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Die vorliegende Erfindung zeigt eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum automatisierten Beflechten eines
Kerns mit einer mehrlagigen, zumindest weitgehend aus Hochleistungsfasern
bestehenden Flechtstruktur mit Bereichen mit einer unterschiedlichen
Anzahl von Lagen.
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Solche Flechtstrukturen bilden den
Kern eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, wobei hierzu
die Flechtstruktur in einer Form fixiert und in diese Form der aushärtende Kunststoff
eingespritzt wird. Diese Vorgehensweise wird insbesondere bei einem
faserverstärkten
Kunststoff mit einem sehr hohen Faseranteil eingesetzt. Die so erzeugten
faserverstärkten
Kunststoffbauteile weisen bei sehr geringem Gewicht eine sehr hohe
Festigkeit auf und finden Anwendung beispielsweise in der Luft-
und Raumfahrt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist im Automobilbau
gegeben, wenn der Einsatz hochfester und dennoch leichter Bauteile
erforderlich ist.
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Die Flechtstruktur wird in bekannter
Weise durch eine Flechtmaschine erzeugt. Auf Grund der fehlenden
Eigenstabilität
einer Flechtstruktur wird bei Herstellung eines geschlossenen Geflechts
dieses um einen festen Kern geflochten, welcher bereits die spätere Endkontur
darstellt. Kern und Flechtmaschine werden dabei relativ zueinander
bewegt um eine flächige
Struktur zu schaffen. Die Dicke des entstehenden Geflechts kann
einerseits durch die Dicke einer Flecht lage oder andererseits durch
das Vorsehen mehrerer, übereinander
angeordneter Lagen gesteuert werden. Die Flechtstruktur aus Hochleistungsfasern
weist dabei eine ausreichend hohe Eigenspannung auf, so dass das
Geflecht dem von ihm umflochtenen Kern fest anliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Flechtstruktur mit in Bewegungsrichtung des Kerns zu der Flechtmaschine
unterschiedlicher Dicke mit hoher Präzision herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
einzelne Lagen der Flechtstruktur durch Umdrehen der Bewegung des
zu umflechtenden Kerns zu der Flechtmaschine doppelt zu legen. Das automatisiert
mittels der Führungseinrichtung
heranführbare
Element definiert die Umlegekante der umzulegenden Lage und weist
hierzu stirnseitig eine definierte starre Kante auf.
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Mit Vorteil weist die Führungseinrichtung
zumindest einen an dem Element angreifenden, horizontal und vertikal
beweglichen Arm auf, mit dem das Element und damit auch die definierte
starre Kante zum Umlegen der Lage automatisiert positioniert werden
kann.
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In günstiger Weiterbildung ist das
Element dem Kern umschließend
angeordnet, wodurch eine an dem Kern umlaufende Anlegekante gebildet
ist.
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Weiter mit Vorteil besteht das Element
aus zumindest zwei separaten Schalen, wobei an jeder Schale ein
Arm der Führungseinrichtung
anordnet ist, um beispielsweise auch bei einer nichtzylindrischen
Ausbildung des Kerns eine umlaufende Kante an der gewünschten
Position anordnen zu können.
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In weiter sinnvoller Ausbildung sind
die zumindest zwei Schalen über
zumindest ein an diesen umfänglich
angreifendes Spannelement gegen den Kern verspannbar. Die Schalen
werden mit zusätzlicher
Kraft gegen das Geflecht und gegen den Kern gepresst, so dass ein
Verrutschen auf dem Geflecht nicht möglich ist.
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In günstiger Weiterbildung weist
die Vorrichtung zumindest eine weitere Klemmeinrichtung mit mehreren,
ringförmig
um den Kern angeordneten Stempelelementen auf, wobei diese weiter
mit Vorteil stirnseitig Nadeln aufweisen. Mit den mit Nadeln bestückten Stempelelementen
kann das Geflecht durchdrungen und in seiner Position gegenüber dem Kern
gehalten werden.
