DE2636306C2 - Verfahren zum herstellen von anschlusselementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Anschlußelementen zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil durch Bewickeln eines mit Wickelzapfen versehenen Wickeldornes mit mit Matrixmaterial getränkten Fasersträngen, die von mindestens einer auf Schlitten geführten Strangführung dem Wickeldorn zugeführt werden.

Bei Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist oft die Einleitung von Kräften in ihre Lagerungen schwierig, weil die Faserwerkstoffe zwar hohe Zug- aber nur geringe Schubbelastungen aufnehmen können und die zur Kraftübertragung zur Verfügung stehenden Anschlußflächen zu klein sind. Es ist deshalb zweckmäßig, beim Herstellen eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoffen die Lagerstellen zu verstärken.

Durch die DE-OS 24 10 490 ist eine Wickelvorrichtung bekannt, die besonders bei der Herstellung von gewickelten Gegenständen anwendbar ist, die ein relativ kleines Verhältnis von Länge zum Durchmesser haben. Durch diese Wickelvorrichtung werden die Wickelfasern mit Hilfe eines Führungsarmes und einem an diesem schwenkbar befestigten Faserlieferkopf, die in komplizierter Weise hin- und hergeführt werden, auf geodätischen Linien um den Wickelkörper geführt und erzielen dabei an den Lagerstellen eine stärkere Faserablage als im Mittelteil, wobei der Umschlagwinkel um die Wickelachse konstant ist Diese Vorrichtung ist für die Wicklung von runden, gedrungenen Körpern, wie z. B. Drucktanks oder Raketenmotoren, mit harmonischen äußere;¹, Konturen geeignet. Zum Bewikkeln von anderen Körpern, z. B. solchen mit Quaderform oder zur Herstellung von Anschlußelementen und zur Einleitung von Kräften in andere Bauteile ist sie jedoch auf Grund des Fadenführungssystems wenig oder gar nicht brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist Schaffung eines Wickelverfahrens, mit dem Anschlußelemente für Bauteile aller möglichen Formen und Querschnitte in einfacher Weise zu fertigen sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß beim Bewickeln der Wickeldorn gleichzeitig um eine erste Achse kontinuierlich und um eine zweite Achse in einer hin- und hergehenden Bewegung gedreht wird, wobei die beiden Achsen senkrecht zueinander angeordnet sind und sich schneiden.

Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß bei der Drehung um beide Achsen jeweils gleiche Winkel zurückgelegt werden und die zweite Achse jeweils um 180° hin- und herbewegt wird.

Vor Wicklungsbeginn wird ein Ende der zu wickelnden Faserstränge auf dem Wickeldorn neben einem der Wickelzapfen befestigt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Strangführungen werden ihre Schlitten parallel zueinander und gegenläufig und die Faserstränge beim Wicklungsbeginn oberhalb und unterhalb von je einem Wickelzapfen angeordnet. Bei der Durchführung des Wickelverfahrens werden die Wickelzapfen maximal um 180° umschlungen.

Während der Wickeldorn um die erste Achse in bekannter Weise ständig rotiert, erfolgt dabei zusätzlich um die zweite, dazu senkrechte Achse eine oszillierende Bewegung um etwa 180°. Dabei werden automatisch beide Lagerzapfen umschlungen, wobei bei nur einer Faserstrangführung der Wickeldorn auf einer Seite und bei zwei Faserstrangführungen auch auf der gegenüberliegenden Seite umwickelt wird. Dadurch können aus dem fertigen Wickellaminat Anschlußelemente zur Einleitung von Kräften in nur einer oder in zwei bevorzugten Richtungen geschaffen werden.

Wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung nach jeder vollen Umdrehung des Wickeldorns um seine erste Achse die Strangführung bzw. Strangführungen auf dem bzw. den Schlitten kontinuierlich verschoben wird bzw. werden, wird der Wickeldorn in solcher Weise umwickelt, daß am fertigen Wickellaminat die Faserstränge um den Wickelzapfen am dichtesten und in größerer Stärke aufgetragen werden. Somit entspricht die Faserstruktur weitgehend der von der Festigkeitstheorie als optimal angesehenen Faseranordnung. Dadurch wird weiterhin im Gegensatz zu bekannten um Lageraugen geführten Fasersträngen in Schlaufenform keine übereinanderliegenden Kreuzungspunkte vorhanden, wodurch eine Materialanhäufung vermieden wird. Dieses wird insbesondere auch dadurch erzielt, -daß bei dem Wickelverfahren jeder Faserstrang den Wickeldorn und den Wickelzapfen mit einem anderen Umschlingungswinkel bedeckt.

