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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern
für faserverstärkte Bauteile.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen,
bei denen Faserfäden
gelegt werden.
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Hochbelastete
Bauteile werden mit Verstärkungsfasern
zur Verbesserung der Festigkeit und der Steifigkeit versehen. Die
Fasern sind dabei möglichst straff
zu legen und an der gewollten Position im Bauteil zu fixieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der bzw. mit dem
sich auf einfache Weise ein faserverstärktes Bauteil herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass diese eine Faserfadenpositioniereinrichtung umfasst, durch
welche ein Faserfadenteil in einer Linie oder in einer Ebene positionierbar
ist, und einen Werkstückhalter
umfasst, welcher relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
linear verschieblich ist und relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
drehbar ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen
sich Faserfäden
legen und insbesondere Endlosfaserfäden legen. Bei den Faserfäden kann
es sich um Faserstränge
(Rovings) handeln oder um andere fadenförmige Fasergebilde, wie beispielsweise entsprechend
zugeschnittene Fasergewebe.
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Die
Vorrichtung lässt
sich kostengünstig
realisieren und es lassen sich auch komplexere Strukturen mit Innenwänden, Rippen
und Waben herstellen.
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Durch
die Beweglichkeit des Werkstückhalters
gegenüber
der Faserfadenpositioniereinrichtung lassen sich Schlaufen herstellen
und Faserfadenteile zwischen den Schlaufen stramm legen.
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Für die Faserfadenpositioniereinrichtung braucht
nur eine Beweglichkeit in der Linie oder in der Ebene vorgesehen
sein, was beispielsweise alleine durch einen beweglichen Arm erreichbar
ist. Dadurch lässt
sich der Bewegungsaufwand während
der Herstellung gering halten, so dass der Zeitaufwand zur Herstellung
gering ist. Aus diesem Grund lässt
sich die Vorrichtung auch kostengünstig realisieren, da beispielsweise
kein Roboter für
die Faserfadenpositioniereinrichtung vorgesehen werden muss.
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Insbesondere
ist der Werkstückhalter
in einer ersten Richtung relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
verschieblich, welche quer (und insbesondere senkrecht) zu der Linie
oder der Ebene ist, in welcher der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung
positionierbar ist. Durch diese Verschieblichkeit lassen sich beabstandete
Faserfadenteile legen. Ferner lässt
sich durch die Bewegung eine Schlaufe herstellen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn der Werkstückhalter
in einer zweiten Richtung relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
verschieblich ist, welche quer (und insbesondere senkrecht) zu der
ersten Richtung ist. Dadurch kann beispielsweise nach einer Drehung
eine gezielte Ausrichtung des Werkstückhalters zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
erfolgen.
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Es
ist dann günstig,
wenn die zweite Richtung im Wesentlichen parallel zu der Linie oder
der Ebene ist, in welcher der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung
beweglich ist. Es lässt sich
dann der Werkstückhalter
in einer Ebene verschieben, um diesen gezielt zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
ausrichten zu können.
Dadurch wiederum lassen sich die Bewegungsoptionen für die Faserfadenpositioniereinrichtung
minimieren. Beispielsweise genügt
es dann, einen linear verschieblichen oder einen schwenkbaren Arm
an der Faserfadenpositioniereinrichtung vorzusehen.
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Günstig ist
es, wenn der Werkstückhalter
um eine Drehachse drehbar ist, welche quer zu einer ersten Linearverschiebungsrichtung
des Werkstückhalters ist.
Durch eine Drehung des Werkstückhalters um
die Drehachse, beispielsweise um 90°, lässt sich die Orientierungsrichtung
von gelegten Faserfadenteilen ändern.
Dadurch lassen sich Querwände
oder dergleichen herstellen.
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Insbesondere
ist die Drehachse quer (und insbesondere senkrecht) zu einer zweiten
Linearverschiebungsrichtung des Werkstückhalters orientiert, um weitere
Herstellungsmöglichkeiten
zu haben.
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Es
ist ferner günstig,
wenn eine Ebene, welche durch die erste Linearverschiebungsrichtung
und die Drehachse aufgespannt ist, quer (und insbesondere senkrecht)
zu der Linie oder der Ebene orientiert ist, in welcher der Faserfadenteil
durch die Faserfadenpositioniereinrichtung positionierbar ist. Es
ist dadurch insbesondere möglich,
eine Faserfadenlegung in einer Querschnittsebene durchzuführen und
dann das Werkstück
sukzessive durch Abfolge des Aufbaus von Querschnittsebenen herzustellen.
