DE102009041177A1

DE102009041177A1 - Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen und Halterung hierfür

Info

Publication number: DE102009041177A1
Application number: DE102009041177A
Authority: DE
Inventors: Julian Eichhoff; Heiko Schulz; Thomas Prof. Dr. Gries
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a. Bereitstellen zumindest eines Basistextils (1) auf einer Halterung (2), b. Bearbeiten des Basistextils (1) zu einem Faserformling (30), während das Basistextil (1) mit der Halterung (2) rotiert wird, c. Tränken des Faservorformlings (30) mit Harz und d. Aushärten des Faservorformlings (30) mit einem Binder. Zudem wird eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben. Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass so eine präzise lokale Verstärkung von Preforms und eine materialsparende Konstruktion von Faserverbundbauteilen ermöglicht werden, wobei das Aufbringen der Verstärkungen besonders effizient erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen sowie eine entsprechende Stickmaschine. Die Erfindung findet insbesondere Verwendung bei der automatisierten Herstellung von Faserverbundwerkstoffen.
Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen besteht ein wachsendes Interesse an automatisierten Fertigungstechniken. Zunehmend werden Verfahren eingesetzt, bei denen auf Faservorformlingen (sogenannte „Preforms”) unter Verwendung von Stickmaschinen beanspruchungsgerechte Faseranhäufungen aufgebracht werden. Die so hergestellten Faservorformlinge können mit herkömmlichen Fertigungsprozessen zu Bauteilen verarbeitet werden. Bei der Herstellung von Faservorformlingen werden unterschiedliche textile Vorprodukte, z. B. Gewebe, Geflechte, Vliesstoffe und andere textile Flächengebilde eingesetzt. Als Faservorformlinge werden insbesondere trockene, endkonturnahe Textilien angesehen, welche dann mit Harz getränkt und schließlich gehärtet werden.
Grundsätzlich gibt es diverse Verfahren für die Herstellung von Faservorformlingen. Eines davon ist das so genannte „Tailored-Fibre-Placement”-Verfahren (TFP), eine Sonderform des technischen Stickens. Die Faseranhäufungen, zum Beispiel ein Verstärkungsfaserstrang, werden auf einem Basistextil, bzw. einem Preformrohling, abgelegt und mit einem Hilfsfaden fixiert. Die Nadel sticht dabei links und rechts von den Verstärkungsfasern in den Stickgrund ein und legt einen Zickzack-Stich über die Verstärkungsfasern. Die Faseranhäufungen weisen hierbei eine definierte „Faserarchitektur”, insbesondere hinsichtlich der Orientierung und der Lage der Verstärkungsfasern, auf. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass die Verstärkungsfasern gezielt und somit belastungsgerecht abgelegt werden können. Dies ermöglicht eine präzise lokale Herstellung und/oder Verstärkung von Bauteilen (Verstärkung z. B. an Löchern oder Ausschnitten) und eine materialsparende Konstruktion.
Diese TFP-Methode wird zweidimensional ausgeführt. Die Faservorformlinge werden dabei in der Ebene gestickt und danach gegebenenfalls in eine dreidimensionale Form umgeformt. Ein Beispiel hierfür ist die DE 102 50 826 B4 . Dort ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faservorformlings aus textilen Ausgangsmaterialien beschrieben, bei dem die textilen Faservorformlinge in einem ersten Schritt zweidimensional in einer Ebene abgelegt werden. Zur gezielten Verstärkung der Faservorformlinge werden in dieser zweidimensionalen Ebene zusätzliche Verstärkungsfasern aufgebracht. Anschließend wird das zweidimensionale Gelege durch Umformen in eine dreidimensionale Zielform gebracht.
Bei einem solchen Vorgehen verschieben sich die Verstärkungsfasern jedoch unkontrolliert und liegen nicht mehr in der Hauptbelastungszone. Hieraus resultieren Schwachstellen im Bauteil. Um dies zu kompensieren, wird regelmäßig deutlich mehr Material als theoretisch benötigt aufgestickt, wodurch die Bauteile schwerer, aufwendiger und teuer werden.
