-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung
eines Faserverbundbauteils.
-
Die
Verwendung von faserverstärkten
Bauteilen, auch als Faserverbundbauteile bezeichnet, ist vor allem
wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht)
in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff
ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten
besteht, nämlich
einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige
Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere
Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
-
Insbesondere
zur Herstellung von im Wesentlichen rohrförmigen Faserverbundbauteilen
bzw. Faserverbundbauteilen mit wenigstens einem im Wesentlichen
rohrförmigen
Bauteilabschnitt hat sich seit langem die so genannte Faserwickeltechnik
etabliert.
-
Bei
der bekannten Faserwickeltechnik wird ein langgestrecktes Fasermaterial
(z. B. ”Roving”) üblicherweise
kontinuierlich zugeführt
und auf einen rotierenden, positiven Formkern bzw. ”Wickelkern” gewickelt.
Wenn das Fasermaterial unmittelbar vor dem Aufwickeln mit dem Matrixmaterial
(z. B. Kunstharz) vorimprägniert
wird, etwa indem das Fasermaterial bei einer kontinuierlichen Zufuhr
durch ein Tauchbad gezogen wird, so spricht man im speziellen von
der Fasernasswickeltechnik. Alternativ zu einer Imprägnierung
während
des Wickelprozesses kommt auch die Verwendung von vorimprägnierten
Halbzeugen (so genannte Prepregs) in Betracht. In diesem Fall spricht
man von der Prepregwickeltechnik. Schließlich ist es auch möglich, das
Fasermaterial als solches zunächst
auf den Wickelkern aufzuwickeln und nachträglich mit dem Matrixmaterial
zu imprägnieren
(so genannte Trockenwickeltechnik).
-
Der
Verlauf der Fasern im fertigen Faserverbundbauteil bestimmt ganz
maßgeblich
die mechanischen Eigenschaften und somit z. B. die Belastbarkeit
des betreffenden Bauteils. Insofern ist es bei der Herstellung des
Faserverbundbauteils von großer Bedeutung,
dass das Fasermaterial in gut definierter Weise hinsichtlich der
Anordnung und Orientierung der Fasern auf den Wickelkern gewickelt
wird. Genau hier ergibt sich in der Praxis, abhängig von der konkreten Geometrie
des Wickelkerns und einem gewünschten
Faserbahnverlauf an der Oberfläche
dieses Wickelkerns, oftmals das Problem, dass beim Ablegen von Fasermaterial
auf instabilen Faserbahnen (nicht-geodätische Linien) Querkräfte wirken,
die zum Verrutschen des Fasermaterials führen können. Daraus resultierende
unerwünschte
Fasermaterialkreuzungen oder Abweichungen vom gewünschten Fasermaterialverlauf
können
sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken.
-
Die
vorliegende Erfindung widmet sich diesem Problem. Es ist eine Aufgabe
der Erfindung, eine Faserwickeltechnik zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
bereitzustellen, bei welcher das Fasermaterial mit großer Positionsgenauigkeit
auf dem Wickelkern abgelegt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch
8. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung, die in entsprechender
Weise auch für
das Verfahren einsetzbar sind.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung
eines Faserverbundbauteils umfasst:
- – einen
koaxial zu einer Wickelkernachse an einem axialen Ende des Wickelkerns
drehfest bezüglich
desselben angeordneten ersten Nadelkranz mit mehreren radial nach
außen
abstehenden ersten Nadeln,
- – einen
koaxial zur Wickelkernachse im axialen Abstand zum ersten Nadelkranz
drehbar bezüglich
des Wickelkerns angeordneten zweiten Nadelkranz mit mehreren radial
nach außen
abstehenden zweiten Nadeln,
- – einen
koaxial zur Wickelkernachse, axial zwischen den beiden Nadelkränzen angeordneten Führungsring,
- – Bespannmittel
zum Bespannen der beiden Nadelkränze
und des Führungsringes
mit dem Fasermaterial derart, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere
Fasermaterialstränge
jeweils vom ersten Nadelkranz über
einen Außenumfang
des Führungsringes
zum zweiten Nadelkranz verlaufen, und
- – Antriebsmittel
zum Drehen des Wickelkerns bezüglich
des zweiten Nadelkranzes um die Wickelkernachse und somit Ablegen
des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials
auf den Wickelkern.
