DE102017005754A1

DE102017005754A1 - Anlage zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren

Info

Publication number: DE102017005754A1
Application number: DE102017005754.0A
Authority: DE
Inventors: Niklas Minsch; Florian Hugo Herrmann; Matthias Mueller; Marco Schanz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: DE102017005754B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, umfassend eine rechnergesteuerte Wickelmaschine (1) zur Umwicklung eines Faserträgers (7) mit Endlosfasersträngen (29), wobei die Endlosfaserstränge (29) auf einer Spuleneinheit (11) bereitgestellt sind. Bei einem System, bei welchem die Fertigung von dreidimensional gewickelten Bauteilen bei minimalen Betriebs- und Anlagekosten möglich wird, ist die dreidimensional bewegliche Wickelmaschine (1) zentral in einem ringförmigen Käfig (3) positioniert, wobei entlang eines Umfangs des Käfigs (3) mehrere drehbare plattenförmige Trägerelemente (5) zur Bestückung mit einem Faserträger (7) von außen befestigt sind, wobei die Faserträger (7) nach der Bestückung der Wickelmaschine (1) zugewandt sind und an der Wickelmaschine (1) die Spuleneinheit (11) mit dem Endlosfaserstrang (29) befestigt ist, wobei ein Kopf (17) der Wickelmaschine zur Führung des Endlosfaserstranges und zur dreidimensionalen Wickelung (1) des Faserträgers (7) mit dem Endlosfaserstrang (29) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, umfassend eine rechnergesteuerte Wickelmaschine zur Umwicklung eines Faserträgers mit Endlosfasersträngen, wobei die Endlosfaserstränge auf einer Spuleneinheit bereitgestellt sind.
Aus der DE 10 2013 014 032 A1 sind ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei dem Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sind folgende Schritte vorgesehen:

– Wickeln von Fasern entlang vorgegebener Bahnen um wenigstens eine Wickelspule eines Wickelkerns,
– Einbringen eines aushärtbaren Harzes in die Fasern oder eine Werkzeugform,
– Aushärten des Harzes und Bildung des Faserverbundbauteils,
– Entnahme der wenigstens einen Wickelspule nach innen in den Wickelkern,
– Entnahme des Wickelkerns und Freisetzen des Faserverbundbauteils.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren anzugeben, bei welchem die dreidimensional gewickelten Bauteile bei minimalen Betriebs- und Anlagenkosten gefertigt werden.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einer Anlage dadurch gelöst, dass die dreidimensional bewegliche Wickelmaschine zentral in einem ringförmigen Käfig positioniert ist, wobei entlang eines Umfangs des Käfigs mehrere drehbare plattenförmige Trägerelemente zur Bestückung mit einem Faserträger von außen befestigt sind, wobei die Faserträger nach der Bestückung der Wickelmaschine zugewandt sind und an der Wickelmaschine die Spuleneinheit mit dem Endlosfaserstrang befestigt ist, wobei ein Kopf der Wickelmaschine zur Führung des Endlosfaserstranges und zur dreidimensionalen Wickelung des Faserträgers mit dem Endlosfaserstrang ausgebildet ist. Durch die Verwendung nur eines Roboters wird eine besonders kostengünstige Anlage geschaffen. Aufgrund der drehbar gelagerten Trägerelemente ist eine einfache Bestückung dieser mit dem Faserträger und ein einfaches Zu- und Abführen der Faserträger ohne aufwändige Förderbänder möglich. Die eigentliche Umwicklung erfolgt dabei innerhalb des Käfigs, welcher einen Sicherheitsbereich darstellt. Die Handlung zur Bestückung der drehbaren plattenförmigen Trägerelemente erfolgt dann außerhalb des Käfigs, ohne die Trägerelemente vom Käfig entfernen zu müssen. Durch eine Integration der Faserzuführung bzw. -aufbereitung in die Wickelmaschine werden starke Umlenkwinkel des Endlosstranges vermieden.