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Günstig ist
es, wenn der Werkstückhalter und
die Faserfadenpositioniereinrichtung in einer Höhenverschiebungsrichtung zueinander
linear verschieblich sind. Die Höhenverschiebungsrichtung
ist dabei insbesondere parallel zu einer Höhenrichtung eines herzustellenden
Bauteils. Es lässt
sich dann sukzessive ein Werkstück "aufbauen", indem sukzessive
Querschnittsebenen durch Faserlegung aufgebaut werden. Es kann dabei
vorgesehen sein, dass der Werkstückhalter
beweglich ist und die Faserfadenpositioniereinrichtung festgelegt
ist oder umgekehrt. Eine Beweglichkeit sowohl des Werkstückhalters
als auch der Faserfadenpositioniereinrichtung in der Höhenverschiebungsrichtung
kann auch vorgesehen sein.
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Insbesondere
ist die Höhenverschiebungsrichtung
im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse des Werkstückhalters.
Dadurch ergeben sowohl umfangreiche Möglichkeiten für die Faserfadenlegung
in einer Querschnittsebene als auch die Möglichkeit des Aufbaus des Werkstücks durch
eine relative Verschiebung zwischen dem Werkstückhalter und der Faserfadenpositioniereinrichtung
in der Höhenverschiebungsrichtung.
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Günstigerweise
ist die Höhenverschiebungsrichtung
quer zu einer Richtung, in welcher der Werkstückhalter relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung
verschieblich ist und insbesondere quer zu einer Ebene, in welcher
der Werkstückhalter
verschieblich ist. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die entsprechende
Querrichtung eine senkrechte Richtung ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Werkstückhalter
an einem Positioniertisch angeordnet. Der Positioniertisch weist
die entsprechenden Linearverschiebungsmöglichkeiten und Drehmöglichkeiten
auf. Der Werkstückhalter
kann beispielsweise auch an einem Roboter fixiert sein.
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Günstig ist
es, wenn der Werkstückhalter eine
Mehrzahl von Legekernen umfasst. Die Legekerne definieren Hohlformen
für herzustellende
Bauteile. An sie sind die Faserfadenteile anlegbar. Durch entsprechende
Bewegung des Werkstückhalters
relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung lassen sich definierte
Querschnittslagen legen.
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Beispielsweise
sind die Legekerne in Zeilen und/oder Spalten angeordnet. Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
lassen sich auch Wandbereiche zwischen benachbarten Legekernen bzw.
benachbarten Legekernenzeilen und Legekernenspalten herstellen.
Durch die Beweglichkeit von Faserfadenteilen in der Linie bzw. der
Ebene lassen sich Faserfadenteile in Zwischenräume zwischen benachbarten Legekernen
einbringen.
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Bei
einer fertigungstechnisch günstigen
Ausführungsform
umfasst die Faserfadenpositioniereinrichtung mindestens einen beweglichen
Arm, welcher an einer Basis angeordnet ist. Durch einen beweglichen
Arm ist es auf einfache Weise möglich,
ein Faserfadenteil in einer Linie oder in einer Ebene zu positionieren.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Linie oder Ebene, in
welcher der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung positionierbar
ist, räumlich
fest bezüglich
der Basis ist. Dadurch lässt
sich die Faserfadenpositioniereinrichtung auf einfache Weise ausbilden.
Es muss grundsätzlich
nur eine Bewegungsmöglichkeit
wie beispielsweise eine Schwenkbeweglichkeit oder eine Linearverschieblichkeit
für den
Arm vorgesehen werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der mindestens eine Arm schwenkbar. Durch die Schwenkbarkeit
lässt sich
ein Faserfadenteil auf einfache Weise in einer Ebene positionieren.
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Insbesondere
ist dabei der mindestens eine Arm in einem Schwenkbereich von mindestens
180° beweglich.
Dadurch ist eine Schwenkung in eine Richtung und in eine Gegenrichtung
möglich,
um – in einer
Ebene – ein
Faserfadenteil in einer ersten Linearrichtung zu legen und in einer
zweiten Linearrichtung zu legen, welche der ersten Linearrichtung
entgegengerichtet ist.
