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Die vorliegende Erfindung betrifft Wickelvorrichtungen zum Wickeln von Faserspulen und dadurch erzeugte Faserspulen.
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Faserspulen aus mit einer Beschichtung versehenen Glasfasern kommen in modernen Drehratensensoren häufig zum Einsatz. Wichtig für verlässliche Messungen ist hierbei, dass die Glasfasern in der Faserspule ohne übermäßige Zugspannung, Druck und Torsion aufgewickelt sind, um die Polarisation des in den Fasern laufenden Lichts möglichst homogen zu halten bzw. Übersprechen in einen anderen Polarisationszustand zu vermeiden. Hierzu sollten die Fasern möglichst homogen und geordnet gewickelt sein. Zudem sollten die einzelnen Faserabschnitte möglichst gegenüber ihren Nachbarn fixiert sein, um eine Verlagerung von Faserabschnitten in einer fertigen Spule zu vermeiden.
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Für eine hohe Präzision der Drehratensensoren muss eine Vielzahl von Faserwicklungen vorhanden sein. Um die Faserspule möglichst kompakt zu halten, werden daher Spulen mit möglichst hoher Packungsdichte von Fasern angestrebt. Dies hat auch den Vorteil, Bewegungen der Fasern innerhalb der Faserspule von vornherein einzuschränken.
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Schlussendlich ist angestrebt, hochqualitative Spulen zu vertretbaren Kosten anbieten zu können. Hierzu müssen die Faserspulen vorzugsweise in einem vollautomatisierten Prozess mit kurzer Produktionszeit herstellbar sein. Manuelle Interaktion oder lange Standzeiten in der Produktionskette sind zu vermeiden.
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Diese Zielvorstellungen werden durch die üblicherweise verwendeten Techniken zur Herstellung von Faserspulen zum Teil nicht in zufriedenstellender Weise erreicht.
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Die
DE 690 22 271 T2 offenbart die Herstellung einer Faserspule durch ein Verfahren, bei dem Faserlagen mit einem Klebstoffnebel besprüht werden, um sie mit der nächsten Faserlage zu verkleben.
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Ein übliches Verfahren zur Herstellung von Faserspulen besteht darin, Fasern um einen Spulenträger zu wickeln und den so erzeugten Spulenkörper als Ganzes in einer Vergussform mit Vergussmasse, wie z.B. einem Harz, Silikon oder dergleichen, zu vergießen. Anschließend wird die Vergussmasse in einem Ofen ausgehärtet, um eine in sich fixierte Faserspule zu erhalten.
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Hierbei darf jedoch die Wicklung der Fasern nicht zu kompakt sein, da ansonsten nicht sichergestellt werden kann, dass die Vergussmasse den kompletten Spulenkörper durchdringt und dadurch die gesamte Faser fixiert. Zudem würden bei einer engen Wicklung neu aufgewickelte Faser aufgrund des für die Wicklung notwendigen Zuges in die zuvor aufgebrachten Faserlagen einschneiden und dadurch unerwünschte Druck- oder Zugkräfte innerhalb der Faserspule entstehen, die zu einer ungewollten Verlagerung einzelner Faserabschnitte führen können. Die Faserspulen können bei nachträglichem Vergießen also nicht maximal kompakt hergestellt werden.
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Zudem besteht bei diesem Verfahren das Problem, dass selbst in homogen gewickelten Spulenkörpern aufgrund der eindringenden Vergussmasse Verschiebungen der einzelnen Faserabschnitte bzw. Faserlagen auftreten. Die fertigen Spulen sind also selbst bei zunächst homogener Wicklung häufig nicht mehr homogen und kompakt gewickelt.
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Die Verbringung der Vergussformen in den für die Aushärtung der Vergussmasse verwendeten Ofen erfolgt ebenso wie das Entnehmen der Spulen aus der Vergussform meist von Hand. Hierdurch verzögert sich die Herstellung. Zudem müssen die Vergussformen nach einigen Arbeitsgängen ausgetauscht werden, da die Vergussmasse zunehmend daran haftet. Bei nicht sachgemäßer Behandlung besteht dadurch die Gefahr, dass Faser im Spulenkörper bricht, wodurch die Spule unbrauchbar wird.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Erzeugung von Faserspulen werden die einzelnen Faserabschnitte bereits während des Wickelns miteinander verklebt. Hierzu wird die letzte außen liegende, bereits aufgewickelte Lage der Faser mittels eines Pinsels mit einem Klebstoff bestrichen. Hierauf wird die nächste Faserlage aufgewickelt, die aufgrund des Klebstoffs direkt auf den Spulenkörper geklebt wird. Es entfallen hierbei also die mit einer Vergussform verbundenen Probleme. Zudem können die einzelnen Faserlagen enger gewickelt werden.
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Andererseits ist dieses Verfahren äußerst langwierig und kann nur etwa eine Spule pro Tag erzeugen, wodurch die Kosten pro Spule sehr hoch liegen. Zudem wird durch den Pinsel mechanisch auf die Fasern eingewirkt, was ebenfalls zu einer Verschiebung der Faserabschnitte führen kann und damit ein zuvor vorhandenes homogenes Wickelbild zerstört. Ebenso härtet der Klebstoff erst bei Fertigstellung des Spulenkörpers vollständig aus, d.h. durch das Verlegen neuer Faser oder unsachgemäße Behandlung kann es ebenfalls zu nachträglichen Verschiebungen der Faserabschnitte kommen.
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Üblicherweise werden beim Pinselauftrag 2-komponentige Reaktionsklebstoffe, wie zum Beispiel Epoxidharze verwendet, die miteinander vermischt werden, und deren Aushärtung auf der Reaktion beider Komponenten miteinander beruht. Vom Zeitpunkt des Mischens an, beginnt die Viskosität dieser Klebstoffe anzusteigen, der Klebstoff wird zunehmend zähflüssiger. Dadurch steigt das Risiko, dass sich Faserabschnitte beim Klebstoffauftrag in ihrer Position verschieben und/oder sich der Klebstoff in ungleichmäßiger Schicht auf dem Spulenträger verteilt. Durch den Viskositätsanstieg ergibt sich eine maximale Verarbeitungsdauer für 2-komponentige Reaktionsklebstoffe, auch Topfzeit genannt. Dies macht die regelmäßige Reinigung oder Entsorgung des zum Auftragen verwendeten Equipments erforderlich und birgt die Gefahr in sich, dass es bei der Verwendung von Equipment mit Kanälen und/oder Düsen zu deren Verstopfung kommt.
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Die Entnahme des Klebstoffes mit dem Pinsel bringt es mit sich, dass der Klebstoff nicht vollkommen frei von Umwelteinflüssen bereitgestellt werden kann, da er sonst nicht für den Pinsel zugänglich wäre. Dadurch kann es aufgrund der Standzeit des Klebstoffes bis zur Fertigstellung der Spule zu einer Änderung der Eigenschaften des Klebstoffes während der Fertigung einer Spule kommen. Hierdurch können die Verlässlichkeit und die Genauigkeit der Faserspule sinken. Des Weiteren können über den Pinsel Verunreinigungen in den Klebstoff gelangen, die zu einer Verschlechterung der Klebeeigenschaften des Klebstoffs und damit zu einer verschlechterten Fixierung der Fasern in der Faserspule führen. Es können sich auch Pinselhaare lösen und in der Faserspule verbleiben, was wiederum für die Homogenität der Wicklung problematisch ist.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Aufgabe die oben dargestellten Probleme zu lösen. Es soll eine Vorrichtung zum Wickeln von Faserspulen angegeben werden, mit der Faserspulen automatisch, kompakt und homogen gewickelt werden können. Zudem sollen Faserspulen bereitgestellt werden, die kompakt und homogen gewickelt sind. Diese Aufgaben werden durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Eine Wickelvorrichtung zum Wickeln einer Faserspule kann einen Spulenträger zum Umwickeln mit Faser, um einen Spulenkörper aus aufgewickelter Faser zu erzeugen, eine Faserzuführung zum Zuführen einer Faser für das Umwickeln des Spulenträgers und eine Klebevorrichtung aufweisen, die zum Erzeugen von Klebstofftropfen zum Verkleben der auf dem Spulenkörper zuäußerst liegenden Lage an Faser mit neu auf den Spulenkörper aufgelegter Faser geeignet ist.
