DE3109365A1

DE3109365A1 - Einrichtung zum wickeln von bauteilen aus faserverstaerkten werkstoffen

Info

Publication number: DE3109365A1
Application number: DE19813109365
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8151 Valley Buchs; Walter 8151 Mitterdarching Oefner; Dieter 8206 Bruckmühl Thomamüller
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1981-03-12
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3109365C2; JPH0335099B2; JPS57160611A

Description

Einrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärkten
Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärkten strangförmigen Werkstoffen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Mit derartigen Einrichtungen können Rohre, aber auch nicht rotationssymmetrische Bauteile, wie Hohlprofile, Schlaufen etc. gewickelt werden. Eine Einrichtung dieser Art zum Wickeln auch nicht rotationssymmetrischer, etwa im Querschnitt ellipsenförmiger Bauteile ist etwa aus der DE-AS 23 00 816 bekannt.
Bei dieser Einrichtung werden von einem Zettelbaum abgespulte Rovings durch ein Tränkbad mit einer als Kalibriereinrichtung dienenden Quetschwalzenanordnung und von dort zu der Ablegestelle auf dem Wickeldorn geführt. Das Ablegewerkzeug weist einen Auslegearm mit einem kardanisch gelagerten Wickelkopf auf, wobei der Wickelkopf unter Schwerkraft auf dem Wickeldorn bzw. dem bereits teilweise gewickelten Bauteil aufliegt.
Bei der Herstellung von nicht rotationssymmetrischen Bauteilen aus unidirektionalen Faserwerkstoffen tritt bislang das Problem auf, daß die Faserstränge bzw. Rovings auf den Wickeldorn bzw.
die Form über deren Umfang verteilt nicht mit einer konstanten Normalkraft angepreßt werden. Je nach Drehstellung des Wickeldornes wirkt die Anpreßkraft des Anpreßwerkzeuges nicht als Normalkraft, d.h. senkrecht auf die Tangentialebene des Wickeldornes an derAnlageste;le und zudem weist die Zugkraft an den Fasersträngen, unterschiedliche Komponenten senkrecht zur Tangentialebene des Bauteils auf; ie nach der Form des Bauteiles und des Wickeldornes kann die Normalkraft in großen Bereichen schwanken. Dies kann zur Folge haben, daß in den Bereichen, in denen die Normalkraft einen Maximalwert erreicht, die Faserlagen auf dem Wickeldorn so zusammengepreßt werden, daß an diesen Stellen die Wandstärke des Bauteiles geringer ist als in den Bereichen, in denen die Normalkraft einen kleineren Wert aufweist, so daß dort die Faserlagen nicht so stark zusammengepreßt werden.
Unabhängig davon, ob ein rotationssymmetrisches oder nichtrotationssymmetrisches Bauteil gewickelt wird, kann bei zu hoher Normalkraft der Fall eintreten, daß sich die Rovings bzw.
Fasern in bereits abgelegte Faserlagen einschneiden. Dies führt zu nicht reproduzierbaren und inhomogenen Faser-Rar#-Verteilungen im Bauteil. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, daß man breitere Faserstränge bzw. Rovingbänder verwendet. Diese Faserstränge werden in einer Kalibriereinrichtung, so z.B. einer Ziehdüse oder einer Quetschwalzen- bzw. Quetschstiftanordnung auf die gewünschte Breite und den gewünschten Bindemittelanteil kalibriert. Durch die Breite der Faserstränge bzw. Rovingbänder wird zwar das Einschneiden abgelegter Stränge in bereits vorhandene Faserlagen vermieden; die inhomogene Normalkraftverteilung bei nicht-rotationssymmetrischen Bauteilen bleibt jedoch weiter erhalten. Außerdem steigt die Abzugskraft, mit der die Faserstränge bzw. Rovingbänder aus der Kalibriereinrichtung gezogen werden, mit dem Querschnittder Faserstränge#.h. der darin enthaltenen Faseranzahl an. In Bereichen großer Krümmungen des Wickeldornes bzw. des Bauteiles können die Faserlagen des Bauteiles dort durch die hohe Abzugskraft zusammengepreßt werden, wodurch die erwähnte Normalkraft an diesen Stellen weiter erhöht wird.