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Insbesondere
ist eine Schwenkachse quer (und insbesondere senkrecht) zu der Linie
oder Ebene, in welcher der Faserfadenteil positionierbar ist, orientiert.
Dadurch lässt
sich auf einfache Weise ein Faserfadenteil in einer Ebene (und damit
auch auf einer Linie) legen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Arm linear verschieblich
ist. Bei entsprechender Anordnung lässt sich dadurch beispielsweise
ein Faserfadenteil zwischen Legekernen "durchschießen".
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Insbesondere
liegt dann eine Verschiebungsrichtung des mindestens einen Arms
auf der Linie oder Ebene, in welcher der Faserfadenteil durch die
Faserfadenpositioniereinrichtung positionierbar ist.
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Es
ist günstig,
wenn der mindestens eine Arm ein oder mehrere Faserfadenführungselemente aufweist.
Durch diese ist der Faserfaden "locker" geführt, um
beispielsweise eine Abwicklung von einem Faserfadenvorrat zu ermöglichen.
Die Abwicklung erfolgt dabei durch die Bewegung des Werkstückhalters
relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung.
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Insbesondere
ist dem mindestens einen Arm ein Halter für einen Faserfadenvorrat zugeordnet. Über den
Faserfadenvorrat, welcher an dem Halter angeordnet ist, wird dem
Arm ein Faserfaden bereitgestellt, um Faserfadenteile an dem Werkstückhalter positionieren
zu können.
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Es
ist dann günstig,
wenn Faserfadenteile von der Faserfadenvorrichtung über den
mindestens einen Arm geführt
abwickelbar sind. Es lässt
sich dann durch eine entsprechende Beweglichkeit des Werkstückhalters
eine automatische Abwicklung erreichen.
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Günstig ist
es, wenn die Vorrichtung mindestens einen Niederhalter für Faserfäden umfasst. Durch
einen Niederhalter lässt
sich ein Hochrutschen eines gelegten Faserfadens verhindern, indem
der Niederhalter mit einem Anlageelement auf einen gelegten Faserfaden
aufgelegt wird. Insbesondere lässt sich
durch einen Niederhalter ein Hochrutschen verhindern, wenn ein Schwenkarm
der Fadenpositioniereinrichtung seine Richtung ändert. Der mindestens eine
Niederhalter kann beispielsweise durch einen beweglichen Arm gebildet
sein. Er kann an der Fadenpositioniereinrichtung fixiert sein oder
außerhalb
von dieser angeordnet sein.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Faserfadenteil durch eine Faserfadenpositioniereinrichtung,
an welcher der Faserfadenteil geführt ist, bereitgestellt wird,
der Faserfadenteil an einem Werkstückhalter an einer Seite eines
oder mehrerer Legekerne positioniert wird, der Werkstückhalter
relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung verschoben und/oder
gedreht wird und ein Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung
an einer anderen Seite des oder der Legekerne oder an einem oder
mehreren anderen Legekernen positioniert wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
auf einfache und kostengünstige
Weise ein Faserfaden legen. Es können
dabei auch komplexe Strukturen hergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläuterten
Vorteile auf.
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Insbesondere
wird ein Faserfadenende an dem Werkstückhalter fixiert. Durch Bewegen
des Werkstückhalters
wie beispielsweise Linearbewegung und Drehung lässt sich dann der Faserfaden von
einer Faserfadenvorrichtung abwickeln.
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Günstig ist
es, wenn durch die Verschiebung und Drehung des Werkstückhalters
Schlaufen hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
lassen sich straff sitzende Faserfäden legen.
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Günstig ist
es, wenn eine Faserfadenlage in einer Querschnittsebene fertiggestellt
wird und dann eine Faserfadenlage in einer weiteren Querschnittsebene
durch relative Höhenverschiebung
zwischen dem Werkstückhalter
und der Faserfadenpositioniereinrichtung hergestellt wird. Es lässt sich
dadurch sukzessive ein Werkstück
aufbauen, indem zunächst eine
Querschnittsebene durch Faserlegung hergestellt wird und dann ausgehend
von dieser Querschnittsebene eine nächstbenachbarte Querschnittsebene
hergestellt wird.
