-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers mit mindestens einem konkaven Oberflächenabschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Die Erfindung betrifft ebenso eine Anlage zur Herstellung eines solchen Wickelkörpers.
-
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vor-gegebene Richtung abtragen.
-
Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Fasermaterial und Matrixmaterial können getrennt vorliegen oder bereits in eingebetteter Form. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
-
Vor dem Aushärten des Matrixmaterials wird in der Regel das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht, das mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche die spätere Bauteilform nachbildet. Dabei können sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasermaterialien in das Formwerkzeug abgelegt bzw. eingebracht werden. Zur Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen von Verkehrsflugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden zur Optimierung des Ablegeverfahrens automatisierte Faserablegeprozesse verwendet, bei denen mithilfe einer Fertigungsanlage und mindestens einem Faserlegekopf ein dem Faserlegekopf zugeführtes quasiendloses Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird.
-
Eine solche automatisierte Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 027 B4 bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Ablegekopf als Endeffektor haben. Mittels einer Faserzuführung werden den Ablegeköpfen kontinuierlich Fasermaterial aus einem Fasermagazin zugeführt, während die einzelnen Roboter mit ihren Ablegeköpfen das ihnen zugeführte Fasermaterial auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Formwerkzeug ablegen.
-
Neben dem linearen Ablegen von Fasermaterial auf einem Werkzeug sind auch Wickelprozess bekannt, bei denen das Fasermaterial um laufend auf einer Werkzeugoberfläche eines Werkzeuges abgelegt wird, welches sich um die eigene Längsachse dreht. Hierbei wird das Fasermaterial aufgrund der Rotationsbewegung von dem Materialspeicher abgezogen und auf die umlaufend ausgebildete Werkzeugoberfläche aufgewickelt. Ein solches Wickelverfahren ist beispielhaft aus der
DE 10 2014 112 311 A1 bekannt, bei dem der Wickelkern flexibel ausgebildet ist, um durch Einstellen von Drücken in dem Wickelkern (auch Liner oder Wickelwerkzeug genannt) einen Prozessdruck auf das aufgewickelte Fasermaterial ausüben zu können.
-
Der große Nachteil von Wickelverfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers besteht darin, dass ausschließlich Wickelkörper mit geraden Oberflächen oder konvex gekrümmten Oberflächen hergestellt werden können, da bei einem Wickelprozess technisch bedingt konkav gekrümmte Oberflächen nicht herstellbar sind. Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass beim Aufwickeln des Fasermaterials auf den Wickelkern das Fasermaterial der Kontur der konkav gekrümmten Oberfläche des Wickelkerns nicht folgen kann, da es aufgrund des Abzugs des Fasermaterials auf den Wickelkern ständig aus der durch die konkav gekrümmte Oberfläche gebildeten Kavität herausgezogen wird.
-
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie Anlage anzugeben, mit denen Wickelkörper mit konkaven Oberflächenabschnitten herstellbar sind.
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Anlage gemäß Anspruch 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
-
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers mit mindestens einem konkaven Oberflächenabschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial vorgeschlagen, wobei zunächst ein Wickelkern zum Ablegen des Fasermaterials bereitgestellt wird. Der Wickelkern weist dabei mindestens einen konkaven Kernabschnitt auf, der den mindestens einen konkaven Oberflächenabschnitt des Wickelkörpers ausbilden soll.
-
Unter einem konkaven Kernabschnitt wird dabei ein Bereich der Oberfläche des Wickelkerns verstanden, deren Mitte gegenüber dem Rand zurücktritt. Mit anderen Worten, der konkaven Kernabschnitt erstreckt sich in Richtung der gedachten Längsachse des Wickelkerns, um den sich der Wickelkern oder eine Faserwickeleinrichtung rotierend bewegt. Der gesamte konkave Kernabschnitt des Wickelkerns weist dabei gegenüber dem Rand des konkaven Kernabschnittes einen geringeren Abstand zur Längsachse des Wickelkerns auf. Ein über dem konkaven Kernabschnitt abgelegtes Fasermaterial würde dabei von der einen Seite des Randbereiches des konkaven Kernabschnittes zu der anderen Seite des Randbereiches des konkaven Kernabschnittes verlaufen und dabei die Oberfläche des konkaven Kernabschnitts nicht berühren. Vielmehr wird durch den konkaven Kernabschnitt eine Kavität in dem Wickelkern ausgebildet, die radial nach außen offen ist.
