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Automatische Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus
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faserverstärkten Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische
Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Zusätzlich bezieht sich die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
8 auf ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Faserbandabschnitten bestimmter
Länge.
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Automatische Ablegemaschinen sind z.B. aus der DE-OS 27 38 514 und
der DE-AS 23 00 816 bekannt. In der letztgenannten Auslegeschrift ist eine automatische
Ablegemaschine beschrieben, die zum Herstellen von Wickelbauteilen, so z.B. von
in zwei Richtungen gekrümmten Behältern aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, geeignet
ist. Hier wird ein Faserband z.B. von einer Vorratspule der Ablegemaschine über
entsprechende Umlenkrollen zugeführt, wobei die Ablegemaschine einen schwenkbaren
Auslegearm mit einem an seinem freien Ende befestigten Lege- bzw. Wickelkopf trägt.
Der Wickelkopf ist hierbei
kardanisch drehbar am Auslegearm befestigt
und liegt unter Schwerkraft auf der Bauteilform auf. Diese Ablegemaschine ist nicht
für die Herstellung von flächigen langgestreckten Bauteilen, so z.B. Rotorblättern
von Hubschraubern oder Windkraftmaschinen, Schlaufenelementen oder dergleichen,
vorgesehen. Eine solche Herstellung wäre mit dieser Vorrichtung auch kaum möglich,
insbesondere dann nicht, wenn eine negative Bauteilform, d.h. eine Bauteilform mit
konkaven Oberflächen belegt werden soll. Durch die aufwendige und platzraubende
kardanische Lagerung könnte der Wickelkopf dieser Ablegemaschine den Oberflächenformen
der Bauteilform entweder nicht folgen oder würde an Teile der Bauteilform anstoßen.
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In der erwähnten DE-O'J 27 38 514 ist eine automatische Ablegemaschine
zur Herstellung von Rotorblättern von Hubschraubern beschrieben. Mit der automatischen
Wickelmaschine werden Faserbänder auf eine positive Bauteilform, d.h. eine Bauteilform
mit konvexer Oberfläche abgelegt. Um ein Rotorblatt zu wickeln, ist es jedoch bei
dieser Ablegemaschine unumgäng -lich, daß aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenkrümmungen
der Bauteilform diese gegenüber dem Legekopf der Wickelmaschine während des Ablegens
gedreht werden muß. Dies verlangt neben der ohnehin komplizierten Mechanik einer
automatischen Ablegemaschine zusätzlich noch einen komplexen Belegungsmechanismus
für die Bauteilform.
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Bauteile aus faserverstärkten Werkstoffen, bei denen die Faserbänder
jeweils in Faserbandabschnitten bestimmter Länge auf einer Bauteilform abgelegt
werden, können trotz Automatisierung nur diskontinuierlich hergestellt werden. Bei
manueller Herstellung werden die einzelnen Faserbandabschnitte vor dem Ablegen entsprechend
getrennt und dann manuell auf der Bauteilform abgelegt und angestrichen. Bei einer
automatisierten erstellung wird das von einer Vorratsspule kommende quasi endlose
Faserband in der bestimmten Länge auf die Bauteilform abgelegt; anschließend muß
die Maschine angehalten
und daß Faserband durchtrennt werden, bevor
ein erneuter automatisierter Zyklus gestartet werden kann.
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Mit den bisher bekannten automatischen Ablegemaschinen ist es bisher
nicht möglich, auch Bauteilformen mit konkaven Oberflächenanteilen einfach mit Fasersträngen
belegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Ablegemaschine
der genannten Art so weiter zu entwickeln, daß Bauteilformen mit unterschiedlichsten
Oberflächenformen, insbesondere auch mit konkaven Oberflächen einfach mit Faserbändern
belegt werden können. Außerdem soll die Möglichkeit geschaffen werden, Bauteile
aus einzelnen Faserbandabschnitten kontinuierlich zu fertigen.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Gemäß der Erfindung ist der Legekopf der Ablegemaschine so ausgebildet,
daß die Schwenkachse der Legerolle in unmittelbarer Nähe der einen Außenkante des
zugeführten Faserbandes liegt.
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Sämtliche Umlenkrollen sind auf einer Seite dieser Schwenkachse angeordnet.
Das Faserband wird auf diese Weise seitlich dem Legekopf zugeführt und dann durch
Umlenkrollen in Richtung Legekopf gelenkt. Diese Zuführrichtung ist dann parallel
zu der Schwenkachse des Legekopfes.
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Der Legekopf gemäß der Erfindung kann äußerst klein gebaut werden.