Damit die Abzugskraft nicht direkt an der Ablegestelle des Faserstranges bzw. des Rovingbandes auf das Bauteil wirkt, könnte man. die aus der Kalibriereinrichtung gezogenen Faserstränge bzw. Rovingbänder auf eine Vorratsspule wickeln und im Anschluß daran die getränkten aufgewickelten Faserstränge von der Trommel dem Anpreßwerkzeug zuführen. Dieser Fertigungsprozeß ist jedoch sehr aufwendig und zeitraubend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen anzugeben, mit der rotations- und nicht-rotationssymmetrische Bauteile mit einem homogenen Wickelverbund über das gesamte Bauteil hergestellt werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentansp#ruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß der Erfindung wird demnach zwischen der Kalibriereinrichtung und der Ablegestelle eine Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung vorgesehen, um die der Faserstrang bzw. das Rovingband mindestens einmal, jedoch bevorzugt mehrfach geführt ist. Die Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung ist angetrieben und dient dazu, die für das Abziehen des Faserstranges aus der Kalibriereinrichtung notwendige hohe Abzugskraft aufzubringen. Der von der Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung abgehende Faserstrang in Richtung auf die Ablegestelle kann weitgehend spannungsfrei gehalten werden, so daß in diesem Falle die Anpreßkraft des Faserstranges an der Ablegestelle nur dafür: durch das Ancreßwerkzeug und ein etwaiges Gewicht zur Faservorspannung (&urch das Gewicht (15) und durch das Anpreßwerkzeuo (10))bestimmt wird. Die Spilltrommelanordnung dient somit quasi als Entkopplungseinrichtung zwischen Ablegestelle und Kalibriereinrichtung, so daß die oben erwähnten Nachteile bekannter Wickelvorrichtungen aufgrund hoher Abzugsspannungen vermieden werden.
Das Anpreßwerkzeug sollte so ausgebildet sein, daß der Faserstrang an der Ablegestelle mit einer im wesentlichen konstanten Normalkraft in bezug zu dem Wickeldorn unabhängig von dessen Form angepreßt wird. Bei rotationssymmetrischen Formen ist dieses im allgemeinen auch bei bekannten Einrichtungen gegeben, so z.B. bei der oben erwähnten Einrichtung gemäß der DE-AS 23 00 816. Bei Einrichtungen, mit denen auch nichtrotationssymmetrische Bauteile gewickelt werden können, ist der Anpreßdruck des Ablegewerkzeuges entsprechend der Form des Wickeldornes gesteuert so einzustellen,daß sich über den gesamten Umfang des Bauteiles eine im wesentlichen konstante Normalkraft ergibt.
Werden nicht-rotationssymmetrische Bauteile gewickelt, so wird zwischen Spilltrommelanordnung und Ablegestelle eine Ausgleichsstrecke für den Faserstrang vorgesehen. Da aufgrund der unsymmetrischen Bauteilform unterschiedliche Punkte längs des Umfanges während der Rotation des Wickeldornes unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, ändern sich längs des Umfanges des Bauteiles auch die pro Zeiteinheit abgelegten Faserstranglängen.
Diese Unterschiede können mit der Ausgleichsstrecke ausgeglichen werden. Die Ausgleichsstrecke besteht z.B. aus mehreren Umlenkrollen, von denen eine freihängende Umlenkrolle mit einem Gewicht beschwert ist. Durch diese gewichtsbeschwerte Umlenkrolle kann zum anderen eine gewisse Vorspannung des Faserstranges an der Ablegestelle eingestellt werden.
