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Die Erfindung betrifft eine Umformvorrichtung zum kontinuierlichen Umformen eines flächigen Faserhalbzeuges in ein dreidimensionales Faserhalbzeugprofil für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei das flächige Faserhalbzeug aus einem Fasermaterial als Teil eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist. Die Erfindung betrifft ebenso eine Faserlegeanlage mit einer derartigen Umformvorrichtung sowie ein Verfahren hierzu.
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Faserverbundbauteile sind heute aus der Luft- und Raumfahrt nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundbauteile insbesondere dafür, um das Potential des Leichtbaus auszunutzen. Faserverbundbauteile werden dabei in der Regel aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, der zumindest ein Fasermaterial einerseits und ein in das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial andererseits aufweist. Faserverbundwerkstoffe können dabei hinsichtlich ihrer Komponenten sowohl getrennt als auch zusammen bereitgestellt werden, in dem Beispiel also trockenes Fasermaterial oder bereits vorimprägniertes Fasermaterial (Prepregs) verwendet werden. Darüber hinaus können Faserverbundwerkstoffe weitere Komponenten enthalten, die anwendungsspezifisch ausgewählt werden.
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Faserverbundwerkstoffe und die daraus hergestellten Faserverbundbauteile weisen gegenüber klassischen Werkstoffen eine anisotrope Materialeigenschaft auf, d.h. der Grad der Festigkeit und Steifigkeit ist richtungsabhängig. In Faserrichtung weisen die Faserverbundbauteile eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit auf, während außerhalb der Faser eben die Festigkeit und Steifigkeit abnimmt.
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Für großflächige Faserverbundbauteile, wie beispielsweise Flügelschalen oder Rumpfschalen von Flugzeugen, ist es zudem effizienter die Flächenstabilität mithilfe von speziellen Profilbauteilen zu verstärken, um so die notwendige Biegesteifigkeit/Biegestabilität des Gesamtbauteils zu bewirken. Bei Flügelschalen oder Rumpfschalen werden derartige verstärkte Profilbauteile auch Stringer, Rippen oder Spanten genannt.
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Nicht selten werden bei derartigen Großbauteilen wie beispielsweise Flügelschalen oder Rumpfschalen aus einem Faserverbundwerkstoff die verstärkenden Profilbauteile direkt auf eine Seite des Bauteils aufgeklebt, wobei die Verstärkungselemente dabei ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet werden. Hierbei kommen oftmals Omega-förmige, U-förmige oder V-förmige Profilformen zum Einsatz, die aufgeklebt auf das Bauteil notwendige Flächenstabilität gewährleisten sollen.
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Um bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils die Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen, werden insbesondere großflächige Faserverbundbauteile automatisiert hergestellt, wobei insbesondere die Faserablage automatisiert durchgeführt werden soll. Insbesondere aus der
WO 2005/ 105 641 A2 sowie aus der
DE 10 2010 015 027 B4 sind automatisierte Faserlegeanlagen bekannt, bei denen mithilfe eines Roboters und einem an dem Roboter angeordneten Faserlegekopf als Endeffektor Fasermaterial auf einer Werkzeugform abgelegt werden kann. Der Nachteil hierbei ist, dass die profilförmigen Versteifungselemente nicht automatisiert abgelegt werden können, da die bekannten Anlagen entweder nur einzelne Rovings ablegen können oder insgesamt nur flächiges, nicht geformtes Fasermaterial legen können. Daher werden in der Praxis die Versteifungselemente in der Regel durch geschultes Fachpersonal händisch auf die flächigen Bauteile gelegt bzw. geklebt. Hierfür müssen die Faserhalbzeugprofile, die zur Versteifung der großflächigen Bauteile dienen sollen, jedoch zunächst in Form einer Preform hergestellt werden, was entweder auch händisch erfolgen kann oder mithilfe eines diskontinuierlichen Umformverfahrens, wie beispielsweise dem Drapieren von Fasermaterial auf einer formgegebenen Werkzeugoberfläche oder anderen diskontinuierlichen Umformverfahren (beispielsweise Tiefziehen oder ähnliches).