Da zudem sämtliche Rollen einseitig an der Schwenkachse befestigt sind und diese
Schwenkachse praktisch in einer Kante des abzulegenden Faserbandes verläuft, können
mit dem Legekopf Bauteilformen mit unterschiedlichsten Oberflächenstrukturen, insbesondere
auch konkave Bauteilformen einfach mit Fasersträngen belegt werden. Hiermit ist
es möglich, z.B. eine negative Bauteilform für ein Hubschrauber-Rotorblatt in einem
Zuge
mit Faserbändern zu belegen, ohne daß die Bauteilform relativ zu dem Legekopf gedreht
werden müßte.
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Eine derartige Ausbildung eines Legekopfes ist auch besonders gut
dafür geeignet, ansonsten nur diskontinuierlich herstellbare Bauteile aus faserverstärkten
Werkstoffen kontinuierlich herzustellen. Hierzu werden die einzelnen Faserbandabschnitte
hintereinander mit geringem Abstand auf eine Trägerfolie aufgebracht. Dieser Faserstrang
aus Trägerfolie und Faserband wird dann dem Legekopf zugeführt, wobei die Umlenkrollen
im Legekopf, über die der Faserstrang der Legerolle zugeführt wird, so angeordnet
sind, daß der Faserstrang lediglich auf Seiten der Trägerfolie um die Umlenkrollen
geführt wird. Unmittelbar bevor das Faserband mit der Legerolle auf der Bauteilform
abgelegt wird, wird die Trägerfolie über eine weitere Umlenkrolle von dem Faserbandabschnitt
getrennt und aus dem Legekopf abgeführt. Die aneinander schließenden Faserbandabschnitte
sind zusätzlich noch mit Trennpapierabschnitten untereinander verbunden, wobei diese
Trennpapierabschnitte nicht an der Trägerfolie haften. Sobald ein Faserbandabschnitt
von der Legerolle auf der Bauteilform abgelegt ist, wird bereits durch den Trennpapierabschnitt
der nächste Faserbandabschnitt der Legerolle zugeführt. Auf diese Weise ist eine
kontinuierliche Fertigung von Bauteilen aus Faserbandabschnitten möglich.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der die Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 eine Seitenansicht
eines Teiles einer Ablegemaschine mit einem Legekopf gemäß der Erfindung; Figur
2 eine Frontansicht der Ablegemaschine gemäß Figur 1;
Figur 3 eine
Aufsicht auf den Legekopf der Ablegemaschine aus Figur 1; Figur 4 eine schematische
Ansicht einer Legerolle; Figur 5 eine schematische Ansicht eines aus einer Trägerfolie
und einem imprägnierten Faserband bestehenden Faserstranges, der in Verbindung mit
der Ablegemaschine verwendet wird.
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Eine automatische Ablegemaschine 1 zur Herstellung von Bauteilen aus
faserverstärkten Kunststoffen weist einen Tragarm 2 auf, an den ein Legekopf 3 befestigt
ist. Dieser Legekopf ist um eine einzige Schwenkachse 4 verschwenkbar. Mit dem Legekopf
3 wird ein auf einer Trennfolie 5 aufgebrachtes, aus einer Vielzahl von Fasern zusammengesetztes
und mit einem Kunstharz getränktes Band 6 auf einer Bauteilform 7 unter Anpressen
abgelegt. Entweder wird hierzu die Ablegemaschine 1 über die Bauteilform 7 bewegt,
oder es wird die Bauteilform relativ zu der dann feststehenden Ablegemaschine 1
bewegt. Bei der dargestellten Ablegemasdine wird diese längs der hier nur schematisch
angedeuteten Bauteilform 7 bewegt, welche z.B. eine Negativform für ein Rotorblatt
eines Hubschraubers ist. Die Arbeitsrichtung der Ablegemaschine 1 ist in Figur 3
durch den Pfeil P1 angedeutet.
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Der Legekopf 3 weist vier Umlenkrollen 81t 82, 91 und 92 auf.
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2 Die Umlenkrolle 81 hat eine Drehachse parallel zu der Schwenkachse
4 des Legekopfes und ist oberhalb dieser, d.h. oberhalb der Bauteilform gelegen,
wie dies in Figur 1 dargestellt ist.
