DE3345010A1

DE3345010A1 - Vorrichtung zum wickeln von bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff

Info

Publication number: DE3345010A1
Application number: DE19833345010
Authority: DE
Inventors: Peter Martin Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Wackerle
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-12-13
Filing date: 1983-12-13
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE3345010C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wickeln
zylindrischer Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtungist aus der DE-OS 31 09 365 bekannt. Die Tränkeinrichtung besteht dabei aus einer in ein Bindemittelbad eintauchenden Tränkrolle, unter der der Faserstrang hindurchgeführt wird. Die Faserstrang-Ab#dgseinrichtung weist eine oder mehrere angetriebene Spilltrommeln auf, um die der Faserstrang gewickelt ist. Die Faserstrangzugspannung zwischen den Spilltrommeln und dem Wickeldorn wird dadurch erheblich reduziert. Um Schwankungen der Faserstrang#Lauf-geschwindigkeit zwischen den Spilltrommeln und dem #ickeIdorn.auszugleichen, ist dazwischen eine Tänzerrolle vorgesehen, wobei das verhältnismäßig geringe Gewicht der Tänzerrolle die Zugspannung des Faserstrangs bestimmt.
Eine geringe Zugspannung des Faserstrangs am Wickeldorn ist nämlich beispielsweise erwünscht, um ein Herausquetschen des Bindemittels. aus dem gewickelten Bauteil zu verhindern. Sollen zylindrische Bauteile mit sich in axialer Richtung änderndem Außendurchmesser mit definierten Wickelwinkeln der Faserstränge zu der Bauteillängsachse gewickelt werden, so ist dafür gleichfalls eine geringe Zugspannung am Wickeldorn# Voraussetzung.
Andererseits ist eine gewisse Fadenspannung schon deswegen una umgänglich, um den am Wickeldorn abgelegten Faserstrang so in seiner Position zu. halten, daß er durch den darübergewickelten Faserstrang nicht verrutscht und sich dadurch Locken bilden.
Die bekannte Vorrichtung ist für Wickelprozesse mit relativ geringen oszillierenden Änderungen der Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs geeignet.
Während des Wickelns mit zunehmenden Bauteildurchmesser tritt eine Erhöhung der Faserstrang-Laufgeschwindigkeit durch die erhöhte Umfangsgeschwindigkeit des Bauteils auf. Die Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit und damit der Faserstrang-Laufgeschwindigkeit ist dabei bei solchen Bauteilen besonders gravierend, deren Außendurchmesser sich beim Wickeln in axialer Richtung plötzlich erheblich ändert. In diesem Fall oder allgemein dann, wenn der Wickelprozeß große Anderungen der Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs verlangt, z. B. bei hohen Beschleunigungen der Wickelmaschine, ist die bekannte Vorrichtung jedoch unbrauchbar.
Sus der DE-AS 20 12 107 ist es bekannt, den Grad der Beaufschlagung des Faserstrangs mit Bindemittel dadurch einzusteilen, daß eine teilweise in Bindemittel getauchte Tränkrolle, über die der Faserstrang geführt ist, verwendet und das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Tränkrolle zur Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs entsprechend geändert wird. Jedoch werden nach dieser Druckschrift keinerlei Maßnahmen#getroffen, trotz Anderung der Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs, eine konstante Spannung desselben zu erhalten, geschweige denn die Spannung zu reduzieren.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wickelvorrichtung bereitzustellen, bei der bei beliebiger Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs und bei beliebigen Anderungen der Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs sichergestellt ist, daß die Faserstrangspannung am Wickeldorn auf einen bestimmten optimalen Wert reduziert bleibt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Figur 1 in schematischer Wiedergabe eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Tränkrolle der erfindungsgemäßen Vorrichtung und; Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Rohres als Beispiel für ein Bauteil, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewickelt werden kann, in teilweiser Wiedergabe.
