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HINTERGRUND
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1. GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walzenbaugruppe zum Ausgeben von Material und ein Verfahren, um Material auf eine Fläche auszugeben und zu verdichten.
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2. STAND DER TECHNIK
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Faserauflegen ist ein Verfahren zum Verdichten von mit Kunstharz imprägniertem Kompositmaterial, auch als Prepreg-Ziehen bezeichnet, auf der Oberfläche eines Gegenstands, wie zum Beispiel eine Werkzeugoberfläche, eine Kokille, ein Dorn oder irgendeine Oberfläche, die zum Formen von Kompositteilen verwendet wird. Bei einem typischen Verfahren zum Faserauflegen werden mehrere Fasern des Kompositmaterials miteinander verdichtet und gehärtet, um eine stabile Komponente mit geringem Gewicht und einer vorbestimmten Gestalt zur Verwendung bei der Konstruktion von Flugzeugen, Raketen, Satelliten, Kraftfahrzeugen, etc. zu formen.
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Nach dem Ausgeben und Verdichten von Material auf der Oberfläche in einer Richtung wird bei herkömmlichen Maschinen zum Faserauflegen die Richtung umgekehrt, indem der gesamte Material-Auflegekopf um 180° gedreht wird. Bei einer typischen Anwendung wird beispielsweise durch einen Material-Auflegekopf in einer Richtung ein Material auf eine Oberfläche ausgegeben und verdichtet, wonach dann das Material geschnitten wird. Anschließend setzt der Material-Auflegekopf seine Bewegung mit einer speziellen Abroll-Distanz fort und wird dann von der Oberfläche weggezogen. Der Material-Auflegekopf dreht sich dann um 180°, nähert sich wieder der Oberfläche an, kommt mit der Oberfläche in Eingriff, gibt das Material auf die Oberfläche aus und verdichtet dieses, während sich der Auflegekopf in entgegengesetzte Richtung bewegt. Da für ein typisches Kompositteil einige tausend Stränge erforderlich sind, wird für dieses Verfahren des Zurückziehens, Drehens und erneuten Annäherns bei dem Prozess zur Materialaufbringung eine beträchtliche Zeitdauer beansprucht.
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Derzeit verwendete Walzen, die im Stand der Technik bekannt sind, zum Verdichten von Kompositmaterial sind von Kante zu Kante flach. Um daher während des Verdichtens einen gleichmäßigen Druck auf den gesamten Bandstreifen aufzubringen, muss die Walze senkrecht zur Oberfläche bleiben. Dies kann schwer zu erreichen oder manchmal unmöglich sein, und zwar abhängig von der Komplexität der Konturen, die für ein bestimmtes Teil erforderlich sind.
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Die
US 4,560,433 A beschreibt einen Bandauftrag-Kopf zum Auftragen von zwei verschiedenen Arten von imprägnierten Faserbändern in zwei entgegengesetzten Richtungen auf eine Arbeitsfläche. Der Kopf enthält eine erste Abgabevorrichtung für eines der Bänder und eine zweite Abgabevorrichtung für das andere der Bänder. Die erste Abgabevorrichtung verdichtet das Band, das von der zweiten Abgabevorrichtung abgegeben wird, wenn die zweite Abgabevorrichtung in eine Richtung abgibt. Bei Abgabe in der anderen Richtung komprimiert die zweite Abgabevorrichtung das Band, das von dieser abgegeben wird. Die erste Abgabevorrichtung verdichtet ihr Band in beiden Richtungen.
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Die
US 4,259,144 A offenbart einen Bandauftrag-Kopf zum Ausgeben eines Bandes auf eine Arbeitsfläche für die Herstellung von primären Strukturteilen, und ein Verfahren zum Auflegen eines Bandes auf eine Arbeitsfläche. Der Bandauftrag-Kopf umfasst ein Gehäuse, das vorzugsweise gegenüber der Arbeitsfläche verschoben werden kann. Das Gehäuse weist eine Bandausgabeöffnung auf, wobei mindestens eine Bandausgabeanordnung eine Bandeingriffsoberfläche hat, die eine Spannung auf das Band aufbringt, wenn der Bandauftrag-Kopf relativ zur Arbeitsfläche verschoben wird, um das Band durch den Band-Kopf zu bewegen. Vorzugsweise sind zwei Bandausgabeblöcke an dem Gehäuse bei der Bandausgabeöffnung angebracht, und zwar benachbart zueinander. Diese Blöcke bilden beabstandete, symmetrisch orientierte Flächen, die abwechselnd mit dem Band eingreifen, und auf dieses die erwähnte Spannung aufzubringen, wenn der Bandauftrag-Kopf relativ zur Arbeitsfläche in zwei entgegengesetzte Richtungen verschoben wird. Bei dieser Anordnung wird die Ausrichtung des Bandauftrag-Kopfes nicht verändert.
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Die
US 2005/0061422 A1 betrifft ein vollautomatisches Verfahren und eine Vorrichtung, um verschiedene Strukturgegenstände mit mehreren Schichten aus einem mit Harz imprägnierten Faserband zu laminieren. Das Faserband wird mit einem Bandauftrag-Bauteil aufgetragen, das abwechselnd in verschiedene Fahrtrichtungen bewegt wird. Das Bandauftrag-Bauteil entfernt die Rückschicht von dem verwendeten Band, legt dann das von der Rückschicht befreite Band auf der Oberfläche des Strukturgegenstands und trennt schließlich das Ende des Bandes ab.