Mit auf diese Weise erhaltenen Elementen können alle an Anschlußelemente zu stellenden Forderungen erfüllt werden. Durch die Art der Wicteltechnik ist das faserverstärkte Matrixmaterial in ausreichender Stärke kreuzungsfrei um die Wickelzapfen herumgeführt und läuft zum Rand der Elemente wie bei einer Schaffung zu einer dünnen Scheibe aus. Somit können hohe Belastungen aus Bauteilen großflächig auf in den Lageraugen geführte Anschlußbolzen ohne örtliche Spannungskonzentration übertragen werden. Das erfindungsgemäße Wickellaminat, aus dem je zwei Anschlußelemente entstehen, kann für kleinere Stückzahlen von Hand und für größere Serien maschinell in einer Wickelmaschine hergestellt werden, wobei eine äußerst gleichmäßige Fertigung und damit Güte der Anschlußelemente möglich ist

Die Anzahl der Wicklungen, die Art der verwendeten Fasern und das Matrixmaterial können frei gewählt werden; bei zwei Strangführungen können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch unterschiedliche Fasern je Strangführung verwendet werden. Es liegt somit im Rahmen der Erfindung, eine den zu übertragenden Kräften und der Struktur der Anschlüsse entsprechende Anzahl von Windungen vorzusehen und die Art des Faser- und Matrixmaterials den Anforderungen entsprechend zu wählen. Jedes von in Fasersträngen (Rovings) zur Verfügung stehende Material, wie z. B.Glas-, Kohlenstoff-, Graphit-, Bor-, Kunststoff- und Metallfasern, kann für die Herstellung der Anschlußelemente verarbeitet werden. Ebenso ist eine entsprechend dem Fasermaterial und dem Festigkeitsansprüchen weite Variation des Matrixmaterial möglich, z. B. durch Wahl von schnell oder langsam aushärtenden Kunstharzmassen. Harzen mit Beschleunigern, gesättigten oder ungesättigten Polyesterharzen usw.

Hierbei ist es außerdem auch möglich, für besondere Zwecke über die beiden Strangführungen verschiedenartige Fasern zu leiten, wodurch sehr vielseitige Anforderungen von Gestaltungen und Belastungen erfüllbar sind.

Um eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäßen Anschlußelemente zu gewährleisten, können Wickeldorne von jedem technisch möglichen Querschnitt und Umriß verwendet werden. Damit besteht die Möglichkeit, für alle vorkommenden Bauteile erfindungsgemäße Anschlußelemente zu wikkeln. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das fertige Wickellatninat in der Mitte seiner Hauptausdehnung senkrecht zur Achse der Wickelzapfen aufgeschnitten und die dabei entstehenden spiegelbildlichen Anschlußelemente vom Wickeldorn abgezogen. Die fertigen Wickellaminate können nun z. B. sofort nach dem Aufschneiden auf die zu verstärkenden Bauteile aufgesetzt und danach ausgehärtet werden, wobei das ■> noch in gewissem Umfang plastische Anschlußelement sich gut dem zu verstärkenden Bauteil anpassen läßt.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann das fertige Wickellaminat erst auf dem Wickeldorn ausgehärtet und dann aufgeschnitten und abgezogen in werden. Dabei wird das ausgehärtete Anschlußelement später mittels eines geeigneten Klebers mit dem zu verstärkenden Bauteil verbunden.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß die fertigen Anschlußelemente nach dem Aufschneiden abgezogen ι > und als vorimprägnierte Elemente (Prepregs) zwischengelagert werden. Somit können die Anschlußelemente bei der Fertigung in an sich bekannter Weise mit einem vorbestimmten Anteil Harzmasse imprägniert und ohne weitere Zusätze unter Wärme, mit oder ohne Druck, in ausgehärtet werden. Sie können somit rationell auf Vorrat gefertigt und bei Bedarf, ζ. ό. mit Hilfe von Klebefolien, verbunden werden.

Die Anschlußelemente sind dadurch, daß sie als fertige Elemente vorliegen, sehr vielseitig verwendbar r> und können auch nachträglich zur Verstärkung von bereits vorhandenen Krafteinleitungen eingebaut werden.