Gemäß. Figur 1 weist die Vorrichtung zum Wickeln eines rohrförm#igen Bauteils t ein Gestell2.mitVo-rratsspulen 3 auf. Die Vorratsspulen 3 können mit einem Innenabzug od-er stattdessen mit einem Außenabzug versehen sein. Von jeder Vorratsspule 3 wird ein Faserstrang 4 (z. B. aus Glasfasern) über eine nicht dargestellte Fadenführungseinrichtung einer Umlennnolle 5 zugeführt, die den Strang-4 nach unten umlenkt. Der Faserstrang 4 wird dann, nachdem er über zwei weitere Umlenkrollen 6 und 7 geführt worden ist, einer Tränkrolle 8 zugeführt, läuft unten-um die Tränkrolle 8 herum über eine Umlenkrolle 8' und qelanqt anschließend zu der Walkstrecke 9 mit den Cii. etschba1ken 10 bis 13.
Die Tränkrolle 8 weist gemäß Figur 2 mehrere Umfangsnuten 14 bis 19 auf, in denen jeweils ein Faserstrang 4 angeordnet ist. Oberhalb der Tränkrolle 8 ist eine Dosiereinrichtung 20 angeordnet. Sie besteht im wesentlichen aus einem Vorratsgefäß 21- und einer daran angeschlossenen Pumpe 22.
Von der Pumpe 22 erstreckt sich jeweils ein Auslaß 23 über jede Umfangsnut 14 bis 19. In dem Vorratsgefäß 21 befindet sich das Bindemitte#l, zum Beispiel ein Epoxydharz, vermischt mit einem Härter.
Die Tränkrolle 8 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb angetrieben und dreht sich in Richtung der Laufrichtung des Faserstranges 4. Die Umfangsgeschwindigkeit der Tränkrolle 8 und die Fördergeschwindigkeit der Pumpe 22 sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß die in die betreffende Ringnut 14 bis 19 vom Auslaß 23 der Pumpe 22 laufende Bindemittelmenge von dem Faserstrang 4 im wesentlichen völlig absorbiert ist, wenn er unter der Tränkrolle 8 hindurchgelaufen ist. Der nicht dargestellte Antrieb der Dosierpumpe 23 und der der Tränkrolle 8 sind zu diesem Zweck durch ein nicht dargestelltes Getriebe gekoppelt. D. h. es ist eine Einrichtung zur Synchronisation der Dosiereinrichtung 20 bzw.
der Dosierpumpe 22 mit dem Antrieb der Tränkrolle 8 vorgesehen.
Beim Lauf über die Quetschbalken 10 bis 13 wird dann das von dem Faserstrang 4 an der Tränkrolle 8 aufgenommene Bindemittel gleichmäßig in den Faserstrang 4 eingearbeitet. Um zu verhindern, daß Bindemittel vom Faserstrang 4 tropft, sind die Quetschbalken 10 bis 13 zickzackförmig übereinander angeordnet.
Von der Walkstrecke 9 gelangt der Faserstrang 4 dann zu der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24. Diese weist mehrere angetriebene Trommeln 25 bis 28 auf. Die Oberfläche der Trommeln 25 bis 28 ist so gestaltet, daß eine möglichst große Reibung zwischen.Faserstrang 4 und Trommeln 25 bis 28 erzielt wird.
Die Umlaufgeschwindigkeit der Trommeln 25 bis 28 gegenüber der Tränkrolle 8 ist so eingestellt, daß die Tränkrolle 8 etwas langsam#er umläuft. Durch den dadurch auftretenden Schlupf wird die Aufnahme des aus dem Auslaß 23 der Dosierpumpe 22 in die betreffende Nut 14 bis 19 strömenden Bindemittels durch den Faserstrang 4 an der Tränkrolle 8 noch verbessert.
Der Schlupf ist vorzugsweise einstellbar. D. h. mit der Einrichtung zur Synchronisation des Antriebs der Tränkrolle 8 mit dem Antrieb der Faserstrang-Abziigseinrichtung 24 läßt sich der Schlupf der Faserstränge 4 an (eier Tränkrolle 8 einstellen.
Von der letzten Trommel 28 der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 läuft dann der Faserstrang 4 über eine Umlenkrolle 29 zu einer Tänzerrolle 30 und von dort zu einer weiteren Umlenkrolle 31.
