DE102020005907A1

DE102020005907A1 - Fiber lay-down roll for a continuous fiber winding process, winding device and winding method

Info

Publication number: DE102020005907A1
Application number: DE102020005907.4A
Authority: DE
Inventors: Antonio Johman; Clemens Braun; Alexander Kasses; Martin Nebe
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Faserablegerolle (1) für einen Endlosfaserwickelprozess (2) mit einem zumindest im wesentlichen zylinderförmigen Körper (3), der in eine Vielzahl von aneinander angrenzenden und unabhängig voneinander um eine Drehachse (4) rotierbare Segmente (5) unterteilt ist, die gemeinsam eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Rovings (6) oder Faserbändern umlenken Die erfindungsgemäße Faserablegerolle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (5) jeweils eine in Richtung der Drehachse (4) verlaufende Segmentbreite (bs) aufweisen, welche jeweils kleiner ist als eine Breite (bF) der einzelnen Rovings (6) oder Faserbänder.The invention relates to a fiber laying roller (1) for a continuous fiber winding process (2) with an at least essentially cylindrical body (3) which is divided into a large number of adjacent segments (5) which can be rotated independently of one another about an axis of rotation (4). jointly deflect a large number of rovings (6) or slivers arranged next to one another. bF) of the individual rovings (6) or slivers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Faserablegerolle für einen Endlosfaserwickelprozess nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie eine Wickelvorrichtung und ein Wickelverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.The invention relates to a fiber laying roller for a continuous fiber winding process according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1, as well as a winding device and a winding method for producing a fiber composite component.

Faserverbundbauteile, insbesondere Faser-Kunststoff-Verbundbauteile sind generell aus dem Stand der Technik bekannt. Diese bestehen aus einem meist mehrschichtigem Laminat aus in eine Kunststoffmatrix eingehüllten Fasern und weisen dank der mit der Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen einhergehenden hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit typischerweise eine im Vergleich zu Stahlbauteilen verbesserte Belastbarkeit bei einem geringeren Gewicht auf. In Abhängigkeit einer Faserausrichtung weisen Faserverbundbauteile außerdem ein anisotropes Werkstoffverhalten auf, was durch eine geschickte Bauteilauslegung gezielt an ein Bauteil gestellte Anforderungen angepasst werden kann.Fiber composite components, in particular fiber-plastic composite components, are generally known from the prior art. These usually consist of a multi-layer laminate of fibers wrapped in a plastic matrix and, thanks to the high specific strength and rigidity associated with the use of fiber-plastic composite components, typically have improved resilience compared to steel components at a lower weight. Depending on the fiber orientation, fiber composite components also exhibit anisotropic material behavior, which can be specifically adapted to the requirements of a component through skillful component design.

Als Faserwerkstoffe werden insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern genutzt, wobei der Faserwerkstoff typischerweise in Abhängigkeit einer Zugfestigkeit der Fasern und ihres Preises ausgewählt wird. Die Einzelfasern werden dabei in Form von Rovings oder Bändern auf sogenannten Spulen aufgewickelt oder als trockene Halbzeuge in Form von Geweben (Multiaxial-)Gelegen, Gesticken, Geflechten, Matten oder als Vlies vertrieben. Als Matrixwerkstoff kommen Epoxidharze zum Einsatz. So ist auch bekannt, die Halbzeuge mit dem Matrixwerkstoff zur Ausbildung vorimprägnierter Halbzeuge, beispielsweise sogenannter Prepregs und Towpregs, vorab in einem Infiltrierprozess zu tränken.In particular, glass fibers, carbon fibers and/or aramid fibers are used as fiber materials, with the fiber material typically being selected depending on the tensile strength of the fibers and their price. The individual fibers are wound up on so-called spools in the form of rovings or ribbons or sold as dry semi-finished products in the form of woven (multiaxial) fabrics, embroidered fabrics, braids, mats or fleece. Epoxy resins are used as the matrix material. It is also known to impregnate the semi-finished products with the matrix material beforehand in an infiltration process to form pre-impregnated semi-finished products, for example so-called prepregs and towpregs.

Diese Werkstoffvielfalt ermöglicht eine Herstellung von Faserverbundbauteilen mit einer Vielzahl verschiedener Verfahren. Neben dem Nasslaminieren per Hand spielen für industrielle Anwendungen insbesondere robotergestützte Herstellverfahren, welche eine wenigstens teilweise automatisierte Produktion der Faserverbundbauteile ermöglichen, eine bedeutende Rolle. Hierzu zählen sogenannte Legeverfahren, bei denen ein Faserwerkstoff aus einem Vorrat abgewickelt wird und über Umlenkrollen zu einer Bauteilform geführt wird, auf die der Faserwerkstoff von einem Roboter aufgetragen wird. Dabei können vorimprägnierte Halbzeuge genutzt werden oder trockene Fasern vor Aufbringen auf die Bauteilform mit flüssigem Harz getränkt werden. Zum Konsolidieren des nassen Faserwerkstoffs kann dieser, gegebenenfalls unter Aufbringen von Wärme, von einer Andruckrolle auf die Bauteilform angepresst werden. Ebenso sind Wickelverfahren bekannt, bei denen der Faserwerkstoff auf einen rotierenden Wickelkern aufgebracht wird.This variety of materials enables fiber composite components to be manufactured using a large number of different processes. In addition to wet lamination by hand, robot-assisted manufacturing processes in particular, which enable at least partially automated production of the fiber composite components, play an important role for industrial applications. These include what are known as laying processes, in which a fiber material is unwound from a supply and guided via deflection rollers to a component form on which the fiber material is applied by a robot. Pre-impregnated semi-finished products can be used or dry fibers can be impregnated with liquid resin before being applied to the component form. To consolidate the wet fiber material, it can be pressed onto the component form by a pressure roller, if necessary with the application of heat. Winding methods are also known in which the fiber material is applied to a rotating winding core.