Die Oberfläche der Spilltrommelanordnung ist vorzugsweise so gewählt, daß zwischen Oberfläche und dem Faserstrang eine gewisse Reibung, jedoch keine Haftung vorhanden ist, so daß der Faserstrang auf der Trommeloberfläche gleiten kann, ohne dabei beschädigt zu werden. In einem solchen Fall kann durch Wahl der Trommelgeschwindigkeit die Abzugsgeschwindigkeit des Faserstranges und auch die Restabzugskraft gesteuert werden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprtlchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor. In dieser ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 eine schematische Perspektivansicht einer Einrichtung gemäß der Erfindung zum Wickeln eines hier nicht-rotationssymmetrischen Bauteiles in Form eines gerundeten Rechteckprofiles; Figuren 2A und 2B schematische Darstellungen zur Erläuterung der beim Wickeln eines gerundeten Rechteckprofiles auf dieses wirkenden Normalkräfte.
Eine Einrichtung 1 zum Wickeln von Bauteilen 2 aus faserverstärkten Werkstoffen weist einen Zettelbaum 3 auf, in dem drei Zettel bzw. Vorratsspulen 4 für Rovingstränge 5 gelagert sind. Die von den Zetteln abgezogenen Rovingstränge werden durch ein Tränkbad 6 geführt, welches mehrere Umlenk- und Tränkwalzen aufweist, und dort mit einem in dem Tränkbad vorhandenen Bindemittel, in der Regel einem Kunstharzgemisch, getränkt. Die Rovingstränge werden durch hier nicht dargestellte Kämme parallel ausgerichtet und anschließend in einer Ziehdüse 7 kalibriert. Die Ziehdüse-weist einen z.B. durch Walzen oder Quetschbalken begrenzten Spalt auf, der dem gewünschten Querschnitt des aus den einzelnen Rovingsträngen zusammengeführten Faserstranges 8 entspricht. In der Ziehdüse wird einmal der Querschnitt des Faserstranges und zum anderen der Faser- und Harzanteil eingestellt. Zum Durchziehen des erhaltenen Faserstranges durch die Ziehdüse ist eine relativ große, von der Anzahl der hierzu verwendeten Rovingstränge und dem Fasergehalt abhängige Kraft erforderlich.
Diesg Faserstrang wird nun normalerweise zu einem Wickeldorn 9 geführt und auf diesen solange gewickelt, bis das rechteckige Bauteil 2 fertiggestellt ist. Wird der Faserstrang 8 direkt zu dem Wickeldorn 9 geführt, wie dies bei bekannten Wickeleinrichtungen der Fall ist, so wirkt sich die durch die Rotation des Wickeldornes aufzubringende Zugkraft zum Durchziehen des Faserstranges durch die Ziehdüse auf die Normalkraft auf den Wickeldorn und das teilweise gefertigte Bauteil aus, wie dies schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Nimmt der rechteckigförmige Wickeldorn mit de bere###lweise darauf aufgewickelten Bauteil eine Stellung ein, in der der Faserstrang über die breite Seite des rechteckigen Querschnittes in voller Länge läuft, dann hat die über den Fasers#trang vermittelte Zugkraft P Eine Komponente senkrecht zu der Wickeldorn- bzw. Bauteilfläche unterhalb des gerade abgelegten Faserstranges. Auf das bereits gewickelte Bauteil wirkt demnach nur die Anpreßkraft eines in Figur 2Anicht dargestellten Anpreßwerkzeuges (Bezugszeichen 10 in Figur 1).
Nimmt der Wickeldorn eine Stellung ein, in der der Faserstrang 8 gerade über eine Ecke des rechteckigen Wickeldornes geleitet wird, wie dies in Figur 2B dargestellt ist, so hat die Zugkraft P eine Komponente senkrecht zu der Dornform an der Ablegestelle. Falls das Bauteil 2 bereits teilweise gewickelt ist, werden die an dieser Ablegestelle bereits vorhandenen Faserlagen durch die senkrechte Komponente der Zugkraft zusammengedrückt. Zusätzlich wirkt selbstverständlich noch die Anpreßkraft des #An½reßw#rkzeu#es. Die senkrecht auf den Wickeldorn wirkende Normalkraft N ändert sich während der Drehung des Wickeldornes längs des Umfanges des zu fertigenden Bauteils.
