DE102007020906B4 - Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils - Google Patents

Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern für faserverstärkte Bauteile, umfassend eine Faserfadenpositioniereinrichtung (30), welche mindestens einen beweglichen Arm (38) umfasst, der an einer Basis (32) angeordnet, schwenkbar und in einem Schwenkbereich von mindestens 180° beweglich ist, und durch welche ein Faserfadenteil (40) in einer Linie oder in einer Ebene (42) positionierbar ist, und einen Werkstückhalter (14), welcher relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) linear verschieblich ist und relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) drehbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern für faserverstärkte Bauteile.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, bei denen Faserfäden gelegt werden.
  • 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.
  • Die DE 30 03 666 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Geleges für im Wesentlichen aus Flächen bestehende Bauteile, wobei mittels eines linear verschieblichen Fadenführers ein Faden legbar ist und eine Zuführung des Fadens zu dem Fadenführer mittels eines Zuführungsarms erfolgt.
  • Die DE 697 36 005 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Formen eines flachen oder geformten Textilerzeugnisses.
  • Die DE 691 04 829 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wickeln einer Faser oder eines Bandes in eine im Allgemeinen plattenartige Vorform, welche für ein Aushärten zum Bilden eines Reibbelages, wie beispielsweise einer Kupplungsscheibe, geeignet ist.
  • Die US 4,656,703 A offenbart eine Vorrichtung zur Produktion von dreidimensionalen Faserpaketen, wobei eine Faser mittels eines Fadenführers in einem sinusförmigen Pfad zwischen oberen Enden von vertikal ausgerichteten Stäben abgelegt wird.
  • Die EP 1 849 588 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verstärkung von Kunststoffteilen, welche durch thermoplastische oder wärmestabile Injektions- und/oder Kompressionsverfahren hergestellt werden.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese eine Faserfadenpositioniereinrichtung umfasst, welche mindestens einen beweglichen Arm umfasst, der an einer Basis angeordnet, schwenkbar und in einem Schwenkbereich von mindestens 180° beweglich ist, und 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.
  • 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.
  • Die Vorrichtung lässt sich kostengünstig realisieren und es lassen sich auch komplexere Strukturen mit Innenwänden, Rippen und Waben herstellen.
  • Durch die Beweglichkeit des Werkstückhalters gegenüber der Faserfadenpositioniereinrichtung lassen sich Schlaufen herstellen und Faserfadenteile zwischen den Schlaufen stramm legen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Insbesondere ist die Drehachse quer (und insbesondere senkrecht) zu einer zweiten Linearverschiebungsrichtung des Werkstückhalters orientiert, um weitere Herstellungsmöglichkeiten zu haben.
  • 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.
  • 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.
  • Insbesondere ist die Höhenverschiebungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse des Werkstückhalters. Dadurch ergeben sich 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Faserfadenpositioniereinrichtung umfasst 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.
  • 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.
  • Der mindestens eine Arm ist schwenkbar. Durch die Schwenkbarkeit lässt sich ein Faserfadenteil auf einfache Weise in einer Ebene positionieren.
  • Der mindestens eine Arm ist 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.
  • 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.
  • 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”.
  • Insbesondere liegt dann eine Verschiebungsrichtung des mindestens einen Arms auf der Linie oder Ebene, in welcher der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung positionierbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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(s) positioniert wird, der Werkstückhalter relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung verschoben und/oder gedreht wird, ein Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung an einer anderen Seite des oder der Legekerne(s) oder an einem oder mehreren anderen Legekernen positioniert wird, der Faserfadenteil durch die Faserfadenpositioniereinrichtung durch einen beweglichen Arm positioniert wird, wobei der bewegliche Arm in eine Schwenkrichtung um ca. 180° bezogen auf eine Ausgangsstellung verschwenkt wird, und nach Faserlegung eine Matrix hergestellt wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise ein Faserfaden legen. Es können dabei auch komplexe Strukturen hergestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.
  • 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.
  • Günstig ist es, wenn durch die Verschiebung und Drehung des Werkstückhalters Schlaufen hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich straff sitzende Faserfäden legen.
  • 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.
  • 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.
  • Der Faserfadenteil wird 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.
  • 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.
  • Günstig ist es, wenn Faserfadenteile von einer Faserfadenvorrichtung abgewickelt werden. Dadurch lässt sich ein Werkstück auf einfache Weise herstellen.
  • 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.
  • 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 Faserwickelgebilde 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.
  • 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.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern, wobei eine Stellung in einer Anfangsphase des Faserlegens gezeigt ist;
  • 2 eine Teildarstellung der Vorrichtung gemäß 2 in einem nachfolgenden Zwischenschritt des Faserlegens;
  • 3 eine Stellung bei einem weiteren nachfolgenden Zwischenschritt;
  • 4 eine weitere nachfolgende Stellung;
  • 5 eine weitere nachfolgende Stellung;
  • 6 eine weitere nachfolgende Stellung; und
  • 7 ein Ausführungsbeispiel einer Tankvorrichtung, welche mit der Vorrichtung gemäß 1 herstellbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • Der Werkstückhalter 14 ist plattenförmig ausgebildet. An ihm sind ein oder mehrere Legekern(e) 22 positioniert. Die Legekerne 22 sind in Abhängigkeit von dem herzustellenden Werkstück angeordnet und ausgebildet.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es beispielsweise möglich, ein Werkstück mit Innenwänden herzustellen. Dazu können Legekerne 22 in Zeilen und Reihen angeordnet sein.
  • 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.
  • Die Höhenverschiebungsrichtung 20 ist dann eine dritte Richtung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Faserfadenpositioniereinrichtung 30 weist mindestens einen Arm 38 auf, durch welchen ein Faserfadenteil 40 in einer Ebene 42 oder auf einer Linie positionierbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • Die Ebene 42 ist dabei räumlich fest bezüglich der Basis 32.
  • 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.
  • Der Arm 38 ist in einem Schwenkwinkelbereich um mindestens 180° schwenkbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weiterhin ist ein Antrieb zur Verschwenkung des Arms 38 vorgesehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anschließend wird der Werkstückhalter 14 in der Richtung 24 auf die Basis 32 zu bewegt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Arm 38 schwenkbar. Es ist grundsätzlich möglich, dass Faserfadenteile auch zwischen Reihen ”durchgeschossen” werden, indem beispielsweise ein linear verschieblicher Arm vorgesehen wird.

