DE102022122997A1 - METHOD AND DEVICE FOR DISCONSTRUCTING BRAIDED SEMI-FINISHED PRODUCTS - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entbauschen geflochtener Halbzeuge aus Hybridgarnen bzw. Tapes. Dabei ist vorgesehen, dass ein auf einen Kern geflochtenes Halbzeug durch eine Heizeinheit geführt wird, in der die polymeren Bestandteile der Hybridgarne bzw. Tapes aufgeschmolzen werden. In einer nachfolgenden Anpresseinheit wird das Geflecht radial zusammengedrückt und so entbauscht sowie abgekühlt, so dass es im entbauschten Zustand verbleibt.The subject of the present invention is a method and a device for debulking braided semi-finished products made from hybrid yarns or tapes. It is envisaged that a semi-finished product braided onto a core is passed through a heating unit in which the polymeric components of the hybrid yarns or tapes are melted. In a subsequent pressing unit, the braid is compressed radially and debulked and cooled so that it remains in the debulked state.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung des fertigungsbedingten Bauschs während des Flechtprozesses von thermoplastischen Halbzeugen wie Hybridgarnen oder Tapes.The invention relates to a method and a device for reducing the production-related bulk during the braiding process of thermoplastic semi-finished products such as hybrid yarns or tapes.
Im Flechtprozess mit thermoplastischen Halbzeugen wie Hybridgarn oder thermoplastischen Tapes kommt es zu einem ausgeprägten Bauschverhalten des textilen Vorformlings/Preform. Thermoplastische Tapes sind Halbzeuge, die als Streifen bzw. Bänder, meist auf einer Spule oder Rolle vorkonfektioniert, die mindestens aus Verstärkungsfasern und einem thermoplastischen Polymeranteil, der in das Halbzeug integriert ist, vorliegen. Thermoplastische Hybridgarne liegen vorzugsweise ebenfalls auf einer Spule oder Rolle vorkonfektioniert vor. Sie enthalten neben Verstärkungsfasern ebenfalls thermoplastische polymere Bestandteile. Die polymeren Bestandteile umgeben die Verstärkungsfasern des Tapes vorzugsweise vollständig und liegen im Falle des Hybridgarns als thermoplastische Polymerfasern vor, die mit den Verstärkungsfasern vermischt sind. Weiterhin können die thermoplastischen polymeren Bestandteile als an die Verstärkungsfasern angeschmolzene Partikel in den thermoplastischen Halbzeugen enthalten sein.
Bei Umsetzung einer hohen Wanddicke mit mehreren Geflechtlagen hat das Bauschverhalten eine erhöhte Preformdicke zur Folge, welche im späteren Konsolidierprozess durch Pressen unter Druck- und Temperatureinwirkung reduziert wird. Dabei kommt es zu Relativbewegungen der Fasern innerhalb des Vorformlings, wodurch die Fasern ihre gerade Ausrichtung in der Ebene verlieren können.
Wenn ein Schlauchblasprozess als Konsolidierungsprozess eingesetzt wird, muss sich der Vorformling im Konsolidierprozess durch den Innendruck der Schlauchmembran gegen eine außenliegende Werkzeugwand aufweiten. Dabei kommt es zu Relativbewegungen zwischen den Geflechtlagen, was aufgrund der interlaminaren Reibung zu Aufweitungsschwierigkeiten führen kann. Zusätzlich ist das Aufweitevermögen von textilen Verbunden aufgrund von Sperrmechanismen des Textils begrenzt.
In einem Konsolidierprozess mit isothermer Werkzeugtemperierung, bspw. einem Pressprozess oder Schlauchblasprozess, muss der hergestellte Vorformling drucklos außerhalb eines Formwerkzeuges, z.B. mittels Umluftofen, Heißgas oder Infrarotstrahlung erwärmt werden und wird dann in das Formwerkzeug überführt und dort verpresst. Durch den hohen Bausch und den hohen Luftanteil innerhalb des Vorformlings ist eine drucklose Erwärmung schwer umsetzbar. Meist erfolgt ein aufwändiger Vorkonsoliderungsprozess, um den Vorformling besser weiterverarbeiten zu können.The braiding process with thermoplastic semi-finished products such as hybrid yarn or thermoplastic tapes results in a pronounced bulking behavior of the textile preform/preform. Thermoplastic tapes are semi-finished products that are available as strips or tapes, usually prefabricated on a spool or roll, which consist of at least reinforcing fibers and a thermoplastic polymer component that is integrated into the semi-finished product. Thermoplastic hybrid yarns are preferably also pre-assembled on a spool or roll. In addition to reinforcing fibers, they also contain thermoplastic polymer components. The polymeric components preferably completely surround the reinforcing fibers of the tape and, in the case of the hybrid yarn, are present as thermoplastic polymer fibers that are mixed with the reinforcing fibers. Furthermore, the thermoplastic polymeric components can be contained in the thermoplastic semi-finished products as particles melted onto the reinforcing fibers.
When implementing a high wall thickness with several braid layers, the bulking behavior results in an increased preform thickness, which is reduced in the later consolidation process by pressing under the influence of pressure and temperature. This leads to relative movements of the fibers within the preform, which can cause the fibers to lose their straight alignment in the plane.
If a tube blowing process is used as a consolidation process, the preform must expand in the consolidation process against an external mold wall due to the internal pressure of the tube membrane. This leads to relative movements between the braid layers, which can lead to expansion difficulties due to the interlaminar friction. In addition, the expansion capacity of textile composites is limited due to the textile's locking mechanisms.
