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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umschlingen von länglichen Objekten mit einem Materialstrang.
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In verschiedenen technischen Gebieten kann es notwendig sein, Objekte zu deren Stabilisierung durch unterstützende Materialien zu umschlingen, zu umwinden bzw. zu umwickeln. Vor allem Objekte oder Körper, die im Wesentlichen eindimensional sind, d.h. die sich in eine Richtung sehr viel weiter erstrecken als in die dazu quer liegenden Richtungen, werden zur Stabilisierung gegen ungewollte Verbiegungen in der Querrichtung mit Strukturen versehen, die entlang der Querrichtung um die Objekte umlaufen. Derart umschlungene längliche Objekte können sehr stabil gegenüber Zugkräften, die entlang der Längsachse (bzw. Haupterstreckungsachse) des Objekts wirken, aber auch gegenüber hierzu quer wirkenden Biege- oder Scherkräften sein.
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Zum Beispiel sind aus dem Stand der Technik Bewehrungsstäbe aus Metall bekannt, in denen in Querrichtung umlaufende Rillen eine erhöhte Auszugskraft aus dem Beton gewährleisten, da sie den Reibungskoeffizienten des Bewehrungsstabs gegenüber dem Beton in Zugrichtung erhöhen. Die den Stab „umschlingende“ Struktur ist hierbei integral mit dem Stab ausgebildet. Es ist aber auch erstrebenswert, z.B. aus Gewichtsgründen und zur Reduzierung der Betonüberdeckung, Bewehrungsstäbe aus anderen Materialien herzustellen, bei denen eine integrale Fertigung von umlaufender Struktur und länglichem Grundkörper nicht möglich ist. Zudem ist es generell von Interesse längliche Objekte im Nachgang mit einer stabilisierenden Umwicklung zu versehen.
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Typischer Weise wird hierzu wie folgt vorgegangen. Senkrecht zur Längsrichtung eines zu umwickelnden oder umschlingenden länglichen Objekts wird eine Spule mit einem Materialstrang bereitgestellt. Ein Ende des Materialstrangs wird auf dem länglichen Objekt fixiert und die Spule läuft solange um das Objekt herum, bis der Materialstrang vollständig um das Objekt gewickelt ist. Hierbei kann entweder das Objekt oder die Spule in Längsrichtung des Objekts bewegt werden, um eine gleichmäßige Umwicklung des Objekts zu erzielen.
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Hierbei besteht aber das Problem, dass es nötig ist, bei Verbrauch des auf der Spule vorhandenen Materialstrangs die Spule zu wechseln. Aufgrund der Tatsache, dass die Spule für das Umwickeln des Objekts ständig um dieses kreist, ist es nämlich nicht möglich, den Materialstrang kontinuierlich von außen nachzuführen. Dies würde dazu führen, dass auch der nachgeführte Strang um das Objekt gewickelt wird, bevor er die Spule erreicht, was ein gleichmäßiges Umwickeln unmöglich macht.
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Beim Wechsel der Spule entstehen aber Fehlstellen der Umwicklung, die darauf zurückzuführen sind, dass das Materialstrangende der alten Spule und der Materialstranganfang der neuen Spule nicht miteinander verbunden sind, bevor sie auf das Objekt aufgebracht werden. In der Endlosfertigung entsteht so Ausschuss aufgrund der während des Spulentausches nicht umwickelten Abschnitte des Objekts. Alternativ kann auch das gesamte System zum Wechseln der Spule gestoppt werden. Durch derartige Stillstandzeiten werden aber zusätzliche Kosten aufgrund von Produktionsausfall erzeugt.
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Hinzu kommt, dass es nach Fertigstellung des umwickelten Objekts nötig ist, Fehlstellen zu detektieren. Auch dies erhöht die Herstellungskosten und verlangsamt die Produktion.
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Zudem besteht bei derartigen Umschlingungstechniken das Problem, dass durch das ständige Herumführen der den Materialstrang enthaltenden Spule um das Objekt ein erheblicher Verschleiß der derart bewegten Bauteile entsteht. Hierdurch sind derartige Umschlingungsvorrichtungen besonders wartungsintensiv.
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Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Umschlingungsvorrichtung bereitzustellen, mit der auf einfache Weise ein längliches Objekt in Endlosproduktion mit einem Materialstrang umschlungen bzw. umwickelt werden kann, ohne Fehlstellen in der Umwicklung zu erzeugen. Insbesondere soll es möglich sein, den Materialstrang als Endlosstrang für die Umschlingung bereitzustellen.
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Die oben geschilderten Probleme treten insbesondere auch in Pultrusionsvorrichtungen auf, in denen ein zentrales Faserbündel durch eine oder mehrere weitere Fasern oder Garne umschlungen oder umwickelt werden soll, um dem zentralen Faserbündel zusätzliche Eigenschaften, wie etwa eine erhöhte Stabilität oder einen größeren Reibungskoeffizienten gegenüber das Faserbündel umgebendem Material zu geben.
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Es ist also auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pultrusionsvorrichtung zur Herstellung von Pultrudaten wie etwa Bewehrungsstäben aus Fasermaterial anzugeben, in der die oben genannten Probleme nicht auftreten.
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Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Zum Beispiel kann eine Umschlingungsvorrichtung zum Umschlingen eines länglichen Objekts eine Fördervorrichtung zum Fördern eines länglichen Objekts, dessen Ausdehnung in Längsrichtung ein Vielfaches seiner Ausdehnung in Querrichtung ist, durch die Umschlingungsvorrichtung, eine Zuführvorrichtung zum Führen eines Materialstrangs, der ein Endlosstrang ist, zu einer Längsseite des sich in der Umschlingungsvorrichtung befindlichen länglichen Objekts und eine Verknüpfungsvorrichtung aufweisen. Die Verknüpfungsvorrichtung ist dabei zum Erfassen eines ersten Abschnitts des Materialstrangs, zum Herumführen des Materialstrangs um das längliche Objekt entlang der Querrichtung des länglichen Objekts und an dem erfassten ersten Abschnitt und zum Verbinden des erfassten ersten Abschnitts mit dem länglichen Objekt geeignet.