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Die
US 7,063,118 B2 offenbart ein vollautomatisches Verfahren und eine Vorrichtung, um verschiedene Strukturgegenstände mit einer Schicht aus mit Harz imprägniertem Faserband zu laminieren. Der Bandauftrag-Bauteil entfernt eine lösbare Rückenschicht von dem verwendeten Band, legt dann das von der Rückenschicht befreite Band auf die Oberfläche des Strukturgegenstandes und trennt schließlich das Ende des Bandes ab.
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Es besteht daher die Forderung nach einer verbesserten Walzenbaugruppe und nach einem verbesserten Verfahren zum Ausgeben und Verdichten von Material auf einer Oberfläche, die nicht unter den Problemen und Beschränkungen des Standes der Technik leiden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walzenbaugruppe gemäß den Ansprüchen 1 und 17 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Weitere Ausgestaltungen der Walzenbaugruppe und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Insbesondere werden ein verbesserter Auflegekopf sowie ein verbessertes Verfahren zur Verfügung gestellt, um Material, wie zum Beispiel durch Prepreg-Ziehen, auf eine Oberfläche auszugeben und zu verdichten, wie zum Beispiel auf eine Kokillenfläche, eine Dornfläche oder irgendeine andere Fläche, die verwendet wird, um Kompositteile zu formen. Der Auflegekopf weist eine Mehrzahl von bewegbaren Walzenbaugruppen, wobei jede Walzenbaugruppe betätigbar ist, um einen Bereich des Materials auf einen Bereich der Oberfläche auszugeben und zu verdichten, sowie ein Steuersystem auf, um jede der Walzenbaugruppen unabhängig von den anderen Walzenbaugruppen zu bewegen. Jede Walzenbaugruppe ist unabhängig drehbar, schwenkbar und linear bewegbar, und zwar innerhalb von bis zu sechs Freiheitsgraden, drei lineare Freiheitsgrade und bis zu drei Rotationsfreiheitsgrade.
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Jede Walzenbaugruppe weist eine Verdichtungswalze, ein erstes Führungselement, ein zweites Führungselement, um das Material entlang eines Bereichs einer ersten Seite der Verdichtungswalze zu führen, und ein drittes Führungselement auf, um Material entlang eines Bereichs einer zweiten Seite der Verdichtungswalze zu führen. Das erste Führungselement führt das Material in das zweite Führungselement, wenn das erste Führungselement durch ein Führungsbetätigungsmittel in eine erste Position vorgespannt ist, und das erste Führungselement führt das Material in das dritte Führungselement, wenn das erste Führungselement durch das Führungsbetätigungsmittel in eine zweite Position vorgespannt ist. Das erste Führungselement kann betätigt werden, um zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu schwenken.
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Die Verdichtungswalze von jeder Walzenbaugruppe kann entlang seiner äußeren Umfangsfläche im Wesentlichen ballig geformt sein, um das Material effektiver auf die Oberfläche auszugeben und zu verdichten. Die Verdichtungswalze kann aus einem verformbaren Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Gummi, wodurch ermöglicht wird, dass die ballige Oberfläche gegen die Oberfläche drückt, wenn Druck auf die Walze aufgebracht wird.
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Diese und andere wichtige Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung detaillierter erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht von einem Material-Auflegesystem und einem Auflegekopf ist, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung konstruiert ist;
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2 eine perspektivische Ansicht von dem Auflegekopf aus 1 ist, mittels dessen Streifen eines Materials auf eine Oberfläche aufgebracht werden;
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3 eine perspektivische Ansicht von dem Auflegekopf aus 1 ist;
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4 eine Unteransicht von dem Auflegekopf aus 3 ist;
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5 eine Seitenansicht von dem Auflegekopf aus 3 ist;
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6 eine perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und dessen Betätigungsmittelbaugruppe ist;
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7 eine perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und dessen Betätigungsmittelbaugruppe ist, wobei eine Walzenbaugruppe etwas höher betätigt ist als die andere Walzenbaugruppe;
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8 eine perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und dessen Betätigungsmittelbaugruppe ist;
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9 eine perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und dessen Betätigungsmittelbaugruppe ist, die die Drehbewegung eines Rotationsbetätigungsmittels zeigt;
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10 eine Seitenansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und dessen Betätigungsmittelbaugruppe ist, in der die Bewegung eines Schwenkbetätigungsmittels dargestellt ist;
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11 eine perspektivische Ansicht von einer Walzenbaugruppe ist, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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12 eine Explosionsdarstellung der Walzenbaugruppe aus 11 ist;
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13 eine bruchstückhafte, perspektivische Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei sich ein Schneidmechanismus in einer offenen Position befindet;
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14 eine bruchstückhafte, perspektivische Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei sich der Schneidmechanismus in einer geschlossenen Position befindet, um dadurch das Material zu schneiden;
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15 eine Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei das Material in einer ersten Richtung entlang einer Oberfläche ausgegeben wird;
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16 eine Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei das Material durch den Schneidmechanismus geschnitten wird;
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17 eine Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei das Material zu einer zweiten Seite der Verdichtungswalze geleitet wird;
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18 eine Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist, wobei das Material in einer zweiten Richtung entlang der Oberfläche ausgegeben wird;
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19 eine Querschnittsansicht von einer Verdichtungswalze ist, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei die Verdichtungswalze nicht gegen eine Oberfläche vorgespannt ist;
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20 eine Querschnittsansicht der Verdichtungswalze aus 19 ist, die gegen das Material und die Oberfläche vorgespannt ist, wobei auf die Walze ein Druck in Richtung auf die Oberfläche aufgebracht wird; und
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21 eine Querschnittsansicht der Verdichtungswalze aus 19 ist, die gegen das Material und die Oberfläche vorgespannt ist, wobei auf die Walze ein ausreichender Druck in Richtung auf die Oberfläche aufgebracht wird, um eine äußere Umfangsfläche der Verdichtungswalze im Wesentlichen flach zu drücken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Material-Auflegesystem 10, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Material-Auflegesystem 10 kann verwendet werden, um ein Material 12 auszugeben und zu verdichten, wie in 2 dargestellt, und zwar auf eine Oberfläche 14 von einer Kokille, einem Dorn oder irgendeiner Vorrichtung zum Formen von Kompositteilen, und ist insbesondere zum Auflegen von Fasern geeignet, um Kompositteile für ein Flugzeug herzustellen. Unter Bezugnahme auf 1 kann das Material-Auflegesystem 10 einen Rahmen 16, ein Kopfbetätigungsmittel 18 und einen Auflegekopf 20 aufweisen, der an dem Rahmen 16 angebracht ist und durch das Kopfbetätigungsmittel 18 betätigt wird.
