DE102008028441A1 - Method and device for producing an annular preform made of semifinished fiber material, and use of such methods and devices - Google Patents
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Abstract
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Weg zur Herstellung eines Vorformlings (12) aus Fasermaterialhalbzeug anzugeben, mittels welchem es insbesondere möglich ist, gekrümmte Strukturkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen wirtschaftlich und effizient herzustellen. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings (12) aus Fasermaterialhalbzeug vorgesehen, umfassend ein Wickeln eines als Band bereitgestellten Halbzeugss auf einen Wickelkern (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Wickeln im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Wickelkerns (16) auf eine konturierte Mantelfläche (18) des Wickelkerns (16) erfolgt, so dass aufeinanderfolgend aufgewickelte Bandlagen sich in Axialrichtung (A) im Wesentlichen vollständig überlappen, und dass während des Wickelns die einzelnen Bandlagen, in deren Querschnitt betrachtet, in Anpassung an die Mantelflächenkontur verformt werden.It is an object of the present invention to provide a simple way of producing a semi-finished fiber preform (12) by means of which it is possible, in particular, to produce curved structural components made of fiber composite materials economically and efficiently. According to the invention, a method is provided for producing an annular preform (12) from semifinished fiber material, comprising winding a semifinished product provided as a band onto a winding core (16), characterized in that winding substantially in the circumferential direction of the winding core (16) onto a contoured lateral surface (18) of the winding core (16), so that successively wound tape layers in the axial direction (A) substantially completely overlap, and that during winding the individual band layers, viewed in the cross section, are deformed in adaptation to the lateral surface contour.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings aus Fasermaterialhalbzeug sowie die Verwendung derartiger Verfahren und Vorrichtungen.The The present invention relates to a method and an apparatus for producing an annular Preform of fiber semis and the use of such Methods and devices.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (Faserverbundbauteil) ist es bekannt, zunächst einen Vorformling (”Preform”) aus Fasermaterialhalbzeug (z. B. enthaltend ein Gewebe, Gelege, Fasermatten etc.) vorzufertigen und diesen Vorformling sodann zum Faserverbundbauteil weiterzuverarbeiten, beispielsweise durch Infiltration mit Harzmaterial (z. B. Kunstharz) und anschließendem Aushärten (z. B. thermisch).to Production of a fiber-reinforced Component (fiber composite component), it is known, first a Preform ("preform") of fiber semis (eg containing a fabric, scrims, fiber mats, etc.) prefabricate and then further processing this preform to the fiber composite component, for example by infiltration with resin material (eg synthetic resin) and subsequent hardening (eg. Thermally).
Die Verwendung von Faserverbundbauteilen ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Durch gegenseitige Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den darin eingebetteten Fasern erhält ein Faserverbundwerkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.The Use of fiber composite components is mainly because of their high specific strength (ratio from strength to weight) in many applications interesting. Through mutual interactions between the matrix and those in it receives embedded fibers a fiber composite material of higher quality Properties as each of the two individually involved components.
Faserverbund-Profilbauteile können z. B. als leichtgewichtige und dennoch stabile Verstärkungsprofile eingesetzt werden. Seit geraumer Zeit werden beispielsweise im Flugzeugbau Faserverbund-Profilbauteile zur Versteifung des Flugzeugrumpfes eingesetzt. Hierbei werden sowohl geradlinig sich erstreckende Profile als auch gekrümmte Profile benötigt. Gerade Profile können z. B. als ”Stringer” in Längsrichtung eines einfach gekrümmten Flugzeugschalenbereiches verwendet werden, wohingegen gekrümmte Profile z. B. als in einer Umfangsrichtung verlaufende ”Spanten” für einen solchen Schalenbereich verwendet werden können. Zur Ver steifung doppelt gekrümmter Schalenbereiche (z. B. Cockpit- und Hecksektion eines Flugzeuges) mit Stringern müssen diese ebenfalls eine Krümmung aufweisen.Fiber composite profile components can z. B. as lightweight, yet stable reinforcing profiles be used. For some time, for example, in aircraft Fiber composite profile components for stiffening the fuselage used. Here are both straight extending profiles as well as curved Profiles needed. Just Profiles can z. B. as a "stringer" in the longitudinal direction a simply curved Airplane shell area are used, whereas curved profiles z. B. as running in a circumferential direction "ribs" for such a shell area can be used. For stiffening double-curved Shell areas (eg cockpit and tail section of an aircraft) with stringers this also a curvature exhibit.
Zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings aus Fasermaterialhalbzeug ist es bereits bekannt und weit verbreitet, ein als Band bereitgestelltes Halbzeug auf einen rotierenden Wickelkern zu wickeln. Bei bekannten Wickelverfahren wird ein (im Vergleich zur axialen Erstreckung des Wickelkerns) relativ schmales Halbzeugband in mehreren Wickellagen um den Wickelkern gewickelt. Dabei unterscheidet man üblicherweise zwischen so genannten Kreuz-, Polar- und Radialwickelverfahren. Diesen grundlegenden Wickelmustern ist gemeinsam, dass das zugeführte Fasermaterialband während des Wickelns in Axialrichtung bezüglich des Wickelkerns hin und her bewegt wird, etwa mit Hilfe eines gesteuert positionierbaren Wickelkopfes, über welchen das aufzuwickelnde Fasermaterialband geführt wird.to Production of an annular It is already known from preform made of semi-finished fibrous material and widespread, a semi-finished product made available as a band on one Winding winding core to wrap. In known winding method becomes a (relative to the axial extent of the winding core) relative Narrow semifinished product in several winding layers around the winding core wound. A distinction is usually made between so-called cross, Polar and radial winding process. These basic winding patterns is common that the supplied Fiber material band during the winding in the axial direction with respect to the winding core and is moved, about using a controlled positionable Winding head, over which the fiber material band to be wound is guided.
