DE3040838C2

DE3040838C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen

Info

Publication number: DE3040838C2
Application number: DE3040838A
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: 1984-10-25
Also published as: DE3040838A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

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 Wandstärken aufweisen müssen.

Zur Herstellung von flächigen Bauteilen sind in der Zwischenzeit automatisiert betriebene Ablegeeinrichtungen entwickelt worden, die die früher übliche manuelle Herstellung weitgehend ersetzen. Eine automatische Ablegeeinrichtung ist z. B. aus der US-PS 3 775 219 bekannt. Die Ablegeeinrichtung wird über die Bauteilform längs eines Schlittens gefahren; an einem Schlittengalgen ist ein Ablegekopf schwenkbar angeordnet, mit dem das Faserstrangband auf die Bauteilform unter Anpressen abgelegt wird. Verarbeitet werden mit diesen und anderen automatischen Ablegeeinrichtungen etwa 2 cm breite Faserstrangbänder, die vor dem Ablegen imprägniert werden. Entweder sind diese Faserstrangbänder sogenannte Prepregs, also vorimprägniert, oder die Faserstrangbänder werden trocken von einer Vorratstrommel abgezogen und erst anschließend durch eine Tränkeinrichtung geführt, in der die Faserstrangbänder imprägniert und anschließend in einer Auspreßeinrichtung auf einen gewünschten Bindemittelanteil eingestellt werden, durch den wesen. !ich die Festigkeitseigenschaften des fertigen Bauteiles be stimmt werden. Zur Einstellung des Bindemittelanteiles wird z. B. gemäß der Zeitschrift »Kunststoffe«, Band 57, 1967, Heft 6. Seiten 447 ff, insbesondere Seite 449, das Faserstrangband um mehrere Rollen mit verhältnismäßig geringen Umlenkwinkeln durch ein Harzbad gets schickt, dort getränkt und anschließend über eine sogenannte Beruhigungsstrecke geführt, in der sich das Bindemittel homogen in dem Faserstrangband verteilen kann. Durch Einstellen der Rollen und auch der Beruhigungsstrecke können verschiedene Parameter aus em- pirischen Beobachtungen so verändert werden, daß sich ein gewünschter Bindemittelanteil einstellt.

Diese Einstellung des Bindemittelanteiles nach Erfahrungswerten und das Einhalten eines exakten Bindemittelanteiles während der gesamten Herstellungszeit wer-

den jedoch um so schwieriger, je schmaler die verwendeten Faserstrangfc inder sind. Schmale Faserstrangbänder sind insbesondere zweckmäßig, wenn zuverlässig Lufteinschlüsse unter den Faserstrangbändern verhindert werden sollen oder wenn Bauteilformen an kriti- sehen Stellen belegt werden sollen, so z. B. in konkaven Bereichen, wie etwa an Anschlußstellen für ein Rotorblatt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von flächi- gen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen anzugeben, mit denen der Bindemittelanteil exakt eingestellt und auch während der Herstellungszeit eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe ist für ein Verfahren der in Rede ste-

henden Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung ist durch den Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Demgemäß wird ein über die Bauteilform hinausra-

gendes Tcilstück des abgelegten Faserstrangbandes bestimmter Länge abgeschnitten und anschließend gewogen. Da das Gewicht des nicht imprägnierten Faserstrangbandes pro Längeneinheit bekannt ist, kann aufgrund dieser Wägung der tatsächliche Bindemittelanteil bestimmt werden. Weicht der derart bestimmte Bindemittelanteil von dem gewünschten Wert ab. so kann dies durch Einstellen der Auspreßeinrichtung auch während der Herstellung des Bauteiles schnell korrigiert werden. Diese Korrektur erfolgt entweder automatisch oder manuell.

Mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung kann der Bindemittelanteil bei relativ breiten, aber auch bei schmalen Faserstrangbändern exakt während der gesamten Fertigung des Bauteiles ein-

bo gehalten werden.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine

Vorrichtung zum Herstellen von Rotorblättern aus Faserstrangbändern:

F i g. 2 eine Einrichtung zum Einstellen des Bindemittelanteiles in dem verwcndcien Fascrstrangband;

Fig.3 eine Wiegeeinrichtung zur Bestimmung des Bindemittelanteiles indem Faserstrangband;

F i g. 4 eine Ansicht eines Ablegekopfes zum Ablegen eines Faserstrangbandes mit der Vorrichtung;