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Der Rahmen 16 kann eine Struktur haben, die in der Technik bekannt ist, um einen Auflegekopf 20 abstützend zu halten, wie zum Beispiel eine Brückenstruktur oder eine Struktur mit gekrümmten oder geraden Achsen, entlang derer der Auflegekopf 20 durch das Kopfbetätigungsmittel 18 oder durch irgendwelche anderen Mittel, die in der Technik bekannt sind, relativ zum Rahmen 16 bewegt werden kann. Das Kopfbetätigungsmittel 18 kann irgendein Betätigungsmittel sein, das in der Technik bekannt ist, um einen Gegenstand entlang eines Rahmens zu bewegen. Das Kopfbetätigungsmittel 18 kann den Auflegekopf 20 entlang des Rahmens in linearer Richtung oder in Rotationsrichtung bewegen.
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Wie in 3–4 dargestellt, beinhaltet eine beispielhafte Ausgestaltung des Auflegekopfes 20: eine an dem Rahmen 16 angebrachte Basis 22, um andere Komponenten abstützend zu halten; eine Mehrzahl von Spulen 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, die an der Basis 22 befestigt sind; eine Mehrzahl von Betätigungsmittelbaugruppen 40, 42, 44, 46, die an der Basis 22 befestigt sind; eine Mehrzahl von Walzenbaugruppen 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, die mit den Betätigungsmittelbaugruppen gekoppelt sind und durch diese betätigt werden, und die jeweils eine Verdichtungswalze 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 aufweisen; sowie ein Steuersystem (nicht gezeigt), um den Auflegekopf 20 zu führen und um die Walzenbetätigungsmittel unabhängig zu betätigen, um das Material 12 auf die Oberfläche 14 auszugeben und zu verdichten.
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Unter Bezugnahme auf 2–5 ist die Basis 22 eine Abstützung, an der die Spulen 24–38 und die Betätigungsmittelbaugruppen 40–46 befestigt sind. Die Basis 22 kann planar sein, eine allgemein rechteckige Form haben und an dem Rahmen 16 oder an irgendeiner Maschine angebracht sein, die in der Technik bekannt ist, um den Auflegekopf 20 entlang einer Oberfläche zu bewegen.
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Die Spulen 24–38 sind herkömmlicher Bauart und sind jeweils aus länglichen Streifen des Materials 12 gewickelt, um in mindestens eine der Walzenbaugruppen 48–62 geführt werden, wobei jede Walzenbaugruppe eine Mehrzahl von Längen des Materials 12 auf die Oberfläche 14 ausgibt und verdichtet, wie in 2 dargestellt ist. Die Mehrzahl von Längen des Materials 12 kann eine Breite haben, die im Bereich von 0,15875 cm (1/16 Zoll) bis 2,54 cm (1 Zoll) liegt. Das Material 12 kann ein Kompositmaterial sein, ein mit Kunstharz imprägniertes Kompositband, ein geschlitztes Band, irgendein in der Technik zum Faserauflegen bekanntes Material oder irgendein anderes formbares Material. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung sind die Spulen 45,72 cm (18 Zoll) lang. Die Anzahl der Spulen an dem Auflegekopf 20 kann gleich der Anzahl der Walzenbaugruppen des Auflegekopfes 20 sein. Wie in beispielsweise in 3 dargestellt, können acht Materialspulen zu acht Walzenbaugruppen führen. Das Material 12 von jeder Spule kann direkt in die Walzenbaugruppen geführt werden oder kann durch Umlenkwalzen (nicht gezeigt) oder andere im Stand der Technik bekannte Verfahren zu den Walzenbaugruppen geleitet werden.
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Mindestens eine oder zwei Walzenbaugruppen 48–62 können durch jede der Betätigungsmittelbaugruppen 40–46 mit der Basis 22 gekoppelt sein. Unter Bezugnahme auf 6–10 kann jede Betätigungsmittelbaugruppe eine Betätigungsmittelhalterung 80, die an der Basis 22 angebracht ist, ein Schwenkbetätigungsmittel 82, das schwenkbar an der Betätigungsmittelhalterung 80 angebracht ist, und eine Betätigungsmittelabstützung 84 aufweisen, die drehbar oder fest an dem Schwenkbetätigungsmittel 82 befestigt ist. Jede Betätigungsmittelbaugruppe kann außerdem ein Drehbetätigungsmittel 86, das drehbar an der Betätigungsmittelabstützung 84 angebracht ist, eine Stangenhalterung 88, die fest an dem Drehbetätigungsmittel 86 angebracht ist, eine erste Stange 90 und eine zweite Stange 92 aufweisen, die verschiebbar an der Stangenhalterung 88 angebracht sind. Schließlich kann jede Betätigungsmittelbaugruppe außerdem vier Stangenführungen 94, 96, 98, 100 aufweisen, wobei zwei Stangenführungen verschiebbar an der ersten Stange 90 angebracht sind und zwei Stangenführungen verschiebbar an der zweiten Stange 92 angebracht sind. Die erste und zweite Stange 90, 92 können Schraubgewindegänge aufweisen, die spiralförmig um eine längliche Außenfläche der Stangen 90, 92 angeordnet sind, wie in 4–5 dargestellt, wobei durch eine Drehbewegung der Stangen 90, 92 ermöglicht wird, dass die erste und zweite Stange 90, 92 relativ zur Stangenhalterung 88 oder zu den Stangenführungen 94–100 gleiten. Obwohl die Betätigungsmittelbaugruppen unter Bezugnahme auf die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen beschrieben sind, sei angemerkt, dass äquivalente Ausgestaltungen verwendet und Ersetzungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den Patentansprüchen definiert ist. Beispielsweise kann jede Betätigungsmittelbaugruppe alternativ ein einzelnes Walzenbaugruppen-Betätigungsmittel aufweisen, um die Walzenbaugruppen zu betätigen.