Vorteilhafterweise umwickelt die Wickelmaschine nacheinander die auf den Trägerelementen befestigten Faserträger, wobei der Endlosfaserstrang nach Fertigstellung des Bauteiles an diesem fixiert bleibt und zum nächsten Faserträger geführt ist. Mittels dieser autonom arbeitenden, als Roboterwerkzeug ausgebildeten Wickelmaschine wird der Arbeitsraum der Wickelmaschine erhöht und einen Faserumlenkwinkel, welcher sich negativ auf die Faserverbundqualität auswirkt, reduziert. Dadurch, dass der Endlosfaserstrang immer am vorhergehend umwickelten Bauteil verbleibt, wird eine Neujustierung des Faserstranganfanges an nachfolgend zu wickelnden Faserträgern unterbunden.
In einer Ausgestaltung weist die Spuleneinheit eine elektronisch geregelte Rückspuleinheit auf. Mittels dieser elektronischen Rückspuleinheit wird eine konstante Faservorspannung erzeugt. Dadurch wird ein gleichmäßiges dreidimensionales Aufwickeln auf den Faserträger durch die nur eine Wickelmaschine ermöglicht. Überschüssig abgezogenes Fasermaterial wird wieder aufgewickelt. Die Einfachheit und die kurzen Wege dieser Faserbereitstellung ermöglichen eine kurze Reaktion der elektronischen Ab- und Rückspuleinheit.
Die Befestigung der Endlosfaser ist nur einmal zu Beginn der Verarbeitung notwendig, da die Faser stets am vorherig gewickelten Bauteil fixiert ist und direkt am nächsten Bauteil weiter gewickelt werden kann.
In einer Variante ist zwischen der Spuleneinheit und dem Faserträger eine den Endlosfaserstrang führende an der Wickelmaschine befestigte Imprägniereinheit angeordnet, die einen aushärtbaren Kunststoff in den Endlosfaserstrang einbringt. Durch die Vereinigung von Faseraufbereitung und Faserablage in der Wickelmaschine ist keine externe Faseraufbereitung notwendig, welche den Freiheitsgrad des Roboters zu sehr einschränken würde.
In einer Ausführungsform ist ein konisches Rohr Bestandteil der Imprägniereinheit, welches am Kopf der Wickelmaschine angeordnet ist und durch welches der Endlosfaserstrang geführt ist. Mittels dieses konischen Rohres wird bei gleichzeitiger Imprägnierung eine erhöhte Abzugsgeschwindigkeit der Endlosfaserstränge ermöglicht.
In einer Weiterbildung führt die Spuleneinheit einen vorimprägnierten Endlosfaserstrang. Eine solche Vorimprägnierung durch eine Vakuuminjektion ermöglicht eine Verarbeitung von nassen Kohlenfaserspulen und verhindert eine Limitierung der Abzugsgeschwindigkeit durch die Faseraufbereitung. Dadurch wird ein Massendurchsatz erhöht.
In einer Ausgestaltung sind die auf dem Trägerelement angeordneten fertig gewickelten Bauteile zur Aushärtung nach außen gerichtet. Diese Aushärtung kann dabei durch Raumtemperatur, in einem Durchgangsofen oder mit einem Wärmestrahler erfolgen. Je nachdem, welche Methode angewendet wird, werden die fertig gewickelten Bauteile von dem Faserträger abgezogen und in einem Ofen oder auf einem Wagen dem entsprechenden Härtungsstrahler ausgesetzt.
Vorteilhafterweise ist der durch die Imprägnierung entstandene Faserverbundwerkstoff während des Aushärtens an dem Trägerelement mit einem Kompaktierwerkzeug gesichert. Zum Kompaktieren der Faserstränge werden entweder Klemmvorrichtungen oder formschlüssige Werkzeuge als Kompaktierwerkzeug verwendet.
In einer Ausführungsform ist der Faserträger als Hülse ausgebildet. Diese Hülse lässt sich einfach auf dem drehbaren plattenförmigen Trägerelement befestigen und bildet ein Gerüst für das herzustellende Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff.