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Der Spulenträger und die Faserzuführung dienen hierbei dazu, eine Faserspule, z.B. aus Glasfaser, in an sich bekannter Weise aufzuwickeln. Anstatt jedoch die Faserspule erst im Nachgang zu vergießen oder mühsam Klebstoff Faserlage für Faserlage mit einem Pinsel oder dergleichen aufzutragen, weist die Wickelvorrichtung eine Klebevorrichtung auf, mit der Klebstofftropfen erzeugt werden können. Diese Klebstofftropfen werden von der Klebevorrichtung auf den Spulenkörper oder auf die von der Faserzuführung neu bereitgestellte Faser aufgebracht, um die neu auf den Spulenkörper aufgelegte Faser mit der bereits vorhandenen Faser zu verkleben. Hierzu können die Tropfen auf die Faser geschossen oder darauf fallengelassen werden. Es ist aber auch denkbar die neu zugeführte Faser durch einen Klebstoffnebel zu führen, wobei sich Klebstofftropfen auf der Faser anlagern.
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Auf diese Weise ist es möglich, Faser der Faserspule bereits beim Auflegen in der gewünschten Position mittels des Klebstoffes zu fixieren. Dies erlaubt es, die Wicklung homogen auszuführen. Da der Klebstoff in Tropfenform aufgebracht wird, ist eine mechanische Berührung der Faser nicht notwendig. Ebenso wenig muss die Spule vergossen werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die homogene Wicklung nicht im Nachhinein wieder zerstört wird. Auch können Verklebungen aus Massen verwendet werden, die nicht in eine Vergussform eingebracht werden könnten, weil sie zu stark an ihr haften würden. Zudem kann der Klebstoff vor dem Ausstoßen in Tropfenform derart in einem Reservoir gehalten werden, dass keine Veränderung des Klebstoffs stattfindet, z.B. durch luftdichte Aufbewahrung. Der Ausstoß der Klebstofftropfen kann auch automatisiert erfolgen, so dass keine manuellen Eingriffe ausgeführt werden müssen, die den Wickelprozess verzögern würden.
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Die Klebevorrichtung kann geeignet sein, die Klebstofftropfen mit einer vorgegebenen Größe zu erzeugen, vorzugsweise mittels eines volumetrischen Dosierverfahrens. Dadurch wird sichergestellt, dass exakt die notwendige Menge Klebstoff zur Verfügung steht, um eine möglichst dichte Packung der Faser im Spulenkörper zu erreichen, ohne Klebstoffüberschuss auf oder innerhalb des Spulenkörpers zu erzeugen, der sich negativ auf die Homogenität der Wicklung auswirken würde. Hierdurch kann die Qualität der Wicklung und damit der Verlässlichkeit der Faserspule weiter erhöht werden.
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Die Klebstofftropfen können hierbei zum Beispiel mittels Jet-Ventil-Technologie erzeugt werden, bei der ein Zylinder oder Stempel den Klebstoff mit vorgebbarem Druck durch einen engen Kanal presst. Durch die Geometrie des Kanals und den Druck bestimmt, löst sich ein Tropfen mit einem bestimmten Volumen aus dem Kanal.
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Die Klebevorrichtung kann geeignet sein, die Klebstofftropfen gezielt auf die auf dem Spulenkörper zuäußerst liegende Lage an Faser zu befördern. Demgemäß lässt sich die genaue Position einstellen, an der die Klebstofftropfen auf dem bereits gewickelten Spulenkörper auftreffen und anhaften. Es kann also eine vorgebbare Struktur von Klebepunkten innerhalb des Spulenkörpers definiert werden, die die Faser der Faserspule zusammenhält. Zudem wird es ermöglicht, die Klebstofftropfen derart kontrolliert und automatisch auf den Spulenkörper zu bringen, dass bei einer automatischen Wickelung stets die neu aufgewickelte Faser über den Klebstofftropfen läuft und dadurch mit dem Spulenkörper verklebt wird.
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Auch hierzu kann vorzugsweise die Jet-Ventil-Technologie verwendet werden. Aufgrund des geringen Gewichts des aus dem Kanal gelösten Tropfens fliegt dieser nach dem Austritt aus dem Kanal in guter Näherung geradlinig in die vom Kanal vorgegebene Richtung weiter. Dies kann dazu genutzt werden, Klebstofftropfen gezielt auf den Spulenkörper zu schießen. Die Flugrichtung kann hierbei beliebig sein, insbesondere auch von unten nach oben, wenn dies aus Platzgründen in der Wickelvorrichtung notwendig ist. Vorzugsweise trifft der Klebstofftropfen hierbei senkrecht auf den Spulenkörper.
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Ein Abstand einer Austrittsstelle der Klebstofftropfen aus der Klebevorrichtung zur zuäußerst liegenden Lage an Faser kann hierbei unterhalb von 10 cm, vorzugsweise unterhalb von 5 cm liegen. Dadurch wird verhindert, dass die Klebstofftropfen einen zu großen Weg zurücklegen müssen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei zu großen Wegstrecken die Klebstofftropfen nicht als Einzeltropfen auf dem Spulenkörper landen, sondern teilweise Satellitentröpfchen um einen Haupttropfen entstehen, die an anderer Stelle landen können. Dadurch würde das gezielte Aufbringen von Klebstoff und damit das gezielte Verkleben von Faser verhindert. Dieser Effekt tritt jedoch bei kleineren Abständen von z.B. weniger als 10 cm, 7 cm, 5 cm, oder 3 cm nicht mehr auf. Die Klebevorrichtung kann auch derart nah an dem Spulenkörper angebracht sein, dass ausgestoßene Tropfen nahezu instantan auf den Spulenkörper gelangen. Auch ist es denkbar, die Klebstofftropfen zu einem Strahl verbunden zu einer Klebstoffbahn in direktem Kontakt zum Spulenkörper auszubringen.
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Die Wickelvorrichtung kann des Weiteren eine Positioniervorrichtung aufweisen, die geeignet ist, Spulenträger und/oder Klebevorrichtung derart zu bewegen, dass die Klebstofftropfen auf eine vorgegebene Position auf der auf dem Spulenkörper zuäußerst liegenden Lage an Faser treffen. So kann die Klebevorrichtung zum Beispiel mittels eines Lineartisches verfahrbar oder in ihrem Winkel zur Spulenoberfläche dynamisch verfahrbar sein, um Klebstofftropfen über die gesamte Breite des Spulenkörpers aufbringen zu können. Zudem kann der Spulenträger um die Spulenachse drehbar und/oder linear verschiebbar sein. Durch beide Bewegungen können Klebstofftropfen also auf jeder beliebigen Stelle an der Außenseite des Spulenkörpers angebracht werden, d.h. auf jeder Stelle der zuäußerst liegenden Lage an Faser. Durch diese freie Wählbarkeit der Klebstoffverteilung lassen sich verschiedene Prozesse für die Spulenwicklung realisieren, durch die kompakte Faserspulen mit homogener Wicklung automatisch erzeugt werden können.
