DE3040838A1

DE3040838A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von flaechigen bauteilen aus faserverstaerkten werkstoffen

Info

Publication number: DE3040838A1
Application number: DE19803040838
Authority: DE
Inventors: Rolf 8165 Fischbachau Döllinger; Rudolf 8014 Neubiberg Schindler; Peter 8000 München Sichler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1980-10-30
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE3040838C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von flächigen
Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen, wobei zur Herstellung der Bauteile eine Negativ-Bauteilform bereitgestellt wird, in der mit Bindemittel imprägnierte Faserstrangbänder schichtweise abgelegt werden.
Flächige Bauteile, so z. B. Rotorblätter von Hubschraubern oder Windkraftanlagen werden oftmals aus faserverstärkten Werkstoffen, so z. B. kohlefaserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Solche Bauteile weisen in Richtung der Fasern der Faserstrangbänder hohe mechanische Festigkeit auf und sind Bauteile aus herkömmlichen Werkstoffen in dieser Hinsicht weit überlegen. Abgesehen von der mechanischen Festigkeit spielt noch der Vorteil des verhältnismäßig geringen Gewichtes eine wichtige Rolle, da die faserverstärkten Werkstoffe selbst ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen.und außerdem die aus diesen Werkstoffen hergestellten Bauteile nur geringe Wankstärken aufweisen müssen.
Die erwähnten flächigen Bauteile werden bisher ausschließlich manuell hergestellt. Hierzu werden Förderstrangbänder bzw.
Rovings mit einer Breite von etwa 2cm jeweils entsprechend der Länge des Bauteiles mit Bindemittel imprägniert und dann manuell in der Bauteilform schichtweise abgelegt und mit entsprechenden Werkzeugen angestrichen bzw. angepreßt.
Bei dieser Herstellung sind jedoch mehrere, für die mechanische Festigkeit und die dynamische Steifigkeit des fertigen Bauteiles entscheidende Punkte zu beachten. Die mechanische Festigkeit und dynamische Steifigkeit des dargestellten Bauteiles hängt wesentlich von der ausgeglichenen Gewichtsverteilung über die Länge und den Querschnitt des Bauteiles ab.
Dies setzt voraus, daß bereits das nicht imprägnierte Faserstrangband über Länge und Querschnitt eine gleichmäßige Gewichtsverteilung der Faserstränge aufweist. Außerdem müssen die Faserstrangbänder eines Bauteiles durchwegs etwa in gleichem Maße mit Bindemittel imprägniert werden. Schließlich muß darauf geachtet werden, daß beim Ablegen der imprägnierten Faserstrangbänder in der Bauteilform keine Luftblasen eingeschlossen werden.
Die Qualität von manuell hergestellten Laminatbauteilen hängt neben den Anforderungen an die Qualität der verwendeten Faserwerkstoffen stark von den handwerklichen Fähigkeiten der Arbeiter ab. So sind z. B. an kritischen Stellen, z. B. im Wurzelbereich von Hubschrauberrotorblättern Lufteinschlüsse unterhalb der etwa 2cm breiten Faserstrangbänder nur zu vermeiden, wenn die Arbeiter an diesen Stellen beim Auflegen und Anpressen äußerst sorgfältig vorgehen, da hier Lufteinschlüße nur mühsam ausgestrichen werden können. Auch eine gleichmäßige Gewichtsverteilung des fertigen Bauteiles über Fläche und Querschnitt ist bei manueller Herstellung schwierig. Sie hängt zum einen an der gewählten Einstellung des Bindemittelanteiles bei der Imprägnierung ab; in der Regel wird bei manueller Herstellung mit Bindemittelüberschuß gearbeitet, wobei das überschüssige Bindemittel vom Arbeiter aus der Bauteilform herausgestrichen oder in dieser verstrichen wird. Demzufolge hängt die.Güte des hergestellten Bauteiles im wesentlichen von dem "Augenmaß des Arbeiters, d.h. von dessen Erfahrung und Fähigkeit ab.
Die manuelle Herstellung von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen ist, wenn hohe Qualität des Laminatbauteiles erwartet wird, sehr zeitaufwändig. Außerdem kann jeweils nur ein einziges Bauteil hergestellt werden. Durch das Arbeiten mit Bindemittelüberschuß wird einmal mehr Bindemittel verbraucht als unbedingt notwendig, zum anderen können Arbeitsplatz und Werkzeuge nur bei großer Sorgfalt mit erheblichem Zeitaufwand sauber gehalten werden.
