DE202011002397U1

DE202011002397U1 - Z-Achse Verstärkung Einfügungsvorrichtung

Info

Publication number: DE202011002397U1
Application number: DE202011002397U
Authority: DE
Original assignee: SHI WEIBAI; Shi Weibai 64653
Current assignee: SHI WEIBAI; Shi Weibai 64653
Priority date: 2011-02-06
Filing date: 2011-02-06
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2021-02-07

Abstract

Hohlnadel: mit einseitig geschliffener hohlen Nadelspitze mit einem Winkel von 10° bis 70° um den Widerstand während dem Einfügung des Stab ins Material zu verringern und die Verletzung des Materials durch die Einfügung zu vermeiden.

Description

Verbundwerkstoffe haben viele gute Eigenschaften, die insbesondere für Luft- und Raumfahrt, sowie der marine Industrie sehr wichtig sind. Die meisten Verbundwerkstoffe sind aus mehrlagigem Gewebe, die durch Zusammenlegen, Verflechten oder Verweben von einzelnen Komponenten entstehen. Dabei besitzt der Verbundwerkstoff andere Werkstoffeigenschaften als die einzelnen Komponenten. Schichtverbundwerkstoffe werden auch als Laminate bezeichnet. Die sogenannte Laminatstruktur wird entweder davor oder danach verharzt. Bei solchen Strukturen besteht das Problem, dass die einzelnen Schichten keine Faserverbindung zwischen den einzelnen Lagen besitzen und somit nur durch das Harz verbunden sind. Hier besteht das Problem, dass eine nur oberflächige Beschädigung solcher Verbundwerkstoffe sich schnell in tiefer liegenden Schichten ausbreitet, das somit zur totalen Unbrauchbarkeit des gesamten Bauteile führt.
Methoden zur Verstärkung in der Z-Achse sind bereits etabliert wie z. B. Vernähen der Zwischenschichten. Jedoch können die meisten Methoden hauptsachlich nur bei trockenen Gewebe/Gelege (unverharzt) angewendet werden. Andere Möglichkeiten wie „Z-Pin Gun” oder andere Handgeräte finden zurzeit nur Anwendung in kleinem Maßstab. Zu Industriezwecken können diese Methoden eine gleichmäßige Qualität entlang großer Flächen, wie z. B. Fluzeugflügel nicht gewährleisten.
Delamination von Verbundwerkstoff ist zurzeit eine nicht zu verachtende technische Schwäche. Deshalb ist es hier das Ziel eine für die Industrie attraktive Vorrichtung zu entwickeln, das Delamination der Verbundwerkstoffe in allen Achsen verringert und in CNC Automaten oder Industrieroboter integrierbar.
Eine Vorrichtung um verharzten Mikro Stab (aus Kohlenfaser, Kevlarfaser oder Glasfaser) in die Z-Achse trockener und getränkter (nass/prepreg) Verbundwerkstoffe einzubringen. Die Vorrichtung kann in CNC (Computerized Numerical Control) Automaten und Industrierobotern integriert werden um trockener und getränkten (Prepreg) Verbundwerkstoffen (Faserroving, Gewebe und Gelege aus Kohlenfaser, Kevlarfaser, Glassfaser) Z-Achse zu verstärken. Durch Einbringung der verharzte Mikro Stab in einem Winkel von 30 bis 150 Grad zur Z-Achse entgegen der Materialstärke-Ausrichtung in die Verbundwerkstoffe (Faserroving, Gewebe, Gelege aus Kohlenfaser, Kevlarfaser, Glassfaser usw.) wird die Z-Achse der Materialien verstärkt und die Delamination und das Verrutschen während des Verharzens der Materialien verringert.
Anwendungsbereich:

Luft- und Raumfahrt, Windenergie, Marine, Leichtbau-Automobilbauindustrien

Beschreibung der Vorrichtungskomponenten

A. Mikrostab: Der Stab ist aus Kohlenfaser, Kevlarfaser oder Glasfaser getränkt mit Epoxid-Harz oder sonstigem Kunstharz und nur teilweise angehärtet, so dass der Stab problemlos in das Material eindringen kann und eine Vernetzung mit dem vorhandenen Harz im Material gewährleistet wird. Der Durchmesser des Stabs beträgt 0,2 bis 2 mm.
B. Materialroller: Der Mikrostab wird auf einem Materialroller aufgewickelt, so dass die Stäbe je nach Bedarf abgerollt und in die Einfügungsvorrichtung integriert werden können.
C. Adapter: Die Vorrichtung besitzt einen elektrischen und einen mechanischen Adapter mit dem die Vorrichtung an eine CNC Maschine oder einen Industrieroboter anschließbar ist. Damit wird ermöglicht, dass der Winkel und Position auf dem die Nadel zur Materialebene steht programmierbar ist.
D. Servomotor: Durch Zahnräder und Zahnriemen wird die Spindel angetrieben, die den Nadelhalter positionieren.
E. Zahnrad und Zahnriemen: Die Drehkraft vom Servomotor wir zur Spindel, übertragen wodurch der Nadelkopf bzw. die Nadel zehntel Millimeter genau nach oben oder nach unten positioniert werden kann.
F. Spindel: Durch die Drehungen schiebt die Spindel den Nadelkopf und die Waage nach oben und unten.
G. Waage: Die Waage trägt den Nadelhalter und den integrierten Transportroller.
H. Pneumatischen Zylinder: Der Zylinder bewegt den Schneidhebel.
I. Schneidhebel: Der Hebel wird von pneumatischen Zylinder angetrieben. Im Druckfuß ist ein Messer integriert, das durch den Hebel hin-und her bewegt werden kann um die Mikrostäbe durch zuschneiden.
J. Transportroller: Besteht aus Metall, das vom Servomotor durch Zahnräder und Zahnriemen angetrieben wird um den Stab auf die programmierten Länge durch Hohlnadel zu schieben.
K. Servomotor: Der Servomotor dreht den Transportroller um die Stäbe zu positionieren.
L. Nadelhalter: Der Nadelhalter ist mit Waage verbunden um senkrecht zu positionieren.
M. Oszillatormotor: Nadelhalter und Nadel werden durch den Oszillatormotor in senkrechter Richtung oszilliert. Dadurch wird das Eindringen der Nadel ins Material erleichtert und vermindert Materialschädigung.
N. Druckfuß: Der Druckfuß integriert ein Schneidesystem um die Stäbe zu durchtrennen sobald die Fasern im Material integriert sind. Die untere Seite wird mit Antihaftmaterial beschichtet um das Verkleben mit dem verharzten Material zu vermeiden. Der Druckfuss ist schwenkbar, dadurch kann die Nadel in verschiedenen Winkeln ins Material einstechen und somit der Stab in verschiedene Winkel in Material eingefügt werden.
O. Hohlnadel: Der Außendurchmesser betragt 0,3 bis 2,5 mm und der Innendurchmesser 0,2 bis 2,0 mm. Die Nadelspitze wird einseitig in einem Winkel von 10° bis 70° geschliffen um den Widerstand beim Einstechen in das Material zu verringern und die Verletzung der Fasern im Material zu vermeiden
P. Träger: Die ganze Vorrichtung wird auf einem Metallträger aufgebaut.

Ablaufs des Prozesses

(1) Die Vorrichtung wird an CNC gesteuerte Maschine oder Industrieroboter integriert und mit einem Servomotor angetrieben. Der Ablauf ist programmierbar
(2) Die Mikrostäbe werden vom Materialroller abgezogen durch den Transportroller eingeführt
(3) Die Stäbe werden vom Transportroller bis kurz vor die Nadelspitze hingeschoben
(4) Die CNC Maschine oder der Industrieroboter bewegt die Vorrichtung bis zur vorprogrammierten Stelle und senkt den Druckfuss bis zur Materialoberfläche. Das vom Servomotor gesteuerten Spindel bewegt den Nadelhalter zur vorprogrammierten Stelle. Die Hohlnadel sticht ins Material bis zur vorprogrammierten Tiefe.
(5) Die Spitze der Hohlnadel ist einseitig geschliffen. Je nach Materialeigenschaft beträgt der Schleifwinkel zwischen 10° bis 70° um Materialschädigung zu vermeiden
(6) Der Oszillatormotor rotiert exzentrisch mit einer verstellbaren Geschwindigkeit von 5 bis 15.000 rpm je nach Eigenschaft des Bearbeitungsmaterials. Der Nadelhalter oszilliert in senkrechter Richtung mit verstellbarer Amplitude. Dadurch kann die Hohlnadel wesentlich leichter ins Material einstechen und das Material wird geschont.
(7) Wenn die Hohlnadel die programmierte Stelle erreicht hat, kehrt die Nadel sofort wieder zurück nach oben. Während dem Rückkehr der Nadel, transportiert der Transportroller die Stäbe von oben nach unter. Die Stäbe werden vom Nadelinneren nach außen verschoben, so dass der Stab in dem von der Nadel geschaffenen Hohlraum bleibt.
(8) Wenn der Nadelhalter auf die Ausgangsstelle zurückgekehrt ist, dann schiebt der vom pneumatischen Zylinder angetriebene Messerhebel das Messer nach vorne und schneidet dadurch den Stab quer durch. Anschließend hebt sich der Druckfuß hoch und rückt auf die nächste vorprogrammierte Stelle.

Claims

Hohlnadel: mit einseitig geschliffener hohlen Nadelspitze mit einem Winkel von 10° bis 70° um den Widerstand während dem Einfügung des Stab ins Material zu verringern und die Verletzung des Materials durch die Einfügung zu vermeiden.
Oszillierende Hohlnadel und Nadelhalter: Die Hohlnadel wird im oszillierendem Zustand ins Material eingestochen.
Stab Einfügungsrichtung: Der Stab wird in einem Winkel von 30° bis 150° zur Z-Achse entgegen der Materialstärke-Ausrichtung ausgerichtet.