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Die Wickelvorrichtung kann des Weiteren eine Strahlungsquelle, die im Wellenlängenbereich von UV- und/oder sichtbarem Licht emittiert, zum Bestrahlen des auf und/oder zwischen die Faser aufgebrachten Klebstoffs aufweisen, wobei die Klebstofftropfen aus Klebstoff bestehen, der unter Bestrahlung mit UV- und/oder sichtbarem Licht aushärtet. Hierdurch kann der Klebstoff bei Bedarf durch Bestrahlung ausgehärtet werden, wodurch die Faserspule im bereits verklebten Bereich fertiggestellt wird. Insbesondere kann jede Lage der Faserspule fest und endgültig auf der vorhergehenden fixiert werden, wodurch es möglich wird, die Faser auch unter (moderatem) Zug auf den Spulenkörper zu wickeln, da aufgrund des bereits erfolgten Aushärtens des Klebstoffes die neu aufgelegte Faser nicht in den Spulenkörper einschneiden und die bisher gewickelte Struktur stören kann. Zudem entfallen mit einer separaten Aushärtung verbundene Prozessschritte. Die Faserspule kann, ohne sie der Wickelvorrichtung zu entnehmen, vollständig fertig gestellt werden. Dadurch entfallen durch unsachgemäße manuelle Behandlung entstandene Fehler an der Faserspule, wodurch sich die Verlässlichkeit der Spulen erhöht.
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Hierbei können Photoinitiatoren im Klebstoff auf die spektrale Zusammensetzung und die Intensität des UV- und/oder sichtbaren Lichts nach Durchdringen der Faser abgestimmt sein. Der Klebstoff härtet also bei Strahlung aus, wie sie vorhanden ist, nachdem das Licht der Strahlungsquelle durch die zuoberst liegende Faserlage getreten ist. Dadurch wird ein vollständiges Aushärten befördert. Zudem kann es auch möglich sein, den Klebstoff bzw. die Klebstofftropfen, die mehrere Faserlagen miteinander verbinden durch nur eine Bestrahlung auszuhärten. Die Anzahl der Faserlagen, die so auf einmal fixiert werden können, hängt vom konkreten Material der Faser und der Intensität der Strahlung ab, die verwendet werden kann, ohne das Material zu schädigen. Zum Beispiel können 2, 5, 10, 50 oder sämtliche Faserlagen auf einmal mittels der Strahlung fixiert werden.
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Hierbei kann die Klebevorrichtung geeignet sein, Klebstofftropfen auf die zuäußerst liegende Lage an Faser aufzubringen, während das Aufwickeln neuer Faser auf den Spulenkörper unterbrochen ist. Der Spulenträger und die Faserzuführung können geeignet sein, neue Faser nach dem Aufbringen der Klebstofftropfen auf den Spulenkörper aufzuwickeln, um diese mit der zuäußerst liegenden Lage an Faser zu verkleben. Die Strahlungsquelle kann geeignet sein, die Klebstofftropfen hierauf mit Licht zu bestrahlen, um die Klebstofftropfen auszuhärten.
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Das Wickeln der Faserspule geht hierbei also in drei voll automatisierten Prozessschritten vor sich. Zunächst wird auf der zuletzt gewickelten Faserlage mittels der Klebevorrichtung, z.B. mittels eines Jet-Ventils und eines Lineartisches, eine Reihe von Klebstoffpunkten gesetzt, z.B. quer über die Breite des bisher gewickelten Spulenkörpers. Die Reihe von Klebstoffpunkten kann hierbei geradlinig oder gebogen sein. Durch Rotation des Spulenträgers kann sie auch schräg oder im zickzack über den Spulenkörper laufen. Letztendlich können die Klebstofftropfen in beliebiger Anordnung auf die Faserspule aufgebracht werden, auch eine netzförmige Verteilung wäre denkbar.
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Nachdem die Klebstoffpunkte an zumindest einer (oder auch mehreren) Stelle(n) des Spulenkörpers gesetzt wurden wird die nächst Lage Faser gewickelt, d.h. eine weitere Schicht an Faser wird in der gesamten Breite des Spulenkörpers um diesen gewickelt. Diese neu aufgewickelte Faser ist durch die Klebstofftropfen mit der bisher aufgebrachten Faser verbunden.
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Hierauf wird der Spulenkörper mit Strahlung im Wellenlängenbereich von UV- und/oder sichtbarem Licht bestrahlt, wodurch der Klebstoff aushärtet. Sämtliche bereits gewickelte Faser wird dadurch fest miteinander verbunden. Der Prozess wird dann wiederholt, bis die Faserspule fertiggestellt ist. So kann in einfacher und rascher Weise voll automatisiert eine kompakt und homogen gewickelte Faserspule erzeugt werden.
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Alternativ kann die Klebevorrichtung auch geeignet sein, Klebstofftropfen auf die zuäußerst liegende Lage an Faser aufzubringen, während neue Faser auf den Spulenkörper aufgewickelt wird. Der Spulenträger und die Faserzuführung können dann geeignet sein, neue Faser während des Aufbringens von Klebstofftropfen auf den Spulenkörper aufzuwickeln, um diese mit der zuäußerst liegenden Lage an Faser zu verbinden, auf der bereits Klebstofftropfen aufgebracht wurden.
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Anstatt das Wickeln der Faser wie oben beschrieben zu unterbrechen, können die Klebstofftropfen also auch laufend aufgebracht werden. Zum Beispiel kann ein Klebstofftropfen gerade auf eine Stelle geschossen werden, auf die kurze Zeit später neue Faser aufgelegt wird. Aufbringen von Klebstofftropfen und Auflegen von Faser laufen also leicht versetzt, aber parallel über die Breite des Spulenkörpers. Hierdurch wird die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht, da das Wickeln der Spule nicht unterbrochen werden muss. Jedoch ist hierfür eine komplexere Prozesssteuerung notwendig. Eine Spulenfertigung nach dem oben beschriebenen Stopp-and-Go ist daher zwar langsamer, aber weniger fehleranfällig.
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Bei parallelem Kleben und Wickeln kann die Strahlungs-Quelle geeignet sein, die gerade aufgebrachten Klebstofftropfen während des Aufwickelns von neuer Faser auf den Spulenkörper mit Licht zu bestrahlen, um sie auszuhärten. Hierzu kann die Strahlungs-Quelle die Strahlung auf einen begrenzten Bereich fokussieren, durch den die gerade mit Klebstoff beschichtete Faser läuft. Klebstoffauftrag, Wickeln und Aushärten erfolgen also innerhalb einer Umdrehung des Spulenträgers, d.h. innerhalb der Wicklung einer Faserschleife. Hierdurch wird der Wickelprozess noch effektiver.
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Die Strahlungs-Quelle kann alternativ auch geeignet sein, die Klebstofftropfen mit Licht zu bestrahlen, nachdem das Aufwickeln unterbrochen wurde. Dann erfolgen die Beschichtung mit Klebstoff und das Aufwickeln parallel, z.B. um eine Faserlage neu aufzuwickeln. Ist genügend neue Faser auf den Spulenkörper aufgebracht (z.B. eine, zwei oder auch mehrere Lagen), wird das Aufwickeln unterbrochen und der gesamte Spulenkörper mit Licht bestrahlt. Es werden also sämtliche Klebstofftropfen gleichzeitig ausgehärtet. Dies hat zwar den Nachteil, dass der Wickelvorgang unterbrochen werden muss, bietet jedoch den Vorteil, dass eine gegebenenfalls schwierige oder ungenügende Fokussierung des Lichts vermieden werden kann, durch die auch nicht mit Fasern bedeckter Klebstoff aushärten könnte.
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Die Bestrahlung mit Licht kann auch erst erfolgen, wenn mehrere mit Klebstofftropfen verbundene Faserlagen aufgewickelt wurden oder wenn die Faserspule fertig gewickelt ist. Dies stellt eine sehr einfache Variante für das Aushärten des Klebstoffs dar.
