DE3117608C2

DE3117608C2 - Automatische Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus faservertärkten Werkstoffen

Info

Publication number: DE3117608C2
Application number: DE19813117608
Authority: DE
Inventors: Peter 8206 Heufeld Auer; Peter-Martin Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Wackerle
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-05-05
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE3117608A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen. Das Faserband wird auf eine Bauteilform über einen Legekopf zugeführt, der um eine Schwenkachse verschwenkbar ist. Der Legekopf weist mehrere Umlenkrollen auf, um das Band einer Legerolle zuzuführen. Die Legerolle ist einseitig an der Schwenkachse gelagert und zwar derart, daß die Schwenkachse in unmittelbarer Nähe einer Kante des der Legerolle zugeführten Faserbands liegt. Durch diese Ausbildung des Legekopfes können Faserbänder auch in Bauteilformen abgelegt werden, die Oberflächen mit wechselnder Schräge aufweisen. Das Faserband wird vorzugsweise auf eine Trägerfolie aufgebracht und zwar je nach Art der Bauteilform als kontinuierliches Faserband oder in Faserbandabschnitten, die voneinander auf der kontinuierlichen Trägerfolie getrennt sind. Dieser Faserstrang wird in der Rollenmechanik des Rollenkopfes so geführt, daß über die Rollen lediglich die Trägerfolie läuft, so daß diese Rollen nicht durch das Kunstharz, mit dem das Faserband getränkt ist, verschmutzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige automatische Ablegemaschine ist aus der US-PS 37 75 219 bekannt. Der Legekopf kann hierbei auf dem Bauteil in Längs- und in Querrichtung verschoben werden; außerdem ist eine Drehung des Legekopfes um eine Lotachse möglich. Ferner kann der Legekopf noch um eine Achse geschwenkt werden, die senkrecht zu der Drehachse der Legerolle in Längsrichtung des Bauteiles liegt. Durch diese letztgenannte Schwenkmöglichkeit können auch Bauteilformen mit konvexer Oberfläche mit Faserbändern belegt werden. Bei dieser bekannten Maschine wird diese Verschwenkung so vorgenommen, daß der Legekopf mit der Haltevorrichtung und den notwendigen Zuführrollen für die Faserbänder insgesamt um eine relativ weit oberhalb der Bauteilform gelegene Achse geschwenkt wird. Hiermit ist es zwar möglich, den Konturen konvexer Bauteile zu folgen, jedoch ergeben sich erhebliche Probleme, wenn konkaven Konturen gefolgt werden soll.

Durch die voluminöse Ausführung der Legevorrichtung in Verbindung mit der von der Bauteilform weit entfernten Schwenkachse kann der Legekopf einer konkaven Oberfläche der Bauteilform entweder nicht folgen oder die ihn umgebenden Teile der Legevorrichtung würden an die Bauteilform anstoßen. Auch aus der Bauteilform herausragende Zapfen z. B. für Anschlüsse des hergestellten Bauteiles können mit dieser Ablegevorrichtung nicht belegt werden. Konkave Bauteilformen gegebenenfalls mit den erwähnten Anschlußzapfen werden

z. B. für die Herstellung von RotorbJättern von Hubschraubern verwendet.

Aus der US-PS 35 74 040 ist eine weitere automatische Ablegemaschine bekannt, deren Legekopf eine Legerolle aufweist, die an einem senkrecht von der Bauteilform wegragenden Trägerrohr befestigt ist. Dieses Trägerrohr kann um eine Achse geschwenkt werden, die weit oberhalb der Bauteilform und parallel zu der Längsrichtung der Bauteilform liegt. Mit einer solchen Konstruktion der Ablegevorrichtung kann zwar der Oberfläche konkaver Bauteilform besser gefolgt werden als mit der obigen Ablegevorrichtung, jedoch ergeben sich auch hier Schwierigkeiten insbesondere bei stark konkaven Bauteilformen oder bei der Belegung von Anschlußzapfen. Bei einer Verschwenkung der Legerolle, die im übrigen nur innerhalb eines begrenzten Schwenkwinkels möglich ist, müssen auch die zugeordneten Zuführrollen nachgeführt werden.

