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Die
vorliegende Erfindung zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
automatisierten Geflechten 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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So
ist beispielsweise aus der
EP
902 114 A2 eine Flechtmaschine mit einem Ziehdorn bekannt, um
den eine Anzahl von Garnen überkreuzt
angelegt wird, um eine Flechtstruktur zu erzeugen. Der Ziehdorn
kann bezüglich
der Flechtmaschine vor- und rückwärts bewegt
werden, um mehrere Flechtlagen aufbringen zu können. Um Relativbewegungen
des Ziehdorns gegenüber
der Flechtmaschine zu ermöglichen,
ist dieser an einer Verschiebevorrichtung angebracht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der
EP 902 114 A2 bekannte Flechtmaschine in
einer solchen Weise weiterzuentwickeln, dass eine Flechtstruktur
mit in Bewegungsrichtung des Kerns zu der Flechtmaschine unterschiedlicher
Dicke mit hoher Präzision
hergestellt werden kann.
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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. Zur Fixierung
des Geflechts weist die Vorrichtung zumindest eine weitere Klemmeinrichtung
mit mehreren, ringförmig
um den Kern angeordneten Stempelelementen auf, wobei diese mit Vorteil
stirnseitig Nadeln aufweisen. Mit den mit Nadeln bestückten Stempelelementen
kann das Geflecht durch drungen und in seiner Position gegenüber dem
Kern gehalten werden.
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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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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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Die
Erfindung wird anhand nachfolgenden Beschreibung mit dem in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
erläutert.
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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 Geflechten
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 Abstandshalter 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 auf, an der ein Ende des in dieser
Figur nicht gezeigten Kerns 12 (1) gehaltert
ist. Im Bereich dieser Halterung 18 ist die Mechanik zum
Positionieren der Schalen 32, 34, 36, 38 über die
jeweils mit diesen korrespondierenden Arme 24, 26, 28, 30 angeordnet.
Die Mechanik 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 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.