DE102015103161A1

DE102015103161A1 - Faserwickelanlage sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserwerkstoffrohlings

Info

Publication number: DE102015103161A1
Application number: DE102015103161.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Konrad; Casper Benteler
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH; Benteler Distribution International GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: CN106044364B; US10196230B2; DE102015103161B4; CN106044364A; US20160280504A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wickelvorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Bewickeln eines Rahmens (7), um einen Faserwerkstoffrohling (18) herzustellen. Dazu wird ein Rahmen (7) in einer Einspannvorrichtung eingespannt und durch einen Antrieb (3) um eine Rotationsachse (5) in Rotation versetzt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Fixierstifte (6) bei Passieren eines aufzuwickelnden Fadens (9) abgeklappt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wickelvorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faserwerkstoffrohlings gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Faserwerkstoffrohlings gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kraftfahrzeugbauteile aus Blechmaterialien herzustellen. Diese werden umformtechnisch bearbeitet und können somit an die gewünschte Außenkontur angepasst werden. Nach der umformtechnischen Bearbeitung weisen die Bauteile ihre Endgeometrie auf.
In den letzten Jahren hat sich zunehmend die Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen, insbesondere Kraftfahrzeugstrukturbauteilen, aber auch Kraftfahrzeugaußenhautbauteilen aus Faserverbundwerkstoff etabliert. Hierzu wird ein Faserwerkstoff verwendet, der mit einem Matrixharz versetzt wird und in die gewünschte Form gebracht wird. Durch Aushärten des Matrixharzes wird diese Form beibehalten. Durch die Fasern selbst und insbesondere die Orientierung der Fasern erhält das Bauteil seine Festigkeit sowie Steifigkeit.
Gerade eine automatisierte Fertigung von Faserverbundwerkstoffbauteilen ist jedoch aufgrund der Verwendung von Matrixharz sowie der Tatsache, dass die Faserlagen und/oder Faserorientierungen teilweise verrutschen nur mit erhöhtem Aufwand möglich.
Insbesondere sollen dazu Faserwerkstoffrohlinge bereitgestellt werden, wobei bei der Produktion des Faserwerkstoffrohlings ein möglichst geringer Verschnitt anfallen soll und gleichzeitig die Möglichkeit besteht, gezielt die Faserorientierung innerhalb des Faserwerkstoffrohlings vorzugeben.
Aus der DE 10 2012 101 726 A1 , deren gesamter Offenbarungsgehalt mit in dieses Dokument einbezogen wird, ist eine Wickelvorrichtung bekannt, bei der ein Faserstrang bzw. Faserroving über einen hohlen Rahmen gewickelt wird. Dieser Rahmen wird dazu in eine Wickelvorrichtung eingelegt und rotiert. Durch Verzahnungen auf der Außenseite des Rahmens ist es möglich, einen nur einseitig an dem Rahmen hergestellten flächigen Faserwerkstoffrohling herzustellen oder aber durch jeweiliges Überschwenken des Faserstrangs über die Außenkontur einen zweiseitig, mithin auf der Vorderseite und Rückseite des Rahmens, flächigen Faserwerkstoffrohling herzustellen. Es ist ferner möglich, gezielt Wickelmuster bereitzustellen.
Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der Wickelvorrichtung zum einen auf im Wesentlichen kreisrunde Rahmen beschränkt. Ferner ist durch den außenseitigen Antrieb des Rahmens die Rotationsgeschwindigkeit und dadurch auch die Wickelgeschwindigkeit begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, eine Wickelvorrichtung sowie ein Wickelverfahren aufzuzeigen, bei denen unter Optimierung der Wickelzeit voneinander verschiedene Außengeometrien von Rahmen bewickelbar sind.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer Wickelvorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faserwerkstoffrohlings gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Teil wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Faserwerkstoffrohlings gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faserwerkstoffrohlings aufweisend eine Ständervorrichtung mit einem Antrieb und eine Einspannvorrichtung, wobei in der Einspannvorrichtung ein Rahmen einspannbar ist, so dass durch Rotation des Rahmens ein Faserwerkstoff in Form eines Fadens oder Faserrovings auf diesen gewickelt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Rotationsachse zentral an der Einspannvorrichtung angeordnet ist, wobei sich von der Rotationsachse eine Fixierscheibe oder sternförmig angeordnete Arme erstrecken und an der Fixierscheibe oder den Armen Halterungen bevorzugt in Radialrichtung bezogen auf die Rotationsachse verschiebbar gelagert sind und die Halterungen von der Fixierscheibe oder den Armen abstehen. Durch Verschieben der Halterungen ist es möglich, Rahmen mit voneinander verschiedenen Außengeometrien in der Einspannvorrichtung einzuspannen, wobei dann die Einspannvorrichtung mit dem eingespannten Rahmen über den Antrieb in Rotation versetzt wird. Ein relativ zu dem Rahmen bewegbares Fadenauge ist ferner dazu vorgesehen, um einen Faden zuzuführen, wobei bei Ausführen der Rotationsbewegung und vor Passieren einer jeden Halterung des Fadenauges, die Halterung relativ zu dem Arm oder der Fixierscheibe verlagerbar ist.
Unter einem Faden ist im Sinne der Erfindung ein Faserstrang eines Faserwerkstoffes zu verstehen, der beispielsweise auch als Faserroving ausgebildet sein kann. Insbesondere ist es möglich, verschiedene Arten von Faserwerkstoffen zuzuführen, beispielsweise Karbonfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Aramidfasern oder aber auch Metallfasern.