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Es versteht sich von selbst, dass anstatt des oben beschriebenen, unter Strahlung radikalisch oder polymerisierenden Klebstoffs auch jeder andere chemisch reaktive Klebstoff verwendet werden kann. Dies können mittels Luftfeuchtigkeit polymerisierende Cyanacrylate, unter Sauerstoffausschluss in Anwesenheit von Metallen polymerisierende Methacrylate oder Klebstoffe, die mittels Polyaddition, Polykondensation oder Vulkanisation schnell aushärten sein. Im Fall von thermisch härtenden Klebstoffen ist es möglich die Aushärtung im Ofen oder auch durch Mikrowellenstrahlung, IR-Strahlung oder induktive Erwärmung durchzuführen. Die Aushärtung im Ofen kann z.B. von Vorteil sein, wenn eine Strahlungs-Quelle aus Platzgründen nicht eingesetzt werden kann.
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Die Klebevorrichtung kann geeignet sein, die Klebstofftropfen derart auf die jeweils zuäußerst liegende Lage an Faser aufzubringen, dass zwischen den Klebstofftropfen und der Faser der Faserspule Lufträume vorhanden sind, die vorzugsweise durch Luftkanäle miteinander verbunden sind. Es wird also nur eine Anzahl von Klebstofftropfen mit einem Volumen aufgebracht, die gerade ausreicht, alle Faserabschnitte gegeneinander zu fixieren. Die so erzeugte offenporige Faserspule ist dann sehr leicht. Die offenporige Faserspule kann aber auch, wie aus dem Stand der Technik bekannt, zusätzlich vergossen werden. Dies hat den Vorteil, dass die hohe Stabilität, die durch den Verguss erreicht wird, genutzt werden kann, ohne den Nachteil, dass die Vergussmasse die Faseranordnung beeinträchtigt, da die gesamte Faser bereits zuvor fixiert worden ist.
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Alternativ kann die Klebevorrichtung geeignet sein, die Klebstofftropfen derart auf die jeweils zuäußerst liegende Lage an Faser aufzubringen, dass die fertig gewickelte Faserspule keine Lufträume zwischen Faser und Klebstoff aufweist. Die Faserspule wird dann direkt und komplett äquivalent zu einer vergossenen Spule hergestellt. Hierbei entfällt zumindest der zusätzliche Schritt des Vergießens.
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Eine Faserspule aus aufgewickelter Faser kann aufeinanderliegende Lagen von Faser aufweisen, die mit ausgehärteten Klebstofftropfen verklebt sind. Die oben genannten Vorteile lassen sich aufgrund der Verwendung von Klebstofftropfen erzielen, da diese die oben beschriebene direkte und automatische Verklebung von neu aufgewickelter mit bereits vorhandener Faser ermöglichen.
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Die Faserspule kann eine offenporige Struktur aufweisen, d.h. zwischen den Klebstofftropfen und der Fasern der Faserspule können Lufträume vorhanden sein, die vorzugsweise durch Luftkanäle miteinander verbunden sind. Die Faserspule wird hierdurch leichter als vergleichbare vergossene Spulen. Dies kann für Faserspulen von Vorteil sein, die für den Flugbetrieb gedacht sind.
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Die Faserspule kann hierbei mit einer Wickelvorrichtung hergestellt werden, wie sie oben beschrieben wurde. Die Faserspule realisiert also alle oben genannten Vorteile hinsichtlich Homogenität, Kompaktheit und Kosteneffizienz.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nochmals mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Diese Beschreibung ist jedoch rein beispielhaft. Die Erfindung ist ausschließlich durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Wickelvorrichtung;
- 2 schematische Darstellungen einer Klebevorrichtung, die die Jet-Ventil-Technologie verwendet;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Wickelvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Wickelvorrichtung;
- 5 eine schematische Darstellung des Verklebens von Faser in einer Wickelvorrichtung;
- 6A und 6B eine weitere schematische Darstellung des Verklebens von Faser in einer Wickelvorrichtung;
- 7 schematische Detailansichten einer Faserspule.
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Die 1 zeigt in schematischer Weise eine Wickelvorrichtung 100 zum Wickeln von Faserspulen 200 aus einer oder mehreren Fasern 210. Die Faserspulen 200 sind hierbei für den Einsatz in faseroptischen Kreiseln gedacht. Dementsprechend handelt es sich bei den Fasern 210 vorzugsweise um mit einer Beschichtung versehene Glasfasern. Die Wickelvorrichtung 100 kann aber auch für das Wickeln beliebiger Fasern 210 verwendet werden, die miteinander verklebt werden müssen, um ein fertiges Produkt zu erzeugen.
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Die Wickelvorrichtung 100 weist, wie in der 1 gezeigt, einen Spulenträger 110 und eine Faserzuführung 120 auf. Die Fasern 210 werden über die Faserzuführung 120 an den Spulenträger 110 geführt und auf diesen gewickelt. Hierbei bilden sie einen Spulenkörper 220, der aus mehreren übereinanderliegenden Lagen von Faser 210 aufgebaut ist.
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Das Wickeln der Fasern 210 auf den Spulenträger 110 kann hierbei nach jedem beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durchgeführt werden. Im einfachsten Fall wird die Faser 210 mit einem Ende auf dem Spulenträger 110 befestigt und durch Drehen des Spulenträgers (wie durch den Pfeil symbolisiert) auf diesen aufgewickelt, während die Faserzuführung 120 durch Bewegungen senkrecht zur Bildebene dafür sorgt, dass die neu aufgewickelten Fasern 210 den Spulenkörper 220 in seiner ganzen Breite bedecken.
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Müssen beide Enden der fertigen Spule 200 von außen zugänglich sein, wird die Faser 210 in einem mittleren Abschnitt auf dem Spulenträger 110 bzw. einer auf dem Spulenträger 110 befestigbaren, z.B. aufsteckbaren Halterung befestigt, etwa aufgeklebt. Die beiden Enden der Spule werden dann abwechselnd über den Spulenträger 110 gewickelt, z.B. durch Rotation des Spulenträgers 110 mit zwischenliegender Fixierung der Faser oder durch Bewegen der Faserführung 120 um den Spulenträger 110 herum. Da derartige Wickelverfahren einem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufig sind, wird hier auf weitere diesbezügliche Ausführungen verzichtet.
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Die Wickelvorrichtung 100 weist des Weiteren eine Klebevorrichtung 130 auf, die Klebstofftropfen 140 aus einer Austrittsstelle 132 abgibt. Die Klebstofftropfen 140 gelangen auf den Spulenkörper 220 und/oder die zugeführte Faser 210 und verkleben die neu zugeführten Faser 210 mit bereits auf dem Spulenkörper 220 aufgewickelter Faser 210. Es wird also die zuäußerst liegende Lage an Faser 210 des Spulenkörpers 220 mit der neu aufgelegten Fasern 210 verklebt.
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Wie in der 1 gezeigt und wie weiter unten noch weiter erläutert, können die Klebstofftropfen 140 direkt auf den Spulenkörper 220 bzw. die darin aufgewickelte Faser 210 gerichtet sein. Es ist aber auch denkbar, die Klebstofftropfen 140 auf die neu zugeführten Faserabschnitte zu richten. Auch wäre es denkbar, Spulenträger 110 und Faserzulauf in einem Gehäuse oder dergleichen zu platzieren und einen Klebstoffnebel aus Klebstofftropfen 140 in dem Gehäuse vorzuhalten, der die Faser 210 auf dem Spulenkörper 220 und/oder die neu einlaufenden Fasern 210 mit Tröpfchen benetzt, die dann für die Verklebung dienen.
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Die Verwendung von Klebstofftropfen 140 für das Verkleben bietet den Vorteil, dass die mit Bezug auf die 7 weiter unten beschriebenen, „offenporigen“ Faserspulen realisiert werden können, die einen wesentlich geringeren Klebstoffanteil haben als konventionell gefertigte Faserspulen und deshalb z.B. leichter sind. Dieser Vorteil kann im Prinzip mit jeder Art des Aufbringens von Klebstofftropfen 140 erreicht werden. Im Folgenden soll aber davon ausgegangen werden, dass die Klebstofftropfen 140 auf die äußerste Lage des Spulenkörpers 220 aufgebracht werden.