In einer Weiterbildung sind die Größe der Wickelmaschine und/oder die Bauteilgröße und/oder die Tragerelementeanzahl skalierbar. Dadurch können beliebig größere oder kleinere Wickelmaschinen bzw. Lineareinheiten eingesetzt werden. Der Umfang der herstellbaren Bauteile bzw. die Anzahl an Drehtischen kann beliebig geändert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Imprägniereinheit gemäß der Anlage in 1.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage dargestellt, bei welchem eine als Roboter ausgebildete dreidimensionale Wickelmaschine 1 in einem ringförmigen Käfig 3 angeordnet ist. Entlang des Umfangs des ringförmigen Käfigs 3 sind in vorgegebenen Abständen mehrere plattenförmig ausgebildete Trägerelemente 5 befestigt, welche drehbar gelagert sind, so dass sie zwischen der Innenseite des Käfigs 3 und dessen Außenseite schwenkbar sind. Auf jedem Trägerelement 5 ist als Faserträger eine Hülse 7 angeordnet, die von dem Bedienpersonal von außen auf das Trägerelement 5 aufgesetzt werden. Nach der Bestückung der Trägerelemente 5 wird die Seite, welche die Hülsen 7 aufweist, nach innen gedreht und der Wickelmaschine 1 zugewandt. Die Hülsen 7 sind dabei sternförmig um die zentrale Wickelmaschine 1 angeordnet.
Die zentrale Wickelmaschine 1 weist einen Roboterarm 9 auf, an welchem eine elektronisch geregelte Spuleneinrichtung 11 angeordnet ist. Die Spuleneinrichtung 11 trägt dabei eine Spule 13 mit Endlosfasersträngen 29. Die als Kohlefaserspule ausgebildete Spule 13 an der Spuleneinrichtung 11 ist dabei auf einer elektronisch geregelten Rückspuleinheit 27 platziert, um eine konstante Faserspannung zu erzeugen bzw. überschüssig abgezogene Fasern zurück zu spulen.
Diese Endlosfaserstränge werden in ein konisches Rohr 15 eingeführt, das am Kopf 17 der Wickelmaschine 1 befestigt ist. Das konische Rohr 15 ist Bestandteil einer Imprägniereinheit 19, wie sie in 2 näher dargestellt ist. Die Imprägniereinheit 19 besteht aus dem als Imprägnierwerkzeug ausgebildeten konisches Rohr 15. Von einem Harzdepot 21 wird Harz in das konische Rohr 15 abgegeben. Da das konische Rohr 15 von dem Endlosfaserstrang 29 durchzogen wird, wird dieses dabei durch das Harz imprägniert.
Beim Beginn des Wickelvorganges wird der Anfang des Endlosfaserstranges 29 an der ersten Hülse 7 befestigt. Die Wickelmaschine 1 dreht sich in alle drei Richtungen und bewickelt nach und nach rundherum die Hülse 7, wodurch das gewünschte Bauteil entsteht. Dabei wird jeweils ein Bauteil fertiggestellt und dann zur nächsten Hülse 7 auf dem nächsten Trägerelement 5 weitergegangen, so dass nach und nach alle Hülsen 7 umwickelt sind und dementsprechend aus einem Faserverbundwerkstoff entstehende Bauteile gefertigt sind. Der Endlosfaserstrang 29 bleibt nach der Fertigstellung eines Bauteils an diesem fixiert, wodurch direkt die nächste Hülse 7 bewickelt werden kann, ohne den Anfang des Endlosfaserstranges 29 nochmals fixieren zu müssen.