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2016 103 484 A1 ist beispielsweise ein kontinuierliches Umformverfahren bekannt, bei dem mithilfe von Rollen oder Walzen, die eine entsprechende Profilform aufweisen, kontinuierlich aus einem flächigen Faserhalbzeug ein dreidimensionales Faserhalbzeugprofil hergestellt werden soll. Dabei ist unter anderem als Ausführungsform auch vorgesehen, dass eine derartige kontinuierliche Umformung auch mithilfe von Führungsflächen, die einer gewünschten Profilform entsprechen, erfolgen kann, indem das Faserhalbzeug formschlüssig an den Führungsflächen entlanggeführt wird, wodurch es die entsprechende Querschnittsform der Führungsflächen annimmt.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass je nach Profilform während des Umformens mithilfe der Walzen oder der Führungsflächen eine Verscherung in dem Faserhalbzeug bewirkt wird, wodurch insbesondere bei bi- und multiaxialen Fasermaterialien die Faserorientierung in dem hergestellten Faserhalbzeugprofil nicht mehr der vorgegebenen und gewünschten Faserorientierung entspricht, was je nach Anwendungsfall, gerade in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen, nicht mehr tolerierbar ist. Daher eignen sich derartige bekannte kontinuierliche Umformungsverfahren nur für Faserhalbzeugprofile, bei denen aufgrund der Profilform eine Verscherung während des kontinuierlichen Umformens nur wenig erfolgt oder in Anwendungsfällen, bei denen eine veränderte Faserorientierung aufgrund der bewirkten Verscherung unkritisch ist.
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Aus der
EP 2 821 208 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, wobei hier das Fasermaterial auf eine doppelgekrümmte Werkzeugoberfläche abgelegt werden soll.
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Aus der
EP 2 773 505 B1 ist ebenfalls die Herstellung einer Faserpreform bekannt, wobei auch hier ein Fasermaterial auf ein Formwerkzeug abgelegt werden soll. Das Formwerkzeug weist dabei die gewünschte Profilform auf, wobei das Fasermaterial mit Hilfe von Rollen auf das Formwerkzeug gedrückt wird.
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Aus der
EP 1 648 687 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstrukturen bekannt, wobei auch hier mit Hilfe von Rollen ein Fasermaterial auf ein Formwerkzeug gedrückt wird.
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Aus der
DE 20 2014 100 927 U1 ist schließlich eine Verschervorrichtung bekannt, bei der die Verscherung kontinuierlich durch Walzen mit unterschiedlicher Umlaufgeschwindigkeit erzeugt wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Umformvorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem kontinuierlich flächige Faserhalbezeuge in dreidimensionale Faserhalbzeugprofile umgeformt werden können, ohne dass diese dabei den Effekt der Verscherung unterliegen. Es ist darüber hinaus auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Umformvorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem sich kontinuierliche Faserhalbzeuge im Faserhalbzeugprofile umformen lassen, bei denen die Verscherung einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigen.
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Die Aufgabe wird mit der Umformvorrichtung gemäß Anspruch 1, der Faserlegeanlage gemäß Anspruch 7 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Umformvorrichtung zum kontinuierlichen Umformen eines flächigen Faserhalbzeuges in ein dreidimensionales Faserhalbzeugprofil für die Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei das flächige Faserhalbzeug aus einem Fasermaterial als Teil eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist. Das Fasermaterial ist dabei vorzugsweise trockenes Fasermaterial, d.h. nicht vorimprägniert mit einem Matrixmaterial, und dient der Herstellung eines Faserverbundbauteils. Derartige Fasermaterialien können beispielsweise Glasfasermaterialien oder Kohlenstofffasermaterialien sein.
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Das Fasermaterial wird dabei in Form eines flächigen, meist quasiendlosen Faserhalbzeugs bereitgestellt und ist insbesondere band- oder bahnförmig.
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In Abgrenzung zu diskontinuierlichen Verfahren, bei denen das Faserhalbzeug einzeln und diskontinuierlich umgeformt wird, erfolgt bei einer kontinuierlichen Umformung eine stetige Umformung über die Zeit, solange das Faserhalbzeug stetig der Umformvorrichtung zugeführt wird. Die Umformung stoppt dabei erst dann, wenn die Zuführung des Faserhalbzeuges zu der Umformvorrichtung gestoppt wird.