Claims (31)

  1. Vorrichtung zum Legen von Verstärkungsfasern für faserverstärkte Bauteile, umfassend eine Faserfadenpositioniereinrichtung (30), welche mindestens einen beweglichen Arm (38) umfasst, der an einer Basis (32) angeordnet, schwenkbar und in einem Schwenkbereich von mindestens 180° beweglich ist, und durch welche ein Faserfadenteil (40) in einer Linie oder in einer Ebene (42) positionierbar ist, und einen Werkstückhalter (14), welcher relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) linear verschieblich ist und relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) drehbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (14) in einer ersten Richtung (24) relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) verschieblich ist, welche quer zu der Linie oder der Ebene (42) ist, in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter in einer zweiten Richtung (26) relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) verschieblich ist, welche quer zu der ersten Richtung (24) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung (26) im Wesentlichen parallel zu der Linie oder der Ebene (42) ist, in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (14) um eine Drehachse (28) drehbar ist, welche quer zu einer ersten Linearverschiebungsrichtung (24) des Werkstückhalters (14) ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (28) quer zu einer zweiten Linearverschiebungsrichtung (26) des Werkstückhalters (14) ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ebene, welche durch die erste Linearverschiebungsrichtung (24) und die Drehachse (28) aufgespannt ist, quer zu der Linie oder der Ebene (42) orientiert ist, in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (14) und die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) in einer Höhenverschiebungsrichtung (20) relativ zueinander linear verschieblich sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenverschiebungsrichtung (20) im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse (28) des Werkstückhalters (14) ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenverschiebungsrichtung (20) quer zu einer Richtung (24; 26) ist, in welcher der Werkstückhalter (14) relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung verschieblich ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenverschiebungsrichtung (20) quer zu einer Ebene ist, in welcher der Werkstückhalter (14) verschieblich ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (14) an einem Positioniertisch (12) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (14) eine Mehrzahl von Legekernen (22) umfasst.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Legekerne (22) in Zeilen und/oder Spalten angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie oder die Ebene (42), in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist, räumlich fest bezüglich der Basis (32) ist.
  16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenkachse (50) quer zu der Linie oder Ebene (42), in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist, orientiert ist.
  17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arm (38) linear verschieblich ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebungsrichtung des mindestens einen Arms (38) auf der Linie oder Ebene (42) liegt, in welcher der Faserfadenteil (40) durch die Faserfadenpositioniereinrichtung (30) positionierbar ist.
  19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arm (38) ein oder mehrere Faserfadenführungselemente (44) aufweist.
  20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Arm (38) ein Halter (34) für einen Faserfadenvorrat (36) zugeordnet ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Faserfadenteile (40) von der Faserfadenpositioniereinrichtung (30) über den mindestens einen Arm (38) geführt abwickelbar sind.
  22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Niederhalter (90; 92) für Faserfäden.
  23. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, bei dem Faserfäden gelegt werden, umfassend: – Bereitstellung eines Faserfadenteils durch eine Faserfadenpositioniereinrichtung, an welcher der Faserfadenteil geführt ist; – Positionieren des Faserfadenteils an einem Werkstückhalter an einer Seite eines oder mehrerer Legekerne(s); – Verschieben und/oder Drehen des Werkstückhalters relativ zu der Faserfadenpositioniereinrichtung; – Positionierung des Faserfadenteils durch die Faserfadenpositioniereinrichtung an einer anderen Seite des oder der Legekerne(s) oder an einem oder mehreren anderen Legekernen; – Positionierung des Faserfadenteils durch die Faserfadenpositioniereinrichtung durch einen beweglichen Arm, wobei der bewegliche Arm in eine Schwenkrichtung um ca. 180° bezogen auf eine Ausgangsstellung verschwenkt wird; und – Herstellen einer Matrix nach Faserlegung.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verschiebung und Drehung des Werkstückhalters Schlaufen hergestellt werden.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserfadenende an dem Werkstückhalter fixiert wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserfadenlage in einer Querschnittsebene fertiggestellt wird und dann eine Faserfadenlage in einer weiteren Querschnittsebene nach relativer Höhenverschiebung zwischen dem Werkstückhalter und der Faserfadenpositioniereinrichtung hergestellt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Faserfadenpositioniereinrichtung ein Faserfadenteil in einer Linie oder in einer Ebene positioniert wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Schwenkbewegung in einer ersten Schwenkrichtung ein Faserfadenteil in einer ersten Linearrichtung positioniert wird und durch eine Schwenkung in einer zweiten Schwenkrichtung, welche der ersten Schwenkrichtung entgegengerichtet ist, ein Faserfadenteil in einer zweiten Linearrichtung positioniert wird, welche der ersten Linearrichtung entgegengesetzt ist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Faserfadenteile von einem Faserfadenvorrat abgewickelt werden.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserfadenteil zwischen beabstandeten Legekernen positioniert wird.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederhalter an einem gelegten Faserfadenteil positioniert wird.
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