutzutage ein hoher Prozentsatz des Strukturgewichtes aus faserverstärkten Kunststoffen.This is achieved so far by the fact that continuous fibers load requirements in a matrix (for example epoxy resin) are inserted. Depending on the direction of reinforcement can anisotropic materials are created, the directional mechanical Have properties. For example, one material may be different in length Have properties as in width. In modern air and Spacecraft already has a high percentage today the structural weight of fiber-reinforced plastics.
Das wichtigste Fertigungsverfahren basiert derzeit auf der sogenannten Prepreg-Technologie. Hierbei werden die Verstärkungsfasern parallel (unidirektional) an geordnet und in eine Matrix eingebettet. Nach einem Aushärtungsschritt entstehen Halbzeuge, die als dünne Lage auf eine Rolle aufgewickelt werden. Bei der Verarbeitung werden diese Lagen entsprechend der Bauteilkontur zugeschnitten und vorwiegend von Hand Schicht für Schicht in ein Werkzeug laminiert. Anschließend erfolgt die Aushärtung unter Druck und Temperatur in einem Autoklaven. Die entstehenden Bauteile weisen ein sehr hohes Leichtbaupotential auf, die Fertigung ist jedoch sehr aufwändig und teuer. Seit mehreren Jahrzehnten beschäftigt die Werkstoff-Forscher daher die Frage, wie Fasern belastungsgerecht, dreidimensional und von ihrer Kontur her möglichst nahe an der endgültigen Kontur des Bauteiles in einem automatisierten Prozess angeordnet werden.The most important manufacturing process is currently based on the so-called Prepreg technology. in this connection become the reinforcing fibers arranged in parallel (unidirectionally) and embedded in a matrix. After a curing step arise semi-finished products as thin Able to be wound up on a roll. When processing will be these layers tailored to the component contour and predominantly by hand layer for Layer laminated in a tool. Subsequently, the curing takes place under Pressure and temperature in an autoclave. The resulting components have a very high lightweight construction potential, the manufacturing is but very expensive and expensive. For several decades employed the material researchers Therefore, the question of how fibers are stressful, three - dimensional and as possible from its contour close to the final Contour of the component arranged in an automated process become.
Um
Faserverbundstrukturen mit entsprechend dem Kraftfluss angeordneten
Fasern herzustellen, hat man bisher neben Prepregs für ausgewählte Anwendungen
sogenannte Preforms als textile Halbzeuge gefertigt. Dabei handelt
es sich um meist zwei- oder dreidimensionale Gebilde mit belastungsgerecht
ausgelegter Faserausrichtung. Bisher werden hierzu mit Mitteln der
Textiltechnik Endlosfasern in Belastungsrichtung verlegt und mit
Mitteln der Textiltechnik, in der Regel durch Vernähen, Stricktechniken
oder dergleichen, vorfixiert. Beispiele für Vorrichtungen und Verfahren
zum Herstellen solcher Preforms finden sich in der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Jedoch sind die bekannten Verfahren zum Herstellen von Preforms kompliziert in der Anwendung und der Prozesstechnik. Insbesondere bei solchen Bauteilen, wo gekrümmte Kraftflusslinien mit variierender Dichte zu erwarten sind, ist mit den bisher bekannten Methoden die Herstellung eines entsprechend kraftflussgerecht ausgelegten Bauteiles nicht möglich. Insbesondere können die Fasern nicht beliebig entlang definiert gekrümmter Bahnen orientiert werden, und der Fasergehalt lässt sich nicht lokal variieren.however The known methods for producing preforms are complicated in the application and the process technology. Especially with such Components where curved Power flux lines with varying density are to be expected with the previously known methods the preparation of a corresponding Not suitable for flow-oriented components. In particular, the Fibers are not arbitrarily oriented along defined curved paths, and the fiber content leaves do not vary locally.