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Anstatt also eine mit einem Materialstrang bestückte Spule oder dergleichen um das längliche Objekt herumzuführen, wird der Materialstrang von außen über die Zuführvorrichtung an das längliche Objekt herangeführt. Der Materialstrang wird dann von der Verknüpfungsvorrichtung ergriffen und um das Objekt geführt. Hierdurch wird der Materialstrang über das Objekt gezogen. Die hierbei verbrauchte Menge an Materialstrang wird von außen über die Zuführvorrichtung nachgeführt. Bei ausreichender Umschlingung des Objekts wird der ergriffene Abschnitt des Materialstrangs mit dem Objekt verbunden.
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Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass Materialstrang und/oder Objekt mit einer klebenden Substanz, z.B. einem Harz, beschichtet sind, so dass ein Aufpressen des von der Verknüpfungsvorrichtung erfassten Abschnitts auf das Objekt dazu führt, dass dieser auf dem Objekt haften bleibt. Der Materialstrang kann aber zum Beispiel auch alternativ oder zusätzlich durch von der Verknüpfungsvorrichtung, zum Beispiel mittels eines erhitzten Stempels erzeugte Hitzeeinwirkung mit dem Objekt verschweißt werden. Wie im Nachfolgenden beschrieben kann der Materialstrang alternativ oder zusätzlich auch mit sich selbst verflochten oder verknotet werden, um dadurch eine zunächst mechanische Fixierung auf dem Objekt zu erzeugen, die optional in einem nachgelagerten Verfahrensschritt, z.B. durch Verkleben oder Aufschmelzen dauerhaft gemacht werden kann.
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Der von außen nachgeführt Materialstrang wird dabei in einer Länge um das Objekt gewickelt, die der von dem ersten Abschnitt zwischen dem Erfassen durch die Verknüpfungsvorrichtung und dem Verbinden mit dem Objekt zurückgelegten Strecke entspricht. Dies macht es unnötig, die Verknüpfungsvorrichtung samt Materialstrang beständig um das Objekt herumzuführen. Stattdessen kann nach jedem Verbinden eines Abschnitts des Materialstrangs an einem bestimmten Punkt des Objekts ein nachgeführter Teil des Materialstrangs erfasst und an einem weiteren Punkt des Objekts befestigt werden. Durch die Förderung des Objekts durch die Umschlingungsvorrichtung in Längsrichtung kann so eine kontinuierliche Umschlingung des Objekts mit dem Materialstrang erzeugt werden, ohne dass die oben genannten Probleme auftreten.
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Die Verknüpfungsvorrichtung kann geeignet sein, einen zweiten Abschnitt des Materialstrangs an dem länglichen Objekt zu halten, den ersten Abschnitt an den zweiten Abschnitt heranzuführen und den ersten Abschnitt durch Verknüpfen des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts mit den länglichen Objekt zu verbinden. Durch das Verknüpfen des ersten Abschnitts mit dem zweiten Abschnitt wird das längliche Objekt durch den zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt liegenden Teil des Materialstrangs entlang der Querrichtung des länglichen Objekts umschlungen. Dies erlaubt es, Schlingen um das Objekt zu legen, die von der Verknüpfung der zugehörigen Abschnitte des Materialstrangs ausgehen. Hierdurch werden eine gleichmäßigere Umschlingung des Objekts und dadurch eine verbesserte Querstabilität erreicht.
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Zum Beispiel ist es möglich, zunächst den zweiten Abschnitt zu ergreifen, um das längliche Objekt zu führen und dort auf dem Objekt zu fixieren, z.B. durch Kleben, Aufschmelzen oder mechanisches Halten. Hierauf kann der erste Abschnitt von der Verknüpfungsvorrichtung ergriffen werden, der näher an der außenliegenden Quelle für den Materialstrang liegt. Der erste Abschnitt wird dann gegenläufig zum Herumführen des zweiten Abschnitts um das Objekt geführt, bis seine Position mit der Position des zweiten Abschnitts übereinstimmt. Hierauf werden erster und zweiter Abschnitt miteinander verknüpft. Die Verknüpfung kann dabei in einem Aufkleben und/oder Aufschmelzen von erstem und zweitem Abschnitt an der gleichen Stelle bzw. benachbarten Stellen des Objekts hergestellt werden.
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Es ist aber auch möglich, die Verknüpfung mechanisch herzustellen. Hierzu kann die Verknüpfungsvorrichtung einen am Ende einer stabförmigen Halterung sitzenden Haken aufweisen. Der Haken kann geeignet sein, den ersten Abschnitt zu erfassen und um das längliche Objekt herumzuführen. Der zweite Abschnitt umschlingt dabei die Halterung in einer Schlinge und wird dadurch an dem länglichen Objekt gehalten. Die Verknüpfungsvorrichtung kann den Haken mit darin erfasstem ersten Abschnitt durch die von dem zweiten Abschnitt gebildete Schlinge ziehen und dadurch mit dem zweiten Abschnitt verknüpfen.
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Es wird also zunächst der zweite Abschnitt des Materialstrangs um die stabförmige Halterung des Hakens geschlungen, z.B. durch Einfädeln der Halterung in den Materialstrang. Durch entsprechende Bewegung der Halterung wird die so gebildete Schlinge an eine bestimmte Position an dem Objekt geführt und dort, z.B. durch Aufpressen der Halterung an das Objekt, gehalten. Bei gehaltener Schlinge wird hierauf mit dem Haken der von der Zuführvorrichtung nachgeführte erste Abschnitt des Materialstrangs gefasst. Die Halterung wird dann aus der Schlinge gezogen, wodurch der Haken den ersten Abschnitt durch den zweiten Abschnitt zieht. Hierbei führt der Haken den ersten Abschnitt derart an dem Objekt vorbei, dass der zwischen erstem und zweitem Abschnitt liegende Teil des Materialstrangs eine Schlinge um das Objekt bildet, die durch das Hindurchziehen des ersten Abschnitts durch den zweiten Abschnitt verknotet und auf dem Objekt fixiert wird.
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Diese Art den Materialstrang durch mechanische Fixierung entsprechend eines Häkelvorgangs auf dem Objekt zu fixieren hat den Vorteil, dass zusätzliche Komponenten, wie etwa Klebe- oder Heizmittel unnötig werden. Das endgültige Verkleben bzw. dauerhafte Verbinden kann dann an einer strukturell weniger beengten Stelle des Produktionsprozesses erfolgen. Hierdurch wird der Aufbau des Produktionsprozesses vereinfacht und die Produktion kann kostengünstiger erfolgen.