-
Der
grundlegende Gedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass mehrere
Fasermaterialstränge
einer auf dem Wickelkern aufzuwickelnden Fasermateriallage gleichzeitig
abgelegt werden, so dass es zu einer stützenden Wirkung der Fasermaterialstränge untereinander
kommt.
-
Dies
ermöglicht
in der Praxis eine besonders positionsgenaue und stabile Ablage
des Fasermaterials.
-
Darüber hinaus
spezifiziert die Erfindung eine konstruktiv besonders einfach zu
bewerkstelligende Realisierung der gleichzeitigen Ablage mehrerer
Fasermaterialstränge.
Wie es unten noch erläutert
wird, kann die Erfindung sogar durch eine mehr oder weniger geringfügige Modifikation
bzw. Ergänzung
einer ansonsten herkömmlichen
Wickelanlage realisiert werden.
-
Prinzipiell
unterliegt der mit der Erfindung realisierte Wickelprozess keinen
besonderen Einschränkungen
hinsichtlich der Art des Fasermaterials (z. B. einzelne Fasern,
Rovings, flächige
Faserhalbzeuge etc.) sowie hinsichtlich der Art des Matrixmaterials.
Als Fasern kommen beispielsweise Kohlenstofffasern, synthetische
Kunststofffasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial
sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe
interessant. Diese Aufzählungen
sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung
ist der erste Nadelkranz fest mit dem Wickelkern verbunden, wird also
beispielsweise durch einen axialen Endabschnitt des Wickelkerns
selbst gebildet. Zur Bereitstellung des ersten Nadelkranzes ist
es demnach denkbar, einen in konventioneller Weise gefertigten Wickelkern einfach
nachträglich
noch mit radial nach außen
abstehenden Nadeln zu versehen. Der Wickelkern kann als ”verlorene
Form” oder
wiederverwendbar vorgesehen sein.
-
Alternativ
kann der erste Nadelkranz separat vom Wickelkern vorgesehen sein,
insbesondere als Komponente eines Drehlagers oder mit einem solchen
Drehlager fest verbunden, welches den Wickelkern am betreffenden
axialen Ende drehbar bezüglich
einer Vorrichtungsbasis lagert. Diese Variante ist z. B. insbesondere dann
von Vorteil, wenn der Nadelkranz wiederverwendbar sein soll (zur
Herstellung mehrerer Faserverbundbauteile).
-
In
einer Ausführungsform
sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials
den Führungsring
drehfest mit dem zweiten Nadelkranz verbunden zu halten.
-
In
einer Ausführungsform
sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials
den Führungsring
axial zu verfahren. Da die axiale Position des Führungsringes die räumliche Orientierung
der einzelnen Fasermaterialstränge beim
Ablegen auf die Oberfläche
des Wickelkerns beeinflusst, kann durch eine gezielte axiale Verlagerung
des Führungsringes
während
des Wickelprozesses das sich ergebende Wickelmuster beeinflusst bzw.
vorgegeben werden. Um z. B. ein Radialwickelmuster zu erzielen ist
es zweckmäßig, den
Führungsring
beim Ablegen des Fasermaterials stets in einer axialen Position
zu halten bzw. mitzuführen,
welche der axialen Position desjenigen Wickelkernbereiches entspricht,
der momentan bewickelt wird.
-
In
einer Ausführungsform
sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials
den zweiten Nadelkranz in Richtung vom ersten Nadelkranz weg vorzubelasten,
um eine Fasermaterialspannung beim Wickeln einzustellen.