Die ein bestimmtes Gewicht oder eine bestimmte Federbelastung aufweisende Tänzerrolle 30 ist ein Teil einer Einrichtung 32 zur Messung der Differenz zwischen der Laufgeschwindigkeit des von der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 zum Bauteil 1 abgehenden Faserstrangs 4 und der Abzugsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24. Dabei wird von dem Umstand Gebrauch gemacht, daß die vertikale Position der Tänzerrolle 30 von der Differenz zwischen der Laufgeschwindigkeit des zum Bauteil 1 abgehenden Faserstrangs 4 und der Abzugsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 abhängt. Die Geschwindigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung 32 kann dazu ein Potentiometer aufweisen, das von einem an der Tänzerrolle 30 befestigten Arm.33 betätigt wird, der mittels einer Führung 34 in einem Längsschlitz 35 auf- und abbeweglich geführt ist.
Die Geschwindigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung 32 steuert simultan die Umiaufgeschwindigkeit der Tränkrolle 8, die Fördergeschwindigkeit der Dosierpumpe 22 und die Antriebsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinflchtung 24 bzw. die Umlaufgeschwindigkeit der Trommeln 25 bis 28.
Auf diese Weise wird erreicht, daß bei sich ändernder Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs 4 beispielsweise durch einen sich vergrößernden Außendurchmesser des Bauteils 1 sich die Antriebsgeschwindigkeit der Fas erstrang-Abzugs einrichtung 24 bzw. die Umlaufgeschwindigkeit der Trommeln 25 bis 28 erhöht, so daß sich immer die optimale Zugspannung des Faserstrangs 4 zwischen Abzugseinrichtung 24 und Bauteil 1 einstellt, d. h.
nur die durch das Gewicht derTänzerrolle 30 bedingte Zugspannung.
Gleichzeitig wird-die Umlaufgeschwindigkeit der Dosierpumpe 22 und damit das Ausmaß der Tränkung der Abzugsgeschwindigkeit des Faserstranges 4 angepaßt. D. h. es ist nichtnur eine Einrichtung zur Syn#chronisation des Antriebs der Tränkrolle 8 mit dem Antrieb der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 vorgesehen, sondern außerdem eine Einrichtung zur Synchronisation der Dosiereinrichtung 20 bzw. der Dosierpumpe 22 mit dem Antrieb der Tränkrolle 8.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung deshalb nur einen Motor auf, der von der GeSchwindigkeitsdifferenz#Meßeinrichtung 32 gesteuert wird, wobei die Tränkrolle 8, die Dosierpumpe 23 und die Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 bzw. die Trommeln 25 bis 28 jeweils über ein Getriebe, an diesen Motor angeschlossen sind.
Mit der geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können weiterhin mehrere Bauteile. 1 gleichzeitig ge wickelt werden, z. B. drei Bauteile 1, 1' und 1"., wie in Figur 1 angedeutet.
Im allgemeinen werden dabei für jedes zu wickelnde Bauteil 1 von mehreren Vorratsspulen 3 Faserstränge 4 abgezogen, z. B.
jeweils zwei Faserstränge. Die insgesamt sechs Faserstränge 4 laufen dann getrennt in den Umfangsnuten 14 bis 19 der Tränkrolle 8 und über die Walkstrecke 9 und werden vor der Tänzerrolle 30 zu drei, den Bauteilen 1, 1' und 1'' zuzuführenden Doppelsträngen vereinig#t. Demgemäß sind i#n der Tränkrolle 8 insgesamt sechs Umfangsnuten 14 bis 19 vorgesehen, wie in Figur 2 gezeigt.
Desgleichen ist für jedes# zu wickelnde Bauteil 1, 1' und 1'' jeweils eine Tänzerrolle 30, 30' und 30'' vorgesehen, wie in Figur 1 angedeutet. Um die Geschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 zu steuern, ist eine Einrichtung vorgesehen, durch die die jeweils in der höchsten Position befindliche Tänzerrolle 30' die Faserstrang-Laufgeschwindigkeit bestimmt, die zur Steuerung des- Antriebs der Faserstrang-Abzugseinrichtung. 24 herangezogen wird.
Damit die Tänzerrollen 30, 30' und 30:' annähernd die gleiche vertikale Position beibehalten, ist vor der Umlenkrolle 5 eine Faserstrang-Bremseinrichtüng angeordnet, die durch eine von den Fasersträngen 4 umschlungene Bremsrolle 37 gebildet wird. Das Bremsmoment der Faserstrang-Bremseinrichtung bzw.