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Weiter ist es dabei sinnvoll, wenn
die Klemmeinrichtung zum Anfahren bestimmter Punkte horizontal entlang
des Kern verfahrbar ist und in dieser Position dann Mittel zum radialen
Verfahren der Stempelelemente und zum Eindringen der stirnseitig angebrachten
Nadeln in das Geflecht aufweist. Dabei ist es weiter sinnvoll, wenn
diese Mittel zum radialen Verfahren als Pneumatikzylinder ausgebildet
und damit einfach und individuell ansteuerbar sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird des weiteren durch das beanspruchte Verfahren gelöst, wobei
das Verfahren insbesondere zur Anwendung an der beanspruchten Vorrichtung
geeignet ist.
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Weiter Vorteile und Merkmale der
Erfindung können
der nachfolgenden Beschreibung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
sowie den einzelnen Patentansprüchen
entnommen werden.
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Dabei zeigt:
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1 eine
Seitenansicht der linearen Verschiebeeinrichtung in perspektivischer
Darstellung,
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2 die
Führungseinrichtung
für die
Spannelemente in einer Darstellung analog 1.
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Mit der in 1 dargestellten linearen Verschiebeeinrichtung 10 wird
das erfindungsgemäße Befleckten
eines konisch ausgebildeten Kerns 12 an einer nicht dargestellten
Flechtmaschine mit einer Hochleistungsfaser ermöglicht. In dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei den Hochleistungsfasern um Karbonfasern. In
gleicher Weise können
aber auch Aramidfasern oder Glasfasern eingesetzt werden. Die nicht
gezeigte Flechtmaschine ist ortsfest angeordnet, so dass zum Erzielen einer
flächigen
Flechtstruktur auf dem Kern 12 dieser relativ zu der Flechtmaschine
bewegt werden muss. Die lineare Verschiebeeinrichtung 10 weist
dabei eine sich in Längsrichtung
erstreckende Schiene 14 auf, entlang der der Kern 12 verschieblich
ist. Der Kern 12 ist an seinem vorderem Ende an einem Dorn 16 und
an seinem hinterem Ende an einer Halterung 18 gehaltert,
wobei der Dorn 16 als auch die Halterung 18 jeweils über ein
Halteelement 20 und 22 an der Schiene 14 gekoppelt
verfahrbar angeordnet sind. Die gemeinsam mit einer Steuerung die
Führungseinrichtung
bildenden Halteelemente 20 und 22 dienen auch
gleichzeitig als Abstandskalter zwischen der Schiene 14 und
dem Kern 12. Dieser Abstand ist unter anderem dafür notwendig,
um ausreichend Platz für
den nicht dargestellten Flechtprozess zu schaffen, mit dem der Kern 12 über seine
gesamte Länge
(pa rallel zur Schiene 14) mit einer mehrlagigen Flechtstruktur überzogen
wird. Während
die nicht gezeigte Flechtmaschine ortsfest ist, wird der Kern 12 über die
die Führungseinrichtung
bildenden Halteelemente 20 und 22 an der Schiene 14 bewegt. Dabei
kann durch eine Umkehr der Bewegung des Kerns 12 eine Flechtumkehr
zur Bildung einer mehrlagigen Flechtstruktur initiiert werden.
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An dem Halteelement 22 sind
vier Führungsarme 24, 26, 28, 30 angeordnet,
die sich weitgehend parallel zu der Schiene 14 erstrecken
und die an ihren vorderen Enden Schalen 32, 34, 36, 38 aufweisen.
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Diese Schalen 32, 34, 36, 38 können über die
Arme 24, 26, 28, 30 an den Kern 12 beziehungsweise
an die oben liegende Flechtlage an diesem Kern angelegt werden.
Mit diesen Schalen kann die Flechtstruktur, die bei normaler Beanspruchung
allein aufgrund ihrer durch den Flechtprozess gegebenen Eigenspannung
an dem Kern 12 gehalten wird, auch bei sehr hohen Zugbelastungen
während
des Umkehrprozesses ortsfest in ihrer Position an dem Kern 12 gehalten
werden.