Die bekannten Wickelverfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen. Ein Nachteil besteht z. B. darin, dass der Formgestaltung des Wickelkerns in der Praxis mehr oder weniger beträchtliche Einschränkungen auferlegt sind. Ein solches Problem ist z. B. ein Verrutschen von gerade aufgewickelten (d. h. noch nicht überdeckten) Abschnitten des Fasermaterialbandes. Je nach Verwendungszweck des herzustellenden Faserverbundbauteils kann es des weiteren einen erheblichen Nachteil darstellen, dass bestimmte Faserorientierungen bzw. Faserorientierungsverteilungen nur sehr schwierig oder gar nicht erzielt werden können. Ein im Radialwickelverfahren gewickelter Vorformling enthält z. B. keine durchgehenden Fasern in Axialrichtung sondern nur in Umfangsrichtung. Ein im Polarwickelverfahren gewickelter Vorformling kann demgegenüber zwar durchgehende, im Wesentlichen in Axialrichtung verlaufende Fasern besitzen, nicht jedoch in Umfangsrichtung durchgehende Fasern.The known winding methods have a number of disadvantages. One Disadvantage exists z. B. therein that the shape of the winding core in practice more or less significant limitations are imposed. Such a problem is z. B. slipping of straight wound (i.e. not yet covered) sections of the Fiber material band. Depending on the intended use of the produced Fiber composite component, there may be a further significant disadvantage represent that certain fiber orientations or fiber orientation distributions only very difficult or impossible to achieve. One wound in the radial winding process preform contains z. B. no continuous fibers in the axial direction but only in the circumferential direction. In contrast, a preform wound in the polar winding process can indeed continuous, substantially axially extending fibers possess, but not in the circumferential direction continuous fibers.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Weg zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Vorformlings aus Fasermaterialhalbzeug anzugeben, mittels welchem es insbesondere möglich ist, gekrümmte Strukturkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen wirtschaftlich und effizient herzustellen.It An object of the present invention is an easy way for the production of a high-quality preform made of semifinished fiber material indicate, by means of which it is possible in particular, curved structural components made of fiber composites economically and efficiently.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is carried out according to the invention a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 8 solved. The dependent ones claims relate to advantageous developments of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings aus Fasermaterialhalbzeug, zur Herstellung eines Bauteils aus dem mit einem Matrixmaterial getränkten und ausgehärteten Halbzeug, umfassend ein Wickeln eines als Band bereitgestellten Halbzeugs auf einen Wickelkern, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wickeln im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Wickelkerns auf eine konturierte Mantelfläche des Wickelkerns erfolgt, so dass aufeinanderfolgend aufgewickelte Lagen des Bandes sich in Axialrichtung im Wesentlichen vollständig überlappen, und dass während des Wickelns die einzelnen Lagen des Bandes in deren Querschnitt betrachtet in Anpassung an die Mantelflächenkontur verformt werden.The inventive method for producing an annular Preform of fiber semis, for the production of a component from the impregnated with a matrix material and cured semi-finished, comprising winding a semifinished product provided as a band on a winding core, is characterized in that the winding in Substantially in the circumferential direction of the winding core on a contoured lateral surface the winding core takes place, so that successively wound up Layers of the tape substantially completely overlap in the axial direction, and that during the Winding the individual layers of the tape considered in the cross section in adaptation to the lateral surface contour be deformed.
Die Erfindung ermöglicht ein großes Ausmaß an Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Verstärkungsfasern in einem profilierten Vorformling. Bei unten noch beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung ist es insbesondere möglich, durchgehende Fasern sowohl in Axialrichtung als auch lokal in Umfangsrichtung des Vorformlings anzuordnen.The Invention allows a big Extent Freedom of design with regard to the spatial arrangement of the reinforcing fibers in a profiled preform. Described below Further developments of the invention, it is possible in particular, continuous Fibers both in the axial direction and locally in the circumferential direction to arrange the preform.
Die Faserorientierungen bzw. Faserorientierungsverteilungen können in sehr großer Vielfalt im Wesentlichen durch eine jeweilige Gestaltung des aufzuwickelnden Bandes realisiert werden. Der Wickelprozess als solcher kann relativ einfach implementiert sein. Dies gilt auch dann, wenn relativ komplizierte Faserorientierungen im Vorformling realisiert werden sollen.The Fiber orientations or fiber orientation distributions can be found in very big Diversity essentially by a respective design of the wound tape will be realized. The winding process as such can be relatively simple be implemented. This is true even if relatively complicated Fiber orientations should be realized in the preform.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band über dessen Länge eine einheitliche Breite besitzt und aufeinanderfolgend aufgewickelte Lagen des Bandes einen Axialversatz von weniger als 20%, insbesondere weniger als 10% der Bandbreite besitzen.In a preferred embodiment is provided that the tape over its length has a uniform width and wound up successively Lay the tape an axial offset of less than 20%, in particular have less than 10% of the bandwidth.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist beim Wickeln überhaupt kein Axialversatz von aufeinanderfolgend aufgewickelten Lagen des Bandes vorgesehen, so dass diese Lagen sich vollständig überlappen. In diesem Fall entfällt vorteilhaft der bei herkömmlichen Wickelverfahren betriebene Aufwand einer gesteuerten Axialbewegung eines Wickelkopfes (oder des Wickelkerns).In a particularly preferred embodiment is at wrapping at all no axial displacement of successively wound layers of the Bandes provided so that these layers completely overlap. In this case is omitted advantageous in conventional Winding method operated effort of a controlled axial movement a winding head (or the winding core).