Bremsrolle 37 wird dabei von-der jeweils in der tiefsten Position befindlichen Tänzerrolle 30" bestimmt.
Die Faserstrang-Bremseinrichtung bzw. Bremsrolle 37 ist auch deswegen erfoderlich, weil die Faserstrang-Spannungsmeßeinrichtung 32 zusätzlich eine Einrichtung aufweist die bei einer bestimmten maximalen Differenz zwischen der Laufgeschwindigkeit eines der zu den Bauteilen1, 1' und 1'' abgehenden Faserstränge 4 und der Abzugsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24 oder beim Bruch eines der Faserstränge 4 die gesamte Anlage, d. h. den Antrieb der Faserstrang-Abzugseinrichtung 24, den Antrieb der Tränkrolle 8, die Wickelmaschine, also den Antrieb zum Wickeln des Bauteils 1 sowie die Dosierpumpe 22 abschaltet.
Diese Einrichtung kann aus einem Schalter 38 bzw. 39 bestehen, der unter bzw. oberhalb der Tänzerrollen 30, 30' und 30" angeordnet ist. Der Schalter 38 wird also bei Bruch eines Faserstranges 4 betätigt, der Schalter 39 beispielsweise dann, wenn ein Faserstrang 4 sich von der Tränkrolle 8 löst und zum Quetschbalken 10 läuft, sondern die Tränkrolle 8 umsftilingt.
In Figur 1 und 3 ist ein Rohr 1 während des Wickelns dargestellt. Das Rohr 1 soll dabei lediglich als Beispiel für ein Bauteil dienen, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt werden kann.
Beim Wickeln ist das Rohr 1 auf einem Wickeldorn 40 angeordnet, der axial unbeweglich in eine nicht dargestellte Wickelmaschine eingespannt ist. Eine Fadenführungseinrichtung bzw. ein Fadenauge 41 wird entlang dem Rohr 1 hin und her bewegt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, daß sich auch am Abschnitt 42 des Rohres 1 mit vergrößertem Durchmesser wie im übrigen Bereich des Rohres 1 ein bestimmter Wickelwinkel der Faserstränge von z, B. + 45C gegenüber der Längsachse ergibt.
Der Abschnitt 42 mit vergrößertem Durchmesser stellt ein Element dar, das bei Einwirkung einer bestimmten Biege-und/oder Axiallast auf das Rohr 1 zerbricht. Damit das Rohr 1 auch im Bereich des Elements 42 die notwendigen Torsionskräfte zu übertragen in der Lage ist, ist es erforderlich, daß anden Stirnflächen 43 und 44 des Elements 42 die gitterförmig übereinander liegenden Stränge 4 in Form von dreieckförmigen Elementen ausgebildet sind, deren Spitzen 45 genau auf den Außenkanten der Stirnflächen 43 und 44 des Elements 42 liegen (Figur 3).
Dieses Beispiel eines gewickelten Bauteils 1 verdeutlicht, wie wichtig es ist, daß die Faserstrangspannung beim Wickeln stets einen bestimmten optimalen Wert einnimmt und zwar auch dann, wenn plötzlich große Änderungen der Laufgeschwindigkeit des Faserstrangs 4 auftreten. Die Ausbildung eines bestimmten Wickelwinkels im Bereich des Elements 42 und im übrigen Bereich des Rohres 1 sowie die Anordnung der Spitzen 45 exakt auf den Außenkanten des Elements 42 läßt sich nämlich nur bei genau vorgegebener Zugspannung des Faserstrangs 4 erreichen.
Von Bedeutung ist ferner, daß beim Wickeln eines derartigen Bauteils 1 die geodätischen Verhältnisse am Element 42 wie am übrigen Rohr 1 beachtet werden müssen, weil es sonst zu einer unkontrollierten-Ablage des Faserstrangs 4 am Rohr 1 vor dem Element 42. kommt. Eine solche unkontrollierte Ablage läßt sich jedoch nur bei geringer Fadenspannung verhindern.
Gleichfalls ist von Bedeutung, daß das Element 42 zweckmäßigerweise durch das Wickeln des Faserstrangs 4 auf eine auf dem Wickeldorn 40 aufgestellte dünnwandige Hülse gebildet wird. Eine derartige Hülse hält aber nur einer relativ geringen Zugspannung des Faserstranges 4 stand.