Zur Herstellungvon Rohren und Wickelkörpern aus faserverstärkten Werkstoffen sind zwar auch maschinelle Vorrichtungen bekannt. Jedoch können diese nur dann angewendet werden, wenn die Faserstrangbänder auf einem im Querschnitt kreisförmigen Wickeldorn abgelegt werden können. Es könnte zwar daran gedacht werden, flächige Bauteile ebenfalls entsprechend manuell herzustellen, jedoch würden dadurch die oben erwähnten Schwierigkeiten hinsichtlich der Erzielung hoher Qualitätsmaßstäbe noch nicht aus der Welt geschaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen so weiter zu entwickeln, daß die Qualität der hergestellten Bauteile verbessert und weitgehend unabhängig von der Fertigkeit eines Arbeiters ist; insbesondere soll die Gewichtsverteilung des fertigen Bauteiles über die Bauteilfläche und den Bauteilquerschnitt gleichmäßiger gestaltet und besser kontrolliert werden können.
Diese Aufgabe ist für ein Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein auf einem Vorratswickel auf gewickeltes Faserstrangband mit einer geringen Breite, insbesondere zwischen 2 und 4mm, von dem Vorratswickel abgezogen und mit Bindemittel durchtränkt wird, daß zur Einstellung eines gewünschten Bindemittelanteiles aus dem imprägnierten Faserstrangband überschüssiges Bindemittel ausgepreßt wird, daß der imprägnierte Faserstrangband maschinell quasi kontinuierlich in der Bauteilform abgelegt und angepreßt wird, daß ein über die Bauteilform hinausragendes Teilstück des gelegten Faserstrangbandes in bestimmter Länge abgeschnitten und gewogen wird, und daß aufgrund dieser Wägung der Bindemittelanteil bei der Imprägnierung des Faserstrangbandes eingestellt wird.
Für eine Vorrichtung zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen ist die oben genannte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung eine längs der Bauteil form gesteuert geführte automatisiert betriebene Abiegeeinrichtung für die Faserstrangbänder aufweist, die einen Vorratswickel für ein Faserstrangband mit geringer Breite, insbesondere zwischen 2 und 4mm, eine Tränkeinrichtung zum Imprägnieren des von dem Vorratswickel kontinuierlich abgezogenen Faserstrangbandes, eine einstellbare Auspreßeinrichtung zum Auspressen überschüssigen Bindemittels aus dem Faserstrangband sowie einen gesteuert geführten Ablegekopf zum Ablegen und Anpressen des Faserstrangbandes in der Bauteilform umfaßt, daß die Vorrichtung ferner eine Wiegeeinrichtung zum Wiegen eines über die Bauteilform hinausragenden Teilstückes des abgelegten Faserstrangbandes und zum Bestimmen des Bindemittelanteiles in dem imprägnierten Faserstrangband aufweist, und daß die Auspreßeinrichtunq aufgrund dieser Wägung zum Erzielen eines gewünschten Bindemittelanteiles in dem Faserstrangband einstellbar ist (durch Motor).