Entsprechend dieser sich ändernden Normalkraft wird auch die Wandstärke des zu fertigenden Bauteiles längs des Umfanges nicht konstant sein, so daß an den Stellen, an denen die Normalkraft maximal wird, die Wandstärke des Bauteiles am kleinsten werden wird.
Bei der Einrichtung gemäß Figur 1 ist nun zwischen Wickeldorn 9 und Ziehdüse 7 eine Spilltrommel 11 angeordnet, um die der von der Ziehdüse kommende Faserstrang 8 in mehrere Wicklungen geführt ist, bis er von der Spilltrommel wieder abgezogen, über eine AusgleichsstreCke 12 und anschließend zu dem Wickeldorn 9 geleitet wird. Die Spilltrommel 11 ist angetrieben und zwar in Richtung der Abzugsrichtung des Faserstranges, wie dies durch den Pfeil in Figur 1 dargestellt ist. In Figur 1 ist der Faserstrang in zwei Schraubengängen um die Spilltrommel geleitet; dies ist selbstverständlich beispielhaft. Die schraubenförmige Aufwicklung auf der Trommel kann#z.B. dadurch erreicht werden, daß die Achse der Trommel leicht schräg gestellt wird, d.h. nicht senkrecht zu der Faserabzugsrichtung verläuft.
Die Spilltrommel 11 ist voneinem hier nicht dargestellten Motor angetrieben; die Oberfläche der Spilltrommel ist so gestaltet, daß der Faserstrang auf der Oberfläche der Trommel mit einem gewissen Reibungswiderstand gleiten kann. Wenn die Spilltrommel angetrieben wird, so übt sie auf den von der Ziehdüse 7 kommenden Faserstrang eine Zugkraft P aus, die durch den erwähnten Reibungswiderstand zwischen Trommel und Faserstrang und durch die Drehgeschwindigkei; der Bremstrommel sowie die Länge des auf der Trommel aufgewickelten Faserstranges bestimmt ist.
Es ist im übrigen nicht in allen Fällen notwendig, die Spilltrommel mit einem gewissen Schlupf gegenüber dem Faserstrang anzutreiben; vielmehr ist es denkbar, daß zwischen Faserstrang und Trommel kein Schlupf erzeugt wird, zwischen den beiden Teilen demnach Haftreibung besteht. Der Antrieb mit Schlupf zwischen Trommel und Faserstrang ist jedoch vorteilhaft anwendbar, wenn die Abzugskraft p entsprechend dem Anwendungsfall variiert werden soll Auf denvon der Spilltrommel 11 abgegebenen Faserstrang wirken praktisch keine Kräfte, da er durch die Drehrichtung der Spilltrommel mitgenommen wird. Der Faserstrang wird über die Ausgleichsstrecke 12 geführt, die aus zwei oberen festen Umlenkrollen 14 und einer,durch ein Gewicht 15 beschwerten Umlenkrolle 16 besteht. Von der Ausgleichsstrecke 12 wird dann der Faserstrang wie üblich zum Wickeldorn 9 geführt und dort mit dem knpreBwerkzeug 10 angepreßt. Die AusgleichsstEcke dient zum Ausgleich der pro Zeiteinheit unterschiedlich langen Strecken des mit konstanter Drehgeschwindigkeit rotierenden Wickeldorns.
Zum anderen kann durch das Gewicht 15 an der Umlenkrolle 16 die Faserspannung des Faserstranges 8 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden; diese auf den Faserstrang zur Einstellung der Spannung notwendige Kraft ist gering und wesentlich kleiner als die Zugkraft P zum Durchziehen des Faserstranges aus der Ziehdüse 7.
