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Die Erfindung betrifft eine Faserlegemaschine zum gleichzeitigen Verlegen und Vernähen mindestens zweier Faserstränge, insbesondere bandförmiger Faserstränge, auf ein flächiges Trägermaterial.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine derartige Faserlegemaschine ist beispielsweise bekannt aus http://www.tajima.de/de/fibers.html.
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Zur Verstärkung von Textilkonstruktionen mit Faserverbundwerkstoffen ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Faserverlegen. Beim Faserverlegen wird ein Roving (Faserstrang) vor einem Stickkopf ablegt und anschließend mit Nadel und Faden auf dem Trägermaterial, welches von einem Rahmensystem gehalten wird, fixiert. Auf diese Weise kann der Roving in jede beliebige Richtung auf dem Trägermaterial fixiert werden. Die hierdurch erzeugten Strukturen können lokal unterschiedliche Faserorientierungen und Fasermengen aufweisen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, quasi verschnittfrei eine Preform zu erzeugen. Dieses Verfahren ist daher kostengünstig und löst gleichzeitig das Problem der Entsorgung von Resten und Ausschnitten.
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Zur Durchführung des Faserverlegens werden bisher aus der Kunststickerei bekannte Stick- oder Nähmaschinen verwendet. Dazu wird ein Faserstrang auf eine kleine Vorratsspule umgewickelt, die am Stickkopf befestigt und mit diesem je nach gewünschter Stickrichtung verdreht wird. Derartige Stickmaschinen sind beispielsweise bekannt aus dem ZSK-Prospekt „Sondermaschinen” 08/2003); aus dem Tajima-Prospekt „TLMX series Lock-stich chenille Taping & coiling embroidery machine” und aus http://www.tajima.de/de/fibers.html. Da die Vorratsspule mit jeder Bewegung des Stickkopfes mitbewegt wird, muss diese kompakt und leicht ausgestaltet sein. Dies hat jedoch zur Folge, dass ein häufiges Wechseln der Spule notwendig ist. Insbesondere bei Mehrfachstickköpfen, die parallel arbeiten, führt dies zu einem erheblichen Zeitverlust, da die Vorratsrollen der verschiedenen Stickköpfe i. A. zu verschiedenen Zeiten gewechselt werden müssen, wozu jedoch immer alle parallel arbeitenden Stickköpfe angehalten werden müssen. Das Faserverlegen mittels derartiger Maschinen ist daher zeitaufwändig und personalintensiv und die Menge des Materials, welches pro Zeiteinheit verarbeitet werden kann, stark begrenzt. Darüber hinaus steht der Faserstrang unter einer relativ hohen Spannung, da der Faserstrang durch das Verschieben des Trägermaterials, auf dem der Faserstrang fixiert ist, von der Vorratsspule abgerollt wird. Dies kann jedoch dazu führen, dass sich das Trägermaterial während des Legeprozesses verzieht.
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In der
DE 10 2005 034 400 A1 wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faservorformlings offenbart, bei der ein Faserstrang auf einer Tragschicht aufgebracht wird. Dazu wird der Faserstrang von einer Vorratsrolle abgezogen und mittels eines Führungsmittels auf die Tragschicht abgelegt.
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Aus der
DE 10 2008 026 161 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, mit denen eine Vielzahl an Fasern zu einem imprägnierten Endlosfaserbündel verarbeitet werden.
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Die
DE 10 2006 021 425 A1 beschreibt eine Trenn- und eine Positioniereinrichtung, insbesondere für eine Stickmaschine, bei der eine kleine Spule an einem Stickkopf befestigt ist. Die Spule wird mit dem Stickkopf mitbewegt, sodass das aufzustickende Material relativ zur Nadel immer aus der gleichen Richtung kommt.
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In der Firmenschrift „Legemaschinen für neuartige technische Anwendungen”, ZSK Stickmaschinen GmbH, 47800 Krefeld, 2009, Seiten 1–4, werden mehrere Ideen für weiterentwickelte Legemaschinen angedeutet. So wird die Idee aufgeführt, ohne Umspulen zu arbeiten und die Zuführung des Materials stufenlos zu regeln. Jedoch ist dieser Schrift keine entsprechende Lösung ausführbar offenbart.