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Die Umformvorrichtung weist demzufolge eine Materialzuführung zum Zuführen des flächigen Faserhalbzeuges auf sowie gattungsgemäß ein Umformwerkzeug, um das zugeführte, flächige Faserhalbzeug in das dreidimensionale Faserhalbzeugprofil mit der gewünschten Profilform umzuformen. Das Umformwerkzeug weist hierfür eine dreidimensional geformte Werkzeugoberfläche auf, die an einem ersten Ende einen ersten Querschnitt hat, der der Ursprungsform des flächigen Faserhalbzeuges entspricht, und an einem zweiten Ende einen zweiten Querschnitt aufweist, der der Profilform des Faserhalbzeugprofils entspricht.
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Die Umformvorrichtung ist nun derart ausgebildet, dass das zugeführte flächige Faserhalbzeug formschlüssig in eine Führungsrichtung kontinuierlich an der Werkzeugoberfläche des Umformwerkzeuges entlang geführt wird, so dass das flächige Faserhalbzeug ausgehend von dem ersten Querschnitt allmählich während des formschlüssigen, kontinuierlichen Entlangführens an der Werkzeugoberfläche in die Form des zweiten Querschnittes überführt wird, was meist in der Regel dann der Fall ist, wenn das Fasermaterial die Position des zweiten Querschnittes an dem zweiten Ende der geformten Werkzeugoberfläche erreicht hat.
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Da das Faserhalbzeug während des Entlangführens an der Werkzeugoberfläche immer vollständig an der Werkzeugoberfläche formschlüssig anliegt (innerhalb von Toleranzen), nimmt das Faserhalbzeug auch eben jene Form an, welche durch die Werkzeugoberfläche an jeder Position vorgegeben ist. Hierdurch lässt sich kontinuierlich das Faserhalbzeug in die gewünschte Profilform, die dem zweiten Querschnitt entspricht, überführen.
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Um eine Verscherung des Fasermaterials während des kontinuierlichen Umformens zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Werkzeugoberfläche derart ausgebildet ist, dass sämtliche auf der Werkzeugoberfläche von dem ersten Querschnitt bis zum zweiten Querschnitt parallel zur Führungsrichtung (bzw. einer Referenzweglänge) verlaufenden Weglängen innerhalb einer Längentoleranz, die mit einer vorgegebenen Verschertoleranz des Fasermaterials korreliert, die gleiche Länge auf der Werkzeugoberfläche haben.
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Durch eine derartige Werkzeugoberfläche, bei der die parallel zur Führungsrichtung verlaufenden Weglängen vom ersten Querschnitt zum zweien Querschnitt allesamt die gleiche Weglänge haben, wird ein Verscheren des Fasermaterials verhindert, da in sämtlichen zur Führungsrichtung parallel verlaufenden Strecken innerhalb des Fasermaterials das Fasermaterial immer den gleichen Weg zurückliegt und es somit nicht zu Verscherungen kommen kann. Parallel meint hierbei, dass die Weglängen in der Umformung einen konstanten Abstand entlang der Oberfläche haben.
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Die Erfinder haben dabei erkannt, dass bei einer Umformung von Fasermaterial in eine gewünschte dreidimensionale Profilform je nach Position der einzelnen Fasern in dem Fasermaterial diese mehr oder weniger unterschiedliche Weglängen während des Umformens zurücklegen, so dass hierdurch das Fasermaterial gezogen oder gestaucht wird, was zu einer Verscherung des Fasermaterials führt. Diese während des Umformens entstehenden unterschiedlichen Weglängen von der ersten Querschnittsform zur zweiten Querschnittsform werden nun durch eine entsprechende Form der Werkzeugoberfläche ausgeglichen, so dass das Faserhalbzeug über seine gesamte Breite hinweg immer den gleichen Weg von der ersten Querschnittsform zur zweiten Querschnittsform auf der formgegebenen Werkzeugoberfläche zurücklegt und so einer Verscherung aufgrund unterschiedlicher Weglängen entgegengewirkt wird.
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Vorteilhafterweise sind die parallel zur Führungsrichtung verlaufenden Weglängen identisch (innerhalb von Fertigungstoleranzen), so dass mit Sicherheit eine Verscherung ausgeschlossen werden kann. Je nach Profilform kann es jedoch notwendig werden, eine Verscherung zuzulassen, um die Form der Werkzeugoberfläche zu vereinfachen. Außerdem ist es nicht immer möglich, eine Werkzeugoberfläche so herzustellen, dass sämtliche Weglängen innerhalb einer Fertigungstoleranz von weniger als 1 % gleich lang sind. Hier kann eine leichte Verscherung zugelassen werden, die unkritisch ist.