Auf dem Wickeldorn 9 wird der Faserstrang 8 mit dem AnpreB-werkzeug 10 abgelegt und angepreßt, wobei dieses so ausgestaltet ist, daß der Faserstrang unabhängig von der Drehstellung des Wickeldornes ständig mit konstanter Normalkraft N auf dem Wickeldorn bzw. dem bereits teilweise gewickelten Bauteil 2 abgelegt wird. Das Anpreßwerkzeug weist wie üblich eine Anpreßwalze 17 auf, die mit einem Arbeitszylinder 18 über eine Kolbenstange 19 verbunden ist. Der Arbeitszylinder wird z.B.
pneumatisch betrieben. Über eine hier nicht dargestellte Steuerung wird der Arbeitsdruck in dem Arbeitszylinder so gesteuert, daß die oben erwähnte konstante Normalkraft über den gesamten Umfang des Bauteiles erreicht wird. Anstelle von pneumatischen Steuerungen kann auch eine mechanische Steuerung in Art der in der Beschreibungseinleitung erwähnten DE-AS 23 00 816 verwendet werden. Über ein z.B. durch Exzenter gesteuertes Hebegestänge könnte dann die Normalkraft N ebenfalls längs des Umfanges des Wickeldornes konstant eingestellt werden. Diese Steuerung des Anpreßwerkzeuges#ist zuist vor allem nur nicht-rotationssymmetrischen Wickeldornen und Bauteilen notwendig; bei rotationssymmetrischen Wickelkörpern, demnach Rohren, Ringen etc., ist die Normalkraft auch bei bekannten Einrichtungen einheitlich, aber bei großem Querschnitt sehr hoch. Das heißt, daß auch rotationssymmetrische Bauteile vorteilhafterweise mit der erfindungsgemäßen Anlage tSpilltrommel und Gewicht) gefertigt werden können.

Claims

Einrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen Patentansprüche r ~a W Einrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärkten strangförmigen Werkstoffen mit einem Tränkbad, durch das die von Vorratsspulen abgezogenen Faserstränge zum Tränken mit einem Bindemittel geführt werden, mit einer Kalibriervorrichtung, wie einer Quetschwalzen- bzw. Quetschstiftanordnung oder einer Kalibrierdüse, in der die getränkten Faserstränge auf einen gewünschten Querschnitt und Bindemittelanteil gebracht werden, und ferner mit einem Anpreßwerkzeug mit dem die zu einem angetriebenen rotierenden Wickeldorn geführten Faserstränge auf diesem angepreßt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Kalibriereinrichtung (Ziehdüse 7) und Anpreßwerkzeug (10) eine in Abzugsrichtung der Faserstränge (8) angetriebene Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung (11) vorgesehen ist, mit der der Faserstrang von der Kalibriereinrichtung abziehbar ist und um die der kalibrierte Faserstrang zumindest einmal geführt und danach quasi spannungsfrei zum Anpreßwerkzeug (10) geleitet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßwerkzeug (10) den Faserstrang (8) an der Ablegestelle mit einer im wesentlichen konstanten Normalkraft (N) in bezug zü dem Wickeldorn unabhängig von dessen Form auf diesen anpreßt.
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der angetriebenen Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung (11) gegenüber der Abzugsrichtung des Faserstranges leicht schräg gestellt ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnungwit Schlupf gegenüber dem um sie gewickelten Faserstrang (8) antreibbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit der Spilltrommel bzw. Spilltror##elanordnung (.11) einstellbar ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, cadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spilltrommel bzw. Spilltrommelanordnung (11) und Anpreßwerkzeug (10) der Faserstrang (8) über eine Ausgleichsstrecke (12) geführt ist, um die bei nicht rotationssynaetrischen Bauteilen (2)-Zeiteinheit unterschiedlich langen Wickelstrecken des Faserstranges auszugleichen.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgleichsstrecke (12) die Vorspannung des Faserstranges (8) einstellbar ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsstrecke aus zwei festen und einer losen Umlenkrolle (14, 16) besteht, wobei die lose Umlenkrolle mit einem Gewicht (15) beschwert ist.