Nach Beendigung der Umwicklung aller der Wickelmaschine 1 zugewandten Hülsen 7 werden die Trägerelemente 5 wieder nach außen geklappt, wo die Endlosfaserstränge 29 zur Kompaktierung mit einer Klemmvorrichtung 23 versehen werden. Die gewickelten Bauelemente werden je nach verwendetem Matrixmaterial nach Abschluss des Wickelvorganges einem Härteprozess direkt ausgesetzt. Im vorliegenden Fall geschieht dies durch einen Infrarotstrahler 25, der nahe des Käfigs 3 außerhalb von diesem angeordnet ist und die auf einem Fahrwagen 33 abgelegten umwickelten Hülsen 7 zur Trocknung bestrahlt. Die Aushärtung über Ofen bzw. flexiblem Infrarotstrahler 25 auf dem Fahrwagen 33 ermöglicht eine Verkürzung von Matrixaushärtedauern oder die Aktivierung des Kunststoffsystems.
Neben der beschriebenen Imprägnierungsmethode ist es aber auch möglich, dass die Kohlefaserspule 13 mithilfe von Vakuuminfusionsverfahren mit niederviskosigem Matrixsystem vorimprägniert wird. Diese Vorimprägnierung der Kohlenfaserspule 13 verhindert eine Begrenzung des Massendurchsatzes des Endlosfaserstranges 29, wie es im Falle der oben beschriebenen Imprägnierungsmethode der Fall sein könnte.
Die beschriebene Anlage ermöglicht aufgrund ihrer Flexibilität die simultane Herstellung unterschiedlichster Bauteiltopologien durch reine Veränderung der Anordnung der Faserträger 5 und des Maschinenwickelcodes. Dadurch kann in Echtzeit ein hoher Bauteile-Ausstoß erzeugt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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 102013014032 A1 [0002]

Claims

Anlage zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, umfassend eine rechnergesteuerte Wickelmaschine (1) zur Umwicklung eines Faserträgers (7) mit Endlosfasersträngen (29), wobei die Endlosfaserstränge (29) auf einer Spuleneinheit (11) bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional bewegliche Wickelmaschine (1) zentral in einem ringförmigen Käfig (3) positioniert ist, wobei entlang eines Umfangs des Käfigs (3) mehrere drehbare plattenförmige Trägerelemente (5) zur Bestückung mit einem Faserträger (7) von außen befestigt sind, wobei die Faserträger (7) nach der Bestückung der Wickelmaschine (1) zugewandt sind und an der Wickelmaschine (1) die Spuleneinheit (11) mit dem Endlosfaserstrang (29) befestigt ist, wobei ein Kopf (17) der Wickelmaschine zur Führung des Endlosfaserstranges und zur dreidimensionalen Wickelung (1) des Faserträgers (7) mit dem Endlosfaserstrang (29) ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelmaschine (1) nacheinander die auf dem Trägerelement (5) befestigten Faserträger (7) umwickelt, wobei der Endlosfaserstrang (29) nach Fertigstellung des Bauteiles an diesem fixiert bleibt und zum nächsten Bauteil geführt ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (11) eine elektronisch geregelte Rückspuleinheit (27) aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spuleneinheit (11) und dem Faserträger (7) eine den Endlosfaserstrang (29) führende, an der Wickelmaschine (1) befestigte Imprägniereinheit (19) angeordnet ist, die einen aushärtbaren Kunststoff in den Endlosfaserstrang (29) einbringt.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein konisches Rohr (15) Bestandteil der Imprägniereinheit (19) ist, welches am Kopf (17) der Wickelmaschine (1) angeordnet ist und durch welches der Endlosfaserstrang (29) geführt ist.
Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (11) einen vorimprägnierten Endlosfaserstrang (29) führt.
System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Trägerelement (5) angeordneten, fertig gewickelten Bauteile zur Aushärtung nach außen gerichtet sind.
Anlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Imprägnierung entstandene Faserverbundwerkstoff an dem Trägerelement (5) während des Aushärtens mit einem Kompaktierwerkzeug (23) gesichert ist.
Anlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserträger als Hülse (7) ausgebildet ist.
Anlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Wickelmaschine (1) und/oder die Bauteilgröße und/oder die Trägerelementanzahl skalierbar sind.