Gemäß der Erfindung werden flächige Bauteile maschinell hergestellt, wobei Faserstrangbänder sehr geringer Breite verwendet wrdden. Die Breite der verwendeten Faserstrangbänder beträgt nur ein Fünftel bis ein Zehntel der bei manueller Herstellung üblichen Bandbreite. Durch die Kombination der maschinellen Herstellung und der Verwendung geringer Bandbreite in Verbindung mit der quasi kontinuierlichen Herstellung können flächige Bauteile mit hoher Qualität reproduzierbar hergestellt werden. Das Gewichtsverhältnis zwischen Faseranteil und dem Bindemittelanteil im imprägnierten Faserstrang kann trotz der koninuierlichen Fertigung in bedeutend keineren Schrittweiten als bisher bei manueller Herstellung überprüft werden. Aufgrund dieser Gewichtsüberprüfung kann in das Programm der automatisch gesteuerten Ablegeeinrichtung eingegriffen werden, um den Bindemittelanteil in den Faserstrang auf den gewünschten Wert einzustellen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Gewichtsverteilung über die gesamte Fläche und den Querschnitt des fertigen Bauteiles erreicht. Der überschüssige Bindemittelanteil wird wieder der Tränkeinrichtung zugeführt, so daß praktisch kein Abfall von Bindemitteln mehr entsteht. Außerdem sind die bisher erforderlichen Reinigungsarbeiten wezn z; gar#nge#, und der Arbeitsplatz kann saubergehalten werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt auch darin, daß durch die Verwendung von sehr schmalen Faserstrangbändern Lufteinschlüsse in den fertiggestellten Bauteilen praktisch verhindert werden. Dank der schnellen programmgesteuerten Arbeitsweise der Vorrichtung können trotz der Verwendung derartiger schmaler Faserstrangbänder die Herstellungszeiten für flächige Bauteile gegenüber manuellen Verfahren verkürzt werden. Hierdurch werden außerdem die Lohnkosten für die Bauteilfertigung stark reduziert.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen von Rotorblättern aus Faserstrangbändern gemäß der Erfindung; Figur 2 eine Einrichtung zum Einstellen des Bindemittelanteiles in dem verwendeten Faserstrangband; Figur 3 eine Wiegeeinrichtung zur Bestimmung des Bindemittelanteiles in dem Faserstrangband; Figur 4 eine Ansicht eines Ablegekopfes zum Ablegen eines Faserstrangbandes mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung; Figur 5 einen Teilquerschnitt durch ein mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung hergestelltes Bauteil.
Eine Vorrichtung zum Herstellen von Hubschrauberrotorblättern aus faserverstärkten Werkstoffen weist eine automatisiert betriebene Ablegeeinrichtung 1 für Faserstrangbänder 2 auf.
Die Ablegeeinrichtung umfaßt einen Vorrats- und Tränkbehälter 3, der auf einem Schlitten 4 montiert ist. Dieser Schlitten kann längs einer Führungsschiene 5 in beiden Richtungen verschoben werden. Für diese Verschiebung wird ein nicht dargestellter Antrieb benutzt. In dem Vorrats- und Trinkbehälter 3 sind zwei Vorratswickel 6 für je ein Faserstrangbandenthalten.
Das aufgewickelte Faserstrangband ist sehr schmal, hat etwa elliptischen Querschnitt und eine Breite zwischen 2 und 4mm.
Das Faserstrangband jedes Vorratswickels 6 wird durch ein Tränkbad 7 geleitet und dort mit Bindemittel, z. B. einem Kunststoffharz durchtränkt. Anschließlich durchlaufen die beiden Faserstränge eine Adsorptionswalzenanordnung 8, die dafür Sorge trägt, daß jedes Faserstrangband intensiv und gleichmäßig mit Bindemittel durchtränkt wird. Danach wird das Faserstrangbanddurch eine Auspreßeinrichtung 9 geführt. Diese Auspreßeinrichtung besteht im wesentlichen aus einem Rahmen, in dem mehrere, in ihrem Abstand gegeneinander verstellbare Stifte gelagert sind. Das Faserstrangband wird in Zickzackanordnung über diese Stifte geführt. Durch Verstellung des Abstandes der einzelnen Stifte der Auspreßeinrichtung wird der Auspreßdruck auf das Bserstrangband verändert, so daß durch entsprechende Einstellung eine bestimmte Menge des Bindemittels wieder aus dem imprägnierten Faserstrangband herausgepreßt werden kann.
Die Behandlung des Faserstrangbandes in dem Vorrats- bzw.
Tränkbehälter ist detaillierter z. B. in der Patentanmeldung P 29 42 729 der Anmelderin beschrieben, so daß hier nicht mehr darauf einzugehen ist. In Figur 2 ist schematisch eine Auspreßeinrichtungdargesellt. Die Auspreßeinrichtung besteht aus zwei kammartigen Rahmen 9.1 bzw. 9.2, wobei der Rahmen 9.1 drei feststehende Querstifte und der Rahmen 9.2 zwei feststehende Querstifte aufweist, die in die Zwischenräume zw-.-schen den Querstiften des Rahmens 9.1. hineinlangen. Der Rahmen 9.2. kann gegenüber dem Rahmen 9.1. in Längsrichtung verschoben werden, und zwar entweder automatisch, z. B.
durch den angedeuteten Motor 10 oder von Hand.