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Dies ist insbesondere dann wichtig,
wenn die Umkehrung des Flechtprozesses an einem exakt definierten
Punkt des konischen Kernprofils stattfinden soll, um bei dem fertigen
Bauteil durch eine unterschiedliche Lagenanzahl eine Stufe zu erzeugen.
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Zur Unterstützung eines solchen Flechtumkehrprozesses
weist die Vorrichtung ein weiteres, pneumatisch betriebenes Klemmsystem 40 mit
einem Gehäuse 45 auf.
Das Gehäuse 45 des
Klemmsystems 40 ist über
eine Halterung 43 ebenfalls verschieblich an der Schiene 14 der
linearen Verschiebeeinrichtung 10 angeordnet und umgibt
weitgehend ringförmig
den Kern 12. An – im
beschriebenen Beispiel – vier
gleichmäßig über den
Innenumfang des Gehäuses 45 des
Klemmsystems 40 verteil ten Positionen sind Stempelelemente 41a, 41b, 41c, 41d angeordnet.
Die Stempelelemente können über eine nicht
gezeigte pneumatische Einrichtung zur Anlage an dem Kern 12 gebracht
werden. Im gezeigten Beispiel sind drei Stempelviererpaare realisiert,
die in Längsrichtung
des Kerns hintereinander angeordnet sind. Jeweils ein Element der
Stempelviererpaare ist dabei an jeweils einem Stempelelement 41a, 41b, 41c, 41d angeordnet.
Mit jedem Viererpaar kann ein Umkehrpunkt produziert werden.
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Stirnseitig weisen die Einzelstempel
der Stempelelemente 41a, 41b, 41c, 41d Nadeln
auf, die bei der Anlage des Stempelelementes an den Kern 12 in
die den Kern umgebenden Flechtlagen eintreten und die Flechtlagen
in dieser Position in Längsrichtung
fixieren. Jeder der Einzelstempel ist über Hydraulikzylinder einzeln
betätigbar,
wobei die in Viererpaaren zusammenwirkenden Einzelstempel synchronisiert
betätigt
werden.
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Der Kern 12 besteht aus
Hartschaum, um ein Durchdringen der Flechtlagen und deren feste
Anlage an den Kern durch die Nadeln zu ermöglichen.
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Das Klemmsystem 40 kann
unabhängig
von dem Kern 12 entlang der Schiene 14 verschoben werden,
um eine Positionierung des Klemmsystems 40 an verschieden
Positionen entlang der Längsachse
des Kerns zu ermöglichen.
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Die an dem konisch ausgebildeten
Kern 12 erzeugte Flechtstruktur soll einen konischen Verlauf und über die
Länge des
Kerns 12 (parallel zu der Schiene 14) eine unterschiedliche
Anzahl von Flechtlagen aufweisen. Zur Herstellung einer solchen Flechtstruktur
wird ein Flechtumkehrprozess eingesetzt, bei dem die Bewegung des
Kerns 12 gegenüber
der stationären
Flechtmaschine an zumindest einem definierten Punkt gestoppt und
die Bewegung in entgegengesetzter Richtung weitergeführt wird.
In dem auf diese Weise doppelt überstrichenen
Bereich des Kerns entsteht somit eine doppelte Flechtlage, während andere
Bereiche des Kerns durch die Umkehrung der Bewegung überhaupt
nicht mit einer weiteren Flechtlage beaufschlagt werden.
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Die Schwierigkeit dieses Umkehrflechtprozesses
besteht darin, dass ein definierter Umkehrpunkt der Flechtlage durch
eine definierte Umkehrkante erzeugt werden soll. Hierzu muss verhindert werden,
dass die Flechtlage im Moment der Umkehrung der Bewegung des Kerns 12 gegenüber diesem in
Längsrichtung
verschoben wird. Die Selbststabilisierung der Flechtlage an dem
Kern aufgrund der Eigenspannung der Flechtstruktur kommt erst bei
einer gewissen Länge
der Flechtlage zum Tragen.