In a consolidation process with isothermal tool temperature control, for example a pressing process or tube blowing process, the preform produced must be heated without pressure outside a mold, for example using a circulating air oven, hot gas or infrared radiation, and is then transferred to the mold and pressed there. Due to the high bulk and the high proportion of air within the preform, heating without pressure is difficult to implement. A complex pre-consolidation process is usually carried out in order to be able to further process the preform better.
Aus dem Stand der Technik sind Ansätze zur Lösung bzw. Vorgehensweisen, die auch für die genannten Probleme hilfreich sein können, bekannt.Approaches to solutions or procedures that can also be helpful for the problems mentioned are known from the prior art.
Die
Im vorliegenden Kontext der Druckschrift ist insbesondere der Einsatz von mechanischer Druckausübung bei der Verbindung von Fasermaterial und Matrixmaterial in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess zu entnehmen.The
In the present context of the publication, the use of mechanical pressure when connecting fiber material and matrix material in a continuous manufacturing process can be seen in particular.
In der
Als geeignete Vorrichtung wird eine Mehrzahl von Klammern mit an der Klemmfläche expandierbaren Membranen beschrieben. Die Klammern sollen umlaufend aneinandergrenzende Bereiche des beflochtenen Kernes umfassen und durch Druckbeaufschlagung der Membranen das Geflecht an den Kern pressen. Mit dem Fortschreiten des Kernes sollen die jeweils hintersten Klammern gelöst und vorn, am soeben beflochtenen Bereich des Kernes, erneut angesetzt werden. Die Vorgehensweise und die dabei genutzte Vorrichtung sind komplex und schwer zu steuern. Darüber hinaus entsteht an den Schließkanten der Klammern durch das Schließen und nachträgliche Expandieren der Membranen eine Kröpfung von Fasergeflecht, da die Anpresskraft nicht gleichmäßig um den Kern herum erfolgt. Die nach der
A suitable device is described as a plurality of clamps with expandable membranes on the clamping surface. The clamps should surround adjacent areas of the braided core and press the braid onto the core by applying pressure to the membranes. As the core progresses, the rearmost clamps should be loosened and reattached at the front, on the area of the core that has just been braided. The procedure and the device used are complex and difficult to control. In addition, the closing and subsequent expansion of the membranes creates a bend in the fiber mesh on the closing edges of the clamps, as the contact force is not uniform around the core. The one after the
Es stellt sich somit weiterhin die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung des fertigungsbedingten Bauschs während des Flechtprozesses mit thermoplastischen Halbzeugen wie Hybridgarnen oder Tapes vorzuschlagen. Die Vorrichtung soll eine kontinuierliche Fertigung in einfacher und kostengünstiger Weise unterstützen.There is therefore still the task of proposing a method and a device for reducing the production-related bulk during the braiding process with thermoplastic semi-finished products such as hybrid yarns or tapes. The device is intended to support continuous production in a simple and cost-effective manner.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in Anspruch 6 offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen von Verfahren bzw. Vorrichtung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.According to the invention the object is achieved using a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entbauschen von textilen Halbzeugen aus geflochtenen Tapes oder Hybridgarnen, sieht mindestens die Durchführung der folgenden Verfahrensschritte vor:
- a. Flechten der Tapes oder der Hybridgarne auf einem längserstreckten Kern zu einem gebauschten geflochtenen Halbzeug,
- b. Kontinuierliches Ziehen des Flechtkernes in einer axialen Zugrichtung mit dem aufliegenden gebauschten geflochtenen Halbzeug durch eine Heizeinheit und unmittelbar nachfolgend mindestens eine Anpresseinheit,
- c. die Heizeinheit das gebauschte geflochtene Halbzeug über den Schmelzbereich des thermoplastischen Polymers erwärmt,
- d. die Anpresseinheit das erwärmte gebauschte geflochtene Halbzeug auf den Kern drückt und so entbauscht,
- a. Braiding the tapes or hybrid yarns on an elongated core to form a bulky braided semi-finished product,
- b. Continuous pulling of the braided core in an axial pulling direction with the bulky braided semi-finished product lying on it by a heating unit and immediately afterwards at least one pressing unit,
- c. the heating unit heats the bulked braided semi-finished product over the melting range of the thermoplastic polymer,
- d. the pressing unit presses the heated, bulked, braided semi-finished product onto the core and thus de-bulks it,
Die Tapes oder Hybridgarne weisen neben Verstärkungsfasern einen polymeren thermoplastischen Bestandteil (Polymer) auf. Der thermoplastische Bestandteil wird oberhalb des Schmelzbereiches flüssig und fließt in Zwischenräume zwischen den Verstärkungsfasern. Mit dem Unterschreiten des Erstarrungsbereiches verfestigt sich der thermoplastische Bestandteil und verklebt die Verstärkungsfasern untereinander. Der Schmelzbereich bzw. der Erstarrungsbereich ist eine Materialeigenschaft und muss für jeden eingesetzten polymeren Bestandteil getrennt bestimmt werden. Die Bestimmung des Schmelzbereiches bzw. des Erstarrungsbereichs erfolgt vorzugsweise nach DIN EN ISO 11357 mittels Dynamischer Differenz-Thermoanalyse (DSC).In addition to reinforcing fibers, the tapes or hybrid yarns have a polymeric thermoplastic component (polymer). The thermoplastic component becomes liquid above the melting range and flows into spaces between the reinforcing fibers. As the solidification range falls below, the thermoplastic component solidifies and glues the reinforcing fibers together. The melting range or the solidification range is a material property and must be determined separately for each polymer component used. The determination of the melting range or the solidification range is preferably carried out in accordance with DIN EN ISO 11357 using dynamic difference thermal analysis (DSC).