Um eine hohe Belastbarkeit von Faserverbundbauteilen zu gewährleisten, ist dabei auf einen fehlerfreien Produktionsprozess zu achten. Neben dem Vermeiden von Einschlüssen wie Luft, Wasser oder Partikeln im Laminat oder einer unvollständigen Harzdurchtränkung spielt dabei eine genaue Faserorientierung eine bedeutende Rolle. So sollte ein Faserwerkstoff möglichst keine Ondulationen zum Aufrechterhalten einer hohen faserparallelen Festigkeit des fertigen Bauteils aufweisen. Insbesondere bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Verwendung von Rovings oder Faserbändern, im Folgenden vereinfacht „Rovings“ genannt, beispielsweise beim Endlosfaserwickelprozess, kann beim Abwickeln und Führen der Rovings über Umlenkrollen eine Fadenzugkraft einzelner Rovings erhöht oder vermindert sein, wodurch eine genaue Ablage der Rovings auf der Bauteilform bzw. dem Wickelkern negativ beeinflusst wird. Dies ist insbesondere der Fall beim Ablegen der Rovings entlang einer Kurve, da die Rovings am kurveninnenseitigen Ende eine geringere Strecke zurücklegen müssen als die am kurvenäußeren Ende befindlichen Rovings. Die Fadenzugkraft spielt außerdem eine bedeutende Rolle zur Kompaktierung gewickelter Bauteile. So kann durch eine gleichmäßige und starke Kompaktierung, beispielsweise bei einem gewickelten Druckbehälter, ein Widerstand gegen Bersten vergrößert werden. Um dies zu erreichen wird die Fadenzugkraft mit Hilfe von drehmomentgeregelten Motoren eingestellt, wobei trotz Fadenzugkraftregelung beim Umlenken der Rovings auf einer Ablegerolle zum Ablegen der Rovings auf der Bauteilform die Fadenzugkraft, insbesondere aufgrund eines konturabhängigen Ablegepfads, schwanken kann.In order to ensure a high resilience of fiber composite components, attention must be paid to a fault-free production process. In addition to avoiding inclusions such as air, water or particles in the laminate or incomplete resin impregnation, precise fiber orientation plays an important role. A fibrous material should have as few undulations as possible in order to maintain a high degree of strength parallel to the fibers of the finished component. Particularly in the production of fiber composite components using rovings or slivers, referred to simply as “rovings” below, for example in the continuous fiber winding process, when the rovings are unwound and guided over deflection rollers, the thread tension of individual rovings can be increased or decreased, which means that the rovings can be laid down precisely the component shape or the winding core is negatively influenced. This is particularly the case when the rovings are deposited along a curve, since the rovings at the end on the inside of the curve have to cover a shorter distance than the rovings located at the end on the outside of the curve. The thread tension also plays an important role in the compaction of wound components. Thus, resistance to bursting can be increased by uniform and strong compaction, for example in the case of a coiled pressure vessel. In order to achieve this, the thread tension is adjusted with the help of torque-controlled motors, whereby despite the thread tension control when the rovings are deflected on a laying roller for laying the rovings on the component form, the thread tension can fluctuate, in particular due to a contour-dependent laying path.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen zur Beeinflussung einer Fadenzugkraft während eines Laminierprozesses bekannt. So offenbart die DE 10 2015 215 936 A1 eine Ablagevorrichtung und ein Ablageverfahren zur Herstellung eines Faserverbundgeleges für die Bildung eines Faserverbundbauteils mit einer Schneideinrichtung. Dabei wird ein Faserverbundband von einem Vorrat abgewickelt und mit Hilfe einer Andruckrolle auf einer Bauteilform abgelegt. Mit Hilfe der Schneideinrichtung wird dann das auf der Bauteilform befindliche Faserverbundband vom Vorrat abgetrennt. Zum Aufrechterhalten einer Fadenzugkraft offenbart die Druckschrift eine Anpresseinrichtung, welche ein loses Ende des gerade abgetrennten Faserverbundbands auf der Andruckrolle festklemmt. Dies erlaubt eine lückenlose Ablage des Faserverbundbands, auch bei einer gekrümmten Ablage. Zwar kann dabei die Fadenzugkraft am Ende des Ablegeprozesses aufrechterhalten werden, jedoch erlaubt die offenbarte Anpresseinrichtung nicht die Fadenzugkraft einzelner Rovings des Faserverbundbands während des Abwickelns aus dem Vorrat auf die Bauteilform gleichmäßig aufrechtzuerhalten.Various devices for influencing a thread tension during a laminating process are known from the prior art. So reveals the DE 10 2015 215 936 A1 a depositing device and a depositing method for producing a fiber composite fabric for the formation of a fiber composite component with a cutting device. A fiber composite tape is unwound from a supply and placed on a component mold with the help of a pressure roller. The fiber composite strip located on the component form is then separated from the supply with the aid of the cutting device. To maintain a thread tension, the publication discloses a pressing device which clamps a loose end of the fiber composite band that has just been severed on the pressure roller. This allows the fiber composite strip to be laid without gaps, even when laid in a curved manner. Although it can be maintained at the end of the filing process, the yarn tension, but allows the disclosed pressing device does not evenly maintain the thread tension of individual rovings of the fiber composite tape during unwinding from the supply to the component shape.