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Umlenkrolle 81 wird die mit dem Faserband versehene Trägerfolie 5
dem Legekopf zugeführt und zwar so, daß das Faserband 6 des zugeführten Stranges
aus Trägerfolie und Faserband 6 über die Oberfläche der als Strangzuführrolle dienenden
Umlenkrolle 81 läuft. Der Strang aus Trägerfolie 5 und Band 6
wird
dann zu der Umlenkrolle 82 geführt, deren Drehachse einen Winkel von etwa 450 zu
der Schwenkachse 4 des Legekopfes einnimmt und die parallel zur Oberfläche der Bauteilform
liegt.
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Diese Umlenkrolle 82 liegt nur knapp über der Oberfläche der Bauteilform
7. Ober diese Umlenkrolle 82 läuft der Strang so, daß die Trägerfolie 5 an der Umlenkrolle
82 anliegt, so daß jetzt das Faserband 6 der Bauteilform 7 zugewandt ist. Von der
Umlenkrolle 82 wird der Strang aus Trägerfolie 5 und Band 6 parallel zur Schwen'-achse
4 zu einer Legerolle 10 am Ende des Legekopfes geführt und unter dieser hindurchgeführt,
so daß der Strang auf der Bauteilform aufliegt. An der Legerolle werden die Trägerfolie
5 und das Band 6 des Stranges voneinander getrennt. Das Faserband 6 wird durch den
Legekopf in die Bauteilform gepreßt, während die Trägerfolie um 1800 um die Legerolle
geleitet und zur nächsten Umlenkrolle 91 geführt wird, die parallel zu der Umlenkrolle
82 in einer Höhe entsprechend der Legerollenoberkanten ausgerichtet ist. Die Trägerfolie
5 wird unter dieser Rolle 91 hindurchgeführt, umgelenkt und anschließend zu der
Umlenkrolle 92 geleitet, deren Drehaehse wiederum parallel zu der Schwenkachse 4
des Legekopfes ausgerichtet und die der Strangzuführrolle 81 direkt benachbart gelegen
ist. Von dieser Abzugsrolle 92 wird die Trägerfolie zu einer hier nicht dargestellten
Spule geführt und dort aufgewickelt.
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Die beschriebenen Rollen des Legekopfes 3 sind sämtlich mit der Schwenkachse
4 des Legekopfes verbunden, so daß diese Rollen bei einer Drehung der Schwenkachse
4 insgesamt um diese verschwenkt werden. Wichtig hierbei ist, daß der Schwenkmittelpunkt
für die Legerollel0,deraufderSchwenkachse 4 des Legekopfes liegt, in unmittelbarer
Nähe der unteren, d.h. der Bauteilform 7 zugewandten Außenkante der Legerolle liegt,
wie dieses am besten aus Figur 2 hervorgeht. Da das von der Träger-
folie
5 abgetrennte Faserband 6 praktisch die gesamte Breite der Legerolle 10 überdeckt,
verläuft demnach die Schwenkachse des Legekopfes und damit auch der Legerolle 10
nahezu durch die eine Außenkante des abzulegenden Faserbandes 6.
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Der genannte Legekopf 3 ist gegenüber dem Tragarm der Ablegemaschine
1 aus der in Figur 2 gezeigten waagerechten Stellung um einen Winkel von + 900 um
die Schwenkachse 4 verschwenkbar, wie dieses schematisch durch den Doppelpfeil P2
angedeutet ist.
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Die in den Figuren 1 bis 3 nur schematisch dargestelte Legerolle kann,
wie aus Figur 4 hervorgeht, eine leicht ballige Form aufweisen, so daß das imprägnierte
Faserband 6 zuerst in der Mitte der Rolle angepreßt wird und eingeschlossene Luft
nach außen entweichen kann; vgl. Pfeile P3 in Figur 4.
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In dieser Figur 4 ist nochmals die Schwenkachse 4 des gesamten Legekopfes
in der Nähe des unteren Randes der Legerolle 10 dargestellt.
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Die Ablegemaschine 1 wird zur Herstellung eines Bauteiles längs der
Arbeitsrichtung P1 über die hier feststehende Bauteilform für ein Rotorblatt verwendet.
Hierzu sind nicht näher dargestellte Führungsmechanismen vorgesehen. Diese Bewegung
erfolgt automatisch gesteuert. Der Legekopf 3 wird hierbei um die Schwenkachse 4
jeweils so verschwenkt, daß die Legerolle 10, unter der das abzulegende Band 6 hindurchgeführt
ist, auf der Bauteilform 7 aufliegt. Um den Anpreßdruck aufzubringen und um Formänderungen
der Bautelform 7 in Figur 1 vertikaler Richtung folgen zu können, kann die Ablegemaschine
noch durch eine hier nicht dargestellte Mechanik in vertikaler Richtung verschoben
werden, wie dies durch den Doppelpfeil P4 in Figur 1 dargestellt ist.