Es ist demgemäss Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von textilen Halbzeugen für kraftflussgerecht ausgelegte Faserverbundstrukturen zu schaffen, bei denen die Fasern einfacher und besser an komplizierte Kraftflussverläufe anpassbar sind. Insbesondere soll ein einfacheres Herstellverfahren für ein kraftflussgerecht ausgelegtes Bauteil ermöglicht werden, in welchem Fasern entlang beliebig definiert gekrümmter Bahnen orientierbar sind und der Fasergehalt lokal variierbar ist.It is accordingly Object of the invention, a method and an apparatus for producing textile semi-finished products for to create power flow oriented fiber composite structures, where the fibers are easier and better adaptable to complicated Kraftflussverläufe are. In particular, a simpler manufacturing process for a power flow is appropriate designed component allows in which fibers along arbitrarily defined curved paths are orientable and the fiber content is locally variable.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Preforms für kraftflussgerecht ausgelegte Faserverbundstrukturen mit den Schritten des beigefügten Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Herstellverfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 22 gelöst. Eine vorteilhafte Verwendung des Herstellverfahrens ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches 21.These The task is accomplished by a process for the production of preforms for power flow designed fiber composite structures with the steps of the appended claim 1 and a device for carrying out such a manufacturing method solved with the features of claim 22. An advantageous use the manufacturing process is the subject of the independent claim 21st
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine Preform dadurch herstellen, dass zunächst ein Faserfilamentbündel, vorzugsweise ein Roving, flach aufgespreizt wird. Von diesem aufgespreizten Faserfilamentbündel wird dann ein Fa serbandstück, in der folgenden Beschreibung auch Patch genannt, vorzugsweise mit vordefinierter Länge, abgeschnitten. Anschließend wird das Faserbandstück mittels einer Legevorrichtung aufgenommen und an einer vordefinierten Position platziert. Dort wird das Faserbandstück mittels eines Bindermaterials fixiert. Das Abschneiden, Verlegen und Fixieren von Faserbandstücken wird wiederholt, wobei die Faserbandstücke an unterschiedlichen vordefinierten Positionen platziert und fixiert werden. Dies erfolgt vorzugsweise derart, dass aus den mehreren aneinander und/oder an eventuelle weitere Bestandteile der Preform fixierten Patchen die gewünschte Preform mit entsprechend kraftflussgerechter Faserorientierung gebildet wird. Es lässt sich dadurch zum Beispiel auch ein Bereich einer konventionell hergestellten Preform gezielt verstärken, beispielsweise indem an besonders belasteten Stellen Patches kraftflussgerecht abgelegt werden.at the method according to the invention let yourself Produce a preform by first a fiber filament bundle, preferably a roving, spread flat. From this spread fiber filament bundle is then a Fa band piece, in the following description also called patch, preferably with predefined length, cut off. Subsequently becomes the sliver piece taken by means of a laying device and at a predefined Position placed. There is the sliver piece by means of a binder material fixed. The cutting, laying and fixing of fiber band pieces is repeated, wherein the sliver pieces at different predefined Positions are placed and fixed. This is preferably done in such a way that from the several to each other and / or to any further Components of the preform fixed patches the desired preform is formed with appropriate flow-oriented fiber orientation. It leaves For example, this is also an area of a conventionally produced Reinforce preforms in a targeted manner, For example, at particularly heavily loaded patches power flow be filed.
Die Erfindung, die auch Fiber-Patch-Preforming-Technologie genannt werden kann, ermöglicht durch einen speziellen Legeprozess das positionsgenaue Aufbringen kurzer Faserstücke (Patches). Über die Orientierung und Anzahl der Faserstücke können die geforderten Eigenschaften der Preform erfüllt werden.The Invention, which are also called fiber patch preforming technology can, made possible by a special laying process the positionally accurate application of short fiber pieces (Patches). About the Orientation and number of fiber pieces can be the required properties the preform are met.