An dem Vorrats- und Tränkbehälter 3 ist ein Ablegearm 12 angeordnet, der zwei Ablegeköpfe 13 aufweist. Der Ablegearm 12 ist in der Höhe verstellbar, und zwar geschieht dies im einfachsten Falle wie dargestellt über einen Spindelantrieb aus Spindel 14 und Motor 15, wobei der Motor auf einem längs der Spindel verfahrbaren Schlitten 16 angeordnet ist. Mit dem Schlitten ist ein horizontal auslagender Arm 17 verbunden, auf dem die beiden Ablegeköpfe angeordnet und z. B. ebenfalls durch Spindelantriebe mit Stellmotoren 18 horizontal verschoben werden können. Derartige Schlittenanordnungen sind jeweils an sich bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden.
Die beiden Faserstrangbänder von den beiden Vorratswickeln in dem Vorrats- und Tränkbehälter werden jeweils zu einem Ablegekopf geführt; ein solcher Ablegekopf ist detaillierter in Figur 4 dargestellt. Der auf dem Arm 17 verschiebbare Schlittenteil des Ablegekopfes 13 ist mit einem Schwenkarm 19 verbunden, der um ein Schwenkgelenk 20 um eine senkrecht zu der Verschieberichtung der Ablegeköpfe verlaufende Achse gesteuert geschwenkt werdeakann. In der Nähe des Schwenkgelenkes ist eine Umlenkachse bzw. ein Umlenkrad 21 vorgesehen, um das der imprägnierte Faserstrangband geführt wird. Der Faserstrangband wird anschließend über eine Führungsrolle 22 und schließlich unter einer Anpreßrolle 23 hindurch geleitet; die Anpreßrolle 23 befindet sich am unteren Ende des Schwenkarmes 19.
Die Anpreßrolle 23 jedes Ablegekopfes liegt auf der Oberfläche einer Negativ-Bauteilform 24 für ein Hubschrauberbiatt in die bei einer Bewegung des Vorrats- und Tränkbehälters 3 längs der Führungsschienen 5 die Faserstrangbänder programmgesteuert abgelegt werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung werden vier derartige Bauteilformen verwendet, wobei jeweils zwei hintereinander in Längsrichtung parallel zu den Führungsschienen 5 unterhalb des ersten Ablegekopfes ausgerichtet sind, während die beiden anderen hintereinander angeordneten Bauteilformen parallel hierzu unterhalb der Bahn des zweiten Ablegekopfes aufgestellt sind. In der Mitte zwischen zwei hintereinander angeordneten Bauteilformen ist eine Wiegeeinrichtung 25 vorgesehen. Die Wiegeeinrichtung weist zwei Kappmesser 26 auf, die nach der Ablage eines Faserstrangbandes 2--in den beiden benachbarten Bauteilformen ein Teilstück aus dem Faserstrang herausschneidet, das dann automatisch gewogen wird.Durch das Gewicht dieses Teilstückes kann exakt der tatsächliche Bindemittelanteil des gerade abgelegten Faserstrangbandes bestimmt werden. Sollte dieser Anteil nicht den gewünschten Wert aufweisen, so wird, wie oben beschrieben, die Auspreßeinrichtung 9 entsprechend verstellt, um so auf den gewünschten Wert zu gelangen.
In Figur 5 ist ein Teilstück einer bereits entwickelten Bautilform im Wurzelbereich dargestellt, d.h. in dem Bereich, der bei dem späteren Rotorblatt in der Nähe der Wurzel liegt.
Die Bauteilform weist in diesem Bereich einen Umlenkbolzen 27 auf, um den das Faserstrangband geführt und danach wieder in Längsrichtung der Bauteilform in dieser abgelegt wird. Die beim Ablegen in die Bauteilform zu einem schmalen und flachen Band gepreßten Faserstränge 2 werden in dem Bereich dachziegelartig übereinandergelegt. Der Schwenkarm des Rotorkopfes wird hierbei programmgesteuert so geschwenkt, daß das Faserstrangband immer satt auf der Bauteilform bzw. einer bereits vorher abgelegten Faserschicht aufliegt. Im Bereich des Umlenkbolzens wird beim fertigen Bauteil später der Rotorblattbe-:hlag anga#rac:-#t. ie aus dieser Figur 5 hervorgeht, ist aufgrund der Verwendung von Faserstrangbändern mit sehr kleinen Querschnitten die Anzahl der Ablegevorgänge wesentlich höher als bei einer manuellen Herstellung.