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Hierzu werden, wie in der 1 gezeigt, die Klebstofftropfen 140 gezielt auf die Oberfläche des Spulenkörpers 220 geschossen. Ein Tropfen kann hierbei z.B. ein Gewicht von 4 µg bis 14 mg oder ein Volumen von 4 nl bis 14 µl haben. Die Klebstofftropfen 140 können aufgrund ihres geringen Gewichts aus jeder beliebigen Richtung auf den Spulenkörper 220 gebracht werden, die für eine platzsparende Konstruktion der Wickelvorrichtung 100 vorteilhaft ist. Zum Beispiel können die Klebstofftropfen 140 auch von unten nach oben geschossen werden, ohne dass es zu negativen Effekten kommt.
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Vorzugsweise kann die Größe der Klebstofftropfen 140 hierbei volumetrisch dosiert werden, d.h. das Volumen der Klebstofftropfen 140 ist auf einen bestimmten Wert festgesetzt, bzw. kann auf einen bestimmten Wert eingestellt werden.
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Ein Beispiel hierfür sind Tropfengeneratoren oder Jet-Ventile, die sich der Jet-Ventil-Technologie bedienen, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine kurze Erläuterung dieser Technologie soll trotzdem mit Bezug auf 2 gegeben werden. Diese Erläuterung soll aber nicht als einschränkend verstanden werden.
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Wie in der 2 gezeigt kann in der als Jet-Ventil ausgestalteten Klebevorrichtung 130 eine düsenförmige Austrittsstelle 132 mit einem Klebstoffkanal 134 verbunden sein, in dem sich Klebstoff 145 befindet. Der Klebstoffkanal 134 wiederum kann mit einem Klebstoffreservoir verbunden sein, das mit einem Vordruck beaufschlagt werden kann, um den Klebstofftransport aus dem Klebstoffreservoir in den Klebstoffkanal 134 und zur Austrittsstelle 132 zu gewährleisten.
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Der Klebstoff 145 wird über einen pneumatisch oder piezo-angetriebenen Aktor mittels eines Zylinders 136 mit hohem Impuls in den Kanal und aus diesem herausgedrückt, vgl. 2b). Der Staudruck an der Spitze des Zylinders 136 bewirkt, dass die Oberflächenenergie und die Bindungskräfte innerhalb des Klebstoffs 145 überwunden werden und sich ein frei fliegender Tropfen aus der Austrittsstelle 132 löst, dessen Größe neben der Geometrie der Klebevorrichtung 130 nur vom Hub des Zylinders 136 abhängt. Bei gleichem Hub werden also Tropfen gleicher Größe erzeugt. Die Viskosität des Klebstoffs 145 hat hierbei kaum Einfluss auf die dosierbare Menge, vorausgesetzt der Zylinder 136 bewegt sich erst dann in Richtung Austrittsstelle 132, nachdem der Klebstoffkanal 134 vollständig mit Klebstoff aus dem Reservoir gefüllt ist. Klebstoffe 145 mit bis zu 2000 Pa.s können wie oben beschrieben verarbeitet werden.
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So lassen sich mittels der Jet-Ventil-Technologie volumetrisch dosierte Tropfen erzeugen, die die Klebevorrichtung 130 mit einer ausreichend großen Geschwindigkeit verlassen, um auch gegen die Schwerkraft für eine Wegstrecke von einigen Zentimetern in guter Näherung eine lineare Bahn aufzuweisen. Dies ermöglicht es, die Klebstofftropfen 140 exakt positioniert auf den Spulenkörper 220 zu schießen und dadurch auf dessen Oberfläche zu platzieren. Aufgrund der kompakten Baugröße von derartigen Jet-Ventilen können diese zudem nahezu beliebig in bestehende Wickelmaschinen integriert werden.
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Der Abstand d von der Austrittsstelle 132 zur Oberfläche des Spulenkörpers 220 liegt hierbei vorzugsweise unterhalb von 5 cm, maximal unterhalb von 10 cm, z.B. zwischen 1 cm und 5 cm. Es wurde nämlich festgestellt, dass für eine größere Entfernung neben dem gewünschten Haupttropfen auf dem Spulenkörper 220 kleinere Satellitentropfen rund um den Haupttropfen entstehen. Diese Satellitentropfen können ungewollte Verklebungsstellen oder bei vorzeitigem Aushärten Fehlstellen im Wickelmuster ergeben. Um dies zu vermeiden, wird der Abstand d vorzugsweise auf unter 5cm begrenzt. Der Abstand d kann hierbei auch konstant gehalten werden, wenn die Klebevorrichtung 130 bei zunehmender Anzahl von Faserlagen im Spulenkörper 220 von diesem wegbewegt werden kann, z.B. mittels eines Linearmotors oder dergleichen.
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Der Tropfenausstoß aus der Klebevorrichtung 130 kann hierbei mittels eines piezoelektrischen oder pneumatischen Aktors erfolgen. Auf diese Weise kann eine große Anzahl von Tropfen pro Sekunde ausgestoßen werden, z.B. bis zu 250, 300 oder 350 Tropfen pro Sekunde bei pneumatischen Aktoren und bis zu 2000 Tropfen pro Sekunde bei piezoelektrischen Aktoren. So können ausreichend große Mengen von Klebstofftropen 140 erzeugt werden, um den Spulenkörper 220 vollautomatisch mit Klebstoff 145 für das Aufbringen der nächsten Faserlage zu benetzen.
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Beispiele für derartige Jet-Ventile stellen Mikrodosierventile, Schlauchquetschventile oder Membrandosierventile der Hersteller DELO, Nordson, Techcon oder BioFluidx dar.
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Die Positionierung der Klebstofftropfen kann dabei wie in der 3 schematisch gezeigt über eine Positioniervorrichtung 150 erfolgen, mit der der Spulenträger 110 und/oder die Klebevorrichtung 130 derart bewegt werden können, dass die Klebstofftropfen 140 auf einer vorgegebenen Position auf dem Spulenkörper 220 landen. Optimaler Weise treffen die Klebstofftropfen 140 senkrecht auf die Oberfläche des Spulenkörpers 220 auf, um eine Delokalisierung durch schrägen Einfall zu vermeiden.
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Zum Beispiel kann die Klebevorrichtung 130 mittels eines Linearmotors nicht nur von dem Spulenkörper 220 weg (Y-Richtung in der 3), sondern auch entlang der Breite des Spulenkörpers (X-Richtung in der 3) verfahren werden. Falls nötig, kann auch eine Bewegung senkrecht zur Bildebene erfolgen (Z-Richtung).
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Weiterhin kann die Klebevorrichtung 130 in ihrem Winkel zur Spulenoberfläche dynamisch verstellbar sein, so dass ohne Bewegung über die Breite des Spulenkörpers (X-Richtung in der 3) Klebstofftropfen 140 über die gesamte Breite des Spulenkörpers aufgebracht werden können.
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Des Weiteren kann der Spulenträger 110 und damit der Spulenkörper 220 gedreht werden, wie in der 3 durch den Pfeil A symbolisiert. Auch dadurch kann die Auftreffstelle der Klebstofftropfen 140 auf dem Spulenkörper 220 verändert werden. Zudem ist es auch möglich, den Spulenträger 110 in X-, Y-, und/oder Z-Richtung zu verschieben, z.B. über eine entsprechende Bewegung einer Achse auf der der Spulenträger 110 gelagert ist. Dies ist zwar konstruktiv aufwändiger, kann aber die Bewegung der Klebevorrichtung 130 überflüssig machen, so dass die Positioniervorrichtung 150 nur an dem Spulenträger 110 angreift.
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Auf diese Weise kann in vollautomatisierter Weise eine große Anzahl von Klebstofftropfen 140 auf beliebig wählbare Stellen auf der Oberfläche des Spulenkörpers 220 aufgebracht werden, um ein optimales Klebeergebnis und damit ein optimales Wickelergebnis zu erzielen.