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Aus dem Bereich der Schlauchverlegung sind Legemaschinen bekannt, die eine nicht mit dem Stickkopf verbundene, angetriebene Vorratsrolle aufweisen (http://www.tajima.de/de/tubes.html). Der zu verlegende Schlauch wird über einen dünnen Zuführungsschlauch aus Kunststoff zum Stickkopf geführt. Derartige Vorrichtungen sind jedoch nicht für bandförmige Materialien, wie z. B. Kohlefaserbündel, geeignet, da das bandförmige Faserbündel beim Durchführen durch den Zuführungsschlauch entlang der Faserrichtung verformt werden würde und daher nicht mehr definiert auf das Trägermaterial aufgebracht werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Faserlegemaschine vorzuschlagen, mit welcher der Durchsatz an verarbeitetem Fasermaterial erhöht und der Personaleinsatz verringert werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Faserlegemaschine zum gleichzeitigen Verlegen und Vernähen mindestens zweier Faserstränge, insbesondere bandförmiger Faserstränge, auf ein flächiges Trägermaterial gelöst, welche folgende Elemente umfasst: einen um seine Achse Z rotierbaren Stickkopf, mindestens zwei unabhängig vom Stickkopf gelagerte, angetriebene Vorratsspulen zum Bereitstellen der Faserstränge, eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Faserstränge in einer Nähposition und eine Zuführungsvorrichtung zum Zusammenführen der Faserstränge und zum Zuführen der Faserstränge zur Positioniervorrichtung, wobei die Positioniervorrichtung und die Zuführungsvorrichtung am Stickkopf befestigt sind.
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Die erfindungsgemäße Faserlegemaschine sieht mehrere separate, unabhängig vom Stickkopf gelagerte Vorratsspulen vor, auf denen jeweils ein Faserstrang aufgewickelt ist. Die beiden Vorratsspulen werden beispielsweise mittels Elektromotoren angetrieben, sodass der Faserstrang spannungsfrei zugeführt werden kann, was ein gleichmäßiges Vernähen des Faserstrangs auf dem Trägermaterial ermöglicht. Dadurch, dass die Vorratsspulen angetrieben werden, können die Spulen quasi beliebig dimensioniert sein, sodass insbesondere die Originalspulen des Herstellers der Faserstränge verwendet werden können. Ein zeitraubendes Umspulen des Fasermaterials und das häufige Auswechseln der Spulen sind somit nicht mehr notwendig. Der Antrieb der einzelnen Vorratsspulen erfolgt vorzugsweise separat.
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Durch das Vorsehen von mehreren Vorratsspulen können mehrere Faserstränge gleichzeitig zugeführt und vernäht werden, wodurch der Materialdurchsatz weiter erhöht wird. Dazu werden die Faserstränge der verschiedenen Vorratsspulen in der Zuführungsvorrichtung zusammengeführt und entlang einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet, sodass sie durch die Positioniervorrichtung gemeinsam der Nähposition zugeführt werden können. Die Zuführungsvorrichtung und Positioniervorrichtung sind mit dem Stickkopf fest verbunden und werden zusammen mit diesem rotiert, sodass die Zuführung der Faserstränge bezüglich der Stickrichtung immer gleich erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Mehrfachzuführung ermöglicht auch die gleichzeitige Verarbeitung verschiedener Materialien, z. B. in Form von Sandwich-Schichten.
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Als Faserstränge werden vorzugsweise Stränge aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Kunststofffaser oder Aramidfasern verwendet.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Zuführung der Faserstränge zu der Zuführvorrichtung für jeden Faserstrang ein Führungsschlauch vorgesehen, der an der Zuführungsvorrichtung endet. Die Führungsschläuche verhindern, dass das leichte Fasermaterial an unerwünschte Stellen der Vorrichtung gelangt und beschädigt wird.
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Die Führungsschläuche sind an der Zuführvorrichtung befestigt, sodass die Endöffnung der Führungsschläuche jeweils in eine Durchgangsöffnung der Zuführvorrichtung mündet.