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Demzufolge ist es besonders vorteilhaft, wenn somit die Weglängen innerhalb einer Längentoleranz derart gleich lang sind, dass das Faserhalbzeugprofil eine vorgegebene maximale Verscherung nicht überschreitet, die vorliegend als Verschertoleranz bezeichnet wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Längentoleranz kleiner als 8 %, vorzugweise kleiner als 3 %. Hier wurde erkannt, dass eine derartige Längentoleranz in der Regel eine meist unkritische Verscherung bewirkt und die Form der Werkzeugoberfläche dabei stark vereinfacht werden kann, was das formschlüssige Entlangführen des Fasermaterials an der Werkzeugoberfläche positiv beeinflusst.
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Die prozentuale Längentoleranz meint hierbei die prozentuale Abweichung (prozentuale Vergrößerung oder Verkleinerung) einer Weglänge von einer Referenz-Weglänge, die beispielsweise die in der Mitte liegende Weglänge sein kann. Sämtliche Weglängen weichen dabei von der Referenz-Weglänge maximal um diese prozentuale Längentoleranz ab, so dass diese Weglängen gegenüber der Referenz-Weglänge maximal um diese prozentuale Längentoleranz verlängert oder verkürzt sind.
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Vorzugweise bezieht sich dabei die Längentoleranz, insbesondere die prozentuale Längentoleranz, auf die Referenz-Weglänge, die beispielsweise die mittlere Weglänge (lateraler Mittelweg) der Werkzeugoberfläche des Umformwerkzeuges sein kann. Es handelt sich hierbei somit um die Mitte der Breite des Umformwerkzeuges bzw. der Werkzeugoberfläche, die senkrecht bzw. quer zur Führungsrichtung definiert ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Werkzeugoberfläche in Führungsrichtung eine Krümmung derart auf, dass eine erste Ebene, die orthogonal zu dem ersten Querschnitt an dem ersten Ende der Werkzeugoberfläche definiert ist, unter einen Winkel zu einer zweiten Ebene, die orthogonal zu dem zweiten Querschnitt der Werkzeugoberfläche definiert ist, verläuft. Hierdurch lassen sich die einzelnen unterschiedlichen Weglängen beim Umformen des Fasermaterials besser ausgleichen und gezielter entgegenwirken, um so eine innerhalb der Längentoleranz vorgegebene gleiche Weglänge zu erhalten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Werkzeugoberfläche Beulen- und/oder Wellenformen auf, die weder Bestandteil des ersten Querschnitts noch des zweiten Querschnitts sind, wobei die Beulen- und/oder Wellenformen in der Regel stärker ausgeprägt sind, je dichter sie an der Mittellinie liegen.
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Gemäß der Erfindung lassen sich hierdurch Omega-, V- oder U-Profilformen erzeugen, so dass der zweite Querschnitt der Werkzeugoberfläche insbesondere eine Form aufweist, die einer Omega-, V- oder U-Profilform entspricht.
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Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Umformvorrichtung einen Faserlegekopf zum Legen von dreidimensionalen Faserhalbzeugprofilen ist, wobei der Faserlegekopf eine Kopfbefestigung zum Befestigen des Faserlegekopfes einen Bewegungstautomaten als Endeffektor hat. Hierdurch lassen sich nicht nur kontinuierlich die Faserhalbzeugprofile aus den flächigen Faserhalbzeugen herstellen und entsprechend umformen, sondern auch gleichzeitig kontinuierlich nach dessen Herstellung auf einem Formwerkzeug ablegen, so dass ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit auch mit einer Faserlegeanlage gemäß Anspruch 7 zum Legen von dreidimensionalen Faserhalbzeugen für die Herstellung eines Faserverbundbauteils gelöst, wobei ein erfindungsgemäßer Faserlegekopf, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird. Der Faserlegekopf weist dabei ein Umformwerkzeug auf, das eine entsprechend definierte Werkzeugoberfläche hat, um das flächige Faserhalbzeug verscherfrei in die gewünschte Profilform umformen zu können. Darüber hinaus weist die Faserlegeanlage einen Bewegungsautomaten auf, an dem der Faserlegekopf als Endeffektor angeordnet ist, sowie ein Formwerkzeug, auf das das dreidimensionale Faserhalbzeugprofil durch den Faserlegekopf ablegbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Formwerkzeug eine Werkzeugoberfläche auf, die mit der Profilform des abzulegenden dreidimensionalen Faserhalbzeugprofils, das mit dem Faserlegekopf gebildet wird, korrespondiert oder dieser Profilform entspricht, so dass die hergestellten Faserhalbzeugprofile auch entsprechend formtreu auf das Formwerkzeug abgelegt werden können.