Problematisch ist folglich insbesondere auch die automatisierte Ablage von Faseranhäufungen auf Faservorformlingen mit komplexen (dreidimensionalen) Außenkonturen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen angegeben werden, das präzise lokale Verstärkungen der Faserverbundbauteile und materialsparende Konstruktionen der Faserverbundbauteile ermöglicht. Zudem soll auch eine Halterung für zumindest ein Basistextil eines Faserverbundbauteils angegeben werden, mit der besonders effizient präzise lokale Verstärkungen auf Faservorformlingen aufgebracht werden können.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, einer Halterung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 5 und einer Stickmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a. Bereitstellen zumindest eines Basistextils auf einer Halterung,
b. Bearbeiten des Basistextils zu einem Faservorformling während das Basistextil mit der Halterung rotiert wird,
c. Tränken des Faservorformlings mit Harz, und
d. Härten des Faservorformlings.

Bei einem Basistextil handelt es sich insbesondere um ein Gewebe, Geflecht, Vliesstoff, Gelege, Gewirk und/oder anderes textiles Gebilde. Dieses Basistextil als Träger- und/oder Verteilmedium; es kann aber auch ein verstärkendes Textil sein. Insbesondere kann es sich bei dem Basistextil um ein Halbzeug zur Herstellung von Faservorformlingen (sogenanntes Preform) ggf. mit unterschiedlich hohem Vorfertigungsgrad handeln. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass es sich bei dem Basistextil um einen zur (End-)Bearbeitung vorgesehenen Faservorformling-Rohling handeln kann.
Das zumindest eine Basistextil kann sowohl mit einer flachen Außenkontur als auch einer dreidimensionalen Außenkontur, insbesondere rohrförmigen Außenkontur und/oder uniaxial gekrümmten Außenkontur, bereitgestellt werden. Hervorzuheben ist jedoch, dass die Basistextilien bevorzugt bereits vor der Bearbeitung im Wesentlichen ihre gewünschte endgültige Form bzw. Gestalt ausbilden bzw. aufweisen (endkonturnahe Form). Dadurch wird erreicht, dass ein Verschieben der Bearbeitungsstellen bei einem nachfolgenden (dreidimensionalen) Umformvorgang vermieden wird.
Zur Bearbeitung wird zumindest ein Basistextil auf einer Halterung bereitgestellt und/oder sogar befestigt. Die Halterung dient insbesondere dazu, das zumindest eine Basistextil während (eines Zeitabschnitts oder permanent während) der Bearbeitung zu rotieren. Mit einer „Rotation” soll insbesondere zum Ausdruck gebracht werden, dass das Basistextil um seine Zentrumsachse gedreht wird, wobei das z. B. bei einem rohrförmigen Basistextil die Mittelachse ist. Als Zentrumsachse ist hier insbesondere die des zu fertigenden dreidimensionalen Körpers gemeint. Die Rotation des Basistextils wird bevorzugt durch eine Steuereinrichtung einer Bearbeitungsmaschine gesteuert bzw. durch eine Regeleinrichtung einer Bearbeitungsmaschine geregelt. Die Rotation des zumindest einen Basistextil ermöglicht in vorteilhafter Weise eine flexible Bearbeitung der unterschiedlichen Seiten eines Basistextils, wobei bevorzugt keine Umspannvorgänge des Basistextils auf der Halterung und/oder keine Bewegung eines Bearbeitungswerkzeugs einer Bearbeitungsmaschine um das Basistextil herum erforderlich ist. Dies ermöglicht eine besonders zeitsparende und günstige Bearbeitung der Basistextilien.
Bei der Bearbeitung des zumindest einen Basistextil handelt es sich bevorzugt um ein Stickverfahren, bei dem präzise lokale Verstärkungen, insbesondere Verstärkungsfasern, Verstärkungsrovings, Verstärkungsgewebe oder Verstärkungstextilgebilde, auf einem Basistextil aufgebracht werden. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit einen kompletten Faservorformling auf ein Basistextil, insbesondere auf ein Textil, wie zum Beispiel Gewebe, Gewirke, Gelege oder Vliesstoffe aufzusticken.