Wenn das dem Wickelkern zugeführte Band während des Wickelns nicht in Axialrichtung (wie z. B. bei herkömmlichen Wickelverfahren) bewegt wird, so ist der Lagenaufbau im Querschnitt des Vorformlings und somit im späteren Faserverbundbauteil durch den Aufbau des zugeführten Bandes (und etwaig gleichzeitig zugeführter Faserhalbzeuge) gekennzeichnet. Hierbei besteht eine große Flexibilität. So kann man z. B. ein triaxiales Gelege, z. B. Kohlenstofffasergelege zuführen. In einem solchen Band liegen die Verstärkungsfasern in drei verschiedenen Richtungen (bezogen auf die Zuführrichtung des Bandes), z. B. in +45°/–45°/90°-Orientierung oder z. B. in +30°/–30°/90°-Richtung.If the supplied to the winding core Band while winding in the axial direction (such as in conventional Winding method) is moved, so the layer structure in cross section of the preform and thus in the later Fiber composite component by the structure of the supplied tape (and possibly at the same time supplied Semi-finished fiber products). There is a lot of flexibility here. So can one z. B. a triaxial clutch, z. B. carbon fiber scrim. In In such a band, the reinforcing fibers are in three different directions (relative to the feed direction of the tape), z. In + 45 ° / -45 ° / 90 ° orientation or z. In + 30 ° / -30 ° / 90 ° direction.
Durchgehende Verstärkungsfasern in 0°-Orientierung sind aufgrund der unterschiedlichen Wickelradien des konturierten Wickelkerns nicht möglich. Falls etwa aufgrund der gewünschten Statik des Bauteils unbedingt durchgehende 0°-Fasern im Lagenaufbau benötigt werden, so können z. B. zusätzlich ein oder mehrere weitere Bänder mit durchgehenden Verstärkungsfasern in 0°-Orientierung dem Wickelprozess zugeführt werden.continuous reinforcing fibers in 0 ° orientation are due to the different winding radii of the contoured Winding core not possible. If about because of the desired Statics of the component necessarily continuous 0 ° fibers are required in the layer structure, so can z. B. in addition one or more other bands with continuous reinforcing fibers in 0 ° orientation supplied to the winding process become.
Für das Verformen der Lagen des Bandes während des Wickelns gibt es verschiedene Möglichkeiten.For deforming the layers of the tape while There are various ways of winding.
In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass das Verformen der Lagen des Bandes ein Verformen eines jeweils gerade an den Wickelkern herangeführten Bandabschnitts umfasst.In an embodiment For example, it is provided that the deformation of the layers of Bandes a deformation of each brought straight to the winding core band section includes.
Zweckmäßigerweise wird das auf die konturierte Mantelfläche des Wickelkerns aufzuwickelnde Band von einer Vorratsrolle abgezogen. Das von der Vorratsrolle abgezogene Band wird in der Regel im Querschnitt betrachtet keine Konturierung aufweisen sondern einen langgestreckten rechteckigen Querschnitt.Conveniently, is the aufwickelnde on the contoured lateral surface of the winding core band withdrawn from a supply roll. The withdrawn from the supply roll Band is usually considered in cross section no contouring but have an elongated rectangular cross-section.
Ein solches Band kann bereits beim Heranführen an den Wickelkern in Anpassung an die Mantelflächenkontur verformt werden.One Such tape can already in the introduction to the hub in adaptation to the lateral surface contour be deformed.
In einer Ausführungsform einer solchen Bandverformung ist eine mehrstufige Verformung durch hintereinander angeordnete Verformungsstationen vorgesehen.In an embodiment Such a band deformation is a multi-stage deformation by provided deformation means arranged one behind the other.
Alternativ wäre es denkbar, die Bandkontur während des Heranführens an den Wickelkern kontinuierlich zu verformen, etwa indem das Band an geeigneten Schrägflächen oder dergleichen vorbeigeführt wird.alternative would it be conceivable, the band contour during of approaching to deform continuously to the winding core, such as the tape on suitable inclined surfaces or passed the like becomes.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Bandverformung noch bevor der betreffende Bandabschnitt den Wickelkern erreicht, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Verformen der Lagen des Bandes ein Andrücken eines jeweils gerade aufgewickelten Bandabschnitts gegen den Wickelkern umfasst. Damit kann eine Bandverformung realisiert bzw. vervollständigt werden.alternative or additionally to a band deformation even before the band section concerned the Winding core reached, for example, be provided that the Deforming the layers of tape a pressing of each just wound Belt section against the winding core comprises. This can be a band deformation realized or completed become.
