-
HINTERGRUND
-
1. GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft konstruktive und aerodynamische Flugzeugteile.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Ausgeben und Verdichten
von Material, wie zum Beispiel das automatisierte Faserauflegen
(AFP) von Kompositbändern.
-
2. STAND DER TECHNIK
-
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.
-
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.
-
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.
-
Es
besteht daher die Forderung nach einem verbesserten Verfahren zum
Ausgeben und Verdichten von Material auf einer Oberfläche, das
nicht unter den Problemen und Beschränkungen des Standes der Technik
leidet.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Durch
die vorliegende Erfindung wird 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 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.
-
Jede
Walzenbaugruppe kann 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
aufweisen, 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 erstes Betätigungsmittel
in eine erste Position vorgespannt ist, und das erste Führungselement führt das
Material in das dritte Führungselement, wenn
das erste Führungselement
durch das erste Betätigungsmittel
in eine zweite Position vorgespannt ist. Das erste Führungselement
kann betätigt werden,
um zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu schwenken.
-
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.
-
Diese
und andere wichtige Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung detaillierter erläutert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht von einem Material-Auflegesystem und einem
Auflegekopf ist, der gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung konstruiert ist;
-
2 eine
perspektivische Ansicht von dem Auflegekopf aus 1 ist,
mittels dessen Streifen eines Materials auf eine Oberfläche aufgebracht
werden;
-
3 eine
perspektivische Ansicht von dem Auflegekopf aus 1 ist;
-
4 eine
Unteransicht von dem Auflegekopf aus 3 ist;
-
5 eine
Seitenansicht von dem Auflegekopf aus 3 ist;
-
6 eine
perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und
dessen Betätigungsmittelbaugruppe
ist;
-
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;
-
8 eine
perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und
dessen Betätigungsmittelbaugruppe
ist;
-
9 eine
perspektivische Ansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und
dessen Betätigungsmittelbaugruppe
ist, die die Drehbewegung eines Rotationsbetätigungsmittels zeigt;
-
10 eine
Seitenansicht von einem Walzenbaugruppen-Paar aus 3 und
dessen Betätigungsmittelbaugruppe
ist, in der die Bewegung eines Schwenkbetätigungsmittels dargestellt
ist;
-
11 eine
perspektivische Ansicht von einer Walzenbaugruppe ist, die gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
-
12 eine
Explosionsdarstellung der Walzenbaugruppe aus 11 ist;
-
13 eine
bruchstückhafte,
perspektivische Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist,
wobei sich ein Schneidmechanismus in einer offenen Position befindet;
-
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;
-
15 eine
Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist,
wobei das Material in einer ersten Richtung entlang einer Oberfläche ausgegeben
wird;
-
16 eine
Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist,
wobei das Material durch den Schneidmechanismus geschnitten wird;
-
17 eine
Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist,
wobei das Material zu einer zweiten Seite der Verdichtungswalze
geleitet wird;
-
18 eine
Querschnittsansicht der Walzenbaugruppe aus 11 ist,
wobei das Material in einer zweiten Richtung entlang der Oberfläche ausgegeben
wird;
-
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;
-
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
-
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.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Walzen baugruppen 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Walzen baugruppen-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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Ein
weiteres 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.
-
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.
-
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.
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.
-
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.
-
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.
-
Zusammenfassung
-
Die
Erfindung betrifft eine Walzenbaugruppe für das bidirektionale Ausgeben
und Verdichten eines Materialstreifens auf einer Oberfläche, ohne
dass es erforderlich ist, die Walzenbaugruppe um 180° zu drehen,
um das Material in der entgegen gesetzten Richtung auszugeben. Die
Walzenbaugruppe beinhaltet ein erstes Führungselement, ein zweites
Führungselement,
ein drittes Führungselement
und eine Verdichtungswalze. Wenn sich das erste Führungselement
in einer ersten Position befindet, wird der Materialstreifen dem
zweiten Führungselement
zugeführt.
Wenn sich das erste Führungselement
in einer zweiten Position befindet, wird der Materialstreifen dem
dritten Führungselement
zugeführt.
Die Verdichtungswalze ist verformbar, und die Umfangsfläche der
Verdichtungswalze ist im Wesentlichen ballig geformt, um eine gleichmäßige Verdichtung
des Materialstreifens zu bewirken.