Andererseits kann jedoch mit der maschinellen Herstellung eine wesentlich höhere Ablegegeschwindigkeit erreicht werden, so daß die Herstellungszeiten trotzdem verkürzt werden dürften. Außerdem werden durch die geringe Breite der Faserstrangbänder Lufteinschlüsse praktisch vermieden. Die mechanische Festigkeit und dynamische Steifigkeit eines derart hergestellten Rotorblattes sind den entsprechenden Werten für manuell hergestellte Rotorblätter weit überlegen.
Selbstverständlich ist die beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung nur beispielhaft, insbesondere ist hier nicht mehr auf die Programmsteuerung derartiger Fefligungsautomaten eingegangen worden, da diese inzwischen zum allgemeinen Stand der Technik gehören. Andererseits könnten z. B.
anstelle der beschriebenen Ablegeeinrichtung mit zwei Schlitten ein oder mehrere Industrieroboter mit einem in allen drei Richtungen verschränkbaren Ablegearm verwendet werden. Dieser Industrieroboter könnte dann z. B. fest installiert sein, wobei dann die Bauteilformen längs an ihm vorbe geschoben werden müssen. Weiterhin ist es nicht notwendig, zwei oder vier Bauteilformen zu verwenden; die eben beschriebene Anordnung mit vier Bauteilformen und zwei Ablegeköpfen hat allerdings den Vorteil, daß simultan zwei Rotorblätter hergestellt werden können, wobei in benachbarten Bauteilformen jeweils Ober- bzw. Unterseite des späteren Rotorblattes hergestellt werden.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen Patentansprüche Negativ-Bauteilform bereitgestellt wird, in der mit Bindemittel imprägnierte Faserstrangbänder schichtweise abgelegt und angepreßt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein auf einem Vorratswickel aufgewickeltes Faserstrangband mit einer geringen Breite, insbesondere zwischen 2 und 4mm, von dem Vorratswickel abgezogen und mit Bindemittel durchtränkt wird, daß zur Einstellung eines gewünschten Bindemittelanteiles aus dem imprägnierten Faserstrangband überschüssiges Bindemittel ausgepreßt wird, daß der imprägnierte Faserstrangband maschinell quasi kontinuierlich in der Bauteilform abgelegt und angepreßt wird, daß ein über die Bauteilform hinausragendes Teilstück des gelegten Faserstrangbandes in bestimmter Länge abgeschnitten und gewogen wird, und daß aufgrund dieser Wägung der Bindemittelanteil bei der Imprägnierung des Faserstrangbandes eingestellt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen, wobei zur Herstellung eines Bauteiles eine Negativ-Bauteilform bereitgestellt ist, in der mit Bindemittel imprägnierte Faserstrangbänder schichtweise ablegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine längs der Bauteilform (24) gesteuert geführte automatisiert betriebene Ablegeeinrichtung (1) für die Faserstrangbänder (2) aufweist, die einen Vorratswickel (6) für ein Faserstrangband mit geringer Breite, insbesondere zwischen 2 und 4mm, eine Tränkeinrichtung (7) zum Imprägnieren des von dem Vorratswickel kontinuierlich abgezogenen Faserstrangbandes, eine einstellbare Auspreßeinrichtung (9) zum Auspressen überschüssigen Bindemittels aus dem Faserstangband sowie einen gesteuert geführten Ablegekopf (18) zum Ablegen und Anpressen des Faserstrangbandes in der Bauteilform umfaßt, daß die Vorrichtung ferner eine Wiegeeinrichtung (25) zum Wiegen eines über die Bauteilform hinausragenden Teilstückes des abgelegten Faserstrangbandes und zum Bestimmen des Bindemittelanteiles in dem imprägnierten Faserstrangband aufweist, und daß die Auspreßeinrichtung aufgrund dieser Wägung zum Erzielen eines gewünschten Bindemittelanteiles in dem Faserstrangband einstellbar ist (durch Motor 10).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Bauteilform (24) programmgesteuert geführte Ablegekopf (18) einen Schwenkarm (19) aufweist, an dessen Ende eine Anpreßrolle (23) angeordnet ist, welche auf der Oberfläche der Bauteilform aufliegt und unter der das Faserstrangband durchgeführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablegeeinrichtung zwei Ablegeköpfe (18) aufweist, denen jeweils ein Faserstrangband (2) von einem eigenen Vorratswickel zugeführt ist, und daß die beiden Ablegeköpfe zur Belegung zweier identischer Bauteilformen mit Faserstrangbändern synchron betätigbar sind.