Ein solches Andrücken ist gemäß einer Ausführungsform an lediglich einer Stelle in Umfangsrichtung eines rotierenden Wickelkernes vorgesehen, zweckmäßigerweise etwa an oder kurz hinter derjenigen Stelle, an welcher das Band mit der Mantelfläche des Wickelkerns in Kontakt kommt (z. B. winkelmäßig weniger als 90°, insbesondere weniger als 45° versetzt von der Stelle, an der das Band die Mantelfläche des Wickelkerns erreicht).One such pressing is according to one embodiment at only one point in the circumferential direction of a rotating winding core provided, expediently at or shortly after the spot where the band is with the lateral surface the winding core comes into contact (eg angular less than 90 °, in particular less than 45 ° offset from the point where the tape reaches the surface of the winding core).
In einer Weiterbildung erfolgt das Andrücken über einen in Umfangsrichtung des Wickelkerns ausgedehnteren Bereich (winkelmäßig z. B. mehr als 45° überstreichend), oder z. B. an mehreren in Umfangsrichtung verteilt vorgesehenen Stellen.In In a further development, the pressing takes place via a circumferential direction the winding core more extensive range (angularly, for example, more than 45 ° sweeping), or z. B. at several distributed in the circumferential direction provided Put.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Halbzeug einen aktivierbaren Binder (z. B. Thermoplastbinder) aufweist, der beim Wickeln aktiviert wird. Insbesondere kann vorteilhaft ein Binder eines jeweils gerade aufgewickelten Bandabschnitts aktiviert werden, so dass eine die Verformung des Bandes stabilisierende Verbindung mit einer bereits aufgewickelten Bandlage entsteht.In an embodiment is provided that the semi-finished an activatable binder (z. B. thermoplastic binder), which is activated during winding. In particular, advantageously, a binder of each just wound Tape section can be activated so that the deformation of the tape Stabilizing compound with an already wound tape layer arises.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während des Wickelns das Halbzeug geheizt wird (bevorzugt induktiv), beispielsweise um wie vorstehend erwähnt einen Binder zu aktivieren.In an embodiment is provided during that of winding the semi-finished product is heated (preferably inductive), for example as mentioned above to activate a binder.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band Fasern in 90° Orientierung enthält, insbesondere sogar Fasern größtenteils in 90°-Orientierung enthält. Wenn 90°-Fasern über die gesamte axiale Länge des Vorformlings verlaufen, so ergeben sich für einige Anwendungsgebiete besondere Vorteile im Hinblick auf die mechanische Belastbarkeit des mit dem Vorformling hergestellten Faserverbundbauteils.In an embodiment it is envisaged that the band contains fibers in 90 ° orientation, in particular even fibers mostly in 90 ° orientation contains. If 90 ° fibers over the total axial length of the preform, so arise for some applications particular advantages in terms of mechanical strength of the fiber composite component produced with the preform.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band Fasern in mehreren verschiedenen Orientierungen enthält, wobei ein Großteil der Fasern in einem Orientierungswinkel von mindestens 30° angeordnet sind.In an embodiment It is envisaged that the band fibers in several different orientations contains being a big part the fibers are arranged at an orientation angle of at least 30 ° are.
Prinzipiell sind für die Erfindung beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant.in principle are for the invention is suitable for any fibrous materials and matrix materials. As fibers, for example, glass fibers, carbon fibers, Synthetic synthetic fibers, steel fibers or natural fibers into consideration. As a matrix material, in particular plastics such. B. thermosetting Plastics (synthetic resins) interesting.
Daneben ist es auch grundsätzlich denkbar, dass ein im Profilvorformling enthaltenes bzw. bei dessen Herstellung verwendetes Band ein so genanntes ”Prepreg” (vorimprägniertes Fasermaterial) ist. Derartige Prepregs sind in vielfältigen Ausführungen an sich bekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung.Besides it is also basically conceivable that one contained in the profile preform or in whose Manufacture used tape is a so-called "prepreg" (pre-impregnated fiber material). Such prepregs are in manifold versions known and required therefore no one here closer Explanation.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wickeleinrichtung dazu ausgebildet ist, das Band im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Wickelkerns auf eine konturierte Mantelfläche des Wickelkerns aufzuwickeln, so dass aufeinanderfolgend aufgewickelte Lagen des Bandes sich in Axialrichtung im Wesentlichen vollständig überlappen, und dass die Vorrichtung Verformungsmittel umfasst, die dazu ausgebildet sind, während des Wickelns die einzelnen Lagen des Bandes in deren Querschnitt betrachtet in Anpassung an die Mantelflächenkontur zu verformen.The inventive device for producing an annular Preform is characterized in that the winding device is adapted to the band substantially in the circumferential direction wind the winding core on a contoured lateral surface of the winding core, so that successively wound layers of the tape are in Axial direction substantially completely overlap, and that the device Deforming means, which are formed during the Winding the individual layers of the tape considered in the cross section in adaptation to the lateral surface contour to deform.