Vorzugsweise umfasst der Schritt b. das Ablegen von Fasern auf dem mindestens einen Basistextil nach dem Tailored-Fiber-Placement-Verfahren (TFP-Verfahren). Die Fasern sind bevorzugt zu so genannten „Faserrovings” zusammengefasst und werden bevorzugt an besonders belasteten Bereichen des Basistextils belastungsgerecht, insbesondere hinsichtlich ihrer Orientierung, abgelegt. Dies erfolgt bevorzugt durch eine entsprechende Anwendung des erläuterten TFP-Verfahrens, wobei es sich um eine Sonderform des technischen Stickens handelt. Hierbei werden die Fasern bzw. Faserrovings gezielt auf dem zumindest einen Basistextil abgelegt und mit einem Hilfsfaden fixiert. Dies erfolgt bevorzugt durch eine Stickmaschine, die die Fasern bzw. Faserrovings durch einen die Fasern bzw. Faserrovings überlagernden Zickzack-Stich mit Hilfe des Hilfsfadens auf den Basistextilien befestigt. Hierdurch kann ein späteres Verrutschen der Fasern bzw. Faserrovings wirksam verhindert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Basistextil auf der Halterung mit zumindest zwei die Halterung um 360° umschließende Schnellspannvorrichtungen in zumindest zwei Befestigungsbereichen befestigt wird. Bei diesen Schnellspannvorrichtungen kann es sich insbesondere um wenigstens eine Saugvorrichtung und/oder wenigstens eine Klemmvorrichtung handeln, die mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben und automatisch oder manuell betätigt wird. Dies ermöglicht ein besonders schnelles Wechseln und/oder Bereitstellen der Basistextilien auf der Halterung. Alternativ dazu könnte die Fixierung flächig mit Unterdruck oder adhäsiv erfolgen.
Bei den Schnellspannvorrichtungen kann es sich insbesondere auch um jeweils mindestens eine (Metall-)Spange handeln. Die (Metall-)Spange weist mindestens ein Kreisringsegment auf, dessen erster Durchmesser größer ist als ein zweiter Durchmesser eines Spannrahmens. Dieses Kreisringsegment ist im Wesentlichen koaxial und (vollständig) überlappend zu zumindest einem Spannrahmen einer Halterung angeordnet. Bei den Befestigungsbereichen handelt es sich jeweils um diejenigen Bereiche, in denen sich die Schnellspannvorrichtungen mit den Spannrahmen in Richtung der Zentrumsachse überlappen. Die Befestigungsbereiche werden bevorzugt so angeordnet, dass die spätere Bearbeitung des Basistextils in Richtung einer Zentrumsachse zumindest zwischen zwei Befestigungsbereichen erfolgen kann. Zur Befestigung des Basistextils wird das Basistextil zumindest teilweise zwischen zumindest einem Spannrahmen und zumindest einem Kreisringsegment einer Schnellspannvorrichtung in einem Befestigungsbereich angeordnet und anschließend der erste Durchmesser des zumindest einem Kreisringsegments mit Hilfe eines (Schnapp-)Verschlusses so weit verringert, dass das Basistextil zumindest teilweise zwischen dem zumindest einen Spannrahmen und dem zumindest einen Kreisringsegment der Schnellspannvorrichtung eingeklemmt und/oder fixiert wird.
Um eine erhöhte Verrutschsicherheit des Basistextils zu gewährleisten, können die Schnellspannvorrichtungen und/oder die Spannrahmen (insbesondere im Bereich der Befestigungsbereiche) zumindest teilweise eine Antirutschbeschichtung, eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit und/oder eine Antirutschmatte aufweisen. Als besonders geeignet haben sich hierbei Gummimatten herausgestellt. Eine solche Antirutschbeschichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil bei der Herstellung von Faservorformlingen das Basistextil auf der Halterung so befestigt werden kann, dass das Basistextil auf der Vorschubrichtung zumindest in Richtung einer Zentrumsachse eine im Vergleich zu konventionelle Stickverfahren deutlich erhöhte Spannung aufweist. Dies ist erforderlich, um eine hoch exakte Bearbeitung bestimmter Bereiche des Basistextils zu ermöglichen. Die Spannung des Basistextils sollte daher mindestens 150%, bevorzugt mindestens 200%, besonders bevorzugt mindestens 300%, der regelmäßig bei konventionellen Stickprozessen angewendeten Spannungen betragen. Jedenfalls muss gewährleistet sein, dass das Basistextil stramm auf der Halterung sitzt, damit die Nadel beim Einstechen das Textil nicht mit nach unten zieht. Da die Schnellspannvorrichtungen die Halterung um 360° umschließen, ist zudem eine gleichmäßige Spannungsverteilung in dem Basistextil gewährleistet.