Ferner offenbart die US 8 901 014 B2 eine Faser-Lege-Maschine mit einer Ablegerolle, welche von einer Vielzahl unabhängig voneinander rotierbarer Ringe ausgebildet wird. Dies erlaubt eine individuelle Abrollgeschwindigkeit einzelner Fasern, wodurch eine Fadenzugkraft auch beim Ablegen der Fasern entlang einer Kurve gleichmäßig aufrechterhalten werden kann. Die einzelnen Ringe der Ablegerolle weisen jedoch eine vergleichsweise große Breite in Richtung einer Mittelachse der Ablegerolle auf und sind in diese Richtung zueinander beabstandet. Dies führt dazu, dass auch die abgelegten Fasern zueinander beabstandet sind. Das fertige Bauteil weist aufgrund dieser lückenbehafteten Faserablage eine verminderte Festigkeit auf, was durch einen erhöhten Materialeinsatz ausgeglichen werden kann. Nachteilig sind dabei jedoch ein erhöhtes Bauteilgewicht und gestiegene Kosten.Furthermore, the U.S. 8,901,014 B2 a fiber-laying machine with a lay-off roller, which is formed by a large number of independently rotatable rings. This allows individual fibers to have an individual unwinding speed, which means that a thread tension can be maintained evenly even when the fibers are laid down along a curve. However, the individual rings of the depositing roller have a comparatively large width in the direction of a central axis of the depositing roller and are spaced apart from one another in this direction. This means that the deposited fibers are also spaced apart from one another. The finished component has reduced strength due to this gap-prone fiber deposit, which can be compensated for by using more material. The disadvantages here, however, are increased component weight and increased costs.

Schließlich ist aus der US 6 390 169 B1 eine Faser-Platzier-Maschine mit einer segmentierten Ablegerolle bekannt. Je Roving ist ein Segment der Ablegerolle vorgesehen. Die einzelnen Segmente der Ablegerolle grenzen dabei direkt aneinander an, was eine spaltfreie Ablage von Rovings nur dann ermöglicht, wenn die Rovingbreite exakt mit der Segmentbreite übereinstimmt. Bei schmaleren Rovings stellen sich auch hier Lücken in der Faserablage ein. Die in der Druckschrift offenbarten Segmente sollen sich zudem relativ zueinander translatorisch bewegen können.Finally is out of the U.S. 6,390,169 B1 a fiber placement machine with a segmented laydown roll is known. One segment of the depositing roller is provided for each roving. The individual segments of the depositing roller are directly adjacent to one another, which only allows rovings to be deposited without a gap if the roving width exactly matches the segment width. In the case of narrower rovings, there are also gaps in the fiber placement here. The segments disclosed in the publication should also be able to move in a translatory manner relative to one another.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Faserablegerolle anzugeben, welche zuverlässig eine spaltfreie Faserablage bei Erhaltung individueller Fadenzugkräfte ermöglicht.The present invention is based on the object of specifying an improved fiber laying roller which reliably enables a gap-free fiber laying while maintaining individual thread tensile forces.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Faserablegerolle für einen Endlosfaserwickelprozess mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Wickelvorrichtung und ein Wickelverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by a fiber laying roller for a continuous fiber winding process having the features of claim 1 and a winding device and a winding method for producing a fiber composite component having the features of claims 9 and 10. Advantageous configurations and developments result from the dependent claims.

Bei einer Faserablegerolle für einen Endlosfaserwickelprozess der eingangs genannten Art weisen die Segmente erfindungsgemäß jeweils eine in Richtung der Drehachse verlaufende Segmentbreite auf, die kleiner ist als eine Breite der einzelnen Rovings oder Faserbänder, die durch die Faserablegerolle umgelenkt werden. Im Folgenden werden zur Vereinfachung nur noch Rovings erwähnt und auf eine explizite Aufzählung der Faserbänder verzichtet. Damit liegen zumindest einige Rovings, bevorzugt alle einzelnen Rovings, in der Breitenrichtung auf mehr als einem Segment auf. Wenn die Rovings wie gewünscht dicht nebeneinander auf der Faserablegerolle angeordnet sind, ergibt sich selbstständig eine Zuordnung der notwendigen Anzahl nebeneinander angeordneter Segmente zu den einzelnen Rovings und trotz dichter Packung der Rovings kann die Zugkraft auf jeden einzelnen Roving individuell eingestellt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Segmente einzeln, paarweise oder in Gruppen, je nach ihrer sich einstellenden Zuordnung zu den einzelnen Rovings, unabhängig voneinander mit einer individuellen, einer Endlosfaserabrollgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit rotierbar sind.In a fiber laying roller for a continuous fiber winding process of the type mentioned above, the segments according to the invention each have a segment width running in the direction of the axis of rotation, which is smaller than a width of the individual rovings or slivers that are deflected by the fiber laying roller. For the sake of simplicity, only rovings are mentioned below and the slivers are not explicitly listed. Thus, at least some rovings, preferably all individual rovings, lie on more than one segment in the width direction. If the rovings are arranged close together on the fiber laying roller as desired, the necessary number of segments arranged next to each other is automatically assigned to the individual rovings and, despite the dense packing of the rovings, the tensile force can be set individually for each individual roving. This is achieved in that the segments can be rotated individually, in pairs or in groups, depending on their assignment to the individual rovings, independently of one another at an individual speed corresponding to a continuous fiber unwinding speed.

Das Aufrechterhalten einer individuellen Fadenzugkraft ermöglicht eine saubere Faserablage, was wiederum eine verbesserte Kompaktierung eines gewickelten, aus den Rovings hergestellten Bauteils ermöglicht. Hierdurch lassen sich mechanischen Eigenschaften des aus den Rovings hergestellten Bauteils bei gleichzeitigem geringem Materialeinsatz verbessern. Dadurch, dass weniger Material eingesetzt wird, lassen sich zudem Bauteilkosten senken. Ferner lassen sich die Bauteile kleiner dimensionieren, wodurch ein zur Aufnahme der Bauteile zur Verfügung stehender Bauraum besser ausgenutzt werden kann.Maintaining an individual filament tension allows for clean fiber laydown, which in turn allows for improved compaction of a wound component made from the rovings. As a result, the mechanical properties of the component produced from the rovings can be improved while at the same time using less material. Because less material is used, component costs can also be reduced. Furthermore, the components can be dimensioned smaller, so that the space available for accommodating the components can be better utilized.