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Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges eine oder mehrere reliefartige Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, die eine Querschnittsform haben, die mit der Profilform des Faserhalbzeugprofils korrespondieren oder dieser Profilform entsprechen, so dass mithilfe der Faserlegeanlage dann die Faserhalbzeugprofile in die Vertiefungen eingelegt oder auf die Erhebungen der Werkzeugoberfläche aufgelegt werden können, so dass die Faserhalbzeuge in die Vertiefungen und/oder auf den Erhebungen formschlüssig anliegen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Schematische Darstellung der Umformvorrichtung als Faserlegekopf;
- 2 - Perspektivische Darstellung des Umformwerkzeuges;
- 3 - Seitenansicht des Umformwerkzeuges.
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1 zeigt schematisch die Umformvorrichtung 10 in Form eines Faserlegekopfes zum Legen von dreidimensionalen Faserhalbzeugprofilen auf ein Formwerkzeug 1, das eine entsprechende Werkzeugoberfläche 2 hat. Die Werkzeugoberfläche 2 weist im Ausführungsbeispiel der 1 eine Vertiefung 3 auf, in die ein Faserhalbzeugprofil 4, dessen Profilform mit der Querschnittsform der Vertiefung 3 des Formwerkzeuges 1 korrespondiert, eingelegt werden soll.
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Die Umformvorrichtung 10 weist als Faserlegekopf eine Kopfbefestigung 11 auf, mit der der Faserlegekopf 10 an eine übergeordnete Bewegungsvorrichtung bzw. einen Bewegungsautomaten 12 (in 1 lediglich angedeutet) angeordnet werden kann. Die Kopfbefestigung 11 ist dabei insbesondere lösbarer Natur, so dass die Art des Endeffektors des Bewegungsautomaten 12 je nach Anwendungszweck gewechselt werden kann.
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Der Faserlegekopf 10 weist im Ausführungsbeispiel der 1 des Weiteren eine Materialzuführung 13 auf, die zum Bereitstellen eines flächigen Faserhalbzeuges 5 ausgebildet ist. Hierfür ist das flächige Faserhalbzeug 5 auf einer Rolle, Spule oder Walze 14 aufgerollt und kann so kontinuierlich den Umform- und Legeprozess des Faserlegekopfes 10 zugeführt werden. Denkbar ist allerdings auch, dass über eine entsprechende Rollen- oder Walzenvorrichtung das meist quasiendlose Faserhalbzeug bandförmig von einem außerhalb befindlichen feststehenden Fasermagazin dem Faserlegekopf zugeführt wird, so dass der Faserlegekopf 10 nicht selber das Faserhalbzeug 5 vorrätig halten muss.
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Das flächige Faserhalbzeug 5 weist dabei eine Querschnittsform auf, die insbesondere nicht der Querschnittsform der Vertiefung 3 entspricht, so dass ein derartiges flächiges Faserhalbzeug 5 auch nicht ohne weiteres in die entsprechende Vertiefung 3 des Werkzeuges ablegbar ist. Vielmehr muss das flächige Faserhalbzeug 5 zunächst in die entsprechende gewünschte Profilform umgeformt werden.
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Der Faserlegekopf 10 weist des Weiteren eine Legeeinheit 15 auf, die im Ausführungsbeispiel der 10 in Form einer Ablegerolle oder Ablegewalze ausgebildet ist. Die Ablegerolle bzw. Ablegewalze kann dabei, muss aber nicht, zumindest teilweise der herzustellenden Profilform des Faserhalbzeugprofils entsprechen, um so den Ablegeprozess, insbesondere das Andrücken des abzulegenden Faserhalbzeugprofils 4 zu verbessern.