-
In
einer Ausführungsform
sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials
den zweiten Nadelkranz axial (in Richtung zum ersten Nadelkranz
hin) zu verfahren. Diese axiale Verlagerung während des Wickelprozesses kann
aktiv oder auch bevorzugt passiv, d. h. angetrieben durch den vom
Fasermaterial auf den zweiten Faserkranz ausgeübten Zug, vorgesehen sein.
-
Zum
Ablegen des zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials
ist eine Relativdrehung des Wickelkerns bezüglich des zweiten Nadelkranzes
erforderlich. Diese Relativdrehung kann prinzipiell gemäß einer
von drei Ausführungsvarianten
erfolgen. Eine erste Variante besteht darin, den Wickelkern bezüglich einer
Basis der Vorrichtung stationär
zu halten und lediglich den zweiten Nadelkranz bezüglich dieser
Vorrichtungsbasis zu drehen. Eine zweite Variante besteht darin,
den zweiten Nadelkranz drehfest bezüglich der Vorrichtungsbasis
zu halten und stattdessen den Wickelkern bezüglich der Vorrichtungsbasis
zu drehen. Eine dritte Variante besteht darin, sowohl den Wickelkern
als auch (z. B. gegensinnig dazu) den zweiten Nadelkranz zu drehen. Falls
der Führungsring
an seinem Außenumfang
keine Strukturierung besitzt und die darüber verlaufenden Fasermaterialstränge somit
in Umfangsrichtung des Führungsringes
verschieblich sind, spielt bei allen vorstehend erwähnten Betriebsvarianten
die Drehstellung des Führungsringes
bzw. Drehung des Führungsringes
beim Wickelprozess keine Rolle. Wenn der Führungsring jedoch eine radial äußere Strukturierung
(z. B. axial verlaufende Nuten, radial nach außen abstehende Nadeln etc.)
besitzt, so muss beim Ablegen des Fasermaterials die Drehstellung
des Führungsringes
im Wesentlichen der Drehstellung des zweiten Nadelkranzes entsprechen. Falls
also z. B. der zweite Nadelkranz im Betrieb der Vorrichtung beim
Ablegen des Fasermaterials bezüglich
einer Vorrichtungsbasis gedreht wird, so muss der Führungsring
in seiner Drehstellung entsprechend mitgeführt (nicht notwendigerweise
exakt) werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung
eines Faserverbundbauteils umfasst die Schritte:
- – Bereitstellung
eines ersten Nadelkranzes mit mehreren radial nach außen abstehenden
ersten Nadeln koaxial zu einer Wickelkernachse an einem axialen
Ende des Wickelkerns, eines zweiten Nadelkranzes mit mehreren radial nach
außen abstehenden
zweiten Nadeln koaxial zur Wickelkernachse im axialen Abstand zum
ersten Nadelkranz, und eines Führungsringes
koaxial zur Wickelkernachse und axial zwischen den beiden Nadelkränzen,
- – Bespannen
der beiden Nadelkränze
und des Führungsringes
mit dem Fasermaterial derart, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere
Fasermaterialstränge
jeweils vom ersten Nadelkranz über
einen Außenumfang
des Führungsringes zum
zweiten Nadelkranz verlaufen, und
- – Drehen
des Wickelkerns bezüglich
des zweiten Nadelkranzes um die Wickelkernachse und somit Ablegen
des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials
auf den Wickelkern.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 eine
Faserwickelanlage herkömmlicher
Art, die jedoch im Rahmen der Erfindung nutzbar ist,
-
2 einige
zum Verständnis
der Erfindung wesentliche Komponenten einer Wickelvorrichtung gemäß eines
Ausführungsbeispiels,
-
3 die
Vorrichtung von 2 nach einem Bespannen mit einem
Fasermaterial,
-
4 die
Vorrichtung von 3 nach einer axialen Verstellung
eines Führungsringes
unmittelbar vor Beginn des Wickelprozesses, und
-
5 die
Vorrichtung während
des Wickelprozesses.