Eine Orientierung auch entlang stärker gekrümmter Bahnen ist durch das Aufschneiden in kurze Faserstücke ermöglicht. Untersuchungen haben ergeben, dass trotz der Verwendung kurzer Faserstücke anstelle von Endlosfaserstrukturen dennoch – insbesondere aufgrund der exakten Orientierung und der besseren Anpassbarkeit – sehr hohe Festigkeitswerte erreichbar sind, wobei gegenüber den rein textilen Preforming-Verfahren eine wesentliche Vereinfachung des Legeprozesses ermöglicht ist.A Orientation also along stronger curved Webs is made possible by cutting into short pieces of fiber. Investigations have shown that despite the use of short pieces of fiber instead of continuous fiber structures nevertheless - in particular due to the exact orientation and better customizability - very high Strength values are achievable, compared to the purely textile preforming process a substantial simplification of the laying process is possible.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können durch die Ablage gespreizter, kurz geschnittener Faserstücke kraftflussoptimierte Preformen hergestellt werden. In bevorzugten Ausgestaltungen schneidet ein Faserschneidwerk speziell vorgefertigte, bebinderte Faserbänder in kurze Stücke und übergibt diese an ein Vakuumfließband. Dort werden die Faserbandstücke vereinzelt und zu der Legevorrichtung transportiert. Die Übergabe der Faserbandstücke an einen Legekopf der Le gevorrichtung erfolgt vorzugsweise fliegend über eine Kombination aus Ansaugmodulen und Abblasmodulen. In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Heizvorrichtung an dem Legekopf vorgesehen, die das Faserbandstück während des Transports zum Ablegeort aufheizt und dadurch den Binder aktiviert. Der Legekopf presst das Faserbandstück auf die vordefinierte Stelle und löst sich dann vorzugsweise mit einem Abblasimpuls. Der Legekopf kehrt danach in Ausgangsposition zurück.at the method according to the invention can through the storage of splayed, short cut pieces of fiber optimized for flow Preforms are produced. In preferred embodiments, cuts a fiber cutting plant specially prefabricated, binded slivers in short pieces and passes this to a vacuum conveyor. There are the sliver pieces isolated and transported to the laying device. The handover the sliver pieces To a laying head of the Le gevorrichtung preferably takes place flying over a Combination of suction modules and blow-off modules. In a preferred embodiment a heater is provided on the laying head, which the sliver piece during the Heats up transport to the deposit and thereby activates the binder. The laying head presses the sliver piece to the predefined position and solve then preferably with a blow-off. The laying head returns then back to starting position.
Die Technologie gemäß der Erfindung und/oder von deren bevorzugten Ausgestaltungen erlaubt die vollautomatische Produktion von komplexen Faserpreformen. Parameter wie Fasergehalt, Faserorientierung und Kurvenradien können weitgehend variiert werden.The Technology according to the invention and / or of their preferred embodiments allows the fully automatic Production of complex fiber preforms. Parameters such as fiber content, fiber orientation and curve radii can be varied widely.
Bevorzugt wird das Bindermaterial zum Fixieren des Faserbandstückes auf die Faserfilamente aufgetragen, wobei das Bindermaterial vorzugsweise ein thermisch aktivierbares Bindermaterial, beispielsweise ein Thermoplast, ist. Prozesstechnisch einfach lässt sich dies realisieren, wenn das Bindermaterial in Form von Pulver vorliegt und auf die Faserfilamente aufgebracht wird, und dort durch eine kurze Erwärmung anhaftet. Wenngleich möglich ist, das Bindermaterial während des Transportes zwischen dem Abschneiden und dem Platzieren aufzubringen, so hat es sich als prozesstechnisch einfacher realisierbar erwiesen, wenn das Bindermaterial vorher auf die Faserfilamente aufgetragen wird. Eine gute Verteilung unter gleichzeitig einfacher Anbringung lässt sich erreichen, wenn das Bindermaterial zwischen dem Aufspreizen und dem Abschneiden auf das aufgespreizte Faserfilamentbündel aufgetragen wird.Prefers The binder material for fixing the sliver piece on the fiber filaments applied, wherein the binder material is preferably a thermally activatable binder material, for example a thermoplastic, is. Process-technically simple realize this when the binder material in the form of powder is present and applied to the Faserfilamente, and there by a short warming adheres. Although possible is the binder material during transport between cutting and placing, it has proven to be easier to implement as a process technology if the binder material previously applied to the Faserfilamente becomes. A good distribution with easy attachment let yourself reach when the binder material between the spreading and the cutting on the spread fiber filament bundle applied becomes.
