DE102017005754A1 - Plant for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding process - Google Patents
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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.The invention relates to a system for producing fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding method, comprising a computer-controlled winding machine (1) for wrapping a fiber carrier (7) with endless fiber strands (29), wherein the endless fiber strands (29) on a coil unit (11) are provided. In a system in which the production of three-dimensionally wound components with minimum operating and installation costs is possible, the three-dimensionally movable winding machine (1) is centrally positioned in an annular cage (3), wherein along a circumference of the cage (3) a plurality of rotatable plate-shaped carrier elements (5) are fastened to the outside for fitting with a fiber carrier (7), wherein the fiber carriers (7) after loading of the winding machine (1) and on the winding machine (1) the coil unit (11) with the endless fiber strand ( 29), wherein a head (17) of the winding machine for guiding the endless fiber strand and for three-dimensional winding (1) of the fiber carrier (7) with the continuous fiber strand (29) is formed.
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.The invention relates to a system for manufacturing fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding method, comprising a computer-controlled winding machine for wrapping a fiber carrier with endless fiber strands, wherein the endless fiber strands are provided on a coil unit.
Aus der
- – 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.
- Winding fibers along predetermined paths around at least one winding spool of a winding core,
- Introducing a hardenable resin into the fibers or a mold,
- Curing of the resin and formation of the fiber composite component,
- Removal of the at least one winding spool inwards into the winding core,
- - Removal of the winding core and release the fiber composite component.
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.The object of the invention is to provide a plant for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding method, in which the three-dimensionally wound components are manufactured with minimal operating and equipment costs.
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.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
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.The object is achieved with a system in that the three-dimensionally movable winding machine is centrally positioned in an annular cage, along a circumference of the cage a plurality of rotatable plate-shaped support elements are mounted for mounting with a fiber carrier from the outside, wherein the fiber carrier after the assembly of the winding machine are facing and attached to the winding machine, the coil unit with the endless fiber strand, wherein a head of the winding machine for guiding the continuous fiber strand and for three-dimensional winding of the fiber carrier is formed with the endless fiber strand. By using only one robot, a particularly cost-effective system is created. Due to the rotatably mounted support elements a simple assembly of this with the fiber carrier and a simple feeding and discharging the fiber carrier without elaborate conveyor belts is possible. The actual wrapping takes place inside the cage, which represents a security area. The act of equipping the rotatable plate-shaped support elements then takes place outside the cage without having to remove the carrier elements from the cage. By integrating the fiber supply or processing in the winding machine strong deflection of the endless strand can be avoided.
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.Advantageously, the winding machine successively wrapped around the fiber carrier mounted on the carrier elements, wherein the continuous fiber strand remains fixed after completion of the component and is guided to the next fiber carrier. By means of this autonomous working, designed as a robot tool winding machine, the working space of the winding machine is increased and a Faserumlenkwinkel, which has a negative effect on the fiber composite quality, reduced. Characterized in that the continuous fiber strand always remains on the previously wrapped component, a readjustment of the fiber strand beginning is subsequently prevented to be wound fiber carriers.
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.In one embodiment, the coil unit has an electronically controlled rewinding unit. By means of this electronic rewind unit, a constant fiber bias is generated. As a result, a uniform three-dimensional winding on the fiber carrier is made possible by the only one winding machine. Excess fiber material is wound up again. The simplicity and short ways of this fiber supply enable a short response of the electronic rewinding and rewinding unit.
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.The attachment of the continuous fiber is necessary only once at the beginning of processing, since the fiber is always fixed to the previously wound component and can be directly wound on the next component further.
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 a variant, between the coil unit and the fiber carrier an impregnating unit, which guides the endless fiber strand and is fastened to the winding machine, is arranged, which introduces a hardenable plastic into the endless fiber strand. Through the union of fiber preparation and Fiber deposition in the winding machine, no external fiber processing is necessary, which would limit the degree of freedom of the robot too much.
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 one embodiment, a conical tube is part of the impregnation unit, which is arranged at the head of the winding machine and through which the endless fiber strand is guided. By means of this conical tube an increased withdrawal speed of the continuous fiber strands is made possible with simultaneous impregnation.
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 a development, the coil unit performs a pre-impregnated continuous fiber strand. Such a pre-impregnation by a vacuum injection allows processing of wet carbon fiber spools and prevents a limitation of the take-off speed by the fiber preparation. This increases a mass flow rate.
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.In one embodiment, the arranged on the support member finished wound components are directed to cure to the outside. This curing can be carried out by room temperature, in a continuous oven or with a heat radiator. Depending on which method is used, the finished wound components are removed from the fiber carrier and exposed in a furnace or on a carriage to the corresponding curing radiator.
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.Advantageously, the fiber composite material produced by the impregnation is secured to the carrier element during curing by means of a compacting tool. For compacting the fiber strands either clamping devices or positive tools are used as Kompaktierwerkzeug.
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 one embodiment, the fiber carrier is designed as a sleeve. This sleeve can be easily mounted on the rotatable plate-shaped support member and forms a framework for the component to be produced from a fiber composite material.
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.In a development, the size of the winding machine and / or the component size and / or the number of carrier elements are scalable. As a result, arbitrarily larger or smaller winding machines or linear units can be used. The scope of the manufacturable components or the number of turntables can be changed arbitrarily.
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.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. Described and / or illustrated features may form the subject of the invention itself or in any meaningful combination, optionally also independent of the claims, and may in particular additionally be the subject of one or more separate application / s. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
In
Die zentrale Wickelmaschine
Diese Endlosfaserstränge werden in ein konisches Rohr
Beim Beginn des Wickelvorganges wird der Anfang des Endlosfaserstranges
Nach Beendigung der Umwicklung aller der Wickelmaschine
Neben der beschriebenen Imprägnierungsmethode ist es aber auch möglich, dass die Kohlefaserspule
Die beschriebene Anlage ermöglicht aufgrund ihrer Flexibilität die simultane Herstellung unterschiedlichster Bauteiltopologien durch reine Veränderung der Anordnung der Faserträger
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.Although the invention has been further illustrated and explained in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exists. It is also to be understood that exemplified embodiments are really only examples that are not to be construed in any way as limiting the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and description of the figures enable one skilled in the art to practice the exemplary embodiments, and those skilled in the art, having the benefit of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example, to the function or arrangement of individual elements recited in an exemplary embodiment, without Protection area defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanations in the description.
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