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Insbesondere
wird durch die Faserfadenpositioniereinrichtung ein Faserfadenteil
in einer Linie oder in einer Ebene positioniert. Dadurch lässt sich die Faserfadenpositionierung
auf einfache und schnelle Weise durch die Faserfadenpositioniereinrichtung
durchführen.
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Insbesondere
wird der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung
durch einen beweglichen Arm positioniert. Der bewegliche Arm kann
mit einer geringen Anzahl von Bewegungsoptionen ausgestattet werden.
Beispielsweise genügt
es, den Arm nur schwenkbar vorzusehen.
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Insbesondere
wird durch eine Schwenkbewegung in einer ersten Schwenkrichtung
einer Faserfadenteil in einer ersten Linearrichtung positioniert und
durch eine Schwenkbewegung in einer zweiten Schwenkrichtung, welche
der ersten Schwenkrichtung entgegengerichtet ist, ein Faserfadenteil
in einer zweiten Linearrichtung positioniert, welche der ersten Linearrichtung
entgegengerichtet ist. Zwischen der Schwenkung in der ersten Schwenkrichtung
und der Schwenkung in der zweiten Schwenkrichtung liegt dabei eine
Linearverfahrung des Werkstückhalters
in einer Richtung, welche quer zu der ersten Linearrichtung liegt.
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Günstig ist
es, wenn Faserfadenteile von einer Faserfadenvorrichtung abgewickelt
werden. Dadurch lässt
sich ein Werkstück
auf einfache Weise herstellen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass ein Faserfadenteil zwischen beabstandeten
Legekernen positioniert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen
sich auch entsprechende komplizierte Bauteile mit Innenwänden, Innenrippen,
Waben und dergleichen herstellen.
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Nach
Faserlegung wird eine Matrix hergestellt, in der Faserfäden eingebettet
sind. Die Matrixherstellung kann auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen.
Beispielsweise werden trockene Faserfäden gewickelt, welche anschließend mit
einem Ausgangsmaterial für
die Matrix wie beispielsweise einem duroplastischen Material getränkt werden.
Nach Aushärtung
erhält
man das fertige Bauteil. Es ist auch möglich, dass ein derart hergestelltes
Faserwickelgebildet mit einer "Vormatrix" in einem weiteren Vorgang
beispielsweise umspritzt wird, um an bestimmten Bauteilstellen eine
lokale Verstärkung
zu erhalten. Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Hybridgarn
gewickelt wird, welches einen oder mehrere Faserfäden umfasst,
die aus Fasern und Matrixfäden
zusammengesetzt sind. Bei den Matrixfäden als Ausgangsmaterial für die Matrix
handelt es sich üblicherweise
um Fäden
aus einem thermoplastischen Material. Nach der Herstellung der Faserfadenwicklung
erfolgt eine Erwärmung,
um die Matrix herzustellen. Dadurch lässt sich das fertige Bauteil
realisieren bzw. man erhält
eine lokale Verstärkung.
Es ist beispielsweise auch möglich,
dass ein Faserfaden mit Faseranteil und Matrixanteil (üblicherweise
thermoplastische Matrixfäden)
vorkonsolidiert wird und dann zur Faserlegung erwärmt wird,
so dass er weniger steif ist. Das fertige Bauteil bzw. eine lokale
Verstärkung
erhält
man dann nach der Wicklung und der Abkühlung.
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Insbesondere
wird ein Niederhalter an einem gelegten Faserfadenteil positioniert.
Dadurch kann ein Hochrutschen des gelegten Faserfadenteils an einem
Legekern verhindert werden. Insbesondere kann ein Hochrutschen verhindert
werden, wenn ein Arm einer Faserfadenpositioniereinrichtung seine Richtung ändert.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Legen von Verstärkungsfasern,
wobei eine Stellung in einer Anfangsphase des Faserlegens gezeigt
ist;
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2 eine
Teildarstellung der Vorrichtung gemäß 2 in einem
nachfolgenden Zwischenschritt des Faserlegens;
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3 eine
Stellung bei einem weiteren nachfolgenden Zwischenschritt;
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4 eine
weitere nachfolgende Stellung;
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5 eine
weitere nachfolgende Stellung;
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6 eine
weitere nachfolgende Stellung; und
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7 ein
Ausführungsbeispiel
einer Tankvorrichtung, welche mit der Vorrichtung gemäß 1 herstellbar
ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Legen von Verstärkungsfasern,
welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet
ist, umfasst einen Positioniertisch 12, an dem ein Werkstückhalter 14 angeordnet
ist.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst der Positioniertisch 12 eine Basis 16 beispielsweise
in Form einer Basisplatte. Die Basis 16 sitzt an einer
Säule 18 und
ist über
die Säule 18 höhenverschieblich.