Je nach Kontur der Mantelfläche ist in der Praxis die Verwendung eines Bandes mit einer Breite erforderlich, welche die axiale Erstreckung der konturierten Mantelfläche beträchtlich übersteigt.ever according to contour of the lateral surface In practice, the use of a tape with a width is required, which considerably exceeds the axial extent of the contoured lateral surface.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verformungsmittel eine Bandführungseinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen jeweils gerade an den Wickelkern herangeführten Bandabschnitt des Bandes in seinem Querschnitt zu verformen.In an embodiment it is provided that the deformation means a tape guide device include, which is adapted to a straight at the Winding core zoomed tape section deform the band in its cross section.
Die Bandführungseinrichtung kann z. B. hintereinander angeordnete Verformungsstationen umfassen, um eine mehrstufige Bandverformung vorzusehen, bei welcher der Bandquerschnitt sukzessive an einen gewünschten Querschnitt angenähert wird.The Belt guide can z. B. comprise deformation stations arranged one behind the other, to provide a multi-stage band deformation, wherein the band cross-section successively to a desired Cross section approximated becomes.
Eine solche Verformungsstation kann z. B. eine Anordnung von Führungsrollen umfassen, zwischen denen ein konturierter Spalt besteht, durch welchen der jeweils gerade an den Wickelkern herangeführte Bandabschnitt hindurchläuft. Mit einer Anordnung mehrerer solcher Verformungsstationen kann in Bandlaufrichtung betrachtet eine stufenweise Annäherung der Bandkontur an die Mantelflächenkontur erfolgen.A Such deformation station can, for. B. an arrangement of guide rollers between which there is a contoured gap through which the respective straight led to the winding core band section passes. With an arrangement of a plurality of such deformation stations can in the strip running direction Consider a gradual approach the band contour to the lateral surface contour respectively.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verformungsmittel eine Andruckeinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen jeweils gerade aufgewickelten Bandabschnitt des Bandes gegen den Wickelkern zu drücken.In an embodiment it is provided that the deformation means comprise a pressure device, which is adapted to a each just wound tape section of the tape to press against the winding core.
Die Andruckeinrichtung kann hierbei einen an die Mantelflächenkontur des Wickelkerns angepassten Andruckkörper umfassen, an welchem der gerade aufgewickelte Bandabschnitt in Umfangsrichtung vorbeiläuft. In einer Weiterbildung sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt (z. B. äquidistant verteilt) angeordnete An druckkörper vorgesehen. Die Andruckkörper können jeweils einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.The Pressure device can in this case a to the lateral surface contour comprise the winding core adapted Andruckkörper on which the straight wound tape section passes in the circumferential direction. In a development are several distributed in the circumferential direction (z. B. equidistant distributed) arranged on pressure body intended. The pressure bodies can each be formed in one piece or multiple parts.
In vielen Fällen interessant ist die Ausbildung eines Andruckkörpers oder Teilen davon aus einer Anordnung von Andruckrollen in Anpassung an die Mantelflächenkontur. Mit einer solchen Rollenanordnung kann ein vorbeilaufender Bandabschnitt in einfacher Weise gegen die Mantelflächenkontur angedrückt werden.In many cases interesting is the training of a pressure body or parts thereof an arrangement of pressure rollers in adaptation to the lateral surface contour. With such a roller arrangement, a passing band section be pressed in a simple manner against the lateral surface contour.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Andruckkörper oder Teile davon entsprechend eines während des Wickelns erfolgenden Dickenzuwachses des Bandwickels verlagert werden.In an embodiment is provided that the pressure body or parts thereof accordingly one while the winding occurring Dickenzuwachses the tape roll shifted become.
Eine solche Verlagerung zur Kompensierung des Dickenzuwachses kann aktiv (z. B. mittels eines aktiv angesteuerten Verlagerungsmechanismus) oder passiv (z. B. durch Überwindung einer Federkraft) vorgesehen sein. Auch eine Kombination von aktiver und passiver Verlagerung des oder der Andruckkörper ist denkbar (z. B. mittels einer Pneumatik).A such shift to compensate for the increase in thickness can be active (eg by means of an actively controlled displacement mechanism) or passive (eg by overcoming a spring force) may be provided. Also a combination of active and passive displacement of the pressure body (s) is conceivable (eg a pneumatics).
Durch Integration von zusätzlichen Niederhaltelementen könnte das aufgewickelte Band auf dem Wickelkern zusätzlich fixiert werden. Da der Vorformling mit jeder Umdrehung des Wickelkerns in seiner Wandstärke wächst, ist es von Vorteil, wenn die Niederhaltelemente oder Teile davon entsprechend federnd bzw. nachgebend gestaltet sind.By Integration of additional Hold down elements could the wound tape is additionally fixed on the winding core. Since the The preform grows in its wall thickness with each revolution of the winding core is it is advantageous if the hold-down elements or parts thereof are correspondingly resilient or compliant.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Heizeinrichtung zum Heizen des gerade aufgewickelten Bandabschnitts, beispielsweise um einen Binder thermisch zu aktivieren, der sich in oder an diesem Bandabschnitt befindet (z. B. als separates Bindervlies).In an embodiment The device comprises a heating device for heating the straight wound tape section, for example, thermally around a binder activate, which is located in or on this band section (eg as a separate binder fleece).