Der erfindungswesentliche Vorteil ist der zentrale Antrieb, der die gesamte Einspannvorrichtung in Rotation versetzt. Dieser kann gegenüber einem außenliegenden Antrieb eine deutlich schnellere Rotationsbewegung des eingespannten Rahmens ausführen. Unter einem Rahmen ist im Sinne dieser Erfindung entweder ein hohler Rahmen zu verstehen, welcher einen freien bzw. leeren inneren Bereich aufweist. Unter einem Rahmen kann im Sinne der Erfindung jedoch auch ein massives Bauteil verstanden werden, welches eine außen umlaufende Kontur aufweist und dann ein massiver Innenbereich auf einer Vorderseite und/oder einer Rückseite mit einem Faden umwickelt wird. Der massive Rahmen kann auch als Kern bezeichnet werden. Dieser Kern kann beispielsweise aus einem Schaumwerkstoff oder auch aus einem Wachswerkstoff oder einem anderweitigen Kunststoff oder auch metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Der massive Kern kann dann aus dem Faserwerkstoffrohling oder aus dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil beispielsweise ausgeschmolzen werden oder aber in diesem verbleiben. Insbesondere wird dann ein Faserverbundwerkstoffhybridbauteil hergestellt, mit einem innenliegenden Kernmaterial und einem außenliegenden Faserverbundwerkstoffmaterial.
Die Rotationsachse kann dabei in dem Antrieb selbst liegen. Beispielsweise bei einer Drehmaschine, insbesondere bei einer elektrischen Drehmaschine ist deren Mittellängsachse gleich der Rotationsachse. Im Sinne der Erfindung kann jedoch auch der Antrieb insbesondere in Form einer Drehmaschine versetzt zu der Rotationsachse der Wickelvorrichtung angeordnet sein. Über ein Übertragungsmittel, beispielsweise Zahnstangen, Zahnräder, ein Riementrieb oder auch ein Kettentrieb ist es dann möglich, die Drehbewegung des Antriebs auf die Arme bzw. die Fixierscheibe zu übertragen, so dass diese um die Rotationsachse rotieren.
Alle in diesem Text genannten vorteilhaften Ausführungsvarianten sind auf einen hohlen Rahmen als auch für einen massiven Rahmen bzw. einen Kern anwendbar.
Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil ist die relative Verschiebung der Halterungen auf den Armen oder der Fixierscheibe. Hierdurch können verschiedenste Außengeometrien, auch als Außenkontur bezeichnet, von hohlen Rahmen eingespannt werden. Beispielsweise ist es möglich, Rahmen mit eckiger Außengeometrie einzuspannen, beispielsweise dreieckige, rechteckige, viereckige, quadratische oder auch sonstige mehreckige Rahmen. Darüber hinaus ist es möglich, runde, ovale, elliptische oder sonstige Rahmen mit gekrümmten Außenkonturen einzuspannen. Ferner ist es möglich, Mischformen aus eckigen und runden Außenkonturen als hohlen Rahmen einzuspannen. Auch können Rahmen mit asymmetrischer Außenkontur eingespannt werden. Beispielsweise sind dies Rahmen, die die Form einer Niere, eines Herzens oder sonstiger asymmetrischer, insbesondere mit nach innen und nach außen gewölbten, Außenkonturen aufweisen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass ein jeweiliger Rahmen durch die Relativbewegung der Halterungen in Radialrichtung eingespannt werden. Der eingespannte Rahmen kann dabei, bezogen auf den zentral angeordneten Antrieb, rotationssymmetrisch zentral zu dem Antrieb, mithin mittig, angeordnet werden. Alternativ ist es möglich, den Rahmen mit seinem Mittelpunkt versetzt zu dem Antrieb anzuordnen. Insbesondere wird der Rahmen mit einem Abstand zu den Armen bzw. der Fixierscheibe parallel versetzt eingespannt, so dass eine Vorderseite und eine Rückseite des Rahmens mit dem jeweiligen Faden bewickelbar sind.
Im Rahmen der Erfindung ist es besonders vorteilig möglich, zwei Faserwerkstoffrohlinge auf einem Rahmen gleichzeitig herzustellen. Hierzu wird ein erster Rohling auf der Vorderseite des Rahmens und ein zweiter Rohling auf der Rückseite des Rahmens hergestellt. Besonders bevorzugt wird dies bei einem hohlen Rahmen durchgeführt. Insbesondere kann eine Trennschicht bzw. ein Trennmittel zwischen dem ersten Rohling und dem zweiten Rohling eingebracht werden. Beispielsweise kann eine Trennschicht durch eine Trennfolie eingebracht werden. Diese überspannt bevorzugt den hohlen Rahmen vor Beginn des Bewicklungsvorgangs. Beispielsweise kann die Trennfolie auf den hohlen Rahmen aufgeklebt sein. Während des Bewicklungsvorgangs wird dann die Trennfolie eingewickelt, wobei nach Abschluss des Wickelvorgangs die Faserwerkstoffrohlinge von dem Rahmen getrennt werden. Beispielsweise können diese ausgeschnitten oder ausgestanzt werden. Die Trennfolie bewirkt dabei insbesondere eine Separierung von erstem Rohling und zweitem Rohling. Beispielsweise wird durch die Trennschicht sichergestellt, dass nicht der Rohling auf der Vorderseite mit dem Rohling auf der Rückseite verklebt. Die Trennschicht kann beispielsweise auch durch ein Glasfasergelege, ein flächiges oder flüssiges Trennmittel oder Ähnliches ausgebildet sein.
Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls vorstellbar, dass die Fäden des flächigen Faserwerkstoffrohlings miteinander vernäht werden oder auch verklebt werden. Insbesondere kann der Faserwerkstoffrohling auf der Vorderseite mit dem Faserwerkstoffrohling auf der Rückseite vernäht und/oder verklebt werden. Für das Verkleben kann im Nachhinein ein Klebstoff aufgebracht werden oder aber bereits der Faden mit einem entsprechenden Klebstoff versetzt sein, der beispielsweise thermisch aktivierbar ist oder aber über einen gewissen Zeitraum aushärtet, wobei das Aushärten abgeschlossen ist bevorzugt frühestens nach Beendigung des Bewicklungsvorgangs.
Die Halterungen werden jeweils bei Erreichen des Fadenauges bzw. des Fadens selber durch einen Mechanismus passiv oder aber auch aktiv durch einen Aktor derart weggeklappt, dass der Faden nicht mit der Halterung kollidiert.
Die Halterungen selbst sind dabei bevorzugt senkrecht bzw. orthogonal von den Armen bzw. der Fixierscheibe abstehend angeordnet. Es werden somit mindestens drei Halterungen benötigt, so dass bei Wegklappen einer Halterung immer noch mindestens zwei Halterungen den Rahmen einspannen. Bevorzugt werden vier, fünf oder mehr Halterungen angeordnet. Damit die Wickelvorrichtung insbesondere universal einsetzbar ist, sind weiterhin bevorzugt fünf bis zwanzig Halterungen radial umlaufend verteilt, so dass verschiedenste Außengeometrien von Rahmen eingespannt werden können.
Die Halterungen sind bevorzugt durch Fixierstifte ausgebildet, die sich orthogonal bzw. senkrecht von den Armen oder der Fixierscheibe erstrecken. Durch radiales Verschieben der Fixierstifte auf den Armen oder der Fixierscheibe liegen diese dann jeweils an der Außengeometrie des Rahmens an und üben eine Spannkraft, auf die Radialrichtung bezogen nach innen auf den Rahmen aus, so dass der Rahmen durch das Anliegen der Fixierstifte eingespannt ist. Die Halterungen können jedoch auch als Ausleger oder Haltearme ausgebildet sein.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Verlagern insbesondere zu verstehen, dass die Fixierstifte weggeklappt bzw. abgeklappt werden. Zur Ausführung der Klappbewegung werden die Fixierstifte bevorzugt bezogen auf die sich von dem inneren zentralen Abtrieb erstreckende Radialrichtung nach außen abgeklappt. Alternativ wäre es auch vorstellbar, dass die Fixierstifte sich um die Radialrichtung bezogen drehen. Im Sinne der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Fixierstifte parallel versetzt werden. Hierzu werden die Fixierstifte bevorzugt dann wiederum auf die Radialrichtung bezogen parallel zum Passieren des Fadens nach außen verlagert und nach Passieren des Fadens wiederum nach innen verlagert.
Insbesondere bei passiv klappbaren Fixierstiften ist in Rotationsrichtung, wobei besonders bevorzugt mit der Wickelvorrichtung nicht nur eine Rotationsrichtung, sondern beide möglichen Rotationsrichtungen rotierbar sind, vor dem Fadenauge ein Widerlager vorgeschaltet. Der jeweils das Fadenauge passierende Fixierstift wird durch weitere Rotation vor Erreichen des Fadenauges durch Kontakt mit dem Widerlager abgeklappt bzw. weggeklappt. Nach Passieren des Fadenauges liegt das Widerlager dann nicht mehr an dem Fixierstift an, so dass dieser beispielsweise aufgrund einer Federkrafteinwirkung wiederum zurück in seine Einpannlage an der Außenkontur des Rahmens anliegend zurückgeklappt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Halterungen, insbesondere in Form von Fixierstiften, Auslegern oder Haltearmen, versenkt werden. Dies bedeutet beispielsweise im Falle der Fixierscheibe, dass diese in Halteposition gegenüber einer Vorderseite der Fixierscheibe zumindest teilweise, bevorzugt vollständig vorstehen und bei Passieren des Fadenauges gegenüber der Fixierscheibe versenkt werden. Gleiches gilt im Falle der Anordnung an den Armen. Hierdurch ist es möglich, dass die Halterungen zurückgezogen werden, weggedreht werden oder auch auf einem Exenter gelagert sind. Das Fadenauge selbst aber auch das Widerlager sind weiterhin bevorzugt relativ an der Ständervorrichtung verfahrbar gelagert. Das Widerlager kann entweder direkt mit dem Fadenauge gekoppelt sein oder aber das Widerlager und auch das Fadenauge sind jeweils relativ zur Ständervorrichtung aber auch relativ zueinander verfahrbar. Somit ist es möglich, beispielsweise voneinander verschiedene Größen von Rahmen jeweils derart zu bewickeln, dass der Faden das Fadenauge verlässt und nur einen kurzen Transportweg bis zum Erreichen der Außenkontur des Rahmens erfährt.
Die Bewicklung kann dann insbesondere derart erfolgen, dass der Faden jeweils von einer Vorderseite auf die Rückseite des Rahmens geführt wird und anschließend wiederum auf die Vorderseite und darauffolgend wiederum auf die Rückseite. Somit ist es möglich, den Rahmen von beiden Seiten zu umwickeln, so dass jeweils der hohle Innenraum des Rahmens an der Vorderseite aber auch an der Rückseite flächig durch den umwickelten Faserwerkstoffrohling überspannt ist und dadurch den Faserwerkstoffrohling ausbildet.