Die Höhenverschieblichkeit
ist in 1 durch den Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 20 angedeutet.
Wie später
erläutert
wird, ist die Höhenverschiebungsrichtung 20 auch
eine Höhenrichtung
von herzustellenden Werkstücken.
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Der
Werkstückhalter 14 ist
plattenförmig
ausgebildet. An ihm sind ein oder mehrere Legekerne 22 positioniert.
Die Legekerne 22 sind in Abhängigkeit von dem herzustellenden
Werkstück
angeordnet und ausgebildet.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es beispielsweise möglich,
ein Werkstück
mit Innenwänden
herzustellen. Dazu können
Legekerne 22 in Zeilen und Reihen angeordnet sein.
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Der
Werkstückhalter 14 ist über den
Positioniertisch 12 verschieblich. Er ist insbesondere
in einer Ebene in einer ersten Richtung 24 und in einer zweiten
Richtung 26 linear verschieblich. Der Werkstückhalter 14 ist
dazu entsprechend an der Basis 16 geführt.
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Die
Höhenverschiebungsrichtung 20 ist
dann eine dritte Richtung.
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Die
erste Richtung 24 und die zweite Richtung 26 liegen
quer zueinander und sind insbesondere senkrecht zueinander. Die
dritte Richtung 20 ist quer zu der ersten Richtung 24 und
quer zu der zweiten Richtung 26 und insbesondere senkrecht
zu diesen.
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Der
Werkstückhalter 14 ist
ferner um eine Drehachse 28 drehbar. Diese Drehbarkeit
um die Drehachse 28 ist beispielsweise durch eine Drehbarkeit
des Werkstückhalters 14 relativ
zu der Basis 16 oder durch eine Drehbarkeit der gesamten
Basis 16 realisierbar. Im letzteren Fall ist beispielsweise
die Säule 18 an
einem Drehlager gelagert oder die Basis 16 ist über ein
Drehlager an der Säule 18 gelagert.
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Die
Drehachse 28 ist insbesondere im Wesentlichen parallel
zu der Höhenverschiebungsrichtung 20 und
quer und insbesondere senkrecht jeweils zu der ersten Richtung 24 und
der zweiten Richtung 26.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst eine Fadenpositioniereinrichtung 30.
Durch diese Fadenpositioniereinrichtung 30 ist ein Faserfadenteil
an dem Werkstückhalter 14 positionierbar.
Die Fadenpositioniereinrichtung 30 umfasst eine Basis 32,
an welcher ein Faserfadenhalter 34 angeordnet ist. Über den
Faserfadenhalter 34 ist ein Faserfadenvorrat 36 wie
beispielsweise eine Faserfadenrolle an der Basis 32 positionierbar.
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Die
Faserfadenpositioniereinrichtung 30 stellt Faserfadenteile
zum Legen bereit. Bei den Faserfäden
handelt es sich beispielsweise um Faserstränge (Rovings). Es können auch
andere Faserfäden
in anderer Form vorgesehen sein, wie beispielsweise Fasergewebe,
die eine relativ geringe Breite aufweisen und in der Art von Fäden verarbeitbar
sind. Es können
auch Matrixmaterialfäden
enthalten sein.
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Der
Werkstückhalter 14 ist
in der Höhenverschiebungsrichtung 20 relativ
zu der Basis 32 der Faserfadenpositioniereinrichtung 30 linear
verschieblich. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Linearverschieblichkeit
durch die Höhenverschieblichkeit
des Werkstückhalters 14 erreicht.
Es ist alternativ oder zusätzlich
möglich,
dass die Basis 32 in der Höhenverschiebungsrichtung 20 verschieblich ist.
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Die
Faserfadenpositioniereinrichtung 30 weist mindestens einen
Arm 38 auf, durch welchen ein Faserfadenteil 40 in
einer Ebene 42 oder auf einer Linie positionierbar ist.