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Wickelkern axial teilbar ausgebildet ist. Für viele kompliziertere Konturierungen der Mantelfläche des Wickelkerns ermöglicht dies erst, dass der Wickelkern wiederverwendbar ist (und keinen ”verlorenen Kern” darstellt). Zum Entformen des Vorformlings können die Teile einer z. B. zweiteiligen Ausgestaltung des Wickelkerns dann vorteilhaft axial auseinander gefahren werden.In a development is provided that the winding core axially divisible is trained. For many more complicated contouring of the lateral surface of the winding core makes this possible first, that the core is reusable (and not a "lost core"). For demolding of the preform can the parts of a z. B. two-part design of the hub then advantageously be moved apart axially.
Eine im Rahmen der Weiterverarbeitung des Vorformlings erforderliche Infiltration mit Matrixmaterial kann bereits während der Zufuhr des Bandes zum Wickelprozess erfolgen (”Nasswickeln”), oder nach Beendigung des Wickelprozesses, beispielsweise direkt auf dem Wickelkern.A required as part of the further processing of the preform Infiltration with matrix material may already occur during the supply of the tape to the winding process ("wet winding"), or after completion of the winding process, for example, directly on the Winding core.
Ein Herstellungsverfahren und/oder eine Herstellungsvorrichtung der oben beschriebenen Art kann beispielsweise zur Herstellung eines ringförmigen Bauteils verwendet werden. Hierzu ist der mittels des Wickelns erzeugte Ringkörper im einfachsten Fall lediglich auszuhärten (z. B. thermisch), gegebenenfalls nach vorheriger Infiltration mit Matrixmaterial (z. B. Kunstharz).One Manufacturing method and / or a manufacturing device of As described above, for example, for the production of a annular Component be used. For this purpose, the generated by means of winding ring body in the simplest case only to harden (eg thermally), if necessary after previous infiltration with matrix material (eg synthetic resin).
Es ist anzumerken, dass aus einem ringförmigen Vorformling gegebenenfalls auch mehrere ringförmige Faserverbundbauteile hergestellt werden können, indem der Ringkörper vor oder nach dem Aushärten in mehrere ringförmige Teile aufgetrennt wird.It It should be noted that optionally from an annular preform also several ring-shaped Fiber composite components can be produced by the ring body before or after curing in several annular Parts is separated.
Alternativ kann ein Herstellungsverfahren und/oder eine Herstellungsvorrichtung der oben beschriebenen Art zur Herstellung eines langgestreckten gekrümmten Bauteils verwendet werden, welches durch eine Auftrennung des mittels des Wickelns erzeugten Ringkörpers erhalten wird.alternative may be a manufacturing method and / or a manufacturing device the type described above for producing an elongated curved Component can be used, which by a separation of the means the winding produced annular body is obtained.
Eine interessante Verwendung ist z. B. die Herstellung von gekrümmten Strukturkomponenten (z. B. Verstärkungsprofile), die mit der Erfindung wirtschaftlich und effizient hergestellt werden können. So können z. B. gekrümmte Verstärkungsprofile mit Omega-, Z-, U- oder L-Profil oder anderem Profil je nach Erfordernis erzeugt werden.A interesting use is z. B. the production of curved structural components (z. B. reinforcement profiles), which are produced economically and efficiently with the invention can. So can z. B. curved reinforcing profiles with Omega, Z, U or L profile or other profile as required be generated.
Eine bevorzugte Verwendung der Erfindung besteht zur Herstellung ringförmiger Vorformlinge, welche zu CFK-Spanten mit Omega-, Z-, U- oder L-Querschnitt verarbeitet werden.A preferred use of the invention is to produce annular preforms, which processed into CFRP frames with omega, Z, U or L cross section become.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der ringförmig erzeugte Vorformling vollständig ausgehärtet, bevor dieser in mehrere Bauteile aufgetrennt wird. Die Aushärtung und gegebenenfalls auch eine vorausgehende Infiltration kann direkt am Wickelkern durchgeführt werden, oder mittels eines oder mehrerer anderer Werkzeuge. Hinsichtlich einer möglichst geringen Durchlaufzeit bei einer Serienfertigung von Bauteilen ist es von Vorteil, wenn der gewickelte Vorformling vor seiner vollständigen Aushärtung vom Wickelkern getrennt wird, also z. B. auf dem Wickelkern nur kompaktiert und/oder teilausgehärtet wird.In a preferred embodiment becomes the ring-shaped produced preform completely hardened, before it is separated into several components. The curing and if necessary, also a preliminary infiltration can directly performed at the winding core or by one or more other tools. Regarding one possible low turnaround time for mass production of components it is advantageous if the wound preform before its complete curing of the Winding core is separated, so z. B. only compacted on the hub and / or partially cured becomes.
Durch entsprechende Faserorientierungen des verwendeten Fasermaterialhalbzeugs können die Eigenschaften des Faserverbundbauteils den Anforderungen entsprechend eingestellt werden.By corresponding fiber orientations of the fibrous semifinished product used can they Properties of the fiber composite component according to the requirements be set.
In einer Ausführungsform umfasst das Band ein Gelege, welches Fasern in verschiedenen Orientierungen (bezogen auf die Zufuhr- bzw- Längsrichtung des Bandes) enthält.In an embodiment For example, the tape comprises a scrim containing fibers in different orientations (relative to the feed or longitudinal direction of the tape).