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Erfindungsgemäß weist der Faserlegekopf bzw. die Umformvorrichtung 10 ein Umformwerkzeug 16 auf, das in dem Faserlegekopf 10 integriert ist, insbesondere innerhalb des Führungsabschnittes zwischen der Fasermaterialzuführung 13 und der Legeeinheit 15. Hierdurch wird sichergestellt, dass das flächige Faserhalbzeug 5 mithilfe des Umformwerkzeuges 16 in seine profilierte Form gebracht wird und nur das Faserhalbzeugprofil 4 durch die Legeeinheit 15 abgelegt wird.
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Demnach ist das Umformwerkzeug 16 derart ausgebildet, dass das flächige Faserhalbzeug 5 dreidimensional umformt und so dem Fasermaterial eine Profilform verleiht, die insbesondere der Querschnittsform der Vertiefung 3 des Werkzeuges 1 entspricht.
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Das Umformwerkzeug 16 weist hierfür eine formgebende Werkzeugoberfläche 17 auf, an der das Fasermaterial 5 kontinuierlich formschlüssig entlanggeführt wird. Das Fasermaterial bzw. das Faserhalbzeug 5 liegt somit während des kontinuierlichen Führens des Fasermaterials jederzeit vollflächig an der Werkzeugoberfläche 17 des Umformwerkzeuges 16 an, so dass es schließlich die entsprechende Endquerschnittsform der Werkzeugoberfläche 17 annimmt, um so die gewünschte Profilform des Faserhalbzeugprofils 4 herzustellen.
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In Bezug auf die Führungsrichtung weist das Umformwerkzeug 16 mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche 17 am Anfang eine erste Querschnittsform auf, die der Querschnittsform des Faserhalbzeuges 5 in seiner nicht umgeformten Form entspricht. In Bezug auf die Führungsrichtung der Ende der formgebenden Werkzeugoberfläche 17 weist diese dort eine zweite Querschnittform auf, die der Profilform des herzustellenden Faserhalbzeugprofils 4 entspricht, wobei die Werkzeugoberfläche 17 so ausgebildet ist, dass sie sich stätig und kontinuierlich von der ersten Querschnittsform am Anfang hin zu der zweiten Querschnittsform am Ende verformt bzw. verändert, so dass durch ein formschlüssiges Entlangführen des Faserhalbzeuges 4 auf dieser Werkzeugoberfläche 17 dann schließlich das Faserhalbzeug 5 in die gewünschte Profilform umgeformt wird.
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Anschließend wird das umgeformte Faserhalbzeugprofil 4 dann der Legeeinheit 15 zugeführt, die es dann auf die Werkzeugoberfläche und insbesondere in die Vertiefung 3 des Werkzeuges 1 ablegt.
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Der in 1 dargestellte Faserlegekopf 10 sowie das Werkzeug 1 sind dabei in einer seitlichen Schnittdarstellung dargestellt, so dass die Profilform des Faserhalbzeugprofils 4, die Querschnittsform der Werkzeugoberfläche 2 sowie die Querschnittsform des Umformwerkzeuges 16 nicht aus der 1 ersichtlich sind, da sie außerhalb der Betrachtungsebene herauskommen und die 1 so nur schematisch dies andeutet.
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2 zeigt nun eine perspektivische Darstellung einer Werkzeugoberfläche 17 eines Umformwerkzeuges 16, wobei die Werkzeugoberfläche 17 hier als Unterwerkzeug vorgesehen ist und das flächige Faserhalbzeug 5 somit auf der Werkzeugoberfläche 17 formschlüssig entlanggeführt wird. Wie zu erkennen ist, weist das Umformwerkzeug 16 eine dreidimensional geformte Werkzeugoberfläche auf, an deren ersten Ende 21, das den Anfang darstellt, eine Querschnittsform vorliegt, die der Querschnittsform des flächigen Faserhalbzeuges 5 in seiner nicht umgeformten Form entspricht. An einem zweiten Ende 22 weist das Umformwerkzeug 16 mit seiner formgegebenen Werkzeugoberfläche 17 einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt des Faserhalbzeugprofils 4 entspricht, was im Ausführungsbeispiel der 2 eine Omega-förmigen Profilform ist.