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Der Klebstoff 145, aus dem die Klebstofftropfen 140 geformt sind, kann hierbei eine Konsistenz aufweisen, die eine gegenseitige Fixierung von Abschnitten der Faser 210 erlaubt, ohne dass der Klebstoff 145 komplett ausgehärtet ist. In diesem Fall kann der fertig gewickelte Spulenkörper 220 in konventioneller Weise aus der Wickelvorrichtung 100 entnommen werden (z.B. noch auf dem Spulenträger 110 befindlich) und zum Aushärten des Klebstoffes 145 gelagert, in einen Ofen verbracht und/oder mit Licht bestrahlt werden. Zudem kann der Spulenkörper 220 zusätzlich mit einer Vergussmasse vergossen werden, um der fertigen Faserspule 200 mehr Stabilität zu verleihen.
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Wie in der 4 gezeigt kann die Wickelvorrichtung 100 auch mit einer Strahlungs-Quelle 160 ausgestattet sein, die den Spulenkörper 220 mit Licht 165 im Wellenlängenbereich von UV- und/oder sichtbarem Licht bestrahlt, um den Klebstoff 145 auszuhärten, noch während sich der Spulenkörper 220 in der Wickelvorrichtung 100 befindet.
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Der Klebstoff 145 kann hierbei im Prinzip ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter, unter Strahlung aushärtender Klebstoff sein. Das verwendete Licht kann eine Wellenlänge von 100 nm bis 780 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 550 nm, weiter vorzugsweise von 315 nm bis 420 nm haben. Es können z.B. ausschließlich unter Strahlung aushärtende Acrylate verwende werden, wie etwa DYMAX 431. Diese härten aufgrund von radikaler Polymerisation sehr schnell aus, z.B. in einem Zeitraum von wenigen Sekunden, etwa zwischen 1 s und 10 s. Die Aushärtung erfolgt nur während der Bestrahlung und ist damit gut steuerbar.
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Die Aushärtung erfolgt schnell und vollständig, eine Nachhärtung ist nicht erforderlich. Dadurch ist es möglich, Abschnitte der Faser 210 schnell und zuverlässig fest miteinander zu verbinden.
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Strahlungshärtende Reaktionsklebstoffe besitzen im Gegensatz zu 2-komponentigen Reaktionsklebstoffen keine sogenannte Topfzeit oder offene Zeit, nach der die Viskosität des Klebstoffs zunehmend ansteigt und die Aushärtung erfolgt. Das heißt bei strahlungshärtenden Klebstoffen kann die regelmäßige Reinigung sämtlicher Komponenten der Klebevorrichtung 130 entfallen, die mit Klebstoff in Kontakt kommen, wie zum Beispiel von Reservoir, Kanälen und dem Ventil. Es genügt, regelmäßig Klebstoff nachzufüllen. Weiterhin bleibt die Klebstoffviskosität konstant, was zur Prozessstabilität beiträgt.
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Ebenfalls können sogenannte 1K-Epoxiedharzkleber verwendet werden. In diesen kommt es nach sekundenschneller Licht-Aktivierung zu einer kationischen Polymerisation. Ein Beispiel hierfür ist DELO KATIOBOND. Bei derartigen Klebstoffen 145 erfolgt eine Aushärtung auch nach dem Ende der Bestrahlung in Schattenbereichen. Es kommt also zu einer kontinuierlichen und damit homogeneren Aushärtung.
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Alternativ können auch Klebstoffe 145 verwendet werden, bei denen eine thermische Nachhärtung möglich ist. Beispiele für dementsprechende Acrylate sind Noa 83H oder DELO DUALBOND. Derartige Klebstoffe ermöglichen es, die Faser 210 mittels der Strahlungs-Quelle 160 vorläufig zu fixieren und die spätere Endfestigkeit in einem Ofen herzustellen. Für die Vorhärtung genügt wiederum eine Bestrahlung von wenigen Sekunden, z.B. von nur einer oder einigen Sekunden.
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Es können also eine Vielzahl von Klebstoffen eingesetzt werden. Ausschlaggebend ist hierbei, dass die Klebstoffe in automatisierter Weise in Tropfenform auf die einlaufende Faser 210 oder den Spulenkörper 220 gebracht werden können.
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Das Verkleben und Fixieren der aufeinanderliegenden Faser 210 ist schematisch in der 5 gezeigt. Zunächst wird auf die zuäußerst liegende Lage an Faser 210 einer Reihe von Klebstofftropfen 140 aufgebracht. Die Klebstofftropfen 140 sind dabei so über die Faser 210 verteilt, dass sie ein Verkleben der Faser 210 mit der nächsten Faserlage erlauben. Wie in der 5 gezeigt, werden die Klebstofftropfen 140 nacheinander nach einer entsprechenden Verstellung der Relativposition von Spulenträger 110 und Klebevorrichtung 130 mittels der Positioniervorrichtung 150 auf den Spulenkörper 220 aufgebracht. Es können im Prinzip aber auch mehrere Klebevorrichtungen 130 oder eine Klebevorrichtungen 130 mit mehreren Tropfenauslässen vorgesehen sein, die ein gleichzeitiges Auftragen von zwei oder mehr Klebstofftropfen 140 erlauben.
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Die Klebstofftropfen 140 können hierbei eine geschlossene Kette bilden, also miteinander in Verbindung stehen. Sie können aber auch voneinander getrennt sein, also einzeln liegen. Es ist im Prinzip jede beliebige Anordnung von Klebstofftropfen 140 möglich, solange der gesamte Faserverbund in der fertigen Faserspule 200 so gegeneinander fixiert ist, dass die ursprüngliche Wicklung der Faser 210 erhalten bleibt, dass also eine kompakte, homogen gewickelte Faserspule 200 entsteht. Hierzu ist es z.B. ausreichend, wenn ein Abschnitt der Fase 210 mit einem einzelnen benachbarten Abschnitt der Faser 210 derart fest verbunden ist, dass keine gegenseitige Verschiebung möglich ist, solange alle Abschnitte der Faser 210 über Klebstofftropfen 140 ein Netzwerk von auf diese Weise fest verbundenen Faserabschnitten bilden. Zudem kann es auch möglich sein, einzelne Abschnitte der Faser 210 nicht mit Klebstoff zu fixieren, solange sie aufgrund der festen Verbindung der sie umgebenden Abschnitte der Faser 210 im Spulenkörper 220 fixiert sind.
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Nachdem die Klebstofftropfen 140 auf die zuäußerst liegende Faserlage aufgebracht wurden, wird entsprechend dem mit der Wickelvorrichtung 100 ausgeführten Wickelprozess Faser 210 auf den Spulenkörper 220 aufgewickelt, die die nächste Faserlage bildet (in der 5 schraffiert dargestellt). Diese Faser 210 wird derart um den Spulenkörper 220 gewickelt, dass eine kompakte, homogene Wicklung entsteht, z.B. in Form einer dichtesten Packung, wie in der 5 gezeigt. Dabei verbinden sich die neu aufgelegten Abschnitte der Faser 210 mit den bereits vorhandenen Abschnitten der Faser 210. Anschließend kann mittels der Strahlungs-Quelle 160 Licht 165 auf die frisch verbundenen Abschnitte der Faser 210 gestrahlt werden, das zu einem (teilweisen oder vollständigen) Aushärten des Klebstoffes 145 führt.
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Wie in der 5 gezeigt tritt das Licht 165 durch die neu aufgelegte Lage an Faser 210, bevor es den Klebstoff 145 erreicht. Dadurch können spektrale Bereiche des Lichts 165 teilweise oder vollständig absorbiert werden, bevor sie den Klebstoff 145 erreichen. Es kann deshalb vorteilhaft sein, die spektrale Zusammensetzung des Lichtes 165 so zu wählen, dass eine genügend große Intensität von Licht 165 mit einem Wellenlängenbereich den Klebstoff 145 erreicht, der das Aushärten des Klebstoffs 145 auslöst. Anders ausgedrückt können vorteilhafter Weise Strahlung und Photoinitiatoren im Klebstoff 145 darauf abgestimmt sein, dass die Strahlung nach Durchtritt durch die außen liegenden Faserlage(n) das Aushärten des Klebstoffes 145 (noch) auslösen kann.