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Jede der Walzenbaugruppen 48–62 kann durch die Stangenführungen 94–100 an mindestens einer der ersten Stange 90 und der zweiten Stange 92 angebracht sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mindestens eine der Betätigungsmittelbaugruppen 40 an einem ersten Paar von Walzenbaugruppen 48, 50 angebracht sein, wie in 6–9 dargestellt. Außerdem kann die Betätigungsmittelbaugruppe 42 an einem zweiten Paar von Walzenbaugruppen 52, 54 angebracht sein, die Betätigungsmittelbaugruppe 44 kann an einem dritten Paar von Walzenbaugruppen 56, 58 angebracht sein, und die Betätigungsmittelbaugruppe 46 kann an einem vierten Paar von Walzenbaugruppen 60, 62 angebracht sein. Der Abstand zwischen den Verdichtungswalzen von jedem Walzenbaugruppen-Paar kann etwa gleich der Breite eines Streifens des Materials 12 sein, wie in 5–7 dargestellt. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Verdichtungswalze 64 und der Verdichtungswalze 68 etwa gleich der Breite eines Streifens des Materials 12 sein. Wenn in einem anderen Ausführungsbeispiel zwei Walzenbaugruppen an jeder Betätigungsmittelbaugruppe angebracht sind, können zwei Stangenführungen 94, 96 an einer Walzenbaugruppe 48 angebracht sein, und zwei Stangenführungen 98, 100 können an der anderen Walzenbaugruppe 50 angebracht sein.
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Die Betätigungsmittelbaugruppen 40–46 können in einer allgemein stufenförmigen Konfiguration an der Basis 22 angeordnet sein. Unter Bezugnahme auf 4 sind die Betätigungsmittelbaugruppen in einer Zickzack-Konfiguration stufenförmig angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von Betätigungsmittelbaugruppen hinter und an einer Seite einer vorausgehenden Betätigungsmittelbaugruppe positioniert ist. Der Abstand zwischen jeweils zwei der Mehrzahl von Verdichtungswalzen des Auflegekopfes 20 kann im Bereich von 0,15875 cm (1/16 Zoll) bis 50,8 cm (20 Zoll) liegen. In dieser stufenförmigen Konfiguration, wie in 3–5 dargestellt, geben die Walzenbaugruppen 48–62 des Auflegekopfes 20, die mit den Betätigungsmittelbaugruppen gekoppelt sind, Material 12 im Wesentlichen gleichzeitig entlang allgemein benachbarter Pfade auf die Oberfläche 14 aus, wie in 2 dargestellt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können schmale Spalte zwischen den benachbarten Pfaden des Materials 12 vorgesehen sein. Alternativ können sich die Pfade des Materials 12 teilweise überlappen, wobei mindestens eine Kante von mindestens einem Streifen des Materials einen Bereich des anderen Streifens des Materials überlappt.
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Bei einer in 3–5 dargestellten Ausgestaltung koppeln zum Beispiel vier Betätigungsmittelbaugruppen 40–46 jeweils eines der Walzenbaugruppen-Paare mit der Basis 22. In dieser Konfiguration befindet sich das erste Walzenbaugruppen-Paar 48, 50 vor dem zweiten Walzenbaugruppen-Paar 52, 54, das zweite Walzenbaugruppen-Paar 52, 54 befindet sich vor dem dritten Walzenbaugruppen-Paar 56, 58, und das dritte Walzenbaugruppen-Paar 56, 58 befindet sich vor dem vierten Walzenbaugruppen-Paar 60, 62. Das zweite Walzenbaugruppen-Paar 52, 54 befindet sich links von dem ersten Walzenbaugruppen-Paar 48, 50, das dritte Walzenbaugruppen-Paar 56, 58 befindet sich rechts von dem zweiten Walzenbaugruppen-Paar 52, 54, und das vierte Walzenbaugruppen-Paar 60, 62 befindet sich links von dem dritten Walzenbaugruppen-Paar 56, 58.
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Wenn sich der Auflegekopf 20 in eine Richtung bewegt, die in 4 durch einen Pfeil 110 angegeben ist, können benachbarte Pfade des Materials 12 auf der Oberfläche 14 durch die nachfolgenden Verdichtungswalzen verdichtet werden, die hier in der Reihenfolge von links nach rechts aufgelistet sind: die Verdichtungswalze 68, die Verdichtungswalze 76, die Verdichtungswalze 70, die Verdichtungswalze 78, die Verdichtungswalze 64, die Verdichtungswalze 72, die Verdichtungswalze 66 und die Verdichtungswalze 74. In dieser Konfiguration befindet sich beispielsweise eine Seitenkante eines Pfades des Materials, der durch die Verdichtungswalze 76 verdichtet wird, benachbart zu einer Seitenkante eines Pfades des Materials, der durch die Verdichtungswalze 68 verdichtet wird, während sich eine andere Seitenkante des Pfades des Materials, der durch die Verdichtungswalze 76 verdichtet wird, benachbart zu einer Seitenkante eines Pfades des Materials befindet, der durch die Verdichtungswalze 70 verdichtet wird.