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Die Verknüpfungsvorrichtung kann geeignet sein, die beim Ziehen des Hakens durch die Schlinge auf den ersten Abschnitt wirkende Zugkraft einzustellen. Hierdurch kann der Materialstrang je nach Einstellung verschieden straff um das Objekt gelegt werden, was wiederum erlaubt, die Stabilitätsparameter des fertigen Produkts anzupassen.
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Die Verknüpfungsvorrichtung kann geeignet sein, nach dem Verbinden des ersten Abschnitts des Materialstrangs mit dem länglichen Objekt in repetitiver Weise weitere Abschnitte des Materialstrangs, die noch nicht mit dem länglichen Objekt verbunden sind, zu erfassen, um das längliche Objekt herumzuführen und mit dem länglichen Objekt zu verbinden, während das längliche Objekt von der Fördervorrichtung durch die Umschlingungsvorrichtung gefördert wird. Die noch nicht mit dem Objekt verbundenen Abschnitte des Materialstrangs werden also von der Zuführvorrichtung im Endlosbetrieb nachgeführt. Gleichzeitig fördert die Fördervorrichtung das Objekt durch den Bereich in dem die Verknüpfungsvorrichtung den Materialstrang auf das Objekt auflegt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Umschlingung des Objekts in Endlosproduktion ermöglicht.
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Das längliche Objekt kann ein Faserbündel sein, das aus Endlosfasern, vorzugsweise aus Glasfasern oder Carbonfasern, besteht, und das Faserbündel kann entlang seiner Längsachse durch die Umschlingungsvorrichtung gefördert werden. Dies erlaubt es, ein Faserbündel z.B. in einer Pultrusionsanlage in Endlosfertigung mit einem Materialstrang zu umschlingen, um seine Eigenschaften hinsichtlich Verformungen oder durch Erhöhung des Reibungskoeffizienten hinsichtlich Auszugskräften zu verbessern. Die verwendeten Fasern können hierbei sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Fasern sein, die sich für die Pultrusion eignen.
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Die Umschlingungsvorrichtung kann des Weiteren eine Imprägniervorrichtung aufweisen, die der Verknüpfungsvorrichtung vorgelagert ist, um das Faserbündel mit einer Matrix zu tränken. Alternativ oder zusätzlich kann die Umschlingungsvorrichtung eine Imprägniervorrichtung aufweisen, die der Verknüpfungsvorrichtung nachgelagert ist, um das mit dem Materialstrang verbundene Faserbündel mit einer Matrix zu tränken.
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Die der Verknüpfung vorgelagerte Imprägnierung mit einer Matrix, z.B. einem duroplastischen oder thermoplastische Polymer, einem Harz, etwa einem Polyesterharz, Vinylesterharz oder Epoxidharze oder einer Mischung daraus, einem Polyamid, Polypropylen, Polyethylene oder Polyurethan, wie aus dem Stand der Technik für die Verwendung in Pultrusionsanlagen bekannt, führt zu einer Verbindung der Fasern des Faserbündels durch die Matrix. Zudem kann das Tränken mit der Matrix dazu führen, dass der Materialstrang durch einfaches Aufpressen auf das Faserbündel mit diesem verklebt. Dies vereinfacht das Umschlingen des Faserbündels mit dem Materialstrang.
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Eine nachgelagerte Imprägnierung führt zu einem Verkleben von Faserbündel und Materialstrang. Dadurch wird die Umschlingung des Faserbündels mit dem Materialstrang weiter fixiert und stabilisiert.
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Der Materialstrang kann aus einer oder mehreren Fasern bestehen, vorzugsweise aus Glasfaser oder Carbonfaser, und die Umschlingungsvorrichtung kann ein Faserlager aufweisen, aus dem der Materialstrang von der Zuführvorrichtung an die Längsseite des länglichen Objekts geführt wird. Dies vereinfacht es, den Materialstrang als Endlosstrang bereitzustellen, da es möglich ist, in dem Faserlager Faserspulen vorzuhalten, die Fasern enthalten, deren Enden bei Bedarf in bekannter Weise miteinander verbunden werden können, bevor sie als Teil des Materialstrangs der Umschlingungsvorrichtung zugeführt werden. Das Faserlager kann zusätzlich als Quelle für das das längliche Objekt konstituierende Faserbündel verwendet werden. Es vereinfacht dann ebenfalls die Zuführung des Faserbündels im Endlosbetrieb.
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Die Zuführvorrichtung kann geeignet sein, zusätzlich zu dem Materialstrang einen oder mehrere weitere Materialstränge zuzuführen. Die Verknüpfungsvorrichtung kann geeignet sein, Abschnitte der einen oder mehreren weiteren Materialstränge zu erfassen, um das längliche Objekt herumzuführen und mit dem länglichen Objekt zu verbinden. Es ist also auch möglich, nicht nur einen Materialstrang um das längliche Objekt zu schlingen, wie es oben beschrieben wurde, sondern zwei oder eine Mehrzahl von Materialsträngen. Dies kann z.B. dadurch bewerkstelligt werden, dass die oben beschriebenen Mittel für die Verarbeitung des Materialstrangs für jeden Materialstrang zu Verfügung gestellt werden. Das Umschlingen mit verschiedenen Strängen kann dann z.B. an verschiedenen Positionen in Längsrichtung des Objekts erfolgen. Zudem ist es auch denkbar, verschieden Materialstränge mechanisch miteinander zu koppeln, um sie um das Objekt zu legen, z.B. durch Weben, Stricken oder ähnliche Arten der Verknüpfung. Dies erlaubt es, das Objekt gleichmäßiger und schneller mit Materialsträngen zu umschlingen. Zudem können auch Materialstränge aus verschiedenen Materialien eingesetzt werden, um das fertige Produkt mit verschiedenen Eigenschaften zu versehen.
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Eine Pultrusionsvorrichtung kann eine Umschlingungsvorrichtung umfassen, wie sie oben beschrieben wurde. Hierdurch wird es möglich, ohne die oben genannten Probleme durch Umschlingung mit einem Materialstrang stabilisierte Pultrudate in Endlosproduktion herzustellen.