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Die Bestrahlung mit Licht 165 kann dabei, wie in der 5 gezeigt, nach dem Auftrag jeder neuen Lage an Faser 210 erfolgen. Die Aushärtung des Klebstoffs 145 kann aber auch erst erfolgen, nachdem mehrere Abfolgen von Faser 210 und Klebstoff 145 aufgetragen wurden. Hierzu muss die Intensität des Lichts 165 so gewählt werden können, dass auch Klebstoff 145 hinter mehreren Lagen von Faser 210 noch ausreichend Strahlung der erforderlichen Wellenlänge absorbieren kann. Es ist auch denkbar, erst den fertig gewickelten Spulenkörper 220 mit Licht 165 zu bestrahlen. Durch das gleichzeitige Aushärten mehrerer Faserlagen vereinfacht sich der Herstellungsprozess der Faserspule 200.
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Das Aushärten des Klebstoffs 145 Faserlage für Faserlage bietet andererseits den Vorteil, dass neu aufgewickelte Faser 210 stets auf einen fest verklebten Gesamtkörper aufgelegt werden und nicht auf eine lose verbundene und damit verformbare Schichtung von Faser 210 und Klebstoff 145. Damit ist es möglich, die neu aufgelegte Faser 210 straffer über den Spulenkörper 220 zu ziehen, als es für nicht vorher ausgehärtete Klebeverbindungen möglich wäre, da ein Einschneiden der neu aufgelegten Faser 210 in den noch verformbaren Spulenkörper 220 nicht möglich ist. Dies erlaubt eine kompaktere Anordnung der Fasern 210. Hierbei ist auch zu beachten, dass selbst bei einer relativ lockeren Wicklung durch geringe Zugkraft nach dem Aufbringen von mehreren Faserwicklungen die zuinnerst liegenden Faserlagen aufgrund der auf sie gewickelten Faserlagen einem stärkeren Druck ausgesetzt sind, als die äußeren Faserlagen. Um diesen Effekt zu vermeiden, müsste der Zug auf die zugeführte Faser 210 mit zunehmender Wickelstärke vermindert werden, was prozesstechnisch aufwendig ist. Der Effekt lässt sich aber auch in einfacher Weise durch das Aushärten der Verbindungen zwischen 2 bis 5 Faserlagen vermeiden oder vermindern, wenn diese vor dem Aufbringen neuer Faser 210 erfolgt.
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Wie in der 4 angedeutet kann die Bestrahlung mit Licht 165 über die gesamte Ausdehnung des Spulenkörpers 220 erfolgen, so dass sämtlicher Klebstoff 145 gleichzeitig ausgehärtet wird. Das Licht 165 muss hierbei von den Bereichen des Spulenkörpers 220 abgeschirmt sein, auf denen die Klebstofftropfen 140 aufliegen, ohne mit neuer Faser 210 bedeckt zu sein. Wie in der 4 gezeigt kann die UV-Quelle hierzu auf der Seite des Spulenträgers 110 angeordnet sein, der der Klebevorrichtung 130 gegenüber liegt. Dann sorgt der Spulenkörper 220 bzw. der Spulenträger 110 für die Abschirmung. Es können aber auch Abschirmmittel vorhanden sein, die einen Lichteinfall bei beliebiger Positionierung der Strahlungs-Quelle 160 verhindern.
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Alternativ kann nach der vollständigen Bedeckung des Klebstoffes 145 mit neu aufgelegter Faser 210, d.h. nach komplettem Aufwickeln einer Faserlage, auch der gesamte Spulenkörper 220 mit Licht 165 bestrahlt werden. Hierzu können mehrere Strahlungs-Quellen 160 eingesetzt werden oder der Wickelprozess kann in einem Gehäuse vorgenommen werden, das die Strahlung reflektiert, wodurch eine komplette Belichtung mit Licht 165 auch mit nur einer einzelnen Strahlungs-Quelle 160 erreicht werden kann.
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Gegenüber einer vollflächigen Bestrahlung mit Licht 165 kann es aber auch von Vorteil sein, wenn das Licht 165 fokussiert nur auf eine bestimmte Stelle des Spulenkörpers 220 gestrahlt wird, d.h. wenn eine Aushärtung des Klebstoffs 145 punktuell und lokal erfolgen kann. Dies ist z.B. in der 5 gezeigt, wo die Strahlungs-Quelle 160 das Licht 165 nur auf einen Bereich von der Breite weniger nebeneinanderliegender Faserabschnitte richtet und so z.B. 1, 5, 10, 50, 100 oder 150 nebeneinanderliegende Faserabschnitte gleichzeitig bestrahlt. Eine derartige Fokussierung kann z.B. über eine Glasfaser erreicht werden, die das Licht 165 zu der gewünschten Stelle führt. Das Ende der Glasfaser, das das Licht 165 emittiert, kann hierbei auch gegenüber dem Spulenkörper 220 bewegbar sein, z.B. mittels einer Aufhängung für die Glasfaser und damit verbundenen Linearmotoren.
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Durch die Kombination der Klebstofftropfenpositionierung, des Wickelvorgangs und der Bestrahlung lassen sich verschiedene Prozessvarianten für das Wickeln und Verkleben von Faserspulen 200 realisieren.
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So ist z.B. in der 6A schematisch ein Verfahren gezeigt, bei dem Klebstofftropfen 140 bei unterbrochenem Wickelvorgang auf den Spulenkörper 220 aufgebracht werden. Wie in der 6A durch die schwarz eingefärbten Klebstofftropfen 140 angedeutet, erfolgt das Aufbringen der Klebstofftropfen 140 in einer Reihe durch Verschieben der Klebevorrichtung 130 mittels der Positioniervorrichtung 150, ohne dass Faser 210 auf den Spulenkörper 220 aufgebracht wird. Die Reihe kann hierbei eine Linie sein, wenn eine Rotation des Spulenträgers 110 bzw. des Spulenkörpers 220 komplett unterbleibt. Durch Rotation oder zusätzliche Bewegung der Klebevorrichtung 130 kann aber auch eine andere Reihung, wie z.B. eine Wellenlinie oder ein Zickzackmuster erzielt werden.
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Nach dem Aufbringen dieser Klebepunkte wird der Wickelprozess wieder aufgenommen und eine weitere Lage an Faser 210 auf den Spulenkörper 220 aufgewickelt. Die Klebstofftropfen 140 werden also von dieser neuen Faserlage bedeckt. Dies ist in der 6A für eine zuvor aufgebrachte Reihe von Klebepunkten durch ausgegraute Klebstofftropfen 140 gezeigt. Die Faserspule 200 wird also durch abwechselndes Aufbringen von Klebstofftropfen 140 und anschließendes Aufwickeln von Faser 210 über diese Klebstofftropfen 140 geformt.
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Hierbei können vor dem Aufbringen der nächsten Klebstofftropfen 140 die zuvor mit Faser bedeckten Tropfen - bei wiederum unterbrochenem Wickelprozess - mittels der Bestrahlung durch die UV-Quelle 160 ausgehärtet werden, so dass sich der kontinuierlich bis zur Fertigstellung der Faserspule durchgeführte Dreischritt von Aufbringen des Klebstoffs - Auswickeln der Spule - Aushärten des Klebstoffs ergibt.
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Während in der 6A dieser Dreischritt global, d.h. mit Bezug auf die gesamte Spule durchgeführt wird, kann er auch lokal durchgeführt werden, wie in der 6B gezeigt.