Dadurch, dass die Segmentbreite jeweils kleiner ist als eine Breite eines auf dem jeweiligen Segment abrollenden Rovings lässt sich besonders einfach sicherstellen, dass jeder auf der Faserablegerolle abrollende Roving beziehungsweise von der Faserablegerolle umgelenkte Rovings auf einem axialer Abschnitt des zylinderförmigen Körpers abrollt, dessen Rotationsgeschwindigkeit der Abrollgeschwindigkeit des jeweiligen Rovings entspricht. Mit anderen Worten lässt sich somit verhindern, dass zwei Rovings mit einer unterschiedlichen Abrollgeschwindigkeit auf demselben Segment abrollen. Dies würde dazu führen, dass ein Roving auf dem Segment abrollt und der andere Roving, bedingt durch die abweichende Abrollgeschwindigkeit, auf dem Segment gleitet oder rutscht. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Faserablegerolle lässt sich dies besonders einfach sicherstellen, da, bedingt durch die schmale Segmentbreite, gewährleistet ist, dass jedem Roving jeweils wenigstens ein individuelles Segment zugeordnet wird, auch wenn die Rovings sehr dicht zueinander, insbesondere anliegend aneinander auf der Faserablegerolle angeordnet sind.Because the segment width is smaller in each case than a width of a roving unrolling on the respective segment, it is particularly easy to ensure that each roving unrolling on the fiber laying roller or rovings deflected by the fiber laying roller rolls on an axial section of the cylindrical body whose rotational speed corresponds to the unrolling speed of the respective roving. In other words, it is thus possible to prevent two rovings from rolling off the same segment at a different unwinding speed. This would result in one roving rolling off the segment and the other roving sliding or slipping on the segment due to the different rolling speed. This can be ensured particularly easily with the aid of the fiber laying roller according to the invention, since the narrow segment width ensures that each roving is assigned at least one individual segment, even if the rovings are arranged very close to one another, in particular adjacent to one another on the fiber laying roller .