Der Kern ist bevorzugt längserstreckt ausgeführt, bspw. in der Form einer zylindrischen Stange oder eines Rohrs. Der Querschnitt ist bevorzugt kreisförmig. Es sind jedoch auch ovale, eiförmige oder polygonale Querschnitte möglich. Wesentlich ist, dass entlang der Längserstreckung des Kernes keine Querschnittssprünge, sondern höchstens geringfügige kontinuierliche Querschnittserweiterungen oder -reduzierungen auftreten.The core is preferably designed to be elongated, for example in the form of a cylindrical rod or a tube. The cross section is preferably circular. However, oval, egg-shaped or polygonal cross-sections are also possible. It is essential that no cross-sectional jumps occur along the longitudinal extent of the core, but rather only slight, continuous cross-sectional expansions or reductions.
In einer Verfahrensvariante werden die Schritte a. bis d. mit Umkehrung der Zugrichtung wiederholt. Auf diese Weise wird über eine bereits entbauschte Lage geflochtener Tapes oder Hybridgarne eine weitere Lage geflochten und anschließend entbauscht. Dies kann mehrfach wiederholt werden, so dass ein beliebig dicker Körper aus entbauschten geflochtenen Tapes bzw. Hybridgarnen als Halbzeug entsteht.In one process variant, steps a. until d. repeated with reversal of the pulling direction. In this way, another layer is braided over an already de-bulked layer of braided tapes or hybrid yarns and then de-bulked. This can be repeated several times so that a body of any thickness is created from de-bulked braided tapes or hybrid yarns as a semi-finished product.
Das Erhitzen der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne erfolgt entweder direkt, bspw. durch Erhitzen des Kernes oder induktives Aufheizen der Verstärkungsfasern, falls diese elektrisch leitfähig sind (bspw. bei Kohlenstoffasern als Verstärkungsfasern) oder aber indirekt, bspw. mittels Heizstrahler, Heizlampen oder Heißluftgebläsen.The braided tapes or hybrid yarns are heated either directly, for example by heating the core or inductive heating of the reinforcing fibers if they are electrically conductive (e.g. in the case of carbon fibers as reinforcing fibers) or indirectly, for example using radiant heaters, heating lamps or hot air blowers.
Das Andrücken der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne mit dem über den Schmelzbereich erhitzten thermoplastischen Polymeranteil erfolgt in der Anpresseinheit, indem die Fasern von außen radial in Richtung der Längsachse des Kerns gedrückt werden. Durch ein Unterschreiten des Erstarrungsbereiches, noch während der Anpressdruck einwirkt, erstarrt der thermoplastische Polymeranteil und verklebt die geflochtenen Tapes oder Hybridgarne untereinander, so dass die zusammengedrückte, entbauschte Form auch nach der Aufhebung des Anpressdrucks erhalten bleibt.The braided tapes or hybrid yarns with the thermoplastic polymer portion heated above the melting area are pressed on in the pressing unit by pressing the fibers radially from the outside in the direction of the longitudinal axis of the core. By falling below the solidification range, while the contact pressure is still acting, the thermoplastic polymer component solidifies and glues the braided tapes or hybrid yarns together, so that the compressed, de-bulked shape is retained even after the contact pressure has been lifted.
Optional kann das Erstarren des thermoplastischen Polymers durch Kühlung unterstützt werden. Dazu können bspw. Kaltluftgebläse oder eine Kühlung der Anpresselemente der Anpresseinheit, die mit den geflochtenen Tapes oder Hybridgarnen in Kontakt kommen, eingesetzt werden.Optionally, the solidification of the thermoplastic polymer can be supported by cooling. For this purpose, for example, cold air blowers or cooling of the pressing elements of the pressing unit, which come into contact with the braided tapes or hybrid yarns, can be used.
Das Anpressen der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne erfolgt bevorzugt vollumfänglich um den Querschnitt des Kernes herum. Besonders bevorzugt bilden sich keine Kanten oder Aufbauschungen an Stellen, wo mehrere anpressdruckausübende Elemente der Anpressseinheit aneinandergrenzen.The braided tapes or hybrid yarns are preferably pressed completely around the cross section of the core. It is particularly preferred that no edges or bulges form in places where several elements of the pressing unit that exert contact pressure adjoin one another.
Das Anpressen der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne an den Kern in der Anpresseinheit erfolgt in einer Ausführungsform mittels Abrollens mehrerer Rollen als Anpresselemente, die um den Kern herum angeordnet sind und deren Mantelfläche an die äußere Form des auf dem Kern angeordneten geflochtenen Halbzeugs angepasst ist. In einer Ausführungsform sind mehrere Rollenanordnungen in Zugrichtung des Kernes hintereinander angeordnet, so dass eventuell entstehende Aufbauschungen oder Kanten von Verstärkungsmaterial von einer nachfolgenden Rollenanordnung angepresst werden.In one embodiment, the braided tapes or hybrid yarns are pressed onto the core in the pressing unit by unrolling several rollers as pressing elements, which are arranged around the core and whose outer surface is adapted to the outer shape of the braided semi-finished product arranged on the core. In one embodiment, several roller arrangements are arranged one behind the other in the pulling direction of the core, so that any bulges or edges of reinforcing material that may arise are pressed on by a subsequent roller arrangement.