-
1 zeigt
eine herkömmliche
Fasernasswickelanlage 1 umfassend eine Basis 2 mit
einer ersten Drehlagereinrichtung 3 und einer zweiten Drehlagereinrichtung 4,
die zusammen ein Drehlager zur Drehung eines Wickelkerns 5 um
eine Wickelkernachse A ausbilden.
-
Die
Wickelanlage 1 umfasst ferner ein Fadenführungssystem
zur Zufuhr eines auf den Wickelkern 5 zu wickelnden Rovings
R. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst dieses System eine parallel zur Wickelkernachse A verlaufende
Führungseinrichtung
zur verfahrbaren Lagerung eines Wickelkopfes 7 (”Fadenauge”), durch
den das kontinuierlich zugeführte
Roving R auf die Oberfläche
des Wickelkerns 5 geführt
wird. Das Roving wird dem Wickelkopf 7 hierbei über eine
Imprägniereinheit 8 (z.
B. mit einem Kunstharzsystem befülltes
Tauchbad) zugeführt,
welche im Betrieb der Wickelanlage 1 zusammen mit dem Wickelkopf 7 in
Axialrichtung verfahren wird.
-
Das
Roving R wird von einer (in 1 nicht dargestellten)
Vorratsspule abgezogen und mit einer vorbestimmten Zugspannung auf
den sich drehenden Wickelkern 5 aufgewickelt. Durch eine
geeignete Koordination der Drehung des Wickelkerns 5 einerseits
und der Bewegung (hier: Axialbewegung) des Wickelkopfes 7 andererseits
lassen sich in bekannter Weise verschiedene Wickelmuster erzielen
(z. B. Kreuz-, Polar- oder Radialwickelmuster).
-
Ebenfalls
bekannt sind die in der Praxis bei einem derartigen Wickelprozess
auftretenden Probleme, wenn es darum geht, das Roving (allgemein: Fasermaterial)
positionsgenau auf dem Wickelkern abzulegen. Ein auf einer allgemein
gekrümmten Oberfläche unter
definierter Zugspannung abgelegter Faden ist bestrebt, durch Verrutschen
eine stabile Lage zu erreichen. Dieses Bestreben ist nur dann nicht
gegeben, wenn der Faden auf einer positiv gekrümmten Formoberfläche entlang einer
geodätischen
Bahn abgelegt wird. Die Fasermaterialbahn ist somit in der Praxis
nicht frei wählbar,
sondern muss stets gewisse Haft- und Abhebekriterien erfüllen. Oftmals
sind jedoch in dieser Hinsicht schwierig zu erreichende Ablagebahnen
im Hinblick auf die gewünschten
mechanischen Eigenschaften des fertigen Faserverbundbauteiles erwünscht. In
diesen Fällen
muss bei der beschriebenen konventionellen Faserwickeltechnik ein
Kompromiss zwischen den vom Bauteil geforderten mechanischen Eigenschaften
und den prozesstechnisch machbaren Ablagebahnen gefunden werden.
-
Mit
Bezug auf die 2 bis 5 werden nachfolgend
eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials
auf einen Wickelkern beschrieben, mit denen in einfacher Weise eine hohe
Positionsgenauigkeit des abgelegten Fasermaterials erzielbar ist.
-
2 zeigt
als wesentliche Komponenten einer solchen Wickelvorrichtung 10 einen
ersten Nadelkranz 12, einen zweiten Nadelkranz 14 und
einen Führungsring 16.
Diese drei Komponenten sind in dieser Reihenfolge koaxial zu einer
Wickelkernachse A eines Wickelkerns 18 angeordnet und durch
(nicht dargestellte) Lagerungsmittel an einer drehbankähnlichen
Einrichtung integriert, wie sie z. B. mit Bezug auf die in 1 beschrieben
wurde.
-
Der
erste Nadelkranz 12 weist mehrere radial nach außen abstehende
erste Nadeln 20 auf und ist im dargestellten Beispiel an
einem ersten axialen Ende des Wickelkerns 18 fest mit diesem
verbunden.