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Jede der Walzenbaugruppen 48–62 kann in einer im Wesentlichen identischen Weise mit im Wesentlichen identischen Komponenten konstruiert sein. Unter Bezugnahme auf 11–18 kann die Walzenbaugruppe 50 aufweisen: die Verdichtungswalze 66 mit einer äußeren Umfangsfläche 112 zum Verdichten des Materials 12; ein erstes Führungselement 114 mit einem ersten Ende 116 und einem zweiten Ende 118, um das Material 12 zur Verdichtungswalze 66 zu leiten; ein zweites Führungselement 120, das eine erste Führungsfläche 122 aufweist, die allgemein einem ersten Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 der Verdichtungswalze 66 folgt; und ein drittes Führungselement 124, das eine zweite Führungsfläche 126 aufweist, die allgemein einem zweiten Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 der Verdichtungswalze 66 folgt.
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Unter Bezugnahme auf 11–14 kann die Walzenbaugruppe 50 außerdem eine erste Zuführwalze 128 und eine zweite Zuführwalze 130, um gemeinsam das Material 12 zum ersten Führungselement 114 zu leiten; ein viertes Führungselement 132, um das Material 12 zur ersten und zur zweiten Zuführwalze 128, 130 zu leiten; einen Schneidmechanismus 134, um das Material 12 zu schneiden; ein äußeres Gehäuse 136, das die Komponenten der Walzenbaugruppe 50 umschließt; und ein Führungsbetätigungsmittel 138, ein Zuführbetätigungsmittel 140 sowie ein Schneidbetätigungsmittel 142 aufweisen, die an dem äußeren Gehäuse 136 montiert sind, um das erste Führungselement 114, die erste und zweite Zuführwalze 128, 130 sowie den Schneidmechanismus 134 zu betätigen.
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Unter Bezugnahme auf 11–12 kann die Verdichtungswalze 66 eine erste Fläche 144, eine zweite Fläche 146, eine erste Kante 148 entlang des Umfangs der ersten Fläche 144 und eine zweite Kante 150 entlang des Umfangs der zweiten Fläche 146 aufweisen. Außerdem hat die äußere Umfangsfläche 112, die sich zwischen der ersten Kante 148 und der zweiten Kante 150 befindet, eine im Wesentlichen ballige Form von der ersten Kante 148 zur zweiten Kante 150, so dass sich ein Bereich der äußeren Umfangsfläche 112, der von einer Drehachse 152 der Verdichtungswalze 66 am weitesten entfernt ist, etwa in der Mitte zwischen der ersten Kante 148 und der zweiten Kante 150 befindet. Die Verdichtungswalze 66 ist aus einem im Wesentlichen verformbaren Material hergestellt, wie zum Beispiel irgendeine Art von Gummi, das im Stand der Technik bekannt ist, um das Kompositmaterial auf irgendeiner Fläche zu verdichten. Dadurch wird ermöglicht, dass die Verdichtungswalze 66 mit der Oberfläche 14 in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von ungleich 90° eingreift, da sich die Verdichtungswalze 66 an die Oberfläche 14 anpassen kann, wenn sie gegen die Oberfläche 14 gedrückt wird.
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In 19 wird die Verdichtungswalze 66 beispielsweise in Richtung auf die Oberfläche 14 bewegt. Wenn die Verdichtungswalze 66 mit einem Winkel von 90° gegen die Oberfläche 14 gedrückt wird, wird der Bereich der äußeren Umfangsfläche 112, der am weitesten von der Drehachse 152 der Verdichtungswalze 66 entfernt ist, gegen das Material 12 und die Oberfläche 14 gedrückt, wie in 20 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 21 kann die äußere Umfangsfläche 112, wenn ein weiterer Druck aufgebracht wird, zusammengedrückt werden, bis sie im Wesentlichen flach ist, wodurch der Druck zuerst auf die Mitte des Streifens des Materials 12 und dann von der Mitte nach außen zu den Seitenkanten des Streifens des Materials geführt wird, wodurch das Material 12 gleichmäßig auf der Oberfläche 14 verdichtet wird.
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Die Verdichtungswalze 66 kann irgendeine Größe haben, die durch eine bestimmte Material-Auflegeanwendung erforderlich ist. Beispielsweise kann die Verdichtungswalze 66 zwischen 0,0254 cm (0,01 Zoll) und 38,1 cm (15 Zoll) breit sein. Die Verdichtungswalze 66 kann auch zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und 5,08 cm (2 Zoll) breit sein. Die Verdichtungswalze 66 kann auch zwischen 0,3175 cm (0,125 Zoll) und 7,62 cm (3 Zoll) breit sein. Die Verdichtungswalze kann breiter sein als die Streifen des Materials 12. Beispielsweise kann ein Streifen des Materials mit einer Breite von 0,635 cm (0,25 Zoll) durch eine Walze aufgebracht werden, die eine Breite von 1,905 cm (0,75 Zoll) hat. Die erste Fläche 144 und die zweite Fläche 146 der Verdichtungswalze 66 können einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,254 cm (0,1 Zoll) bis etwa 38,1 cm (15 Zoll) haben. Die erste Fläche 144 und die zweite Fläche 146 der Verdichtungswalze 66 können auch einen Durchmesser im Bereich von etwa 1,27 cm (0,50 Zoll) bis etwa 7,62 cm (3 Zoll) haben. In der in 12 dargestellten beispielhaften Ausgestaltung kann die Verdichtungswalze 66, um einen Streifen des Materials 12 mit einer Breite von 0,635 cm (0,25 Zoll) auf der Oberfläche 14 zu verdichten, einen Durchmesser von 1,905 cm (0,750 Zoll) und eine Breite von 0,9525 cm (0,375 Zoll) haben.