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Der
Arm 38 umfasst ein oder mehrere Faserfadenführungselemente 44,
durch welche ein Faserfadenteil an dem Arm bis zu einem vorderen
Ende 46 geführt
ist, wobei der entsprechende Faserfadenteil von dem Faserfadenvorrat 36 abgewickelt
wird. Die Faserfadenführungselemente 44 sind
beispielsweise als Führungsringe
ausgebildet. Sie sind so ausgebildet, dass der entsprechende Faserfadenteil "locker" geführt ist
und durch Bewegung des Werkstückhalters 14 Faserfaden
von dem Faserfadenvorrat 36 abwickelbar ist.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Arm 38 über
ein Schwenklager 48 schwenkbar an der Basis 32 angeordnet.
Eine Schwenkachse 50 liegt dabei im Wesentlichen parallel
zu der ersten Richtung 24 und quer und insbesondere senkrecht
zu der zweiten Richtung 26. Ferner liegt die Schwenkachse 50 quer
und insbesondere senkrecht zu der Drehachse 28. Weiterhin
liegt die Schwenkachse 50 quer und insbesondere senkrecht
zu der Ebene 42.
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Die
Ebene 42 ist dabei räumlich
fest bezüglich
der Basis 32.
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Der
Arm 38 ist beispielsweise gekrümmt ausgebildet, wobei das
vordere Ende 46 bezogen auf die Schwenkachse 50 nicht
fluchtend zu dem Schwenklager 48 ausgerichtet ist, d. h.
das vordere Ende 46 liegt nicht auf der Schwenkachse 50.
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Der
Arm 38 ist insbesondere in einem Schwenkwinkelbereich um
mindestens 180° schwenkbar.
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Die
Vorrichtung 10 lässt
sich auf einfache Weise ausbilden und Faserfadenlegevorgänge lassen
sich auf schnelle Weise durchführen,
wenn für die
Faserfadenpositioniereinrichtung 30 außer einer eventuellen Beweglichkeit
in der Höhenverschiebungsrichtung 20 keine
eigene Linearbeweglichkeit in der ersten Richtung 24 und
der zweiten Richtung 26 zu dem Werkstückhalter 14 vorgesehen
ist. Die Bewegung in diesen Richtungen erfolgt dann alleine über den
Werkstückhalter 14.
Ebenso erfolgt eine relative Drehung zu dem Werkstückhalter 14 alleine über eine
angetriebene Drehbewegung des Werkstückhalters 14.
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Die
Faserfadenpositioniereinrichtung 30 kann grundsätzlich selber
eine Linearverschieblichkeit aufweisen. Dies ist in 1 durch
den Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 53 angedeutet. Eine solche
Linearverschieblichkeit der Faserfadenpositioniereinrichtung 30 kann
beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn lange Bauteile hergestellt
werden sollen. Damit kann dann der Arm 38 kürzer ausgebildet sein.
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Zur – vorzugsweise
automatischen – Steuerung
der Bewegungen und Bewegungsabfolgen der beweglichen Elemente der
Vorrichtung 10 kann eine Steuerungseinrichtung 52 vorgesehen
sein. Die Steuerungseinrichtung 52 steuert dabei entsprechende
Antriebe der Vorrichtung 10 an. So ist insbesondere ein
Antrieb oder sind mehrere Antriebe zur Bewegung des Werkstückhalters 14 in
der ersten Richtung 24 und der zweiten Richtung 26 sowie
zur Drehung um die Drehachse 28 vorgesehen. Ferner ist
ein Antrieb zur relativen Bewegung des Werkstückhalters 14 und der
Faserfadenpositioniereinrichtung 30 in der Höhenverschiebungsrichtung 20 vorgesehen.
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Weiterhin
ist ein Antrieb zur Verschwenkung des Arms 38 vorgesehen.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen oder mehrere Niederhalter 90, 92.
Ein Niederhalter 90, 92 dient zum Niederhalten
eines Faserfadens während
des Legens. Dazu umfasst ein Niederhalter 90, 92 beispielsweise
einen beweglichen Arm 94, an dem ein Anlageelement 96 für einen
Faserfaden angeordnet ist. Der bewegliche Arm 94 ist so
beweglich, dass ein gelegter Faserfaden mit dem Anlageelement 96 kontaktierbar
ist, so dass der Faserfaden nicht in der Höhenverschiebungsrichtung 20 nach oben
rutschen kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
funktioniert wie folgt:
Zu Beginn des Herstellungsvorgangs
wird der Werkstückhalter 14 zu
der Faserfadenpositioniereinrichtung 30 ausgerichtet und
der Arm 38 wird entsprechend ausgerichtet. Ein Faserfadenende 54 wird
an dem Werkstückhalter 14 fixiert.