Analog kann bei anderen Vorgehensweisen zur Ausübung von Anpressdruck verfahren, und mehrere Anpresseinheiten hintereinander angeordnet werden. Vorteilhaft erfolgt eine zusätzliche Kühlung der Anpresselemente der Anpresseinheit nur bei den in Zugrichtung zuletzt von einem Kernabschnitt durchlaufenen Anpresselementen.Other procedures for applying contact pressure can be carried out in a similar manner and several contact pressure units can be arranged one behind the other. Advantageously, additional cooling of the pressing elements of the pressing unit only occurs in the pressing elements last passed through by a core section in the pulling direction.
In einer Ausführungsform kann das Andrücken der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne an den Kern mittels mehrerer an die äußere Form des auf dem Kern angeordneten geflochtenen Halbzeugs angepassten Andruckblechen als Anpresselemente erfolgen. Die Andruckbleche können dabei eine in Zugrichtung zunehmende Krümmung aufweisen, wobei die Achse dieser Krümmung in Zugrichtung leicht zur Achse des Kernes geneigt ist. Durch die zunehmende Krümmung wird über die gesamte Länge der Andruckbleche ein konstanter Druck ausgeübt, der auch bei zunehmender Entbauschung erhalten bleibt.In one embodiment, the braided tapes or hybrid yarns can be pressed onto the core by means of several pressure plates as pressing elements adapted to the outer shape of the braided semi-finished product arranged on the core. The pressure plates can have an increasing curvature in the pulling direction, the axis of this curvature being slightly inclined to the axis of the core in the pulling direction. Due to the increasing curvature, a constant pressure is exerted over the entire length of the pressure plates, which is maintained even as the debulking increases.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Flechtvorrichtung, vorzugsweise ein Flechtrad, mindestens eine Zugvorrichtung zur Bewegung eines längserstreckten Kerns in Richtung seiner Längsachse, mindestens eine Heizeinheit und mindestens eine Anpresseinheit auf.
Die Flechtvorrichtung ist dazu eingerichtet, ein schlauchförmiges geflochtenes Halbzeug aus Tapes oder Hybridgarnen, wobei die Tapes oder Hybridgarne neben Verstärkungsfasern einen polymeren thermoplastischen Bestandteil (Polymer) aufweisen, auf einem längserstreckten Kern abzulegen (aufzuflechten).A device for carrying out the method according to the invention has a braiding device, preferably a braiding wheel, at least one pulling device for moving an elongated core in the direction of its longitudinal axis, at least one heating unit and at least one pressing unit.
The braiding device is designed to deposit (braid) a tubular braided semi-finished product made of tapes or hybrid yarns, wherein the tapes or hybrid yarns have a polymeric thermoplastic component (polymer) in addition to reinforcing fibers, on a longitudinally elongated core.
Ein Flechtrad weist eine Mehrzahl an Spulen auf, die das zu flechtende Material (hier die Tapes oder Hybridgarne) auf Spulen bereitstellen. Während des Flechtprozesses bewegen sich die Spulen in vorgegebenen Bahnen umeinander herum, wodurch das zu flechtende Material von den Spulen abgezogen und in geflochtener Form auf einem Kern abgelegt wird. Vorzugsweise wird eine Relativbewegung zwischen Kern und Flechtrad durchgeführt, so dass das geflochtene Material fortschreitend auf dem Kern abgelegt wird.A braiding wheel has a number of spools that provide the material to be braided (here the tapes or hybrid yarns) on spools. During the braiding process, the coils move around each other in predetermined paths, whereby the material to be braided is removed from the coils and deposited in braided form on a core. Preferably, a relative movement is carried out between the core and the braiding wheel, so that the braided material is progressively deposited on the core.
Die Zugvorrichtung ist dazu eingerichtet, den längserstreckten Kern in axialer Richtung kontinuierlich zu bewegen. Geeignete Zugvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.The pulling device is designed to continuously move the elongated core in the axial direction. Suitable pulling devices are known from the prior art.
Vorzugsweise weist der Kern über die gesamte, mit schlauchförmig geflochtenem Halbzeug bedeckte Länge einen konstanten Querschnitt auf. Insbesondere weist der Kern keine Querschnittssprünge auf.Preferably, the core has a constant cross-section over the entire length covered with tubular braided semi-finished product. In particular, the core has no cross-sectional jumps.
Die Heizeinheit ist in Zugrichtung des Kernes zwischen Flechtvorrichtung und Anpresseinheit angeordnet und dazu eingerichtet, das schlauchförmige geflochtene Halbzeug in seinen Umfang über den Schmelzbereich des thermoplastischen Polymers zu erwärmen.The heating unit is arranged in the pulling direction of the core between the braiding device and the pressing unit and is designed to heat the circumference of the tubular braided semi-finished product over the melting range of the thermoplastic polymer.
Das Erwärmen erfolgt entweder direkt, bspw. durch Erhitzen des Kernes oder induktives Aufheizen der Verstärkungsfasern, falls diese elektrisch leitfähig sind (bspw. bei Kohlenstoffasern als Verstärkungsfasern) oder aber indirekt, bspw. mittels Heizstrahler, Heizlampen oder Heißluftgebläsen. Optional sind auch mehrere Erwärmungsverfahren kombinierbar.The heating takes place either directly, for example by heating the core or inductive heating of the reinforcing fibers if they are electrically conductive (for example in the case of carbon fibers as reinforcing fibers) or indirectly, for example by means of radiant heaters, heating lamps or hot air blowers. Several heating processes can optionally be combined.