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen befindet sich das erste Führungselement 114 in der Nähe der Verdichtungswalze 66 und ist zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegbar. In der ersten Position, die in 15–16 dargestellt ist, befindet sich das erste Ende 116 des ersten Führungselements 114 in der Nähe des zweiten Führungselements 120. In der zweiten Position, die in 17–18 dargestellt ist, befindet sich das erste Ende 116 des ersten Führungselements 114 in der Nähe des dritten Führungselements 124. In einem Ausführungsbeispiel kann das erste Führungselement 114 um eine Schwenkachse 158 schwenkbar sein, wodurch das erste Führungselement 114 in die erste Position und in die zweite Position geschwenkt werden kann. Es können jedoch irgendwelche Mittel verwendet werden, um das erste Führungselement 114 von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen.
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Das zweite Führungselement 120 hat eine erste Führungsfläche 122, die allgemein einem ersten Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 der Verdichtungswalze 66 folgt, und das dritte Führungselement 124 hat eine zweite Führungsfläche 126, die allgemein einem zweiten Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 der Verdichtungswalze 66 folgt, wie in 11–12 dargestellt. Der erste Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 ist allgemein gegenüberliegend zum zweiten Bereich der äußeren Umfangsfläche 112 angeordnet. Das zweite und dritte Führungselement 120, 124 können eine gekrümmte Form haben, um das Material 12 um die Verdichtungswalze 66 herum zu leiten. Insbesondere kann mindestens ein Bereich des zweiten und dritten Führungselements 120, 124 gekrümmt sein, um an einen Bereich des Umfangs der Verdichtungswalze 66 angepasst zu sein.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die erste Zuführwalze 128 gegen die zweite Zuführwalze 130 vorgespannt, wobei das Material 12 dazwischen angeordnet ist, wie in 17 gezeigt. Wenn mindestens eine der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 in Drehung versetzt wird, kann das Material 12 zusammenwirkend zum ersten Führungselement 114 geführt werden. Außerdem kann mindestens eine der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 betätigt werden, um in Richtung auf und weg von der anderen der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 bewegt zu werden. Das vierte Führungselement 132 kann stationär und in der Nähe der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 angeordnet sein, um das Material 12 zur ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 zu führen.
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Unter Bezugnahme auf 13–14 kann die Walzenbaugruppe 50 außerdem den Schneidmechanismus 134 beinhalten, um das Material 12 zu schneiden. Der Schneidmechanismus 134 kann irgendein im Stand der Technik bekannter Schneidmechanismus sein, um Material zu schneiden. In einem Ausführungsbeispiel weist der Schneidmechanismus 134 ein erstes Schneidelement 154 und ein zweites Schneidelement 156 auf. In einer offenen Position ist das erste Schneidelement 154 von dem zweiten Schneidelement 156 wegbewegt, wie in 13 dargestellt. Der Schneidmechanismus 134 kann allgemein in einer offenen Position verbleiben, um zu ermöglichen, dass das Material 12 hindurch strömt. Wenn, unter Bezugnahme auf 14, das Material 12 geschnitten werden muss, kann der Schneidmechanismus 134 durch irgendein in der Technik bekanntes Mittel geschlossen werden, wie zum Beispiel das Schneidbetätigungsmittel 142, das in 11 dargestellt ist.
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In den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind der Schneidmechanismus 134, die erste Zuführwalze 128 und die zweite Zuführwalze 130 zwischen dem ersten Führungselement 114 und dem vierten Führungselement 132 angeordnet. Außerdem kann der Schneidmechanismus 134 zwischen dem ersten Führungselement 114 sowie der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 angeordnet sein, so dass dann, wenn das Material 12 geschnitten wird, ein Bereich des Materials 12 zwischen der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 verbleibt.
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Unter Bezugnahme auf 11–12 umschließt das äußere Gehäuse 136 das erste Führungselement 114, den Schneidmechanismus 134, die erste Zuführwalze 128, die zweite Zuführwalze 130 sowie das vierte Führungselement 132. Das äußere Gehäuse 136 kann ferner einen Bereich des zweiten Führungselements 120, des dritten Führungselements 124 und der Verdichtungswalze 66 umschließen. Außerdem kann die Drehachse 152, um die die Verdichtungswalze 66 rotiert, an dem äußeren Gehäuse 136 befestigt sein.
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Das Führungsbetätigungsmittel 138, das Zuführbetätigungsmittel 140 und das Schneidbetätigungsmittel 142 können an dem äußeren Gehäuse 136 montiert sein, wie in 11 dargestellt. Vier Walzenbaugruppen-Paare, wie zum Beispiel die Walzenbaugruppen 48, 50, die Führungs-, Zuführ- und Schneidbetätigungsmittel 138, 140, 142 sind an dem äußeren Gehäuse 136 von jeder Walzenbaugruppe 48, 50 an einer äußeren Fläche montiert, die von den anderen der zwei Walzenbaugruppen 48, 50 wegzeigt, wie in 8–9 gezeigt. Das Führungsbetätigungsmittel 138 kann das erste Führungselement 114 zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegen. Das Zuführbetätigungsmittel 140 kann mindestens eine der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 in Drehung versetzen und kann eine der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 in Richtung auf und weg von der anderen der ersten und zweiten Zuführwalze 128, 130 bewegen. Das Schneidbetätigungsmittel 142 kann den Schneidmechanismus 134 schließen und öffnen.