Aus der DE-AS 23 00 816 ist eine automatische AbIegemaschitie bekannt, die auch zum Herstellen von in zwei Richtungen gekrümmten Behältern aus glasfaserverstärkten Kunststoffen geeignet ist. Ein Faserband wird von einer Vorratsspule über entsprechende Umlenkrollen einem Lege- bzw. Wickelkopf zugeführt, der am Ende eines schwenkbaren Auslegearmes kardanisch gelagert ist und auf der Bauteilform unter Schwerkraft aufliegt. Diese Maschine, die als Wickelmaschine konzipiert ist, könnte im Prinzip auch als Ablegemaschine zur Herstellung von langgestreckten Bauteilen, z. B. Rotorblättern verwendet werden. Durch die aufwendige und platzsparende kardanische Lagerung könnte der Wikkelkopf einer derart modifizierten Ablegemaschine den Oberflächenformen, insbesondere konkaven Oberflächen der Bauteilform kaum folgen oder würde wiederum an Teile der Bauteilform anstoßen.

In der DE-OS 27 38 514 ist eine automatische Ablegemaschine zur Herstellung von Rotorblättern von Hubschraubern beschrieben. Hierbei werden Faserbänder auf eine Bauteilform mit konvexer Oberfläche abgelegt. Um ein Rotorblatt mit dieser Maschine zu wickeln, ist es jedoch unumgänglich, daß aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenkrümmungen der Bauteilform diese gegenüber dem Legekopf der Maschine während des Ablegens gedreht werden muß. Dies verlangt neben der ohnehin komplizierten Mechanik einer automatischen Ablegemaschine zusätzlich noch einen komplexen Bewegungsmechanismus für die Bauteilform.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Ablegemaschine der in Rede stehenden Art so

weiter zu entwickeln, daß Bauteilformen mit unterschiedlichen Oberflächenformen, insbesondere auch mit konkaven Oberflächen und gegebenenfalls Anschlußzapfen oder dergleichen einfach mit Faserbändern belegt werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst Demgemäß ist der Legekopf der Ablegemaschine so ausgebildet, daß die Schwenkachse der Legerolle in unmittelbarer Nähe der einen Außenkam ι des zugeführten Faserbandes liegt. Sämtliche Umlenkrollen für das Faserband sind auf einer Seite dieser Schwenkachse angeordnet Das Faserband wird dadurch seitlich den; Legekopf zugeführt und dann durch Umlenkrollen in Richtung Legerolle gelenkt Die Zuführrichtung ist parallel zu der Schwenkachse des Legekopfes.

Der Legekopf einer Ablegemaschine gemäß der Erfindung kann äußerst klein gebaut werden. Da zudem sämtliche Rollen nur auf einer Seite im Hinblick auf die Schwenkachse der Legerolle befestigt sind und diese Schwenkachse praktisch in einer Kante des abzulegenden Faserbandes verläuft, können mit dem Legekopf Bauteilformen unterschiedlichster Oberflächenstrukturen, also auch konkave Bauteilformen und Anschlußzapfen einfach mit Fasersträngen belegt werden.

Hiermit ist es möglich, z. B. eine konkave Bauteilform für ein Rotorblatt mit den zugehörigen Anschlüssen in einem Zuge mit Faserbändern zu belegen, ohne daß etwa die Bauteilform relativ zu dem Legekopf gedreht werden müßte und ohne daß andere Teile des Legekopfes an die Bauteilform anstoßen können.