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Der gesamte Legekopf 3 der beschriebenen Ablegemaschine 1 weist, wie
aus Figur 3 hervorgeht, lediglich eine Breite auf, die nur unwesentlich größer als
die Breite des Stranges aus
Trägerfolie 5 und Band 6 ist. Die Umlenkrollen
81 und 92 liegen oberhalb der Schwenkachse 4, während die Umlefirolle 82 sowie die
Legerolle 10 auf einer gemeinsamen Seite der Schwenkachse praktisch in einer Ebene
liegen. Dies hat folgenden Vorteil; Wenn z.B. die Oberfläche der Bauteilform 7 nicht
horizontal, sondern geneigt ist, wie dies in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist
(Bezugszeichen 7'), so kann der gesamte Legekopf 3 zwanglos dieser Oberflächenkontur
folgen, indem er um die Schwenkachse 4 so verschwenkt wird, daß die gestrichelt
dargestellte und mit 10' bezeichnete Legerolle auf dieser geneigten Oberfläche aufliegt.
Bei dieser Schwenkbewegung sind auch die Umlenkrollen 82 und 91 mitgeschwenkt worden,
so daß der Faser-2 strang bzw. das Faserband der Bauteilform parallel zu dessen
geneigter Oberfläche zugeführt wird. Dies ist nur möglich, weil die Schwenkachse
des Legekopfes in unmittelbarer Nähe des Außenrandes der Legerolle 10 verläuft.
Bei Änderung der Oberflächenkontur der Bauteilform braucht daher der Legekopf lediglich
um eine Achse, nämlich die Schwenkachse 4 verschwenkt werden. Da der Legekopf um
ca. + 90° )verschwenkbar ist, können hiermit positive Bauteilformen mit konvexen
Oberflächen und auch negative Bauteilformen mit konkaven Oberflächen ohne Schwierigkeiten
mit Faserbändern belegt werden, ohne daß etwa die Bauteilform relativ zu dem Legekopf
gedreht werden müßte.
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Hiermit ist es z.B. möglich, eine Negativbauteilform für ein Rotorblatt
eines Hubschraubers, welches konkave Oberflächen im Bereich:der Blattfläche und
teilweise konvexe Oberflächen im Bereich der Blattwurzel aufweist, in einem Zug
mit Faserbändern zu belegen, wobei der Legekopf lediglich um eine Achse, nämlich
die Schwenkachse 4 gesteuert geführt werden muß. Durch die geringe Größe des Leaekopfes
und dessen alleinige Schwenkung um die Achse 4 kann dieser unaehindert über negative
und positive Bauteilformen mit wechselnden Oberflächen geführt werden, ohne daß,
wie z.B. bei kardanisch gelagerten Legeköpfen mit einer *; :der g a r um . + 180
weit
von der Ablegestelle entfernten Schwenkachse befürchtet werden muß, daß Teile des
Legekopfes an die Bauteilform anstoßen. Mit der beschriebenen Konstruktion des Legekopfes
können daher auch zwanglos negative Bauteilformen mit stark gekrümmten konkaven
Oberflächen mit Faserbändern belegt werden.
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Hiermit wird gewährleistet, daß wechselnde Schrägen der Oberfläche
der Bauteilform, so z.B. bei einer Rotorblattform im Nasen-, Fahnen- und Schlaufenbereich
nicht das mechanische Ablegen von Faserbändern behindert.
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Bauteile, die nicht als Wickelkörper ausgebildet sind, müssen aus
Fasersträngen bzw. Faserbändern bestimmter Länge hergestellt werden, die in eine
Bauteilform abgelegt werden. Solche Bauteile sind z.B. Schlaufenformen für Rotorblätter
von Hubschraubern. Aufgrund der schwierigen Ablegetechnik von Faserbändern an derartigen
Bauteilformen wird es für viele Anwendungsfälle immer noch vorgezogen, die Faserbänder
bzw. Roving-Strangabschnitte auf der Bauteilform manuell abzulegen. Hierbei ergibt
sich selbstverständlich eine Streuung in der Positionierung der einzelnen Faserstränge
und dementsprechend eine nur ungenügende Genauigkeit bei der Ablegung. Zur Automatisierung
der Herstellung von solchen Bauteilen aus einzelnen Faserbandabschnitten wird gemäß
Figur 5 ein Faserstrang verwendet, der aus einer Trägerfolie 5 und einem darauf
aufgebrachten, aus mehreren Fasersträngen zusammengesetzten und imprägnierten Band
6 zusammengesetzt ist. Das von einer nicht dargestellten Vorratsspule imprägnierte
Faserband 6 wird in einer Vorrichtung 20 auf die gewünschte Ablegelänge L geschnitten.