Die Fixierung erfolgt dabei insbesondere an einem äußeren Rand 56 des Werkstückhalters 14.
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Der
Arm 38 wird dann um die Schwenkachse 50 so verschwenkt,
dass der entsprechende Faserfadenteil 40, welcher zwischen
dem Ende 46 des Arms 38 und dem Faserfadenende 54 liegt,
in der Ebene 42 (und nur in der Ebene 42) bewegt
wird. Dadurch lässt
sich dieser Faserfadenteil 40 zwischen benachbarte Reihen
von Legekernen 22 bringen. Das Ergebnis ist in 2 durch
den Faserfadenteil mit dem Bezugszeichen 58 angedeutet.
Der Arm 38 ist dabei in eine Schwenkrichtung 60 um
ca. 180° bezogen
auf eine Ausgangsstellung verschwenkt worden.
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Nach
Beginn der Schwenkbewegung des Arms 38 wird der Niederhalter 90 mit
seinem Anlageelement auf einen vorderen Bereich des Faserfadenteils 58 gelegt,
um ein Hochrutschen des Faserfadens an den Legekernen bei der Richtungsänderung des
Arms 38 zu verhindern.
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Anschließend wird
der Werkstückhalter 14 in der
Richtung 24 auf die Basis 32 zu bewegt.
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Beim
Legen des Faserfadenteils 58 wird dieser zwischen einer
ersten Reihe 62a und einer zweiten Reihe 62b von
Legekernen 22 positioniert. Durch Verschiebung des Werkstückhalters 14 in
der Richtung 24 wird ein Faserfaden von dem Faserfadenvorrat 36 abgewickelt
und an die Legekerne der zweiten Reihe 62b angelegt. Die
Verschiebungsdistanz in der ersten Richtung 24 entspricht
im Wesentlichen der Breite der Legekerne der zweiten Reihe 62b.
Der Arm 38 wird dann in der Schwenkrichtung 64,
welche entgegengesetzt zu der Schwenkrichtung 60 ist, um 180° zurückgeschwenkt.
Es wird dabei ein Faserfadenteil 64 (2)
zwischen der zweiten Reihe 62b und einer dritten Reihe 62c gelegt.
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Auch
beim Legen des Faserfadenteils 64 kommt beispielsweise
der Niederhalter 92 und der Niederhalter 90 zum
Einsatz, um ein Hochrutschen des gelegten Faserfadenteils 64 zu
verhindern.
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Der
Faserfadenteil 64 liegt dabei parallel zum Faserfadenteil 58.
Diese Faserfadenteile 58, 64 sind durch eine Schlaufe 66 verbunden,
welche an einem äußeren Legekern
der zweiten Reihe 62b anliegt.
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In
einem weiteren Schritt wird der Werkstückhalter 14 um die
Drehachse 28 gedreht, wie in 3 in einer
Zwischenstellung gezeigt. Dadurch lässt sich ein Faserfadenteil
in einer Schlaufe 68 um einen äußeren Legekern der dritten
Reihe 63c führen.
Der entsprechende Drehwinkel liegt beispielsweise bei 90°. Nach entsprechender
Ausrichtung des Werkstückhalters 14 in
der ersten Richtung 24 und gegebenenfalls auch in der zweiten
Richtung 26 relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung 30 wird der
Arm 38 wieder in der Schwenkrichtung 60 verschwenkt.
Dadurch lässt
sich, wie in 5 angedeutet, ein Faserfadenteil 70 legen,
welcher quer und beispielsweise senkrecht zu den Faserfadenteilen 58 und 64 liegt.
Der Arm 38 wird dabei um 180° verschwenkt. Die Vorgehensweise
ist grundsätzlich gleich
wie oben in dem ersten Schritt beschrieben. Durch die Drehung des
Werkstückhalters 14 um
die Drehachse 28 lässt
sich jetzt der Faserfadenteil 70 zwischen einer ersten
Reihe 72a und einer zweiten Reihe 72b legen, wobei
diese Reihen quer zu den Reihen 62a, 62b, 62c orientiert
sind. Die Reihen 62a, 62b, 62c können beispielsweise
als Zeilen angesehen werden und die Reihen 72a, 72b, 72c (72c ist eine
dritte Reihe) als Spalten. Ein oder mehrere Niederhalter für Faserfäden kommen
je nach Bedarf zum Einsatz.