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Faserablegerolle sieht vor, dass die Segmente an einem konzentrisch zur Drehachse durch den zylinderförmigen Körper verlaufenden starren Zapfen um die Drehachse drehbar gelagert sind. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Faserablegerolle konstruktiv besonders einfach ausgeführt werden. Insbesondere drehen sich somit sämtliche Segmente um eine gemeinsame Mittelachse. Die Segmente können sich somit nicht translatorisch relativ zueinander bewegen. Hierdurch kann eine festgelegte Fadenzugkraft auch bei einer sich ändernden Faserabrollgeschwindigkeit und/oder Faserabrollstrecke aufrechterhalten werden.An advantageous further development of the fiber laying roller provides that the segments are rotated about the rotation on a rigid pin running concentrically to the axis of rotation through the cylindrical body axis are rotatably mounted. As a result, the fiber laying roller according to the invention can be designed in a particularly simple manner. In particular, all segments thus rotate about a common central axis. The segments can thus not move translationally relative to each other. As a result, a fixed thread tension can be maintained even with a changing fiber unwinding speed and/or fiber unwinding distance.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Faserablegerolle stützt sich jedes Segment über ein eigenes Lager am starren Zapfen ab, insbesondere über ein Wälzlager oder ein Gleitlager. Hierdurch ist eine besonders individuelle Bewegungsfreiheit für jedes Segment sichergestellt. So können zwei benachbarte Segmente jeweils eine individuelle Rotationsgeschwindigkeit aufweisen. Durch Verwenden von Wälzlagern können die Lagerungen jeweils besonders stark belastet werden. Durch Verwendung von Gleitlagern lässt sich hingegen ein besonders geringer Rollwiderstand erzeugen.According to a further advantageous embodiment of the fiber laying roller, each segment is supported on the rigid pin via its own bearing, in particular via a roller bearing or a sliding bearing. This ensures a particularly individual freedom of movement for each segment. Thus, two adjacent segments can each have an individual rotational speed. By using roller bearings, the bearings can each be particularly heavily loaded. By using plain bearings, on the other hand, a particularly low rolling resistance can be achieved.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Faserablegerolle sieht ferner vor, dass eine Mantelfläche des zylinderförmigen Körpers wenigstens abschnittsweise eine konkave und/oder konvexe Kontur in Richtung der Drehachse aufweist. Mit anderen Worten ist es möglich, dass einzelne Segmente verschiedene Radien aufweisen. In Abhängigkeit an ein herzustellendes Faserverbundbauteil gestellte Anforderungen lässt sich somit besonders einfach jeweils für jeden Roving eine individuell festgelegte Fadenzugkraft einhalten. Insbesondere bei Bauteilen mit einer komplexen Geometrie, zu deren Herstellung die Rovings entsprechend einer komplexen Kontur geführt werden, lässt sich so eine individuelle Fadenzugkraft für jeden Roving einhalten.A further advantageous embodiment of the fiber laying roller also provides that a lateral surface of the cylindrical body has a concave and/or convex contour in the direction of the axis of rotation, at least in sections. In other words, it is possible for individual segments to have different radii. Depending on the requirements placed on a fiber composite component to be produced, it is therefore particularly easy to maintain an individually defined thread tension for each roving. In particular in the case of components with a complex geometry, for the production of which the rovings are guided according to a complex contour, an individual thread tension can be maintained for each roving.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Faserablegerolle liegt ein Reibwert zwischen zwei einander berührenden Flanken zweier Segmente unterhalb eines festgelegten Grenzwerts. Hierdurch lässt sich ein Verschleiß der erfindungsgemäßen Faserablegerolle reduzieren. Ferner wird somit zuverlässig verhindert, dass ein rotierendes Segment ein benachbartes Segment mitnimmt. Dies unterstützt die unabhängige Rotationsfähigkeit benachbarter Segmente. Hierdurch können Stick-Slip-Effekte verhindert werden, wodurch das Aufrechterhalten der individuellen Fadenzugkraft der auf den Segmenten umgelenkten Rovings weiter verbessert werden kann. Eine Höhe des Grenzwerts kann dabei in Abhängigkeit an eine mit dem Herstellverfahren einhergehende Bauteilgüte festgelegt werden.According to a further advantageous embodiment of the fiber laying roller, a coefficient of friction between two touching flanks of two segments is below a specified limit value. As a result, wear and tear on the fiber laying roller according to the invention can be reduced. Furthermore, it is thus reliably prevented that a rotating segment entrains an adjacent segment. This supports the independent rotation ability of adjacent segments. As a result, stick-slip effects can be prevented, as a result of which the maintenance of the individual thread tension of the rovings deflected on the segments can be further improved. A level of the limit value can be specified as a function of a component quality associated with the manufacturing process.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Faserablegerolle sieht ferner vor, dass wenigstens ein Segment an wenigstens einer Flanke wenigstens eine Schmierrille aufweist. Mit Hilfe der Schmierrille lässt sich ein Schmierstoff besonders einfach und zuverlässig entlang der Flanken verteilen. Dies verbessert eine Gleitfähigkeit zweier benachbarter sich mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten drehenden Segmente noch weiter. So ist es auch möglich, dass ein Segment an beiden Flanken wenigstens eine Schmierrille oder auch mehrere Schmierrillen aufweist. Die Schmierrillen können dabei beliebig an den Flanken verlaufen. Insbesondere können die Schmierrillen mit einem konstanten Radius zur Drehachse um den Umfang der Flanke verlaufen oder der Radius der Schmierrille kann dabei auch über den Umfang zu- bzw. abnehmen. Es ist auch möglich, dass wenigstens eine Schmierrille ausschließlich in radiale Richtung an einer Flanke verläuft. Die einzelnen Schmierrillen können sich dabei auch kreuzen.A further advantageous embodiment of the fiber laying roller also provides that at least one segment has at least one lubricating groove on at least one flank. With the help of the lubricating groove, a lubricant can be distributed particularly easily and reliably along the flanks. This further improves a slidability of two adjacent segments rotating at different rotational speeds. It is also possible for a segment to have at least one lubricating groove or several lubricating grooves on both flanks. The lubricating grooves can run anywhere on the flanks. In particular, the lubricating grooves can run around the circumference of the flank with a constant radius to the axis of rotation, or the radius of the lubricating groove can also increase or decrease over the circumference. It is also possible that at least one lubricating groove runs exclusively in the radial direction on a flank. The individual lubricating grooves can also cross each other.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Faserablegerolle umfassen die Segmente wenigstens anteilsweise eine Metalllegierung, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und/oder Kunststoff, beispielsweise PTFE. Dies erhöht eine Flexibilität bei der Ausgestaltung der Segmente, die sich somit an wechselnde Anforderungen anpassen lassen. Durch Verwendung eines Kunststoffsegments kann eine Reibung zwischen zwei benachbarten Segmenten zusätzlich reduziert werden. Durch Verwendung eines Metallsegments lässt sich hingegen eine Standzeit der Segmente erhöhen, dadurch, dass sich Segmente aus Metall besonders langsam abnutzen. Auch ist es möglich, dass die Segmente aus einem Werkstoffverbund bestehen. Generell können zur Ausbildung der Faserablegerolle auch Segmente aus unterschiedlichen Werkstoffen kombiniert werden. So kann ein erstes Segment ausschließlich eine Metalllegierung umfassen, ein zweites Segment ausschließlich Kunststoff umfassen und/oder ein drittes Segment eine Metallkern umfassen, welcher Kunststoffpads zur Verbesserung von Gleiteigenschaften aufweist.According to a further advantageous embodiment of the fiber laying roller, the segments at least partially comprise a metal alloy, for example aluminum or an aluminum alloy and/or plastic, for example PTFE. This increases flexibility in the design of the segments, which can thus be adapted to changing requirements. Friction between two adjacent segments can be additionally reduced by using a plastic segment. By using a metal segment, on the other hand, the service life of the segments can be increased because segments made of metal wear out particularly slowly. It is also possible for the segments to consist of a composite material. In general, segments made of different materials can also be combined to form the fiber laying roller. A first segment can thus exclusively comprise a metal alloy, a second segment exclusively comprise plastic and/or a third segment can comprise a metal core which has plastic pads to improve sliding properties.

Bevorzugt liegt ein Reibwert zwischen einer Stirnseite wenigstens eines Segments und wenigstens einem auf dem zylinderförmigen Körper abrollenden Roving unterhalb eines festgelegten Grenzwerts. Hierdurch kann eine durch Reibung bedingte Haftung eines auf einem Segment abrollenden Rovings verringert werden, wodurch sich ungewollte Beeinflussungen der Fadenzugkraft der Rovings verringern lassen. Dies ermöglicht es, eine bestimmte Zielfadenzugkraft besonders zuverlässig einzuhalten. Auch hier kann die Höhe des Grenzwerts in Abhängigkeit verschiedener an ein Bauteil gestellte Anforderungen angepasst werden.A coefficient of friction between an end face of at least one segment and at least one roving rolling on the cylindrical body is preferably below a defined limit value. As a result, adhesion of a roving unrolling on a segment, which is caused by friction, can be reduced, as a result of which undesired influences on the thread tension of the rovings can be reduced. This makes it possible to maintain a specific target thread tension particularly reliably. Here, too, the level of the limit value can be adjusted depending on various requirements placed on a component.