-
Der in dem Wickelkern vorgesehene konkave Kernabschnitt ist dabei insbesondere so ausgebildet, dass beim Aufwickeln des Fasermaterials der konkave Kernabschnitt überspannt wird und das aufgewickelte Fasermaterial die Oberfläche im konkaven Kernabschnitt zumindest teilweise nicht berührt und somit der Kontur der Oberfläche im konkaven Kernabschnitt nicht folgen würde.
-
Anschließend wird das Fasermaterial auf dem Wickelkern mittels einer Faserwickeleinrichtung derart aufgewickelt, dass der Wickelkern einschließlich des mindestens einen konkaven Kernabschnittes abgedeckt wird. Der Wickelkern wird dabei durch das Fasermaterial insbesondere in den Bereichen abgedeckt, welche für die spätere Bauteilgeometrie wesentlich sind.
-
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Fasermaterial während des Aufwickelns innerhalb des konkaven Kernabschnittes mittels einer Hefteinrichtung an den Wickelkern und/oder an bereits auf dem Wickelkern abgelegtes Fasermaterial angedrückt und angeheftet wird, sodass das Fasermaterial der Kontur des konkaven Kernabschnittes folgt. Mit anderen Worten, mithilfe der Hefteinrichtung wird das Fasermaterial in den konkaven Kernabschnitt hineingedrückt, sodass es an der Oberfläche des konkaven Kernabschnittes (gebildet durch das Werkzeug oder durch bereits abgelegtes Fasermaterial) anliegt und so der Kontur des konkaven Kernabschnittes folgen kann. Damit kann erreicht werden, dass die Kontur des konkaven Kernabschnittes zur Bildung der Bauteilgeometrie genutzt werden kann, um so mindestens einen konkaven Oberflächenabschnitt in dem Wickelkörper ausbilden zu können.
-
Der Erfinder dabei erkannt, dass mithilfe einer Hefteinrichtung das Fasermaterial innerhalb des konkaven Kernabschnittes an den Wickelkern oder an bereits abgelegtes Fasermaterial so angeheftet werden kann, dass trotz der Zugbelastung, die auf das Fasermaterial aufgrund des Wickelprozesses ausgeübt wird, das Fasermaterial prozesssicher der Oberfläche im konkaven Kernabschnittes folgt und somit der so hergestellte Wickelkörper einen entsprechenden konkaven Oberflächenabschnitt hat. Damit lassen sich Wickelkörper herstellen, die zumindest teilweise eine konkave Oberfläche haben.
-
Das Fasermaterial kann trockenes Fasermaterial oder vorimprägniertes Fasermaterial sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fasermaterial mittels der Hefteinrichtung angedrückt und angeheftet wird, bevor das Fasermaterial auf einen an den konkaven Kernabschnitt folgenden Abschnitt des Wickelkerns abgelegt wird. Hierdurch wird verhindert, dass durch die Hefteinrichtung Reibungskräfte durch das Auflegen des Fasermaterials an bereits folgenden Abschnitten des Wickelkerns beim Eindrücken des Fasermaterials in den konkaven Kernabschnitt verbunden werden müssen, die gegebenenfalls Beschädigungen des Fasermaterials nach sich ziehen können.
-
Grundsätzlich ist jedoch vorgesehen, dass mittels der Hefteinrichtung das Fasermaterial angedrückt und angeheftet wird, bevor das Fasermaterial auf den im Wickelprozess nächst folgenden konkaven Kernabschnitt abgelegt werden soll. Dies kann auch denselben konkaven Kernabschnitt betreffen, wenn das Fasermaterial einmal vollständig um laufend abgelegt wurde.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fasermaterial in dem mindestens einen konkaven Kernabschnitt mittels der Hefteinrichtung formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angeheftet wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Fasermaterial in dem konkaven Kernabschnitt mittels der Hefteinrichtung durch Vernähen und/oder Tackern des Fasermaterials mit der darunterliegenden Schicht (Oberfläche des Wickelkerns oder bereits abgelegtes Fasermaterial) angeheftet wird, wodurch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fixierung im konkaven Kernabschnitt erreicht wird. Denkbar ist aber auch, dass durch einen Temperatureintrag in das anzuheftende Fasermaterial in den konkaven Kernabschnitt ein Bindermaterial aktiviert wird, der eine stoffschlüssige Fixierung des Fasermaterials in dem konkaven Kernabschnitt des Wickelkerns mit der darunterliegenden Schicht realisiert.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Aufwickeln des Fasermaterials der Wickelkern um seine Längsachse rotiert. Die Hefteinrichtung kann dabei zusammen mit dem Wickelkern um die Längsachse des Wickelkerns rotieren, sodass die Hefteinrichtung ihre relative Ausrichtung gegenüber dem Wickelkern nicht verändert und insbesondere immer im Bereich des konkaven Kernabschnittes verbleibt. Denkbar ist aber auch, dass die Hefteinrichtung gegenüber dem Wickelkern feststeht und nicht um die Längsachse rotiert, sodass sich die relative Ausrichtung der Hefteinrichtung gegenüber dem Wickelkern stets verändert. Durch die Rotation des Wickelkerns kommt dabei der konkaven Kernabschnitt nur zeitweise in den Bereich der Hefteinrichtung, um das Fasermaterial in den konkaven Kernabschnitt des Wickelkerns zu drücken und anzuheften.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann aber auch vorgesehen sein, dass zum Aufwickeln des Fasermaterials die Faserwickeleinrichtung um die Längsachse des Wickelkerns rotiert, wobei der Wickelkern in dieser Ausführungsform bevorzugter Weise sich nicht um die Längsachse rotierend bewegt. Hierbei kann die Hefteinrichtung zusammen mit der Faserwickeleinrichtung um die Längsachse des Wickelkerns rotieren, durch die Hefteinrichtung nur zeitweise in den Bereich des konkaven Kernabschnittes kommt. Denkbar ist aber auch, dass die Hefteinrichtung gegenüber der Faserwickeleinrichtung feststeht und nicht rotiert und somit gegenüber dem nicht rotierenden Wickelkern ihre relative Ausrichtung nicht verändert.