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Um auch bandförmige Faserstränge spannungsarm und ohne Verformungen zuzuführen, weist der Zuführungsschlauch einer speziellen Weiterbildung dieser Ausführungsform einen Mindestdurchmesser von 8 mm auf und ist flexibel. Aufgrund des großen Durchmessers der Führungsschläuche liegen die Faserstränge lose in den Führungsschläuchen und können quasi widerstandslos zur Positioniervorrichtung transportiert werden. Um auch einen Spannungsaufbau innerhalb der Faserstränge aufgrund einer Bewegung des Stickkopfes (Rotation, Auf- und Abbewegung in Z-Richtung,) zu vermeiden, ist der Führungsschlauch flexibel ausgestaltet. Die benötigten Biegeradien der Führungsschläuche sind abhängig vom maximalen Hub des Stickkopfes in Z-Richtung und dem Radius der Rotationsbewegung der Zuführvorrichtung um den Stickkopf. Insbesondere sind die Führungsschläuche aus einem Material gefertigt, das bei gegebenem Durchmesser eine Verbiegung mit Biegeradius kleiner als 7 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Führungsschläuche bei gleichbleibendem Durchmesser um mindestens 50% in ihrer Länge dehnbar sind. Durch eine hohe Dehnbarkeit in der Länge wird eine erhöhte Flexibilität erreicht. Schläuche, welche die notwendige Flexibilität und Dehnbarkeit aufweisen sind, beispielsweise Faltenschläuche oder Spiralschläuche.
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Die Zuführungsvorrichtung ist von der Positioniervorrichtung vorzugsweise beabstandet angeordnet. Dies ermöglicht ein Hin- und Herschwingen der Positioniervorrichtung relativ zur Zuführungsvorrichtung und des Trägermaterials.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Abstand zwischen Positioniervorrichtung und Zuführungsvorrichtung variabel ist, d. h. bei der die Zuführungsvorrichtung gegenüber der Positioniervorrichtung verfahren werden kann, um für eine spezielle Anwendung den optimalen Abstand einzustellen.
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Die Zuführungsvorrichtung weist vorzugsweise benachbart angeordnete, insbesondere parallele, Durchführungen auf. Die Durchführungen können beispielsweise in Form von Durchgangsbohrungen durch einen massiven Körper und/oder als Durchgangsröhrchen ausgestaltet sein. Die Faserstränge werden durch die Durchführungen geführt und sind nach Austritt aus der Zuführungsvorrichtung im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, unabhängig von der Richtung, in der die Faserstränge vor Eintritt in die Zuführungsvorrichtung verlaufen. Der Abstand zwischen den Durchführungen sollte möglichst klein gewählt werden, sodass die austretenden Faserstränge von der Positioniervorrichtung auf einfache Weise zusammengefasst werden können.
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Vorzugsweise sind die Durchführungen nebeneinander und/oder übereinander angeordnet. Insbesondere wenn eine größere Anzahl an Fasersträngen vorgesehen ist, können die Durchführungen in einer Matrix, also nebeneinander und übereinander, angeordnet sein. In diesem Fall erfolgt das Vernähen mehrlagig.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die zuvor genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserlegemaschine mit nebeneinander zugeführten Fasersträngen; und
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2 einen Detailausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserlegemaschine mit übereinander zugeführten Fasersträngen.