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Basistextil in Schritt b. mit der Halterung zusätzlich translatorisch bewegt wird. Eine „translatorische” Bewegung ist insbesondere dann gegeben, wenn das zumindest eine Basistextil z. B. in Richtung der Rotationsachse (und/oder Zentrumsachse der zu fertigenden Bauteilform) und/oder schräg bzw. quer dazu bewegt wird. Die translatorische Bewegung kann grundsätzlich in alle drei Dimensionen erfolgen. Eine Schwenkbewegung ist zwar generell möglich, allerdings sind gerichtete translatorische Bewegungen bevorzugt. Hierdurch wird eine besonders flexible Bearbeitung der Basistextilien ermöglicht, weil hierdurch nicht nur unterschiedliche Seiten der Basistextilien bearbeitet werden können, sondern zusätzlich auch unterschiedliche Bereiche auf den jeweiligen Seiten der Basistextilien.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird auch eine Halterung für zumindest ein Basistextil eines Faserverbundwerkstoffs vorgeschlagen, die zumindest zwei Spannrahmen, die untereinander mit zumindest einem Verbindungsblech verbunden und voneinander mit einer Distanz beabstandet sind. Eine solche Halterung wird bevorzugt in einer Stickmaschine zur Bearbeitung zumindest eines Basistextils eingesetzt. Dies ermöglicht insbesondere das belastungsgerechte Ablegen von Fasern bzw. Faserrovings auf unterschiedliche Seiten eines Basistextils, so dass in vielen Fällen ein zeitaufwendiges Umspannen der Basistextilien auf einer Halterung vermieden werden kann. Die Halterung bzw. die Stickmaschine kann insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, wobei generell ergänzend auf die dortigen Erläuterungen zurückgegriffen werden kann.
Bei den Spannrahmen handelt es sich z. B. um zylindrische, rohrförmige, uniaxial gekrümmte und/oder ringförmige Bauteile, auf und/oder in die zumindest ein rohrförmiges bzw. rohrschalenförmiges Basistextil gelagert werden kann. „Rohrschalenförmig” bedeutet hier insbesondere, dass es sich bei dem Basistextil um ein gekrümmtes, flächiges Gebilde handelt. Der Spannrahmen ist bevorzugt aus Metall oder Faserverbundwerkstoff gefertigt und weist einen zweiten Durchmesser von beispielsweise bis zu 1 Meter, bevorzugt bis zu 0,5 Meter, besonders bevorzugt bis zu 0,25 Meter, auf. Die zweiten Durchmesser der zumindest zwei Spannrahmen können sowohl gleich groß als auch unterschiedlich groß sein. Die Breite eines Spannrahmens beträgt in Richtung einer Zentrumsachse 1 bis 20 Zentimeter, bevorzugt 1 bis 10 Zentimeter, besonders bevorzugt 1 bis 5 Zentimeter. Die Breiten der zumindest zwei Spannrahmen können sowohl gleich groß als auch unterschiedlich groß sein.
Die Spannrahmen sind mit zumindest einem Verbindungsblech verbunden. Die Spannrahmen sind dabei bevorzugt in Richtung einer Zentrumsachse der Halterung im Wesentlichen koaxial voneinander beabstandet, so dass zwischen den Spannrahmen eine Distanz ausgebildet ist, in dem ein auf dem Spannrahmen befestigtes rohrförmiges oder rohrschalenförmiges Basistextil von innen und von außen im Wesentlichen frei zugänglich ist. Die koaxiale Beabstandung der Spannrahmen kann beispielsweise bis zu 2 Meter betragen, bevorzugt bis zu 1 Meter, besonders bevorzugt bis zu 0,5 Meter. Das Verbindungsblech ist bevorzugt aus Metall, Faserverbundwerkstoff oder einem anderen steifen Strukturwerkstoff gefertigt und insbesondere geeignet, die durch die Bearbeitungsprozesse regelmäßig zu erwartenden Biegebeanspruchungen aufzunehmen. Hierzu kann das Verbindungsblech belastungsgerechte Verstärkungen und/oder Ausnehmungen aufweisen. Klargestellt sei hier, dass das Verbindungsblech beliebige geeignete (Hohl-)Profile aufweisen kann, z. B. T-förmig, Doppel-T-förmig, kreisförmig, ringförmig oder mehreckig.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist die Distanz der Spannrahmen variabel einstellbar. Dies kann beispielsweise durch ein teleskopierbares Verbindungsblech erfolgen. Hierdurch wird eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich der Länge (in Richtung der Zentrumsachse) der bearbeitbaren Basistextilien erzielt.