Die Anpresseinheit ist dazu eingerichtet, das schlauchförmige geflochtene Halbzeug umlaufend in radialer Richtung zur Längsachse des Kernes zusammenzudrücken und so zu entbauschen. Mit dem Zusammendrücken des schlauchförmigen geflochtenen Halbzeugs erfolgt eine Abkühlung des thermoplastischen Polymers derart, dass vorzugsweise mit Erreichen der größtmöglichen Entbauschung der Erstarrungsbereich unterschritten wird. Dadurch werden die Verstärkungsfasern im entbauschten Zustand untereinander mittels des thermoplastischen Polymers verklebt. So bleibt der entbauschte Zustand auch nach der Entfernung des Anpressdrucks erhalten.The pressing unit is designed to compress the tubular braided semi-finished product all around in the radial direction to the longitudinal axis of the core and thus to debulk it. When the tubular braided semi-finished product is compressed, the thermoplastic polymer cools down in such a way that the solidification range is preferably reached when the greatest possible debulking is achieved. As a result, the reinforcing fibers in the debulked state are glued to one another using the thermoplastic polymer. This means that the de-bulked state is retained even after the contact pressure has been removed.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Anpresseinheit mehrere Rollen als Anpresselemente auf. Die Rollen sind um den Kern herum angeordnet und deren Mantelfläche ist vorzugsweise an die äußere Form des auf dem Kern angeordneten geflochtenen Halbzeugs angepasst. Bei einem Kern mit kreisrundem Querschnitt weist somit jede Rolle eine Mantelfläche auf, die umlaufend entsprechend diesem Querschnitt ausgeformt ist. In einer Ausführungsform ist der Einsatz von zylindrischen Rollen, bspw. aus einem Elastomermaterial, möglich.In embodiments of the invention, the pressing unit has several rollers as pressing elements. The rollers are arranged around the core and their lateral surface is preferably adapted to the external shape of the braided semi-finished product arranged on the core. In the case of a core with a circular cross-section, each roller has a lateral surface which is shaped all the way around in accordance with this cross-section. In one embodiment, the use of cylindrical rollers, for example made of an elastomer material, is possible.
Die Rollen sind so angeordnet, dass das schlauchförmige geflochtene Halbzeug über den gesamten Umfang an den Kern angepresst wird. Hierzu sind die Rollen in einer Ausführungsform in radialer Richtung um den Kern beweglich angeordnet und in Richtung zum Kern mit einer Kraft beaufschlagt, bspw. federbelastet oder pneumatisch angepresst. In einer weiterentwickelten Ausführungsform können mehrere Anpresseinheiten bzw. mehrere Rolleneinheiten hintereinander angeordnet sein. Dabei ist es möglich, dass die Rollen einer zweiten Rollenanordnung, die in Zugrichtung hinter einer ersten Rollenanordnung angeordnet sind, einen geringeren Krümmungsradius in der Ausformung ihrer Mantelfläche aufweisen, als die Rollen der ersten Rollenanordnung. Dies bewirkt, dass auf das geflochtene Halbzeug auf dem Kern nach einem ersten teilweisen Entbauschen weiterhin Anpressdruck ausgeübt wird, wobei der bereits reduzierte Querschnitt des abgelegten Halbzeugs berücksichtigt und dieses weiter verdichtet wird. Die Anzahl der Rollen zwischen aufeinanderfolgenden Rollenanordnungen können variieren.The rollers are arranged in such a way that the tubular braided semi-finished product is pressed against the core over the entire circumference. For this purpose, in one embodiment, the rollers are arranged to be movable in the radial direction around the core and are subjected to a force in the direction of the core, for example spring-loaded or pneumatically pressed. In a further developed embodiment, several pressing units or several roller units can be arranged one behind the other. It is possible for the rollers of a second roller arrangement, which are arranged behind a first roller arrangement in the pulling direction, to have a smaller radius of curvature in the shape of their lateral surface than the rollers of the first roller arrangement. This causes contact pressure to continue to be exerted on the braided semi-finished product on the core after a first partial de-bulking, taking into account the already reduced cross-section of the deposited semi-finished product and further compacting it. The number of rolls between successive roll assemblies may vary.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist die Anpresseinheit mehrere Bleche als Anpresselemente auf, die um den Kern herum angeordnet sind und die auf der Eintrittsseite des Kerns in die Anpresseinheit zum Kern und dem auf diesem abgelegten schlauchförmigen Halbzeug beabstandet sind und die sich in Zugrichtung an das schlauchförmige Halbzeug anlegen und einen Anpressdruck auf dieses ausüben. Da die Bleche lediglich an der Eintrittsseite des Kernes in die Anpresseinheit angelenkt sind, entsteht eine Federspannung der Bleche, die einen Anpressdruck erzeugt. Optional sind die Bleche in Zugrichtung gesehen, hinter ihrem Anlenkpunkt zusätzlich federbelastet, um einen stärkeren Anpressdruck ausüben zu können. Es sind auch ausschließlich federbelastete Bleche möglich, die ohne Federspannung der Bleche auskommen. Vorteilhaft ist die Form der Bleche in Umfangsrichtung der äußeren Form des auf dem Kern abgelegten schlauchförmigen Halbzeugs angepasst. Optional nimmt die Krümmung der Bleche in Zugrichtung des Kernes zu. Weiterhin optional sind auch hier mehrere Anpresseinheiten mit Blechen bzw. mehrere Anordnungen mit Blechen in Zugrichtung hintereinander möglich.In further embodiments of the invention, the pressing unit has a plurality of sheets as pressing elements, which are arranged around the core and which are spaced apart from the core and the tubular semi-finished product placed thereon on the entry side of the core into the pressing unit and which are in the pulling direction on the tubular Place the semi-finished product and apply contact pressure to it. Since the sheets are only hinged on the entry side of the core into the pressing unit, a spring tension is created on the sheets, which creates a contact pressure. Optionally, the sheets, viewed in the pulling direction, are additionally spring-loaded behind their articulation point in order to be able to exert greater contact pressure. Only spring-loaded sheets are also possible, which do not require spring tension on the sheets. The shape of the sheets in the circumferential direction is advantageously adapted to the outer shape of the tubular semi-finished product placed on the core. Optionally, the curvature of the sheets increases in the pulling direction of the core. Furthermore, several pressing units with sheets or several arrangements with sheets one behind the other in the pulling direction are also possible here as an option.