-
Der
zweite Nadelkranz 14 weist mehrere nach außen abstehende
zweite Nadeln 22 auf und ist im axialen Abstand zum ersten
Nadelkranz 12 angeordnet, in der Situation gemäß 2 jenseits
des zweiten Endes des Wickelkerns 18.
-
Der
Führungsring 16 besitzt
in dem dargestellten Beispiel einen glattflächigen Außenumfang und ist axial zwischen
den beiden Nadelkränzen 12 und 14 angeordnet,
in der Situation gemäß 2 jenseits
des zweiten (rechten) Wickelkernendes.
-
Der
Führungsring 16 sowie
der zweite Nadelkranz 14 besitzen jeweils einen Innendurchmesser, der
um einiges größer ist
als der größte Durchmesser des
Wickelkerns 18.
-
Die
vorstehend beschriebenen Stellungen der Vorrichtungskomponenten 12, 14 und 16 (vgl. 2)
liegen zu Beginn des nachfolgend beschriebenen Wickelprozesses vor,
der mit Bezug auf die 3 bis 5 wie folgt
abläuft:
In einem ersten Schritt erfolgt ein Bespannen der beiden Nadelkränze 12, 14 und
des Führungsringes 16 mit
einem Fasermaterial, im dargestellten Beispiel etwa mit einem vorimprägnierten
Roving R.
-
3 zeigt
das Ergebnis der Bespannung der Vorrichtung 10 mit dem
Roving R, von welchem in Umfangsrichtung verteilt (z. B. äquidistant
verteilt) mehrere Rovingabschnitte (Faserstränge) jeweils von einem Nadelkranz über den
Außenumfang
des Führungsringes 16 zum
anderen Nadelkranz verlaufen.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die hierfür
erforderlichen Bespannmittel beispielsweise von dem mit Bezug auf 1 bereits
beschriebenen Fadenführunssystem
mit dem in Axialrichtung verfahrbaren Wickelkopf 7 gebildet.
Um das Roving R in der in 3 dargestellten
Weise auf die Vorrichtung 10 aufzuspannen kann der Wickelkopf 7 parallel zur
Wickelkernachse A von einem der Nadelkränze 12, 14 zum
anderen der Nadelkränze
fahren und das Roving R an den jeweiligen Nadeln 20 bzw. 22 einhängen. Nach
einem solchen Einhängen
des Rovings R an einer Nadel fährt
der Wickelkopf 7 wieder zurück zum erstgenannten Nadelkranz,
um dort das Roving R wiederum um eine der Nadeln zu legen.
-
Sowohl
die Anzahl der Faserstränge
als auch der gegenseitige Faserabstand bzw. konkrete Faserverlauf
ist im Wesentlichen frei wählbar.
Gewisse Einschränkungen
ergeben sich allenfalls durch die Anzahl und Anordnung der Nadeln 20 und 22 an
den Nadelkränzen 12 und 14.
-
Im
dargestellten Bespannungsbeispiel gemäß 3 besitzt
der zweite Nadelkranz 14 doppelt so viele Nadeln wie der
erste Nadelkranz 12, und von den Nadeln 22 des
zweiten Nadelkranzes 14 wird nur jede zweite genutzt. Dies
könnte
z. B. bei der Herstellung eines anderen Bauteils anders sein.
-
Außerdem wird
im dargestellten Bespannungsbeispiel gemäß 3 das Roving
R am Nadelkranz 12 jeweils um zwei einander benachbare
Nadeln 20 und am Nadelkranz 14 jeweils um drei
einander benachbare Nadeln 22 herum ”umgelenkt”. Auch dies könnte z.
B. bei der Herstellung eines anderen Bauteils anders sein.
-
Bevorzugt
werden bei dem Bespannungsschritt mindestens 8, weiter bevorzugt
mindestens 16 in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Stränge ausgebildet.
-
Abweichend
vom dargestellten Beispiel, bei welchem die zwischen den beiden
Nadelkränzen 12 und 14 aufgespannten
Stränge
des Rovings R sich nicht kreuzen, könnten durch einen entsprechend modifizierten
Bespannschritt auch sich kreuzende Stänge vorgesehen sein.