Erfindungsgemäß weist eine Wickelvorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils wenigstens eine im vorigen beschriebene Faserablegerolle auf. Dies ermöglicht den Einsatz einer erfindungsgemäßen Faserablegerolle für ein Wickelverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen. Hierdurch lassen sich besonders hochbelastbare Wickelkörper herstellen. Beispielsweise lässt sich somit ein Wasserstoffdrucktank fertigen, welcher einen besonders hohen Widerstand gegenüber Bersten aufweist. Die erfindungsgemäße Faserablegerolle weist einen besonders einfachen Aufbau auf, wodurch ein Aufwand zur Aufrechterhaltung einer individuellen Fadenzugkraft der auf der Faserablegerolle abrollenden Rovings reduziert werden kann.According to the invention, a winding device for producing a fiber composite component has at least one fiber laydown roller as described above. This enables the use of a fiber laydown roll according to the invention for a winding process for the production of fiber composite components. As a result, particularly heavy-duty winding bodies can be produced. For example, a hydrogen pressure tank can thus be produced which has a particularly high resistance to bursting. The fiber laying roller according to the invention has a particularly simple structure, as a result of which the effort involved in maintaining an individual thread tension of the rovings unrolling on the fiber laying roller can be reduced.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Faserablegerolle, der Wickelvorrichtung und dem Wickelverfahren ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.Further advantageous configurations of the fiber laying roller according to the invention, the winding device and the winding method also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Endlosfaserwickelprozesses;
2 drei Schnittansichten durch aus dem Stand der Technik bekannte Faserablegerollen;
3 vier Schnittansichten durch erfindungsgemäße Faserablegerollen entsprechend alternativer Ausführungsformen; und
4 drei Schnittansichten auf eine Flanke eines Segments mit unterschiedlich ausgeführten Schmierrillen.

show:

1 a schematic representation of a continuous fiber winding process;
2 three sectional views through known from the prior art fiber laying rollers;
3 four sectional views through fiber laying rolls according to the invention according to alternative embodiments; and
4 three sectional views of a flank of a segment with differently designed lubricating grooves.

Bei dem in 1 dargestellten Endlosfaserwickelprozess 2 wird ein Faserverbundbauteil 12 mit Hilfe einer Wickelvorrichtung 11 hergestellt. Die Wickelvorrichtung 11 umfasst einen Vorrat 13, welcher Endlosfasern in Form von Rovings 6 bevorratet. Der Vorrat 13 kann beispielsweise als Spule ausgeführt sein. Die Rovings 6 werden über eine Faserablegerolle 1 umgelenkt und zu einem Wickelkern 14 geführt um den die Rovings 6 zur Ausbildung des Faserverbundbauteils 12 gewickelt wird. In Abhängigkeit einer Rotationsgeschwindigkeit des Vorrats 13, der Faserablegerolle 1 und des Wickelkerns 14 wird den Rovings 6 eine unterschiedlich starke Fadenzugkraft F_GES aufgeprägt, wobei ein Motor zum Bremsen des Vorrats 13 drehmomentgeregelt ist. Dabei „zieht“ der Wickelkern 14 die Rovings 6 vom Vorrat 13, welcher eine Spannung in den Rovings 6 durch das drehmomentgeregelte Abbremsen des Vorrats 13 aufrechterhält. Die Faserablegerolle 1 beeinflusst dabei die an den Rovings 6 angreifende Fadenzugkraft F_GES.At the in 1 A fiber composite component 12 is produced with the aid of a winding device 11 . The winding device 11 comprises a supply 13 which stores endless fibers in the form of rovings 6 . The supply 13 can be designed as a coil, for example. The rovings 6 are deflected via a fiber laying roller 1 and guided to a winding core 14 around which the rovings 6 are wound to form the fiber composite component 12 . Depending on the rotational speed of the supply 13, the fiber laying roller 1 and the winding core 14, the rovings 6 are subjected to a different thread tension F _GES , with a motor for braking the supply 13 being torque-controlled. The winding core 14 "pulls" the rovings 6 from the supply 13, which maintains a tension in the rovings 6 by the torque-controlled braking of the supply 13. The fiber laying roller 1 influences the thread tension F _GES acting on the rovings 6 .

2a) zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Faserablegerolle 1 mit einem zylindrischen Körper 3, welcher um eine mittig durch den zylindrischen Körper 3 verlaufende Drehachse 4 rotieren kann. Dabei werden Rovings 6 vom zylindrischen Körper 3 umgelenkt. Der zylindrische Körper 3 besteht aus einem durchgängigen Körper und weist somit an einer beliebigen axialen Position die gleiche Rotationsgeschwindigkeit auf. Dies führt dazu, dass die Fadenzugkraft F_GES auf die einzelnen Rovings 6 gemeinsam wirkt. Insbesondere für den Fall, dass die Rovings 6 entlang einer gekrümmten Bahn auf einer Bauteilform abgelegt werden, können einzelne Rovings 6 eine vergleichsweise größere beziehungsweise geringere Länge zum Ablegen benötigen, was dazu führt, dass einzelne Rovings 6 stärker bzw. weniger stark gespannt werden und dadurch unsauber auf der Bauteilform abgelegt werden. 2a) FIG. 1 shows a fiber laying roller 1 known from the prior art with a cylindrical body 3 which can rotate about an axis of rotation 4 running centrally through the cylindrical body 3. FIG. In the process, rovings 6 are deflected by the cylindrical body 3 . The cylindrical body 3 consists of a continuous body and thus has the same rotational speed at any axial position. This means that the thread tension F _GES acts on the individual rovings 6 together. In the event that the rovings 6 are laid down along a curved path on a component mold in particular, individual rovings 6 may require a comparatively greater or shorter length to be laid down, which means that individual rovings 6 are more or less tightened and as a result be deposited uncleanly on the component form.