Um auch komplizierte dreidimensionale Gestaltungen ausbilden zu können, ist weiter bevorzugt, dass beim Platzieren das Faserbandstück auf einen Teilbereich einer Formfläche für die Preform gepresst wird. Dies lässt sich vorzugsweise dadurch erreichen, dass ein Legestempel mit einer elastischen Pressfläche an dem Legekopf verwendet wird.Around is also able to train complicated three-dimensional designs is more preferably that when placing the sliver piece on a partial area a mold surface for the Preform is pressed. This leaves preferably achieve that a laying temple with a elastic pressing surface is used on the laying head.
Je kürzer die Faserbandstücke oder Patches abgeschnitten werden, desto kleinere Krümmungsradien lassen sich durch unterschiedliche Orientierung von in Faserrichtung hintereinander abgelegten Faserbandstücken nachbilden. Daher ist bevorzugt, dass zum Bilden des Faserbandstückes jeweils ein Stück von weniger als ca. 20 cm, insbesondere von weniger als ca. 10 cm abgeschnitten wird. Werden die Faserstücke sehr kurz, dann ergeben sich höhere Anforderungen an die Vorrichtungen zur Handhabung der Faserbandstücke, insbesondere an eine Schneidvorrichtung, die mit entsprechend kürzerem Abstand möglichst genau definiert abschneiden soll, sowie an die Legevorrichtung, die dann entsprechend mehr Faserbandstücke für eine gegebene Fläche der Preform verlegen muss. Daher wird als unterer Wert für die Länge der Faserbandstücke ca. 10 mm bevorzugt. Je nach Größe des herzustellenden Bauteiles können diese Größenangaben entsprechend variieren.ever shorter the sliver pieces or patches are cut, the smaller radii of curvature can be achieved by different orientation of the fiber direction reproduce sliver pieces stored one behind the other. thats why preferably that for forming the sliver piece each a piece of less cut off as about 20 cm, in particular less than about 10 cm becomes. Become the fiber pieces very short, then there are higher requirements to the devices for handling the fiber band pieces, in particular to a cutting device with a correspondingly shorter distance preferably to cut exactly defined, as well as to the laying device, then correspondingly more sliver pieces for a given area of Must relocate Preform. Therefore, the lower value for the length of the Sliver pieces about 10 mm preferred. Depending on the size of the component to be manufactured can these sizes vary accordingly.
Ein Legekopf der Legevorrichtung wird erfindungsgemäß – vorzugsweise automatisch – so gesteuert, dass er zwischen wenigstens einer oder mehreren Aufnahmepositionen, wo die einzelnen Faserbandstücke aufgenommen werden und den jeweils für die einzelnen Faserbandstücke vorbestimmten Positionen, wo die Faserbandstücke platziert werden, hin- und herverfahrbar ist.A laying head of the laying device is invented According to the invention - preferably automatically - so controlled that it is between at least one or more receiving positions, where the individual sliver pieces are received and the respectively for the individual sliver pieces predetermined positions where the sliver pieces are placed, moved back and forth.
Um die Faserbandstücke oder Patches nach dem Abschneiden zu vereinzeln oder mit einem genügend großen Abstand zueinander zu versehen, so dass sie sicher einzeln von der Verlegevorrichtung nacheinander ergriffen werden können, ist ein Transport mittels einer Transporteinrichtung bevorzugt, die eine größere Transportgeschwindigkeit als die Fördergeschwindigkeit des gespreizten Faserfilamentbündels zu einer Schneidvorrichtung hat.Around the sliver pieces or patches after trimming or with a sufficiently large distance provided to each other so that they are safe one by one from the laying device in succession can be taken If transport by means of a transport device is preferred, the greater transport speed as the conveying speed of the spread fiber filament bundle to a cutting device.