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Zu diesem Zwecke wird bei dem Flechtumkehrprozess
die jeweils oberste Flechtlage durch die Schalen 32, 34, 36, 38 und
die Stempelelemente 41a, 41b, 41c, 41d in
ihrer Position gehalten und fixiert.
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Die nicht gezeigte Flechtmaschine
ist so positioniert, dass der Kern 12 ausgehend von der
Halterung 18 in Richtung des Dorns 16 beflochten
wird.
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Um die Flechtstruktur in der gewünschten Form
des Kerns 12 zu erzeugen, wird der Kern über seine
gesamte Länge
ausgehend von der Halterung 18 bis zu dem Dorn 16 und
zurück
zuerst zumindest 2-lagig beflochten. Wenn nun die nächsten beiden Lagen
nicht über
die gesamte Länge
des Kerns 12 geflochten werden sollen, findet an einem
definierten Punkt der Bewegung des Kerns 12 eine Umkehr
der Bewegung des Kerns in Bezug auf die Flechtmaschine statt. Die
Bewegung des Kerns 12 gegenüber der stationären Flechtmaschine
sowie deren Umkehrung wird über
ein Steuerungssystem vorgegeben.
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Bei der Umkehrung des Flechtprozesses werden
die Schalen 32, 34, 36, 38 an
der äußeren Flechtlage
an dem Kern 12 zur Anlage gebracht. Die Schalen 34 und 36 sowie 32 und 38 wirken
dabei jeweils zusammen, in dem sie in Längsrichtung in gleicher Position
an dem Kern 12 zur Anlage gebracht werden. Bei der Umkehrung
der Bewegung des Kerns 12, gleichbedeutend mit der Umkehrung
des Flechtprozesses bilden die vorderen Kanten 32a und 38a der
Schalen 32 und 38 eine definierte Kante, um die
herum die aktuell erzeugte Flechtlage beim Umkehrflechten geführt wird.
Auf diese Weise ist der Umkehrpunkt exakt definiert und damit ist
ebenso der Beginn der verdickten Flechtstruktur festgelegt. Ausgehend
von dem Punkt der Flechtumkehr ist in Richtung der Halterung 18 die
Flechtstruktur damit um zwei Flechtlagen stärker als in Richtung des Dorns 16.
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Die vorderen, definierten Kanten 32a, 38a der
Schalen 32 und 38 werden von der neuen Flechtlage
insoweit überflochten,
wie es zur Definition der gewünschten
Umkehrposition der Flechtlage notwendig ist.
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In einem weiteren Schritt wird die
so erzeugte Doppelllage direkt an den vorderen Kanten 32a, 38a der
Schalen 32 und 38 durch das Klemmsystem 40 beziehungsweise
dessen Stempelelemente 41a, 41b, 41c, 41d fixiert.
Hierbei ist es notwendig, dass das Klemmsystem 40 gleichermaßen automatisiert an
der Schiene 14 in den Bereich der Schalen 32 und 38 verschoben
werden kann. Wenn die neue, doppelte Flechtlage durch die Stempelelemente 41a, 41b, 41c, 41d und
die an diesen stirnseitig angeordneten Nadeln in ihrer Position
gegenüber
dem aus Hartschaum gebildeten Kern 12 fixiert sind, werden
die Schalen 32, 34, 36, 38 wieder
vom Kern 12 abgehoben und in ihre ursprüngliche, inaktive Position
im Bereich der Hal terung 18 gebracht. Bei der hier gegebenen
konischen Form des Kerns 12 müssen insbesondere die in ihrem
vorderen, dem Dorn 16 zugewandten Bereich bereits teilweise überflochtenen Schalen 32 und 38 in
einem iterativen Prozess sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung
zu der Schiene 14 zwischen den beiden Flechtschichten herausbewegt
werden.