-
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Anlage zur Herstellung eines Wickelkörpers mit mindestens einem konkaven Oberflächenabschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gemäß Anspruch, wobei die Anlage aufweist:
- - einen Wickelkern zum Ablegen des Fasermaterials, wobei der Wickelkern mindestens einen konkaven Kernabschnitt hat, der den mindestens einen konkaven Oberflächenabschnitt des Wickelkörpers ausbildet,
- - eine Faserwickeleinrichtung, die zusammen mit dem Wickelkern zum Aufwickeln des Fasermaterials auf dem Wickelkern derart ausgebildet ist, dass der Wickelkern einschließlich des mindestens einen konkaven Kernabschnittes abgedeckt wird, und
- - eine Hefteinrichtung, die eingerichtet ist, das Fasermaterial während des Aufwickelns innerhalb des konkaven Kernabschnittes an den Wickelkern und/oder an bereits abgelegtes Fasermaterial anzudrücken und anzuheften, so dass das Fasermaterial der Kontur des konkaven Kernabschnittes folgt.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Die Anlage ist dabei insbesondere so ausgebildet, das sie das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers mit mindestens einem konkaven Oberflächenabschnitt ausführen kann.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung des Ablaufes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage in einer besonderen Ausführungsform;
- 3 schematische Darstellung gehefteter Faserlagen.
-
1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In jedem der einzelnen Schritte a) bis c) jeweils einen Anlage 10 gezeigt, die einen Wickelkern 11 hat, auf dem ein Fasermaterial 12 abgelegt werden soll. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei der Wickelkern 11 gegen den Uhrzeigersinn rotierend vorgesehen.
-
Das abzulegende Fasermaterial 12 ist in einem Fasermaterialspeicher 13 hinterlegt. Mittels einer Faserwickeleinrichtung 14 wird das in dem Fasermaterialspeicher 13 hinterlegte Fasermaterial 12 dem Wickelkern 11 zugeführt, sodass das Fasermaterial 12 dann auf den Wickelkern 11 der Anlage 10 aufgewickelt werden kann.
-
Der Wickelkern 11 weist zum einen gerade bzw. flächige Oberflächenabschnitte 15 auf, die keine konkav gekrümmte Oberfläche aufweisen. Diese geraden bzw. flächigen Oberflächenabschnitte 15 können dabei insbesondere auch konvex gekrümmte Oberflächen sein.
-
Der Wickelkern 11 weist des Weiteren konkav gekrümmte Oberflächenabschnitte 16 auf, die sich in Richtung der Längsachse 17 des Wickelkerns 11, um den sich der Wickelkern 11 rotatorisch bewegt, erstrecken und sich dahin zurückziehen. Im Ausführungsbeispiel der 1 handelt es sich bei den konkav gekrümmten Oberflächenabschnitten 16 um nach innen abgewickelte Oberflächen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als konkav gekrümmte Oberflächenabschnitte betrachtet werden.
-
Der Wickelkern 11 im Ausführungsbeispiel der 1 weist dabei insgesamt vier gerade Oberflächenabschnitte 15 (15a bis 15d) auf und hierzu korrespondierend vier konkav gekrümmte Oberflächenabschnitte 16 (16a bis 16d).