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Im Folgenden werden Beispiele für Umschlingungsvorrichtungen im Detail beschrieben. Die folgende Beschreibung ist nur beispielhaft. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigen:
- 1A bis 1C verschiedene schematische Ansichten einer Umschlingungsvorrichtung ;
- 2A bis 2C schematische Darstellungen des zeitlichen Ablaufs eines Umschlingungsvorgangs; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Pultrusionsvorrichtung.
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In den 1 A bis 1C ist in schematischer Weise eine Umschlingungsvorrichtung 100 gezeigt, die dazu geeignet ist, ein längliches Objekt 500 mit einem Materialstrang 700 zu umschlingen.
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Das längliche Objekt 500 hat hierbei eine Ausdehnung in eine Richtung (Längsrichtung), die ein Vielfaches seiner Ausdehnung in hierauf senkrecht stehende Richtungen (Querrichtung) ist. Zum Beispiel kann das Verhältnis von Länge zu Breite bei 3:1, 5:1, 10:1 oder mehr liegen. Insbesondere kann das Objekt 500 in Längsrichtung „unendlich“ lang sein, in dem Sinne, dass das Objekt 500 durch ständige Erzeugung laufend nachgeführt werden kann. Das Objekt 500 kann hierbei aus jedem beliebigen Material bestehen. Insbesondere besteht das Objekt 500 aber aus einem Bündel von Fasern, wie etwa Glas- oder Carbonfasern.
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Das Objekt 500 wird mittels einer Fördervorrichtung 110 durch die Umschlingungsvorrichtung 100 gefördert. In der 1A ist die Fördervorrichtung 110 durch eine Mehrzahl von Rollen gezeigt, die derart rotieren, dass sie das Objekt 500 wie durch den Pfeil A dargestellt durch die Umschlingungsvorrichtung 100 bewegen. Die Fördervorrichtung 110 kann aber in jeder beliebigen Weise ausgebildet sein, die es erlaubt, das Objekt 500 wie weiter unten beschrieben mit dem Materialstrang 700 zu umschlingen. Zum Beispiel kann es sich bei der Fördervorrichtung 110 um einen Zugmechanismus handeln, der ein in Endlosproduktion hergestelltes Objekt 500 von außerhalb des Bereichs, in dem die Umschlingung stattfindet, durch die Umschlingungsvorrichtung 100 zieht.
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Der Materialstrang 700 besteht aus einem Material, das es erlaubt, ihn auch bei relativ kleinem Querschnittsdurchmesser des Objekts (z.B. zwischen 1 cm und 5 cm) fest anliegend um das Objekt 500 zu schlingen. Zum Beispiel kann der Materialstrang 700 aus einer oder einer Mehrzahl von Fasern bestehen, etwa aus Glasfaser oder Carbonfaser.
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Bei dem Materialstrang 700 handelt es sich um einen Endlosstrang, d.h. der Materialstrang 700 kann in beliebiger Länge nachgeführt werden, z.B. durch geeignetes und aus dem Stand der Technik bekanntes Verbinden von Enden von nicht endlosen Strängen, etwa den Enden von auf Faserspulen bereitgestellten Fasern.
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Der Materialstrang 700 wird in der Umschlingungsvorrichtung 100 von einer Zuführvorrichtung 120 an eine Längsseite 510 des Objekts 500 herangeführt. Wie in den 1 A bis 1C gezeigt, kann es sich bei der Zuführvorrichtung 120 z.B. um eine Umlenkrolle handeln, über die der Materialstrang 700 läuft. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Mittel einen Materialstrang 700 an eine Längsseite 510 des Objekts 500 zu lenken und deren Kombination sind aber ebenso denkbar, wie etwa Fadenführungen oder dergleichen.
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Die Zuführvorrichtung 120 steht im Wesentlichen mit Bezug auf die Position des länglichen Objekts 500 fest. Das heißt, die Zuführvorrichtung 120 ist nicht dazu geeignet, in Querrichtung um das Objekt 500 herumgeführt zu werden. Die Zuführvorrichtung 120 dient also nicht dem Umschlingen des Objekts 500 mit dem Materialstrang 700, sondern dazu, den Materialstrang 700 an eine bestimmte Seite des Objekts heranzuführen. Vorzugsweise ist die Zuführvorrichtung 120 an sich nicht beweglich, kann jedoch die Fadenvorspannung regulieren.
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Für das Umschlingen des Objekts 500 mit dem Materialstrang 700 ist eine Verknüpfungsvorrichtung 130 vorgesehen. Wie in den Figuren durch die Pfeile X1, X2, X3 dargestellt, sind die Verknüpfungsvorrichtung 130 bzw. Bestandteile der Verknüpfungsvorrichtung 130 zumindest in Querrichtung um das Objekt 500 bewegbar. Die Verknüpfungsvorrichtung 130 kann auch in Längsrichtung des Objekts 500 bewegbar sein.
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Die Verknüpfungsvorrichtung 130 ist dazu geeignet, einen ersten Abschnitt 710 des Materialstrangs 700 zu erfassen. Die Verknüpfungsvorrichtung 130 kann hierzu z.B. Greifer aufweisen, die es erlauben, den Materialstrang 700 an dem ersten Abschnitt 710 fest zu greifen, über das Objekt 500 zu ziehen und wieder loszulassen. Alternativ kann die Verknüpfungsvorrichtung 130 einen Haken aufweisen, der es erlaubt, den ersten Abschnitt 710 zu fassen und über das Objekt zu bewegen.
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Wie in der 1A dargestellt kann die Verknüpfungsvorrichtung 130 den ersten Abschnitt 710 an eine bestimmte Position auf dem Objekt 500 ziehen und dort durch das Erzeugen von Verknüpfungsstellen 750 mit dem Objekt 500 verbinden.
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Die 1A zeigt das Objekt 500 nachdem bereits ein Teil des Materialstrangs 700 von der Verknüpfungsvorrichtung 130 um das Objekt 500 geschlungen wurde. Der Materialstrang 700 läuft hierbei von verschiedenen Verknüpfungsstellen 750 gehalten auf der Ober- und Unterseite des Objekts entlang. Hierbei weist der Pfad des Materialstrangs 700 Umkehrpunkte auf, die von Verknüpfungsstellen 750 gehalten werden. Der Materialstrang 700 umläuft das Objekt 500 also nicht gänzlich, sondern kehrt die Laufrichtung entlang des Querschnittsumfangs des Objekts 500 um.