Mit einer derartigen Ablegemaschine können selbstverständlich auch Faserbänder verlegt werden, die aus einzelnen imprägnierten Faserbandabschnitten mit einer der Bauteilform entsprechenden Länge bestehen, wobei dann diese Faserbandabschnitte auf eine Trägerfolie aufgebracht sind. Trägerfolie und Faserbandabschnitte werden in dem Legekopf so geführt, daß lediglich die Trägerfolie auf den Umlenkrollen aufliegt. Kurz vor dem Ablegen werden Trägerfolie und Faserbandabschnitte getrennt, so daß nur die Faserbandabschnitte abgelegt und die Trägerfolie abgeführt wird.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Teiles einer Ablegemaschine mit Legekopf;

F i g. 2 eine Frontansicht der Ablegemaschine gemäß Fig.l;

F i g. 3 eine Aufsicht auf den Legekopf der Ablegemaschine aus Fig. 1;

F i g. 4 eine schematische Ansicht einer Legerolle.

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 c'argestellten Ablegemaschine wird diese längs der hier r'ur schematisch angedeuteten Bauteilform 7 bt-'wegt. welche z. B. eine Negativform für ein Rotorblatt e'nes H ubs^'hraubers ist. Die Arbeitsrichtung der Ablegemaschine 1 ist in F i g. 3 durch den Pfeil P\ angedeutet

Der Legekopf 3 weist zwei Umlenkrollenpaare aus, je zwei Umlenkrollen 8], und 8₂ bzw. Si und 9₂ auf. Die UmlenkiOlle 8i hat eine Drehachse parallel zu der Schwenkachse des Legekopfes und ist oberhalb dieser, d.h. oberhalb der Bauteilform gelegen, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Über die Umlenkrolle 8| wird die mit dem Faserband versehene TrägerfoHe 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 8| läuft Der Strang aus Trägerfolie 5 und Band 6 wird dann zu der Umlenkrolle 8₂ zugeführt.

deren Drehachse einen Winkel von etwa 45° zu der Schwenkachse 4 des Legekopfes einnimmt und die parallel zur Oberfläche der Bauteilform liegt. Diese Umlenkrolle 82 liegt nur knapp über der Oberfläche der Bauteilform 7. Über 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 Schwenkachse 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 180° um die Legerolle geleitet und zur Umlenkrolle 9₂ geführt wird, die parallel zu der Umlenkrolle 82 in einer Höhe entsprechend der Legerollenoberkanten ausgerichtet ist Die Trägerfolie 5 wird unter dieser Rolle 9? hindurchgeführt, umgelenkt und anschließend zu der Umlenkrolle 9i geleitet, deren Drehachse wiederum parallel zu der Schwenkachse 4 des Legekopfes ausgerichtet und die der Strangzuführrolle 81 direkt benachbart gelegen ist Von dieser Abzugsrolle 9| wird die Trägerfolie zu einer hier nicht dargestellten Spule geführt und dort aufgewickelt.

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 Legerolle 10, der auf der Schwenkachse 4 des Legekopfes liegt, in unmittelbarer Nähe der unteren, d. h. der Bauteilform 7 zugewandten Außenkante der Legerolle liegt, wie dieses am besten aus F i g. 2 hervorgeht. Da das von der Trägerfolie 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.

y> Der genannte Legekopf 3 ist gegenüber dem Tragarm der Ablegemaschine 1 aus der in F i g. 2 gezeigten waagerechten Stellung um einen Winkel von ±90° um die Schwenkachse 4 verschwenkbar, wie dieses schematisch durch den Doppelpfeil P₂ angedeutet ist

Die in den F i g. 1 bis 3 nur schematisch dargestellte Legerolle 10 kann, wie aus F i g. 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 F i g. 4. In dieser F i g. 4 ist nochmals die Schwenkachse 4 des gesamten Legekopfes in der Nähe des unteren Randes der Legerolle 10 dargestellt.

Die Ablegemaschine 1 wird zur Herstellung eines

Bauteiles längs der Arbeitsrichtung P\ über die hier feststehende Bautenform 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 Bauteilform 7 in Fig. 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 Pa in F i g. 1 dargestellt ist.