Claims

Vorrichtung zum Wickeln von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Wickeln zylindrischer Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, mit einer eine drehbare Rolle aufweisenden Tränkeinrichtung, einer derselben nachgeordneten Einrichtung zum Abzug des Faserstrangs mit einer Geschwindigkeit, daß die Zugspannung des zum Bauteil abgehenden Faserstrangs weitgehend herabgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Faserstrangabzugseinrichtung (24.) und dem zu wickelnden Bauteil (1) eine Einrichtung (32) zur Messung der Differenz zwischen der Laufgeschwindigkeit des von der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) zum Bauteil (1) abgehenden Faserstrangs (4) und der Abzugsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24)vorgesehen ist, wobei die Geschwindigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung (32) die Antriebsgeschwindi.gkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) steuert 2. Vorrichtung.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkeinrichtung eine Dosiereinrichtung (20) für das Bindemittel mit einem im oberen Bereich der Tränkrolle (8) angeoraneten Auslaß (23) aufweist und der Faserstrang (4) von unten um die Tränkrolle (8) herumläuft 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Dosiereinrichtung (20) abgegebene Bindemittelmenge von der Geschwindigkeitsdifferenz-Meß einric htung (32) gesteuert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (20) eine Dosierpumpe (22) für die Bindemittelzufuhr zum Auslaß (23) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkrolle (8) für jeden ihr zugeführten Faserstrang (4) eine Umfangsnut (14 bis 19) aufweist, über der jeweils ein Auslaß (23) der Dosiereinrichtung (20) angeordnet ist und in der der betreffende Faserstrang (4) läuft.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Synchronisation des Antriebs der Tränkrolle (8) mit dem Antrieb der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) vorgesehen ist.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Synchronisationseinrichtung ein Schlupf des bzw.

der Faserstränge (4-) an der Tränkrolle (8) einstellbar ist.

8. Vorrichtung anch einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Synchronisation der Dosiereinrichtung (20) bzw. der Dosierpumpe (22) mit dem Antrieb der Tränkrolle (8) vorgesehen ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung (32) eine Einrichtung aufweist, die bei einer bestimmten maximalen Differenz zwischen der Laufgeschwindigkeit des zum Bauteil (1) abgehenden Faserstrangs (4) und der Abzugsgeschwindigkeit der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) sowie bei Bruch des bzw. eines der Faserstränge (4) den Antrieb der Faserstrang -Abzugseinrichtung (24), den Antrieb der Tränkrolle (8), den Antrieb zum Wickeln des Bauteils (1) und die Bindemittelzufuhr von der Dosiereinrichtung (20) bzw. der Dosierpumpe (22) zur Tränkrolle stillsetzt.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung (32) eine Tänzerrolle 30 umfaßt, wobei die Laufgeschwindigkeit des zum Bauteil (1) abgehenden Faserstrangs (4) durch die vertikale Position der Tänzerrolle (30) bestimmt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) mehrere Faserstränge (4) für das zu wickelnde Bauteil (1#) abgezogen werden, und die Faserstränge (4) vor der Tänzerrolle (30) vereinigt werden.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit der .

mehrere Bauteile gleichzeitig wickelbar sind, dadurch gekennzeichnet, das für jedes zu wickelnde Bauteil (1) eine Tänzerrolle (30, 30', 30'') sowie eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die die jeweils in der höchsten Position befindliche Tänzerrolle (30') dieFaserstrang-Laufgeschwindig}eit bestimmt, nach der die - Ges#indigkeitsdifferenz-Meßeinrichtung (32) die Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) steuert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang-Abzugseinrichtung (24) eine Faserstrang-Bremseinrichtung vorgeordnet ist, wobei das Bremsmoment der Faserstrang-Bremseinrichtung von der jeweils in der tiefsten Position befindlichen Tänzerrolle (30") bestimmt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstrang-Bremseinrichtung durch eine von den Fasersträngen (4) umschlungene Bremsrolle (37) gebildet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstrang-Bremseinrichtung bzw. die Brensrolle (37) vor der Tränkrolle (8) angeordnet ist.