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Dies ist auf die Bewegung der Verknüpfungsvorrichtung 130 zurückzuführen, wie sie schematisch in den 1 B und 1C dargestellt ist. Diese Figuren zeigen die Umschlingungsvorrichtung 100 entgegen der Förderrichtung des Objekts 500, d.h. entgegen des Pfeils A der 1A.
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In der 1B ist gezeigt, dass der Materialstrang 700 an einer Verknüpfungsstelle 750 mit dem Objekt 500 verbunden wurde. Dieser Teil des Materialstrangs 700 wurde von der Verknüpfungsvorrichtung 130 losgelassen, die stattdessen einen ersten Abschnitt 710 des Materialstrangs 700 erfasst hat. Dieser erste Abschnitt 710 wird nun von der Verknüpfungsvorrichtung 130 in Umfangsrichtung bzw. Querrichtung um das Objekt geführt, wie durch den Pfeil X2 angedeutet.
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Die 1C zeigt den gleichen Aufbau zu einem späteren Zeitpunkt. Die Bewegung des Objekts 500 aufgrund der Förderung durch die Fördervorrichtung 130 ist in der Darstellung der 1C der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Verknüpfungsvorrichtung 130 hat den ersten Abschnitt 710 an der rechts unten gezeigten Verknüpfungsstelle 750 mit dem Objekt 500 verbunden. Hierauf wurde ein von der Zuführvorrichtung 120 nachgeführter weiterer Abschnitt 730 des Materialstrangs von der Verknüpfungsvorrichtung 130 erfasst. Dieser wird nun in entgegengesetzter Richtung um das Objekt 500 geführt.
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Die Verknüpfungsvorrichtung 130 läuft also beim Verbinden des Materialstrangs 700 mit dem Objekt 500 nicht derart um das Objekt 500, dass der nachgeführte Materialstrang 700 sich ebenfalls um das Objekt 500 wickeln würde, wodurch eine Nachführung unmöglich gemacht und ein unkontrolliertes Umwickeln stattfinden würde. Vielmehr wird die Richtung des Herumführens des Materialstrangs 700 um das Objekt 500 rechtzeitig umgekehrt, um dies zu verhindern. Zum Beispiel kann die Richtung des Herumführens spätestens nach einem Umlauf des mit dem Objekt 500 verbundenen Materialstrangs 700 um das Objekt 500 um einen Winkel zwischen 180° und 540°, 270° und 450°, 330° und 390° wieder umgekehrt werden. Der Winkel kann dabei zwischen verschiedenen Umläufen variieren, solange jedem Umlauf der Verknüpfungsvorrichtung 130 in Umfangsrichtung eine entsprechende Rückbewegung in die entgegengesetzte Richtung entspricht, die die Verknüpfungsvorrichtung 130 wieder an ihren Ausgangspunkt zurückbringt.
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In den 1A bis 1C wird der Materialstrang 700 direkt mit dem Objekt 500 verbunden. Es ist aber auch denkbar, zwei Abschnitte des Materialstrangs 700 derart aufeinander zu legen, dass der zwischen diesen Abschnitten liegende Teil des Materialstrangs 700 das Objekt 500 umschlingt. Zu diesem Zweck kann ein zweiter Abschnitt des Materialstrangs 700 auf dem Objekt 500 gehalten werden, z.B. durch Aufpressen auf das Objekt 500 mittels eines Stempels oder Greifers. Der erste Abschnitt 710 wird dann um das Objekt 500 geführt, bis seine Position mit der Position des zweiten Abschnitts übereinstimmt. Dann werden erster Abschnitt 710 und zweiter Abschnitt miteinander und mit dem Objekt 500 verbunden, z.B. durch Verkleben oder Verschweißen. Hierauf kann die Verknüpfungsvorrichtung 130 einen von der Zuführvorrichtung 120 nachgeführten weiteren Abschnitt 730 des Materialstrangs ergreifen und an anderer Stelle in Längsrichtung des Objekts positionieren. Dieser weitere Abschnitt 730 dient dann als Ausgangspunkt für eine weitere Umschlingung des Objekts.
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In dem in den 1A bis 1C gezeigten Beispiel wird der Materialstrang 700 direkt mit dem Objekt 500 verbunden. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass Materialstrang 700 und/oder Objekt 500 mit einer klebenden Substanz bedeckt oder beschichtet sind, die es erlaubt, Teile des Materialstrangs 700 durch bloßes Aufdrücken mittels der Verknüpfungsvorrichtung 130 an dem Objekt 500 zu befestigen. Es kann auch Klebstoff von der Verknüpfungsvorrichtung 130 bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann es auch möglich sein, den Materialstrang 700 durch Aufpressen mit einem erhitzten Bestandteil der Verknüpfungsvorrichtung 130, z.B. mit einem Heizstempel oder Lötkolben, auf das Objekt 500 aufzuschmelzen.
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Hierdurch wird das Bewegungsmuster vereinfacht, das durch die Verknüpfungsvorrichtung 130 ausgeführt werden muss. Jedoch ist es notwendig, Materialstrang 700 und/oder Objekt 500 vorzubehandeln bzw. zusätzliche Komponenten wie Heiz- oder Klebeeinrichtungen vorzusehen, wodurch das Umschlingungsverfahren aufwendig werden kann. Derartige Maßnahmen können entfallen, wenn der Materialstrang 700 durch Verknüpfung mit sich selbst rein mechanisch mit dem Objekt 500 verbunden wird.
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Ein Beispiel für eine rein mechanische Fixierung durch Verknüpfen des Materialstrangs 700 mit sich selbst ist in den 2A bis 2C gezeigt.