Besonders bevorzugt hat der Rahmen hierzu außen umlaufende Fortsätze, insbesondere Zähne, wobei bei Ausführen der Rotationsbewegung der aus dem Fadenauge austretende Faden jeweils in einen Zwischenraum zwischen zwei Fortsätzen aufgelegt wird und durch weitere Ausführung der Rotationsbewegung durch diese mitgenommen wird.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist es auch möglich, den flächigen Faserwerkstoffrohling nur an der Vorderseite oder nur an der Rückseite des Rahmens auszubilden. Hierzu wird der Faden um die Fortsätze aufgrund einer Relativbewegung des Fadenauges jeweils derart gewickelt, dass er von einer Vorderseite kommt, auf die Rückseite geführt wird, um den Fortsatz gelegt wird und anschließend wieder auf die Vorderseite geführt wird, so dass der nächste Abschnitt des Fadens aufgrund der Rotationsbewegung sich wiederum über die Vorderseite erstreckt.
Ferner sind Distanzhalter entweder an dem Rahmen oder an den Halterungen jeweils in Radialrichtung vorgesehen, so dass nicht die Halterungen, insbesondere die Klappbewegung der Halterungen, durch die Fortsätze bzw. Zähne an der Außenkontur des Rahmens behindert werden.
Zum Ausführen der Relativbewegung sind die Halterungen insbesondere unter einer Vorspannung in Radialrichtung an den Armen oder der Fixierscheibe bewegbar gelagert, insbesondere in Führungsnuten, wobei die Führungsnuten in Radialrichtung orientiert verlaufen. Die Radialrichtung bezieht sich wiederum auf den zentral liegenden Antrieb. Die Vorspannkraft wirkt dann immer in Radialrichtung nach innen zum Antrieb hin.
Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit, dass mehrere Rahmen gleichzeitig bewickelt werden können. Dies erfolgt derart, dass nicht nur ein Rahmen parallel zu den Armen bzw. der Fixierscheibe eingespannt ist, sondern parallel versetzt mindestens zwei, insbesondere mehrere Rahmen gleichzeitig eingespannt sind. Bevorzugt werden zwei bis zwanzig, insbesondere zwei bis zehn, ganz besonders bevorzugt drei bis zehn Rahmen gleichzeitig bewickelt. Beim Bewickeln mehrerer Rahmen gleichzeitig ist jedem Rahmen ein Fadenauge zugeordnet, so dass jeder Rahmen von je einem Fadenauge bewickelt wird. Die mindestens zwei Fadenaugen sind dann im Sinne der Erfindung ebenfalls parallel versetzt und bewickeln die Rahmen gleichzeitig. Alle Rahmen haben in diesem Falle bevorzugt die gleiche Außenkontur, so dass sie gleichzeitig von den gleichen Halterungen, insbesondere Fixierstiften, eingespannt sind.
Weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Gegenlagerung, die auf der dem Antrieb bzw. den Armen oder der Fixierscheibe gegebüberliegenden Seite parallel versetzt angeordnet ist. Die Halterung bzw. Fixierstifte sind an den Armen bzw. der Fixierscheibe gelagert und an ihrem gegenüberliegenden Ende, welches normalerweise frei wäre, an dem Gegenlager. Das Gegenlager kann beispielsweise auch als Fixierscheibe oder als sternförmig in Radialrichtung nach außen orientierte Arme ausgebildet sein. Bevorzugt weist das Gegenlager ein Auflager auf, so dass an dem Auflager die Halterungen bzw. Fixierstifte in Einspannposition aufliegen. Werden diese nun verlagert, beispielsweise durch Abklappen oder ein paralleles nach Außen verschieben, lösen sich diese von dem Auflager und bei Einnahme der Fixierposition kommen sie an dem Auflager wiederum zur Anlage bzw. Auflage. Insbesondere können somit Unwuchten vermieden werden und im Falle des Bewickelns mehrerer Rahmen gleichzeitig mit Gewicht der Rahmen, welches ein Biegemoment auf die Fixierstifte ausübt, durch die Gegenlagerung mit abgestützt werden.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserwerkstoffrohlings, wobei dieser in einer Wickelvorrichtung gemäß den vorgenannten Merkmalen des Hauptanspruches durch Aufwickeln eines Fadens auf einen Rahmen als flächiger Faserwerkstoffrohling hergestellt wird und sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:

– Bereitstellen eines hohlen Rahmens mit individuell gewünschter Außengeometrie, welche beispielsweise rund, elliptisch, eckig, sternförmig oder eine asymmetrische Kontur, beispielsweise eine Herzform oder Nierenform oder sonstige Mischform der zuvor genannten Konturen aufweist,
– Einspannen des Rahmens durch Verschieben der Halterungen auf den Armen oder der Fixierscheibe, wobei ein Abstand zwischen den Armen oder der Fixierscheibe und einer Rückseite des Rahmens ausgebildet ist,
– Befestigen eines Anfangs des Fadens an dem Rahmen und Rotieren des Rahmens mit dem Antrieb um die Rotationsachse,
– Relatives Bewegen des Fadenauges von einer Vorderseite des Rahmens auf eine Rückseite und wiederum zur Vorderseite, so dass sich jeweils ein Abschnitt des Fadens über den insbesondere hohlen Innenraum des Rahmens vorderseitig und rückseitig erstreckt, oder
– Relatives Bewegen des Fadenauges derart, dass der aus dem Fadenauge austretende Faden um einen Fortsatz an der Außenseite des Rahmens gewickelt wird, so dass sich die Abschnitte des Fadens nur über die Vorderseite oder nur über die Rückseite des hohlen Innenraumes des Rahmens erstrecken,
– Entnahme des auf den Rahmen gewickelten Faserwerkstoffrohlings.