Dieser Faserbandabschnitt wird dann durch eine Trennpapierstation 21 geleitet, in
denen auf die Unterseite der beiden Faserstrangenden ein Trennpapierabschnitt 22
aufgebracht wird. Die Trennpapierabschnitte 22, deren Oberflächen keine Klebemittel
aufweisen, werden durch den Strang mitgenommen. Diesem Verbund aus Faserband
und
Trennpapierabschnitten wird anschließend in einer weiteren Station 23 eine Trägerfolie
5 zugeführt, so daß sich ein Strang aus Trägerfolie 5 und Faserband 6 bzw. zwischen
den einzelnen Faserbandabschnitten mit der Länge L ein Strang aus Trägerfolie 5,
Trennpapierabschnitt 22 und Faserband 6 ergibt; vgl. den gestrichelt dargestellten
Ausschnitt X. Dieser Strang wird dann entweder direkt der Ablegemaschine und zwar
der Strangzuführrolle 81 zugeführt oder er wird auf eine separate Vorratsspule 24
aufgewickelt und anschließend von dieser abgewickelt und der Strangzuführrolle 81
zugeführt. Der Strang läuft dann in dem Legekopf um die Rollen jeweils auf der Seite
der Trägerfolie; das Faserband 6 liegt lediglich direkt an der Rolle 81 an. Die
Umlenkrollen sind dabei aus einem Material mit geringen Haft- und Reibungsbeiwerten
und mit geringer elektrostatischer Aufladung. Sie sollen dabei so ausgebildet sein,
daß das Band sauber zentral geführt wird. Entweder sind die Umlenkrollen ebenso
wie die Legerolle leicht ballig ausgebildet oder sie weisen an ihren beiden Außenseiten
Stege auf, so daß der Strang innerhalb der beiden äußeren Stege geführt wird. Die
Rolle 81 selbst ist aus einem Material, welches den Kunststoff, mit dem das Faserband
6 getränkt ist, praktisch nicht annimmt, so z.B. aus Polytetrafluoräthylen.
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Mit dem Legekopf 3 werden die einzelnen Bandabschnitte der Länge L
auf der Bauteilform 7 abgelegt. Der Trennpapierabschnitt 22 dient dazu, daß nach
Ende eines Faserbandabschnitts der nächste Faserbandabschnitt weiter gezogen und
unter die Legerolle 10 geführt wird. Der Trennpapierabschnitt haftet nicht auf der
Trägerfolie 5, so daß diese, wie oben beschrieben, über die Umlenkrollen 9 und 92
abgezogen wird.
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Selbstverständlich sind mit der beschriebenen Ablegemechanik auch
andere Stoffe ablegbar, da mit Hilfe der Rollenmechanik des Legekopfes Bandmaterialien
mit geringer Steifigkeit, vorzugsweise die genannten Faserwerkstoffe in ungetränktem,
in Harz getränktem und in vorimprägniertem Prepreg-Zustand auf
einen
beliebigen Untergrund, so z.B. die beschriebene Bauteilform für ein Hubschrauber-Rotorblatt
abgelegt werden können, und zwar mit variablem Legewinkel, der bezogen auf die normale
horizontale Ablageebene einen Bereich von + 900 überdeckt.
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Wenn Bauteile, z.B. langgestreckte Bauteile oder Schlaufen aus einzelnen
Faserstrangabschnitten gefertigt werden müssen, so werden diese Faserstrangabschnitte
auf eine Trägerfolie aufgebracht, so daß der Strang aus Trägerfolie und Faserbandabschnitten
kontinuierlich dem Legekopf zugeführt werden kann.
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Durch die genaue Legemechanik werden die Faserbänder bzw.
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Faserbandabschnitte mit sehr genauer und reproduzierbarer Positionierung
abgelegt. Bauteile auch komplizierter Art können auf diese Weise mit großer Wiederholgenauigkeit
und mit wesentlicher Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Methoden nergestellt
werden. Wenn ein auf eine Trägerfolie aufgebrachter Faserstrang verwendet wird,
kann dieser durch die spezifische Rollenanordnung im Legekopf lediglich auf der
Seite der Trägerfolie geführt werden, so daß der Legekopf nicht durch das Kunstharz
des Faserstranges verunreinigt wird.
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