Außerdem könnten bestimmte Bauteilbereiche durch Zuführung von weiteren Fasermaterialien zusätzlich verstärkt werden, insbesondere Fasermaterialhalbzeug- Bändern (z. B. unidirektionale oder multidirektionale Bänder enthaltend Fasern in 0°-Orientierung).In addition, certain could Component areas by feeding additionally reinforced by further fiber materials, in particular fibrous semifinished product tapes (eg unidirectional or multidirectional bands containing fibers in 0 ° orientation).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontur der Mantelfläche (und somit die Kontur des daran erzeugten Vorformlings) im Querschnitt betrachtet wenigstens einen axial sich erstreckenden Konturabschnitt aufweist. Dies besitzt für viele Anwendungsfälle den gravierenden Vorteil, dass dem beschriebenen Wickelprozess wenigstens ein zusätzliches Faserband enthaltend durchgehende Fasern in 0°-Orientierung zugeführt werden kann. Wenn die Kontur mehrere sich in Axialrichtung erstreckende Konturabschnitte enthält, so kann ein solches zusätzliches Band für jeden dieser Abschnitte vorgesehen sein.In an embodiment is provided that the contour of the lateral surface (and thus the contour of the produced therefrom) viewed in cross section at least having an axially extending contour portion. This has for many use cases the serious advantage that the winding process described at least an additional Fiber sliver containing continuous fibers are fed in 0 ° orientation can. If the contour has multiple axially extending Contains contour sections, so can such an additional Band for be provided for each of these sections.
Ein zusätzliches bzw. nachträgliches Umformen der Vorformlinge vor deren Aushärtung ist zwar möglich, oftmals jedoch nicht erforderlich oder sogar ungünstig.One additional or later Forming of the preforms before curing is possible, often but not required or even unfavorable.
Mit der Erfindung können eine hohe Effizienz bezüglich der Durchlaufzeiten und Kosten bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen realisiert werden.With of the invention a high efficiency regarding Throughput times and costs in the production of fiber composite components will be realized.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:The Invention will now be described with reference to embodiments with reference on the attached Drawings further described. They show:
Die Bezugszahlen von in einer Ausführungsform mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten, sind durchnumeriert (jeweils ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.The Reference numbers of in one embodiment multiply provided, but in their effect analog components, are numbered (each supplemented by a hyphen and a consecutive number). On individual of such components or on the totality of such components hereinafter also referred to by the unsupplemented reference number.
Die
Vorrichtung
Die
Wickeleinrichtung
Eine
weitere Besonderheit der Vorrichtung
Die
Andruckeinrichtung
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
besitzt die Mantelfläche
Die
Andruckeinrichtung
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die in Radialrichtung wirkende Kraft sehr einfach z. B. durch
die Gewichtskraft des Andruckkörpers
Die
Andruckkraft in Axialrichtung A wird durch Federn
Die
Bereitstellung der radialen und axialen Andruckkräfte durch
die Gravitation bzw. durch eine Federwirkung ist konstruktiv einfach
zu bewerkstelligen und besitzt bei der Aufwicklung einer Mehrzahl von
Bandlagen den Vorteil, dass der Andruckkörper
Bei entsprechender Gestaltung der Andruckeinrichtung sind sowohl die radialen als auch die axialen Andruckkräfte über den gesamten Wickelprozess im Wesentlichen konstant.at appropriate design of the pressure device are both the radial as well as the axial pressure forces over the entire winding process essentially constant.
Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel
könnte
anstatt einer ”passiven” Andruckeinrichtung
In
einer Weiterbildung umfasst die Andruckeinrichtung
Zusammenfassend
beruht das Prinzip zur Erzeugung des Vorformlings
Nach
Abschluss des Wickelprozesses ist im dargestellten Beispiel vorgesehen,
die axiale Teilbarkeit des Wickelkerns
Nach
Infiltration mit einem Matrixmaterial (z. B. Kunstharz) und Aushärtung des
Vorformlings
Die
Infiltration kann direkt auf dem Wickelkern
Der mittels des Wickelns erzeugte Ringkörper kann (bevorzugt nach vollständiger Aushärtung) auch in verschiedener Weise aufgetrennt werden, um gleichzeitig mehrere Bauteile zu produzieren.Of the Ring body produced by winding can (preferably after complete curing) also be separated in different ways to several at the same time To produce components.
Zum einen kommt in Betracht, den Ringkörper entlang einer oder mehrerer radialer Ebenen aufzutrennen, um dementsprechend mehrere ringförmige Faserverbundbauteile zu erhalten.To the one comes into consideration, the ring body along one or more radial planes split, accordingly, a plurality of annular fiber composite components to obtain.
Zum anderen kommt in Betracht, den mittels des Wickelns erzeugten Ringkörper oder einen davon abgetrennten Ringkörper an mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Stellen zu durchtrennen. Damit können aus einem gewickelten Ringkörper mehrere gekrümmte Faserverbundbauteile erhalten werden, insbesondere z. B. gekrümmte Strukturkomponenten wie z. B. Verstärkungsprofile.To the Another comes into consideration, the ring body produced by means of winding or one of them separated ring body at a plurality of circumferentially distributed locations to cut. With that you can from a wound ring body several curved ones Fiber composite components are obtained, in particular z. B. curved structural components such as B. reinforcing profiles.