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Verbindungsblech teilbar oder an zumindest einem der Spannrahmen lösbar befestigt ist. Somit können die Spannrahmen der Halterung unabhängig voneinander und/oder von zwei unterschiedlichen Seiten des Basistextils, insbesondere den Stirnseiten des Basistextils, an einem (rohrförmigen) Basistextil angebracht und somit das Basistextil besonderes komfortabel befestigt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer der zumindest zwei Spannrahmen einen Anschlag aufweist. Der Anschlag überragt den Spannrahmen (in radiale Richtung) und/oder ist sogar an einer äußeren Oberfläche des Spannrahmens angeordnet. Hierbei überragt der Anschlag die äußere Oberfläche des Spannrahmens (in radialer Richtung) bevorzugt über den gesamten Umfang, das heißt um 360°. Darüber hinaus ist der Anschlag insbesondere dazu geeignet, eine Überlappung eines auf einem Spannrahmen angeordneten und/oder befestigten Basistextils und eines Spannrahmens in Richtung einer Zentrumsachse zu begrenzen. Mit Hilfe eines solchen Anschlags kann ein Basistextil besonders exakt auf einer Halterung angeordnet und/oder befestigt werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform weisen die Spannrahmen der Halterung jeweils zumindest eine, insbesondere die Spannrahmen um 360° umschließende, Schnellspannvorrichtung für zumindest ein Basistextil auf. Hierdurch wird ein besonders schnelles Wechseln und/oder Bereitstellen der Basistextilien auf der Halterung ermöglicht. Wenn die Schnellspannvorrichtungen die Spannrahmen um 360° umschließen, wird zudem eine sehr gleichmäßige Spannungsverteilung über den Umfang eines Basistextils erreicht, wodurch eine besonders exakte Bearbeitung des Basistextils ermöglicht wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Halterung ein Zusatzmodul zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung eines Maschinenpantographen einer Stickmaschine in eine rotatorische Bewegung des zumindest einen Basistextils aufweist.
Das Zusatzmodul weist hierfür einen Rahmen auf, in dem die Halterung drehbar gelagert ist. Zudem weist das Zusatzmodul einen Riementrieb mit einem Riemen auf, wobei der Riemen zum einen zur Aufnahme einer translatorischen Bewegung mit einem Maschinenpantographen gekoppelt ist und zum anderen die Halterung rotatorisch antreiben kann. Mit anderen Worten verursacht eine translatorische Bewegung eines Maschinenpantographen eine Bewegung des Riemens auf dem Riementrieb, wodurch der Riemen die Halterung entsprechend der translatorischen Bewegung des Maschinenpantographen rotatorisch antreibt. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Riemen eine Antriebsrolle antreibt, die mit der Halterung im Eingriff steht. Bevorzugt ist jedoch, dass der Riemen mit der Halterung direkt oder mit einem Drehrahmen des Zusatzmoduls, an dem die Halterung befestigt ist, im Eingriff steht, wobei der Riemen die Halterung oder den Drehrahmen im Wesentlichen um 360° umspannt und insbesondere an zumindest einer Stelle an der Halterung befestigt ist. Klarzustellen ist, dass das Zusatzmodul statt eines Riemenzuges auch einen Seilzug oder Kettenzug aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist die Halterung translatorisch bewegbar. Hierzu weist die Halterung und/oder das Zusatzmodul beispielsweise geeignete Schienen und Antriebe auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine Stickmaschine, aufweisend zumindest eine Halterung, einen Maschinenpantographen und ein Zusatzmodul zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung des Maschinenpantographen in eine rotatorische Bewegung der zumindest einen Halterung vorgeschlagen.
Folglich wird hier insbesondere eine Zusatzeinrichtung für Stickmaschinen angegeben, mit welcher z. B. auch Kappen (im Sinne einer Kopfbedeckung) bestickt werden können. Die Kappen werden auf einen runden Spannrahmen montiert, welcher auf ein Zusatzmodul für die Stickmaschine gesteckt wird. Das Zusatzmodul setzt die translatorische Bewegung des Maschinenpantographen über einen Seilzug in eine rotatorische Bewegung um. Es sind also zwei Bewegungsarten möglich: eine Rotation um die Achse eines Freiarms der Stickmaschine und eine Translation entlang der Achse eines Freiarms.
Mit der Erfindung wird es folglich insbesondere möglich, das Tailored-Fibre-Placement-Verfahren dreidimensional für zylinderschalenförmige Bauteile anzuwenden. Als Bauteile kommen insbesondere die aus faserverstärktem Kunststoff in Betracht.