In einer Weiterentwicklung weisen benachbarte Bleche auf einer ersten Seite eine in Umfangsrichtung gerichteten Materialüberstand und auf der zweiten Seite eine in Umfangsrichtung gerichtete Auskerbung auf. Bei benachbarten Blechen ragt somit in Umfangsrichtung der Materialüberstand eines ersten Bleches in die Auskerbung eines benachbarten zweiten Bleches hinein. Vorteilhaft existiert dann keine in Zugrichtung verlaufende Kerbe der Anpresselemente. Dadurch werden Aufbauschungen oder Kanten im angepressten Halbzeug vermieden.In a further development, adjacent sheets have a material projection directed in the circumferential direction on a first side and a notch directed in the circumferential direction on the second side. In the case of adjacent sheets, the material projection of a first sheet projects into the notch of an adjacent second sheet in the circumferential direction. Advantageously, there is then no notch of the pressing elements running in the pulling direction. This prevents bulging or edges in the pressed semi-finished product.
Es ist möglich, mehrere Anpresseinheiten hintereinander anzuordnen. Diese können identische oder unterschiedliche Anpresselemente aufweisen.It is possible to arrange several pressing units one behind the other. These can have identical or different pressing elements.
In Ausführungsformen der Erfindung ist eine Kühlung der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne während des Zusammenpressens vorgesehen. Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise kurz vor dem Austreten der entbauschten geflochtenen Tapes oder Hybridgarne aus der Anpresseinheit. Dies stellt vorteilhaft sicher, dass die Fasern der geflochtenen Tapes oder Hybridgarne untereinander durch den dann erstarrten polymeren Bestandteil verklebt sind und der entbauschte Zustand erhalten bleibt. Zur Kühlung können vorteilhaft Kaltluftgebläse oder gekühlte Anpresselemente genutzt werden.In embodiments of the invention, cooling of the braided tapes or hybrid yarns is provided during compression. The cooling preferably takes place shortly before the debulked braided tapes or hybrid yarns emerge from the pressing unit. This advantageously ensures that the fibers of the braided tapes or hybrid yarns are glued to one another by the then solidified polymeric component and that the de-bulked state is retained. Cold air blowers or cooled pressing elements can advantageously be used for cooling.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Anpresseinheit an den Teilen, die mit dem schlauchförmigen Halbzeug in Kontakt kommen mit einer Gleitbeschichtung versehen. In dieser Ausführungsform trifft dies insbesondere auf die Anpresselemente zu. Als Gleitbeschichtung kommt bspw. eine PTFE (Teflon)-Beschichtung in Frage.In further embodiments of the invention, the pressing unit is provided with a sliding coating on the parts that come into contact with the tubular semi-finished product. In this embodiment, this applies in particular to the pressing elements. A PTFE (Teflon) coating, for example, can be used as a sliding coating.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung eine Flechtvorrichtung auf, zu der symmetrisch auf jeder Seite der Flechtvorrichtung spiegelbildlich eine Heizeinheit und eine Anpresseinheit angeordnet sind, wobei die Zugvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Zugrichtung umzukehren und den Kern mit dem darauf abgelegten schlauchförmigen Halbzeug durch die Flechtvorrichtung hindurch in die Heizeinheit und Anpresseinheit auf der anderen Seite der Flechtvorrichtung zu bewegen.In embodiments of the invention, the device has a braiding device, to which a heating unit and a pressing unit are arranged symmetrically on each side of the braiding device in a mirror image, the pulling device being set up to reverse the pulling direction and the core with the tubular semi-finished product placed thereon through the braiding device to move through into the heating unit and pressing unit on the other side of the braiding device.
Eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, in Zugrichtung eine oder mehrere Abfolgen von Flechtvorrichtung, Heizeinheit und Anpresseinheit anzuordnen, so dass mehrere Lagen schlauchförmigen Halbzeugs übereinander kontinuierlich geflochten und entbauscht werden können.A further modification of the device according to the invention provides for one or more sequences of braiding device, heating unit and pressing unit to be arranged in the pulling direction, so that several layers of tubular semi-finished product can be continuously braided and de-bulked one above the other.
Die vorliegende Erfindung kann somit durch ein Entbauschen des Vorformlings während des Flechtprozesses die maximal notwendige Aufweitung der Geflechtlagen reduzieren und so gewisse Geometrien, Wanddicken und Geflechtwinkel ermöglichen, die vorher nicht umsetzbar waren.