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1 zeigt eine Faserlegemaschine 1 mit zwei separaten Vorratsspulen 2a, 2b, auf denen jeweils ein Faserstrang 3a, 3b aufgewickelt ist. Die Vorratsspulen 2a, 2b sind angetrieben, beispielsweise mittels eines Elektromotors, sodass die Faserstränge 3a, 3b mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit abgerollt werden können. Die Faserstränge 3a, 3b werden mittels Führungsschläuchen 4a, 4b zu einem Stickkopf 5, beispielsweise einer Näh- oder Stickmaschine, geführt, mit dessen Hilfe die Faserstränge 3a, 3b auf einem Trägermaterial 6 befestigt werden. Das Trägermaterial 6 ist in einem Rahmensystem 12 eingespannt, das sich innerhalb einer Rahmenebene X/Y, innerhalb der das flächige Trägermaterial 6 aufgespannt ist, relativ zum Stickkopf 5 verschieben lässt. Der Stickkopf 5 ist senkrecht zum Rahmensystem 6 verfahrbar und kann zur Änderung der Stickrichtung um eine Achse Z, entlang der eine Nadel 11 am Stickkopf 5 befestigt ist, gedreht werden. Die Führungsschläuche 4a, 4b münden erfindungsgemäß in eine Zuführungsvorrichtung 7 mit Durchführungen 8a, 8b, die in der gezeigten Ausführungsform in Form von nebeneinander angeordneten Durchgangsröhrchen ausgebildet sind. Die den Vorratsspulen 2a, 2b abgewandten Öffnungen der Führungsschläuche werden dazu mit den Durchführungen 8a, 8b der Zuführungsvorrichtung 7 in Deckung gebracht, insbesondere auf die Durchgangsröhrchen aufgesteckt oder geklemmt. Die längliche Ausdehnung der Durchgangsröhrchen stellt sicher, dass die Faserstränge 3a, 3b nach Austritt aus der Zuführungsvorrichtung 7 im Wesentlichen entlang der Achse des jeweiligen Durchgangsröhrchens ausgerichtet sind, unabhängig von der Richtung, in der die Faserstränge 3a, 3b vor Eintritt in die Zuführungsvorrichtung 7 verlaufen. Die Durchführungen 8a, 8b liegen dicht beieinander und sind vorzugsweise parallel ausgerichtet, sodass die Faserstränge 3a, 3b nach dem Austreten aus den Durchführungen 8a, 8b der Zuführungsvorrichtung 7 entsprechend nahe beieinander und in die gleiche Richtung verlaufen. Die aus der Zuführvorrichtung 7 austretenden Faserstränge 3a, 3b werden von einer Positioniervorrichtung 9 gefasst und zu einer Nähposition 10 unterhalb des Stickkopfes 5 geführt. Die Richtung der aus der Zuführvorrichtung 7 austretenden Faserstränge 3a, 3b entspricht im Wesentlichen der Richtung, in der die Faserstränge 3a, 3b die Positioniervorrichtung 9 durchlaufen, die hier als flache Hülse ausgebildet ist. Je nach Querschnitt und Menge der Faserstränge sowie der gewünschten Anordnung der Faserstränge zueinander kann die Positioniervorrichtung 9 unterschiedliche Formen aufweisen, z. B. kann die Positioniervorrichtung 9 auch einen runden Querschnitt aufweisen um eine Vielzahl an Fasersträngen mit rundem Querschnitt aufzunehmen und der Nähposition 10 zuzuführen. Die Positioniervorrichtung 9 und die Durchführungen 8a, 8b sind in dieselbe Richtung ausgerichtet. Durch diese Ausrichtung und die dichte Anordnung der Durchführungen 8a, 8b können die Faserstränge 3a, 3b spannungsarm zusammengefasst werden, ohne dass einer der Faserstränge 3a, 3b aufgrund eines ungünstigen Zuführwinkels einer größeren Spannung ausgesetzt ist als der andere Faserstrang 3a, 3b.
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Die Positioniervorrichtung 9 und die Zuführvorrichtung 7 sind an dem Stickkopf 5 befestigt und mit diesem um die Achse Z des Stickkopfes 5 rotierbar, wobei die Zuführvorrichtung 7 radial außerhalb der Positioniervorrichtung 9 angeordnet ist. Die Positioniervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, um im Betrieb senkrecht zum Verlauf der Faserstränge 3a, 3b hin und her zu schwingen bzw. zu verkippen und das Fixieren der Faserbündel 3a, 3b mittels eng an den Fasersträngen 3a, 3b positionierten Stichen zu vereinfachen. Die Befestigung der Positioniervorrichtung 9 und der Zuführvorrichtung 7 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass der Abstand zwischen der Zuführvorrichtung 7 und der Positioniervorrichtung 9 verändert werden kann. Die Größe des benötigten Abstands hängt unter anderem von der Schwingungsamplitude der Positioniervorrichtung 9 ab.