-
Abweichend
vom dargestellten Beispiel, bei welchem der erste Nadelkranz 12 einen
integralen Bestandteil des Wickelkerns 18 darstellt, könnte der Nadelkranz 12 auch
eine Komponente der in 1 dargestellten Drehlagereinrichtung 3 sein,
welche in erster Linie zur Drehlagerung des betreffenden Wickelkerns
dient.
-
Der
zweite Nadelkranz 14 und der Führungsring 16 können in
einfacher Weise als Komponenten einer gegenüber der Drehlagereinrichtung 4 (1) geringfügig modifizierten
zweiten Drehlagereinrichtung sein. Beide Komponenten 14, 16 können insbesondere
als axiale Endabschnitte einer jeweiligen Hohlwelle oder Hohlachse
ausgebildet sein, die sich in 3 von den
Komponenten 14, 16 nach rechts in die betreffende
Drehlagereinrichtung hinein erstreckt (nicht dargestellt).
-
Nach
dem Bespannen der Vorrichtung 10 wird durch eine in den 2 bis 5 nicht
dargestellte Antriebseinrichtung eine durch den Pfeil 24 symbolisierte
Vorspannkraft auf den zweiten Nadelkranz 14 ausgeübt, um das
aufgespannte Roving R unter einer definierten Zugspannung zu halten.
Außerdem
wird, wie durch den Pfeil 26 symbolisiert, der Führungsring 16 in
Axialrichtung, weg vom zweiten Nadelkranz 14 in Richtung
auf den ersten Nadelkranz 12 hin verschoben, bis sich zwischen
der Wickelkernachse A und den einzelnen Fasersträngen R jeweils ein Winkel einstellt,
der einem gewünschten
Ablagewinkel entspricht.
-
4 zeigt
das Ergebnis der axialen Einstellung der Position des Führungsringes 16.
Nach diesem Einstellschritt beginnt der eigentliche Wickelprozess,
indem die Antriebsmittel eine Drehung des Wickelkerns 18 bezüglich des
zweiten Nadelkranzes 14 um die Wickelkernachse A herum
bewirken, so dass das zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen 12 und 14 aufgespannte
Roving R auf den Wickelkern 18 abgelegt wird.
-
5 veranschaulicht
den Wickelprozess, bei welchem im dargestellten Beispiel der Führungsring 16 und
der zweite Nadelkranz 14 drehfest bezüglich einer Vorrichtungsbasis
(z. B. die in 1 dargestellte Basis 2)
gehalten werden und ledig lich der Wickelkern 18 samt erstem
Nadelkranz 12 bezüglich der
Basis gedreht wird (symbolisiert durch den Pfeil 28).
-
Der
einfacheren Darstellung halber ist in den 2 bis 5 die
axiale Position des zweiten Nadelkranzes 14 bzw. dessen
axialer Abstand von den übrigen
Vorrichtungskomponenten nicht maßstäblich wiedergegeben. Tatsächlich befindet
sich der zweite Nadelkranz 14 weiter rechts als in den
Figuren dargestellt.
-
Im
in 5 dargestellten Wickelbeispiel wird das Roving
R in einem Radialwickelmuster abgelegt, indem der Wickelkern 18 mit
konstanter Geschwindigkeit gedreht wird (Pfeil 28) und
gleichzeitig der Führungsring 16 so
zurückgezogen
wird (Pfeil 30), dass der zwischen Wickelkernachse A und
Roving R zu Beginn des Wickelprozesses eingestellte Winkel im Wesentlichen
konstant bleibt.
-
Der
mit der Ablage des Rovings R auf der Kernoberfläche verbundene, entgegen der
Vorspannung 24 erfolgende Materialabzug wird durch eine entsprechende
axiale Bewegung des zweiten Nadelkranzes 14 ausgeglichen
(Pfeil 32).