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Zum besseren Verständnis sind im Ausführungsbeispiel der 2 auf der formgebenden Werkzeugoberfläche Weglängen bzw. Wegstrecken 23 vorgesehen, die von dem ersten Ende 21 bis zum zweiten Ende 22 verlaufen. Diese Weglängen 23 sind dabei parallel zur Führungsrichtung, mit der das Faserhalbzeug über die formgebende Werkzeugoberfläche 17 entlanggeführt wird und weisen dabei allesamt innerhalb der Längentoleranz die gleiche Länge auf.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass alle Weglängen 23 bezüglich einer vorgegebenen Referenzweglänge 24, die im Ausführungsbeispiel der 2 optisch hervorgehoben ist, parallel verlaufen, wobei es hierbei vorteilhaft ist, wenn die Referenzweglänge 24 ebenfalls parallel zur Führungsrichtung verläuft.
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Sämtliche Weglängen 23 (mit Ausnahme der Referenzweglänge 24) weisen dabei innerhalb einer Längentoleranz, die mit einer vorgegebenen Verschertoleranz des Fasermaterials korreliert, die gleiche Länge auf der Werkzeugoberfläche auf, also dass zu keinem Zeitpunkt während des Entlangführens des Fasermaterials auf der Werkzeugoberfläche 17 das Fasermaterial aufgrund verschiedener Weglängen über die Breite des Fasermaterials hinweg das Fasermaterial verschert wird, so dass am Ende ein verscherfreies (innerhalb der vorgegebenen Verschertoleranz) Faserhalbzeugprofil vorliegt.
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Die Längentoleranz kann dabei dergestalt sein, dass sie eine prozentuale Abweichung von der Referenzweglänge 24 vorgibt, um die die einzelnen Weglängen 23 abweichen dürfen. Um ein möglichst verscherfreies Faserhalbzeugprofil herzustellen, ist eine Abweichung der einzelnen Weglängen von vorzugsweise unter 5 % zu bevorzugen.
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Durch das Einfügen von Beulen bzw. Wellen in die Werkzeugoberfläche 17 werden die einzelnen unterschiedlichen Weglängen ausgeglichen, da aufgrund der Profilform am zweiten Ende 22 insbesondere die außenliegenden Weglängen, d.h. jene Weglängen 23, die am weitesten von der Referenzweglänge 24 entfernt sind, einen besonders weiten Weg zurücklegen müssen, während Weglängen 23, die relativ dicht an der Referenzweglänge 24 liegen, den kürzesten Weg haben. Um dies auszugleichen, wird am Anfang in diesen Bereichen eine zu den Außenrändern hin abflachende Beule bzw. Welle in die Werkzeugoberfläche 17 eingearbeitet, um so die kurzen Weglängen dicht an der Referenzweglänge 24 zu verlängern.
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Dieser Effekt kann weiter durch eine Krümmung der gesamten Werkzeugoberfläche 17 verstärkt werden, wie dies in 3 in einer Seitenansicht gezeigt ist. Hierbei folgt insbesondere die Referenzweglänge 24 einer Krümmung, die nach innen gerichtet ist, so dass in seitlicher Hinsicht sehr weit außenliegende Weglängen 23 hinsichtlich ihres Weges verkürzt werden.
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An dem ersten Ende 21 der Werkzeugoberfläche 17 wird dabei an den Querschnitt eine Ebene 31 definiert, die letztendlich die Querschnittsebene darstellt. Auch an dem zweiten Ende 22 wird eine zweite Ebene 32 orthogonal definiert, welche die Querschnittsebene des zweiten Endes darstellt. Beide Ebenen 31 und 32 verlaufen dabei unter einem Winkel zueinander, wie in 3 zu erkennen ist, was durch die Krümmung der Werkzeugoberfläche 17 vorgegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Formwerkzeug
- 2 -
- Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges
- 3 -
- Vertiefung
- 4 -
- Faserhalbzeugprofil
- 5 -
- flächiges Faserhalbzeug
- 10 -
- Umformvorrichtung/Legekopf
- 11 -
- Kopfbefestigung
- 12 -
- Bewegungsautomat (angedeutet)
- 13 -
- Fasermaterialzuführung
- 14 -
- Fasermaterialspule
- 15 -
- Legeeinheit
- 16 -
- Umformwerkzeug
- 17 -
- Werkzeugoberfläche des Umformwerkzeuges
- 21 -
- erstes Ende des Umformwerkzeuges
- 22 -
- zweites Ende des Umformwerkzeuges
- 23 -
- Weglänge
- 24 -
- Referenzweglänge
- 31 -
- erste Ebene am ersten Ende
- 32 -
- zweite Ebene am zweiten Ende