Nach der Entnahme des Faserwerkstoffrohlings ist es möglich, diesen beispielsweise zu vernähen oder zu verkleben, so dass die einzelnen Abschnitte des Fadens, welche sich über den flächigen hohlen Innenraum des Rahmens erstrecken, relativ zueinander lagefixiert werden. Sodann ist es möglich, den Faserwerkstoffrohling weiterzuverarbeiten, beispielsweise kann der Rahmen direkt als Spannrahmen verwendet werden und durch den hohlen Innenraum des Rahmens hindurch gepresst werden. Es ist jedoch auch möglich, den Faserwerkstoffrohling aus dem Rahmen auszuschneiden und beispielsweise vorzuformen, um ihn anschließend einem weiteren Verarbeitungsverfahren, beispielsweise einem RTM-Prozess zuzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung.
Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen zum einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung in Frontansicht mit einem eingespannten Rahmen,
2 eine Seitenansicht gemäß 1,
3 eine Prinzipskizze der Wickelvorrichtung mit einem asymmetrisch verlaufenden Rahmen mit nach innen und nach außen gerichteten Wölbungen,
4 einen Teilausschnitt einer Außenkontur eines Rahmens mit gegenüber diesem abstehenden Fortsätzen,
5a bis d verschiedene gewickelte Faserwerkstoffrohlinge auf einem Rahmen,
6 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung mit mehreren parallel zueinander versetzt eingespannten Rahmen,
7 eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung mit mehreren parallel eingespannten Rahmen,
8a bis c einen schematisch dargestellten Bewicklungsvorgang der Wickelvorrichtung aus 7 und
9 eine Seitenansicht gemäß 2 mit versenktem Fixierstift.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Die in 1 und 2 dargestellte Wickelvorrichtung 1 weist eine Ständervorrichtung 2 auf, an der ein Antrieb 3 befestigt ist, wobei sich von dem Antrieb 3 sternförmig Arme 4 erstrecken. Alternativ zu den sternförmigen Armen 4 kann auch eine durchgehende, nicht näher dargestellte Fixierscheibe ausgebildet sein. Der Antrieb 3 liegt dabei in der Rotationsachse 5 der Wickelvorrichtung 1. Ist der Antrieb 3 als elektrische Drehmaschine ausgebildet, so ist dessen Mittellängsachse gleich der Rotationsachse 5 der Wickelvorrichtung 1. Die Rotationsachse 5 bildet dabei den Mittelpunkt und somit den Rotationspunkt bzw. die Rotationsachse 5 der Arme 4. Auch kann der Antrieb 3 zu dieser, hier nicht näher dargestellt, beispielsweise parallel versetzt sein und dann über eine Steuerkette oder einen Riementrieb die Drehbewegung des Antriebs 3 derart übertragen sein, dass die Arme 4 eine Rotationsbewegung ω um die Rotationsachse 5 ausführen. An den Armen 4 selbst sind in Radialrichtung R bezogen auf den Antrieb 3 verschiebbare Fixierstifte 6 gelagert, wobei die Fixierstifte 6 selbst gegenüber den Armen 4 orthogonal abstehend ausgebildet sind. Die Fixierstifte 6 können dabei eine Relativbewegung R6 jeweils auf dem Arm 4 durchführen, was beispielsweise durch nicht näher dargestellte Führungsnuten ermöglicht wird. Zwischen den Fixierstiften 6 selbst ist ein hohler Rahmen 7 eingespannt. Dieser Rahmen 7 kann eine Rotationsbewegung ω durchführen, wobei die Arme 4 über den Antrieb 3 in Bewegung gesetzt werden. Die Rotationsbewegung ω kann bezogen auf die Bildebene sowohl in linke Drehrichtung als auch in rechte Drehrichtung durchgeführt werden. Auch kann während des Bewicklungsvorganges die Rotationsrichtung ω sowie Rotationsgeschwindigkeit bedarfsgerecht jeweils geändert werden.
Damit der Bewicklungsvorgang durchgeführt wird, wird ein Ende 8 eines Fadens 9, der als Endlosfaden über ein Fadenauge 10 zugeführt wird, an dem Rahmen 7 fixiert. Der Rahmen 7 erfährt dann eine im Wesentlichen hier dargestellt annähernd halbe Drehung, so dass sich ein Abschnitt 11 des Fadens 9 über den hohlen Innenraum 12 des Rahmens 7 erstreckt. Bei Passieren eines jeden Fixierstiftes 6 des Fadenauges 10 würde der Fixierstift 6 mit dem Faden 9 selbst oder mit dem Fadenauge 10 kollidieren. Damit eine derartige Kollision vermieden wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der jeweilige das Fadenauge 10 passierende Fixierstift 6 wegklappbar ist. In der hier gezeigten Ausgestaltungsvariante wird der das Fadenauge 10 bzw. den Faden 9 passierende Fixierstift 6 auf die Radialrichtung R bezogen nach außen abgeklappt. Im Rahmen der Erfindung wäre es auch vorstellbar, dass der Fixierstift 6 um die Radialrichtung R rotierend weggeklappt wird. Durch eine nicht näher dargestellte Federkraft stellt sich der Fixierstift 6 dann wieder in seine Einspannstellung (gestrichelte Linie) zum Fixieren des Rahmens 7 zurück. Der in Rotationsrichtung ω nächste Fixierstift 6 wird dann wiederum kurz vor Passieren des Fadens 9 bzw. des Fadenauges 10 weggeklappt und nach Passieren des Fadenauges 10 stellt auch dieser sich wieder in seine Fixierstellung zurück. Ferner dargestellt ist, dass das Fadenauge 10 sowohl in X-Richtung als auch in Z-Richtung sowie in Y-Richtung relativ bewegbar zu dem eingespannten Rahmen 7 bzw. dem Antrieb 3 bewegbar ist. Insbesondere kann durch die Höhenänderung in Z-Richtung der Abstand b zwischen Fadenauge 10 und jeweiliger Außenkante 13 des Rahmens 7 eingestellt werden und ferner durch Bewegung des Fadenauges 10 in Y-Richtung kann der aus dem Fadenauge 10 austretende Faden 9 auf eine Vorderseite 14 bzw. auf eine Rückseite 15 des eingespannten Rahmens 7 geschwenkt werden und wiederum zurück, so dass der über den hohlen Innenraum 12 gewickelte Abschnitt 11 des Fadens 9 abwechselnd über die Vorderseite 14 und die Rückseite 15 des Rahmens 7 gewickelt wird.