Um die Faserbandstücke lagegenau zu positionieren, ist es weiter bevorzugt, dass die einzelnen Patches an der Transporteinrichtung und/oder der Legevorrichtung, insbesondere an einem Legekopf davon, festgehalten werden. Dies ist bevorzugt mit pneumatischen Kräften, insbesondere mittels Ansaugen und Abblasen, durchführbar. Das Festhalten mittels pneumatischem Ansaugen hat den Vorteil, dass die einzelnen Faserbandstücke, die aufgespreizt sind, wobei einzelnen Filamente vorzugsweise bereits durch Bindermaterial vorfixiert sind, flach ohne Verwerfungen aufliegen können. Aufgrund der flachen aufgespreizten Struktur des Faserbandstückes ist das Festhalten problemlos möglich. Dies wäre insbesondere bei gewirkten oder sonstigen vorgefertigten Fasergeweben oder Fasergelegen nach dem Stand der Technik nicht der Fall, da diese aufgrund ihrer Dimensionen und aufgrund ihrer Luftdurchlässigkeit durch Saugkräfte nicht zuverlässig fixiert werden können.Around the sliver pieces It is further preferred that the individual patches be positioned precisely on the transport device and / or the laying device, in particular held on a laying head thereof. This is preferred with pneumatic forces, in particular by means of suction and blowing, feasible. The Holding by pneumatic suction has the advantage that the individual slivers, which are spread apart, with individual filaments preferably already are pre-fixed by binder material, lie flat without distortions can. Due to the flat spread structure of the sliver piece is clinging easily possible. This would be in particular in knitted or other prefabricated fiber fabrics or Fasergelegen according to the prior art, not the case because these because of their dimensions and because of their air permeability by suction not reliable can be fixed.
Als Filamentbündel, welches zum Liefern des Ausgangsmaterials aufgespreizt wird, wird vorzugsweise ein Roving, insbesondere ein Kohlenstoff-Roving verwendet.When filament bundles, which is spread to provide the starting material is preferably a roving, in particular a carbon roving used.
Die Faserbandstücke oder Patches werden zum Beispiel so verlegt, dass sie sich an Randbereichen teilweise überlappen, so dass eine Fixierung der Faserbandstücke aneinander erfolgen kann. Andererseits ist das Überlappen benachbarter Faserbandstücke unter dem Aspekt unerwünscht, dass aufeinanderliegende Fasern benachbarter Faserbandstücke zu Aufdickungen führen können, die die Festigkeit beeinträchtigen können. Wenn man das Abschneiden der Patches bzw. Faserbandstücke entlang von bogenförmigen Schneidlinien, insbesondere entlang von kreisbogenförmigen Schneidlinien durchführt, dann lässt sich an einem Ende jedes Faserbandstückes ein konkaver Kantenbereich und an einem anderen Ende des Faserbandstückes ein komplementärer konvexer Kantenbereich erhalten. Die Faserbandstücke können dann mit ihren entsprechend bogenförmig gekrümmten Schneidkanten aneinanderliegend aneinandergereiht werden, wobei Überlappungen oder Lücken minimiert werden. Insbesondere bei einer kreisbogenförmigen Schneidkante können dabei die Faserbandstücke eng aneinanderliegend mit verschiedenen Faserausrichtungen zueinander orientiert werden, ohne dass Aufdickungen oder Überlappungen entstehen.The Sliver pieces or patches are laid, for example, so that they are on edge areas partially overlap, so that a fixation of the sliver pieces can be done together. On the other hand, the overlap adjacent sliver pieces unwanted from the aspect, that superimposed fibers of adjacent sliver pieces to thickenings to lead can, which impair the strength can. If you cut the patches or slivers along of arcuate Cutting lines, in particular along arcuate cutting lines performs, then let yourself at one end of each sliver piece a concave edge portion and at another end of the sliver piece a complementary convex Edge area received. The slivers can then work with theirs accordingly arc curved Cutting edges are strung together juxtaposed, with overlaps or gaps be minimized. Especially with a circular arc-shaped cutting edge can while the sliver pieces close together with different fiber orientations to each other be oriented without causing thickening or overlapping.