Durch die spiegelbildliche Anordnung zweier Kappenstickrahmen und die Verbindung dieser durch ein Blech entsteht eine Konstruktion, auf welcher ein zylinderschalenförmiger Stickgrund aufgespannt werden kann. Durch die Kombination von Rotation und Translation entlang der Achse des Freiarms der Stickmaschine lassen sich die Verstärkungsfasern beliebig auf der gekrümmten Oberfläche ablegen.
Der Preform kann also direkt dreidimensional gefertigt werden. Eine Umformung vor dem Tränken mit Harz entfällt. Die Fasern liegen belastungsgerecht im Bauteil, wodurch zum einen Material eingespart, zum anderen dünnere und leichtere Bauteile realisiert werden. Da weniger Material verstickt werden muss, sind zudem die Zykluszeiten geringer.
Die Vorrichtungen eignen sich insbesondere zur Durchführung des Verfahrens und umgekehrt. Deshalb können die Erläuterungen zu den einzelnen Aspekten der Erfindung miteinander in Bezug genommen werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine Stickmaschine mit einem rohrförmigen Faservorformling,
2: eine Halterung mit einem Zusatzmodul,
3: eine stirnseitige Ansicht einer Halterung, und
4: eine Seitenansicht der Halterung.
Die 1 zeigt der Übersichtlichkeit halber lediglich einen Stickkopf 5 und einen Freiarm 11 einer hier nicht weiter dargestellten Stickmaschine. Der Stickkopf 5 weist eine Nadel 17 auf, mit Hilfe derer zu einem Faserroving gebündelte Fasern 8 auf einem Basistextil 1 mit einer die Fasern 8 überlagernden Zickzack-Naht 12 befestigt werden. Das Basistextil 1 ist hierbei so gelagert, dass dieses eine Rotationsbewegung 9 um eine hier als Mittelachse ausgebildete Zentralachse 18 und eine translatorische Bewegung 10 im Wesentlichen parallel und/oder orthogonal zu der Zentralachse 18 ausführen kann.
Die 2 zeigt eine Halterung 2, die über erste Rollen 13 drehbar an einem Drehrahmen 33 eines Zusatzmoduls 4 befestigt ist. Die Halterung 2 weist zwei rohrförmige Spannrahmen 6 auf. Diese Spannrahmen 6 sind über ein Verbindungsblech 7 miteinander verbunden und voneinander im Wesentlichen koaxial beabstandet. Auf der äußeren Oberfläche 19 der Spannrahmen 6 sind in Umfangsrichtung mehrere Schnellspannvorrichtungen 3 angebracht, die der Aufnahme und Fixierung zumindest eines Faservorformlings 1 auf der Halterung 2 dienen.
Das Zusatzmodul 4 umfasst einen Riementrieb 15 mit einem Riemen 14. Der Riemen 14 ist mit einem Pantographenschenkel 21 eines Maschinenpantographen 20 verbunden, so dass durch eine zweite translatorische Bewegung 16 des Pantographenschenkels 21 eine Bewegung des Riemens 14 initiiert wird. Der Riemen 14 treibt zumindest eine Antriebsrolle 22 an, die mit der Halterung 2 im Eingriff steht, so dass die Bewegung des Riemens 14 eine Rotationsbewegung 9 der Halterung 2 verursacht. Im Weiteren ist die Halterung 2 derart gelagert, dass diese eine erste translatorische Bewegung 10 und/oder eine zu dieser ersten translatorischen Bewegung 10 orthogonale translatorische Bewegung ausführen kann.
Die 3 zeigt eine der Stirnseiten 32 (vgl. 4) einer weiteren Ausführung einer Halterung 2, die ebenfalls zwei mit einem Verbindungsblech 7 verbundene Spannrahmen 6 aufweist. Diese Spannrahmen 6 haben einen zweiten Durchmesser 24 (Außendurchmesser), der kleiner ist als ein erster Durchmesser 23 (Innendurchmesser) eines Kreisringsegments 25 einer Schnellspannvorrichtung 3. Zur Befestigung eines Basistextils 1 auf der Halterung 2 wird das Basistextil 1 zwischen den Spannrahmen 6 und dem Kreisringsegment 25 der Schnellspannvorrichtung 3 angeordnet. Die Fixierung des Basistextils 1 erfolgt durch eine Reduzierung des ersten Durchmessers 23 des Kreisringsegments 25 durch einen Schnappverschluss 26.