3 zeigt eine vereinfachte Ausgestaltungsvariante der Wickelvorrichtung 1 mit einer asymmetrisch, insbesondere nierenförmig, verlaufenden Außenkontur des Rahmens 7. Durch die Rotationsachse 5 des zentral angeordneten Antriebs ist es hier möglich, einen Rahmen 7 mit einer derart ausgestalteten Außenkontur zum einen durch Verschiebung in Radialrichtung R bezogen auf die Rotationsachse 5 des Antriebs einzuspannen und dann den Rahmen 7 um die Rotationsachse 5 des Antriebs rotieren zu lassen.
4 zeigt einen Teilausschnitt einer Außenkontur eines Rahmens 7 mit gegenüber diesem abstehenden Fortsätzen 16. Der Rahmen 7 wird dabei jeweils in einen Zwischenraum 17 zwischen zwei Fortsätzen 16 abgelegt und durch die weitere Rotationsbewegung ω mitgeführt. Nicht näher dargestellt liegen die klappbaren Fixierstifte 6 entweder an den Fortsätzen 16 an oder weisen ein zusätzliches Distanzmittel auf, so dass bei Ausführen der Klappbewegung die Fixierstifte 6 nicht durch die Fortsätze 16 in der Klappbewegung behindert werden.
5a bis d zeigen verschiedene Möglichkeiten zur Wicklung von Faserwerkstoffrohlingen 18 auf einem jeweiligen Rahmen 7. 5a zeigt dabei einen Faserwerkstoffrohling 18, bei dem alle jeweiligen Abschnitte 11 des Fadens 9, die sich über den hohlen Innenbereich 12 des Rahmens 7 erstrecken, unidirektional in eine Richtung orientiert verlaufen. Diese Variante kann beispielsweise nur über die Vorderseite 14 bzw. nur über die Rückseite 15 des Rahmens 7 gewickelt oder aber auch auf Vorderseite 14 und Rückseite 15 des Rahmens 7 gewickelt sein. Hierzu weist der Rahmen 7 jeweils auf seiner außenumlaufenden Kontur entsprechende Fortsätze 16 auf.
5b zeigt demgegenüber eine Wickelvariante, bei dem die jeweiligen Abschnitte sich im Wesentlichen kreuzen, hier dargestellt im rechten Winkel. Auch hier kann wiederum nur über eine Vorderseite 14 oder nur über eine Rückseite 15, aber auch sowohl über eine Vorderseite 14 als auch eine Rückseite 15 gewickelt werden.
5c zeigt eine Variante des Faserwerkstoffrohlings 18, bei dem die Abschnitte jeweils über die Vorderseite 14 und die Rückseite 15 des Rahmens 7 gewickelt sind und dabei unidirektional zueinander verlaufen. Mithin sind die jeweiligen Abschnitte, die sich über den inneren hohlen Bereich 12 des Rahmens 7 erstrecken, in verschiedene Richtungen orientiert und überkreuzen sich. Dabei ergeben sich in einem in etwa mittig angeordneten Hüllkreisbereich eine erhöhte Faserdichte sowie in einem Mittelpunkt 19 ein von den Fäden 9 ausgesparter Bereich.
In 5d ist eine Wicklung gezeigt, bei der gezielt versetzt zu dem mittleren hohlen Bereich 12 bezogen auf die Bildebene nach unten eine erhöhte Faserdichte gewickelt ist. Insbesondere ist hier eine asymmetrische Wicklung vorgenommen worden, so dass ein Faserwerkstoffrohling 18 zur Herstellung eines beispielsweise U-förmig verlaufenden Faserverbundwerkstoffbauteils mit gezielt konzentrierter Faserdichte erstellt wird.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung 1 mit mehreren parallel zueinander versetzt eingespannten Rahmen 7. Die Rahmen 7 sind dabei jeweils mit einem Abstand c zueinander parallel versetzt angeordnet. Die Halterungen sind wieder in Form von Fixierstiften 6 ausgebildet. Von dem Antrieb 3 erstrecken sich die Arme 4 in Radialrichtung R, wobei an den Armen 4 in Radialrichtung R verschiebbar dann die Fixierstifte 6 angeordnet sind. Diese kommen an einer jeweiligen Außenkante 13 der Außenkontur der Rahmen 7 zur Anlage. Auf der dem Antrieb 3 gegenüberliegenden Seite ist ein Gegenlager 20 vorgesehen, wobei das Gegenlager 20 ebenfalls Arme 21 bzw. eine Fixierscheibe aufweist, an denen Auflager 22 angeordnet sind. Ein freies Ende 23 der Fixierstifte 6 ist in Fixierposition auf den Auflagern 22 aufliegend angeordnet. Die Auflager 22 sind ebenfalls dann in Radialrichtung R an den Armen 21 des Gegenlagers 20 verschiebbar angeordnet. Im Falle der parallel zueinander versetzt angeordneten Rahmen 7 ist jedem Rahmen 7, in 6 nicht näher dargestellt, ein eigenes Fadenauge zugeordnet, wobei die Fadenaugen ebenfalls parallel zueinander versetzt angeordnet sind und die Bewicklung gleichzeitig vornehmen.