Ein unsauberes Ablegen der Rovings 6 lässt sich durch die in 2b) dargestellte Faserablegerolle 1 verhindern. Diese umfasst mehrere Ringe 15, welche sich unabhängig voneinander mit einer individuellen Rotationsgeschwindigkeit drehen lassen. Hierdurch kann eine Fadenzugkraft F₁, F₂, F_i der einzelnen Rovings 6 individuell eingestellt werden, wodurch eine auf den jeweiligen Roving 6 wirkende Spannung aufrechterhalten werden kann. Somit lassen sich Ondulationen vermeiden. Die Ringe 15 weisen jedoch einen axialen Abstand zueinander auf, wodurch auch die Rovings 6 zueinander beanstandet sind. Ein so hergestelltes Faserverbundbauteil 12 weist im Vergleich zu einem Faserverbundbauteil 12 dessen Endlosfasern lückenlos abgelegt wurden, eine verminderte mechanische Belastbarkeit auf.Unclean laying of the rovings 6 can be prevented by the in 2 B) Prevent fiber laying roller 1 shown. This comprises several rings 15, which can be rotated independently of one another at an individual rotational speed. As a result, a thread tension F ₁ , F ₂ , F _i of the individual rovings 6 can be adjusted individually, as a result of which a tension acting on the respective roving 6 can be maintained. In this way, undulations can be avoided. However, the rings 15 are at an axial distance from one another, as a result of which the rovings 6 are also spaced apart from one another. A fiber composite component 12 produced in this way has a reduced mechanical load-bearing capacity in comparison to a fiber composite component 12 whose continuous fibers have been laid down without gaps.

Dieses Problem lässt sich mit der in 2c) dargestellten Faserablegerolle 1 beheben. Hier ist ein die Faserablegerolle 1 ausbildender zylindrischer Körper 3 in einzelne Segmente 5 unterteilt. Die einzelnen Segmente 5 weisen dabei jedoch eine Segmentbreite bs auf, welche größer ist als eine Faserbreite b_F von auf der Faserablegerolle 1 abrollenden Rovings 6. Dies bedeutet, dass mehrere Rovings 6 auf einem gemeinsamen Segment 5 abrollen, wodurch die Fadenzugkräfte F₁ und F₂ dieser Rovings 6, analog zu der in 2a) dargestellten Faserablegerolle 1, nicht individuell eingestellt werden können. Es besteht somit die Gefahr, dass einzelne Rovings 6 auf einem Segment 5 gleiten oder rutschen. Um dies zu vermeiden, können die Rovings 6 jeweils einzelnen Segmenten 5 zugeordnet werden. Damit ergeben sich jedoch wieder Abstände zwischen den Rovings 6.This problem can be solved with the in 2c ) fix the fiber laying roller 1 shown. Here, a cylindrical body 3 forming the fiber laying-down roller 1 is divided into individual segments 5 . However, the individual segments 5 have a segment width bs which is greater than a fiber width _bF of rovings 6 unrolling on the fiber laying roller 1. This means that several rovings 6 unroll on a common segment 5, as a result of which the thread tension forces _F1 and F ₂ of these rovings 6, analogous to that in 2a) shown fiber depositing roller 1, can not be adjusted individually. There is therefore a risk that individual rovings 6 will slide or slide on a segment 5 . In order to avoid this, the rovings 6 can each be assigned to individual segments 5 . However, this again results in distances between the rovings 6.

Die in 3a) gezeigte erfindungsgemäße Faserablegerolle 1 erlaubt hingegen für jeden Roving 6 eine individuelle Fadenzugkraft F_i aufrechtzuerhalten. Dies gelingt, indem die Segmentbreite bs der Segmente 5 so klein gewählt wird, dass sie unter der Faserbreite b_F liegt. Somit wird besonders einfach sichergestellt, dass jedem Roving 6 wenigstens ein individuelles Segment 5 zugeordnet werden kann. Ganz im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Faserablegerolle 1, bei der die Segmentbreite bs gleich oder in der Regel größer der Faserbreite b_F ist, da hier aufwändig kontrolliert werden muss, dass jeweils ein Roving 6 auf je einem Segment 5 abrollt. Ferner stützten sich die Segmente 5 jeweils auf einem eigenen in 4 dargestellten Lager 8 auf einem starren, konzentrisch durch die einzelnen Segmente 5 verlaufenden Zapfen 7 ab. Dies verhindert, dass sich die einzelnen Segmente 5 relativ zueinander translatorisch bewegen können. Dies würde Schwankungen einer auf einen Roving 6 wirkende Fadenzugkraft F_i bewirken, so lange, bis ein jeweiliges translatorisch bewegendes Segment 5 einen Anschlag erreicht.In the 3a) On the other hand, the fiber laying roller 1 according to the invention that is shown allows an individual thread tension F _i to be maintained for each roving 6 . This is achieved by the segment width bs of the segments 5 being chosen so small that they are below of the fiber width _bF . It is thus ensured in a particularly simple manner that each roving 6 can be assigned at least one individual segment 5 . Quite in contrast to a fiber laying roller 1 known from the prior art, in which the segment width bs is equal to or usually greater than the fiber width b _F , since here it is laborious to check that a roving 6 is rolling on each segment 5 . Furthermore, the segments 5 each rested on its own in 4 Bearing 8 shown on a rigid, extending concentrically through the individual segments 5 pin 7 from. This prevents the individual segments 5 from being able to move translationally relative to one another. This would cause fluctuations in a thread tension force F _i acting on a roving 6 until a respective translatory moving segment 5 reaches a stop.

3b) zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Faserablegerolle 1 in einer balligen Ausführung. 3b) shows an embodiment of the fiber depositing roller 1 according to the invention in a spherical design.