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Das Steuersystem des Auflegekopfes 20 kann irgendein Steuersystem sein, das in der Technik bekannt ist, um elektronische Signale zu senden und zu empfangen. Das Steuersystem ist programmierbar, um mit irgendeinem der Betätigungsmittel 40–46, 138–142 sowie mit den Walzenbaugruppen 48–62 zu kommunizieren. Das Steuersystem kann eine der Betätigungsmittelbaugruppen unabhängig von den anderen Betätigungsmittelbaugruppen steuern, wodurch eine unabhängige Bewegung von jeder Walzenbaugruppe in bis zu sechs Freiheitsgraden möglich ist, und zwar drei lineare Freiheitsgrade und bis zu drei Rotationsfreiheitsgrade. Auf diese Weise kann beispielsweise jede Walzenbaugruppe linear in beiden Richtungen entlang jeder von einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse bewegt werden und um eine X-Achse, eine Y-Achse und/oder eine Z-Achse gedreht werden. Das Steuersystem kann außerdem jede Walzenbaugruppe individuell hinsichtlich Fehler in dem Material 12 oder in der Walzenbaugruppe überwachen.
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Bei einer beispielhaften Ausgestaltung kann das Steuersystem ein Schwenkbetätigungsmittel 82 der Betätigungsmittelbaugruppe 40 anweisen, das erste Walzenbaugruppen-Paar 48, 50 um eine erste Achse zu schwenken, wie in 10 dargestellt ist, und zwar unabhängig von den anderen Betätigungsmittelbaugruppen 42–46. Das Schwenkbetätigungsmittel 82 kann das erste Walzenbaugruppen-Paar 48, 50 um die erste Achse mit 60° nach vorne und mit 60° nach hinten schwenken. Das Steuersystem kann ferner das Drehbetätigungsmittel 86 anweisen, sich um eine zweite Achse zu drehen, wie in 8–9 dargestellt, wodurch das erste Walzenbaugruppen-Paar 48, 50 in eine andere Richtung orientiert wird als die anderen Walzenbaugruppen-Paare in dem Auflegekopf 20. Die erste Achse kann im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse verlaufen.
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In den verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Steuersystem außerdem mindestens eine der Walzenbaugruppen 48–62 anweisen, näher zu oder weiter weg von der Basis 22 zu gleiten als mindestens eine andere Walzenbaugruppe, und zwar unabhängig von den anderen Walzenbaugruppen 48–62 des Auflegekopfes 20. Beispielsweise kann die zweite Stange 92 des ersten Walzenbaugruppen-Paares 48, 50 durch das Steuersystem angewiesen werden, die Walzenbaugruppe 50 von der Basis 22 wegzuverschieben, wodurch sich die Walzenbaugruppe 50 von der Basis 22 weiter weg erstreckt als die Walzenbaugruppe 48, wie in 6–7 dargestellt. Das Steuersystem kann dann die zweite Stange 92 anweisen, die Walzenbaugruppe 50 in eine Position näher zur Basis 22 zurückzuschieben. Außerdem kann das Steuersystem beide Walzen des ersten Walzenbaugruppen-Paares 48, 50 anweisen, gleichzeitig näher zu oder weiter weg von der Basis 22 zu gleiten.
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Die individuelle Steuerung und Bewegung der Walzenbaugruppen 48–62 macht es möglich, das Material 12 gleichmäßig auf der Oberfläche 14 zu verdichten, und zwar effizienter und effektiver als bei Anwendungsverfahren gemäß Stand der Technik, da die multi-direktionalen und individuellen Freiheitsgrade der Bewegung ermöglichen, dass sich die Walzenbaugruppen besser an enge Radien und komplexe Konturen der Oberfläche 14 anpassen können. Dadurch wird ein kontinuierlicher Kontakt der Verdichtungswalzen 64–78 und des Materials 12 mit der Oberfläche 14 ermöglicht.
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Ein Verfahren zur individuellen Steuerung und Bewegung der Walzenbaugruppen 48–62 umfasst: Zuführen einer Mehrzahl von Bereichen des Materials 12 durch eine Mehrzahl der Walzenbaugruppen eines Auflegekopfes 20; im Wesentlichen gleichzeitiges Aufbringen der Mehrzahl von Bereichen des Materials 12 auf die Oberfläche 14 mit Hilfe der Mehrzahl von Walzenbaugruppen, so dass die Bereiche des Materials 12 in benachbarten Pfaden auf die Oberfläche 14 aufgebracht werden; und Bewegen von jeder Walzenbaugruppe in sechs Freiheitsgraden unabhängig von den anderen Walzenbaugruppen, um das Material 12 auf die Oberfläche 14 aufzubringen und zu verdichten, wie in 2–3 dargestellt.
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Unter Bezugnahme auf 6–7 kann das Verfahren beispielsweise das Bewegen von mindestens einer Verdichtungswalze 66 zwischen einer Position näher zu einer Basis 22 des Auflegekopfes 20 und einer Position weiter weg von der Basis 22 des Auflegekopfes 20 umfassen, und zwar unabhängig von den anderen Verdichtungswalzen, um das Material 12 auf die Oberfläche 14 aufzubringen. Wie in 8–10 gezeigt, kann das Verfahren außerdem das Schwenken von mindestens einer Walzenbaugruppe 50 um eine erste Achse und das Drehen der gleichen Walzenbaugruppe 50 um eine zweite Achse umfassen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse verläuft.