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Hierzu weist die Verknüpfungsvorrichtung 130 einen Haken 134 auf, der von einer Halterung 132 gehalten wird. Die Halterung 132 kann dabei wie in den 2A bis 2C gezeigt stabförmig ausgebildet sein, d.h. die Halterung 132 hat die Form eines Stabes oder einer Stange. Die Halterung 132 kann aber auch jede andere Form aufweisen, die es erlaubt, den Materialstrang 700 in der im Folgenden beschriebenen Weise um das Objekt 500 zu schlingen. Die Halterung 132 ist derart mit einem (nicht gezeigten) Aktuator der Verknüpfungsvorrichtung 130 verbunden, dass es möglich ist, den vorderen, den Haken 134 tragenden Teil der Halterung 132 von einer Seite des länglichen Objekt 500 zu einer gegenüberliegenden Seite des Objekts 500 zu bewegen, um dadurch den Materialstrang 700 mit sich selbst zu verknüpfen.
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Der Haken 134 ist dazu geeignet, den Materialstrang 700 an dem ersten Abschnitt 710 zu erfassen. Wie in der 2A gezeigt, fädelt der Haken 134 den gesamten Materialstrang 700 in die Beugung des Hakens 134 ein. Durch Drehen des Hakens 134 derart, dass die Hakenöffnung gegenläufig zu einer auf den Materialstrang 700 wirkenden Zugkraft steht, wird erreicht, dass sich der Materialstrang 700 nicht aus dem Haken 134 löst. Falls dies zur besseren Fixierung des Materialstrangs 700 im Haken 134 beiträgt, kann durch Drehung der Halterung 132 der Haken 134 derart verdreht werden, dass sich eine oder mehrere Schlingen des Materialstrangs 700 bilden, die in der Hakenöffnung umlaufen. In der 2A ist beispielhaft eine derartige Schlinge dargestellt. Der so von dem Haken 134 erfasste Teil des Materialstrangs 700 stellt dann den ersten Abschnitt 710 des Materialstrangs 700 dar.
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Durch vorhergehenden Einsatz der Verknüpfungsvorrichtung 130 bzw. der Halterung 132 und des Hakens 134 umschlingt ein der Verknüpfungsvorrichtung 130 bereits vor dem ersten Abschnitt 710 zugeführter zweiter Abschnitt 720 des Materialstrangs 70 die Halterung 132, wie beispielhaft in der 2A gezeigt. Die Schlinge, die die Halterung 132 umfasst, kann z.B. durch dem Erfassen des ersten Abschnitts 710 vorgelagertes Einfädeln der Halterung 132 in den Materialstrang 700 und anschließendes Verdrillen des Materialstrangs erflogen. Die Schlinge des zweiten Abschnitts 720 kann sich aber auch wie weiter unten beschrieben durch vorhergehende Schritte des Umschlingungsprozesses automatisch ergeben.
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Von der Schlinge des zweiten Abschnitts 720 des Materialstrangs 700 aus verläuft der Materialstrang 700 auf einer Seite des Objekts 500 zu dem ersten Abschnitt 710 des Materialstrangs 700. In der 2A ist dies beispielhaft die Unterseite des Objekts 500.
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Der von dem Haken 134 erfasste erste Abschnitt 710 wird nun, wie in der 2B beispielhaft dargestellt, durch entsprechende Bewegung der Halterung 132 entlang der dieser Seite gegenüberliegenden Seite des Objekts 500 über das Objekt 500 gezogen, d.h. in den 2A und 2B über die Oberseite des Objekts 500. Es entsteht dadurch eine Schlinge oder Schlaufe des Materialstrangs 700, die in Querrichtung um das Objekt 500 läuft und dieses umschlingt.
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Die Halterung 132 wird dann samt Haken 134 durch den zweiten Abschnitt 720 gezogen. Es entsteht also eine Verknüpfung zwischen dem ersten Abschnitt 710 und dem zweiten Abschnitt 720, die den zwischen diesen beiden Abschnitten liegenden Teil des Materialstrangs an dem Objekt 500 fixiert.
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Die Festigkeit dieser Fixierung lässt sich hierbei durch die über die Halterung 132 auf den Haken 134 ausgeübte Zugkraft einstellen, sowie durch die Fadenspannung des Materialstrangs. Je stärker die Zugkraft bzw. die Fadenspannung, desto straffer legt sich der Materialstrang 700 um das Objekt und desto fester sitzt der Materialstrang 700 an dem Objekt. Es entsteht also eine rein mechanische Verbindung zwischen Materialstrang 700 und Objekt 500, die durch Verknüpfung des Materialstrangs 700 mit sich selbst hergestellt wird. Zusätzlich kann z.B. durch Imprägnieren von Objekt 500 und/oder Materialstrang 700 mit einem Klebstoff, etwa einem Harz oder Polyurethan, der Materialstrang 700 mit dem Objekt 500 verklebt werden, um die Stabilität der Verbindung zu erhöhen.
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Wie in der 2B gezeigt, wird der erste Abschnitt 710 in Form einer Schlinge durch die von dem zweiten Abschnitt 720 gebildete Schlaufe gezogen. Der erste Abschnitt 710 umläuft den Haken 134 also auch nach Durchziehen durch den zweiten Abschnitt 720. Durch Bewegung der Halterung 132 entlang der Längsrichtung des Objekts 500 (und damit verbundenes Nachziehen des Materialstrangs durch die Schlaufe des zweiten Abschnitts 720) kann diese Schlinge in Längsrichtung beabstandet zur oben beschriebenen Umschlingung am Objekt 500 positioniert werden. Die durch den ersten Abschnitt 710 gebildete Schlinge verschiebt sich dabei auf die Halterung 132 und dient dann für den nächsten Umschlingungsvorgang als von der Halterung 132 gehaltener Abschnitt des Materialstrangs, durch den ein von dem Haken erfasster Teil des Materialstrangs 700 wie oben beschrieben zur Umschlingung des Objekts 500 hindurchgezogen werden kann. Die Schlinge um die Halterung 132 für die Verknüpfung des Materialstrangs 700 mit sich selbst ergibt sich hierbei also automatisch.
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Dies ermöglicht es, das Objekt 500 in Endlosfertigung mit dem Materialstrang 700 zu umschlingen. Hierzu ist es insbesondere von Vorteil, wenn das Objekt, wie in der 2B durch den Pfeil Z gezeigt durch die Verknüpfungsvorrichtung 130 gezogen wird. Bei einer entsprechend gewählten Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts 500 kann die Bewegung der Verknüpfungsvorrichtung 130 bzw. der Kombination von Halterung 132 und Haken 134 im Wesentlichen auf die Querrichtung des Objekt 500 beschränkt bleiben.