7 zeigt weiterhin eine perspektivische Ansicht der Wickelvorrichtung 1 mit mehreren eingespannten, parallel zueinander versetzten Rahmen 7. Die Rahmen 7 sind dabei parallel zueinander versetzt in einem Abstand derart eingespannt, dass auf jeden Rahmen 7 ein Faserwerkstoffrohling 18 gewickelt wird. Hierzu ist jedem Rahmen 7 ein eigenes Fadenauge 10 zugeordnet, wobei die einzelnen Fadenaugen 10 ebenfalls in einem Abstand zueinander parallel versetzt angeordnet sind und jedem Rahmen 7 auch ein eigener Faden 9 zugeführt wird. Die Wickelvorrichtung 1 weist dazu sternförmig von dem zentralen Antrieb 3 sich erstreckende Arme 4 auf, wobei jeweils quer zu den Armen 4 Fixierstifte 6 angeordnet sind, wobei die Fixierstifte 6 hier nach dem Prinzip einer Schranke arbeiten. Die Fadenaugen 10 sind an einer zentralen Schiene 24 angeordnet. Die Schiene 24 ist an einer Halteschiene 25 in Radialrichtung R und in Rotationsbewegung ω schwenkbar gelagert, wobei die Halteschiene 25 gleichzeitig als Widerlager für die Klappbewegung der Fixierstifte 6 ausgebildet sein kann.
Erfolgt nunmehr eine Rotationsbewegung ω in die dargestellte Richtung, so wird der die Fadenaugen 10 bzw. die Halteschiene 25 passierende Fixierstift 6 auf die Radialrichtung R bezogen nach außen nach dem Prinzip einer Schranke angehoben. Dies ist gut dargestellt in 8c, in welcher sich der die Halteschiene 25 passierende Fixierstift 6 im vollständig angehobenen Zustand befindet. Ebenfalls dargestellt ist, dass die Fadenaugen 10 relativbeweglich zu dem Antrieb 3 derart gelagert sind, dass sie sowohl in den Zwischenraum zwischen die Rahmen 7 einfahren können als auch gegenüber den Rahmen 7 verschwenkt werden können. In 8a sind die Fadenaugen 10 vollständig herausgefahren und in 8c sind diese in die Zwischenräume zwischen die Rahmen 7 eingefahren. Ebenfalls ist es möglich, dass die Fadenaugen 10 auch in Längsrichtung L verlagert werden, um den Faden 9 beispielsweise von einer Vorderseite des Rahmens 7 auf eine Rückseite des Rahmens 7 zu wickeln.
Nachdem der in 8c abgeklappte Fixierstift 6 die Fadenaugen 10 bzw. die Halteschiene 24 passiert hat, klappt dieser wieder an die Rahmen 7 an und hält diese somit lagefixiert in der Einklemmposition. Der darauffolgende Fixierstift 6 führt dann bei Passieren des Fadenauges 10 die gleiche Bewegung aus.
9 zeigt eine analoge Ausgestaltungsvariante zu 2, wobei jedoch nicht der das Fadenauge 10 passierende Fixierstift 6 weggeklappt wird, sondern gegenüber einer Vorderseite 26 des Arms 4 versenkt worden ist.
Bezugszeichenliste

1: Wickelvorrichtung
2: Ständervorrichtung
3: Antrieb
4: Arm
5: Rotationsachse zu 3
6: Fixierstift
7: Rahmen
8: Ende zu 9
9: Faden
10: Fadenauge
11: Abschnitt zu 9
12: hohler Innenraum zu 7
13: Außenkante zu 7
14: Vorderseite zu 7
15: Rückseite zu 7
16: Fortsatz
17: Zwischenraum
18: Faserwerkstoffrohling
19: Mittelpunkt
20: Gegenlager
21: Arm zu 20
22: Auflager
23: Ende zu 6
24: Schiene
25: Halteschiene
26: Vorderseite zu 4
ω: Rotationsbewegung
R: Radialrichtung
R6: Relativbewegung
a: Abstand
b: Abstand
c: Abstand
X: Richtung
Y: Richtung
Z: Richtung
L: Längsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012101726 A1 [0007]

Claims

Wickelvorrichtung (1) zur Herstellung eines flächigen Faserwerkstoffrohlings (18) aufweisend eine Ständervorrichtung (2) mit einem Antrieb (3) und einer Einspannvorrichtung, wobei in der Einspannvorrichtung ein Rahmen (7) einspannbar ist, so dass durch Rotation des Rahmens (7) ein Faserwerkstoff in Form eines Fadens (9) oder Faserrovings auf diesen gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsachse (5) zentral an der Einspannvorrichtung angeordnet ist, wobei sich von der Rotationsachse (5) eine Fixierscheibe oder sternförmig angeordnete Arme (4) erstrecken, auf denen Halterungen verschiebbar gelagert sind und die Halterungen von der Fixierscheibe oder den Armen (4) abstehen, wobei durch Verschieben der Halterungen Rahmen (7) mit voneinander verschiedenen Außengeometrien in der Einspannvorrichtung einspannbar und durch den Antrieb (3) rotierbar sind, und dass ein relativ zu dem Rahmen (7) bewegbares Fadenauge (10) zum Zuführen eines Fadens (9) vorgesehen ist, wobei bei Ausführen der Rotationsbewegung (ω) und vor Passieren einer jeden Halterung des Fadenauges (10), die Halterung relativ zu dem Arm (4) oder der Fixierscheibe verlagerbar ist.
Wickelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen als Fixierstifte (6) ausgebildet sind und/oder die Halterungen in Radialrichtung (R) bezogen auf die Rotationsachse (5) relativ verschiebbar an den Armen (4) oder der Fixierscheibe gelagert sind.
Wickelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierstifte (6) bezogen auf die Radialrichtung (R) zur Rotationsachse (5) nach außen abklappbar sind oder dass die Fixierstifte (6) um die Radialrichtung (R) rotierend wegklappbar sind oder dass die Fixierstifte (6) parallel verschiebbar sind, insbesondere erfolgt die Parallelverschiebung in Radialrichtung (R) nach außen oder dass die Fixierstifte (6) in Relation gegenüber einer Vorderseite (26) der Arme (4) oder der Fixierscheibe versenkbar gelagert sind.
Wickelvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierstifte (6) passiv verlagerbar sind oder dass die Fixierstifte (6) aktiv verlagerbar sind, insbesondere durch einen Stellaktor.
Wickelvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass den passiv gelagerten Fixierstiften (6) in Rotationsrichtung (R) vor dem Fadenauge (10) ein Widerlager vorgeschaltet ist, wobei der jeweils das Fadenauge (10) passierende Fixierstift (6) durch das Passieren des Widerlagers aufgrund der Rotationsbewegung (ω) verlagert wird.
Wickelvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager relativ an der Ständervorrichtung (2) verfahrbar gelagert ist.
Wickelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenauge (10) relativ zu einem eingespannten Rahmen (7) verfahrbar gelagert ist, insbesondere ist das Fadenauge (10) von einer Vorderseite (14) auf eine Rückseite (15) des Rahmens (7) verfahrbar gelagert, so dass der Faden (9) auf die Vorderseite (14) und die Rückseite (15) des Rahmens 7 gewickelt werden kann.
Wickelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmen (7) außen umlaufende Fortsätze (16), insbesondere Zähne aufweisen, wobei bei Ausführen der Rotationsbewegung (ω) der aus dem Fadenauge (10) austretende Faden (9) in einem Zwischenraum (17) zwischen zwei Fortsätzen (16) aufgelegt wird.
Wickelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen unter Vorspannung in Radialrichtung (R) an den Armen (4) oder der Fixierscheibe bewegbar gelagert sind, insbesondere in Führungsnuten, wobei die Führungsnuten in Radialrichtung (R) orientiert verlaufen, besonders bevorzugt sind die Halterungen parallel in Radialrichtung (R) verschiebbar gelagert.
Wickelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rahmen (7) parallel versetzt zu den Armen (4) oder der Fixierscheibe gleichzeitig eingespannt sind, vorzugsweise zwei bis zwanzig Rahmen (7), insbesondere drei bis zehn Rahmen (7), wobei jeder Rahmen (7) von einem separaten Fadenauge (10) bewickelt wird, wobei die mindestens zwei Rahmen (7) in einem Abstand (c) zueinander angeordnet sind.
Wickelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Rahmen (7) bewickelt wird oder dass ein massiver Rahmen (7) bewickelt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Faserwerkstoffrohlings (18), wobei dieser in einer Wickelvorrichtung (1) gemäß der Merkmale von mindestens Patentanspruch 1 durch Aufwickeln eines Fadens (9) auf einen Rahmen (7) als flächiger Faserwerkstoffrohling hergestellt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Rahmens (7) mit individuell gewünschter Außengeometrie, – Einspannen des Rahmens (7) durch Verschieben der Halterungen auf den Armen (4) oder der Fixierscheibe, wobei ein Abstand (a) zwischen den Armen (4) oder Fixierscheibe und einer Rückseite (15) des Rahmens (7) ausgebildet ist, – Befestigen eines Anfangs des Fadens (9) an dem Rahmen (7) und Rotieren des Rahmens (7) um die Rotationsachse (5), – Relatives Bewegen des Fadenauges (10) von einer Vorderseite des Rahmens (7) auf eine Rückseite und wiederum zur Vorderseite, so dass sich jeweils ein Abschnitt (11) des Fadens (9) über den insbesondere hohlen Innenraum (12) des Rahmens (7) vorderseitig und rückseitig erstreckt, oder – Relatives Bewegen des Fadenauges (10) derart, dass der aus dem Fadenauge (10) austretende Faserroving um einen Fortsatz an der Außenseite des Rahmens (7) gewickelt wird, so dass sich die Abschnitte (11) des Fadens (9) nur über die Vorderseite oder die Rückseite des hohlen Innenraumes (12) des Rahmens (7) erstrecken, – Entnahme des auf den Rahmen (7) gewickelten Faserwerkstoffrohlings (18).