Eine Fixierung der Faserbandstücke an ihrer vorbestimmten Position und in ihrer vorbestimmten Orientierung in der Preform kann beispielsweise anhand links und rechts benachbarter Faserbandstücke oder anhand einer versetzt aufgebrachten weiteren Lage von Faserbandstücken, wobei die aufeinanderliegenden Faserbandstück-Lagen mittels des Bindematerials fixiert werden, oder insbesondere im Falle, dass die Fiber-Patch-Technologie zur bereichsweisen Verstärkung von Preformen eingesetzt wird, an weiteren Bestandteilen der Preform, beispielsweise an einem konventionellen Fasergelege, erreicht werden.A Fixation of the fiber band pieces at its predetermined position and in its predetermined orientation in the preform, for example, on the left and right adjacent Sliver pieces or Based on an offset applied further layer of slivers, wherein the superposed fiber band piece layers by means of the binding material be fixed, or in particular in the event that the fiber patch technology for areawise reinforcement of preforms is used on other components of the preform, For example, on a conventional fiber fabric, be achieved.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine Preform in einer Art Patchwork-Legeanordnung unter Anpassung der Anzahl und der Orientierung der einzelnen Patches erzielen.With the method according to the invention let yourself thus a preform in a kind of patchwork laying arrangement under adaptation the number and orientation of each patch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der dargestellten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to the drawings shown. In this shows:
In
Zunächst wird
anhand der
Wie
aus
Die
Abrollvorrichtung
Die
Spreizvorrichtung
Die
Bebinderungsvorrichtung
Die
Schneidvorrichtung
Die
Transporteinrichtung
Die
Legevorrichtung
Die
Preform-Herstellvorrichtung
Mit
der Preform-Herstellvorrichtung
Zunächst wird
ein in Form des Rovings
First, one in the form of roving
Mit
der Preform-Herstellvorrichtung
Durch
die Ablage gespreizter, kurz geschnittener Faserbandstücke – Patches
Die Übergabe
der Patches
Diese Technologie erlaubt die vollautomatische Produktion von komplexen Faser-Preformen. Parameter wie Fasergehalt, Faserorientierung und Kurvenradien können weitgehend variiert werden.These Technology allows the fully automatic production of complex Fiber preforms. parameter like fiber content, fiber orientation and curve radii can be largely be varied.
In
den hier dargestellten Ausführungsformen werden
zum Herstellen der Preformen
Die Kurzfasern können relativ exakt entlang komplexer Kraftflusspfade gelegt werden. Bei zuvor zum Herstellen von solchen Preformen eingesetzten textilen Zuschnitten können nur Vorzugsorientierungen eingestellt werden. Dadurch können mit der hier dargestellten Technologie extreme geometrische Formen dargestellt werden. Das Herstellverfahren ist vollautomatisiert und es können Dickenvariationen innerhalb einer Preform und/oder veränderte Faservolumengehalte erhalten werden.The Short fibers can be placed relatively accurately along complex power flow paths. at previously used for the production of such preforms textile Can cut only preferred orientations are set. This can be done with The technology presented here represents extreme geometrical shapes become. The manufacturing process is fully automated and it can thickness variations within a preform and / or altered Fiber volume contents are obtained.
In
dem in
Zusammenfassend
ist ein Grundgedanke der hier vorgestellten Ausführungsform der Fiber-Patch-Preforming-Technologie,
Kohlenstofffaser-Rovings
Bei
dem hier dargestellten Herstellprozess werden gespreizte Fasern
eingesetzt. Eine Faserspreizung bildet eine Grundlage dafür, lokale
Ansammlungen von Faserenden innerhalb des späteren Verbundwerkstoff zu vermeiden,
da diese Spannungskonzentrationen verursachen und schlimmstenfalls
zum Bauteilversagen führen
könnten.
Durch eine Spreizung reduziert sich die Dicke des Rovings
Um
eine Spreizung möglichst
wirksam durchzuführen,
sollten Verdrehungen des Roving
Die
Abrollvorrichtung
Hierzu
weist die Lagerung
Als
Sensor
Der
Roving
Die
Spreizvorrichtung
Aufgrund
dessen ist der in
Die
in
Die
wenigstens eine Spreizkante
Bei
der bevorzugten Ausgestaltung gemäß dem in
Neben
ersten radialen Vorsprüngen
Besonders
einfach ist dies bei der Ausgestaltung gemäß
In
einer anderen Ausgestaltung sind die Kanten sämtlicher Flügel
Auf
diese Art und Weise ist die Spreizeinrichtung
In
der Spreizvorrichtung
Bei
der Herstellung von Kunststofffasern werden die Filamentbündel oftmals
frei geführt
und durch Ösen
geleitet. Dabei können
sich Teile der Filamente
Um
ein möglichst
homogenes Spreizbild zu erreichen, wird bei einer nicht explizit
dargestellten Ausführungsform
der Erfindung eine mehrstufige Spreizung vorgesehen, bei der das
Spreizverhältnis stufenweise
gesteigert wird. Hierzu ist zunächst
eine erste Spreizeinrichtung
Danach
liegt der Roving
Im
weiteren Verlauf wird dieses Faserband
Theoretisch
liegen bei einem perfekt gespreizten, 30 mm breiten 12k-Roving nur
noch drei Filamente übereinander.