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Alternativ zur oben beschriebenen Variante des Umschlingungsvorgangs, in dem die vom Haken durch eine zuvor gebildete Schlinge des Materialstrangs hindurchgezogene Schlaufe sofort an anderer Stelle des Objekts 500 positioniert wird, kann, wie beispielhaft in der 2C dargestellt, die hindurchgezogene Schlaufe an der Stelle des zweiten Abschnitts 720 verbeiben und ein weiterer Abschnitt 730 des Materialstrangs 700 kann von dem Haken 134 erfasst und um das Objekt 500 geschlungen werden, indem dieser weitere Abschnitt 730 durch Hindurchziehen durch die vom ersten Abschnitt 710 gebildete Schlaufe mit dem ersten Abschnitt 710 verknüpft wird.
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Wie in der 2C dargestellt, kann der Haken 134 den Materialstrang 700 bei dieser zweiten Schlaufenbildung an gleicher Stelle des Objekt 500, aber auf der anderen Seite des Objekt 500 vorbeiführen als bei der ersten Schlaufenbildung. So wurde in der 2B der Materialstrang 700 über die Vorderseite des Objekts 500 gezogen, während er in der 2C über die Rückseite des Objekts 500 gezogen wird. Hierdurch wird eine doppelte Umschlingung mit zwei in Querrichtung 500 des Objekts gegenläufigen Zugrichtungen erzeugt, die dem Objekt 500 eine größere Stabilität und eine gleichmäßigere Form gibt.
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Durch repetitives Fassen von weiteren Abschnitten des Materialstrangs 700, die der Verknüpfungsvorrichtung 130 von einer Seite des Objekts 500 endlos nachgeführt werden, kann also unter Vermeidung der im einleitenden Teil genannten Probleme eine Umschlingung oder Umwicklung eines länglichen Objekts erreicht werden. Die Verknüpfung der einzelnen Abschnitte des Materialstrangs 700 kann hierbei durch die Erzeugung von Häkelmaschen aus dem Materialstrang 700 erfolgen. Insofern sind die oben erläuterten Vorgänge rein beispielhaft. Es ist z.B. auch denkbar, das Objekt 500 mit jeder anderen Verknüpfungs- oder Häkeltechnik zu umschlingen, die einen durch, gegebenenfalls einstellbare, Zugkräfte erzeugten Sitz des Materialstrangs 700 auf dem Objekt 500 gewährleistet.
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Zudem ist es auch möglich, durch das Vorsehen mehrerer Materialstränge andere Umschlingungsvarianten zu erzeugen. Zum Beispiel kann durch die gleichzeitige Verwendung von mehreren Haken wie sie oben beschrieben wurde das oben erläuterte Verknüpfungsmuster entsprechend der Anzahl der Materialstränge vermehrt werden. Die einzelnen Haken können hierbei z.B. an verschiedenen Längspositionen des Objekts 500 vorgesehen sein und dieses simultan umschlingen. Die Materialstränge können hierbei z.B. von verschieden Stellen in Umlaufrichtung des Objekts 500 zugeführt werden, um die Zufuhr nicht zu verkomplizieren oder zu stören.
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Es ist aber auch denkbar, durch entsprechende Ausgestaltung der Verknüpfungsvorrichtung 130 verschiedene Materialstränge miteinander zu verknüpfen. Alternativ ist es auch möglich, einen einzelnen Materialstrang mit einer Verknüpfungsvorrichtung 130, die verschiedene Abschnitte des Materialstrangs mit unterschiedlichen Verknüpfungsmitteln fasst, um das Objekt zu legen. Es können im Wesentlichen sämtliche Verknüpfungs-, Häkel-, Strick- oder Webevorgänge verwendet werden, die sich dazu eignen, ein längliches Objekt enganliegend und durch Zugkräfte stabilisiert mit einem Materialstrang zu umschlingen. Auf diese Weise kann das Objekt in Endlosfertigung ohne Fehlstellen und in einfacher Weise mit Material umschlungen werden und dadurch z.B. der Reibungskoeffizient bezüglich Zugkräften in Längsrichtung des Objekts angepasst werden.
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Die Steuerung der Verknüpfungsvorrichtung 130 kann hierbei über eine Computersteuerung oder auch mittels einer mechanischen Führung, z.B. einer mechanischen Nadelführung der verwendeten Nadeln oder Haken erfolgen.
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Derartige Umschlingungstechniken sind insbesondere für die Herstellung von querverstärkten Faserbündeln mittels Pultrusion von Interesse, z.B. für die Herstellung von Bewehrungsstäben aus Faserbündeln, z.B. aus Glasfasern oder Carbonfasern. Die 3 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Pultrusionsvorrichtung 200, die eine Umschlingungsvorrichtung 100 aufweist, wie sie oben beschrieben wurde.
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Die Pultrusionsvorrichtung 200 weist ein Faserlager 160 auf, von dem aus Fasern für das aus einem Faserbündel bestehende längliche Objekt 500 endlos nachgeführt werden können. Wie aus dem Stand der Technik bekannt kann das Faserlager 160 hierzu eine Mehrzahl von Spulen aufweisen, auf denen jeweils eine Faser derart aufgewickelt ist, dass es möglich ist, Faserenden von Fasern verschiedener Spulen miteinander zu verbinden. Hierdurch ist es möglich, durch rechtzeitiges Verbinden vor Auslaufen einer Spule Fasern beliebiger Länge, d.h. endlos, nachzuführen.
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Neben den Fasern für das Faserbündel kann das Faserlager 160 auch Fasern für den Materialstrang 700 aufweisen. Dieser kann aus den gleichen Fasern wie das Faserbündel bestehen. Es ist aber auch möglich, andere Fasern zuzuführen, um die Eigenschaften des fertigen Produkts zu beeinflussen. Die Fasern für den Materialstrang 700 können also ebenso wie die Fasern für das Faserbündel endlos nachgeführt werden. Der Materialstrang 700 kann hierbei aus einer einzelnen oder auch aus einer Mehrzahl von Fasern bestehen. Es ist auch möglich, einen Materialstrang oder ein Faserbündel aus einer Mischung aus verschiedenen Fasern zu generieren.