F i g. 5 einen Teilquerschnitt durch ein mit der Vorrichtung 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 Tränkbehälter 3 sind zwei Vorratswickel 6 für je ein Faserstrangband enthalten. Das aufgewickelte Faserstrangband ist sehr schmal, hat etwa elliptischen Querschnitt und eine Breite zwischen 2 und 4 mm. Das Faserstrangband jedes Vorratswickels 6 wird durch ein Tränkbad 7 geleitet und dort mit Bindemittel, z. B. einem Kunststoffharz durchtränkt Anschließend durchlaufen die beiden Faserstränge eine Adsorptionswalzenanordnung 8, die dafür Sorge trägt, daß jedes Faserstrangband intensiv und gleichmäßig mit Bindemittel durchtränkt wird. Danach wird das Faserstrangband durch 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 Faserstrangband verändert, so daß durch entsprechende Einstellung eine bestimmte Menge des Bindemitteis wieder aus dem imprägnierten Faserstrangband herausgepreßt werden kann. Die Behandlung des Faserstangbandes in dem Vorratsbzw. Tränkbehälter ist detaillierter in der DE-OS 29 42 729 der Anmelderin beschrieben, so daß hier nicht mehr darauf einzugehen ist In Fig.2 ist schematisch eine Auspreßeinrichtung dargestellt. 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 zwischen den Querstiften des Rahmens 9.1 hineinragen. D"r 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 Trär.kbehäller 3 ist ein Ablegearm 12 angeordnet, der zwei Ablegeköpfe 13 aufweist. Der Ablegearir 12 ist in der Hohe verstellbar, und zwar geschieht dies im einfachsten Falle wie dargestellt über einen Spindelantrieb aus Spindel 14 und Motor 15, wobei der Motor auf einei/i längs der Spindel verfahrbaren Schlitten 16 angeordnet ist. Mit dem Schlitten ist ein horizontal auskragender 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 AbIcgekopf ist detaillierter in F i g. 4 dargestellt. Der auf dem Arm 17 verschiebbare Schiitxnteil des Ablegekopfes 13 ist mit einem Schwenkarm 19 verbunden, der um ein Schwenkgelenk 20 um eine senkrecht zu der Verschieberichtung der Ablegeköpfe verlaufenden Achse gesteuert geschwenkt werden kann. In der Nähe des Schwenkgelenkes ist eine Umlenkachse bzw. ein Um- $ lenkrad 21 vorgesehen, um das das imprägnierte Faserstrangband geführt wird. Das Faserstrangband wird anschließend über eine Führungsrolle 22 und schließlich unter einer Anpreßrolle 23 hindurch geleitet; die Anpreßrolle 23 befindet sich am unteren Ende des

ίο Schwenkarms 19. Die Anpreßrolle 23 jedes Ablegekopfes liegt auf der Oberfläche einer Negativ-Bauteilform 24 für ein Hubschrauberrotorblatt auf, in die bei einer Bewegung des Vorrats- und Tränkbehälters 3 längs der Führungsschienen 5 die Faserstrangbänder programmgesteuert abgelegt werden. Bei der in F i g. 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 anderem hintereinander angeordneten Bauteilformen parallel hierzu unterhalb der Bai'i 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 n-ch 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 Teilstükkes 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 F i g. 5 ist ein Teilstück einer teilweise bereits bewickelten Bauteilform 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 Faserst-ingband 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 übereinandergtlegt. 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 Umso lenkbolzens wird beim fertigen Bauteil später der Rotorblattbeschlag angebracht. Wie aus dieser F i g. 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 dit geringe Breite der Faserstrang-

bänder Lufteinschlüsse praktisch vermieden. Die mechanische Festigkeit und dynamische Steifigkeit eines derart hergestellten Rotorblattes sind den entsprechenden Werten für manuell hergestelle Rotorblätter weit überlegen.

es Selbstverständlich ist die beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung nur beispielhaft, insbesondere ist hier nicht mehr auf die Programmsteuerung derartiger Fertigungsautomaten eingegan-

gen 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 verschwenkbaren Ablegearm ver- 5 wendet werden. Dieser Industrieroboter könnte dann z. B. fest installiert sein, wobei dann die Bauteilformen längs an ihm vorbeigeschoben werden müssen. Weiterhin ist es nicht notwendig, zwei oder vier Bauteilformen zu verwenden; die oben beschriebene Anordnung mit io vier Bauteilformen und zwei Ablegeköpfcn hat allerdings den Vorteil, daß simultan zwei Rotorblätter hergestellt werden können, wobei in benachbarten Bauteilformen jeweils Ober- bzw. Unterseite des späteren Rotorblattes hergestellt werden. 15

Hierzu I Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von flächigen Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen, wobei ein Faserstrangband von einem Vorratswinkel abgezogen, mit Bindemittel durchtränkt und zur Entfernung überschüssigen Bindemittels ausgepreßt wird, sowie anschließend maschinell quasi kontinuierlich in der Bauteilform abgelegt und angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein über die Bauteilform hinausragendes Teilstück des abgelegten 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 mit einem Vorratswickel für ein Faserstrangband, einer Tränkeinrichtung, einer einstellbaren Auspreßeinrichtung und mit einer längs der Bauteilform gesteuert geführten automatisiert betriebenen Ablegeeinrichtung für das Faserstrangband mit einem gesteuert geführten, schwenkbaren Ablegekopf, gekennzeichnet durch eine Wiegeeinrichtrfng (25) zum Wiegen eines über die Bauteilform (24) hinausragenden Teilstückes des abgelegten Faserstrangbandes (2), die Steuersignale für die Auspreßeinrichtung (9) erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausyreßeim ichtung (9) mittels eines Motors (10) einstellbar ist.