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Dieser Vorgang des Umkehrflechtens
kann an verschiedenen Stellen über
die Länge
des Kerns 12 wiederholt werden. Dabei ist es aber sinnvoll,
darauf zu achten, dass die Anzahl der Flechtlagen in Längsrichtung
des Kerns 12 kontinuierlich zu- oder kontinuierlich abnimmt.
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2 zeigt
die Halterung 18 mit einer Rollenanordnung 42,
mit der die Halterung an der in 1 dargestellten
Schiene 14 verschieblich angeordnet ist. Die Halterung 18 weist
des Weiteren ein Halteelement 44 auf, an der ein Ende des
in dieser Figur nicht gezeigten Kerns 12 (1) gehaltert ist. Im Bereich dieser Halterung 18 ist
die Mechanik 46 zum Positionieren der Schalen 32, 34, 36, 38 über die jeweils
mit diesen korrespondierenden Arme 24, 26, 28, 30 angeordnet.
Die Mechanik 46 kann in Längsrichtung gegenüber der
Halterung 18 verschoben werden, um während des normalen Flechtprozesses eine
Beeinträchtigung
des Flechtens durch die Schalen 32, 34, 36, 38 zu
vermeiden. Die Schalen werden über
die Mechanik nur bei der Umkehrung des Flechtprozesses 46 in
ihre aktive Position verbracht. Durch Verschwenken der Arme 24, 26, 28, 30 werden die
Schalen 32, 34, 36, 38 zur Anlage
an der oben liegenden Flechtlage an dem Kern gebracht. Die zusammenwirkenden
Schalen 32 und 38 sind über ein umlaufendes Seil 48 verbunden,
das kreisförmig
um den Kern 12 geführt
ist. Das Seil 48 kann über
ein Rollensystem 50 angezogen werden, so dass sich der
Kreis, den das Seil um den Kern bildet, verringert und durch die
Seilkraft die Schalen 32 und 38 gegen den Kern
gepresst werden. Dieses An ziehen der Schalen 32 und 38 gegen
den Kern erfolgt gegen die Kraft einer Feder 52, die bei
einem Nachlassen der Zugkraft in dem Seil 48 ein Abheben
der Schalen 32 und 38 von dem Kern bewirkt. Die
Schalen 34 und 36 wirken analog mit einem Seil 54,
einem Rollensystem 56 und einer Feder 58 zusammen.
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Wie in 2 ersichtlich,
sind die Schalen an die konische Form des Kerns 12 angepasst.
Unter entsprechender Anpassung ihrer Form ähnlich ausgebildete Schalen
können
auch zur Herstellung zylindrischer oder rechteckiger Formen verwendet
werden.
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In dem beschriebenen Anwendungsbeispiel wird
der Hartschaumkern 12 mit Karbonfasern beflochten. Die
entstehende, mehrlagige Fasergeflechtstruktur wird dann in einem
nachgelagerten Arbeitsgang mit einem Kunststoff getränkt und
ausgehärtet.
Der Kern 12 dient bei dem Flechtprozess nur als innerer
Formträger
für die
flexible Flechtstruktur und ist bei der beschriebenen Anwendung
nicht Bestandteil des späteren
Bauteils. Grundsätzlich
kann durch den Formträger
aber auch ein Teil des fertigen Bauteils gebildet werden.
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In den Bereichen der Flechtstruktur,
in denen durch den Umkehrflechtprozess eine unterschiedliche Anzahl
von Flechtlagen erzeugt wurde, werden beim Aushärten definierte Stufenübergänge gebildet. Durch
das erfindungsgemäße, automatisiert
gesteuerte Verfahren mit der gleichermaßen erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
diese Stufen an exakt vorbestimmbaren Stellen erzeugt werden.
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Die einzelnen, auf den Hartschaumkern 12 geflochtenen
Lagen aus Karbonfaser werden getuftet, um sie unverlierbar miteinander
zu verbinden. Aufgrund des Materialeigenschaften des Hartschaumkerns
kann das Tuften durchgeführt
werden, bevor der Kern entfernt wird, da die Nadeln beim Tuften
in das Hartschaum eindringen können.