Die technische Erfindung ist in der Lage einen Vorkonsoliderungsprozess zu ersetzen, indem während des Flechtprozesses ein Entbauschen und Vorkonsolideren erfolgt, wodurch nachgelagerte Vorkonsolidierprozesse entfallen.The present invention can therefore reduce the maximum necessary expansion of the braid layers by debulking the preform during the braiding process and thus enable certain geometries, wall thicknesses and braid angles that were previously not possible.
The technical invention is able to replace a pre-consolidation process by removing bulking and pre-consolidation during the braiding process, which eliminates the need for downstream pre-consolidation processes.
Ein Spreizen des Flechthalbzeuges während der Materialablage hilft Ondulationseffekte und matrixreiche Regionen im Bauteil zu reduzieren. Durch das mechanische und thermische Einwirken auf die einzelne Tapestruktur verändert sich der Querschnitt des Tapes und es kommt zu einem flachen Querschnitt, wobei sowohl Matrix als auch Fasern in die Breite gedrückt werden. Aufgrund der flacheren Querschnittgeometrie im entbauschten Zustand werden Ondulationseffekte an den Kreuzungspunkten minimiert, wodurch mechanische Steifigkeitseigenschaften in Faserrichtung positiv beeinflusst werden. Dies hat weiterhin den Effekt, dass es zu einer verbesserten Verteilung der Fasern kommt und lokale Matrixanhäufungen vermieden werden.Spreading the braided semi-finished product while the material is being deposited helps to reduce undulation effects and matrix-rich regions in the component. Due to the mechanical and thermal effects on the For each individual tape structure, the cross-section of the tape changes and the cross-section becomes flat, with both the matrix and fibers being pushed into the width. Due to the flatter cross-sectional geometry in the debulked state, undulation effects at the crossing points are minimized, which positively influences mechanical stiffness properties in the fiber direction. This also has the effect of improving the distribution of the fibers and avoiding local matrix accumulations.
Aufgrund der biegesteifen Tapestruktur sind komplexe Geometrien mit dem Tape-Flechtverfahren bisher zwar abbildbar, die Formstabilität nach dem Entformen vom Flechtkern stellte jedoch ein Problem dar, sodass die geflochtene Struktur gerade bei doppelt gekrümmten Preforms oder der Abbildung besonders kleiner Radien unter einer hohen Eigenspannung steht. Durch das thermische Einwirken mit der Anpresseinheit werden derartige Eigenspannungen vorteilhaft gelöst und zusätzliche Fixierungspunkte geschaffen, die einer ungewollten Gestaltänderung entgegenwirken. Dies vereinfacht weiterhin das Handling und weitere Verarbeitungsschritte der Preform (des erfindungsgemäß hergestellten Halbzeugs).Due to the rigid tape structure, complex geometries have so far been able to be reproduced using the tape braiding process, but the dimensional stability after demoulding from the braided core was a problem, so that the braided structure is under high internal tension, especially with double-curved preforms or the creation of particularly small radii. Through the thermal action of the pressing unit, such internal stresses are advantageously released and additional fixation points are created that counteract unwanted shape changes. This further simplifies the handling and further processing steps of the preform (the semi-finished product produced according to the invention).
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.The invention is not limited to the embodiments shown and described, but also includes all embodiments that have the same effect within the meaning of the invention. Furthermore, the invention is not limited to the specifically described combinations of features, but can also be defined by any other combination of specific features of all of the individual features disclosed as a whole, provided that the individual features are not mutually exclusive or a specific combination of individual features is not explicitly excluded.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.The invention will be explained in more detail below using a few exemplary embodiments. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.
Figurencharacters
-
1 zeigt schematisch die Erfindung beim Entbauschen einer ersten Lage1 shows schematically the invention when debulking a first layer -
2 zeigt schematisch die Erfindung beim Entbauschen einer weiteren Lage2 shows schematically the invention when debulking another layer -
3 zeigt schematisch ein Beispiel für die Ausführung einer Anpresseinheit3 shows a schematic example of the design of a pressing unit
Ausführungsbeispiel 1 (siehe Fig. 1, Fig. 3)Embodiment 1 (see Fig. 1, Fig. 3)
Die Vorrichtung weist neben der Flechtmaschine 1 eine Heizeinheit 4 und eine Anpresseinheit 5 auf.In addition to the
Bei der Flechtmaschine handelt es sich bspw. um eine Axialflechtmaschine (KFH 1/72/48-100) der Firma Herzog GmbH. Die thermoplastischen Tapes oder Hybridgarne 2 werden mittels der Flechtmaschine 1 auf einen Kern 7 geflochten. Im vorliegenden Beispiel kommen Hybridgarne des Typs COMFIL-C® 55C-PA6-1460 zum Einsatz. Diese enthalten als Verstärkungsfasern Kohlenstoff-Fasern. Weiterhin weisen die Hybridgarne einen Gewichtsanteil von 45 % an thermoplastischen Fasern aus Polyamid 6 auf. Das thermoplastische Material hat einen Schmelzbereich von 205 °C bis 225°C °C. Die Abzugseinheit 8 (Zugvorrichtung) zieht den Flechtkern 7 durch die Flechtmaschine 1. Der Flechtkern hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 40 mm und weist eine zu überflechtende Länge von 2000 mm auf.The braiding machine is, for example, an axial braiding machine (