Der gesamte Legekopf 3 der beschriebenen Ablegemaschine 1 weist, wie aus F i g, 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 9| liegen oberhalb der Schwenkachse 4, während die Umlenkrolle 82 sowie die Legerolle 10 auf einer gemeinsamen Seite der Schwenkachse praktisch in einer Ebene liegen. Die hat folgenden Vorteil.

Wenn z. B. die Oberfläche der Bauteilform 7 nicht horizontal, sondern geneigt ist, wie dies in F i g. 2 gestrichelt dargestellt ist (Bezugszeichen T), 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 92 mitgeschwenkt worden, so daß der Faserstrang 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° oder sogar um ca. ±180° verschwenkbar ist, können hiermit positive Bauteilformen mit konvexen Oberflächen und auch negative Bauteilformen mit konkaven Oberflächen ohne Schwierirkeiten mit Faserbändern belegt werden, ohne daß etwa die Bauteilform relativ zu dem Legekopf gedreht werden müßte. 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 Legekopfes und dessen alleinige Schwenkung um die Achse 4 kann dieser ungehindert über negative und positive Bauteilsformen mit wechselnden Oberflächen geführt werden, ohne daß, wie z. B. bei kardanisch gelagerten Legeköpfen mit einer 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.

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.

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 variablen Legewinkel, der bezogen auf die normale horizontale Ablageebene einen Bereich von ±90° überdeckt. Wenn Bauteile, z. B. langgestreckte Bauteile oder Schlaufen aus einzelnen Faserstrangabschnitten gefertigt werden müssen, so werden diese Faserstrangabschnitte auf eine Trägerfoüe aufgebracht, so daß der Strang aus Trägerfolie und Faserbandabschnitten kontinuierlich dem Legekopf zugeführt werden kann. Durch die genaue Legemechanik werden die Faserbänder bzw. 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 hergestellt 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Automatische Ablegemaschine zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen mit einer Vorratsspule zur Aufnahme eines aus parallelen Fasern zusammengesetzten Faserbandes, einer einen Lagekopf mit einer Legerolle aufweisenden Ablegevorrichtung, zu der das Faserband geführt und mit der das Faserband auf einer Bauteilform unter Anpressen ablegbar ist, wobei der Lesekopf um eine Schwenkachse schwenkbar ist, die senkrecht zu der Drehachse der Legerolle etwa parallel zum abgelegten Faserband liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (4) an einer äußeren Seite der Legerolle (10) in unmittelbarer Nähe einer äußeren Auflagekante der Legerolle (10) verläuft

2. Ablegemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (4) des Legekopfes (3) nahezu in einer Kante des über die Legerolle (10) geführten Faserbandes (6) liegt.

3. Ablegemaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legekopf (3) zwei Umlenkrollen (8i, 82) aufweist, wobei die Rollenachse der ersten Umlenkrolle (81) senkrecht zur Achse der Legerolle (10) und parallel zur Schwenkachse (4) des Legekopfes liegt, während die Rollenachse der zweiten Umlenkrolle (82) einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Rollenachse der ersten Umlenkrolle (81) aufweist, und daß der untere Rand der zweiten Umlenkrolle (82) etwa in der Ablageebene des Faserbandes (6) in der Bauteilform (7) liegt.

4. Ablegemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umlenkrolle (82) des Umlenkrollenpaares (81,82) von der ersten Umlenkrolle (81) wegragt und nicht oder nur unwesentlich über die der Schwenkachse (4) abgewandten Kante der Legerolle (10) hinausragt.

5. Ablegemaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Legekopf (3) in Laufrichtung des Faserbandes (6) zwischen der zweiten Umlenkrolle (8₂) und der Legerolle (10) ein weiteres Umlenkrolienpaar (9i, 92) mit zu den beiden Umlenkrollen (81,8₂) des ersten Umlenkrollenpaares (81, 82) parallelen Rollenachsen aufweist.

6. Ablegemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrollen (81,82,9|, 92) des Legekopfes (3) gemeinsam um die Schwenkachse (4) schwenkbar sind.