3c) zeigt eine alternative Ausführung der Faserablegerolle 1 mit einer konkav ausgeführten Mantelfläche. Mit Hilfe der in 3b) und c) gezeigten erfindungsgemäßen Faserablegerollen 1 lässt sich eine individuelle Fadenzugkraft F_i noch gezielter einstellen. Dabei ist es auch möglich, dass der zylindrische Körper 3 wie in 3d) dargestellt eine abschnittsweise konvex und konkav verlaufende Mantelfläche aufweist. Dabei kann eine erste Anzahl an Segmenten 5.1 auch eine abweichende Segmentbreite bs aufweisen, als eine zweite Anzahl an Segmenten 5.2, wobei den Segmenten 5.1 und 5.2 jeweils entsprechend breite beziehungsweise schmale Rovings 6.1 und 6.2 zugeordnet sind. Dies gilt entsprechend für jede der in den 3a) bis 3d) gezeigten Ausführungen der erfindungsgemäßen Ablegerolle 1. 3c ) shows an alternative embodiment of the fiber laying roller 1 with a concave lateral surface. With the help of the 3b) and c ) shown fiber laying rollers 1 according to the invention, an individual thread tension F _i can be adjusted even more specifically. It is also possible that the cylindrical body 3 as in 3d ) shown has a partially convex and concave lateral surface. A first number of segments 5.1 can also have a different segment width bs than a second number of segments 5.2, with segments 5.1 and 5.2 being assigned correspondingly wide or narrow rovings 6.1 and 6.2. This applies accordingly to each of the 3a) until 3d ) shown versions of the depositing roller 1 according to the invention.

4 zeigt drei verschiedene Schnittansichten durch den Schnitt A-A aus 3a). Das Segment 5 stützt sich über das Lager 8, insbesondere in Form eines Wälz- oder Gleitlagers, auf dem starren Zapfen 7 ab. Zur Verminderung von Reibung zwischen zwei benachbarten Segmenten 5 weist eine Flanke 9 eines Segments 5 eine Schmierrille 10 auf. Diese kann wie in 4a) dargestellt mit einem konstanten Radius über einen Umfang der Flanke 9 verlaufen. Auch ist es möglich, dass die Schmierrille 10 wie in 4b) dargestellt ausschließlich radial entlang der Flanke 9 verläuft. Sie kann auch, wie in 4c) dargestellt, sowohl eine radiale als auch eine Umfangskomponente aufweisen. Dabei ist es möglich, dass eine oder mehrere Schmierrillen 10 an wenigstens einer der Flanken 9 eines Segments 5 vorgesehen sind. Mit Hilfe der Schmierrillen 10 lässt sich ein Schmiermittel zur Reduktion von Reibung entlang der Flanke 9 verteilen. Dabei ist darauf zu achten, dass das Schmiermittel nicht zur Mantelfläche eines Segments 5 gelangt, um einen Kontakt mit den Rovings 6 zu verhindern, da eine Verunreinigung einem trockenen oder imprägnierten Roving 6 mit Schmiermittel eine Vernetzung zwischen Rovings 6 und Harz nachteilig beeinflusst. 4 shows three different sectional views through section AA 3a) . The segment 5 is supported on the rigid pin 7 via the bearing 8, in particular in the form of a roller or plain bearing. To reduce friction between two adjacent segments 5, a flank 9 of a segment 5 has a lubricating groove 10. This can as in 4a) shown run with a constant radius over a circumference of the flank 9. It is also possible that the lubricating groove 10 as in 4b) shown runs exclusively radially along the flank 9 . She can also, as in 4c ) shown, have both a radial and a circumferential component. It is possible that one or more lubricating grooves 10 are provided on at least one of the flanks 9 of a segment 5 . A lubricant for reducing friction can be distributed along the flank 9 with the aid of the lubricating grooves 10 . It is important to ensure that the lubricant does not reach the lateral surface of a segment 5 in order to prevent contact with the rovings 6, since contamination of a dry or impregnated roving 6 with lubricant has a negative effect on crosslinking between the rovings 6 and the resin.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102015215936 A1 [0006]
US 8901014 B2 [0007]
US 6390169 B1 [0008]

Claims

Fiber laying roller (1) for a continuous fiber winding process (2) with an at least essentially cylindrical body (3) which is subdivided into a large number of adjacent segments (5) which can be rotated independently of one another about an axis of rotation (4) and which together have a large number of rovings (6) or slivers arranged next to one another, characterized in that the segments (5) each have a segment width (bs) running in the direction of the axis of rotation (4), which is smaller than a width (b _F ) of the individual rovings (6 ) or slivers.

Fiber laying roller (1) according to claim 1 , characterized in that the segments (5) are rotatably mounted on a rigid pin (7) running through the cylindrical body (3) concentrically to the axis of rotation (4) about the axis of rotation (4).

Fiber laying roller (1) according to claim 2 , characterized in that each segment (5) is supported on the rigid pin (7) via its own bearing (8), in particular via a roller bearing or a plain bearing.

Fiber depositing roller (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a lateral surface of the cylindrical body (3) has at least partially a concave and / or convex contour in the direction of the axis of rotation (4).

Fiber depositing roller (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a coefficient of friction between two touching flanks (9) of two segments (5) is below a specified limit value.

Fiber laying roller (1) according to claim 5 , characterized in that at least one segment (5) has at least one lubricating groove (10) on at least one flank (9).

Fiber depositing roller (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the segments (5) at least partially comprise a metal alloy and / or plastic.

Fiber depositing roller (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that a coefficient of friction between an end face of at least one segment (5) and at least one roving (6) or sliver rolling on the cylindrical body (3) is below a specified limit value.

Winding device (11) for producing a fiber composite component (12), characterized by at least one fiber laydown roller (1) according to one of the preceding claims.

Winding method for producing a fiber composite component (12), characterized by using a winding device (11). claim 9 .