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Im Beispiel der 6B rotiert der Spulenträger 110 bzw. der Spulenkörper 220, während Klebstofftropfen 140 aufgebracht werden. Bei einer linearen Verschiebung der Klebevorrichtung 130 entlang der Breite des Spulenkörpers 220 ergibt sich eine schräg über den Spulenkörper 220 laufende Reihe von Klebstofftropfen 140.
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Über diese Klebstofftropfen 140 wird, da die Wickelvorrichtung 100 läuft, kontinuierlich neue Faser 210 aufgebracht. In der 6B sind bereits überdeckte Klebstofftropfen 140 ausgegraut dargestellt, während außen liegende Klebstofftropfen 140 schwarz dargestellt sind. Frisch aufgetragene Klebstofftropfen 140 werden also Faserlage für Faserlage überdeckt, das Aufbringen der Klebstofftropfen 140 läuft dem Aufbringen der neuen Faser 210 voraus, z.B. mit einem Abstand von einigen Faserbreiten, z.B. 1, 5, 10, 20, 50 oder 100 Faserbreiten.
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Das Aushärten des Klebstoffes 145 kann hierbei ähnlich zur Variante der 6A bei unterbrochenem Wickelprozess erfolgen. Nachdem eine Lage von neuer Faser 210 auf die entsprechenden Klebstofftropfen 140 aufgelegt wurde, wird der Wickelprozess gestoppt und möglichst der komplette Spulenkörper 220 mit Licht 165 bestrahlt. Hierauf wird bei laufendem Wickelprozess die nächste Klebstofflage aufgebracht. Auch hier kommt es also zum Dreischritt von Aufbringen des Klebstoffs 145, Aufwickeln der Faser 210 und Aushärten des Klebstoffs 145.
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Alternativ kann die Aushärtung auch über eine lokale Bestrahlung erfolgen, ohne den Wickelprozess zu unterbrechen. Das Licht 165 wird dabei auf Klebstofftropfen 140 fokussiert, die bereits mit Faser 210 bedeckt sind. Zudem erfolgt vorzugsweise eine Abschirmung gegenüber unbedeckten Klebstofftropfen 140. Zum Beispiel kann Licht 165 aus einer eng am Spulenkörper 220 endenden Glasfaser nahezu punktförmig auf den Spulenkörper 220 emittiert werden. Diese Variante erreicht wegen der fehlenden Notwendigkeit den Wickelprozess zu unterbrechen die höchste Fertigungsrate, ist aber prozesstechnisch komplex, da für eine genügende Abschirmung des Lichts 165 und eine Abstimmung von Klebstoffauftrag, Wickelung und Aushärtung gesorgt werden muss.
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In allen oben aufgeführten Varianten kann die Belichtung mit Licht 165 auch erst dann erfolgen, wenn mehrere Faserlagen aufgetragen wurden, wie dies oben beschrieben wurde. Zudem ist es in allen Varianten möglich, mehrere Reihen von Klebepunkten pro neu aufgewickelter Faserlage vorzusehen, um die Stabilität der Wicklung zu verbessern. Zudem können mittels der Strahlungs-Quelle 160 auch gezielt Klebstofftropfen 140 ausgehärtet werden, auf die noch keine Faser 210 abgelegt wurde. Dies kann erfolgen, um gezielt Abstandshalter oder spezielle Strukturen in die Spule einzubringen.
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Auch sind eine Reihe von weiteren Prozessgestaltungen möglich. Ausschlaggebend für die vollautomatische und damit schnelle und kostengünstige Fertigung von möglichst kompakt und homogen gewickelten Faserspulen 200 ist die Abfolge von Aufbringen von Klebstoff 145 und Aufwickeln von Faser 210, gegebenenfalls ergänzt durch das Aushärten des Klebstoffs 145 durch entsprechende Bestrahlung. Entfällt diese zwischenliegende Aushärtung durch Bestrahlug kann die Aushärtung entweder nach vollständiger Wicklung erfolgen oder die Faserspule 200 wird thermisch ausgehärtet, z.B. in einem Ofen.
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Aufgrund der Verwendung von einzelnen Klebstofftropfen 140 anstatt des vollflächigen Aufbringens von Klebstoff 145 lassen sich Faserspulen 200 mit einer offenporigen Struktur erzeugen. Wie in der 7 beispielhaft an einem Ausschnitt einer Faserspule 200 gezeigt, weist die Faserspule nicht nur Faser 210 in verschiedenen Lagen und Klebstoff 145 auf, der die Faser 210 verbindet. Die Faserspule 200 ist zudem auch zu großen Teilen von Luft durchsetzt. Dies ist in der 7 anhand eines Querschnitts durch einen Teil der Faserspule 200 (oberer Teil) sowie anhand einer Draufsicht auf diesen Teil der Faserspule 200 (unterer Teil) gezeigt. Eine Reihe von Klebstofftropfen 140 wie sie im unteren Teil der 7 gezeigt ist, entspricht dabei einer Reihe von Klebstofftropfen 140 der 6A oder 6B.
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Wie in der 7 gezeigt können die Klebstofftropfen 140 derart dosiert werden, dass zwischen den einzelnen Abschnitten der Faser 210 oder den einzelnen Faserlagen Lufträume 230 verbleiben. Diese Lufträume 230 können durch Luftkanäle 235 verbunden sein, die z.B. durch das Weglassen von Klebstofftropfen 140 in einer Klebstoffreihe entstehen. Die gesamte Faserspule 200 ist also mit einem Netz aus Lufträumen 230 bzw. Kanälen durchzogen, ähnlich wie ein Schwamm oder Korken. Dadurch wird die Faserspule 200 trotz der durch die Klebstofftropfen 140 erzeugten Stabilität vergleichsweise leicht, was die Einsatzmöglichkeiten in faseroptischen Kreiseln für den Flugbetrieb verbessert.
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Die offenporige Struktur führt aber auch dazu, dass die Fertigung beschleunigt werden kann, da weniger Klebstoff 145 auf den Spulenkörper 220 gebracht werden muss. Anschließend können die so gefertigten Faserspulen 200 noch zusätzlich vergossen werden. Dies kann z.B. durch Einsetzen der Spulen in ein Bad mit Vergussmasse und anschließendes Anlegen eines Vakuums erfolgen. Dadurch wird Luft aus den Zwischenräumen zwischen der Faser 210 gezogen und stattdessen strömt Vergussmasse ein. Der so mit Vergussmasse vollgesogene „Faserspulen-Schwamm“ kann dann in einem Ofen ausgehärtet werden. Alternativ kann die offenporige Faserspule auch in konventioneller Weise in einer Vergussform vergossen werden.
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Wenn eine offenporige Struktur nicht erwünscht ist, kann durch entsprechende Dosierung und Positionierung auch eine Faserspule 200 erzeugt werden, die eine geschlossenporige Struktur aufweist, d.h. dass einzelne Lufträume 230 nicht über Kanäle miteinander verbunden sind, oder auch eine Faserspule 200, in der sämtliche Zwischenräume zwischen den Fasern 210 durch Klebstoff 145 aufgefüllt sind. Derartige Faserspulen 200 sind zwar schwerer, weisen aber eine größere Stabilität auf.
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In allen oben beschriebenen Fällen kann der Spulenträger 110 nach Aushärtung des Klebstoffs 145 aus dem Spulenkörper 220 bzw. aus der fertigen Faserspule 200 entfernt werden. Dadurch kann Druck von der Faser 210, insbesondere den inneren Faserlagen genommen werden, wodurch sich die Spuleneigenschaften verbessern.
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Die Verwendung einer Klebevorrichtung 130, die Klebstofftropfen 140 für das Verkleben von bereits aufgewickelter mit neu aufzuwickelnder Faser 210 bereitstellt, ermöglicht es also in der oben beschriebenen Weise, vollautomatisch, schnell und kostengünstig hochqualitative, weil homogen und kompakt gewickelte, Faserspulen 200 herzustellen.