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Das Material der Fasern ist hierbei lediglich durch seine Eignung für die Fertigung beschränkt, d.h. es muss ausreichend Zug- und Biegefest sein, um die Pultrusionsvorrichtung 200 durchlaufen zu können bzw. um um das Faserbündel geschlungen werden zu können. Das Faserlager 160 kann auch als Teil der Umschlingungsvorrichtung 100 angesehen werden, insbesondere wenn der Materialstrang 700 aus dem Faserlager 160 gespeist wird.
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Die Fasern aus dem Faserlager 160 werden über eine Faserführung zusammengeführt und ins Innere der Pultrusionsvorrichtung 200 geleitet. Die Faserführung bündelt hierbei die Einzelfasern des Faserbündels. Zudem kann die Faserführung die Zuführvorrichtung 120 der Umschlingungsvorrichtung 100 aufweisen, die den Materialstrang 700 im Wesentlichen parallel zum Faserbündel durch die Pultrusionsvorrichtung 200 führt. Der Materialstrang 700 läuft also entlang einer Längsseite des Faserbündels.
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Die Umschlingungsvorrichtung 100 bzw. die Pultrusionsvorrichtung 200 weist eine dem Umschlingungsvorgang vorgelagerte Imprägniervorrichtung 140. In der Imprägniervorrichtung 140 werden die Fasern des Faserbündels mit einer Matrix wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist getränkt, etwa einem Kunstharz, Polyurethan oder dergleichen, um sie aneinander haften zu lassen. Es kann hierbei jedes aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Imprägnierung verwendet werden. Optional kann auch der Materialstrang 700 die vorgelagerte Imprägniervorrichtung 140 durchlaufen, falls dies notwendig ist, um die Verbindung zwischen Materialstrang 700 und Faserbündel herzustellen oder zu verbessern. Ebenso kann die Imprägnierung des Faserbündels entfallen, falls diese für die Stabilität des Faserbündels nicht notwendig ist.
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Die vorgelagerte Imprägniervorrichtung 140 wird hierbei in bekannter Weise von einer Dosiervorrichtung 210 und einem Mischkopf 220 gespeist, um Matrix der richtigen Konfiguration bereitstellen zu können. Da die Verwendung von Imprägniervorrichtungen für die Pultrusion bekannt ist, braucht hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
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Dem Faserstrang wird hierauf von der Zuführvorrichtung 120 der Verknüpfungsvorrichtung 130 seitlich der Materialstrang 700 zugeführt. Der Materialstrang wird dann von der Verknüpfungsvorrichtung 130 in einer der oben beschriebenen Weisen mit dem Faserbündel verbunden, z.B. durch Aufkleben, Aufschmelzen oder mechanisches Verknüpfen. Da es hierzu nicht nötig ist, das Faserbündel umlaufende Bauteile vorzusehen, tritt an dieser Stelle im Vergleich zu herkömmlichen Pultrusionsanlagen eine geringere Abnutzung der Komponenten der Pultrusionsanlage auf. Zudem kann die Pultrusionsanlage weniger komplex ausgebildet werden.
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In der 3 ist nur das Zuführen eines einzelnen Materialstrangs 700 gezeigt. Wie oben bereits erläutert kann die Pultrusionsvorrichtung 200 aber auch mehrere Materialstränge 700 um das Faserbündel legen.
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Nach Durchlaufen der Verknüpfungsvorrichtung 130 kann eine nachgelagerte Imprägniervorrichtung 150 vorgesehen sein, die ebenfalls von der Dosiervorrichtung 210 und dem Mischkopf 220 gespeist wird. Falls notwendig kann hier durch Imprägnieren mit Matrix in bekannter Weise eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Materialstrang 700 und dem Faserbündel hergestellt werden bzw. die bereits bestehende Verbindung stabilisiert werden.
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Das mit dem Materialstrang 700 umschlungene Faserbündel tritt dann in eine Heizstrecke 230, in der die Matrix ausgehärtet wird, um eine dauerhafte und feste Verbindung zwischen den einzelnen Fasern herzustellen. Die längslaufenden Fasern des Faserbündels geben dem dadurch entstehenden Produkt eine große Zugfestigkeit, während die querlaufenden Fasern des Materialstrangs 700 zusätzliche Stabilität z.B. bei starken Auszugskräften verleihen, indem sie den Reibungskoeffizienten bezüglich der Auszugsrichtung vergrößern.
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Schlussendlich wird das ausgehärtete Produkt in einem Abzug bzw. einer Säge 240 auf die gewünschte Länge geschnitten oder in einem Wickler aufgerollt. Da die Umwicklung des Faserbündels ohne Unterbrechung im Endlosbetrieb erfolgen kann, weist das ausgehärtete Produkt keine Fehlstellen auf. Es entsteht also kein Ausschuss aufgrund von Fehlstellen. Ebenso entfällt eine zeit- bzw. kostenintensive Kontrolle des ausgehärteten Produkts auf derartige Fehlstellen. Ein Aussortieren wird somit überflüssig.
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Es wird also ermöglicht, stabilisierte Pultrudate mit erhöhtem Reibungskoeffizienten in Endlosfertigung herzustellen, ohne die Pultrusionsanlage übermäßig zu verschleißen, ohne Fehlstellen im Pultrudat zu erzeugen und ohne die Pultrusion für die Nachführung von Material stoppen zu müssen. Dadurch wird eine vergleichsweise kostengünstige Produktion von querstabilisierten Pultrudaten hoher Qualität möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Umschlingungsvorrichtung
- 110
- Fördervorrichtung
- 120
- Zuführvorrichtung
- 130
- Verknüpfungsvorrichtung
- 132
- Stabförmige Halterung
- 134
- Haken
- 140
- Vorgelagerte Imprägniervorrichtung
- 150
- Nachgelagerte Imprägniervorrichtung
- 160
- Faserlager
- 200
- Pultrusionsvorrichtung
- 210
- Dosiervorrichtung
- 220
- Mischkopf
- 230
- Heizstrecke
- 240
- Abzug, Säge
- 500
- Längliches Objekt, Faserbündel
- 510
- Längsseite des länglichen Objekts
- 700
- Materialstrang
- 710
- Erster Abschnitt des Materialstrangs
- 720
- Zweiter Abschnitt des Materialstrangs
- 730
- Weiterer Abschnitt des Materialstrangs
- 750
- Verbindungsstellen