Dabei wurde ein Durchmesser der Filamente
Das
Versehen des so aufgespreizten Rovings
Die
Walze
Zwischen
dem Faserband
Die
Transport-Walze
Um
zu vermeiden, dass das Pulver an Engstellen blockieren und Maschinenteile
verklemmen kann, ist der Trichter
Messungen
haben gezeigt, dass die aufgestreute Menge an Bindermaterial nahezu
linear von der Drehgeschwindigkeit der Walze
Die
Bebinderungsvorrichtung
Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist die Heizeinrichtung
Die Binderpartikel werden leicht angeschmolzen und binden sich an die Faseroberfläche.The Binder particles are easily melted and bind to the Fiber surface.
Danach
kann – wie
dies in
Bei
dem in
In
Die
Messereinrichtung
Insbesondere
weist die Messereinrichtung
Die
Messereinrichtung
Die
in
Über der
Gegenwalze
Das
Kupplungsschneidwerk
Die
Bremsvorrichtung (nicht explizit dargestellt) sorgt dafür, dass
die Messerwalze
Bei
beiden hier vorgestellten Ausführungsformen
der Schneid- und Legegruppe
Die
Festhalteeinrichtung und die Übergabeeinrichtung
sind hier in Form des Vakuumfließbandes
Die
Transporteinrichtung
Der
Legekopf
Dabei
werden, wie dies in
Mit
der in
Auf
diese Art und Weise lassen sich auch sehr komplizierte Preforms
Die
dargestellte Ringform lässt
sich prozesstechnisch beispielsweise durch eine definiert drehbare
Vorform
Anhand
der
Der
Legekopf
Weiter
ist es vorteilhaft, wenn das Bindermaterial
Weiter
ist es vorteilhaft, wenn der Legekopf
Mit
dem Legestempel
Bei
dem konkreten Ausführungsbeispiel
gemäß
Der
Legestempel
Der
Legestempel
In
der
Das
elastische Trägerelement
Weiter
ist ein Thermoelement
In
Im
Folgenden wird die Anwendung des Legestempels
Bei
der hier vorgestellten Fiber-Patch-Preforming-Technologie werden
einzelne Faserpatches
Dabei
sollen die Patches
Die
Herstellung des Legestempels
Um
die Ablegefläche
des Legestempels
Um
die Flexibilität
des elastischen Trägerelements
Die
Wärmeleitfähigkeit
des elastischen Trägerelements
Beispielsweise
besitzt die flexible Oberfläche bei
einem Wärmeleitmittel-Anteil
von ca. 10–30
Gewichtsprozent eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, so dass ein Heizelement
der Heizeinrichtung
In
die flexible Oberfläche
Zur
Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen ist es vorteilhaft,
wenn die flexible Oberfläche
Im
Folgenden wird noch anhand der
Die
in
Wie
zuvor erläutert,
wird der Patch
Die
Legemechanik
Während des
Verschiebevorganges wird die Stempelfläche permanent auf einer einstellbaren Temperatur
gehalten, damit der Binder seine Klebrigkeit aktivieren kann. Sobald
der Patch
Über einen
dritten Antrieb, der bei dem Ausführungsbeispiel in Form eines
Schrittmotors
Um
einen wirtschaftlichen Legeprozess zu erreichen, wurde eine sehr
hohe Taktrate von mehr als zwei Legevorgängen pro Sekunde geplant. Beispielsweise
werden fünf
Legevorgänge
pro Sekunde oder mehr durchgeführt.