Die 4 zeigt die Halterung 2 der 3 in einer Seitenansicht. Die Spannrahmen 6 mit den beiden Stirnseiten 32 und der Breite 31 sind mit einem Verbindungsblech 7 verbunden und mit einer Distanz 28 voneinander im Wesentlichen koaxial beabstandet. Beide Spannrahmen 6 weisen ein den jeweiligen Spannrahmen 6 vollständig, das heißt um 360° umschließendes Kreisringsegment 25 einer Schnellspannvorrichtung 3 auf. Die Kreisringsegmente 25 der Schnellspannvorrichtungen 3 bilden in den Überlappungsbereichen mit den Spannrahmen 6 Befestigungsbereich 27 aus. Auf den äußeren Oberflächen 19 der Spannrahmen 6 sind zudem Anschläge 29 für ein hier nicht dargestelltes Basistextil 1 ausgebildet.
Die vorgeschlagene Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mit dieser präzise lokale Verstärkungen von Faservorformlingen und materialsparende Konstruktionen von Faserverbundbauteilen ermöglicht werden, wobei das Aufbringen der Verstärkungen besonders effizient erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Basistextil
2: Halterung
3: Schnellspannvorrichtung
4: Zusatzmodul
5: Stickkopf
6: Spannrahmen
7: Verbindungsblech
8: Fasern
9: Rotationsbewegung
10: erste translatorische Bewegung
11: Freiarm
12: Zickzack-Naht
13: erste Rollen
14: Riemen
15: Riementrieb
16: zweite translatorische Bewegung
17: Sticknadel
18: Zentrumsachse
19: äußere Oberfläche
20: Maschinenpantograph
21: Pantographenschenkel
22: Antriebsrolle
23: erster Durchmesser
24: zweiter Durchmesser
25: Kreisringsegment
26: Schnappverschluss
27: Befestigungsbereich
28: Distanz
29: Anschlag
30: Faservorformling
31: Breite
32: Stirnseite
33: Drehrahmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10250826 B4 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a. Bereitstellen zumindest eines Basistextils (1) auf einer Halterung (2), b. Bearbeiten des Basistextils (1) zu einem Faservorformling (30) während das Basistextil (1) mit der Halterung (2) rotiert wird, c. Tränken des Faservorformlings (30) mit Harz, und d. Härten des Faservorformlings (30).
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei Schritt b. das Ablegen von Fasern (8) auf dem mindestens einen Basistextil (1) nach dem Tailored-Fiber-Placement-Verfahren umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das mindestens eine Basistextil (1) auf der Halterung (2) mit zumindest zwei die Halterung (2) um 360° umschließende Schnellspannvorrichtungen (3) in zumindest zwei Befestigungsbereichen (27) befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das mindestens eine Basistextil (1) in Schritt b. mit der Halterung (2) zusätzlich translatorisch bewegt wird.
Halterung (2) für zumindest ein Basistextil (1) eines Faserverbundwerkstoffs, aufweisend zumindest zwei Spannrahmen (6), die untereinander mit zumindest einem Verbindungsblech (7) verbunden und voneinander mit einer Distanz (28) beabstandet sind.
Halterung (2) nach Patentanspruch 5, wobei die Distanz (28) der Spannrahmen (6) variabel einstellbar ist.
Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, wobei das Verbindungsblech (7) teilbar oder an zumindest einem der Spannrahmen (6) lösbar befestigt ist.
Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, wobei mindestens einer der zumindest zwei Spannrahmen (6) einen Anschlag (29) aufweist.
Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 bis 8, wobei die Spannrahmen (6) der Halterung (2) jeweils zumindest eine Schnellspannvorrichtung (3) für zumindest ein Basistextil (1) aufweisen.
Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 bis 9, aufweisend ein Zusatzmodul (4) zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung eines Maschinenpantographen einer Stickmaschine (5) in eine rotatorische Bewegung des zumindest einen Basistextils (1).
Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 bis 10, wobei die Halterung (2) translatorisch bewegbar ist.
Stickmaschine (5), aufweisend zumindest eine Halterung (2) nach einem der Patentansprüche 5 bis 11, einen Maschinenpantographen (20) und ein Zusatzmodul (4) zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung des Maschinenpantographen (29) in eine rotatorische Bewegung der zumindest einen Halterung (2).