Die nachfolgend beschriebene Zeichnung zeigt schematisch die Durchführung des Wickelverfahrens κι und Beispiele für die Wickelkörper. Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 bis 5 einzelne Arbeitsgänge zum Bewickeln eines Wickeldornes mit einer Faserführung;

F i g. 6 den Wickelanfang mit zwei Faserführungen;
j-, F i g. 7 eine Faserablage auf einem vergrößert dargestellten Wickeldorn durch nur eine Faserführung; F i g. 8 eine Faserablage auf dem Wickeldorn entsprechend F i g. 7 durch zwei Faserführungen;

Fig.9 ein Schnitt entsprechend den Linien IX —IX au derFig.8;

Fig. 10 verschiedene Querschnittsformen eines Wikkeldornes und

F i g. 11 verschiedene Umrißformen eines Wickeldornes.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 bis 6 umfaßt eine Wickelvorrichtung 1 eine Wickeltrommel 2, die auf Rollen 3 gelagert ist. Auf der Wickeltrommel 2 sind zwei Lager 4 für einen Wickeldorn 5 vorgesehen, an dem zwei Zapfen 6 angeordnet sind. Die Wickeltrom-5i) mel 2 und der Wickeldorn 5 werden in bekannter, nicht dargestellter Weise, ?. B. elektromotorisch angetrieben. Seitlich der Wickeltrommel 2 ist ein Schlitten 7 mit einer Strangführung 8 angeordnet. Weiterhin ist an der W'cke\ri>mmel 2 eine Marke 9 angebracht, mit der die -,·-, Stellung der Wickeltrommel ersichtlich ist. Durch die Strangführung 8 läuft das Ende eines Faserstranges 11, der an einer Fläche des Wickeldorns 5, z. B. mit einem Klebeband 12, befestigt ist. Der Faserstrang 11 verläuft in der Ausgangsstellung der Fig. 1 parallel zur ho Längsachse des Wickeldorns 5 und zu den Lagern 4.

Der Wicketvorgang läuft wie nachfolgend ab: Aus der in der F i g. 1 gezeigten Ausgangsstellung orehen gleichzeitig die Wickeltrommel 2 mit dem Wickeldorn 5 in Richtung des ersten Pfeiles 13 um eine erste Achse 14 bi und der Wickeldorn 5 in seinen Lagern 4 in Richtung des zweiten Pfeiles 15 um eine zweite, durch die Lager führende Achse 16. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, schneiden sich beide Achsen 14 und 16 in der Mitte des

Wickeldornes 5. Bet beiden Drehbewegungen werden jeweils in gleichen Zeiträumen gleiche Winkel «i und ^j zurückgelegt, jedoch teilweise mit unterschiedlichen Vorzeichen. In den F i g. 2 bzw. 3 hat der Wickeldorn um beide Achsen 14 und 16 jeweils 90° bzw. 180° zurückgelegt, wodurch der Faserstrang 11 um den Wickeldorn 5 und den Wickelzapfen 6 in gezeigter Weise herumgeführt wird. Beim weiteren Ablauf des Wickelvorganges entsprechend den F i g. 4 und 5 ist die Drehrichtung um die Achse 14 gleichbleibend, so daß um diese Achse die zurückgelegten Winkelgrade von λι jeweils +270° und 360° betragen. Um die Achse 16 ist die Drehrichtung jedoch wieder rückläufig, so daß die absolut zurückgelegten Winkel «2 gegenüber der Ausgangsstellung in Fig. t bei der Fig. 4 90° und bei der F i g. 5 wieder 0° betragen. In der F i g. 5, nachdem also die Wickeltrommel 2, wie durch die Marke 9 ersichtlich, wieder ihre Ausgangsstellung erreicht hat, ist der Wickeldorn 5 mit dem Wickelzapfen 6 insgesamt einmal von dem Faserstrang 11 umschlungen worden. Bevor der Wickelvorgang fortgesetzt wird, muß die Strangführung 8 auf dem Schlitten 7 in Richtung des weiteren Pfeiles 17 um einen bestimmten Betrag verschoben werden, damit der Faserstrang 11 bei der nächsten Umschlingung des Wickeldornes 5 gegenüber der ersten Umschlingung um ein entsprechendes Stück in Richtung des Wickeldornendes versetzt wird. Bei der Weiterdrehung der Wickeltrommel 2 und des Wickeldornes 5 werden entsprechend den Fig. 2 bis 5 die Faserablagen analog der ersten Umschlingung wiederholt bis der Wickeldorn in genügender Weise umwickelt ist. Die F i g. 7 zeigt in stark vereinfachter Darstellung mit nur wenigen Faserumschlingungen eine mögl.che Faserablage auf dem Wickeldorn 5. Beim Wickelvorgang können die Faserstränge in bekannter Weise in eine Matrix eingebettet werden, z. B. durch Tränkung der Fasern oder durch Gebrauch von vorimprägnierten Fasern.