-
Nach
Beendigung des Wickelprozesses können
dann die an sich bekannten weiteren Schritte zur Fertigstellung
des Faserverbundbauteils erfolgen, d. h. die Entkernung und Aushärtung des
gewickelten Konstrukts.
-
Zum
Wickeln mehrerer Fasermateriallagen auf den Wickelkern 18 kann
die Führungsringbewegung
(Pfeil 30) entsprechend mehrmals reversiert werden. Die
Funktion und Bewegung des Führungsringes 16 entsprechen
im Rahmen der Erfindung im Wesentlichen der Funktion und Bewegung
des Wickelkopfes einer konventionellen Faserwickelanlage. Wie bereits
erläutert
können
sämtliche
Komponenten einer konventionellen Faserwickelanlage (vgl. z. B. 1)
auch im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Eine
solche herkömmliche Anlage verfügt z. B.
bereits über
einen Antrieb zur Drehung des Wickelkerns 18. Ein ohnehin
vorhandener Wickelkopf (sowie der Drehantrieb für den Wickelkern) kann im Rahmen
der Erfindung vorteilhaft zur Bewerkstelligung des Bespannschrittes
verwendet werden.
-
Gegenüber dem
konventionellen Wickelverfahren lässt sich mit dem erfindungsgemäß modifizierten
Wickelverfahren ein homogeneres Wickelbild erzielen, da das Fasermaterial
nicht oder nur minimal verrutschen kann und beispielsweise bei einem
Radialwickelbild die einzelnen Fasermaterialstränge gleichmäßig nebeneinander abgelegt
werden können.
Dies wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des fertigen
Faserverbundbauteils aus.
-
Da
unter Verwendung einer herkömmlichen Wickelanlage
zum Bespannen der Vorrichtung 10 die Materialablage nicht
direkt auf dem Wickelkern erfolgt, kann der Wickelkopf der Anlage
auf direktem Weg von einem Nadelkranz zum anderen Nadelkranz verfahren
werden, wodurch sich ein vorteilhaft geringer Zeitaufwand zur Bewerkstelligung
des Bespannschrittes ergibt.
-
Die
Anzahl der gleichzeitig aufzuwickelnden Fasermaterialstränge ist
nicht durch die Konstruktion der Anlage vorgegeben bzw. begrenzt.
Sie wird vielmehr beim Bespannen im ersten Arbeitsschritt vorgegeben,
beispielsweise durch ein Programm einer programmgesteuerten Faserwickelanlage.
Dadurch lässt
sich die Anzahl der abzulegenden Fasermaterialstränge und
damit die Lagendicke jeder einzelnen abgelegten Lage schnell und
einfach an die konkreten Erfordernisse anpassen.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das System bereits
mit einer einzigen Faserzuführung
funktioniert, obwohl beim eigentlichen Wickelprozess eine Vielzahl
von Fasermaterialsträngen
gleichzeitig abgelegt werden können.
-
Eine
bevorzugte Verwendung der Erfindung besteht darin, beispielsweise
mit einem Kunstharz auf Basis von kalt oder warm vernetzenden Duroplasten
vorimprägnierte
textile Halbzeuge auf Formkernen abzulegen, wobei die Ablage wenigstens
abschnittweise auf nicht-geodätischen
Bahnen der Kernoberfläche
erfolgt.
-
Zusammenfassend
wurde eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Wickeln
eines Fasermaterials (R) auf einen Wickelkern (18) bei
der Herstellung eines Faserverbundbauteils beschrieben. Die Vorrichtung
ermöglicht
eine Faserwickeltechnik, welche die zuverlässige Ablage der Fasermaterialstränge (R)
auf dem Wickelkern (18) mit großer Positionsgenauigkeit erlaubt.
Der Wickelprozess erfolgt mit Hilfe zweier axial beabstandeter Nadelkränze (12, 14)
und eines axial dazwischen angeordneten Führungsringes (16).
Diese Komponenten (12, 14, 16) werden
zunächst
mit dem Fasermaterial (R) bespannt und nachfolgend in koordinierter
Weise bewegt.