Die unentbauschte geflochtene Lage 3 wird in der Heizeinheit 4 über den Schmelzbereich des thermoplastischen Polymers, das Bestandteil der thermoplastischen Tapes oder Hybridgarne 2 ist, erwärmt. Zur Erwärmung kommen in der Heizeinheit 4 drei kurzwellige Rundrohr Infrarotstrahler mit einer maximalen Gesamtleistung von 4500 Watt zum Einsatz. Die dabei in den thermoplastischen Tapes oder Hybridgarnen 2 erzeugte Temperatur liegt bei 270 °C. Da diese oberhalb des Schmelzbereiches des thermoplastischen Polymers liegt, erweicht dieses und fließt in die Zwischenräume der Hybridgarne 2. Unmittelbar hinter der Heizeinheit 4 ist die Anpresseinheit 5 angeordnet, die die thermoplastischen geflochtenen Tapes oder Hybridgarne 2 auf den Kern 7 presst. Die Anpresseinheit weist einen Rollenkranz 51 (
Der Rollenkranz 51 weist mehrere Rollen 511 auf, welche gleichmäßig auf den Durchmesser des Kernes 7 verteilt sind. Um den gesamten Umfang zu entbauschen, werden vier Rollen 511 in einer definierten ersten Rollenebene angeordnet. Dabei sind die vier Rollen 514 der ersten Rollenebene auf dem Umfang des Kernes 7 verteilt, wodurch ein Winkel von 90° zwischen ihnen entsteht. Beim Vorhandensein einer zweiten Rollenebene sind die vier Rollen der zweiten Rollenebene dann genau 45° zu den Rollen 514 der ersten Rollenebene versetzt, wodurch eine komplette Abdeckung des Geflechtes 6 entsteht. Die Rollen 511 sind dabei so breit wie möglich und laufen auf einem U-Gestell 514, welches durch zwei Federn 513 in Federlagern 515 nach innen gedrückt wird. Jede der Federn hat die folgende Charakteristik (nach DIN 2098); ungespannte Länge: 33 mm, Federrate R: 5,715 N/mm, Länge im Rollenkranz 51 bei einem Kerndurchmesser von 40 mm: -25 mm, maximale Länge im Rollenkranz 51: 28 mm. Als Anschlag dienen die Enden der U-Gestelle 514. Der Rollenkranz 51 ist an der Teilung 6 mit einem Verschluss (nicht dargestellt) teilbar, um die Halbschalen 512, 517 auf den Kern 7 aufsetzen zu können. Die 8 Druckfedern haben ihre Position an den dünneren Stangen der U-Gestelle 514, welche die Rollen 511 in Position halten und führen. Die Federn 513 werden bei einem Kerndurchmesser von 40 mm auf eine Länge von circa 25 mm zusammengedrückt. Durch die Federrate und dem von der Feder zurückgelegten Weg von 8 mm entsteht eine Kraft von 45,7 N pro Feder. Diese Kraft wirkt doppelt auf eine Rolle 1 und damit direkt auf den Kern 7 bzw. auf das Geflecht. Bei einem Durchmesser von 40 mm wirkt somit eine Kraft von 91,4 N und bei einem Durchmesser von 43 mm eine Kraft von 108,5 N. Der Anstieg der Kraft dazwischen ist linear mit 5,715 N/mm. Die Rollen 511 bestehen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und die restlichen Bauteile der Baugruppe bestehen aus üblichem Baustahl.The
Durch die Anwendung von Druck und Temperatur werden die einzelnen Geflechtlagen kompaktiert und enger aneinander positioniert, Luft und Kavitäten zwischen und in den Geflechtlagen werden reduziert und damit der resultierende Umfang des Halbzeugs reduziert. Die entbauschte Lage 6 weist einen geringeren Umfang bzw. Durchmesser auf als die unentbauschte Lage 3. Dieser Prozess erfolgt während des Flechtprozesses, wodurch vorteilhaft keine nachgelagerten Fertigungsschritte zum Entbauschen notwendig sind.By applying pressure and temperature, the individual braid layers are compacted and positioned closer to one another, air and cavities between and in the braid layers are reduced, thus reducing the resulting size of the semi-finished product. The
Ausführungsbeispiel 2 (siehe Fig. 2)Embodiment 2 (see Fig. 2)
Die übrigen Angaben entsprechen denen aus Ausführungsbeispiel 1.The remaining information corresponds to that from
BezugszeichenReference symbols
- 11
- FlechtmaschineBraiding machine
- 22
- thermoplastische geflochtene Tapes oder Hybridgarnethermoplastic braided tapes or hybrid yarns
- 33
- unentbauschte erste geflochtene Lageundebulked first braided layer
- 44
- HeizeinheitHeating unit
- 55
- AnpresseinheitPressing unit
- 5151
- RollenkranzRoll wreath
- 511511
- Rolle des RollenkranzesRole of the roller ring
- 512512
- Linke Halbschale zur Teilung des RollenkranzesLeft half shell for dividing the roller ring
- 513513
- Federlagerung der RollenSpring bearing of the rollers
- 514514
- Gestell der RollenRack of rolls
- 516516
- Teilung des RollenkranzesDivision of the roller ring
- 517517
- Rechte Halbschale zur Teilung des RollenkranzesRight half shell for dividing the roller ring
- 66
- entbauschte erste geflochtene Lagede-bulked first braided layer
- 77
- Kerncore
- 88th
- Zugrichtungdirection of pull
- 99
- unentbauschte weitere geflochtene Lageundebulked further braided layer
- 1010
- entbauschte weitere geflochtene Lagede-bulked further braided layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2010150022 A1 [0004]WO 2010150022 A1 [0004]
- DE 102005031039 A1 [0005]DE 102005031039 A1 [0005]
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- 2022-09-09 DE DE102022122997.1A patent/DE102022122997A1/en active Pending
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Legal Events
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