Derartige Verstärkungsprofile aus Faserverbundwerkstoff werden beispielsweise im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Fahrzeugtechnik in großer Vielfalt benötigt. Mit der Erfindung können z. B. sehr effizient Spanten zur Verstärkung von Flugzeugrümpfen hergestellt werden.such reinforcing profiles made of fiber composite material are used, for example, in the air and space technology as well as vehicle technology in a great variety needed. With the invention can z. B. very efficiently produced frames for the reinforcement of aircraft fuselages become.
Ausgehend
von dem Vorformling
Die
dargestellten Bauteile
Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben ”a” zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.at the following description of another embodiment be for equivalent components use the same reference numbers, each supplemented by a small letter "a" to distinguish the embodiment. there is essentially only due to the differences to those already described Exemplary embodiment received and by the way hereby expressly refer to the description of the previous embodiment.
Insbesondere
ist eine Wickeleinrichtung
Das
Band B wird von einer (nicht dargestellten) Vorratsrolle abgezogen
und zunächst
einer speziellen Bandführungseinrichtung
Die
Einrichtung
In
Die
Die
Formungsrollenanordnung
Wenn
im Betrieb der Vorrichtung
In
den
In
den
Von
der Heizeinrichtung
Nach
dem Passieren der Heizeinrichtung
Die
Stützen
Das
Drehlager dient zur Lagerung und zum Drehantrieb des Wickelkerns
Zur
Einstellung einer radialen Andruckkraft, welche das zwischen dem
Andruckkörper
Mittels
einer solchen Verlagerung kann dann im Betrieb der Vorrichtung
Wie
es gut in
Zur
Schaffung dieser Andruckkraft könnte
z. B. wie bereits mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel nach
Die
Heizeinrichtung
Eine
weitere Besonderheit der Vorrichtung
Jede
der weiteren Andruckeinrichtungen
Falls
durch die Fixierungseinrichtung (z. B. Fixierungsbolzen
Mit den obigen Ausführungsbeispielen wurden vorteilhafte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings aus Fasermaterialhalbzeug erläutert. Je nach konkretem Anwendungsfall sind viele Modifikationen möglich. Insbesondere ist das bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehene Omega-Profil des gewickelten Vorformlings lediglich beispielhaft zu verstehen. Durch einfache Modifikation der Mantelfläche des Wickelkerns (und entsprechende Modifikation der Bandführungs- und Andruckmittel) lassen sich nahezu beliebige Profile erzeugen, wie z. B. Z-, U- oder L-Profile.With the above embodiments have been advantageous methods and apparatus for the production an annular Preform of fiber material semifinished explained. Depending on the specific application many modifications are possible. Especially is that provided in the described embodiments Omega profile of the wound preform by way of example only to understand. By simple modification of the lateral surface of the Hub (and corresponding modification of the tape guide and pressure means) can produce almost any profile, such as B. Z, U or L profiles.
Bevorzugt weist das zu wickelnde Profil wenigstens einen im Querschnitt betrachtet geradlinigen Konturabschnitt auf, sei es in Axialrichtung, in Radialrichtung oder schräg zu diesen beiden Richtungen. Dies vereinfacht in der Praxis tendenziell die Konstruktion der Verformungsmittel für die Verformung der Bandlagen, also beispielsweise die Konstruktion einer hierzu ausgebildeten Bandführungseinrichtung und/oder eines Andruckkörpers.Prefers has the profile to be wound at least considered in cross section rectilinear contour section, be it in the axial direction, in the radial direction or at an angle to these two directions. This tends to be easier in practice the construction of the deformation means for the deformation of the band layers, So for example, the construction of a trained for this purpose Belt guide and / or a pressure body.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte horizontale Orientierung der Drehachse des Wickelkerns ist ebenfalls lediglich beispielhaft zu verstehen. Sie stellt hinsichtlich des flächenmäßigen Platzbedarfes eine sehr kompakte Anordnung dar. Abweichend davon kommt insbesondere eine vertikale Drehachse in Betracht, womit je nach Anwendungsfall besondere Vorteile verbunden sein können.The in the embodiments shown horizontal orientation of the axis of rotation of the winding core is also meant to be exemplary only. She is considering the space required a very compact arrangement. Deviating from it comes in particular a vertical axis of rotation, which, depending on the application special benefits can be associated.
Zusammenfassend können mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erzielt werden:
- – Einsatz kostengünstiger Halbzeuge wie Multiaxialgelege, Gewebe, Geflechte etc.
- – Einfacher Herstellungsprozess mit gegebenenfalls hohem Automatisierungsgrad.
- – Möglichkeit einer integralen Fertigung von Strukturbauteilen (z. B. Spanten) in hoher Qualität.
- – Senkung der Fertigungsdurchlaufzeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.
- – Möglichkeit einer gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Verstärkungsprofilsegmente (z. B. Spantsegmente).
- – Möglichkeit, im gesamten Bauteil durchgängige Fasern vorzusehen.
- – Faserorientierung kann den Anforderungen des Bauteils in einfacher Weise angepasst werden.
- - Use of cost-effective semi-finished products such as Multiaxialgelege, tissue, braids, etc.
- - Simple manufacturing process with possibly high degree of automation.
- - Possibility of an integral production of structural components (eg frames) in high quality.
- - Reduction of the production cycle time compared to conventional methods.
- Possibility of simultaneous generation of several reinforcement profile segments (eg frame segments).
- - Possibility to provide continuous fibers throughout the component.
- - Fiber orientation can be easily adapted to the requirements of the component.
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