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Nach
der Legung des Faserfadenteils 70 erfolgt eine Verschiebung
des Werkstückhalters 14 in der
Richtung 24 entsprechend dem Schritt, wie er anhand von 2 beschrieben
wurde. Dadurch wird ein Faserfadenteil 74 zwischen der
zweiten Reihe 72b und der dritten Reihe 72c gelegt.
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Nachdem
Faserfäden
in einer Querschnittsebene vollständig gelegt wurden, erfolgt
eine relative Verschiebung zwischen der Faserfadenpositioniereinrichtung 30 und
dem Werkstückhalter 14 in der
Höhenverschiebungsrichtung 20.
Die Verschiebungshöhe
liegt dabei in der Größenordnung
der Dicke eines Faserfadens. Die Höhenverschiebungsrichtung 20 ist
parallel zur Höhenrichtung
eines Werkstücks
und zur Höhenrichtung
der Legekerne 22. Es wird zunächst die Faserlegung in einer
Querschnittsebene durchgeführt
und sukzessive wird dann die Werkstückhöhe durch Faserlegung in aufeinanderfolgenden
Höhenverschiebungsrichtungsstufen
durchgeführt.
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Am
Ende entsteht ein Faserwicklungsgebilde. An diesem wird eine Matrix
hergestellt. Die Matrix wird hergestellt, indem ein Ausgangsmaterial
für die Matrix
ausgehärtet
wird. Die Matrix kann dadurch hergestellt werden, dass nachträglich ein
Matrixmaterial in ein Faserwicklungsgebilde eingebracht wird oder
dass ein Ausgangsmaterial für
die Matrix bei der Faserlegung mit eingebracht wird. Im ersteren
Fall werden "trockene" Faserfäden gewickelt.
Anschließend
erfolgt eine Tränkung
mit Matrixmaterial. Unter Umständen
erfolgt eine zusätzliche
Umspritzung beispielsweise lokal an Verstärkungsstellen.
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Im
zweiten Fall wird beispielsweise ein Hybridgarn verwendet, welches
aus einem Faserfaden gebildet ist, welcher Matrixfäden vorzugsweise
aus einem thermoplastischen Material umfasst. Die Matrixfäden werden "integral" mitgewickelt. Nach
Herstellung des Faserwicklungsgebildes erfolgt eine Erwärmung mit
Herstellung der Matrix.
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Es
ist beispielsweise auch möglich,
dass ein Faserfaden verwendet wird, welcher sich aus Faserfäden und
Matrixfäden
zusammensetzt und bereits vorkonsolidiert ist. Zur Faserlegung erfolgt
eine Erwärmung,
um eine Wickelbarkeit zu erreichen, d. h. um die Steifigkeit zu
verringern. Nach Herstellung des Faserwicklungsgebildes erfolgt
mit der Abkühlung
die Matrixbildung und endgültige
Konsolidierung des Matrixmaterials.
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In 7 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines hergestellten Bauteils gezeigt. Es handelt sich dabei um einen
Tank 76 mit mehreren Kammern 78 entsprechend den
Reihen 62a, 62b, 62c und 72a, 72b, 72c.
Die Kammern 78 sind dabei mit Deckeln 80 versehen
worden.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung und
das erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich
bei verhältnismäßig geringem
Kosten- und Zeitaufwand ein Bauteil durch Legen von Endlosfasern
herstellen. Es ist möglich,
auch komplexere Strukturen in einem Arbeitsgang herzustellen. Es
können
beispielsweise auch innenliegende Rippen oder Waben hergestellt werden.
Die Faserfadenpositioniereinrichtung 30 lässt sich
einfach und kostengünstig
ausbilden. Durch Legen von Faserfadenteilen in einer Ebene oder
auf einer Linie muss kein Roboter für die Faserfadenpositioniereinrichtung
vorgesehen werden.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Arm 38 schwenkbar. Es ist grundsätzlich möglich, dass
Faserfadenteile auch zwischen Reihe "durchgeschossen" werden, indem beispielsweise ein linear verschieblicher
Arm vorgesehen wird.