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Der Durchmesser der Führungsschläuche 4a, 4b ist so gewählt, dass die Faserstränge 3a, 3b lose in den Führungsschläuchen 4a, 4b liegen und daher quasi widerstandslos durch die Führungsschläuche 4a, 4b zugeführt werden.
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Um, wie im vorliegenden Beispiel gezeigt, bandförmige Faserstränge 3a, 3b zuzuführen, werden daher Führungsschläuche 4a, 4b mit relativ großem Durchmesser benötigt. Der Durchmesser der Führungsschläuche 4a, 4b sollte vorzugsweise mindestens 1,5-mal so groß sein wie die Breite des Faserstränge 3a, 3b.
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Erfindungsgemäß sind die Führungsschläuche 4a, 4b so flexibel ausgestaltet, dass eine Rotationsbewegung des Nähkopfes und der damit verbundenen Zuführungsvorrichtung 7 möglich ist, ohne dass die Führungsschläuche 4a, 4b mit anderen Komponenten der Faserlegemaschine 1 kollidieren. Dies wird jedoch umso schwieriger, je größer der Durchmesser der Führungsschläuche 4a, 4b ist. Erfindungsgemäß werden daher vorzugsweise Schläuche verwendet, die entlang ihrer länglichen Ausdehnung dehnbar sind, ohne ihren Durchmesser wesentlich zu verändern (innerhalb einer Grenze von ±10%). Besonders geeignet sind Faltenschläuche, deren gefaltete Oberfläche sich unter Zugbelastung auffaltet, sodass sich die Länge des Faltenschlauchs vergrößert.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel werden die Faserstränge 3a, 3b nebeneinander zugeführt, sodass, verglichen mit einer Faserlegemaschine aus dem Stand der Technik, in derselben Zeit eine größere Fläche des Trägermaterials mit den Fasersträngen belegt werden kann.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserlegemaschine 1', die sich durch eine leicht abgewandelte Zuführvorrichtung 7' von der in 1 gezeigten Ausführungsform unterscheidet. Die Zuführvorrichtung 7' weist Durchführungen 8a', 8b' auf, die übereinander angeordnet sind. Die Faserstränge 3a, 3b werden dementsprechend auch übereinander von der Positioniervorrichtung 9 erfasst und aufeinanderliegend auf dem Trägermaterial 6 vernäht. Das Vernähen der Faserstränge erfolgt bei dieser Ausführungsform also doppelschichtig und ermöglicht eine schnelle Fertigung von Sandwichschichten.
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Beide Ausführungsformen ermöglichen eine zeitsparende Fertigung von Fasergelegen, insbesondere mit bandförmigen Fasersträngen 3a, 3b.
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Die erfindungsgemäße Faserlegemaschine 1, 1' sieht also Antriebe für die Vorratsrollen 2a, 2b vor, wobei die Vorratsrollen 2a, 2b unabhängig vom Stickkopf 5 angeordnet sind. Dies ermöglicht die Verwendung von großen Rollen, wodurch das häufige Auswechseln und das Umspulen auf kleine Rollen entfallen. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung 7, 7' ermöglicht die erfindungsgemäße Faserlegemaschine ein spannungsarmes Vernähen von mehreren Fasersträngen 3a, 3b, die von unterschiedlichen Vorratsrollen 2a, 2b zugeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Faserlegemaschine
- 2a, 2b
- Vorratsspulen
- 3a, 3b
- Faserstränge
- 4a, 4b
- Führungsschläuche
- 5
- Stickkopf
- 6
- Trägermaterial
- 7
- Zuführungsvorrichtung der Faserlegemaschine 1
- 7'
- Zuführungsvorrichtung der Faserlegemaschine 1'
- 8a, 8b
- Durchführungen der Faserlegemaschine 1
- 8a', 8b'
- Durchführungen der Faserlegemaschine 1'
- 9
- Positioniervorrichtung
- 10
- Nähposition
- 11
- Nadel
- 12
- Rahmensystem