Bei einer Patchlänge
von 60 mm und unter Verwendung eines 12k-Rovings, kommt man so zu
einem theoretischen Faserdurchsatz von 14,4 gr/min. Möchte man
beispielsweise einen Quadratmeter mit Faserpatches
Aufgrund
der derzeit noch relativ niedrigen erreichbaren Geschwindigkeiten
ist die FPP-Technik in der derzeit vorgestellten Form insbesondere
für die Verstärkung anderer
Preform-Typen sowie für
dünnwandige
und komplexe Bauteile geeignet. So ist z. B. an die Verstärkung von
Lochrändern
auf Mulitaxialgelegen oder Geweben zu denken. Ein Fenstertrichter,
dessen Preform
Für bestimmte
Preformtypen werden weniger Freiheitsgrade an einer FPP-Anlage – Preform-Herstellvorrichtung
Dadurch können sowohl die Anlagenkosten gesenkt werden, als auch die Produktivität erhöht werden.Thereby can both the plant costs are lowered, and the productivity can be increased.
- 1010
- Preform-HerstellvorrichtungPreform manufacturing
- 1212
- Aufbereitungsgruppetreatment group
- 1414
- Faserstrangtow
- 1616
- Schneid- und Legegruppecutting and laying group
- 1818
- Abrollvorrichtungunrolling
- 2020
- Spreizvorrichtungspreading
- 2222
- Bebinderungsvorrichtungbinder impregnation device
- 2424
- Schneidvorrichtungcutter
- 2626
- Transporteinrichtungtransport means
- 2828
- Legevorrichtungpositioning device
- 3030
- Vorformpreform
- 3232
- Rovingroving
- 3434
- Spreizeinrichtungspreading
- 3636
- Lockerungseinrichtungloosening device
- 3838
- Bindermaterialbinder material
- 40, 40', 40''40 40 ', 40' '
- Patch (Abschnitte von einem Faserband; Faserbandstücke)patch (Sections of a sliver;
- 4242
- Preformpreform
- 4444
- Steuerungsvorrichtungcontrol device
- 4646
- vordefinierte Positionpredefined position
- 4848
- FaserschneidwerkFiber cutting tool
- 5050
- Vakuumfließbandvacuum conveyor Belt
- 5252
- Legekopflaying head
- 5454
- Laserlaser
- 5656
- Vorratsspulesupply spool
- 5858
- Lagerungstorage
- 6060
- Linearführunglinear guide
- 6262
- Schlittencarriage
- 6464
- Antriebsspindeldrive spindle
- 6666
- Motorengine
- 6868
- Sensorsensor
- 7070
- Positionposition
- 7272
- Fotodiodephotodiode
- 7474
- flaches Bändchenflat ribbon
- 7575
- Röllchenroll
- 7676
- gebogene Stangecurved pole
- 7878
- gerade Stangejust pole
- 8080
- Spreizkantespreading edge
- 8282
- erster radialer Vorsprungfirst radial projection
- 8484
- Drehwellerotary shaft
- 8686
- Drehwellerotary shaft
- 8888
- zweiter radialer Vorsprungsecond radial projection
- 9090
- geradlinige Kantestraight edge
- 9292
- Zahnradgetriebegear transmission
- 9494
- Flügelwing
- 9696
- Saugkammersuction chamber
- 9898
- laminarer Luftstromlaminar airflow
- 100100
- Filamentefilaments
- 102102
- Trichterfunnel
- 104104
- radiale Erhebungenradial surveys
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- Walzeroller
- 108108
- AusbürstwalzeAusbürstwalze
- 110110
- Elektromotorelectric motor
- 112112
- Elektromotorelectric motor
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- Steuereinrichtungcontrol device
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- Halterholder
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- Heizeinrichtungheater
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- FaserschneidwerkFiber cutting tool
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- KupplungsschneidwerkCoupled cutting system
- 136136
- Messerbalkencutter bar
- 138138
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- 140140
- Saugkammersuction chamber
- 142142
- Lochblechperforated sheet
- 144144
- Saug/AbblaskammerSuction / blow-off
- 146146
- ÜbergabepositionTransfer position
- 148148
- gekrümmte Bahnencurved tracks
- 150150
- überlappende Patchesoverlapping patches
- 152152
- Schneidkantecutting edge
- 154154
- Schneidkantecutting edge
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- Bewegbarkeit der Vorform – mehrdimensional –mobility the preform - multidimensional -
- 158158
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- Heizeinrichtungheater
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