-
Im ersten Schritt a) wird das Fasermaterial 12 auf den ersten geraden Oberflächenabschnitt 15a gelegt, wobei sich der Wickelkern 11 nunmehr zum Aufwickeln des Fasermaterials 12 gegen den Uhrzeigersinn dreht. In der Position, wie sie im zweiten Schritt b) gezeigt ist, überspannt das Fasermaterial 12 den ersten konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt 16a, da sich das Fasermaterial 12 aufgrund der Zugspannung nicht automatisch in die Kavität des konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes 16a eingelegt.
-
Hierzu wird erfindungsgemäß im dritten Schritt c) mithilfe einer Hefteinrichtung 18 das Fasermaterial in den konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt 16a eingedrückt und an die Oberfläche des Wickelkerns 11 im Bereich des konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes 16a angedrückt. Dies geschieht vorzugsweise am tiefsten Punkt des konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes 16a, der sich bezogen auf den gesamten Oberflächenabschnitt 16a am nächsten zu der Längsachse 17 befindet.
-
An diesen Punkt wird nun mithilfe der Hefteinrichtung 18 das Fasermaterial in dem konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt 16a formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angeheftet, um es innerhalb des konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes 16a zu fixieren.
-
Dreht sich nun der Wickelkern 11 Weiterungen seine Längsachse 17 entgegen dem Uhrzeigersinn, so führt das nicht dazu, dass das Fasermaterial 12, welches der Kontur des konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes 16a folgt, aus dieser Kavität wieder herausgezogen wird.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei die Hefteinrichtung 18 feststehend gegenüber dem Wickelkern 11 angeordnet und dreht sich insbesondere nicht mit um die Längsachse 17 des Wickelkerns 18.
-
Des Weiteren ist im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, dass die Hefteinrichtung 18 das Fasermaterial an dem Wickelkern 11 vernäht bzw. annäht, was voraussetzt, dass der Wickelkern 11 eine hierfür geeignete Oberfläche hat. Denkbar ist auch, dass mittels der Hefteinrichtung 18 das Fasermaterial in Art einer Klammer, die durch das Fasermaterial in die Oberfläche des Wickelkerns 11 hindurchgeführt wird, angeheftet wird.
-
2 zeigt eine Ausführungsform einer Anlage 10, bei der die Form des Wickelkerns 11 identisch ist im Ausführungsbeispiel der 1. Allerdings ist hierbei für jeden konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt 16 jeweils eine eigene Hefteinrichtung 18a bis 18d vorgesehen, die so ausgebildet sind, dass sich zusammen mit dem Wickelkern 11 um die Längsachse 17 gegen den Uhrzeigersinn mit Drehen. Die relative Ausrichtung und Positionierung der einzelnen Hefteinrichtungen 18 verbleibt dabei unverändert gegenüber Ihrem jeweils zugeordneten konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt 16. Diese Zuordnung ist im Ausführungsbeispiel der 2 beispielsweise durch die buchstäbliche Nummerierung der konkav gekrümmten Oberflächenabschnittes und der Hefteinrichtungen erkennbar.
-
Damit sich die Hefteinrichtungen 18 und die Faserwickeleinrichtung 14 nicht gegenseitig behindern, wird das Fasermaterial 12 schräg auf den Wickelkern 11 aufgewickelt, was in der unteren Abbildung der 2 gezeigt ist.
-
Die Hefteinrichtung 18 sind dabei in Bezug auf die Längsachse 17 des Wickelkerns 11 axial beweglich angeordnet, ebenso wie die Faserwickeleinrichtung 14, um so aufgrund des schrägen Aufwickelns des Fasermaterials 12 auf den Wickelkern 11 der axialen Verschiebung zu folgen.
-
3 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung das übereinander abgelegte Fasermaterial 12, welches in einem konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt abgelegt wurde. Dabei wurden die einzelnen Lagen Fasermaterial an die darunter liegende Lage Fasermaterial mithilfe eines Garns 19 vernäht. Die unterste Lage Fasermaterial, die zuerst abgelegt wurde, wurde dabei gegenüber der Oberfläche des Wickelkerns 11 vernäht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Anlage
- 11
- Wickelkern
- 12
- Fasermaterial
- 13
- Fasermaterialspeicher
- 14
- Faserwickeleinrichtung
- 15
- gerade Oberflächenabschnitte des Wickelkerns (15a - 15d)
- 16
- konkav gekrümmte Oberflächenabschnitte des Wickelkerns (16a - 16d)
- 17
- Längsachse des Wickelkerns
- 18
- Hefteinrichtung
- 19
- Garn zum Vernähen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010015027 B4 [0005]
- DE 102014112311 A1 [0006]