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Das Verfahren kann außerdem das Neigen von mindestens einer der Walzenbaugruppen 48–62 mit einem Winkel relativ zur Basis 22 umfassen, der verschieden ist von dem Winkel der anderen Walzenbaugruppen. Das Verfahren kann außerdem das Neigen von mindestens einer der Walzenbaugruppen mit einem Winkel von ungleich 90° relativ zur Oberfläche 14 umfassen. Außerdem kann das Verfahren das stufenweise Anordnen benachbarter Walzenbaugruppen 48–62 oder Walzenbaugruppen-Paaren sowie das im Wesentlichen gleichzeitige Bewegen der Walzenbaugruppen 48–62 entlang benachbarter Pfade auf der Oberfläche 14 umfassen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass das Material 12 bidirektional auf die Oberfläche 14 ausgegeben und verdichtet wird, ohne dass es erforderlich ist, dass die Walzenbaugruppen 48–62 oder der Auflegekopf 20 um 180° gedreht werden müssen. Das in 15–18 dargestellte Verfahren beinhaltet die Schritte des Bewegens des ersten Führungselements 114 der Walzenbaugruppe 50 in eine erste Position; das Zuführen des Materials 12 durch das erste Führungselement 114, so dass das Material 12 mit dem zweiten Führungselement 120 nahe der ersten Seite der Verdichtungswalze 66 in Eingriff kommt; das Drücken der Verdichtungswalze 66 in Richtung auf die Oberfläche 14, so dass die Verdichtungswalze 66 das Material 12 gegen die Oberfläche 14 presst; und das Bewegen von einer der Verdichtungswalze 66 und der Oberfläche 14 in eine erste Richtung relativ zu der anderen der Verdichtungswalze 66 und der Oberfläche 14, wodurch das Material 12 entlang der ersten Richtung auf die Oberfläche 14 ausgegeben und verdichtet wird, wie in 15 gezeigt.
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Das Verfahren beinhaltet außerdem das Bewegen des ersten Führungselements 114 in die zweite Position; das Zuführen des Materials 12 durch das erste Führungselement 114, so dass das Material 12 mit dem dritten Führungselement 124 nahe der zweiten Seite der Verdichtungswalze 66 in Eingriff kommt; das Drücken der Verdichtungswalze 66 in Richtung auf die Oberfläche 14, so dass die Verdichtungswalze 66 das Material 12 gegen die Oberfläche 14 presst; und das Bewegen von einer der Verdichtungswalzen 66 und der Oberfläche 14 in eine zweite Richtung relativ zu der anderen der Verdichtungswalze 66 und der Oberfläche 14, wodurch das Material 12 entlang der zweiten Richtung auf die Oberfläche 14 ausgegeben und verdichtet wird, wie in 18 gezeigt.
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Das Verfahren kann ferner das Vorspannen der ersten Zuführwalze 128 gegen die zweite Zuführwalze 130, wobei sich das Material zwischen den Walzen befindet; und das Drehen von mindestens einer der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130, wodurch das Material 12 durch das vierte Führungselement 132, den offenen Schneidmechanismus 134, das erste Führungselement 114 und das zweite Führungselement 120 gemeinsam zugeführt wird, beinhalten. Wenn das Material 12 mit der Verdichtungswalze 66 und der Oberfläche 14 in Eingriff steht, können die erste Zuführwalze 128 und die zweite Zuführwalze 130 von dem Material 12 außer Eingriff gebracht werden, indem mindestens eine der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 von der anderen der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 wegbewegt wird. Das Material 12 kann dann in der ersten Richtung auf die Oberfläche 14 ausgegeben und verdichtet werden.
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Unter Bezugnahme auf 16 kann das Verfahren außerdem das Schneiden des Materials 12 mit dem Schneidmechanismus 134 umfassen, wenn das Material 12 in der ersten Richtung auf einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche verdichtet wurde. Nachdem das Material 12 geschnitten wurde, kann mindestens eine von der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 in Richtung auf die andere der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 bewegt und die erste Zuführwalze 128 gegen die zweite Zuführwalze 130 vorgespannt werden, wobei sich das Material 12 zwischen den Walzen befindet, wie in 16 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 17 kann das Verfahren das anschließende Betätigen von mindestens einer der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 umfassen, um diese zu drehen, wodurch bewirkt wird, dass sich sowohl die erste Zuführwalze 128 als auch die zweite Zuführwalze 130 in Richtung aufeinander drehen, um das Material 12 durch den offenen Schneidmechanismus 134 zu dem ersten Führungselement 114 und dann zu dem dritten Führungselement 124 zu führen. Wenn das Material 12 sowohl mit der Verdichtungswalze 66 als auch mit der Oberfläche 14 in Eingriff kommt, kann mindestens eine der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 von der anderen der ersten Zuführwalze 128 und der zweiten Zuführwalze 130 wegbewegt werden, um dadurch das Material 12 außer Eingriff zu bringen. Das Material 12 kann dann in der zweiten Richtung auf die Oberfläche 14 ausgegeben und verdichtet werden, wie in 18 gezeigt.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, sei angemerkt, dass hier Äquivalente verwendet und Ersetzungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die Patentansprüche definiert ist. Beispielsweise können in den verschiedenen Ausführungsbeispielen die Walzenbaugruppen 48–62 der Erfindung, wie vorstehen beschrieben, durch irgendwelche Walzen ersetzt werden, die geeignet sind, um das Material 12 auf irgendeiner Oberfläche zu verdichten. Außerdem kann jede der Walzenbaugruppen, der Verdichtungswalzen und der Betätigungsbaugruppen des Auflegekopfes 20 konstruiert und betätigt werden, wie in 6–21 gezeigt.