Gemäß F i g. 6 ist zusätzlich ein weiterer Schlitten 18 parallel zum ersten Schlitten 7 angeordnet. Am Schlitten 18 ist eine weitere Strangführung 19 vorhanden, über die mit einem zusätzlichen Faserstrang 20 der hinter der Zeichnungsebene liegende Wickelzapfen 6 bewickelt wird. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Strangführung 19 können somit entsprechend den Fig.8 und 9 der Wickeldorn 5 beidseitig und beide Wickelzapfen 6 gleichzeitig umwickelt werden. Der Querschnitt durch den Wickeldorn 5 nach F i g. 9 zeigt ein vollständiges Wickellaminat, welches nach dem Auftrennen, z. B. entlang der gestrichelten Linie 22, zwei vollständige Anschlußelemente 21 ergibt. Diese fertigen Anschlußelemente 21 können entweder im angelierten Zustand oder auch erst nach ihrem vollständigen Aushärten vom Wickeldorn 5 genommen werden. Im ersten Fall besteht auch die Möglichkeit, die Anschlußelemente als Prepregs bei entsprechend tiefen Temperaturen im vorpolymerisierten Zustand zu halten und erst bei Gebrauch auf dem zu verstärkenden Bauteil aushärten zu lassen. Die Fig.9 läßt auch gut den für die Übertragung von Kräften optimalen Querschnitt der fertigen Anschlußelemente 21 erkennen.

Der in den Fig. 1 bis 9 dargestellte Wickeldorn 5 ist zur Herstellung von Anschlußelementen geeignet, die zur Verstärkung von im wesentlichen flachen Bauteilen dienen. Es können jedoch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wirkelverfahrens Anschlußelemente für Bauteile von jedem denkbaren Querschnitt und jeder möglichen Umrißform gefertigt werden. In der Fig. 10 sind mit 24 bis 29 sechs mögliche Querschniusformen und in der Fig. Il mit 30 bis 34 fünf mögliche Umrißformen von Wickeldornen gezeigt, auf denen Anschlußelemente für entsprechende Bauteile gewickelt werden können. Die gezeigten Querschnitte und Umrisse, die wahlweise miteinander kombiniert werden können, stellen nur eine Auswahl von insgesamt möglichen Wickeldornen dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen von Anschlußelementen zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil durch Bewickeln eines mit Wickelzapfen versehenen Wickeldorns mit mit Matrixmaterial getränkten Fasersträngen, die von mindestens einer auf Schlitten geführten Strangführung dem Wickeldorn zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bewickeln der Wickeldorn (5) gleichzeitig um eine erste Achse (14) kontinuierlich und um eine zweite Achse (16) in einer hin- und hergehenden Bewegung gedreht wird, wobei die beiden Achsen senkrecht zueinander angeordnet sind und sich schneiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Drehung um beide Achsen (14, 16) jeweils gleiche Winkel (<xi, ay) zurückgelegt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (16) jeweils um 180° hin- und herbewegt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Strangführungen (8, 19) ihre Schlitten (7, 18) parallel und gegenläufig zueinander und die Faserstränge (11, 20) beim Wicklungsbeginn oberhalb und unterhalb von je einem der Wickelzapfen (6) angeordnet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelzapfen (6) maximal um 180° umschlungen werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder vollen Umdrehung des Wickeldorns (5) um seine ei .,te Achse (14) die Strangführung bzw. Strangführungen (8,19) auf dem bzw. den Schlitten (7, 8) kontinuierlich verschoben wird bzw. werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Strangführungen (8, 19) Faserstränge (H, 20) mit unterschiedlichen Fasern je Strangführung (8,19) verwendet werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch jede Strangführung (8, 19) Faserstränge (11, 20) aus mindestens zwei unterschiedlichen Fasern zugeführt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das fertige Wickellaminat in der Mitte seiner Hauptausdehnung (22) senkrecht zur Achse der Wickelzapfen (6) aufgeschnitten wird und die dabei entstehenden spiegelbildlichen Anschlußelemente (21) vom Wickeldom (5) abgezogen werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das fertige Wickellaminat erst auf dem Wickeldorn (5) ausgehärtet und dann aufgeschnitten und abgezogen wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die fertigen Anschlußelemente (21) nach dem Aufschneiden abgezogen und als vorimprägnierte Elemente zwischengelagert werden.

■»■»